Remote Sensing |水密码破解之光-太阳诱导荧光

植物的蒸腾作用

植物的蒸腾作用主导着全球陆地蒸发通量，是陆地上水文循环的核心要素之一[1]。绿色植物通过蒸腾作用提高大气湿度、增加降水，并参与生物圈的水循环；同时，绿色植物通过根部从土壤中吸收水分，绝大部分水分又通过蒸腾作用散失了，这一过程促进了生物圈中水循环的进行。蒸腾作用能够对气候的物理环境做出调节，在全球水文学和气候学中发挥着不可替代的作用。因此，对于蒸腾作用的建模研究具有重大而深远的意义。

图片来源：腾讯网

太阳诱导的叶绿素荧光

Solar-Induced Fluorescence

在太阳辐射的作用下，一小部分光被叶绿素色素吸收后，会在红外和近红外光谱区域重新发出微弱的能量，这种发射被称为太阳诱导的叶绿素荧光(Solar-Induced Fluorescence, SIF)[2,3]。SIF通过整合复杂的植物生理功能，可以实时反映光合作用的强度。近年来，全球SIF的星载数据集已经被广泛应用于监测作物的光合作用强度和初级总产值(Gross Primary Production, GPP)，预估表面湍流通量，以及改善陆地表面模型(Land Surface Model，LSM)对光合作用的估计的准确性。由于通过蒸腾作用而损失的水分和通过光合作用吸收的碳都是通过气孔同步进行的，并且对相似的环境驱动因素十分敏感。因此，人们尝试通过SIF来评估环境压力对蒸腾作用影响的潜力大小。

预期的太阳诱导的荧光与光合作用有效辐射之间的能量平衡

研究过程

Solar-Induced Fluorescence

根特大学水文与水管理实验室的Brianna R. Pagán博士及其科研团队在Remote Sensing发表了一篇研究论文（识别文末二维码即可获取英文原文），其目的是通过全球SIF的星载数据集来估计全球蒸腾量的潜力。在这项研究中，研究人员探索了基于卫星的太阳诱导叶绿素荧光(SIF)来估算蒸腾作用的潜力。他们提出了将SIF观测值用于估计蒸腾效率(τ)的一种新颖应用，通俗的来讲，可以理解为蒸腾(T)与潜在蒸发(Ep)之间的比率(SIF/PAR)(Photosynthetically-Active Radiation, PAR)。

通过从欧洲气象卫星应用组织(European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT)的气象卫星(MetOp-A)上的全球臭氧监测实验2(GOME-2)中获取了2007年至2014年的SIF观测值，并将其与eartH2Observe数据库[4]中的几种LSM估算出的蒸发应力进行了比较，由FLUXNET2015涡度-协方差存档数据计算得出的蒸发应力的验证结果表明，除缺水地区以外，基于SIF的应力指数均优于大多数地区LSM的评估，来自全球七个生物群落的25个eddy-covariance sites已验证了SIF相对于传统LSMs中蒸腾表征的优势。

为了进一步评估不同季节SIF/PAR对蒸腾作用的潜力，研究人员采用时间序列法分析了三个通量塔(落叶阔叶林、农田和草原)对季节性τ的捕获能力。研究结果表明，SIF卫星观测能够精确估算全球植被光合生产力，结合同步反演的大气二氧化碳浓度数据，二者协同将能在极大程度上提升全球碳源观测能力，可潜在地用于限制陆地表面模型中的蒸腾量估算[5]。同时，SIF/PAR结合了大气对水需求的物候和生理约束，不仅能够捕获水分胁迫和叶面积变化，而且可捕获多种环境胁迫因素对蒸腾作用的影响。在不同季节，植物的叶面积指数也相应地呈动态变化，SIF/PAR能够准确地捕获蒸腾效率的时间点，从而有效地评估干旱的时期。总体而言，SIF/PAR在无需进行复杂的参数设置条件下，就能够成功捕获了物候变化和环境压力对蒸腾作用的影响。

研究结果

Solar-Induced Fluorescence

最后，根据不同物候的生长时期和生理条件的限制，制作了一般植被活动预期的全球平均季节分布图，显示了模型整体在2007–2014年间的季节性平均值τ。尽管模型集合在缺水地区显示出明显较低的估计值，但总体空间格局与SIF/PAR一致。因此，人们有望通过这种创新的SIF应用来分析不同环境压力因素对蒸腾作用的影响，从而进一步了解来自不同生态系统类型的陆地-大气反馈。

2007–2014年的季节性平均值τ

参考文献：

1. Wei, Z.; Yoshimura, K.; Wang, L.; Miralles, D.G.; Jasechko, S.; Lee, X. Revisiting the contribution of transpiration to global terrestrial evapotranspiration. Geophys. Res. Lett. 2017, 44, 2792–2801.

2. Baker, N.R. Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo. Annu. Rev. Plant Biol. 2008, 59, 89–113.

3. Papageorgiou, G. Chlorophyll fluorescence: An intrinsic probe of photosynthesis. Bioenerg. Photosynth. 1975, 319–371.

4. Schellekens, J.; Dutra, E.; Martínez-de la Torre, A.; Balsamo, G.; van Dijk, A.; Weiland, F.S.; Minvielle, M.; Calvet, J.-C.; Decharme, B.; Eisner, S. A global water resources ensemble of hydrological models: The eartH2Observe Tier-1 dataset. Earth Syst. Sci. Data 2017, 9, 389.

5. Rigden, A.J.; Salvucci, G.D.; Entekhabi, D.; Short Gianotti, D.J. Partitioning Evapotranspiration Over the Continental United States Using Weather Station Data. Geophys. Res. Lett. 2018, 45, 9605–9613.

Remote Sensing (ISSN 2072-4292; IF:4.118) 是一个与遥感学科相关的国际型开放获取期刊。其期刊范围涵盖遥感科学所有领域，从传感器的设计、验证和校准，到遥感在地球科学、环境生态、土木建筑等各方面的广泛应用。Remote Sensing采取单盲同行评审，一审周期约为19天，文章从接收到发表仅需2.9天。

长按识别二维码

即可阅读英文原文

原文出Remote Sensing 期刊

Pagán, B.R.; Maes, W.H.; Gentine, P.; Martens, B.; Miralles, D.G. Exploring the Potential of Satellite Solar-Induced Fluorescence to Constrain Global Transpiration Estimates. Remote Sens. 2019, 11, 413.

往期回顾：

版权声明：

*翻译作者：Nancy Yang

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责翻译，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：

[e-mail]

点击左下方“阅读原文”，了解Remote Sensing期刊更多内容。

喜欢今天的内容？不如点个“在看”吧！