不同生境黃鼬毛皮保溫性能比較及傳熱測試實驗優化1)

張溯源 張 偉 鄭 雷

(東北林業大學，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，國際上已經有相關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、均溫系數等指標進行測定［2－6］。生物體與環境之間物質和能量的交換過程是生命系統最基本的過程之一;在這一過程中，熱能必須經過動物內環境與外界環境的臨界，即動物的體被［7－8］。同種生物在不同分布地域、性別、季節、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，實驗測試的持續時間多長可以準確表現樣本的熱導率，保證標定冰點的狀態便于測試數據的準確等都需要進行傳熱測試實驗的優化，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，本文在動物體被穩態過程熱物性參數測試平臺構建完成的基礎上［15］，以通河林區與哈爾濱平原地區的黃鼬冬季雄性皮張為實驗材料，開展兩種環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

通河林區位于哈爾濱平原北部，在北緯44°～46°之間。林區年溫差較大，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，利用動物體被穩態過程熱物性參數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 結果與分析

3.1 測試實驗條件的優化

實驗毛皮樣本的采樣時間、身體部位和性別選擇:分布在黑龍江地區的黃鼬在9月上旬開始脫夏毛長冬毛，冬毛的穩定持續期為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態，又可以防止被毛因長期執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象［21］。整個預處理過程對毛皮無物理和化學傷害。

測試持續時間的確定:為了確定測試樣本的最適時間，分別隨機選取通河林區、哈爾濱平原地區的黃鼬冬季毛皮樣本各1張，進行10 h的熱導率測定，數據采集間隔為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態。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現;所得結果相對偏差小于1%。所以，當進行毛被熱導率對比時，測試持續時間為4 h即可。

圖1 通河林區隨機黃鼬個體10 h數據

圖2 哈爾濱平原隨機黃鼬個體10 h數據

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。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)，有冰點的測試數值在80 W/m2浮動，無冰點的同一試樣測試數值在100 W/m2浮動，差異顯著。

圖3 有冰點測試數據

傳熱測試實驗優化后的條件: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，每次測試持續時間為4 h;標定冰點的狀態為冰水混合物。

圖4 無冰點測試數據

3.2 保溫性能比較

3.2.1 不同生境冬季毛皮熱導率差異

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

表1 通河林區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］，結果顯示:P 值為 0.002，小于顯著性水平0.05，故拒絕零假設，認為兩總體均值存在顯著差異，即通河林區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(平均熱導率 4.35 W·m－1·K－1)。

3.2.2 同一地區不同采樣時間段的冬季毛皮熱導率差異

為檢驗同一地區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。結果表明:組1和組2的U統計量的精確概率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的2組毛皮樣本在熱導率上差異不顯著。

表2 相同地區不同采樣時間段的樣本分組

4 結論與討論

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，且來自通河林區的保溫性能優于來自哈爾濱平原。對于來自同一地區不同采樣時間段的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月末進入穩態。同一亞種黃鼬在山區和平原2種不同生境下，其毛被在形態學上差異比較顯著，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學差異所帶來的保溫功能差異。通河林區的黃鼬東北亞種的冬季毛皮要比哈爾濱平原地區的保溫能力強，是2種生境的黃鼬種群分別適應不同環境條件的需要。兩地沒有明顯的緯度和海拔高度差異，主要是生態環境的不同;通河林區進入冬季時間早，秋季氣溫下降快，整個冬季平均氣溫低，且持續時間比平原地區長。正是這些環境差異，使得同一亞種黃鼬的不同種群出現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毛皮導熱率的量化處理以及對實驗數據的分析，比較出不同地區毛被形態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化處理，減小了因實驗操作而產生的誤差，從而減小對毛皮導熱率量化處理的影響，使數據更精確。

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