不同生境黃鼬毛皮保溫性能比較及傳熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)優(yōu)化1)

張溯源 張 偉 鄭 雷

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

熱導(dǎo)率是反映其傳遞熱量能力大小的綜合指標(biāo)，熱導(dǎo)率越大，保溫性能越弱［1］。目前，國(guó)際上已經(jīng)有相關(guān)學(xué)者利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)動(dòng)物毛被的熱導(dǎo)率、傳熱熱阻、導(dǎo)熱熱阻、冷卻系數(shù)、均溫系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定［2－6］。生物體與環(huán)境之間物質(zhì)和能量的交換過(guò)程是生命系統(tǒng)最基本的過(guò)程之一;在這一過(guò)程中，熱能必須經(jīng)過(guò)動(dòng)物內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境的臨界，即動(dòng)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(jī)體熱量向外界散失上起到了積極的作用［9－14］。

在以往的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有若干問(wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響，如毛皮樣本的干硬皺褶，在實(shí)驗(yàn)室難以取得平整的實(shí)驗(yàn)試樣，使對(duì)同一樣本進(jìn)行多次重復(fù)操作測(cè)得的熱導(dǎo)率方差較大。另外，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的持續(xù)時(shí)間多長(zhǎng)可以準(zhǔn)確表現(xiàn)樣本的熱導(dǎo)率，保證標(biāo)定冰點(diǎn)的狀態(tài)便于測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確等都需要進(jìn)行傳熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，使實(shí)驗(yàn)誤差盡可能減小，以得到準(zhǔn)確的動(dòng)物毛皮傳熱能力的量化信息。為此，本文在動(dòng)物體被穩(wěn)態(tài)過(guò)程熱物性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)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(shí)驗(yàn)材料，開(kāi)展兩種環(huán)境下生長(zhǎng)的小型哺乳動(dòng)物毛被熱導(dǎo)率的比較研究，試圖以熱導(dǎo)率說(shuō)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(dá)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(zhǎng)達(dá)7個(gè)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(gè)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(jī)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(zhǎng)、50 mm寬的試樣，利用動(dòng)物體被穩(wěn)態(tài)過(guò)程熱物性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行傳熱測(cè)試。通過(guò)測(cè)試平臺(tái)倒出的EXCEL表格，計(jì)算每采集間隔內(nèi)所測(cè)試?yán)錈崦鏈夭钆c熱流密度測(cè)試平均值，帶入公式K(熱導(dǎo)率)=1/((冷熱面溫差/熱流密度)+1/23)，計(jì)算熱導(dǎo)率。每個(gè)試樣測(cè)試3次，取平均值作為最終熱導(dǎo)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)毛皮樣本的采樣時(shí)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(kāi)始脫夏毛長(zhǎng)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(shí)間段的黃鼬皮張作為實(shí)驗(yàn)樣本，既可以保證動(dòng)物冬季毛被達(dá)到穩(wěn)態(tài)，又可以防止被毛因長(zhǎng)期執(zhí)行保護(hù)保溫功能帶來(lái)的損傷所造成的影響。動(dòng)物背臀部毛被對(duì)于機(jī)體保溫占有重要地位，黃鼬的冬毛先從臀部長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)選取黃鼬的背臀部毛皮作為實(shí)驗(yàn)樣本。在平整的整張生皮的尾基部上方30 mm處，以體軸為對(duì)稱軸，制取寬50 mm、長(zhǎng)100 mm的背臀部毛皮作為熱導(dǎo)率測(cè)定樣本。本實(shí)驗(yàn)全部選擇雄性個(gè)體的黃鼬，一方面保證樣本的可比性;另一方面因雄性個(gè)體較大，更有利于保障實(shí)驗(yàn)樣本的面積。

測(cè)試樣本的預(yù)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(jìn)入空氣，而空氣是熱的不良導(dǎo)體，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)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(jìn)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(yáng)光直射。自然風(fēng)干后即為平整的生皮，可用于熱導(dǎo)率測(cè)試樣本的取樣。0.9%的生理鹽水接近哺乳動(dòng)物正常組織液濃度，毛皮在進(jìn)行回鮮過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榧?xì)胞吸水而發(fā)生膨脹;并且避免了在自然干燥過(guò)程后，細(xì)胞失水較多造成毛皮收縮現(xiàn)象［21］。整個(gè)預(yù)處理過(guò)程對(duì)毛皮無(wú)物理和化學(xué)傷害。

測(cè)試持續(xù)時(shí)間的確定:為了確定測(cè)試樣本的最適時(shí)間，分別隨機(jī)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(jìn)行10 h的熱導(dǎo)率測(cè)定，數(shù)據(jù)采集間隔為300 s;然后代入公式計(jì)算每2 h的熱導(dǎo)率均值進(jìn)行比較，從而確定每次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。由圖1、圖2可以看出，當(dāng)測(cè)試時(shí)間為120 min后，兩個(gè)樣本通過(guò)毛被試樣的熱量交換已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此，略去對(duì)初始波動(dòng)較大2 h的熱導(dǎo)率均值計(jì)算，計(jì)算剩余4組2 h熱導(dǎo)率均值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn);所得結(jié)果相對(duì)偏差小于1%。所以，當(dāng)進(jìn)行毛被熱導(dǎo)率對(duì)比時(shí)，測(cè)試持續(xù)時(shí)間為4 h即可。

圖1 通河林區(qū)隨機(jī)黃鼬個(gè)體10 h數(shù)據(jù)

圖2 哈爾濱平原隨機(jī)黃鼬個(gè)體10 h數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)冰點(diǎn)的標(biāo)定:用于標(biāo)定的冰點(diǎn)一定為冰水混合物，實(shí)驗(yàn)中需要保證冰點(diǎn)狀態(tài)。若冰水混合物中的冰溶盡，則會(huì)造成熱流密度取值較正常冰點(diǎn)的取值偏大，影響準(zhǔn)確性。對(duì)同一試樣分別進(jìn)行有冰點(diǎn)和無(wú)冰點(diǎn)的熱流密度測(cè)試(見(jiàn)圖3、圖4)，有冰點(diǎn)的測(cè)試數(shù)值在80 W/m2浮動(dòng)，無(wú)冰點(diǎn)的同一試樣測(cè)試數(shù)值在100 W/m2浮動(dòng)，差異顯著。

圖3 有冰點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)

傳熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的條件:在整個(gè)傳熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，確定了用0.9%生理鹽水對(duì)樣本進(jìn)行24 h回鮮和72 h的自然風(fēng)干預(yù)處理;選取雄性黃鼬背臀部5000 mm2面積的毛皮進(jìn)行傳熱性能測(cè)試，每次測(cè)試持續(xù)時(shí)間為4 h;標(biāo)定冰點(diǎn)的狀態(tài)為冰水混合物。

圖4 無(wú)冰點(diǎn)測(cè)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(dǎo)率差異

利用動(dòng)物體被穩(wěn)態(tài)過(guò)程熱物性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣本測(cè)試3次，每次測(cè)試時(shí)間為4 h。對(duì)通河林區(qū)、哈爾濱平原20只黃鼬冬季毛皮樣本的熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 通河林區(qū)與哈爾濱平原黃鼬毛皮的熱導(dǎo)率

對(duì)表1熱導(dǎo)率利用SPSS17.0軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本 T 檢驗(yàn)［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(rèn)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(dǎo)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(dǎo)率 4.35 W·m－1·K－1)。

3.2.2 同一地區(qū)不同采樣時(shí)間段的冬季毛皮熱導(dǎo)率差異

為檢驗(yàn)同一地區(qū)不同采樣時(shí)間的樣本的傳熱性能是否存在顯著差異，按采樣時(shí)間以11月15日為分界，將來(lái)自哈爾濱平原的10個(gè)樣本分為組1、組2;以11月和12月為分界，將來(lái)自通河林區(qū)的10個(gè)樣本分為組3、組4;每組均為5個(gè)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(jiàn)表2。

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

表2 相同地區(qū)不同采樣時(shí)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(dǎo)率均值差異顯著，且來(lái)自通河林區(qū)的保溫性能優(yōu)于來(lái)自哈爾濱平原。對(duì)于來(lái)自同一地區(qū)不同采樣時(shí)間段的2組毛皮樣本的熱導(dǎo)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(jìn)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(xué)上差異比較顯著，如密度、細(xì)度等指標(biāo)［22］。本實(shí)驗(yàn)所獲得的量化的毛皮熱導(dǎo)率，鮮明地反映了毛被形態(tài)學(xué)差異所帶來(lái)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(qiáng)，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(méi)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(jìn)入冬季時(shí)間早，秋季氣溫下降快，整個(gè)冬季平均氣溫低，且持續(xù)時(shí)間比平原地區(qū)長(zhǎng)。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(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同地區(qū)毛皮導(dǎo)熱率的量化處理以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，比較出不同地區(qū)毛被形態(tài)學(xué)差異所帶來(lái)的保溫功能差異。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的優(yōu)化處理，減小了因?qū)嶒?yàn)操作而產(chǎn)生的誤差，從而減小對(duì)毛皮導(dǎo)熱率量化處理的影響，使數(shù)據(jù)更精確。

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