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遥感学报 2020年第8期24卷 945-957页

作者：詹春晖章钊颖张永光南京大学国际地球系统科学研究所南京210023 南京大学地理与海洋科学学院南京210023 自然资源部国土卫星遥感应用重点实验室南京210023 江苏省软件新技术与产业化协同创新中心南京210023

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指示植被光合作用过程的无损探针,在不同时空尺度上对植被进行SIF的观测可以反映植被的实际光合作用及生理状态。然而在观测、分析和利用SIF的过程中,仍存在很多不确定因素。SIF的发生具有较为复杂的机理,从... 详细信息

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指示植被光合作用过程的无损探针,在不同时空尺度上对植被进行SIF的观测可以反映植被的实际光合作用及生理状态。然而在观测、分析和利用SIF的过程中,仍存在很多不确定因素。SIF的发生具有较为复杂的机理,从机理出发理解SIF与植被结构的相互作用,并分析影响SIF激发的主要因素将有助于更好地理解SIF与光合作用以及生物量的内在联系。因此,植被SIF辐射传输模型在解释和利用SIF遥感信号方面具有重要的作用。植被SIF信号相对较弱,且受环境、植被和生理等多种因子的影响,需要定量化描述,这为SIF辐射传输模型的构建带来挑战。近年来,大量学者已经发展一系列SIF辐射传输模型,为SIF遥感的发展提供了坚实的理论基础。本文回顾了叶片、冠层和生态系统尺度的SIF模型,从建模机理出发,对比模型优劣势,并对未来SIF模型的发展前景进行了展望。

关键词：日光诱导叶绿素荧光叶绿素荧光模型辐射传输模型植被结构多次散射

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VIP模型的叶绿素荧光方案研发及作物旱灾损失评估

VIP模型的叶绿素荧光方案研发及作物旱灾损失评估

引用

作者：陈学娟中国科学院大学

学位级别：博士

干旱导致作物生产力下降，实时监测和评估干旱造成的作物生产力损失，对于农业管理、粮食安全具有重要意义。叶绿素荧光与光合作用密切相关，且对水分胁迫敏感，卫星遥感日光诱导叶绿素荧光(SIF)从生理学角度提供了对实际环境条件下植... 详细信息

干旱导致作物生产力下降，实时监测和评估干旱造成的作物生产力损失，对于农业管理、粮食安全具有重要意义。叶绿素荧光与光合作用密切相关，且对水分胁迫敏感，卫星遥感日光诱导叶绿素荧光(SIF)从生理学角度提供了对实际环境条件下植被总初级生产力(GPP)的直接观测。但遥感SIF仅能监测干旱和生产力的时空动态，需结合无干旱胁迫下的潜在SIF才能评估干旱造成的生产力损失。因此，本研究基于生态水文动力模型VIP(Vegetation Interface Processes)以及叶绿素荧光与光合作用之间的理论关系，开发了区域叶绿素荧光模型(VIP-SIF)，模拟区域荧光并开展生产力损失评估。具体研究内容包括以下几个方面，以华北平原夏玉米为研究对象，首先识别了近十年来的典型干旱事件，并分析了遥感SIF数据(GOME-2SIF)检测和监测干旱的能力;其次，基于室内实验分析了中低等光照条件下关键叶绿素荧光参数对水分胁迫的响应，探究了叶绿素荧光产额与光化学产额之间的关系;根据荧光与光合作用的理论关系，将叶片尺度的荧光算法耦合到VIP模型中，经过时空尺度扩展，构建了区域叶绿素荧光模型(VIP-SIF);最后，结合遥感SIF数据和VIP-SIF模型评估了夏玉米生长季典型干旱事件造成的生产力损失。研究目标旨在利用叶绿素荧光模型与遥感数据实时、高效、准确地监测和评估干旱造成的作物生产力损失。\n 本论文的主要结果及结论如下:\n (1)2014年华北平原夏玉米生长季发生较严重干旱，标准化降水蒸发指数(SPEI)，降水(PPT)和土壤湿度(SM)显著下降，GOME-2SIF以及SIF产额(SIFyield)也表现出相应下降，表明卫星遥感叶绿素荧光数据具有捕捉干旱时空动态的能力。此次干旱事件中7月份SIF低于多年平均水平9.0％，8月份SIF低于多年平均水平11.9％，而归一化差值植被指数(NDVI)在7月份和8月份的距平分别为-4.8％和-3.5％，陆表水分指数(LSWI)相应的距平分别为-8.2％和-4.9％，表明SIF相比植被指数对干旱胁迫更敏感。\n (2)水分胁迫对作物光合生理具有显著影响。在中低等光照条件下，水分胁迫造成夏玉米叶片光化学产额(P yield)下降，而稳态叶绿素荧光产额(Fs yield)与非光化学淬灭产额(NPQ yield)增加。光照强度和水分条件影响光能在热散失、叶绿素荧光与光化学反应之间的分配。无水分胁迫时，夏玉米叶片叶绿素荧光产额与光化学产额在中低等光照条件下表现为负相关，与非光化学淬灭产额的变化无关。而水分胁迫时，叶绿素荧光产额与光化学产额在低光照条件下(PAR＜450μmol m-2s-1)为负相关，在中等光照条件下(450μmol m-2s-1＜PAR＜700μmol m-2s-1)为正相关;结合非光化学淬灭(NPQ)产额分析发现，当NPQ产额低于0.58时，叶绿素荧光产额与光化学产额负相关，而NPQ产额高于0.58时，二者为正相关。因此，中低等光照条件下光化学产额与叶绿素荧光产额之间并非简单的正相关或负相关关系，二者之间的关系取决于光照强度和水分条件。\n (3)基于叶绿素荧光与光合作用的理论关系，将荧光算法耦合到VIP模型中，开发了区域叶绿素荧光模型(VIP-SIF)，可用于模拟叶绿素荧光的时空动态。针对华北平原夏玉米分析发现，叶片荧光到冠层荧光的尺度转换受到叶面积指数(LAI)的影响，采用LAI刻画了叶片荧光到冠层荧光的尺度转换关系。在区域模拟中，考虑了关键光合生理参数-最大羧化速率（Vcmax25）的时空分异性，以基于陆地叶绿素指数(MTCI)反演的时空动态的Vcmax25作为模型的输入。对于模拟的叶片荧光，利用田间观测的叶片荧光进行验证，发现模拟值与观测值的决定系数为0.9143(P＜0.001)。在区域尺度和格点尺度上分别采用GOME-2SIF和TanSat SIF对模拟的SIF进行验证，均具有较好的一致性，决定系数分别为0.8886(n=48，P＜0.001)和0.3518(n=1807，P＜0.001)。因此，本研究开发的VIP-SIF模型具有可靠的精度，可用于区域荧光模拟。\n (4)不考虑水分胁迫对Vcmax25的影响，采用VIP-SIF模型模拟得到2000-2018年平均夏玉米潜在GPP与SIF分别为1273g C m-2和1.19Wm-2μm-1sr-1，考虑水分胁迫的影响，模拟得到的实际GPP和SIF分别为1220g C m-2和1.12W m-2μm-1sr-1，则干旱造成的多年平均夏玉米生产力损失(△GPP)和荧光损失(ΔSIF)分别为53g C m-2和0.07W m-2μm-1sr-1。分析发现ΔGPP与ΔSIF具有显著的线性正相关关系，基于该关系，以遥感SI

关键词：华北平原夏玉米干旱灾害损失评估叶绿素荧光模型

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