树洞保温机理研究

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小飞鼠(Pteromys volans)是中国分布最北的滑行类哺乳动物,受到采伐的影响,全球的种群数量下降,被IUCN评为易危物种。在一月均温-30℃的大兴安岭北部,该物种不冬眠,使用皮膜在树隙间滑翔,具有较大的体表面积与体积之比,偏好利用树洞的保温特性越冬。但究竟具有何种结构特征的树洞才能被小飞鼠利用来绝热保温还处于未知状态。2015年,大兴安岭正式停止商业采伐,取而代之的抚育作业将采伐目标定为:濒死木、病腐木与枯立木等,而树洞最常出现在此类立木上。为了对越冬小飞鼠进行保育,需要在采伐中预留具有适合其越冬需求特征的立木。为此,本研究对该地区小飞鼠越冬树洞做了研究。外业结果显示,对比家域内可利用的树洞与巢树,小飞鼠偏好利用容积大、胸径粗、洞内深度深、壁厚、洞口直径小、洞口距地面高、树洞内径与外径皆大的树洞,其巢树50%为死树。利用“非损伤性鼯鼠捕捉器”活捕小飞鼠,并用“呼吸室法”获得该物种的RMR为3.46mlO2g-1h-1。内业使用“一种三维树洞合并的方法”获得具有均值特征的树洞几何模型,该模型具有偏心的特征。利用CT扫描活体小飞鼠并利用MIMICS软件建模获得小飞鼠几何模型,证明CT加MIMICS软件建模技术对建立活体动物与树洞几何模型具有可行性。本研究利用数字测温仪获得树洞内温度与环境温度,对比发现,树洞温度随着环境温度变化而变化,树洞对洞外热环境波幅有明显的削减作用,对温度峰值有显著的延缓作用。同时,本研究获得来自489个贮木场的树洞样本,统计结果显示,树洞内径与外径有正相关性。对树洞与巢材热物性测量发现,树洞的比热容、密度、导热系数等形成了树洞热惰性,巢材的密度与导热系数对树洞保温皆具有良好的作用。基于传热学的热阻叠加原理,本研究在利用流体力学三大守恒方程建立“外环境-树洞-小飞鼠”传热模型的框架下,以代谢产热量通过小飞鼠几何模型表面的热流密度398W/m2作为热平衡的临界值,采用CFD模拟计算树洞各变量在不同因素水平变化下小飞鼠的毛被表面平均热流密度与树洞表面平均温度值。结果表明,在“通风热损失”中,直吹洞口的强制对流风速达到15m/s时,模型的热平衡被打破。在“结构热损失”中,随着壁厚、洞内深度与巢材厚度的增加,树洞保温效果越好。随着洞口直径的增加,保温效果越差,但洞口朝向在树洞偏心结构因素的影响下对树洞内热环境影响不显著。本研究采用“实验—模型—模拟”体系的方法,利用CFD技术对连续热系统做的研究证明该方法与技术在对小型动物于树洞内保温进行研究时具有一定可行性。针对大兴安岭北部小飞鼠越冬树洞的研究结果,本研究对未来的抚育采伐提出如下建议:保留13.2/ha个以上的树洞;保留的树洞特征为洞口直径大于34mm;洞口高度大于2.6m;立木胸径大于22cm;保留的树种为兴安落叶松,以死树为主。本研究用数值模拟解答了树洞热环境的营造机理,并对抚育采伐中树洞的管理提出了合理建议。
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