日光誘導葉綠素熒光（Solar-inducedChlorophyll Fluorescence / Sun-induced Chlorophyll Fluorescence; SIF）與植物光合活性的直接關系是現(xiàn)代遙感技術在陸地植被上應用的重要動力，憑借其在自然光下與光合作用過程的密切關聯(lián)成為量化區(qū)域以及全球尺度植被生產(chǎn)力的關鍵。不同的遙感觀測量化和應用SIF具有很大的挑戰(zhàn)性。目前，主動與被動遙感技術研究的進步極大地促進了熒光-光合作用關系研究發(fā)展，不斷開發(fā)的各種探測手段和原型，應用于不同尺度（葉片、冠層和區(qū)域）及不同搭載平臺（手持、地基和衛(wèi)星），幫助研究人員詳細了解植物的功能活動。

葉片尺度

葉片尺度的熒光探測多以主動遙感技術為主，通過手持的脈沖輻射調(diào)制（pulse amplitude modulation；PAM）的熒光計，向經(jīng)過黑暗處理的葉片發(fā)射主動脈沖光，激發(fā)的熒光信號強度會隨著時間發(fā)生規(guī)律性的變化，稱為感生熒光衰變效應（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，因此也叫熒光動力學曲線。通過分析曲線，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）和植物光化學效率（ФPSII）等（丁鍵浠等，2021）。

葉綠素熒光與光合作用高度相關，這些基于可控脈沖輻射探測到的光系統(tǒng)參數(shù)反映了植被本身的光合能力。由于植被在環(huán)境中具有適應性，當受到環(huán)境或病蟲害脅迫時，植被的本身的光合能力和葉綠素含量也會變化，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的重要參數(shù)，但由于需要較高的脈沖輻射調(diào)制技術和近距離的貼近葉片的測量距離，不適用于大范圍的遙感監(jiān)測。

冠層尺度

為了探究植被在自然光照下真實的光合作用過程，基于高光譜的被動遙感技術提供了在冠層尺度上監(jiān)測SIF方法。冠層尺度的測量方式是通過光譜儀測定太陽和冠層上下行光譜，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，冠層尺度上觀測到的SIF值會因為葉片生理特性以及植被冠層結構的改變而改變。大多數(shù)研究監(jiān)測冠層尺度的SIF時，都假設冠層為均一同質(zhì)化平面且為朗伯體（完全漫射體），但實際情況可能更復雜(Damm et al., 2015)。光譜儀監(jiān)測到的SIF絕大部分來源于冠層頂部（top-of canopy; TOC），并非是冠層發(fā)射的全部SIF，這在冠層垂直結構具有高度復雜性的森林等生態(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（遠紅外和近紅外SIF）過程(圖1，Van Wittenberghe et al., 2015)，SIFTOC不一定和整個冠層的發(fā)射的SIF呈正比關系(Lu et al., 2020)。因此，光譜儀觀測到的冠層尺度的SIF可能不能代表整個冠層真實的SIF量值。

圖1 在冠層尺度上，日光誘導葉綠素熒光（SIF）的發(fā)射和相互作用隨著光強的降低而降低；紅色SIF發(fā)射僅被重新吸收，而遠紅和近紅外SIF發(fā)射向上和向下散射。圖片來源于(Van Wittenberghe et al., 2015)

除了冠層垂直結構中葉片重吸收和散射導致的SIFTOC與總發(fā)射SIF的差異，太陽-冠層-傳感器幾何角度也會導致觀測SIF值的差異。而且具有復雜冠層結構的森林會比草原受太陽高度角（solar altitude angle; SZA）和觀測天頂角（view zenith angle; VZA）的影響更大（圖2）。研究表明，熱點方向（太陽入射方向）的SIF監(jiān)測更能有效追蹤光合作用(Hao et al., 2021)，因此，在布設儀器時，觀測冠層反射光譜的光纖應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）的不同太陽高度角（VZA）和不同觀測天頂角（VZA）的SIF差異。圖片來源于(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）和總初級生產(chǎn)力（gross primary productivity; GPP）具有很強的線性關系，并且基于高光譜技術，還可以同時獲得光化學植被指數(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已經(jīng)實現(xiàn)SIF的全天候自動化觀測，輸出高時間分辨率的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)測的無源遙感平臺，可以實現(xiàn)區(qū)域乃至全球的SIF反演，目前，SIF衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要來自歐洲的METOP、日本的GOSAT及美國的OCO-2這3個衛(wèi)星，分別配備了GOME-2、TANSO-FTS和OCO-2這3種傳感器，可以作為全球植被光合作用監(jiān)測和全球碳匯估測的有效數(shù)據(jù)源。但星載平臺的限制非常明顯，首先，SIF信號在長波和反射輻射中非常弱，還會受到光照條件、植被結構、背景反射和大氣效應等的影響，這大大降低了衛(wèi)星SIF產(chǎn)品的精度；其次，全球陸地空間極不均質(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)測空間不連續(xù)（Bandopadhyay et al., 2020）；然后，衛(wèi)星雖然可以長時間連續(xù)觀測，但重訪周期過長，時間分辨率較低。因此，衛(wèi)星SIF產(chǎn)品與地面SIF數(shù)據(jù)存在空間及時間不匹配，需要進一步的研究以做驗證和擴展。

不同尺度葉綠素熒光研究都至關重要，雖然SIF隨著觀測尺度的增大，觀測精度在不斷降低，但不同尺度上葉綠素熒光監(jiān)測仍存在各自的優(yōu)勢與探究價值，如圖3所示。

目前，衛(wèi)星SIF產(chǎn)品的數(shù)據(jù)真實性對全球碳匯的準確估測至關重要，這需要不斷推動冠層尺度的SIF監(jiān)測研究，加快完善站點間SIF觀測網(wǎng)絡。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），可以實現(xiàn)對冠層尺度的SIF的準確連續(xù)的監(jiān)測。儀器配備高分辨率和高信噪比的光譜儀和無線網(wǎng)絡模塊，可實現(xiàn)地物光譜反射率的自動測量、聯(lián)網(wǎng)自動上傳以及基于云平臺的測量數(shù)據(jù)與反演參數(shù)可視化，實時、準確、高效地監(jiān)控野外測量數(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)光譜儀及野外觀測現(xiàn)場（該儀器由北京星視圖公司自主研發(fā)）

參考文獻：

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