蘇行健， 陳世輝， 李晶晶， 楊 靜， 余雅卓， 萬小霞， 尹增芳

(南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

植物生長(zhǎng)的光熱環(huán)境在一定程度上決定了植物的葉片形狀。喜光植物葉片一般較小、較厚、開裂明顯且氣孔密度較高，而喜陰植物葉片較大、較薄、開裂不明顯且氣孔密度較低[1-2]。葉片表面溫度影響植物的正常生長(zhǎng)以及相關(guān)生理進(jìn)程[3-4]，葉片本身較薄容易導(dǎo)致局部極端高溫，從而引發(fā)葉片損傷[5]。葉片的散熱和保熱能力在維持植物的葉片溫度及其正常生長(zhǎng)發(fā)育中起重要作用，而葉形是影響對(duì)流散熱的主要因素之一[6]。Andre等[7]認(rèn)為葉片散熱研究的難點(diǎn)主要在于葉片的不規(guī)則性和復(fù)雜性，即以葉形、葉片表觀結(jié)構(gòu)為代表的影響因素的極為不規(guī)則性和復(fù)雜性，以及蒸騰散熱和對(duì)流散熱的高度耦合。由于研究單個(gè)葉片散熱的難度較大，大部分的研究工作只能通過對(duì)整個(gè)冠層或者整株植株進(jìn)行水熱監(jiān)控來研究其總體散熱[8]。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬的方式雖然暫時(shí)難以模擬單葉散熱，但在冠層或者整株植株的水熱交換研究中取得了重要進(jìn)展[9-13]。

在自然界中，葉片散熱時(shí)蒸騰散熱和對(duì)流換熱同時(shí)進(jìn)行，難以分離，而且葉片是植物的一部分，受整體其他部分影響，導(dǎo)致植株或冠層的水熱交換能力并不等于各個(gè)葉片散熱能力的簡(jiǎn)單疊加[9-13]。Gottschlich等[14]和 Vogel[5]利用金屬或半導(dǎo)體材料制作模型，對(duì)單一葉片散熱情況進(jìn)行了研究，這種人造葉片雖然排除了蒸騰散熱的影響，但其物理性質(zhì)與自然葉片不同。金屬模型葉片缺乏自然葉片表面的微觀特征以及葉片本身可在風(fēng)中抖動(dòng)的特性，而這2種葉片的自然屬性均會(huì)對(duì)散熱產(chǎn)生影響[15]，因?yàn)槿~片表面并不是簡(jiǎn)單的平面，而是具有一定彈性的平面。Morris等[16]的研究結(jié)果表明，具有一定彈性或流動(dòng)性的平面抖動(dòng)會(huì)對(duì)平板表面邊界層分布產(chǎn)生影響，從而影響散熱。因此，將葉片表面當(dāng)作非彈性平板，可能導(dǎo)致較大誤差[15]。Schuepp[1]嘗試在葉片表面鍍金以保留葉片自身的物理特性，但金屬鍍層覆蓋了葉片的表觀結(jié)構(gòu)。Parlange等[15]將葉片裁剪成固定大小，雖然保留了葉片的表觀結(jié)構(gòu)，但破壞了葉形的整體性。此外，不同種類植物葉片的形狀、大小、微觀結(jié)構(gòu)、韌性等存在巨大差異，葉片在對(duì)流散熱時(shí)，復(fù)雜且高度耦合的多個(gè)因素影響其散熱[8]，顯然不同物種間葉片的散熱效果也各不相同。

本研究擬在維持葉片表觀生物學(xué)特征的基礎(chǔ)上，研究葉形對(duì)散熱的影響，對(duì)靜止和抖動(dòng)2種條件下的熱交換效果進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)利用葉片正面和背面表觀形態(tài)的不同，進(jìn)一步探究葉片表觀結(jié)構(gòu)對(duì)散熱的影響，以期為解讀植物形態(tài)特征與生長(zhǎng)環(huán)境的相關(guān)性提供數(shù)據(jù)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選取南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)5年生構(gòu)樹的葉片為試驗(yàn)材料。構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)屬于桑科(Moraceae)構(gòu)樹屬(Broussonetia)，葉片呈廣卵形至長(zhǎng)橢圓狀卵形，表面粗糙，疏生糙毛，背面密被絨毛，基生葉脈三出，葉片長(zhǎng)6～18 cm，寬5～9 cm，先端漸尖，基部心形，兩側(cè)常不相等，邊緣具有粗鋸齒，不分裂或3～5裂，具有明顯的異形葉特征。

本試驗(yàn)使用的主要儀器有：迷你風(fēng)洞(參照李魯英等[17]的方法自制)、JF-956A恒溫加熱臺(tái)(長(zhǎng)安金鋒電子工具廠產(chǎn)品)、24路無紙溫度記錄儀(騰輝溫控儀表廠產(chǎn)品)、AS852B紅外線測(cè)溫儀(希瑪儀器儀表有限公司產(chǎn)品)、手持風(fēng)速儀(希瑪儀器儀表有限公司產(chǎn)品)、葉片掃描儀(EPSON公司產(chǎn)品)、高精度測(cè)溫儀(?，攦x器儀表有限公司產(chǎn)品)和K型號(hào)熱電偶探頭(?，攦x器儀表有限公司產(chǎn)品)等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣本制作與篩選 為了減少蒸騰作用對(duì)新鮮葉片表面散熱能力的影響，保持葉面平整，采集構(gòu)樹葉，參照臘葉標(biāo)本的操作步驟制作葉片標(biāo)本。利用葉片掃描儀篩選形狀規(guī)則、對(duì)稱，且葉面積為100～110 cm2的葉片。采集自然狀態(tài)下的心形葉和開裂葉各500片，編號(hào)備用。

1.2.2 構(gòu)樹葉片物理特性的檢測(cè) 用瞬態(tài)熱線法測(cè)定構(gòu)樹葉的導(dǎo)熱系數(shù)(測(cè)試溫度20 ℃)，使用差示掃描量熱法測(cè)定構(gòu)樹葉的比熱容(測(cè)試溫度23 ℃)，利用K型號(hào)熱電偶探頭和AS852B紅外線測(cè)溫儀測(cè)定葉片正面和背面的表面發(fā)射率。

1.2.3 測(cè)溫點(diǎn)的選定 分別以主脈和2條最大的側(cè)脈為軸線設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)(圖1)，測(cè)溫區(qū)域是以測(cè)溫點(diǎn)為圓心，直徑為1.3 cm的圓，注意測(cè)溫區(qū)域不可超出葉面。其中O、A、B、T、G、H點(diǎn)位于主脈上，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，從O點(diǎn)到T點(diǎn)的主脈溫度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，G點(diǎn)和H點(diǎn)分別為心形葉和開裂葉主脈上溫度最高的點(diǎn)。

圖1 測(cè)溫點(diǎn)示意圖Fig.1 Distribution of the measured points

1.2.4 抖動(dòng)狀態(tài)下葉片表面的對(duì)流換熱系數(shù) 使用冷卻法測(cè)定抖動(dòng)狀態(tài)下葉片表面的對(duì)流換熱系數(shù)。將實(shí)驗(yàn)室室溫穩(wěn)定在27 ℃，試驗(yàn)過程中風(fēng)扇保持開啟狀態(tài)，固定葉片在風(fēng)洞內(nèi)，葉片主脈的方向與風(fēng)向平行，葉柄朝向風(fēng)扇方向，通過調(diào)整風(fēng)扇離風(fēng)洞的距離保證葉片上方風(fēng)速為1 m/s。

測(cè)溫前將微型熱電偶探頭固定在測(cè)溫點(diǎn)，再將K型號(hào)熱電偶探頭連接在24路無紙溫度記錄儀上。同時(shí)在葉片正上方5 cm處固定一個(gè)溫度計(jì)來測(cè)量空氣溫度。

用熱金屬片夾住葉片，對(duì)葉片進(jìn)行均勻加熱，葉片略微超過45 ℃后停止加熱，然后將金屬片迅速移出風(fēng)洞并讓葉片在風(fēng)速1 m/s的風(fēng)洞中冷卻，在金屬片移出風(fēng)洞的瞬間正式開始測(cè)溫。測(cè)溫時(shí)，利用K型號(hào)熱電偶探頭記錄測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化，由24路無紙溫度記錄儀配套軟件的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)V1.06進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到相應(yīng)的溫度變化曲線。測(cè)溫的同時(shí)讀取風(fēng)洞內(nèi)葉片正上方的空氣溫度。通過溫度變化曲線計(jì)算該點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)(h)。

(1)

式中，T0為環(huán)境溫度；T為系統(tǒng)表面溫度；h為常數(shù)。

(2)

非穩(wěn)態(tài)散熱時(shí)葉片內(nèi)外溫度分布均勻是基于經(jīng)驗(yàn)判斷得出的結(jié)論，是使用冷卻法的前提[5，14]。通過計(jì)算畢渥數(shù)Bi來驗(yàn)證其正確性。

在非穩(wěn)態(tài)散熱情況下，可以有以下規(guī)律：

λ(葉片)≈λ(水)×k≈0.6×k

式中，Bi為無量綱物理量；h為氣體強(qiáng)制對(duì)流條件下的對(duì)流換熱系數(shù)；δ為葉片平均厚度；λ為固體導(dǎo)熱系數(shù)；k為葉片含水率。已知h：20～100 W/(m·K)，δ≈0.000 35 m，k≈60%。

1.2.5 靜止?fàn)顟B(tài)下葉片表面的對(duì)流換熱系數(shù) 使用熱平衡法[5，15]來計(jì)算靜止?fàn)顟B(tài)下葉片表面各測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)。熱平衡是指系統(tǒng)的吸熱散熱相對(duì)平衡，系統(tǒng)各個(gè)部分的溫度幾乎不再變化。通過測(cè)量溫度以及葉片的熱物性[18]，再代入物理公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)。這里要注意的是，熱穩(wěn)定不是指葉片表面溫度均勻[8]，而是熱流量的穩(wěn)定，這也是熱平衡法使用的前提。

將1.5 g/L瓊脂調(diào)成凝膠并倒入淺平板型模具，在瓊脂半凝固時(shí)將葉片鋪平粘在瓊脂表面，隨后靜置。為了防止葉片與瓊脂的接觸面出現(xiàn)氣泡，需提前在接觸面均勻涂抹一層瓊脂。在瓊脂完全凝固后，用解剖刀削去葉片周圍多余部分，保持葉片形狀，最后將葉子放置于恒溫加熱臺(tái)上加熱至40 ℃。

加熱前調(diào)整風(fēng)扇和風(fēng)洞的距離，保證葉片上方風(fēng)速為1 m/s。同時(shí)，將葉片放在風(fēng)洞內(nèi)的固定位置，以減少不同位置氣流狀況差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。葉片主脈的方向與風(fēng)向平行，葉柄朝向風(fēng)扇方向。待裝置進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)方可測(cè)溫。

使用AS852B紅外線測(cè)溫儀測(cè)溫，測(cè)溫槍前端與測(cè)溫點(diǎn)間隔15.0 cm，保證測(cè)溫區(qū)域是一個(gè)直徑為1.3 cm的圓。同一點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，取平均值以減小誤差。

葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算過程如下：

根據(jù)Stefan-Boltzmann定律計(jì)算局部熱輻射，可以寫出該模型葉片的局部能量平衡公式，即

(3)

本試驗(yàn)各個(gè)樣本與環(huán)境的溫差基本相同，每組試驗(yàn)輻射換熱情況相同，且相比對(duì)流散熱量很小，所以可以忽略輻射換熱的影響。

E=Hd=q·S

(4)

式中,E熱傳遞熱量；Hd是通過對(duì)流和傳遞的局部熱損失量；q為熱流密度；S為葉片表面積。

q可以通過一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型求得：

(5)

式中，q為熱流密度；λ為葉片導(dǎo)熱系數(shù)；δ為葉片平均厚度，δ(構(gòu)樹葉)≈(0.30±0.02) mm；t2為葉片表面溫度；t1為瓊脂溫度；△t為t1與t2間的溫差。

(6)

計(jì)算出對(duì)應(yīng)的靜止?fàn)顟B(tài)下葉片表面對(duì)流換熱系數(shù)h。

利用Excel2010、Word2019和SPSS_Statistics_v22.0.0.0軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)樹葉片的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和反射率

構(gòu)樹的葉片較薄，葉片內(nèi)部的導(dǎo)熱性能不佳，導(dǎo)致葉片表面溫度受環(huán)境溫度影響較大，葉片表面不同區(qū)域之間容易出現(xiàn)較明顯的溫差[18]。表1顯示，構(gòu)樹葉片的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別為0.053 7 W/(m·K)和0.120 0 J/(g·℃)，而且葉片正面和背面的反射率非常接近，表明葉片正面和背面吸收太陽輻射的能力基本相同。

2.2 葉片正面和背面散熱能力的差異

為了探究葉片正面和背面散熱能力的差異，即由表觀結(jié)構(gòu)不同而造成的散熱能力差異，本研究比較了靜止?fàn)顟B(tài)下葉片正面和背面各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度及對(duì)流換熱系數(shù)之間的差異。對(duì)流換熱系數(shù)代表單位時(shí)間單位面積系統(tǒng)表面的散熱量，即散熱速度，能直觀表示散熱能力。表2顯示，心形葉主脈上G點(diǎn)溫度最高，開裂葉主脈上H點(diǎn)溫度最高。相同葉形葉片背面的對(duì)流換熱系數(shù)總體略高于葉片正面，這可能是因?yàn)闃?gòu)樹葉片背面有一層短絨毛，導(dǎo)致葉邊界層與空氣換熱的面積增大，從而增強(qiáng)了散熱。同時(shí)，短絨毛可能在某些程度上使邊界層變薄，讓對(duì)流換熱更加容易進(jìn)行[19]。靜止?fàn)顟B(tài)下，葉片正面F點(diǎn)和H點(diǎn)的溫差為1.9 ℃，E點(diǎn)和F點(diǎn)的溫差為0.1 ℃。表3顯示，靜止?fàn)顟B(tài)下開裂葉葉片正面和背面的對(duì)流換熱系數(shù)存在顯著差異。

表1 構(gòu)樹葉片導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和反射率

2.3 靜止?fàn)顟B(tài)下葉形對(duì)葉片散熱能力的影響

自然生長(zhǎng)條件下，大多數(shù)葉片的形狀并不是嚴(yán)格的軸對(duì)稱圖形，而且葉片的開裂部分還具有一定隨機(jī)性。由于開裂葉的形狀極為復(fù)雜，所以葉片表面溫度分布不均勻。通過選取具有代表性的位于葉脈上的測(cè)溫點(diǎn)，比較不同葉形同一位置測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)開裂葉的葉脈上同一位置測(cè)溫點(diǎn)的散熱能力要高于心形葉(表2)，與葉片的邊界層理論相符合[19]，與從進(jìn)化角度得出的理論預(yù)測(cè)結(jié)果一致[2，20-21]。

2.4 同一葉片不同部位散熱能力的差異

表4顯示，靜止?fàn)顟B(tài)下心形葉不同測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)存在著顯著差異。同時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)下開裂葉不同測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)也存在著顯著差異(表3)。所以，無論是心形葉還是開裂葉，葉片上不同部位的對(duì)流散熱能力存在顯著差異。

表2顯示，同一片構(gòu)樹葉上D點(diǎn)和G點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)差異較大，這可能是因?yàn)轱L(fēng)掠過的最初一段短距離內(nèi)，對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)發(fā)生劇烈的變化[22]。G點(diǎn)和H點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)低于其他靠近葉片邊緣的測(cè)溫點(diǎn)。根據(jù)葉邊界層理論，這主要是因?yàn)槿~片邊緣的邊界層與葉片中心相比較薄，邊界層越薄，散熱能力越強(qiáng)。

表2 靜止?fàn)顟B(tài)下葉片正面和背面溫度及對(duì)流換熱系數(shù)

表3 靜止?fàn)顟B(tài)下開裂葉片正面和背面對(duì)流換熱系數(shù)的多因素方差分析

表4 靜止?fàn)顟B(tài)下心形葉表面不同部位對(duì)流換熱系數(shù)的單因素方差分析

2.5 靜止和抖動(dòng)狀態(tài)下葉片散熱能力的差異

本試驗(yàn)條件為強(qiáng)制對(duì)流，所以抖動(dòng)狀態(tài)下的散熱適用牛頓冷卻定律[23-25]，即冷卻法所得結(jié)果準(zhǔn)確。表5顯示，抖動(dòng)狀態(tài)下構(gòu)樹葉的對(duì)流換熱能力總體高于靜止?fàn)顟B(tài)下構(gòu)樹葉的對(duì)流換熱能力。同一葉片上同一測(cè)溫點(diǎn)，抖動(dòng)狀態(tài)下構(gòu)樹葉的對(duì)流換熱系數(shù)約為靜止?fàn)顟B(tài)下的1.0～1.2倍。本研究的結(jié)果與流動(dòng)平板的散熱研究結(jié)果一致，即有一定流動(dòng)性的平板相較于固定平板的對(duì)流散熱能力有了一定程度的提升[20]。分析抖動(dòng)對(duì)葉片散熱能力的增強(qiáng)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)葉片的邊緣部位總體高于中心部位。這可能是因?yàn)槿~片抖動(dòng)容易擾動(dòng)葉邊緣附近的氣流，增加了氣流的湍流度，一定程度上提高了葉邊緣部位的對(duì)流換熱能力[1，6，14，26-28]。

表5 抖動(dòng)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)下葉片不同測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)流換熱系數(shù)

2.6 葉截面內(nèi)部溫度均勻的驗(yàn)證

通過方法1.2.4計(jì)算，構(gòu)樹葉的非穩(wěn)態(tài)冷卻模型中Bi趨近于0，葉片截面內(nèi)部溫度均勻，葉片表面溫度可以代表葉片內(nèi)部溫度，即AS852B紅外線測(cè)溫儀可以準(zhǔn)確測(cè)量葉片溫度。

3 討 論

植物的對(duì)流換熱能力受多因素影響，葉形是最明顯且最重要的影響因素之一。在研究單個(gè)葉片散熱時(shí)，由于影響其散熱的因素過于復(fù)雜，并且這些影響因素之間高度耦合，相互影響，所以很難將單個(gè)影響因素分離出來研究[8]。對(duì)葉片散熱情況的研究大多數(shù)是對(duì)冠層或整株植株進(jìn)行分析[8]。

葉形對(duì)葉片散熱的影響包括：葉形本身對(duì)熱交換的影響以及不同葉形的葉片抖動(dòng)對(duì)換熱產(chǎn)生的影響。Schuepp[1]嘗試使用電化學(xué)法研究抖動(dòng)狀態(tài)下葉片的散熱，但金屬鍍層覆蓋了葉片的表觀結(jié)構(gòu)，所以其結(jié)果誤差較大。Parlange等[15]首次將抖動(dòng)對(duì)葉片散熱的影響單獨(dú)分離出來，但由于破壞了葉形的整體性，且試驗(yàn)在湍流條件下進(jìn)行，最終導(dǎo)致抖動(dòng)對(duì)散熱的影響在試驗(yàn)中難以表現(xiàn)出來。Gottschlich等[14]和Vogel[5]發(fā)現(xiàn)開裂葉的對(duì)流換熱能力較強(qiáng)，與本研究結(jié)果一致，但使用人造葉導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)論難以推廣。當(dāng)葉形有明顯差異時(shí)，很難相信葉片的抖動(dòng)不會(huì)受到巨大而復(fù)雜的影響，二者緊密耦合，很難分離，導(dǎo)致試驗(yàn)出現(xiàn)漏洞[15]。

為了分離葉形這一影響因子，本研究選取異形葉作為試驗(yàn)材料，保證了試驗(yàn)材料的準(zhǔn)確性和均一性。本研究結(jié)果表明，與心形葉相比，開裂葉在本試驗(yàn)條件下的對(duì)流換熱能力更強(qiáng)。

準(zhǔn)確而全面地測(cè)定葉片溫度是解析葉形影響散熱機(jī)制的重要條件，前人研究多用葉片表面平均溫度或者某一點(diǎn)的溫度來代表葉片表面溫度變化和散熱情況[8]。葉片表面溫度平均值的差異可以在一定程度上反映散熱情況，但葉片表面的總體降溫不代表不會(huì)出現(xiàn)局部高溫的損害。事實(shí)上，在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中，葉片較薄的話極有可能導(dǎo)致葉片局部高溫[5]，這就使葉片表面出現(xiàn)溫差，而溫差所代表的散熱能力差異在過去的試驗(yàn)中沒能很好地表現(xiàn)出來。本研究通過使用科學(xué)裝置，并借助熱平衡法，測(cè)定葉片表面不同測(cè)溫點(diǎn)的溫度，從而準(zhǔn)確、細(xì)致地觀察到葉片表面溫度的分布，為葉片散熱機(jī)制的解析提供了可靠資料。另外，為了直觀地表現(xiàn)葉片表面溫差所代表的散熱能力差異，直接用對(duì)流換熱系數(shù)來表示對(duì)流換熱能力，比較葉片換熱能力的差異，使用自制的風(fēng)洞等裝置，通過熱平衡法和冷卻法對(duì)葉片表面溫度的分布進(jìn)行研究[15，29-35]。本研究發(fā)現(xiàn)，葉面積相近時(shí)，即葉片表面氣孔數(shù)目相近時(shí)，開裂的葉形更有利于葉片散熱。同一片葉子，越是靠近葉邊緣，越是較為狹窄的地方，其散熱能力越高[6]，這與小葉子的純物理散熱能力更強(qiáng)的理論一致[36]。但是自然界中由于干熱導(dǎo)致的葉片干枯主要是從葉片邊緣開始的[37]，這主要是因?yàn)樵谧匀粭l件下葉片的散熱不光有對(duì)流換熱，還有蒸騰散熱。可見，植物異形葉的熱交換效應(yīng)非常復(fù)雜，涉及很多外界因素，今后還需要進(jìn)行更深入的研究。