树干液流技术作为量化树木蒸腾及评估林分水分利用的重要手段,能够高精度揭示水分吸收的时空动态,进而推导出冠层气孔导度、碳吸收量和水分利用效率等关键生理参数。因而,树干液流监测被广泛应用于农林植物生理研究、园林园艺管理、自然森林与人工林的水文过程监测,以及全球变化响应研究中。
目前发展出了诸多树干液流测定方法,例如热平衡法(heat balance method)、热脉冲(heat-pulse)、热力场(heat-field deformation)和热耗散(thermal-dissipation)等。其中Granier型热耗散法(Thermal Dissipation Method),凭借原理简明、制作成本低廉的优势,成为全球应用最广泛的树液流监测技术。该方法基于对两种针叶树及一种阔叶树的校验所得经典模型,衍生出多款商业化传感器,广泛服务于树干液流研究领域。虽然部分研究验证了其估算蒸腾的有效性,但近年来越来越多研究指出,经典模型往往低估高蒸腾量,且缺乏针对不同物种甚至个体的参数校正体系。由于实验操作复杂且工作量大,相关研究仍较稀缺,且模型准确性的潜在影响因素尚待深入探讨。
针对上述问题,中国科学院西双版纳热带植物园(以下简称“版纳植物园”)植物逆境生态学研究团队选取31种涵盖18种散孔材、2种环孔材、6种棕榈科和5种木质藤本的木本植物,覆盖广泛的木材水力特性。团队不仅对树干液流模型参数进行了系统的重新校正,还深入研究了影响模型系数及其准确性的多重因素。结果表明,(1)多数物种的重新校准模型参数与Granier经典参数显著不同,尤其是高导水性的环孔材与藤本,其蒸腾低估程度尤为突出。(2)不同的统计模型、参数校准过程中所施加最大压力等对于矫正的模型参数具有不同程度影响。值得注意的是,植物的水力特性,例如木质部比导率,木质部导管腔面积占比对于种内和种间模型参数的变异具有较高的解释率,木质部比导率对于两项参数的解释率分别达到了90%和79%,这为未知物种模型参数的快速估算提供了可靠依据,将大大减少繁琐的参数校正工作。(3)为验证上述结论,研究团队将重新校准参数与Granier经典模型应用于橡胶种植园蒸腾量估算,全面评估了不同影响因素及其权重。结果显示,Granier模型严重低估林分蒸腾量,而新校准参数估算结果更为合理。此外,树液边材面积及径向变化、方位等尺度的非生理因素对蒸腾估算具有显著影响。
该研究不仅揭示了驱动树干液流模型参数变异的关键水力因素,大幅提升未知物种参数估算的准确性,更强调了在林分蒸腾量估算中,除了模型参数的精准校正外,对于其他估算相关因子的控制同样不可忽视,对蒸腾估算的不确定性贡献同等重要。
该研究以“Hydraulic conductivity‐induced systematic parameter variation in a widely used thermal dissipation sap‐flow technique”为题发表于国际期刊New Phytologist上。该研究获得国家自然科学基金、版纳植物园“十四五”专项及国家资助博士后研究计划的联合支持,并得到版纳植物园园林园艺中心、元江生态站及公共技术中心的大力协助。

图1不同类群树干液流矫正参数的比较。Coefficient a和Coefficient b为树干液流模型的两个参数。

图2木质部比导率(Ks)及导管面积占比(VAF)在个体及物种水平都很好地解释了两项参数的变异。Coefficient a和Coefficient b为树干液流模型的两个参数。

图3不同类群物种矫正后的模型参数与Granier(虚线)经典模型参数比较。
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