这篇文档由Akihiro Sumida等作者撰写，发表在2023年的《Scientific Reports》期刊上，研究主题是关于利用准管道模型（quasi-pipe model, qpipe）估算树木叶面积和叶生物量的异速生长关系，并将其应用于植物功能类型（Plant Functional Types, PFTs）。该研究的主要作者来自京都府立大学、森林综合研究所、新潟大学、平冈森林研究所、岐阜大学、龙谷大学、山梨英和学院和北海道大学等机构。
研究的主要科学领域是森林生态学和植物生理学，特别是树木的叶面积和叶生物量的估算方法。树木的叶面积和叶生物量是评估森林碳固定能力的重要参数。传统的管道模型（pipe model）通过测量树冠基部的茎横截面积（acb）来估算叶量，但这种方法需要攀爬树木，不适合大规模研究。因此，研究团队提出了一种新的准管道模型（qpipe），通过地面可测量的树木尺寸来估算acb，从而简化了叶量的估算过程。
研究的目标是验证qpipe模型在不同植物功能类型（PFTs）中的适用性，并比较其与传统管道模型的异速生长关系。PFTs包括常绿针叶树（evergreen-conifer, ec）、落叶针叶树（deciduous-conifer, dc）、常绿阔叶树（evergreen-broadleaf, eb）和落叶阔叶树（deciduous-broadleaf, db）。研究还探讨了qpipe模型在估算林分尺度叶量时的适用性。
研究流程分为以下几个步骤：
数据收集与处理
研究使用了来自热带雨林、温带森林和寒带森林的962棵树木的公开和未公开数据，涉及159个物种。数据包括树木高度、胸径（dbh）、树冠基部高度、树冠长度以及叶面积（la）和叶生物量（lm）。数据经过Grubbs检验去除异常值，确保分析的准确性。
准管道模型的建立
研究团队通过测量树木的胸径（dbh）、树冠长度（lc）和树高（h>1.3）来估算树冠基部的茎横截面积（acb_est）。具体公式为：acb_est = abh * rcrown，其中abh是胸高处的茎横截面积，rcrown是树冠比（lc / h>1.3）。这一方法基于假设树干的形状为旋转抛物面。
异速生长关系的分析
研究使用标准化主轴回归（Standardized Major Axis regression, SMA）和广义线性混合模型（Generalized Linear Mixed Models, GLMMs）来分析管道模型和qpipe模型的异速生长关系。SMA回归用于估计斜率，GLMMs用于预测叶面积和叶生物量。研究还计算了95%的预测区间，以评估模型的准确性。
模型比较与应用
研究比较了管道模型和qpipe模型在不同PFTs中的表现，并探讨了qpipe模型在估算林分尺度叶量时的适用性。研究还使用了一个日本扁柏（Chamaecyparis obtusa）林分的数据，比较了三种不同方法估算的叶面积指数（LAI）。
acb与acb_est的关系
研究结果表明，acb_est可以很好地替代acb，两者在四个PFTs中的关系接近1:1。这表明qpipe模型在不同PFTs中具有广泛的适用性。
叶面积的异速生长关系
对于叶面积，管道模型和qpipe模型的异速生长关系在四个PFTs中几乎一致，斜率接近1。这表明管道模型假设的叶面积与acb的比例关系在叶面积上成立。
叶生物量的异速生长关系
对于叶生物量，四个PFTs的异速生长关系存在显著差异，斜率均大于1。这表明管道模型假设的叶生物量与acb的比例关系不成立，叶生物量随树木尺寸的增加而增加。
qpipe模型的应用
研究通过日本扁柏林分的数据验证了qpipe模型在估算LAI时的准确性。结果表明，基于qpipe模型的估算与基于管道模型的估算结果相似，但全球qpipe模型在早期林分年龄的估算中存在偏差。
研究得出结论，qpipe模型在不同PFTs中具有广泛的适用性，特别是在估算叶面积时表现良好。对于叶生物量，qpipe模型虽然也能提供合理的估算，但其异速生长关系在不同PFTs中存在差异。研究还指出，qpipe模型的准确性取决于树干的形状，因此在应用时需要谨慎考虑树木的形态特征。
该研究为大规模森林生态学研究提供了一种简便的叶量估算方法，特别是在无法直接测量acb的情况下，qpipe模型可以作为一种有效的替代方法。研究还揭示了管道模型在叶面积和叶生物量估算中的不同表现，为未来的森林生态学研究提供了新的视角。
研究还探讨了树木形态对qpipe模型准确性的影响，指出树干形状的差异可能导致估算误差。此外，研究还提出了未来研究的方向，包括进一步验证qpipe模型在不同森林类型中的适用性，以及探索树木形态与叶量之间的关系。
通过这项研究，研究人员为森林生态学领域提供了一种新的工具，帮助科学家更好地理解和估算森林的碳固定能力。