滿效強陳亮程衛(wèi)紅王松慶馬建章

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱，150040；2.東北林業(yè)大學野生動物資源學院，哈爾濱，150040)

大興安嶺北部越冬飛鼠(Pteromysvolans)樹洞巢材保溫機理研究

滿效強陳 亮程衛(wèi)紅王松慶1*馬建章2*

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱，150040；2.東北林業(yè)大學野生動物資源學院，哈爾濱，150040)

稿件運行過程

飛鼠； 樹洞； 巢材； 多孔介質； 孔隙率； 傳熱學； 保溫機理

樹洞在森林生態(tài)系統(tǒng)中起到十分重要的作用[1-3]，許多動物利用樹洞筑巢或者用作棲息場所來抵擋不利氣候與躲避天敵。在加拿大不列顛哥倫比亞省的混交林里有40多種動物依靠樹洞生存[4-5]，而在世界上有多達260種鳥類[6]以及500余種蝙蝠中的一大部分靠樹洞棲息[7]。除此之外，樹洞還為很多物種提供繁殖后代、覓食的場所[8-9]。所以樹洞和動物棲息關系非常密切，已成為生態(tài)學研究，特別是物種及其棲息環(huán)境之間關系的重要研究方向。樹洞對低溫下不冬眠的小型哺乳動物飛鼠(Pteromysvolans)而言更是關鍵資源[10]。樹洞不僅能夠讓飛鼠躲避天敵，而且還可以讓飛鼠在嚴寒冬季安全越冬。以往國際上對飛鼠越冬的研究大多集中在棲息地和巢樹的選擇上[11-14]，僅有一些研究把關注點放在了飛鼠的巢材上[15-16]，而對于飛鼠在嚴寒冬季越冬時樹洞保溫機理的研究尚未見報道，為此我們選擇了大興安嶺北部越冬飛鼠樹洞進行了研究，以解釋這一機理。由于樹洞洞口可以直接與外界空氣進行熱量交換，能量交換的結果使洞內的溫度趨于環(huán)境溫度，所以本研究重點集中在對樹洞巢材的研究上。

1 關于動物洞巢研究現(xiàn)狀

關于動物洞巢的研究一直都是動物傳統(tǒng)研究內容的熱點問題。Lindenmayer等[17]對澳大利亞森林里樹木所含樹洞及其樹棲動物進行了長達20余年的研究，研究工作主要集中在：樹木形成樹洞及其演變過程；以樹洞為棲息場所的樹棲有袋動物(species of arboreal marsupials)的種類及數量；樹洞類型、數量和樹棲有袋動物種類、數量之間的關系。研究結果表明樹洞對保護生物多樣性起著重要作用，并指出森林管理中需保留一定含洞樹木。Goldingay[18]對澳大利亞鳥類和蝙蝠類所利用樹洞的特征進行了詳細研究，并指出科學管理含洞樹木的重要性。Walankiewicz等[19]對波蘭比亞沃維耶扎森林(Biaowiea Forest)立木所含樹洞資源進行了調查研究，結果顯示74.4%樹洞集中在站桿(snags)上，并指出在歐洲商業(yè)用途針葉林(commercial coniferous forests)中保護樹洞資源最為有效方式是保留或人為制造樹洞。由此可見對于動物洞巢的傳統(tǒng)研究內容是將與洞巢相關的一些參數量化并討論其生態(tài)作用以指導森林管理、野生動物資源保護。

然而傳統(tǒng)的研究內容并沒有解釋透徹一些現(xiàn)象，例如，同一物種不同季節(jié)對洞巢的偏好不同，鳥類在孵卵期間洞巢能夠維持一定溫度，動物可以在嚴寒冬季于洞巢中越冬機理等。解釋這些現(xiàn)象需要用新的方法和視角來研究問題，國內外已有學者開始結合傳熱學、流體力學、熱力學等知識從新的角度來研究洞巢空間微氣候特征來解答問題。Rockweit等[20]運用風洞實驗的方法確定了斑林鸮(Strixoccidentalis)的卵與空氣的對流換熱系數h，通過測試巢內溫度降低的速率比較了兩種不同結構類型巢的保溫性能。研究結果表明樹頂洞巢(top-cavity)比盤狀巢(platform nests)的保溫效果更好，斑林鸮選擇的巢類型對在育雛季節(jié)遭遇不利天氣條件時育雛成功與否起著重要作用。Maziarz等[21]以溫濕度為指標對波蘭比亞沃維耶扎森林里大山雀(Parusmajor)樹洞洞巢的微氣候進行了研究，結果表明活樹樹洞溫度低但溫度穩(wěn)定且濕度高，大山雀育雛時樹洞溫度變高濕度降低，并且大山雀可以通過對樹洞尺寸的合理選擇、調整巢與入口的距離來調節(jié)巢內微氣候。McComb 等[22]以溫度、濕度、光照為指標對路易斯安那州立大學賓西農場洼地硬木林(bottomland hardwoods)里的自然樹洞和人工樹洞進行了研究，表明自然樹洞絕熱保溫效果比人工樹洞好，樹棲性野生動物更偏好于自然樹洞。

2 實驗過程原理及結果分析

2.1 巢材的收集

研究地位于中國東北地區(qū)，大興安嶺北部的金河林業(yè)局和阿龍山林業(yè)局，海拔800～1 100 m。1月平均氣溫-30.8℃。從2011～2016年間對飛鼠研究的5 a內，于落葉松(Larixgmelinii)樹干側部一共發(fā)現(xiàn)了30個飛鼠越冬巢穴。其中共發(fā)現(xiàn)15個不再被利用的巢穴，考慮到安全原因有3個樹洞的巢材沒有采集。我們用隨身帶的利斧、手鋸和麻繩自制梯子爬上樹干，通過鉗子夾出樹洞內所有巢材(巢材是由苔蘚、地衣和木屑組成的混合物)，用單獨的密封袋封裝以隔絕與外界的水汽交換。為保證巢材空間結構不受到進一步破壞，我們把樣品單獨用瓦楞紙箱裝載，對采集的12個樣本編號后帶回實驗室進行孔隙率測定實驗。

2.2 實驗方法及原理

物料孔隙率的測定方法可分為液體置換法和氣體置換法。液體置換法是利用不與物料發(fā)生化學反應的液體如水、水銀等來置換物料自身或堆積形成的空隙后測定物料的真實密度間接計算出孔隙率[29-30]。基于理想氣體狀態(tài)方程的氣體置換法則是檢測孔隙率的另外一種有效方法，其測定裝置常用的為定容型[31-32]。對于巢材而言液體置換法存在浸濕巢材可能性，部分液體還存在安全問題，所以我們采用了定容型氣體置換裝置對巢材這種松散物料的孔隙率進行了測定。

圖1 孔隙率測定裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of porosity measurement apparatus

如圖1所示，實驗裝置主要部件包括壓力罐A、壓力罐B、空氣壓縮機C、標準鋼制球D、1壓力變送器及數顯表、2密封蓋、3橡膠密封圈、4手動閥門、5～7螺紋接口、8～9塑料氣管。壓力變送器的型號為SIN-300，量程0～1.0 MPa，精度為5‰，輸出信號為4～20 mA。輸出信號通過數顯表直接變換成壓力顯示?？諝鈮嚎s機的型號550-9L，工作壓力0～0.8 MPa。壓力罐A與壓力罐B為容積相等的剛性容器，容積為V。在測試過程中，塑料氣管8與壓力罐B通過螺紋接口6相連接。

測量時，容器B填滿待測的松散巢材，螺紋接口5連接處斷開使得壓力罐B與大氣相通，此時壓力罐B 的壓力為當地大氣壓力。

手動閥門4打開，螺紋接口5處斷開后，與壓縮機C相連的塑料氣管9，通過螺紋接口7與螺紋接口5相連接后啟動壓縮機C向壓力罐A沖氣加壓。壓力罐內的壓力通過壓力變送器及數顯表測得并顯示。待數顯表的壓力達到預設值后關閉手動閥門4并關閉壓縮機，等待壓力罐A內溫度與環(huán)境溫度相等氣壓穩(wěn)定后，記錄壓力表的最終壓力為P1(需要時可以采用手動方式進行壓力微調)。

螺紋接口7與螺紋接口5斷開，將塑料氣管8通過螺紋接口5連接到手動閥門4上，打開手動閥門4，待壓力罐A、B壓力平衡并和環(huán)境溫度相等后，記錄壓力表的最終壓力為P2，利用理想氣體狀態(tài)方程可以得到以下方程：

(Pa+P1)(V+V1)=MART1

治療后24 h尿微量白蛋白和24 h尿蛋白定量對比：觀察組均低于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表3。

(1)

Pa(Vp+V2)=MBRT0

(2)

(Pa+P2)(V+Vp+V1+V2)=MRT2

(3)

M=MA+MB

(4)

式中：V壓力罐A 、B內空氣體積，m3;Vp壓力罐B內填滿巢材時的空氣體積，m3;M1壓力罐A(含連接管道)內空氣的質量，kg;M2壓力罐B填滿巢材時的空氣質量(含連接管道)，kg;V1壓力罐A連接管道內氣體的體積，m3;V2壓力罐B連接管道內氣體的體積，m3;M壓力罐A和容器B及其連接管道內的氣體質量的總和，kg;T空氣熱力學溫度，K(T0環(huán)境溫度，T1記錄壓力P1時的溫度，T2記錄壓力P2時的溫度，T0=T1=T2);R空氣氣體常數，為287.1 J(kg·K)；Pa當時當地大氣壓，Pa。

將方程(1)(2)(4)代入方程(3)可得：

(5)

連接管道容積V1、V2很小可以忽略，(5)式簡化為

(6)

將記錄的壓力P1、P2代入(6)式即可求得孔隙率。

影響孔隙率測定裝置測量精度的因素除傳感器誤差和系統(tǒng)誤差外，待測物料組態(tài)、充氣壓力、容器之間的節(jié)流減速閥開度等都可能給測量系統(tǒng)帶來誤差。李長友等人[32]的研究結果表明由于傳感器的誤差是隨機變動的，無法消除，但可以通過選擇合適的充氣壓力來減少隨機誤差，推薦測定裝置的較優(yōu)充氣壓力選為0.4 MPa(即400 KPa)。因此本實驗設定的充氣壓力為400.0 KPa，充氣達到后閥門A關閉，等到與環(huán)境換熱平衡后壓力P1最終穩(wěn)定為(395.5±0.3)KPa。在該壓力下，對樣本進行了測試得到壓力P2(KPa)。

2.3 實驗數據及結果

本實驗測定的12個飛鼠越冬巢的孔隙率為平均值±標準差，具體每個巢的孔隙率見表1。

表1 飛鼠樹洞巢材孔隙率

Tab.1 Porosity of tree cavities nest materials using by siberian flying squirrel

3 實驗結果及巢材保溫機理的討論

通過對飛鼠巢材孔隙率的測定，飛鼠巢材在自然松散狀態(tài)下的孔隙率超過50%，這證明飛鼠巢材是一種高孔隙率的多孔介質材料[28]。從廣義上講，多孔介質材料指任何內部包含空穴或空隙的固體材料或堆積的松散材料。而孔隙率是用來表示多孔介質材料基本物理結構和性能的參數。

本實驗結果表明飛鼠巢材是一種高孔隙率的多孔介質材料，可以從多孔介質材料傳熱特點[33]來解釋巢材保溫的內在機理。熱學中關于熱量傳遞有3種方式，即導熱、對流及熱輻射[34]。導熱是指由于物體各部分直接接觸的物質質點(分子、原子、自由電子)的熱運動而引起的熱量傳遞過程。對流是指較熱的液體或者氣體因遇熱膨脹而密度減小從而上升，冷的液體或氣體由此補充過來，從而形成分子的循環(huán)流動，造成熱量從高溫的地方通過分子的相對位移傳向低溫的地方。熱輻射是一種靠電磁波來傳遞能量的過程。

飛鼠巢材的保溫作用機理可由圖來說明：

圖2 飛鼠樹洞內越冬示意圖Fig.2 Sketch of flying squirrels，tree cavities in winter

圖3 多孔介質傳熱路徑示意圖Fig.3 Path of porous medium heat transfer diagram

飛鼠越冬時會全身蜷縮埋入松散的堆積巢材中，如圖2所示。圖3中封閉的不規(guī)則腔體為多孔介質材料形成的空隙。當飛鼠代謝產生的熱量從內部(高溫處)向外部(低溫處)傳遞時，在未達到空隙前，傳遞過程為巢材固體導熱過程，在碰到氣孔后，傳熱線路分為2條：一條(圖中上、下線表示)仍然是通過固相傳遞，但其傳導方向發(fā)生變化，總的傳熱路徑增大，從而使傳熱速度減緩；另一條路線(圖中中間線表示)是通過氣孔內氣體的導熱，其中包括高溫固體表面氣體的輻射與對流傳熱、氣體自身的對流傳熱、氣體的導熱、熱氣體對低溫固體表面的輻射及對流傳熱、熱固體表面和冷固體表面之間的輻射傳熱。由于對流和輻射傳熱在總的傳熱中所占比例極小，故以氣孔中氣體的導熱為主。而空氣的導熱系數僅為0.029 W/(m·K)，小于固體的導熱系數，故熱量通過氣孔傳遞的阻力增大導熱系數減小，從而傳熱速度減緩。Skowron 等[35]用導熱系數這一物質的基本熱物性參數指標對北美鳴禽巢材的保溫效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)鳥巢的導熱系數最低達0.052 W/(m·K)。在建筑材料中通常把導熱系數不大于0.23 W/(m·K)的材料稱為絕熱材料，而將其中導熱系數小于0.14 W/(m·K)的材料稱為保溫材料[36]。因此，從Skowron等[35]的研究中可推斷出本研究之巢材是一種很好的保溫材料。對于大興安嶺北部飛鼠樹洞巢材導熱系數的測定正是我們下一步研究的內容。

4 結語

通過對大興安嶺北部飛鼠樹洞巢材在自然松散狀態(tài)下孔隙率的測定證明了巢材所組成的巢結構，是一種高孔隙率(超過50%)的多孔介質材料結構，并結合傳熱學的知識解釋了飛鼠巢材的保溫機理：正是由于巢材空隙內空氣的存在使得巢材擁有良好的保溫效果。本研究采用更科學的方法進一步佐證了M?ller研究中提出的假設：可能是巢材間隙中的空氣使得巢材更保溫的正確性。

對于一些問題只采用傳統(tǒng)方法來研究往往很難解釋透徹，這就需要采用新的方法與視角來研究問題，本研究中結合了傳熱學的知識從物質基本物理性質的角度對飛鼠巢材的保溫機理進行了研究，也為今后動物微生境研究提供了新思路。McComb等[22]及Grüebler[37]等人對自然樹洞和人工巢箱的研究均表明自然樹洞比目前使用的人工巢箱性能更優(yōu)越，野生動物更偏好于自然樹洞。鑒于此，可以結合傳熱學、流體力學、熱力學等知識對自然樹洞的熱工特性進行詳細研究從而設計出性能更接近甚至優(yōu)于自然樹洞熱工特性的人工巢箱，為森林管理、保護野生動物提供技術支持與幫助。

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Siberian flying squirrels； Tree cavities； Nest materials； Porous medium； Porosity； Heat transfer theory； Insulation mechanism

森林生態(tài)系統(tǒng)中的樹洞對于某些野生動物的生存至關重要。由于樹洞具有抵御不良氣候的作用，許多樹棲性動物利用樹洞來提高棲息適應能力而擴大自己的分布范圍。樹洞對于低溫下不冬眠的小型哺乳動物飛鼠(Pteromysvolans)而言更是關鍵資源。然而，目前對于越冬飛鼠洞巢保溫作用的機理了解甚少。為此，本文利用熱物理學原理和實驗，研究了大興安嶺北部越冬飛鼠所利用巢材的保溫機理。通過對樹洞巢材孔隙率的測定，得到巢材孔隙率為(51.69±0.79)%。這一結果表明巢材是一種高孔隙率的多孔介質，結合傳熱學知識從多孔介質材料傳熱特點解釋了巢材保溫的內在機理：由于巢材空隙內空氣的存在使得巢材擁有良好的保溫效果。

The Insulation Mechanism of Nest Materials for Tree CavitiesUsed by Siberian Flying Squirrels(Pteromysvolans)in NorthGreat Khingan Mountains During Winter

Man Xiaoqiang1Chen Liang2Cheng Weihong1Wang Songqing1*Ma Jianzhang2*

(1.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，150040，China；2.College of Wildlife Resources，Northeast Forestry University，Harbin，150040，China)

Tree cavities are essential for the survival of some wildlife in forest ecosystems.Cavities can offer shelter from adverse weather，so many animal species use tree cavities to improve fitness and expand their distribution.Tree cavities are critical resources for Siberian flying squirrels(Pteromysvolans)，a small mammal that does not hibernate.So far，we have little knowledge of the cavity-nesting insulation mechanism.Thus，the aim of this study was to investigate the insulation mechanism of tree cavities used by Siberian flying squirrels in the northern Great Khingan Mountains using thermal physical principle and experiments.Mean porosity of nest materials was(51.69±0.79)%，or medium to high porosity.We combined knowledge of heat transfer theory to explain the inner insulation mechanism of nest materials based on the heat transfer characteristics of the porous medium.The nest materials provided good thermal insulation due to air trapped within nest material gaps.

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201610225063)

滿效強，男，24歲，碩士研究生；主要從事建筑熱濕環(huán)境模擬研究。E-mail：2582441322@qq.com

*通訊作者：王松慶，E-mail：wsqnefu@163.com；馬建章，E-mail：jianzhangma@163.com

2016-08-26

Q958.1

A

修回日期：2016-11-09

發(fā)表日期：2017-02-10

2310-1490(2017)01-011-06