張溯源 張 偉 鄭 雷

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

熱導率是反映其傳遞熱量能力大小的綜合指標，熱導率越大，保溫性能越弱［1］。目前，國際上已經(jīng)有相關(guān)學者利用自制的實驗裝置對動物毛被的熱導率、傳熱熱阻、導熱熱阻、冷卻系數(shù)、均溫系數(shù)等指標進行測定［2－6］。生物體與環(huán)境之間物質(zhì)和能量的交換過程是生命系統(tǒng)最基本的過程之一;在這一過程中，熱能必須經(jīng)過動物內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境的臨界，即動物的體被［7－8］。同種生物在不同分布地域、性別、季節(jié)、身體部位方面，其被毛性狀具有差異，并在阻止機體熱量向外界散失上起到了積極的作用［9－14］。

在以往的實驗過程中，有若干問題對實驗結(jié)果的準確性造成影響，如毛皮樣本的干硬皺褶，在實驗室難以取得平整的實驗試樣，使對同一樣本進行多次重復操作測得的熱導率方差較大。另外，實驗測試的持續(xù)時間多長可以準確表現(xiàn)樣本的熱導率，保證標定冰點的狀態(tài)便于測試數(shù)據(jù)的準確等都需要進行傳熱測試實驗的優(yōu)化，使實驗誤差盡可能減小，以得到準確的動物毛皮傳熱能力的量化信息。為此，本文在動物體被穩(wěn)態(tài)過程熱物性參數(shù)測試平臺構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上［15］，以通河林區(qū)與哈爾濱平原地區(qū)的黃鼬冬季雄性皮張為實驗材料，開展兩種環(huán)境下生長的小型哺乳動物毛被熱導率的比較研究，試圖以熱導率說明不同環(huán)境下的同一物種在毛皮保溫性能上的差異。

1 研究地氣候概況

通河林區(qū)位于哈爾濱平原北部，在北緯44°～46°之間。林區(qū)年溫差較大，最大溫差可達83.6℃;全年平均氣溫1.9℃，1月極端最低氣溫為－46.2℃。最大積雪深度是1977年12月30日的38 cm。10月下旬到翌年5月下旬為結(jié)凍期，長達7個月。凍土深度1.6～1.9 m，最深1.93 m。哈爾濱平原平均氣溫為2.3℃;1月份為全年最冷月，平均氣溫－21.1℃，極端最低氣溫－42.6 ℃;平均年溫差 42.9℃;冷凍期為5個月。平地最大積雪深度33 cm;凍土深度 1.8 ～2.0 m［16－17］。

2 材料與方法

隨機選取11—12月份哈爾濱平原、黑龍江通河林區(qū)的雄性成體黃鼬毛皮各10張。

于黃鼬生皮上取100 mm長、50 mm寬的試樣，利用動物體被穩(wěn)態(tài)過程熱物性參數(shù)測試平臺進行傳熱測試。通過測試平臺倒出的EXCEL表格，計算每采集間隔內(nèi)所測試冷熱面溫差與熱流密度測試平均值，帶入公式K(熱導率)=1/((冷熱面溫差/熱流密度)+1/23)，計算熱導率。每個試樣測試3次，取平均值作為最終熱導率。

3 結(jié)果與分析

3.1 測試實驗條件的優(yōu)化

實驗毛皮樣本的采樣時間、身體部位和性別選擇:分布在黑龍江地區(qū)的黃鼬在9月上旬開始脫夏毛長冬毛，冬毛的穩(wěn)定持續(xù)期為10月下旬到翌年3月。選擇11—12月份這一時間段的黃鼬皮張作為實驗樣本，既可以保證動物冬季毛被達到穩(wěn)態(tài)，又可以防止被毛因長期執(zhí)行保護保溫功能帶來的損傷所造成的影響。動物背臀部毛被對于機體保溫占有重要地位，黃鼬的冬毛先從臀部長出，其次是背部和兩脅，即背臀部先于身體其他部位換上冬毛［19］。所以，本實驗選取黃鼬的背臀部毛皮作為實驗樣本。在平整的整張生皮的尾基部上方30 mm處，以體軸為對稱軸，制取寬50 mm、長100 mm的背臀部毛皮作為熱導率測定樣本。本實驗全部選擇雄性個體的黃鼬，一方面保證樣本的可比性;另一方面因雄性個體較大，更有利于保障實驗樣本的面積。

測試樣本的預處理:因采集的生皮干硬且不平整，難以防止試樣與均熱板之間進入空氣，而空氣是熱的不良導體，對實驗結(jié)果的準確性影響較大［20］。所以，利用0.9%的生理鹽水浸泡采集的黃鼬生皮，進行24 h回鮮處理。將回鮮后的毛皮展平(避免拉伸)并固定在毛皮展架上，自然干燥72 h并避免陽光直射。自然風干后即為平整的生皮，可用于熱導率測試樣本的取樣。0.9%的生理鹽水接近哺乳動物正常組織液濃度，毛皮在進行回鮮過程中不會因為細胞吸水而發(fā)生膨脹;并且避免了在自然干燥過程后，細胞失水較多造成毛皮收縮現(xiàn)象［21］。整個預處理過程對毛皮無物理和化學傷害。

測試持續(xù)時間的確定:為了確定測試樣本的最適時間，分別隨機選取通河林區(qū)、哈爾濱平原地區(qū)的黃鼬冬季毛皮樣本各1張，進行10 h的熱導率測定，數(shù)據(jù)采集間隔為300 s;然后代入公式計算每2 h的熱導率均值進行比較，從而確定每次實驗測試的持續(xù)時間。由圖1、圖2可以看出，當測試時間為120 min后，兩個樣本通過毛被試樣的熱量交換已進入穩(wěn)態(tài)。因此，略去對初始波動較大2 h的熱導率均值計算，計算剩余4組2 h熱導率均值進行比較發(fā)現(xiàn);所得結(jié)果相對偏差小于1%。所以，當進行毛被熱導率對比時，測試持續(xù)時間為4 h即可。

圖1 通河林區(qū)隨機黃鼬個體10 h數(shù)據(jù)

圖2 哈爾濱平原隨機黃鼬個體10 h數(shù)據(jù)

實驗冰點的標定:用于標定的冰點一定為冰水混合物，實驗中需要保證冰點狀態(tài)。若冰水混合物中的冰溶盡，則會造成熱流密度取值較正常冰點的取值偏大，影響準確性。對同一試樣分別進行有冰點和無冰點的熱流密度測試(見圖3、圖4)，有冰點的測試數(shù)值在80 W/m2浮動，無冰點的同一試樣測試數(shù)值在100 W/m2浮動，差異顯著。

圖3 有冰點測試數(shù)據(jù)

傳熱測試實驗優(yōu)化后的條件:在整個傳熱測試實驗過程中，確定了用0.9%生理鹽水對樣本進行24 h回鮮和72 h的自然風干預處理;選取雄性黃鼬背臀部5000 mm2面積的毛皮進行傳熱性能測試，每次測試持續(xù)時間為4 h;標定冰點的狀態(tài)為冰水混合物。

圖4 無冰點測試數(shù)據(jù)

3.2 保溫性能比較

3.2.1 不同生境冬季毛皮熱導率差異

利用動物體被穩(wěn)態(tài)過程熱物性參數(shù)測試平臺進行測試，每個樣本測試3次，每次測試時間為4 h。對通河林區(qū)、哈爾濱平原20只黃鼬冬季毛皮樣本的熱導率測試結(jié)果見表1。

表1 通河林區(qū)與哈爾濱平原黃鼬毛皮的熱導率

對表1熱導率利用SPSS17.0軟件進行獨立樣本 T 檢驗［18］，結(jié)果顯示:P 值為 0.002，小于顯著性水平0.05，故拒絕零假設(shè)，認為兩總體均值存在顯著差異，即通河林區(qū)的黃鼬在毛皮傳熱性能(平均熱導率3.92 W·m－1·K－1)上要明顯低于哈爾濱平原地區(qū)(平均熱導率 4.35 W·m－1·K－1)。

3.2.2 同一地區(qū)不同采樣時間段的冬季毛皮熱導率差異

為檢驗同一地區(qū)不同采樣時間的樣本的傳熱性能是否存在顯著差異，按采樣時間以11月15日為分界，將來自哈爾濱平原的10個樣本分為組1、組2;以11月和12月為分界，將來自通河林區(qū)的10個樣本分為組3、組4;每組均為5個樣本。分別比較組1和組2、組3和組4，傳熱性能的差異。分組見表2。

由于是小樣本量，采用非參數(shù)檢驗中的兩獨立樣本曼－惠特尼U檢驗組1和組2、組和、組4，檢驗兩獨立樣本是否來自于無顯著差異的總體。結(jié)果表明:組1和組2的U統(tǒng)計量的精確概率P值為0.421，大于顯著差異值，故兩獨立樣本來自于無顯著差異的總體，即來自哈爾濱平原的2組毛皮樣本在熱導率上差異不顯著。組3和組4的U統(tǒng)計量的精確概率P值為0.310，大于顯著差異值，也表明來自通河林區(qū)的2組毛皮樣本在熱導率上差異不顯著。

表2 相同地區(qū)不同采樣時間段的樣本分組

4 結(jié)論與討論

黃鼬東北亞種在2種生境條件下的雄性成體冬季毛皮熱導率均值差異顯著，且來自通河林區(qū)的保溫性能優(yōu)于來自哈爾濱平原。對于來自同一地區(qū)不同采樣時間段的2組毛皮樣本的熱導率比較顯示，11—12月份的同一地區(qū)的冬季毛皮保溫性能差異不顯著，即冬季毛被已于10月末進入穩(wěn)態(tài)。同一亞種黃鼬在山區(qū)和平原2種不同生境下，其毛被在形態(tài)學上差異比較顯著，如密度、細度等指標［22］。本實驗所獲得的量化的毛皮熱導率，鮮明地反映了毛被形態(tài)學差異所帶來的保溫功能差異。通河林區(qū)的黃鼬東北亞種的冬季毛皮要比哈爾濱平原地區(qū)的保溫能力強，是2種生境的黃鼬種群分別適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。兩地沒有明顯的緯度和海拔高度差異，主要是生態(tài)環(huán)境的不同;通河林區(qū)進入冬季時間早，秋季氣溫下降快，整個冬季平均氣溫低，且持續(xù)時間比平原地區(qū)長。正是這些環(huán)境差異，使得同一亞種黃鼬的不同種群出現(xiàn)了毛皮性狀上的不同，以滿足不同的保溫功能需要。

本實驗通過對不同地區(qū)毛皮導熱率的量化處理以及對實驗數(shù)據(jù)的分析，比較出不同地區(qū)毛被形態(tài)學差異所帶來的保溫功能差異。在實驗中，通過對實驗過程的優(yōu)化處理，減小了因?qū)嶒灢僮鞫a(chǎn)生的誤差，從而減小對毛皮導熱率量化處理的影響，使數(shù)據(jù)更精確。

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