好文推荐｜全球尺度叶绿素荧光模型发展与应用

原创邱博，张永光等遥感学报 2021-09-20

遥感人的成长家园

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主题词

BEPS模型， SIF，GPP，多次散射，全球尺度，生态系统模型

图片来源于FLEX mission

植物通过光合作用在单位时间内所固定有机碳的量为植被总初级生产力(GPP)，它是联系陆地碳循环与大气碳库的重要纽带，在整个陆地生态系统碳循环中起到至关重要的作用。那么，如何利用叶绿素荧光遥感估算陆地生态系统GPP呢？

南京大学国际地球系统科学研究所在叶绿素荧光领域取得重要进展，并发表论文“Simulating emission and scattering of solar-induced chlorophyll fluorescence at far-red band in global vegetation with different canopy structures”。该研究发展了全球尺度日光诱导叶绿素荧光遥感模型BEPS-SIF，考虑冠层内的多次散射效应，实现全球尺度SIF模拟。

研究背景和意义

准确模拟陆地生态系统碳循环过程是全球变化研究中重要的前沿领域之一，近年发展起来的叶绿素荧光遥感为研究陆地生态系统对于气候变化的响应提供了新的思路和方法。

植被叶绿素荧光与光合作用密切相关，能直接反映实际光合作用的状态，但是如何充分、有效利用这一新的遥感资料评估并提高陆面过程模式对于碳循环的模拟能力，仍然是目前亟待解决的问题之一。

该研究提供了一种高效的荧光模拟方法，并揭示冠层结构对不同的尺度SIF-GPP关系的影响，对于如何利用全球SIF降低陆地碳循环模拟的不确定性，预测生态系统对全球变化响应等具有重要意义。

主要结论

(1) 该研究构建了适用于全球尺度不同生态系统类型的荧光多次散射模拟方法，发展了综合考虑发射、吸收和散射过程的冠层荧光计算方案并与陆面模式耦合，满足于全球尺度叶绿素荧光的高效模拟。新BEPS-SIF模型较好地模拟了叶绿素荧光的时空分布特征。

(2) 利用BEPS-SIF模型，发现叶片尺度激发的叶绿素荧光与光合作用关系更紧密，进一步建立了将观测的冠层方向性荧光转换成叶片总激发荧光的方法，显著提高森林等冠层结构复杂生态系统叶绿素荧光与光合作用的关系。

研究方法

数据

站点SIF观测数据

OCO-2 SIF

BEPS-SIF模型

研究植被冠层叶绿素荧光贡献及其在不同时间尺度上与光合作用的关系，以BEPS模式为基础，构建适用于光合作用过程的叶绿素荧光模型；研究适用于不同生态系统类型的荧光多次散射模拟方法，发展综合考虑发射、吸收和散射过程的冠层荧光计算方案，建立具有较高计算效率的叶绿素荧光模型并耦合到BEPS模型中。图1为在BEPS模型中耦合SIF的流程图。

图1 在BEPS模型中耦合SIF的流程图

研究结果

(1) BEPS-SIF模型验证

利用美国Harvard(森林)，中国锡林浩特(草地)和句容(水稻)三个站点验证模型的模拟效果(图2)，BEPS-SIF模拟的三个站点SIF与观测值的R2在0.77-0.85之间，表明BEPS-SIF模型可以较好的模拟出不同站点SIF的季节变化特征。

图2 美国Harvard(a)，中国锡林浩特(b)和句容(c)三个站点观测与模拟的日平均SIF时间序列

在全球尺度上，与OCO-2卫星资料相比，BEPS-SIF模型可以较好的再现SIF的全球分布特征(图3)。

图3 观测(a)和模拟(b)叶绿素荧光的空间分布

(2) 冠层结构对于SIF-GPP关系的影响

利用BEPS-SIF模型进一步检验了叶片和冠层尺度的荧光与GPP之间的关系，结果表明叶片尺度的荧光与GPP的关系更好(图4)，在冠层结构较为复杂的地区相关关系提高较多，在植被稀疏地区提高较小。

图4 BEPS-SIF模型模拟(a)全球尺度观冠层SIF和GPP的R2分布图; (b)冠层SIF emission与GPP的R2提高精度

论文标题

Simulating emission and scattering of solar-induced chlorophyll fluorescence at far-red band in global vegetation with different canopy structures

发表期刊

Remote Sensing of Environment

论文全文链接

https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.111373

第一作者

邱博，南京大学国际地球系统科学研究所，助理研究员，研究方向为陆—气相互作用，陆面过程模式以及叶绿素荧光模型。E-mail: qiubo@nju.edu.cn

团队介绍

张永光，教授、博士生导师，南京大学国际地球系统科学研究所副所长。研究方向为植被叶绿素荧光遥感、陆地生态系统生产力模拟及碳循环。课题组工作主要包括：植被定量遥感、叶绿素荧光遥感，光合作用及叶绿素荧光模型、碳循环、全球变化生态学等。E-mail：yongguang_zhang@nju.edu.cn

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