日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓╯olar-inducedchlorophyll fluorescence / sun-induced chlorophyll fluorescence; sif）與植物光合活性的直接關(guān)系是現(xiàn)代遙感技術(shù)在陸地植被上應(yīng)用的重要?jiǎng)恿Γ瑧{借其在自然光下與光合作用過(guò)程的密切關(guān)聯(lián)成為量化區(qū)域以及尺度植被生產(chǎn)力的關(guān)鍵。不同的遙感觀測(cè)量化和應(yīng)用sif具有很大的挑戰(zhàn)性。目前，主動(dòng)與被動(dòng)遙感技術(shù)研究的進(jìn)步極大地促進(jìn)了熒光-光合作用關(guān)系研究發(fā)展，不斷開(kāi)發(fā)的各種探測(cè)手段和原型，應(yīng)用于不同尺度（葉片、冠層和區(qū)域）及不同搭載平臺(tái)（手持、地基和衛(wèi)星），幫助研究人員詳細(xì)了解植物的功能活動(dòng)。
葉片尺度
葉片尺度的熒光探測(cè)多以主動(dòng)遙感技術(shù)為主，通過(guò)手持的脈沖輻射調(diào)制（pulse amplitude modulation；pam）的熒光計(jì)，向經(jīng)過(guò)黑暗處理的葉片發(fā)射主動(dòng)脈沖光，激發(fā)的熒光信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生規(guī)律性的變化，稱為感生熒光衰變效應(yīng)（kautsky effect）(stirbet and govindjee, 2011)，熒光圖譜上表現(xiàn)為一條先增后減再趨向平穩(wěn)的曲線，因此也叫熒光動(dòng)力學(xué)曲線。通過(guò)分析曲線，可以獲得一系列光系統(tǒng)尺度上的重要參數(shù)，包括：極小熒光值（minimal fluorescence; f0）、極大熒光值（maximal fluorescence; fm）、熱耗散引起的非光化學(xué)淬滅（non-photochemical quenching; npq）、表觀光合電子傳遞速率（electron transfer rate; etr）和植物光化學(xué)效率（фpsii）等（丁鍵浠等，2021）。
葉綠素?zé)晒馀c光合作用高度相關(guān)，這些基于可控脈沖輻射探測(cè)到的光系統(tǒng)參數(shù)反映了植被本身的光合能力。由于植被在環(huán)境中具有適應(yīng)性，當(dāng)受到環(huán)境或病蟲害脅迫時(shí)，植被的本身的光合能力和葉綠素含量也會(huì)變化，因此pam激發(fā)得到的熒光參數(shù)可以探究環(huán)境脅迫（溫度、水分等）對(duì)植被的影響（羅俊等，2004）。雖然它可以直接獲得和光合作用有關(guān)的重要參數(shù)，但由于需要較高的脈沖輻射調(diào)制技術(shù)和近距離的貼近葉片的測(cè)量距離，不適用于大范圍的遙感監(jiān)測(cè)。
冠層尺度
為了探究植被在自然光照下真實(shí)的光合作用過(guò)程，基于高光譜的被動(dòng)遙感技術(shù)提供了在冠層尺度上監(jiān)測(cè)sif方法。冠層尺度的測(cè)量方式是通過(guò)光譜儀測(cè)定太陽(yáng)和冠層上下行光譜，根據(jù)sif在氫吸收或氧吸收暗線的填充效應(yīng)提取sif值。
冠層尺度的sif與葉片尺度并不相同，冠層尺度上觀測(cè)到的sif值會(huì)因?yàn)槿~片生理特性以及植被冠層結(jié)構(gòu)的改變而改變。大多數(shù)研究監(jiān)測(cè)冠層尺度的sif時(shí)，都假設(shè)冠層為均一同質(zhì)化平面且為朗伯體（漫射體），但實(shí)際情況可能更復(fù)雜(damm et al., 2015)。光譜儀監(jiān)測(cè)到的sif絕大部分來(lái)源于冠層頂部（top-of canopy; toc），并非是冠層發(fā)射的全部sif，這在冠層垂直結(jié)構(gòu)具有高度復(fù)雜性的森林等生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為明顯。而且由于sif在冠層內(nèi)部多次重吸收（紅色sif）和散射（遠(yuǎn)紅外和近紅外sif）過(guò)程(圖1，van wittenberghe et al., 2015)，siftoc不一定和整個(gè)冠層的發(fā)射的sif呈正比關(guān)系(lu et al., 2020)。因此，光譜儀觀測(cè)到的冠層尺度的sif可能不能代表整個(gè)冠層真實(shí)的sif量值。
圖1 在冠層尺度上，日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓╯if）的發(fā)射和相互作用隨著光強(qiáng)的降低而降低；紅色sif發(fā)射僅被重新吸收，而遠(yuǎn)紅和近紅外sif發(fā)射向上和向下散射。圖片來(lái)源于(van wittenberghe et al., 2015)
除了冠層垂直結(jié)構(gòu)中葉片重吸收和散射導(dǎo)致的siftoc與總發(fā)射sif的差異，太陽(yáng)-冠層-傳感器幾何角度也會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)sif值的差異。而且具有復(fù)雜冠層結(jié)構(gòu)的森林會(huì)比草原受太陽(yáng)高度角（solar altitude angle; sza）和觀測(cè)天頂角（view zenith angle; vza）的影響更大（圖2）。研究表明，熱點(diǎn)方向（太陽(yáng)入射方向）的sif監(jiān)測(cè)更能有效追蹤光合作用(hao et al., 2021)，因此，在布設(shè)儀器時(shí)，觀測(cè)冠層反射光譜的光纖應(yīng)向北方以一定角度傾斜安裝。
圖2 在混交林（d）、稀樹草原（e）和常綠針葉林（f）的不同太陽(yáng)高度角（vza）和不同觀測(cè)天頂角（vza）的sif差異。圖片來(lái)源于(zhang et al., 2018)
冠層尺度上的sif是光合作用的探針，它與光合有效輻射（photosynthetically active radiation; par）和總初級(jí)生產(chǎn)力（gross primary productivity; gpp）具有很強(qiáng)的線性關(guān)系，并且基于高光譜技術(shù)，還可以同時(shí)獲得光化學(xué)植被指數(shù)（photochemical reflectance index; pri）和歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index; ndvi）等，這些參數(shù)在冠層尺度量化植被生產(chǎn)力具有重要作用。目前，基于地基或塔基平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)sif的全天候自動(dòng)化觀測(cè)，輸出高時(shí)間分辨率的sif量值，提高了追蹤光合作用能力的精度。
區(qū)域尺度
大氣成分衛(wèi)星作為大尺度監(jiān)測(cè)的無(wú)源遙感平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域乃至的sif反演，目前，sif衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要來(lái)自歐洲的metop、日本的gosat及美國(guó)的oco-2這3個(gè)衛(wèi)星，分別配備了gome-2、tanso-fts和oco-2這3種傳感器，可以作為植被光合作用監(jiān)測(cè)和碳匯估測(cè)的有效數(shù)據(jù)源。但星載平臺(tái)的限制非常明顯，首先，sif信號(hào)在長(zhǎng)波和反射輻射中非常弱，還會(huì)受到光照條件、植被結(jié)構(gòu)、背景反射和大氣效應(yīng)等的影響，這大大降低了衛(wèi)星sif產(chǎn)品的精度；其次，陸地空間極不均質(zhì)，而星載傳感器空間分辨率也較低（gosat: 10km×10km; gome-2: 40km×40km; oco-2：1.3km×2.25km），監(jiān)測(cè)空間不連續(xù)（bandopadhyay et al., 2020）；然后，衛(wèi)星雖然可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，但重訪周期過(guò)長(zhǎng)，時(shí)間分辨率較低。因此，衛(wèi)星sif產(chǎn)品與地面sif數(shù)據(jù)存在空間及時(shí)間不匹配，需要進(jìn)一步的研究以做驗(yàn)證和擴(kuò)展。
不同尺度葉綠素?zé)晒庋芯慷贾陵P(guān)重要，雖然sif隨著觀測(cè)尺度的增大，觀測(cè)精度在不斷降低，但不同尺度上葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)仍存在各自的優(yōu)勢(shì)與探究?jī)r(jià)值，如圖3所示。
圖3 在不同的尺度和空間分辨率下的sif測(cè)量
目前，衛(wèi)星sif產(chǎn)品的數(shù)據(jù)真實(shí)性對(duì)碳匯的準(zhǔn)確估測(cè)至關(guān)重要，這需要不斷推動(dòng)冠層尺度的sif監(jiān)測(cè)研究，加快完善站點(diǎn)間sif觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。基于這一需求，我們推出了自主研制的specnet智能高光譜新型聯(lián)網(wǎng)光譜儀（圖4），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冠層尺度的sif的準(zhǔn)確連續(xù)的監(jiān)測(cè)。儀器配備高分辨率和高信噪比的光譜儀和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，可實(shí)現(xiàn)地物光譜反射率的自動(dòng)測(cè)量、聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)上傳以及基于云平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)與反演參數(shù)可視化，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效地監(jiān)控野外測(cè)量數(shù)據(jù)，為研究者提供更有力的幫助。
圖4 specnet智能高光譜聯(lián)網(wǎng)光譜儀及野外觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)（該儀器由北京星視圖公司自主研發(fā)）
參考文獻(xiàn)：
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