太阳诱导叶绿素荧光与植被光合作用的关系及影响机制研究

Gross primary production (GPP) through photosynthesis by terrestrial ecosystems constitutes the largest global land carbon flux. Remote sensing (RS) offers a unique possibility to investigate GPP in a spatially explicit fashion; however, budgeting of terrestrial carbon cycles based on this approach still remains uncertain. In the photosynthesis process, visible solar energy absorbed by chlorophyll can either be used for carbon fixation, be dissipated into heat, or be reemitted via fluorescence at longer wavelengths. Solar-induced chlorophyll fluorescence offers a more direct measure of photosynthetic activity. It is now technically possible to detect the solar-induced chlorophyll fluorescence using accurate equipment with a high spectral resolution, however, the relationship between solar-induced chlorophyll fluorescence and photosynthesis and what factors and how influence their relationship are not clear. This project will focus on the relationship between the solar-induced chlorophyll fluorescence and photosynthesis of crops and grasses from leaf to canopy as a function of environmental conditions in wheat, bean, corn and grass ecosystems. We also will explore the differences of this relationship in such crop and grass plants. Based on our field results, we will build fluorescence-photosynthesis models and scale them from leaf to canopy level. The recent advent of very high spectral resolution measurements by the Fourier Transform Spectrometer (FTS) on board the Greenhouse gases Observing SATtellite (GOAST) platform has made possible the retrieval of sun-induced terrestrial chlorophyll fluorescence on a global scale. Thus, we used the first available sun-induced terrestrial chlorophyll fluorescence products to simulate the regional GPP based on our fluorescence-photosynthesis models. This project will provide high important science basis for GPP estimates by solar-induced chlorophyll fluorescence remotely, and will be a step-change in carbon cycle research and enable an unprecedented robustness in the understanding of the current and future carbon cycle.

总初级生产力（GPP）是陆地生态系统碳循环的最大碳通量，同时也是反映植被健康和资源利用状况的主要指标。目前遥感手段是实时快速监测GPP变化的主要手段，但是还存在很大的不确定性。在光合作用过程中，吸收的光能用于进行光合作用、热耗散和释放荧光，因此太阳诱导叶绿素荧光成了估算区域GPP更直接的手段。随着光谱仪的发展，通过被动遥感利用夫琅禾费暗线提取太阳诱导叶绿素荧光已经变成现实，但是光合作用和太阳诱导叶绿素荧光的关系及影响机制还不明确。本项目以小麦/大豆/玉米农田和草地生态系统为研究对象，探索冠层尺度上太阳诱导叶绿素荧光和光合作用的关系及影响机制，并根据试验结果构建荧光-光合模型，利用卫星 GOSAT 高光谱数据提取太阳诱导叶绿素荧光进行区域GPP 估算。旨在为目前正在发展的被动遥感太阳诱导叶绿素监测植被光合作用提供理论依据，促进卫星监测碳循环技术的发展，更好理解当前和未来的碳循环。

总初级生产力（GPP）是绿色植物通过光合作用途径所固定的光合产物量或有机碳总量的重要参数，反映植被对碳循环的固定作用。当前，GPP的计算仍然存在很大的不确定性。遥感具有实时快速的特点，随着遥感技术的发展，用遥感手段估算 GPP 成了当前碳循环的主要手段。叶绿素荧光能实时反映植被光合作用状态，被誉为探测光合作用的理想“探针”。随着遥感技术和高光谱技术的发展，通过卫星被动遥感提取太阳诱导叶绿素荧光已经变成现实，但是在实际中光合作用和太阳诱导叶绿素荧光的关系及影响机制还不明确。本研究通过站点观测和模型模拟建立叶片尺度和冠层尺度上太阳诱导绿叶素荧光和光合作用参数的关系及影响机制。同时利用BEPS模拟2010年的全球初级生产力，利用GOME-2提取被动太阳诱导叶绿素荧光分布图，对比区域尺度上初级生产力和太阳诱导叶绿素荧光的关系，得出以下结论：（1）从站点水平看，不同植被类型包括C3和C4植被，太阳诱导叶绿素荧光和初级生产力在冠层尺度的线性关系优于叶片尺度。在叶片尺度上随着太阳诱导叶绿素荧光的增加，初级生产力存在饱和现象。（2）从区域水平看，太阳诱导叶绿素荧光主要和阳叶的初级生产力相关性更好，全球初级生产力总量的贡献也主要是由阳叶贡献。在站点上，由于试验条件的限制，叶片尺度和冠层尺度上太阳诱导叶绿素荧光和初级生产力的关系在相同植被类型还存在很大的差别的原因目前还不是很清楚，需要进一步的深入研究。其次，太阳诱导绿叶素荧光提取需要非常高的光谱分辨率，而在研究期间，由于地面高光谱仪分辨率的限制及，相关太阳诱导荧光提取的卫星数据的空间分辨率还很低（0.5-0.05度），因此，这些研制给研究也增加了一定的难度。随着地面高光谱仪的发展及太空高光谱搭载卫星技术的发展（OCO-2的发射），太阳诱导叶绿素荧光和光合作用的关系及影响机制将会被更好的探索。