Martti Perämäki

A physical analysis of sap flow dynamics in trees

Perämäki M. (2005). A physical analysis of sap flow dynamics in trees. https://doi.org/10.14214/df.2

Tiivistelmä

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli analysoida puun vedenvirtausta dynaamisten mallien avulla. Tämä työ on luonteeltaan poikkitieteellinen: puun vedenvirtausta, joka kuuluu puiden fysiologian tutkimusalaan, tarkastellaan fysiikan alalla yleisesti käytettävällä metodilla. Työssä kehitettiin viisi erilaista mallia, jotka perustuivat vedenvirtauksen ja lämmönsiirtymisen fysikaaliseen taustaan. Malleilla tarkastellaan haihdutuksen aiheuttamaa veden virtausta ja veden jännityksen (=negatiivinen paine) etenemistä, embolismin vaikutusta veden virtaukseen ja embolismin palautumista. puun rungossa. Yhdellä mallilla tarkastellaan lisäksi lämpötasemenetelmään perustuvan virtausmittausjärjestelmän toimivuutta. Veden virtausta ja veden jännityksen etenemistä tarkastellaan kahdella eri mallilla, jotka perustuvat oletukseen, että puun rungon mantopuun läpimitta vaihtelee painemuutosten aiheuttamana. Tätä lähestymistapaa ei ole käytetty aikaisemmissa vedenvirtausmalleissa, jotka pääosin perustuvat veden määrän ja sen paineen yhteydelle eli n.k. kapasitanssikäsitteelle. Tässä työssä käytetty lähestymistapa mahdollistaa mallin tuottamien ennusteiden vertaamisen elävien puiden helposti mitattaviin läpimittamuutoksiin.. Mallitarkastelu tuotti uutta tietoa veden virtauksen dynamiikasta mm. sen että painemuutokset etenevät suhteellisen nopeasti, muutamassa minuutissa puun latvasta tyvelle. Viiveen suuruuteen vaikuttavat puun pituus, mantopuun määrä, mantopuun elastisuus ja vedenläpäisykyky. Mallien tulokset tukevat koheesioteriaa ja mallitulokset antavat viitteitä siitä, millaiseksi puun rakennesuhteet kehittyvät. Nämä tulokset ovat sopusoinnussa kirjallisuudessa esiintyvien mittaustulosten kanssa, mutta ovat ristiriidassa puun rakennesuhteita kuvaavan nk piippumalliteorian kanssa. Embolismin palautumismalli perustuu aikaisemmin kirjallisuudessa esitettyyn hypoteesiin, jonka mukaan embolisoitunut solu voi palautua toiminnalliseksi (= täyttyä uudelleen vedellä), vaikka viereisissä soluissa veden paine on negatiivinen. Mallin tulosten perusteella embolismin palautuminen on mahdollista normaaleissa fysiologisissa olosuhteissa (veden jännitys, elävien solujen osmoottinen paine jne.) edellyttäen, että elävien solujen solukalvojen läpäisevyys on erilainen saman solun eri puolilla. Veden virtauksen mittauksessa käytettävä lämpötasemenetelmä olettaa, että puun runkoa lämmitettäessä rungon sisäinen lämpötila on homogeeninen. Mallitulokset osoittavat, että rungon sisäinen lämpötila on, virtauksen suuruudesta ja virtausprofiilista riippuen, läpimitaltaan muutamaa senttiä paksummalla rungolla hyvinkin epähomogeeninen, ja että lämpötasemenetelmä ei ole näin ollen luotettava paksummilla rungoilla. Tämä tutkimus osoittaa, että fysikaaliseen perustaan rakentuvat yksinkertaisetkin dynaamiset mallit voivat olla erinomaisia työkaluja luonnon prosessien tutkimisessa ja niiden avulla voimme lisätä ymmärrystämme luonnonilmiöiden taustalla olevista mekanismeista. Mallitarkastelun avulla voimme myös saada tietoa siitä, mihin suuntaan mittalaitteita täytyy kehittää ja mihin tutkimuskokonaisuuden olennaisimpiin osa-alueisiin rajalliset mittausresurssit kannattaa kohdentaa.

Julkaistu 17.6.2005

Katselukerrat 2730

Saatavilla https://doi.org/10.14214/df.2 | Lataa PDF

Osajulkaisut

Perämäki, M., Nikinmaa, E., Sevanto, S., Ilvesniemi, H., Siivola, E., Hari, P. & Vesala, T. 2001. Tree stem diameter variations and transpiration in Scots pine: an analysis using a dynamic sap flow model. Tree Physiology 21: 889–897.

http://heronpublishing.com/tree/summaries/volume21/a21-889.html

Hölttä, T., Vesala, T., Perämäki, M. & Nikinmaa, E. 2002. Relationships between Embolism, Stem Water Tension, and Diameter Changes. Journal of Theoretical Biology 215: 23–38.

https://doi.org/10.1006/jtbi.2001.2485

Vesala, T., Hölttä, T., Perämäki, M. & Nikinmaa, E. 2003. Refilling of a hydraulically isolated embolized vessel: Model calculations. Annals of Botany 91: 418–428.

http://aob.oupjournals.org/cgi/content/full/91/4/419

Perämäki, M., Vesala, T. & Nikinmaa, E. 2001. Analysing the applicability of heat balance method for estimating sap flow in boreal forest conditions. Boreal Environment Research 6: 29–46.

http://www.borenv.net/BER/pdfs/ber6-029s.pdf

Perämäki, M., Vesala, T. & Nikinmaa, E. 2005. Modeling the dynamics of pressure propagation and diameter variation in tree sapwood. Tree Physiology 25: 1091–1099.

http://heronpublishing.com/tree/summaries/volume25/a25-1091.html

---