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这篇研究验证了一种用于测量植物木质部水力导度的低成本定制压力降水流计的性能。它通过评估不同设备、实验室、压力水头（10、25、45 cm）和不同水力阻力的PEEK导管，证实了该水流计在推荐条件下具有高精度（变异系数CV达1%-7%）、高准确度（78%以上测量值偏差<5%）、以及优异的设备间互换性与实验室间可重复性。这项开源、低成本的方案为资源有限的实验室进行植物水力学的标准化、可重复研究提供了可靠工具，有助于推动气候变化背景下植物抗旱性等关键生理性状的国际合作研究。
1 引言
木质部水力导度反映了植物维管系统向生长组织输送水分和溶质的能力。对于茎段而言，水力导度（K，单位：kg s-1kPa-1）被定义为流速（Q，单位：kg s-1）与驱动水流的压力梯度（ΔP，单位：kPa）的比值。由此可衍生出两个关键的水力性状：一是水力传导率（即水力导度按茎段长度标准化），二是气穴化脆弱性（即由干旱或冰冻诱导的栓塞导致的水力导度损失）。这些性状受内部因素（木质部解剖结构和汁液成分）和外部条件（如干旱或冰冻）的共同影响，因此为了解物种和种群对环境胁迫（尤其是在气候变化下）的敏感性提供了重要见解。
为了测量木质部水力导度，目前已发展出多种方法。在这些方法中，压力降水流计因其成本低廉、易于构建和维护、可在野外部署且能适应多种应用场景而脱颖而出。本研究在前人方法（如Sack等人2011年的方案）基础上，对其进行了改进，开发了基于Arduino的电子控制系统，采用USB供电并集成了低噪声电源稳压器，选用了具有24位数字输出的高精度压力传感器，并通过定制的R Shiny界面进行数据采集和校正（包括将粘度归一化至25°C）。本研究旨在测试这些新型定制压力降水流计的性能，具体评估了（i）设备间的变异性；（ii）实验室间的一致性；（iii）精确度（即重复测量值的接近程度）；（iv）准确度（即与参考值的接近程度）。
2 材料与方法
水流计的构建遵循Urli, Périé, 和 Lambert（2025）的协议。每个水流计包括一个液压回路、两个压力传感器、一个温度传感器和一个基于Arduino的电子控制系统。液压回路包括一个产生设定压力水头的上游储水罐、一段已知水力阻力的PEEK导管、以及一个容纳样品的下游储水罐。两个压力传感器位于PEEK导管的上游和下游。数据采集通过定制的R Shiny应用程序管理，该程序包含了自动粘度校正至25°C的功能。水流计的估计成本约为2500加元（不含税），其中约三分之二的成本对应电子元件。压力传感器在每日测量前进行校准。
测量的核心原理是将未知导度的样品连接在水流计内部已知阻力的PEEK导管上，施加压力梯度。当达到稳态流时，通过PEEK导管和样品的流速被认为是相等的，从而可以根据已知的PEEK导管参考导度计算出样品的水力导度。数据验证在测量过程中通过集成到R Shiny应用程序中的程序进行，确保测量范围（下游与上游压力读数之比）在0.2到0.8之间（最佳值为0.5），且最后300秒的数据保持稳定。
为了评估水流计的准确度、精密度和可重复性，本研究使用已知导度的PEEK导管作为样品。实验中使用了三种颜色（对应不同内径）的PEEK导管：黄色（内径约0.175 mm）、蓝色（内径约0.250 mm）和橙色（内径约0.500 mm）。这些内径覆盖了针叶树茎段的水力导度范围。共构建了五台水流计：三台安装在DRF实验室，两台安装在UQAM实验室。实验设计包括：使用单一蓝色PEEK导管对在相同实验室（DRF）的三台水流计进行比对；在DRF和UQAM两个实验室之间进行比对；以及对所有水流计、导管颜色和压力高度组合进行精密度和准确度分析。
数据分析包括：数据验证（根据导管颜色设定传导率阈值以过滤数据）；水流计比对（计算设备间的平均相对偏差、Jaccard指数和Bhattacharyya系数）；实验室间可重复性评估（使用双样本Kolmogorov-Smirnov检验比较分布）；以及精密度和准确度分析（计算变异系数、标准误差，并评估测量值是否落在导管颜色特定的参考区间内）。
3 结果与讨论
3.1 PEEK导管参考值
正如预期的那样，不同内径的PEEK导管表现出层级化的导度模式：黄色导管（最小内径）的导度最低，蓝色导管的导度约为黄色的四倍，而橙色导管的导度是蓝色的12-14倍。这一模式在两个实验室中均保持一致。然而，同一颜色类别内的不同导管个体之间也存在显著的变异性。蓝色导管在实验室间表现出最佳的可重复性（重叠率为83%），黄色导管次之（69%），而橙色导管的实验室间重叠率最低（仅14%），但测量范围（最大值-最小值）在实验室间具有可比性。这些个体差异凸显了对每个PEEK导管进行单独表征，而不是仅仅依赖标称直径或理论计算的重要性。
3.2 数据验证
在总共1198个数据点中，有37个测量值在数据质量验证中被剔除，总体可用数据率约为97%。被剔除的测量值主要源于校准错误、液压回路泄漏或操作失误。
3.3 水流计比对
所有三台水流计的测量值均100%落在导管特定的参考区间内。设备间的平均相对偏差很小（-0.36% 到 +1.90%），测量值的变异系数在0.7%到1.9%之间，显示出高度的一致性。Jaccard指数（13.3% 到 51.6%）和Bhattacharyya系数（18.9% 到 42.8%）表明测量分布有中度重叠，但所有成对比较中，平均导度值的差异均小于2.3%。这些结果表明，在标准化实验条件下，水流计的差异并不是显著变异来源，因此可以互换使用。
3.4 实验室间可重复性
描述性统计和分布可视化显示，两个实验室之间具有高度一致性。九个Kolmogorov-Smirnov测试中有八个显示分布无显著统计学差异。仅在10 cm高度下的橙色导管出现了一个显著差异。当取所有高度的平均值时，蓝色、橙色和黄色导管的平均导度值差异分别为1.6%、3.8%和5.0%。当取所有颜色的平均值时，不同高度（10、25、45 cm）的平均差异分别为5.9%、3.0%和1.5%。这些结果表明，在使用这些水流计时，只要采用最佳的测量条件（水头高度≥25 cm），在不同实验室之间比较测量结果是可行的。
3.5 水流计性能评估
3.5.1 精密度分析
测量精密度显示出依赖于实验条件的清晰模式。上游压力储水罐的高度强烈影响数据离散度，10 cm高度产生了最大的范围、标准误差和变异系数。这可以用导度方程来解释：在较低的高度下，上游和下游压力较小，因此给定的压力偏差在压力差中所占比例更大，从而放大了低压力尺度下的误差。低阻力导管（高导度）扩大了绝对变异性，但降低了变异系数，这与比例误差传播一致。在25-45 cm的高度下获得了最佳精密度。在45 cm高度，黄色和蓝色导管的变异系数为4%-5%，橙色导管为2%-3%。在10 cm高度，精密度下降，黄色导管的变异系数高达9%。因此，除非有特定原因需要使用低压水头，否则测量应在≥25 cm的高度下进行，以确保稳健的精密度。
3.5.2 准确度评估
通过将测量值与导管特定的参考值进行比较来评估准确度。总体而言，在大多数条件下，测量值落入参考范围内的比例（包含率）超过97%，但在10 cm高度下出现了更多异常值。在25和45 cm高度下，所有导管颜色和实验室的包含率始终超过97%，证实了在推荐条件下的稳健准确性。绝对平均偏差范围在0.13%到8.27%之间，68%的测量值偏差小于参考值的5%。准确度随着储水罐高度的增加而提高：在25 cm和45 cm高度，分别有77%和79%的测量值偏差小于5%。未检测到系统性偏差。这一模式反映了压力水头对误差传播的影响。在10 cm高度，较低的上游压力导致小偏差产生比例上更大的影响，产生了轻微的负偏差。而在25和45 cm高度，偏差接近于零，显示了较高压力水头的稳定效应。
4 结论
水力水流计可以提供关于木质部水力导度的信息，并用于创建脆弱性曲线，这两者都有助于评估物种对当前和未来环境条件的适应能力。本研究中评估的定制水流计使用用户友好界面，提供了精确、可重复和准确的数据。它们是适用于导度测量的低压水流计，当水柱高度提供较高压力（25-45 cm ≈ 0.025-0.045 bar）时达到最佳精密度，同时在更适宜避免栓塞移动的较低设置下也能提供稳定的测量。
关键性能指标证明了这些仪器的可靠性：在最佳条件下，总体精密度达到1%-7%的变异系数；准确度方面，68%的测量值偏差小于参考值的5%，在推荐压力水头高度下，这一比例提高到78%以上；设备间一致性高，差异小于2.3%。最重要的是，实验室间可重复性很高，在所有测量条件下，平均差异通常低于3.5%，从未超过5%，并且在88.9%的比较测试中未发现显著的统计学差异。
这些发现也凸显了实验设置的重要性。较低的压力水头（10 cm）会放大小的偏差，导致更大的离散度和轻微的负偏差，而较高的水头（≥25 cm）则能稳定测量并最小化误差传播。同样，绝对测量误差随着导度的增加而增加，但相对精密度却因这些误差占测量值的比例较小而得以改善。
除了技术性能外，这些经过验证的水流计为植物生理学的多实验室比较研究开辟了新的机会。所展示的可重复性促进了关于树木水力特性（如木质部水力传导率或气穴化脆弱性）的国际合作研究，这些特性对于预测植物物种如何应对气候变化至关重要。其低成本构建（当前价格低于2500加元）、开源的R Shiny界面以及Prometheus Wiki上提供的完整构建协议，进一步提升了可及性，使资源有限的实验室能够进行精确的水力测量，从而扩大了研究界应对全球生态挑战的能力。
虽然PEEK导管提供了理想的受控条件，但实际的植物样本会带来额外的技术挑战，如导管结构多变、自发气泡形成和组织降解，可能需要调整实验方案。此外，在更高压力和更宽导度范围内的验证将进一步扩展这些水流计的适用性。
