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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3
Granier原始公式液流速率计算值与室内茎段法液流速率真实值对比。不同颜色R2和p值代表对应颜色茎段的线性回归结果。
正文中引用本图/表的段落
对于所有茎段, 在-15- -30 kPa的压力范围下, 室内茎段法测得的液流速率真实值在0.002-0.035 cm·s-1之间, 而利用Grainier原始公式计算的液流速率范围为0.002-0.010 cm·s-1 (TDP-20) (图3A)和0.001- 0.010 cm·s-1 (TDP-30) (图3B)。虽然TDP测定值与液流速率真实值之间呈极显著的线性正相关关系(图3), 但TDP测定值明显低于实测值。由此表明, 在所有茎段上采用Grainier原始公式计算的液流速率均存在一定程度的低估, 且低估程度因探针型号和茎段而异。其中, TDP-20的低估比例最高超过80%, 而TDP-30的低估程度最高达到65%, 二者的液流速率平均低估比例分别为61.4% (TDP-20)和52.3% (TDP-30), 即TDP-20的低估程度高于TDP-30。此外, 从图4还可看出, 两种型号探针均存在液流速率越大低估程度非线性越高的现象。由此表明, Granier原始公式计算的液流速率虽然与真实值的相关程度较高, 但误差较大, 因此有必要对其进行校正。
针对不同树种评估不同型号探针的测定误差, 能为最佳探针型号的选取提供重要信息。本研究中, TDP-20探针测定结果对液流速率的低估程度大于TDP-30 (图3)。该现象在前人研究中也有发现, 如Fuchs等(2017)观察到较短(12 mm) TDP探针测得的不同树种液流速率的偏差高于较长(20和24 mm)探针, 并认为该现象是由于较短探针的加热功率较低导致了其测定的ΔTM更小。然而, 这种原因并不能解释本研究结果, 因为尽管本研究使用的TDP-20探针的加热功率(0.11 W)低于TDP-30探针(0.18 W), 但两种探针的实测ΔTM非常接近(TDP-20: 8.9 ℃; TDP-30: 8.6 ℃)。众多研究发现, 液流速率从边材外部到内部会逐渐减小(Clearwater et al., 1999; Link et al., 2020), 因此, TDP-20测定位置处(更靠边材外部)的液流速率较高可能是造成其测定偏差更大的原因。该推测也可被TDP测定误差与液流速率间的非线性正相关关系所证实(图4)。
Grainer原始公式的估算偏差会随着液流速率的改变而变化, 但其变化趋势在不同树种上并不一致。已有的研究结果表明, 对于不同树种, 随着液流速率增加, 这种偏差程度存在增加、下降、先降后增以及变化不大等几种趋势(Fuchs et al., 2017; Steppe et al., 2010; Xie & Wan, 2018; 马玉洁等, 2020; 马长明等, 2021)。与大多研究结果相一致, 本研究茎段法实验中, Granier原始公式的估算偏差随液流速率的增加而非线性增大, 且这种现象在不同型号探针上均有出现(图4)。产生该现象的原因可能与本研究中探针的一部分插入了不导水边材或心材有关(图3; 表1)。具体而言, 由于TDP测定的液流速率近似于整个探针长度范围内的平均液流速率, 因此, 当导水边材中的液流速率越高, 其和不导水边材或心材中的液流速率(0 cm-1)差异会越大(即液流速率径向变异越大), 进而导致测得的整个探针长度上的平均液流速率与导水边材液流速率间的差异也逐渐增大, 最终造成液流速率测定值的偏差程度会随着真实液流速率的增大而增大。这种“较大液流速率径向变异会造成较大液流测定误差的现象”在很多其他研究中也有发现(Taneda & Sperry, 2008; Bush et al., 2010; Xie & Wan, 2018)。
本文的其它图/表
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