綠色植被蒸騰作用機制及紅外輻射特性

許衛(wèi)東， 劉 君， 張拴勤， 吳堅業(yè)

(1.陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007； 2.江陰市大阪涂料有限公司，江蘇 江陰 214000)

偽裝的實質是模擬自然背景的特性，消除軍事目標與所處背景之間的特性差異，從而使目標與所處自然背景融為一體[1-3]。綠色植被作為一種主要的自然背景，是偽裝模擬的主要對象，也是偽裝模擬的難點。綠色植被種類繁多，每種綠色植被的紅外輻射特性也不盡相同，植被的紅外輻射主要與葉面溫度有關[4-5]。

相較于軍事目標，綠色植被具有獨特的紅外輻射特性：白天受太陽輻照溫度升高時，植被表面溫度不會升太高，晚上溫度又不會降太低，晝溫度變化范圍相對較小，這導致軍事目標紅外偽裝技術難度很大。綠色植被自身含有大量的水分，具有蒸騰作用的生理機制[6-8]。植被葉片的蒸騰作用是植被的一項重要生理過程，是調節(jié)自身溫度的主要手段。在蒸騰作用的驅動下，植被根部將從土壤中吸收的水分輸送到葉片，再由葉片以水蒸氣的形式散發(fā)到環(huán)境中去。這個過程中水分不斷地交換、循環(huán)、補充。水蒸氣的散發(fā)帶走葉片中的熱量，從而降低或保持葉面溫度。

國內針對植被光譜特性及偽裝材料仿生設計開展了大量研究[9-13]，針對植被蒸騰作用的研究主要圍繞幾個方面：譚娟等[14]對廣西壯族自治區(qū)喀斯特峰叢洼地4種主要植物群落不同季節(jié)蒸騰速率、葉面積指數和相關環(huán)境因子開展了研究；劉津平等[15]開展了仿植被蒸騰作用的高熱流密度散熱研究；劉娜[16-17]針對植物蒸騰作用建立了數理模型；吳晨楠等[18-19]開展了針對植物蒸騰作用的監(jiān)測儀研究。但針對綠色植被的蒸騰作用及紅外輻射特性的關聯研究鮮見報道，凌軍等[10]針對3種典型植物紅外輻射特性的影響進行了初步分析研究,本文在此基礎上，選取南方林地8種典型綠色植被，系統測試分析了葉片的微觀結構、蒸騰速率、氣孔阻力、葉面溫度及紅外輻射特性的日周期變化。分析得出典型綠色植被的蒸騰速率、氣孔阻力的日周期變化規(guī)律，植被葉片的表面溫度和紅外輻射溫度的變化趨勢以及蒸騰作用對紅外輻射特性的影響規(guī)律。實驗成果將為紅外偽裝材料的研究提供相應的理論基礎。

1 研究方法

1.1 試驗設備

(1) Hitachi X650型電子顯微鏡

(2)AP4型植被動態(tài)氣孔計

氣孔導度測量范圍：0.25～30.0 mm/s。

氣孔阻力測量范圍：0.2～40 s/cm。

(3)NR-81530通用K型溫度計

(4)FLIR S65紅外熱像儀

光譜范圍：8～14 μm。

空間分辨率：優(yōu)于0.35 mrad。

溫度分辨率：優(yōu)于0.06 ℃。

1.2 試驗方法

(1) 測試條件

太陽照度：夏季，天氣晴朗，日照充足穩(wěn)定，中午最大照度為1 008×102Lx。

能見度：大于15 km。

風速：3.2～6.5 m/s。

環(huán)境溫度：距地表1 m處為26.4～35.5 ℃。

空氣相對濕度：54%～91%。

(2) 樣本選取

選取野樟樹、冬青、木芙蓉、山茶、算盤子、小樟樹、野竹子和杜鵑(盆景)等8種南方典型綠色植被(圖1)，在每種植被冠層上選取3～5片健康的成年活體葉片。

圖1 幾種植物照片

(3) 測試方法

① 利用Hitachi X650型電子顯微鏡觀察植被葉片的正、反面微結構；

② 利用AP4型植被動態(tài)氣孔計測試各種植被葉片的蒸騰速率、氣孔阻力等參數；

③ 采用溫度計測試各種植被葉片表面的實際溫度；

④ 采用FLIR S65紅外熱像儀對上面的典型植被同步進行紅外輻射溫度測試，測試周期為2個日周期，測試時間間隔為1 h。

其中，蒸騰作用、葉面溫度、紅外輻射溫度同步測試，測試間隔為1 h，同步記錄環(huán)境條件。

2 結果與討論

2.1 植被葉片表面微結構分析

植被葉片的蒸騰作用是植被的一項重要生理過程，是調節(jié)自身溫度的主要手段。水分從活的植被體內通過植被體葉片表面的氣孔氣體狀態(tài)散失到大氣中的過程稱為蒸騰作用。圖2給出了野樟樹葉片的正、反面及葉脈微結構電鏡照片。

圖2 野樟樹葉片的正、反面及葉脈微結構電鏡照片

從圖2可以看出，葉片中存在大量組織液，水分是植被葉片的主要成分；而葉片的正面都均勻地分布著細胞，這些細胞都具有明顯的細胞壁；蒸騰作用的氣孔均勻分布在樹葉的背面，呈橢圓形，長度在0.01～0.02 mm之間。

植物葉片由表皮、葉肉和葉脈三部分構成，在表皮細胞間有兩兩成對的保衛(wèi)細胞，一對保衛(wèi)細胞間隙形成一個氣孔，表皮用于控制植物葉片中自由水的蒸騰；葉肉組織中包括柵欄細胞和海綿細胞，主要是實現水分的存儲；葉脈是植物體內水分運輸的通道。

2.2 植被蒸騰作用機制分析

在蒸騰作用的驅動下，植被根部將從土壤中吸收的水分輸送到葉片，再由葉片以水蒸氣的形式散發(fā)到環(huán)境中去。這個過程中水分不斷地交換、循環(huán)、補充。水蒸氣的散發(fā)帶走葉片中的熱量，降低或保持葉面溫度。蒸騰作用的強度可以用蒸騰速率來表示，它是反映植被蒸騰作用的重要指標。蒸騰速率是指植被在一定時間內單位面積蒸騰的水量。葉片氣孔下腔和外界之間的蒸汽壓差制約著蒸騰速率。蒸汽壓差大時，水蒸氣向外擴散力量大，蒸騰速度快，反之就慢。氣孔阻力大小與氣孔下腔和氣孔的形狀和體積及氣孔的開度有關，其中以氣孔的開度為主，氣孔阻力大，蒸騰作用慢；氣孔阻力小，蒸騰作用快。另外，擴散層厚，阻力大；擴散層薄，阻力小。圖3所示為測試得到的8種植被平均蒸騰速率的變化趨勢。

圖3 8種植物一天的蒸騰速率變化趨勢圖

從圖3可以看出，每種植被一天的蒸騰速率變化趨勢基本一致。早晨5：00和晚上19：00兩端蒸騰速率最低，由于沒有光照，植被氣孔關閉，蒸騰作用非常微弱；從早上太陽升起環(huán)境溫度逐漸升高，植被的蒸騰速率也慢慢升高，到上午9：30至11：00左右，蒸騰速率不再提高，表明植被的蒸騰量保持平衡；然后隨著時間推移蒸騰速率有所降低，到下午14：00左右，植被的蒸騰速率開始明顯下降，直到晚上19：00以后，植被蒸騰速率趨近于0。每種植被之間的蒸騰速率差異較大，木芙蓉和野樟樹蒸騰速率相對較大，杜鵑(盆景)相對最小。

將蒸騰速率數據對整個白天積分可計算得到不同植被葉片單位面積日蒸騰耗水總量，如表1所示。

表1 不同植被葉片日蒸騰耗水總量 kg/m2

可以看出幾種植被中木芙蓉蒸騰耗水相對最強，野樟樹其次，杜鵑(盆景)蒸騰耗水相對最弱。

圖4所示為8種植被葉片氣孔阻力隨時間的變化趨勢。

從圖4可以看出，每種植被葉片的氣孔阻力一天內的變化趨勢基本一致，在白天從早上5：00到7：00左右氣孔阻力緩慢下降，表明蒸騰作用在緩慢增強；7：00到11：00左右，氣孔阻力緩慢增加；11：00到14：00氣孔阻力緩慢減小，對應圖3中蒸騰速率的平衡狀態(tài)；14：00到18：00氣孔阻力明顯增加，18：00以后氣孔阻力急劇增加，植被氣孔逐步關閉，到晚上達到最大值，表明蒸騰作用基本停止，此時對應圖3中的蒸騰速率達到最小；而杜鵑(盆景)從下午14：00左右其氣孔阻力就開始突然增加，表明人工養(yǎng)殖的植被和自然植被的蒸騰作用存在明顯差異。

圖4 8種綠色植物的氣孔阻力

2.3 植被葉片表面溫度和紅外輻射溫度分析

圖5給出了相同環(huán)境溫度條件下不同植被的葉面溫度數據，表明8種植被葉片表面溫度在一天內的變化趨勢。

圖5 8種植被的葉面溫度一天變化趨勢

從圖5可以看出，8種植被的葉面溫度一天變化趨勢基本一致，與環(huán)境溫度的變化規(guī)律也基本相符，通過計算獲得葉面平均溫度，按照葉面平均溫度從高到低的排序：杜鵑(盆景)>野竹子>山茶>小樟樹>木芙蓉>算盤子>冬青>野樟樹，但每種植被的葉面平均溫度相差不大(約1 ℃左右)。在5：00至7：00、18：00至19：00兩個時間段內，葉面溫度與環(huán)境溫度基本相同。從上午7：00開始一直到9：00左右，葉面溫度隨著環(huán)境溫度升高基本呈線性快速升溫；從9：00到10：30左右葉面溫度基本保持平衡；然后葉面溫度緩慢升高，直到14：30左右葉面溫度達到最高；從14：30到16：30左右葉面溫度開始緩慢下降，16：30以后葉面溫度呈線性快速下降。

為了分析每種植被冠層葉片一日周期內輻射溫度的變化規(guī)律，利用IRwin Research 2.01程序對8種植被一日內5：00至19：00的熱圖進行了采樣與統計，每種植被抽樣選擇3個不同葉片，用區(qū)域統計平均輻射溫度值來代表一種植被冠層葉片的紅外輻射溫度。圖6所示為8種植被一天的平均輻射溫度變化趨勢。

圖6 8種植被一天的平均輻射溫度變化趨勢

從圖6可以看出，每種植被一天的平均輻射溫度變化趨勢基本一致，早晨和晚上兩端紅外輻射溫度低，紅外輻射特性較弱，每種植被葉片在早、晚的輻射溫度與環(huán)境溫度接近，和圖5中植被葉面溫度的變化趨勢也是相似的，每種植被的葉面平均紅外輻射溫度相差較大(約3 ℃左右)，按照平均紅外輻射溫度從高到低的排序：杜鵑(盆景)>木芙蓉>算盤子>冬青>野竹子>山茶>小樟樹>野樟樹。從6：00到8：00葉面紅外輻射溫度隨著環(huán)境溫度開始快速升高，從8：00到10：00左右葉面紅外輻射溫度基本保持平衡；從10：00開始葉面輻射溫度慢慢升高，到13：00左右葉面輻射溫度達到最高；從13：00到14：00左右葉面輻射溫度開始緩慢下降，14：00到16：00左右葉面輻射溫度保持平衡，到16：00以后葉面輻射溫度呈線性快速下降。

比較圖5和圖6可以看出，不同植被葉面平均溫度排序和葉面平均紅外輻射溫度的日周期變化趨勢基本一致，但是不同植被葉面平均紅外輻射溫度排序和葉面平均真實溫度存在差異，且不同植被葉面平均真實溫度的差異相對較小(約1 ℃左右)，而不同植被葉面平均輻射溫度的差異較大(約3 ℃左右)，這主要是因為輻射溫度與葉面的紅外發(fā)射率、表面狀態(tài)、環(huán)境濕度、風速及周圍環(huán)境的輻射等因素相關[4-5]；相比較而言，葉面的紅外輻射溫度隨環(huán)境溫度的變化比較靈敏、響應較快，比葉面的真實溫度變化提前了約1 h左右，葉面的紅外輻射受太陽環(huán)境輻照的響應直接，而真實溫度需要一個傳導過程才能反應出來，所以上午葉面的紅外輻射溫度比真實溫度升高快，而下午隨著太陽環(huán)境輻照的減弱，葉面的紅外輻射溫度也比真實溫度下降快速。

2.4 蒸騰作用與紅外輻射特性關聯

在表1中杜鵑(盆景)的蒸騰量最小，而它的葉面溫度和紅外輻射溫度都是最高，表明蒸騰作用對植被的紅外輻射特性起到主要作用；但是不同植被的葉面溫度和紅外輻射溫度的排序也不完全按照表1中蒸騰量的大小排序，表明在蒸騰量差別不大的情況下，植被的紅外輻射特性還受包括光照方向、葉片厚度等其他因素影響。圖7中給出了植物葉片與環(huán)境背景之間的能量交換示意圖。

圖7 植物葉片與環(huán)境間能量交換示意圖

根據能量平衡關系，植物葉片受到太陽輻照、與環(huán)境背景之間的輻射換熱、蒸騰作用等的影響，關聯分析蒸騰速率與氣孔阻力、葉面溫度、紅外輻射溫度、吸收率、發(fā)射率之間的關系，可以得到葉片穩(wěn)態(tài)能量平衡方程為

利用南京地區(qū)典型氣象年數據計算了整個夏季南京地區(qū)典型植被野樟樹葉片蒸騰耗水、葉片溫度以及能量傳遞情況。選取葉片日蒸騰耗水最大的一天作為典型氣象日，分析了葉片和環(huán)境之間的熱量交換，計算出蒸騰作用對葉片溫度的影響程度，計算時有些數據的選取參照文獻[7]。圖8是南京地區(qū)夏季葉片日平均溫度和蒸騰耗水量。

圖8 南京地區(qū)夏季葉片日平均溫度和蒸騰耗水量

蒸騰作用帶走的這部分蒸發(fā)潛熱對葉片溫度產生顯著的冷卻作用。在有風和無風兩種氣象條件下蒸騰作用引起的蒸發(fā)潛熱占吸收總熱量的比例分別為48.2%和37.3%，可以計算蒸騰作用蒸發(fā)潛熱對葉片溫度產生的影響范圍在2～10 ℃。

3 結論

本文采用電子顯微鏡分析了植被葉片正、反面的微結構，發(fā)現植被蒸騰作用的氣孔均勻分布在葉片的背面，呈橢圓形，長度在0.01～0.02 mm之間。

采用氣孔計測試分析了8種不同植被的蒸騰速率和氣孔阻力，植被蒸騰作用的強弱與植被的種類有關，但8種植被一天的蒸騰速率變化趨勢基本一致，早晨和晚上蒸騰速率最低，植被氣孔關閉，蒸騰作用非常微弱，氣孔阻力比較大；中午蒸騰作用達到最高峰，此時對應的氣孔阻力最小，日蒸騰耗水量最大約1.86 kg/m2。

采用熱像儀和溫度計測試了8種植被葉片的紅外輻射溫度和葉面溫度，它們的變化趨勢與環(huán)境溫度變化趨勢基本一致，不同植被的葉面平均溫度相差不大(約1 ℃左右)，但不同植被的葉面平均紅外輻射溫度相差較大(約3 ℃左右)，且植被葉面的紅外輻射溫度隨環(huán)境溫度的變化比較靈敏、響應較快，比葉面的真實溫度變化提前了約1 h左右。

通過對比分析8種植被的蒸騰作用和紅外特性表明，蒸騰作用對植被的紅外特性起到主要作用，但在蒸騰量差別不大的情況下，植被的紅外特性還受其他因素影響。本文還建立了葉片穩(wěn)態(tài)能量平衡方程，通過計算得到葉片蒸騰作用的蒸發(fā)潛熱在有風和無風條件下對葉片溫度產生的影響范圍在2～10 ℃。