绿色植被蒸腾作用机制及红外辐射特性

许卫东， 刘 君， 张拴勤， 吴坚业

(1.陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007； 2.江阴市大阪涂料有限公司，江苏 江阴 214000)

伪装的实质是模拟自然背景的特性，消除军事目标与所处背景之间的特性差异，从而使目标与所处自然背景融为一体[1-3]。绿色植被作为一种主要的自然背景，是伪装模拟的主要对象，也是伪装模拟的难点。绿色植被种类繁多，每种绿色植被的红外辐射特性也不尽相同，植被的红外辐射主要与叶面温度有关[4-5]。

相较于军事目标，绿色植被具有独特的红外辐射特性：白天受太阳辐照温度升高时，植被表面温度不会升太高，晚上温度又不会降太低，昼温度变化范围相对较小，这导致军事目标红外伪装技术难度很大。绿色植被自身含有大量的水分，具有蒸腾作用的生理机制[6-8]。植被叶片的蒸腾作用是植被的一项重要生理过程，是调节自身温度的主要手段。在蒸腾作用的驱动下，植被根部将从土壤中吸收的水分输送到叶片，再由叶片以水蒸气的形式散发到环境中去。这个过程中水分不断地交换、循环、补充。水蒸气的散发带走叶片中的热量，从而降低或保持叶面温度。

国内针对植被光谱特性及伪装材料仿生设计开展了大量研究[9-13]，针对植被蒸腾作用的研究主要围绕几个方面：谭娟等[14]对广西壮族自治区喀斯特峰丛洼地4种主要植物群落不同季节蒸腾速率、叶面积指数和相关环境因子开展了研究；刘津平等[15]开展了仿植被蒸腾作用的高热流密度散热研究；刘娜[16-17]针对植物蒸腾作用建立了数理模型；吴晨楠等[18-19]开展了针对植物蒸腾作用的监测仪研究。但针对绿色植被的蒸腾作用及红外辐射特性的关联研究鲜见报道，凌军等[10]针对3种典型植物红外辐射特性的影响进行了初步分析研究,本文在此基础上，选取南方林地8种典型绿色植被，系统测试分析了叶片的微观结构、蒸腾速率、气孔阻力、叶面温度及红外辐射特性的日周期变化。分析得出典型绿色植被的蒸腾速率、气孔阻力的日周期变化规律，植被叶片的表面温度和红外辐射温度的变化趋势以及蒸腾作用对红外辐射特性的影响规律。实验成果将为红外伪装材料的研究提供相应的理论基础。

1 研究方法

1.1 试验设备

(1) Hitachi X650型电子显微镜

(2)AP4型植被动态气孔计

气孔导度测量范围：0.25～30.0 mm/s。

气孔阻力测量范围：0.2～40 s/cm。

(3)NR-81530通用K型温度计

(4)FLIR S65红外热像仪

光谱范围：8～14 μm。

空间分辨率：优于0.35 mrad。

温度分辨率：优于0.06 ℃。

1.2 试验方法

(1) 测试条件

太阳照度：夏季，天气晴朗，日照充足稳定，中午最大照度为1 008×102Lx。

能见度：大于15 km。

风速：3.2～6.5 m/s。

环境温度：距地表1 m处为26.4～35.5 ℃。

空气相对湿度：54%～91%。

(2) 样本选取

选取野樟树、冬青、木芙蓉、山茶、算盘子、小樟树、野竹子和杜鹃(盆景)等8种南方典型绿色植被(图1)，在每种植被冠层上选取3～5片健康的成年活体叶片。

图1 几种植物照片

(3) 测试方法

① 利用Hitachi X650型电子显微镜观察植被叶片的正、反面微结构；

② 利用AP4型植被动态气孔计测试各种植被叶片的蒸腾速率、气孔阻力等参数；

③ 采用温度计测试各种植被叶片表面的实际温度；

④ 采用FLIR S65红外热像仪对上面的典型植被同步进行红外辐射温度测试，测试周期为2个日周期，测试时间间隔为1 h。

其中，蒸腾作用、叶面温度、红外辐射温度同步测试，测试间隔为1 h，同步记录环境条件。

2 结果与讨论

2.1 植被叶片表面微结构分析

植被叶片的蒸腾作用是植被的一项重要生理过程，是调节自身温度的主要手段。水分从活的植被体内通过植被体叶片表面的气孔气体状态散失到大气中的过程称为蒸腾作用。图2给出了野樟树叶片的正、反面及叶脉微结构电镜照片。

图2 野樟树叶片的正、反面及叶脉微结构电镜照片

从图2可以看出，叶片中存在大量组织液，水分是植被叶片的主要成分；而叶片的正面都均匀地分布着细胞，这些细胞都具有明显的细胞壁；蒸腾作用的气孔均匀分布在树叶的背面，呈椭圆形，长度在0.01～0.02 mm之间。

植物叶片由表皮、叶肉和叶脉三部分构成，在表皮细胞间有两两成对的保卫细胞，一对保卫细胞间隙形成一个气孔，表皮用于控制植物叶片中自由水的蒸腾；叶肉组织中包括栅栏细胞和海绵细胞，主要是实现水分的存储；叶脉是植物体内水分运输的通道。

2.2 植被蒸腾作用机制分析

在蒸腾作用的驱动下，植被根部将从土壤中吸收的水分输送到叶片，再由叶片以水蒸气的形式散发到环境中去。这个过程中水分不断地交换、循环、补充。水蒸气的散发带走叶片中的热量，降低或保持叶面温度。蒸腾作用的强度可以用蒸腾速率来表示，它是反映植被蒸腾作用的重要指标。蒸腾速率是指植被在一定时间内单位面积蒸腾的水量。叶片气孔下腔和外界之间的蒸汽压差制约着蒸腾速率。蒸汽压差大时，水蒸气向外扩散力量大，蒸腾速度快，反之就慢。气孔阻力大小与气孔下腔和气孔的形状和体积及气孔的开度有关，其中以气孔的开度为主，气孔阻力大，蒸腾作用慢；气孔阻力小，蒸腾作用快。另外，扩散层厚，阻力大；扩散层薄，阻力小。图3所示为测试得到的8种植被平均蒸腾速率的变化趋势。

图3 8种植物一天的蒸腾速率变化趋势图

从图3可以看出，每种植被一天的蒸腾速率变化趋势基本一致。早晨5：00和晚上19：00两端蒸腾速率最低，由于没有光照，植被气孔关闭，蒸腾作用非常微弱；从早上太阳升起环境温度逐渐升高，植被的蒸腾速率也慢慢升高，到上午9：30至11：00左右，蒸腾速率不再提高，表明植被的蒸腾量保持平衡；然后随着时间推移蒸腾速率有所降低，到下午14：00左右，植被的蒸腾速率开始明显下降，直到晚上19：00以后，植被蒸腾速率趋近于0。每种植被之间的蒸腾速率差异较大，木芙蓉和野樟树蒸腾速率相对较大，杜鹃(盆景)相对最小。

将蒸腾速率数据对整个白天积分可计算得到不同植被叶片单位面积日蒸腾耗水总量，如表1所示。

表1 不同植被叶片日蒸腾耗水总量 kg/m2

可以看出几种植被中木芙蓉蒸腾耗水相对最强，野樟树其次，杜鹃(盆景)蒸腾耗水相对最弱。

图4所示为8种植被叶片气孔阻力随时间的变化趋势。

从图4可以看出，每种植被叶片的气孔阻力一天内的变化趋势基本一致，在白天从早上5：00到7：00左右气孔阻力缓慢下降，表明蒸腾作用在缓慢增强；7：00到11：00左右，气孔阻力缓慢增加；11：00到14：00气孔阻力缓慢减小，对应图3中蒸腾速率的平衡状态；14：00到18：00气孔阻力明显增加，18：00以后气孔阻力急剧增加，植被气孔逐步关闭，到晚上达到最大值，表明蒸腾作用基本停止，此时对应图3中的蒸腾速率达到最小；而杜鹃(盆景)从下午14：00左右其气孔阻力就开始突然增加，表明人工养殖的植被和自然植被的蒸腾作用存在明显差异。

图4 8种绿色植物的气孔阻力

2.3 植被叶片表面温度和红外辐射温度分析

图5给出了相同环境温度条件下不同植被的叶面温度数据，表明8种植被叶片表面温度在一天内的变化趋势。

图5 8种植被的叶面温度一天变化趋势

从图5可以看出，8种植被的叶面温度一天变化趋势基本一致，与环境温度的变化规律也基本相符，通过计算获得叶面平均温度，按照叶面平均温度从高到低的排序：杜鹃(盆景)>野竹子>山茶>小樟树>木芙蓉>算盘子>冬青>野樟树，但每种植被的叶面平均温度相差不大(约1 ℃左右)。在5：00至7：00、18：00至19：00两个时间段内，叶面温度与环境温度基本相同。从上午7：00开始一直到9：00左右，叶面温度随着环境温度升高基本呈线性快速升温；从9：00到10：30左右叶面温度基本保持平衡；然后叶面温度缓慢升高，直到14：30左右叶面温度达到最高；从14：30到16：30左右叶面温度开始缓慢下降，16：30以后叶面温度呈线性快速下降。

为了分析每种植被冠层叶片一日周期内辐射温度的变化规律，利用IRwin Research 2.01程序对8种植被一日内5：00至19：00的热图进行了采样与统计，每种植被抽样选择3个不同叶片，用区域统计平均辐射温度值来代表一种植被冠层叶片的红外辐射温度。图6所示为8种植被一天的平均辐射温度变化趋势。

图6 8种植被一天的平均辐射温度变化趋势

从图6可以看出，每种植被一天的平均辐射温度变化趋势基本一致，早晨和晚上两端红外辐射温度低，红外辐射特性较弱，每种植被叶片在早、晚的辐射温度与环境温度接近，和图5中植被叶面温度的变化趋势也是相似的，每种植被的叶面平均红外辐射温度相差较大(约3 ℃左右)，按照平均红外辐射温度从高到低的排序：杜鹃(盆景)>木芙蓉>算盘子>冬青>野竹子>山茶>小樟树>野樟树。从6：00到8：00叶面红外辐射温度随着环境温度开始快速升高，从8：00到10：00左右叶面红外辐射温度基本保持平衡；从10：00开始叶面辐射温度慢慢升高，到13：00左右叶面辐射温度达到最高；从13：00到14：00左右叶面辐射温度开始缓慢下降，14：00到16：00左右叶面辐射温度保持平衡，到16：00以后叶面辐射温度呈线性快速下降。

比较图5和图6可以看出，不同植被叶面平均温度排序和叶面平均红外辐射温度的日周期变化趋势基本一致，但是不同植被叶面平均红外辐射温度排序和叶面平均真实温度存在差异，且不同植被叶面平均真实温度的差异相对较小(约1 ℃左右)，而不同植被叶面平均辐射温度的差异较大(约3 ℃左右)，这主要是因为辐射温度与叶面的红外发射率、表面状态、环境湿度、风速及周围环境的辐射等因素相关[4-5]；相比较而言，叶面的红外辐射温度随环境温度的变化比较灵敏、响应较快，比叶面的真实温度变化提前了约1 h左右，叶面的红外辐射受太阳环境辐照的响应直接，而真实温度需要一个传导过程才能反应出来，所以上午叶面的红外辐射温度比真实温度升高快，而下午随着太阳环境辐照的减弱，叶面的红外辐射温度也比真实温度下降快速。

2.4 蒸腾作用与红外辐射特性关联

在表1中杜鹃(盆景)的蒸腾量最小，而它的叶面温度和红外辐射温度都是最高，表明蒸腾作用对植被的红外辐射特性起到主要作用；但是不同植被的叶面温度和红外辐射温度的排序也不完全按照表1中蒸腾量的大小排序，表明在蒸腾量差别不大的情况下，植被的红外辐射特性还受包括光照方向、叶片厚度等其他因素影响。图7中给出了植物叶片与环境背景之间的能量交换示意图。

图7 植物叶片与环境间能量交换示意图

根据能量平衡关系，植物叶片受到太阳辐照、与环境背景之间的辐射换热、蒸腾作用等的影响，关联分析蒸腾速率与气孔阻力、叶面温度、红外辐射温度、吸收率、发射率之间的关系，可以得到叶片稳态能量平衡方程为

利用南京地区典型气象年数据计算了整个夏季南京地区典型植被野樟树叶片蒸腾耗水、叶片温度以及能量传递情况。选取叶片日蒸腾耗水最大的一天作为典型气象日，分析了叶片和环境之间的热量交换，计算出蒸腾作用对叶片温度的影响程度，计算时有些数据的选取参照文献[7]。图8是南京地区夏季叶片日平均温度和蒸腾耗水量。

图8 南京地区夏季叶片日平均温度和蒸腾耗水量

蒸腾作用带走的这部分蒸发潜热对叶片温度产生显著的冷却作用。在有风和无风两种气象条件下蒸腾作用引起的蒸发潜热占吸收总热量的比例分别为48.2%和37.3%，可以计算蒸腾作用蒸发潜热对叶片温度产生的影响范围在2～10 ℃。

3 结论

本文采用电子显微镜分析了植被叶片正、反面的微结构，发现植被蒸腾作用的气孔均匀分布在叶片的背面，呈椭圆形，长度在0.01～0.02 mm之间。

采用气孔计测试分析了8种不同植被的蒸腾速率和气孔阻力，植被蒸腾作用的强弱与植被的种类有关，但8种植被一天的蒸腾速率变化趋势基本一致，早晨和晚上蒸腾速率最低，植被气孔关闭，蒸腾作用非常微弱，气孔阻力比较大；中午蒸腾作用达到最高峰，此时对应的气孔阻力最小，日蒸腾耗水量最大约1.86 kg/m2。

采用热像仪和温度计测试了8种植被叶片的红外辐射温度和叶面温度，它们的变化趋势与环境温度变化趋势基本一致，不同植被的叶面平均温度相差不大(约1 ℃左右)，但不同植被的叶面平均红外辐射温度相差较大(约3 ℃左右)，且植被叶面的红外辐射温度随环境温度的变化比较灵敏、响应较快，比叶面的真实温度变化提前了约1 h左右。

通过对比分析8种植被的蒸腾作用和红外特性表明，蒸腾作用对植被的红外特性起到主要作用，但在蒸腾量差别不大的情况下，植被的红外特性还受其他因素影响。本文还建立了叶片稳态能量平衡方程，通过计算得到叶片蒸腾作用的蒸发潜热在有风和无风条件下对叶片温度产生的影响范围在2～10 ℃。