使用热成像相机测量鸟类羽毛覆盖层的热量散失

摘要

本方案描述了利用热成像相机和热水浴，对去毛的鸟类标本进行热传导量化的方法。该方法可利用干燥的去毛皮肤标本，获得关于不同物种羽毛覆盖层热性能的定量、可比较数据。

摘要

羽毛对鸟类的隔热性能至关重要，因此也影响其体温调节的成本。 目前已有大量文献研究了在不同生态条件下鸟类体温调节的能量消耗。然而，很少有研究专门量化羽毛本身在体温调节中的作用。以往一些研究建立了测量动物毛皮隔热性能的方法，但这些方法需要破坏性取样，而鸟类的羽毛在皮肤上分布不均，因此这类方法在鸟类研究中存在局限性。目前仍需进一步了解：1）羽毛在种间和种内对体温调节作用的变异程度；2）羽毛覆盖层在空间和时间上的变化规律。本文报道了一种利用干燥的完整皮肤标本快速、直接测量羽毛层及皮肤热性能的方法，且无需破坏皮肤标本。该方法能够单独分离并测量穿过羽毛层的热梯度，而这是对活体鸟类进行热损失和代谢成本测量时无法实现的，因为活体鸟类会采用行为和生理策略进行体温调节。本方法采用热成像相机，可快速获取通过皮肤从稳定热源散失的定量热数据。该实验方案易于应用于多种研究问题，适用于所有鸟类分类群，且无需破坏皮肤标本。最后，该方法通过简化和加速定量数据的采集，有助于进一步理解被动体温调节在鸟类中的重要性。

引言

羽毛是鸟类的典型特征，具有多种功能，其中最重要的是隔热保温¹。鸟类是所有脊椎动物中平均核心体温最高的类群，羽毛通过隔绝外界温度变化，对维持能量平衡至关重要，尤其是在寒冷环境中²。尽管羽毛具有重要作用，但目前关于鸟类体温调节变化的研究大多集中在代谢对温度变化的响应，而非羽毛作为隔热结构的功能^{3,4,5,6,7,8,9,10}（更多细节参见Ward等人的研究）^11,12,13。然而，羽毛本身在不同时间、个体及物种之间可能存在差异。

本文介绍的方法可用于单独量化羽毛被的总体热值。该方法消除了活体鸟类中诸如行为性体温调节¹以及绝缘脂肪含量变化等混杂因素的影响。对羽毛被热性能进行更广泛的测量，有助于深入理解羽毛在隔热中的作用，以及这种作用在不同物种之间和同一物种个体的生命周期及年周期内的变化情况。

羽毛通过在皮肤与羽毛之间以及羽毛内部截留空气来为鸟类提供隔热保温，并形成一道阻止热量散失的物理屏障¹⁴。羽毛由一条位于中央的羽轴（称为羽轴或rachis）构成，其上生有称为羽枝（barbs）的分支结构¹⁴。羽小枝（barbules）是羽枝上的细小次级分支，可与相邻羽枝上的羽小枝相互钩连，像“拉链”一样将羽毛闭合，从而赋予羽毛结构完整性。此外，绒羽缺乏中央羽轴，且羽小枝数量较少，因此在皮肤表面形成疏松而具有隔热功能的羽枝团块¹⁴。羽毛被的结构在不同物种之间^15，16、同一物种内^17，18以及个体间相似部位均存在差异^{2，19，20，21，22，23，24}。然而，关于羽毛数量、鸟类体表不同类型羽毛的相对丰度，或羽枝/羽小枝数量变化如何影响羽毛被整体热性能的定量研究仍十分有限。以往的研究主要集中于测定特定物种羽毛被的平均隔热值和热导率^11，12，13。

羽毛被在不同物种之间存在差异。例如，大多数鸟类具有明显的皮肤区域，分别称为羽区和裸区，羽毛仅在羽区生长，而在裸区不生长¹⁴。羽区（有时称为“羽迹”）的分布因物种而异，在分类学上具有一定的鉴别价值¹⁴。然而，某些鸟类（如平胸总目鸟类和企鹅）已失去这种羽区分布模式，其体表羽毛呈均匀分布¹⁴。此外，不同物种，尤其是栖息于不同环境中的物种，其各类羽毛的比例也有所不同¹⁵。例如，生活在寒冷气候中的鸟类比生活在温暖环境中的物种具有更多的绒羽¹⁵，且其廓羽的绒羽状部分也更大¹⁶。

某些类型羽毛的微观结构可能也会影响不同物种的隔热性能^25,26。Lei 等人比较了多种中国雀形目麻雀的廓羽微观结构，发现栖息于较冷环境的物种，其每根廓羽中绒羽状羽枝的比例更高、羽小枝更长、节点密度更高且节点更大，相较于栖息于较温暖环境的物种²⁵。D’alba 等人比较了绒鸭（Somateria mollissima）和灰雁（Anser anser）的绒羽微观结构，并描述了这些差异如何影响羽毛的粘附能力以及截留空气的能力²⁶。关于羽毛结构的这些变异如何影响不同物种羽毛被整体热性能的定量比较数据仍然有限（更多细节请参见 Taylor 和 Ward 等人）^11,13。

在同一物种内，羽毛被的热性能可能存在差异。某些物种，例如和尚鹦鹉（Myiopsitta monachus）¹⁷，栖息于范围广阔且环境多样的地理区域。这些不同环境所带来的热应激差异可能会影响同一物种鸟类在不同地区的羽毛被特征，但目前尚无关于此问题的数据。此外，Broggi 等人比较了北半球两个大山雀（Parus major L.）种群，发现更靠北种群的廓羽密度更高，但长度更短，且羽小枝所占比例较低；而较南种群的廓羽则相反。然而，当来自这两个种群的鸟类在相同环境中饲养时，这些差异便不再存在¹⁸。

此外，Broggi 等人将这些发现解释为对不同热环境的可塑性响应，但他们并未测量这些不同羽衣的隔热值¹⁸。研究结果还表明，廓羽的密度对隔热性能的影响比廓羽中绒羽状羽枝所占比例更为重要，但 Broggi 等人提出，由于缺乏充足的营养，北方种群可能无法生成最优的羽毛¹⁸。对这些羽衣整体热性能进行定量测量，将有助于进一步理解羽饰差异的重要性。

随着时间的推移，个体鸟类的羽毛覆盖会发生变化。每年至少一次，所有鸟类都会换羽（即更换全部羽毛）¹⁹。随着一年时间的推移，羽毛会逐渐磨损^2,20，数量也会减少^18,21,22,23。一些鸟类每年换羽多次，因此每年会呈现出多种不同的羽毛形态¹⁹。Middleton 研究发现，每年换羽两次的美洲金翅雀（Spinus tristis）在冬季的基本羽饰中羽毛数量更多，绒羽所占比例也高于夏季的婚羽²⁴。羽毛覆盖的这些年度差异可能使鸟类在较冷时期被动地保存更多热量，或在温暖季节被动地散发更多热量，但目前尚无研究对此进行确证。

尽管鸟类可以通过行为进行体温调节^1,27，并能在代谢层面适应不同的热环境^{3,4,5,6,7,8,9,10,26}，但羽毛通过提供稳定的隔热层，在体温调节中仍发挥着重要作用。本文所述方法旨在通过分离羽毛，单独探讨羽毛被及其在被动体温调节中的作用（即，在不改变行为或代谢的情况下，活体鸟类能保留多少热量？）。虽然主动性和生理性的体温调节在生态学上具有重要意义，但理解仅由羽毛提供的隔热能力，以及羽毛如何影响对主动行为和生理性体温调节的需求，同样至关重要。

先前的研究已建立了量化动物毛皮导热性和热绝缘性的方法^11,12,13,28。本文所提出的方法是“防护热板法”的延伸^11,12,13,28。然而，本文所述方法使用热成像相机测量羽层外边界处的温度，而非采用热电偶。防护热板法能够非常精确地估算通过毛皮的能量传递，但其需要构建由多种材料组成的加热板，操作者需具备一定的热电偶和热电堆使用经验，并且需破坏性地使用毛皮样本——必须将毛皮切割成小块。随后需在样本与热板装置之间涂抹油脂，以消除其间存在的空气。除少数缺乏裸区的鸟类（例如企鹅）外，从鸟类皮肤上裁剪小块样本在比较研究中存在问题，因为取样位置会显著影响实际附着于皮肤（及覆盖皮肤）的羽毛数量。这一问题因不同分类群之间在羽区（pterylae）的存在与否、大小和分布上的差异而进一步加剧¹⁴。

此外，尽管博物馆标本可能为评估鸟类隔热性能的变异提供丰富的资源，但通常无法获得许可对科学收藏中的皮张标本进行切割和涂抹油脂处理。另外，为进行防护式热板测量而从野外采集的标本，之后无法再用作博物馆标本。本文介绍的方法与防护式热板法不同，它可用于完整的干燥鸟类皮张，且具有以下两个优势：1）无需破坏标本；2）无需在皮肤内侧涂抹油脂。该方法使用热成像相机，这类设备正变得越来越实惠（尽管仍相对昂贵），且具有高精度，已被广泛用于活体鸟类热关系的测量。

该方法并不像防护热板法那样直接测量通过皮肤和羽毛的能量流动（因而也不直接测量导热性或隔热值）。相反，它利用热成像相机测量羽层外边界处的温度。所得数值综合反映了通过皮肤、羽毛以及其间滞留空气被动散失的热量（相对于下方热源而言）。采用本方法制备并测量的平面皮张标本可长期保存于标本馆中，持续为未来研究提供价值。该方法为测量任意平面皮张标本羽层的热性能提供了一种标准化、可比较且相对简便的途径，特别适用于种间和种内比较研究。

方案

本工作未涉及任何活体动物实验，因此无需经过动物护理审查。

1. 实验设置与材料（图1）

1. 如果无法获得目标物种的完整平面皮肤样本，请采用 Spaw 的实验方案²⁹ 使用新鲜或冷冻样本制作标本皮肤。将羽毛整理至整齐自然的位置，并干燥至恒重，然后进行测量。
2. 设置恒温水浴。
   注意：该装置较高，因此最好将热水浴放置在地面上。
3. 放置一片透明丙烯酸玻璃（材料表) 在恒温水浴表面放置玻璃，使热量能够透过玻璃传递至皮肤样本的背面，同时避免样本被水浸湿。
   注意：本预试验使用了一块丙烯酸玻璃（厚度为 0.125 英寸）。玻璃的厚度不会影响发射率。³⁰ 材料的数值（始终为0.86），但会影响玻璃表面的绝对温度（即., 较厚的玻璃会导致温度较低。因此，所有测量均应使用相同厚度的有机玻璃板进行。
4. 在亚克力玻璃上放置一块1英寸厚的泡沫板，泡沫板上留有一个直径为0.5英寸的圆形孔洞。
   注意：鸟类的体型应决定开孔的大小，从而决定从热源接收热量的连续羽毛区域的大小。此处使用直径为0.5英寸的孔，因为该尺寸足以向样本有效传递热量，同时又足够小，可将热量集中在鸟类胸区羽区下方（极小型鸟类除外）。无论热孔尺寸如何，为获得每只鸟之间具有可比性和可重复性的测量值，务必使用相同尺寸的孔进行测量。
5. 将热成像相机安装在三脚架上，正对实验装置上方，距离为相机的最小对焦距离。
   注意：此处使用 FLIR SC655 热成像相机（分辨率 680 像素 × 480 像素，读数精度 ±2 °C 或 ±2%，最小对焦距离 40 cm）。其他相机的温度分辨率可能有所不同。
6. 通过在热成像相机软件中输入以下内容来校准相机：
   1. 使用相机校准软件将发射率值设为1.0，将铝箔（光面朝上）覆盖在泡沫上，测量其反射温度。拍摄一张热图像，铝箔表面的温度即为反射温度，该温度应与室温相近。
   2. 设置发射率值³¹ 至 0.95。
      注意：1）发射率是物体发射热量的相对量³² 其取值范围为0到1。高发射率的物体辐射大量热量，而低发射率的物体辐射的热量较少³²。该值代表羽毛的发射率。2）该值（0.95）存在争议。Cossins 和 Bowler 声称羽毛的发射率在 0.90–0.95 之间，但未提供证据³¹Hammel 报道的值为 0.98，但该值来自冷冻样本，因此可能不准确³³尽管缺乏证据支持，0.95发射率仍是热成像相机文献中最常使用的数值（Cossins和Bowler的研究可证明这一点）³¹).
   3. 确保实验室内环境温度和湿度恒定。每次测量前应测量这些数值，并在相机校准软件中更新。所有室内空间的温度和湿度均会有一定程度的波动，因此记录这些数值并在软件中及时更新，可减少测量误差。
      注意：此处使用 FLIR ResearchIR Max 软件。该软件不会保存所有图像的数据，因此必须记录每幅图像的全部数值。

2. 测量操作

1. 将恒温水浴锅设定至目标温度（40 °C 可代表大多数雀形目鸟类的平均体内核心温度）³⁴。
   注意：如果研究的物种其静息核心温度较高（例如蜂鸟³⁴）或较低（例如企鹅³⁴或平胸总目鸟类^34,35），则应相应调整水浴温度。图3展示了水浴温度与丙烯酸玻璃表面温度之间的关系（例如，皮肤平铺样品实际接触的热源表面温度）。
   1. 本方案获得的结果（见图5）表明，在一系列不同温度下进行测量，也有助于揭示热性能的差异。为此，可在30–55 °C范围内以5 °C为增量重复执行该方案。
2. 在热成像仪软件中，在泡沫上热量逸出的孔洞位置绘制一个圆形或椭圆形区域。这有助于在将皮肤放置于泡沫上时可视化该区域，以确保对皮肤平面试样上的正确区域进行测量。
3. 将皮肤平面试样放置在泡沫上，使待测区域对准孔洞。
   注意：此处测量每只鸟的腹部区域，因为该区域不受翅膀等身体其他部分遮挡，且位置居中，不易受到边缘效应影响。皮肤在热源孔洞上的具体放置位置应根据实验问题而定。通常建议将皮肤直接覆盖在羽区上方，并尽可能远离皮肤边缘。放置皮肤时，注意不要压平或打乱羽毛排列。如有必要，可在皮肤放置到位后将其羽毛梳理至自然状态。
4. 等待15分钟，使皮肤适应热源。若测量过早，羽毛表面的温度读数会偏低。本实验中，皮肤和羽毛的热传导在15分钟后趋于稳定，因此等待超过15分钟不会导致人为偏高的结果。
5. 拍摄皮肤平面试样的热图像。
   1. 在拍摄热图像前，将发射率值³¹设定为0.95。
6. 将皮肤从泡沫上取下，并立即拍摄无皮肤覆盖时泡沫装置的热图像。该步骤用于量化丙烯酸玻璃表面的温度，并将热源区域与皮肤平面试样上的测量区域进行校准。
   1. 本实验所用丙烯酸玻璃的发射率为0.86³⁰。在移除皮肤后拍摄图像前，务必在热成像仪软件中记录此发射率值。
      注意：由于丙烯酸玻璃的热导率并非理想状态，水浴锅显示的温度不一定等于其表面温度（图3）。使用玻璃表面实测温度可减少对皮肤下表面温度估计的误差，从而更准确地综合评估通过皮肤和羽毛散失的热量。
7. 将皮肤重新放回泡沫上的相同位置。重复步骤2.5–2.6，共进行五次试验。
   1. 为准确放置试样皮肤，可用一根手指轻轻触碰目标测量区域的羽毛，然后移开手指并查看热图像。手指残留的热量会在热图像上短暂可见。检查确认采样区域位于软件中绘制的可见圆圈内，该圆圈代表来自水浴热源并通过皮肤辐射出热量的区域。若未对准，则移动皮肤直至对准。该过程在图2中有图示说明。
      注意：尽管新鲜皮肤（如可获得）可能更接近活体鸟类皮肤的自然热性能，但使用干燥皮肤进行测量可在更大样本量上获得可比且可重复的结果。因此，所有测量应统一使用干燥至恒重的皮肤，或同时在同一样本的新鲜皮肤和干燥皮肤上进行 测量。

3. 从热成像中采集数据

1. 每次测量包含两张热成像图：一张为平坦皮肤的图像，另一张为丙烯酸玻璃的图像。首先打开丙烯酸玻璃的图像。将软件中绘制的圆圈与图像中泡沫上可见的孔对齐。记录圆心处的温度值。
   注意：有关从热成像图中提取数据的更多细节，请参见 Senior 等人³⁶。
   1. 务必使用正确的数值对相机进行校准。在记录温度值之前，将发射率³⁰设置为 0.86，并将环境温度和湿度设置为实验室当前条件。
2. 打开平坦皮肤的热成像图。在不移动圆圈的情况下，记录圆心处的温度值。
   注意：由于圆圈并未记录在图像中，因此必须使用第 2.6 节拍摄的丙烯酸玻璃图像来校准圆圈的位置。
   1. 务必使用正确的数值对相机进行校准。在记录温度值之前，将发射率³¹设置为 0.95，并确保将环境温度和湿度设置为实验室当前条件。
3. 对所有样本的所有测量重复步骤 3.1–3.2。

4. 热性能的计算

1. 从亚克力玻璃的温度中减去羽毛层表面的温度。该数值代表羽毛层所保留的热量。

结果

在五种物种中各选取一个个体，在六个温度下进行测量，其代表性结果如图4和图5所示。这些结果表明，皮肤放置位置的微小变化可能导致读数差异高达1.7 °C。图4展示了研究者经过训练后测量结果重复性的提高。例如，一名缺乏经验的研究者在单一目标温度下对同一只家麻雀（Passer domesticus）进行了五次测量（图4A）。在对多种不同物种样本进行训练后，同一名研究者（J.G.）在相同目标温度下对同一标本再次测量五次（图4B）。此时，丙烯酸玻璃温度与羽毛表面温度之间关系的估计值仅发生了微小（但可能具有重要意义）的变化。因此，测量结果本身的重复性提高了近四倍。因此，强烈建议操作人员在非样本皮肤上反复练习（在进行将用于分析的测量之前），直至测量值趋于收敛且测量变异稳定（即进一步练习不再提高可重复性）。在对每个标本进行重复测量（或重复测量...

讨论

本文提供了一种对鸟类扁平皮肤样本进行可重复、标准化热成像测量的实验方案。该方法能够在不破坏样本的前提下，比较不同物种之间、同一物种内、相似个体之间以及个体身体不同部位的羽毛覆盖层的热性能。

必要材料和设备的可获得性可能是本方法的限制因素。尽管热成像相机正迅速变得更加普及且价格更为亲民，但科研级热成像相机的价格仍高达数万美元³⁷。然而，热成像相机在生物学领域具有多种实际应用价值。McCaffery 提倡使用热成像相机来探究生态学问题²⁸。热成像相机特别适用于在野外对自由生活的生物体进行数据采集，因为它们是远距离且非侵入性的工具。本文所介绍的方法使得野外与实验室研究能够通过同一设备以相同单位进行测量，从而实现两者的整合。

使用此处所用之外的热成像相机软件可能需要对本方案进行修改，但此类更改仅会影响设置阶段（第1节）。对体型较小的鸟类的研究，或针对大型鸟类的某些特定问题，可能需要在泡沫层上制作不同尺寸的孔洞。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
铝箔	Reynolds Wrap	109000831	30 平方英尺；无需使用此确切型号。
泡沫芯板	Foamular	20WE	1 英寸 × 4 英尺 × 8 英尺；无需使用此确切型号。
通用恒温水浴锅	PolyScience	WB02	环境温度 +5 °C 至 100 °C；±.01 °C
PDF 数据记录仪	Elitech	RC-51H	内置温度和湿度传感器
有机玻璃	AdirOffice	1212-3-C	丙烯酸玻璃；12 英寸 × 12 英寸 × 1/8 英寸；无需使用此确切型号。
热成像分析软件	FLIR	ResearchIR Max v4.40.7.26 (64位)	可采集精确的定量热数据
热成像相机	FLIR	SC655	680×480 像素分辨率，±2 °C 或 ±2% 测量精度，最小对焦距离 40 cm
三脚架	The Audubon Shop	The Birder Tripod with Manfrotto 700RC2 Rapid Release Head	最大高度 65"；无需使用此确切型号。