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Granier原始公式计算树干液流速率的适用性分析——以毛白杨为例
植物生态学报
2023, 47 (3):
404-417.
DOI: 10.17521/cjpe.2022.0321
热扩散探针(TDP)在林木蒸腾研究中应用极广, 其测定数据的计算精度直接影响对林木和林分耗水的精准定量。Granier原始公式(Fd = 0.0119K1.231, Fd为液流速率(cm·s-1), K为温差系数)是计算TDP测定数据的标准方法, 但其准确性备受质疑。为系统了解Granier原始公式的适用性和明确对其校正的必要性, 该研究以毛白杨(Populus tomentosa)为实验材料, 采用室内茎段法和整树容器法, 针对不同型号的TDP探针评估Granier原始公式的精度, 并对比不同方法校正公式的应用效果。与茎段法实测值相比, Granier原始公式计算的液流速率平均低估52.3%-61.4%。通过茎段法和整树容器法得到的校正公式分别为Fd = 0.0362K1.870和Fd = 0.0105K0.976; 且一种方法下得到的校正公式, 在其他方法条件下应用时存在较大偏差。与Granier原始公式相比, 整树容器法校正公式计算的大田生长状态下的7株林木的平均液流速率没有显著变化, 但茎段法和其他研究中得到的毛白杨校正公式的计算结果均显著变大。以整树容器法做对比, Granier原始公式的精度明显高于其他校正公式, 其相对平均绝对误差和均方根误差分别为10%和0.000 5 cm·s-1。此外, 校正公式的系数在不同林木间存在较大差异, 但其数值与导水边材中探针长度所占比例呈显著负相关关系。综上, 利用TDP测定液流时, 可能有必要对Granier原始公式进行校正, 但不同方法校正公式的应用效果差异巨大, 表明以往研究中得到的校正公式具有很大局限性。同时, 该研究未找到充足证据支撑“有必要采用校正公式以精确估算毛白杨液流速率”的观点, 尤其是考虑到整树容器法校正公式对大田栽植的毛白杨的液流速率估算结果与Granier原始公式并无显著差异, 因此建议继续对该树种延用Granier原始公式。 ![]() View image in article
图2
毛白杨不同茎段染色后的横截面。图中红色区域为导水边材。
正文中引用本图/表的段落
为获得具有导水能力的边材面积, 液流测定实验结束后, 使用0.5%浓度的番红染色液在-50 kPa压力下对茎段染色24 h, 并用手锯切下探针安装处的圆盘。然后用Epson扫描仪(Epson perfection V750 Pro; 爱普生中国有限公司, 北京)在600 dpi下扫描圆盘表面, 并使用ImageJ软件获取圆盘上被染色区域的面积, 该面积即为具有导水能力的边材面积(图2)。各茎段的平均边材厚度和具有导水能力的边材面积见表1。另外, 针对每个茎段在探针安装位置处截取另一组圆盘, 并在每个圆盘的4个方位切除4块被染色的导水边材样品。之后, 对各样品称鲜质量(m1/g), 并用排水法获取其体积(v/cm3), 然后放入烘箱中在75 ℃下烘干至恒质量(m2/g)。利用m2/v和(m1 - m2)/v计算得到导水边材的密度(g·cm-3)和体积含水率(cm-3·cm-3)。导水边材中探针长度所占比例利用导水边材厚度/探针长度计算得到。
当探针的一部分插入心材或不导水边材时, 为减小测量误差, Clearwater等(1999)曾针对Granier型热扩散探针(2 cm长, 探针间距10 cm)提出了ΔT的校准公式, 并得到广泛应用(Bush et al., 2010; Peters et al., 2018; Niu et al., 2022)。由于本研究所选用茎段的导水边材厚度小于TDP探针长度(图2), 所以也曾尝试利用该公式对ΔT进行校正。但却发现其只适用于TDP-20探针, 而对于TDP-30探针, 由于导水边材的厚度与探针长度相差过大(表1), 所以得到的ΔT校准数据常出现负值或过小的情况。该情况在导水边材厚度明显小于探针长度的其他树种上也有发现(Bush et al., 2010)。因此, 为保持统一, 我们在最终的液流速率计算中均未对ΔT进行校准。此外, 温差数据校准的失败也表明, Clearwater等(1999)的校准公式并不适用于所有型号的TDP探针, 因此今后有必要对其进一步优化。
2021a); 同一茎干不同方位会因导水边材厚度变化(图2) (Taneda & Sperry, 2008; Bush et al., 2010), 不同树种或同一树种的不同个体会因木材解剖结构(导管直径、密度、分布)差异而影响探针临域的热量传输(Xie & Wan, 2018), 进而使ΔT动态发生改变而影响校正结果。在Granier公式系数存在巨大变异且目前难以为所有树种找到通用系数的现状下, 众多因素能对液流公式系数a和b产生影响的现象恰恰给予我们一种新的启示: 能否锁定系数a和b的几个主要影响因子, 并尝试建立a、b与这些影响因子间的定量关系, 然后在实际应用中通过对这些影响因子的数值进行测定, 进而基于建立的定量关系去预测不同树种或林木个体的特定液流公式系数值? 本研究中发现的系数a、b与导水边材中探针长度所占比例的定量关系(图7), 可为该思路提供一定的理论依据。
本文的其它图/表
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