日光诱导叶绿素荧光快问简答

日光诱导叶绿素荧光快问简答

一、问：SIF是什么？为什么说SIF是光合作用的探针？

答：SIF全称“日光诱导叶绿素荧光（Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence）”，是指在自然界的太阳光照射下，植被叶绿体吸收光合有效辐射发射出的一种波长位于650 - 800nm的荧光。

当太阳光照射在植被表面时，会发生反射、透射和被叶片吸收三种途径，而叶片吸收光和有效辐射后，所获得的能量并不是都用于光合作用，还会以荧光和热耗散的形式释放能量，三种能量释放方式相互竞争，任何一种能量发生改变都会导致其它两种能量的变化。因此，SIF的强弱与光合作用能力有关，SIF也称为光合作用的探针。

二、问：SIF和GPP具有高度相关性，能否介绍一下

答：自Frankenberg （2011）利用GOSAT在全球尺度实现了SIF的反演，发现了SIF-GPP 之间呈现显著的线性相关关系以来，大量研究也表明SIF与叶片尺度、植株尺度、冠层尺度和生态系统尺度的GPP具有高度相关。但SIF-GPP的线性关系不是一直存在的，观测的冠层SIF受生态系统类型、观测几何（太阳－传感器－目标角度）、冠层结构、观测到的阴叶与阳叶比例以及极端气候事件（如热浪）的影响，导致SIF-GPP的线性关系随生态系统类型、时间尺度和天空状况（晴天或多云）变化。

三、问：LAI和NDVI与GPP也有好的相关性，还要SIF监测吗？

答：需要，SIF-GPP 之间的相关关系要优于 NDVI等植被指数与GPP之间的关系，SIF的优势在于可以探测到植被表观性状无法反映的光合作用变化，如在常绿植被中，LAI和NDVI植被指数就无法很好的反映GPP。除此以外，在落叶树种中，SIF也具有很大的优势：

SIF、NDVI和GPP标准化后的月平均变化（Jeong et al., 2017）

可以看到NDVI植被指数与GPP相比，在春季和秋季分别出现提前和滞后，因为生长季初期，植被叶片展叶和生长时，光合作用还未发生或相对较弱，而秋季时，光合作用在叶片展现出衰老前就减弱或停止了，这也是SIF可以应用于监测植被胁迫的原因。

四、问：SIF值有大小之分吗（能表达光合强度吗）？单位是什么？

答：SIF值有大小，是有物理意义的能量的数值，不是比值（区别于反射率）。光入射到植被后除去反射和透射外，剩下的被叶片吸收的光能有三种去向：光化学作用、SIF和热耗散。三者均为能量释放的方式且相互竞争，因此SIF值虽然不能直接表达光合作用强度，但和光合作用强度高度相关，通过SIF值可以了解光合作用强度。SIF的单位为w/m2/nm/sr  (即每立体角每纳米每平方米上的能量值）。

SIF（红）与GPP（蓝）和APAR（紫）的月平均日变化（Yang et al., 2015）

五、问：热耗散怎么估算？

答：热耗散也就是非光化学猝灭，是植被在高光强环境下对叶片的保护机制，当热耗散增加时，可能会增强植被蒸腾及蒸散。目前，冠层尺度的热耗散的量化还存在困难，但热耗散可以通过光化学植被指数（PRI）进行指示。热耗散是叶黄素从环氧化状态转变为脱环氧化状态导致的结果，而这种色素形态的变化会导致531nm处反射率的下降，但对570nm处的反射率却几乎没有影响。因此，根据531nm和570nm的光谱反射计算的光化学植被指数（PRI）成了热耗散的指示因子。光能利用率越高，热耗散越少，531nm处反射率的下降越少，PRI相应越高。我们的光谱仪测量的连续光谱可以覆盖到531nm和570nm的光谱波段，因此，通过光谱仪测量冠层反射光谱与太阳入射光谱可以同时输出SIF和PRI。PRI计算如下：

式中R表示冠层反射光谱与太阳入射光谱的反射率，λ531和λ570分别表示531nm和570nm的光谱波段。

六、问：荧光这么小，能测量出来吗？

答：自然光下的SIF虽然非常小，但是可以通过观测太阳入射辐射和冠层反射辐射并采用特定的技术方法提取出来。在太阳大气和地球大气层存在某些元素，会对特定波长的太阳辐射进行强吸收，导致在地球表面上观察到的太阳光谱在连续光谱背景下有许多波段宽度为 0.1—10 nm的暗线（比较显著的暗线有Hα暗线、O2-A暗线和O2-B暗线），即夫琅禾费暗线。暗线内的太阳入射辐射骤然下降，而冠层反射辐射却因为SIF的得到一定的填充，表现为表观反射率的异常升高，因此通过暗线内外的入射和反射辐射比值，就可以提取出SIF。

我们研制的SIF监测系统观测的连续光谱图

七、问：不同植物的叶片的SIF有区别吗？新老叶片的SIF有区别吗？

答：不同植物的SIF一般是不同的。SIF是光合作用的“副产品”，它的量值主要看叶片本身的叶绿素含量及光合作用能力，同时也要看观测时具体的日照条件。新老叶片的SIF值也是这样的规律，幼嫩的叶片光合作用较弱，SIF值也较低，随着叶片生长，SIF值随着光合作用的增强而增强，但当叶片衰老时，SIF又呈下降的趋势。

八、问：叶片的正反两面的SlF有区别吗？

答：正反叶片具有不同的反射特性与表面结构，从理论上来说，应该是具有不同的SIF值，但这方面的研究还不多。

九、问：SIF观测受角度影响吗？

答：SIF受观测角度的影响，一般来说，观测热点方向（太阳辐射入射方向）的SIF值更明显，可以更好的代表GPP。除了观测角度，SIF还受到太阳入射天顶角和方位角的影响。因此，如果SIF 来系统的研究植被的光合作用能力，应该充分利用多个时相的观测数据进行分析。这样基于塔基的自动观测方式才是比较理想的选择。

十、问：树冠叶片间的遮挡影响SlF的观测效果吗？

答：影响，SIF的观测受冠层结构影响，植被异质性越高，植被冠层反演误差则越大。

十一、问：SⅠF受太阳高度角的影响吗？

答：SⅠF受太阳高度角的影响，在天中，SIF随着太阳高度角和辐射强度的变化呈现单峰型日变化。由于测定下行辐射的余弦校正器不能完全收集半球范围 （180°） 内所有太阳光谱，一般太阳高度角低于30°时，数据就会被舍弃；太阳高度角大于85°时，该数据也不能用于SIF提取，因为太阳高度角越大，就会增加下行辐照度变化较大的风险。

十二、问：晴天，阴天和多云天气对SⅠF观测的影响区别显著吗？

答：一般晴天才有，阴天多云等光线较弱的情况下比较小或者没有。阴天多云情况下观测到的SIF值一般要进行滤波处理或者舍弃后才能使用。

参考文献：

(1)Frankenberg C, Fisher JB, Worden J, et al. New global observations of the terrestrial carbon cycle from GOSAT: Patterns of plant fluorescence with gross primary productivity. Geophysical Research Letters, 2011, 38(17)

(2)Jeong SJ, Schimel D, Frankenberg C, et al. Application of satellite solar-induced chlorophyll fluorescence to understanding large-scale variations in vegetation phenology and function over northern high latitude forests. Remote Sensing of Environment, 2017, 190: 178-187.

(3)Yang X, Tang J, Mustard JF, et al. Solar-induced chlorophyll fluorescence that correlates with canopy photosynthesis on diurnal and seasonal scales in a temperate deciduous forest. Geophysical Research Letters, 2015, 42(8): 2977-2987.