实验室基于连续观测的2017年商丘试验站玉米完整生长季的光谱数据反演的SIF数据,结合同步测量的通量、辐射与气象数据,探讨了植被物候对SIF-GPP和SIFyield-LUE的影响。相关论文被遥感科学领域顶级期刊《Remote Sensing of Environment》接收,第一作者为课题组硕士生李朝辉。

1 一个观测循环得到的太阳入射辐照度 、冠层反射辐亮度以及表观反射率

以往关于SIF与GPP之间的联系研究主要是基于SIF同时包含了辐射信息APAR和植被生理生化信息LUE这一假设。一些基于地面观测的研究显示了SIF-APAR,GPP-APAR以及SIFyield-LUE之间均有着显著的相关性。然而,最近一些基于近地面观测和模型模拟的研究表明植被冠层结构对于SIF信号以及SIFyield有较强的影响。因此,引起了关于SIF-GPP之间的强相关关系是否只由APAR驱动还是APAR与LUE共同的作用的争论。


此外,目前关于在不同植被生长阶段下SIF-GPP关系的研究仍然有限,尤其是对于C4植物来说。C4植物是由C3植物进化而来。由于C4植物对于强光照、高温以及水分胁迫有着更强的适应性,因此比C3植物有更高的物质利用效率以及生产潜能。玉米是一种典型的C4植物,并且随着玉米生长阶段变化其冠层结构变化显著。玉米冠层结构(比如LAI和叶倾角)会影响源自叶片的SIF信号在冠层内部的辐射传输过程,从而影响传感器接收到的SIF信号。因此,有必要对于玉米不同生长阶段下冠层尺度的SIF-GPP关系及其影响因素进行研究。


首先,本研究基于近地面日光诱导叶绿素荧光SIF和涡度相关系统观测数据,分析了玉米(C4植物)的远红外波段的荧光SIF描述植被总初级生产力GPP,植物吸收光合有效辐射APAR的日变化和季节变化的潜力。研究结果表明,SIF可以很好地描述GPP和APAR的日变化和季节变化,且效果比植被指数更好。在半小时尺度,SIF能够解释67%的GPP变化,而在天尺度则能够解释80%。相比于GPP,SIF能够解释77%的APAR变化。在不同天气条件下,SIF和GPP之间均呈显著相关性,且阴天下的相关性比晴天下更高。比如在日平均尺度上,阴天条件下SIF能够解释79%的GPP变化而晴天条件下则只能解释63%的GPP变化。

2 在半小时和日平均尺度不同天气条件下的SIFGPP关系

研究进一步分析了植被物候对于SIF-GPP之间强相关关系的影响。研究分析了SIF和GPP在玉米的三个生长阶段:营养生长期(vegetative stage)、生殖生长期(reproductive stage)和成熟期(ripening stage)下的相关性。结果表明,在半小时和日平均尺度下,三个生长阶段的SIF和GPP均有着显著的正相关关系,但是SIF-GPP线性回归模型的斜率值间却有着显著的差异。线性回归模型的斜率值随着生长阶段变化而逐渐增大。这表明SIF-GPP之间关系会随着玉米生长阶段变化而变化。环境因素和植被物候的共同影响可能是导致该变化的原因。

3不同生长阶段下SIFGPP关系

此外,研究进一步深入探讨了植被冠层结构对于荧光量子效率SIFyield和植被光能利用率LUE之间关系的影响。SIFyield和LUE在三个单独的生长阶段均显示出明显的离散性,且对冠层结构有相似的反应,即总体上随着MTVI2增大而增大。但是在季节尺度上LUE-SIFyield之间却有着显著的正相关关系(半小时尺度:R2=0.26;日平均尺度:R2=0.46)。利用MTVI2消除植被冠层结构对于SIFyield的影响(称为rSIFyield),研究发现rSIFyield和LUE的相关性显著下降(半小时尺度:R2=0.03;日平均尺度:R2=0.04)。该结果说明冠层结构对于SIFyield-LUE之间的关系有较大的影响。总之,在将冠层SIF用于描述植物生理状态指标时,有必要考虑植被冠层结构因子的作用。

4 不同生长阶段SIFyield-LUE的关系

5 冠层结构对于SIFyield-LUE关系的影响