农田生产力遥感估算模型的开发以及关键光合参数的观测方法

The vegetation gross primary productivity (GPP) is the important component of the carbon cycle in terrestrial ecosystems. The estimation of GPP in cropland ecosystems is the important precondition of the calculation of net primary productivity (NPP) and net ecosystem productivity (NEP). It also has the significance in the carbon cycle research of global terrestrial ecosystems. The vegetation photosynthesis model is the important subroutine in the carbon budget model of ecosystem. The understanding of the response mechanism of leaf maximum carboxylation rate (Vcmax) to the multiple factors and the establishment of the response model reflecting the multiple effects are helpful to accurately simulate the productivity and carbon budget of ecosystems. This proposed research is to take the typical crop (paddy rice) in China as the study objective. Based on the measured air temperature, soil water content, soil temperature, leaf nitrogen content and the leaf Vcmax in different phenological stages, hourly remote sensing process-based model will be used to estimate the seasonal variation of vegetation physiology parameters from the eco-physiological perspectives. Finally, the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis meteorology data and the remote sensed leaf area index (LAI) and clumping index data will be used to drive the Boreal Ecosystem Productivity Simulator (BEPS) to simulate the GPP and NPP of the crop ecosystems in Jiangsu province.

植被总初级生产力（GPP）是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。农田生态系统GPP的估算是计算农田生态系统净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）的重要前提，它对全球陆地生态系统碳循环的研究具有重要意义。植物光合模型是生态系统碳收支模型的重要子模块，弄清植物叶片最大羧化速率对多因子协同作用的响应机理，建立综合反映多因子协同作用的响应模型，有助于准确模拟生态系统生产力和碳收支。本项目拟以中国代表性的农作物水稻为研究对象，基于野外田间实测的不同生长发育期的气温，土壤含水量，土壤温度，植物叶氮含量和叶片最大羧化速率的观测数据，结合小时步长的遥感过程模型，从生理生态机理的角度描述植被生理参数的季节变化；最后利用美国国家环境预测中心（NCEP）的再分析气象数据以及遥感方法得到的叶面积指数和叶片集聚指数驱动遥感过程模型，估算江苏省农田生态系统的GPP和NPP。

本研究以江苏省句容市后白镇后白良种场的水稻田以及南京信息工程大学的玉米水分控制实验田为研究对象，通过连续2个生长季的季节变化观测，模型模拟，统计方法等研究水稻和玉米叶片生理生化参数、冠层结构参数、荧光动力学参数以及光化学反射率指数（PRI）的日间和季节变化规律。目标是确定水稻和玉米叶片生理生化参数的季节变化规律，以及叶片叶绿素含量和PRI与叶片光合能力的关系，探讨PRI和叶片非光化学淬灭（NPQ）对玉米早期水分胁迫的指示作用。本研究的主要结论是：（1）水稻的叶片叶绿素含量与Vcmax25 和 Jmax25高度相关（R2分别是0.89和0.87），且比Vcmax25 和 Jmax25与叶氮含量的相关性（R2分别是0.80和0.85）要高；（2）叶片的PRI和叶片色素含量（比如叶片类胡萝卜素和叶黄素含量）的组合可以作为估算叶片光合能力（Vcmax25）的一种补充。这些组合与Vcmax25的相关性被证明比只有叶片色素含量或只有晴天中午的PRI时更好；（3）从完全灌溉到中度水分胁迫，再到严重水分胁迫（约20–30% 田间持水量），荧光量子产率（ΦF）显著降低；（4）在40%的田间持水量时，ΦF与光化学反应的量子产率（ΦP）的比值随着水分胁迫的增加而减少，表明严重干旱影响ΦP的比例高于ΦF。叶绿素荧光在极端干旱的情况下不能指示植物叶片内的光合速率；（5）利用遥感技术获取冠层PRI来探测植物的水分胁迫状况是一个有效手段，且NPQ可作为探测植物水分胁迫的辅助参数。本研究将有助于对生态系统过程模型的关键光合参数的进行优化，更好地模拟农田光合作用速率的季节变化以及对环境胁迫的响应。