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日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒饪靻?wèn)簡(jiǎn)答

一、問(wèn)：SIF是什么？為什么說(shuō)SIF是光合作用的探針？

答：SIF全稱(chēng)“日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿un/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence）”，是指在自然界的太陽(yáng)光照射下，植被葉綠體吸收光合有效輻射發(fā)射出的一種波長(zhǎng)位于650 - 800nm的熒光。

當(dāng)太陽(yáng)光照射在植被表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、透射和被葉片吸收三種途徑，而葉片吸收光和有效輻射后，所獲得的能量并不是都用于光合作用，還會(huì)以熒光和熱耗散的形式釋放能量，三種能量釋放方式相互競(jìng)爭(zhēng)，任何一種能量發(fā)生改變都會(huì)導(dǎo)致其它兩種能量的變化。因此，SIF的強(qiáng)弱與光合作用能力有關(guān)，SIF也稱(chēng)為光合作用的探針。

二、問(wèn)：SIF和GPP具有高度相關(guān)性，能否介紹一下

答：自Frankenberg （2011）利用GOSAT在尺度實(shí)現(xiàn)了SIF的反演，發(fā)現(xiàn)了SIF-GPP 之間呈現(xiàn)顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系以來(lái)，大量研究也表明SIF與葉片尺度、植株尺度、冠層尺度和生態(tài)系統(tǒng)尺度的GPP具有高度相關(guān)。但SIF-GPP的線(xiàn)性關(guān)系不是一直存在的，觀(guān)測(cè)的冠層SIF受生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型、觀(guān)測(cè)幾何（太陽(yáng)－傳感器－目標(biāo)角度）、冠層結(jié)構(gòu)、觀(guān)測(cè)到的陰葉與陽(yáng)葉比例以及氣候事件（如熱浪）的影響，導(dǎo)致SIF-GPP的線(xiàn)性關(guān)系隨生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型、時(shí)間尺度和天空狀況（晴天或多云）變化。

三、問(wèn)：LAI和NDVI與GPP也有好的相關(guān)性，還要SIF監(jiān)測(cè)嗎？

答：需要，SIF-GPP 之間的相關(guān)關(guān)系要優(yōu)于 NDVI等植被指數(shù)與GPP之間的關(guān)系，SIF的優(yōu)勢(shì)在于可以探測(cè)到植被表觀(guān)性狀無(wú)法反映的光合作用變化，如在常綠植被中，LAI和NDVI植被指數(shù)就無(wú)法很好的反映GPP。除此以外，在落葉樹(shù)種中，SIF也具有很大的優(yōu)勢(shì)：

SIF、NDVI和GPP標(biāo)準(zhǔn)化后的月平均變化（Jeong et al., 2017）

可以看到NDVI植被指數(shù)與GPP相比，在春季和秋季分別出現(xiàn)提前和滯后，因?yàn)樯L(zhǎng)季初期，植被葉片展葉和生長(zhǎng)時(shí)，光合作用還未發(fā)生或相對(duì)較弱，而秋季時(shí)，光合作用在葉片展現(xiàn)出衰老前就減弱或停止了，這也是SIF可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)植被脅迫的原因。

四、問(wèn)：SIF值有大小之分嗎（能表達(dá)光合強(qiáng)度嗎）？單位是什么？

答：SIF值有大小，是有物理意義的能量的數(shù)值，不是比值（區(qū)別于反射率）。光入射到植被后除去反射和透射外，剩下的被葉片吸收的光能有三種去向：光化學(xué)作用、SIF和熱耗散。三者均為能量釋放的方式且相互競(jìng)爭(zhēng)，因此SIF值雖然不能直接表達(dá)光合作用強(qiáng)度，但和光合作用強(qiáng)度高度相關(guān)，通過(guò)SIF值可以了解光合作用強(qiáng)度。SIF的單位為w/m2/nm/sr (即每立體角每納米每平方米上的能量值）。

SIF（紅）與GPP（藍(lán)）和APAR（紫）的月平均日變化（Yang et al., 2015）

五、問(wèn)：熱耗散怎么估算？

答：熱耗散也就是非光化學(xué)猝滅，是植被在高光強(qiáng)環(huán)境下對(duì)葉片的保護(hù)機(jī)制，當(dāng)熱耗散增加時(shí)，可能會(huì)增強(qiáng)植被蒸騰及蒸散。目前，冠層尺度的熱耗散的量化還存在困難，但熱耗散可以通過(guò)光化學(xué)植被指數(shù)（PRI）進(jìn)行指示。熱耗散是葉黃素從環(huán)氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊摥h(huán)氧化狀態(tài)導(dǎo)致的結(jié)果，而這種色素形態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致531nm處反射率的下降，但對(duì)570nm處的反射率卻幾乎沒(méi)有影響。因此，根據(jù)531nm和570nm的光譜反射計(jì)算的光化學(xué)植被指數(shù)（PRI）成了熱耗散的指示因子。光能利用率越高，熱耗散越少，531nm處反射率的下降越少，PRI相應(yīng)越高。我們的光譜儀測(cè)量的連續(xù)光譜可以覆蓋到531nm和570nm的光譜波段，因此，通過(guò)光譜儀測(cè)量冠層反射光譜與太陽(yáng)入射光譜可以同時(shí)輸出SIF和PRI。PRI計(jì)算如下：

式中R表示冠層反射光譜與太陽(yáng)入射光譜的反射率，λ531和λ570分別表示531nm和570nm的光譜波段。

六、問(wèn)：熒光這么小，能測(cè)量出來(lái)嗎？

答：自然光下的SIF雖然非常小，但是可以通過(guò)觀(guān)測(cè)太陽(yáng)入射輻射和冠層反射輻射并采用特定的技術(shù)方法提取出來(lái)。在太陽(yáng)大氣和地球大氣層存在某些元素，會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射進(jìn)行強(qiáng)吸收，導(dǎo)致在地球表面上觀(guān)察到的太陽(yáng)光譜在連續(xù)光譜背景下有許多波段寬度為 0.1—10 nm的暗線(xiàn)（比較顯著的暗線(xiàn)有Hα暗線(xiàn)、O2-A暗線(xiàn)和O2-B暗線(xiàn)），即夫瑯禾費(fèi)暗線(xiàn)。暗線(xiàn)內(nèi)的太陽(yáng)入射輻射驟然下降，而冠層反射輻射卻因?yàn)镾IF的得到一定的填充，表現(xiàn)為表觀(guān)反射率的異常升高，因此通過(guò)暗線(xiàn)內(nèi)外的入射和反射輻射比值，就可以提取出SIF。

我們研制的SIF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)的連續(xù)光譜圖

七、問(wèn)：不同植物的葉片的SIF有區(qū)別嗎？新老葉片的SIF有區(qū)別嗎？

答：不同植物的SIF一般是不同的。SIF是光合作用的“副產(chǎn)品”，它的量值主要看葉片本身的葉綠素含量及光合作用能力，同時(shí)也要看觀(guān)測(cè)時(shí)具體的日照條件。新老葉片的SIF值也是這樣的規(guī)律，幼嫩的葉片光合作用較弱，SIF值也較低，隨著葉片生長(zhǎng)，SIF值隨著光合作用的增強(qiáng)而增強(qiáng)，但當(dāng)葉片衰老時(shí)，SIF又呈下降的趨勢(shì)。

八、問(wèn)：葉片的正反兩面的SlF有區(qū)別嗎？

答：正反葉片具有不同的反射特性與表面結(jié)構(gòu)，從理論上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是具有不同的SIF值，但這方面的研究還不多。

九、問(wèn)：SIF觀(guān)測(cè)受角度影響嗎？

答：SIF受觀(guān)測(cè)角度的影響，一般來(lái)說(shuō)，觀(guān)測(cè)熱點(diǎn)方向（太陽(yáng)輻射入射方向）的SIF值更明顯，可以更好的代表GPP。除了觀(guān)測(cè)角度，SIF還受到太陽(yáng)入射天頂角和方位角的影響。因此，如果SIF 來(lái)系統(tǒng)的研究植被的光合作用能力，應(yīng)該充分利用多個(gè)時(shí)相的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這樣基于塔基的自動(dòng)觀(guān)測(cè)方式才是比較理想的選擇。

十、問(wèn)：樹(shù)冠葉片間的遮擋影響SlF的觀(guān)測(cè)效果嗎？

答：影響，SIF的觀(guān)測(cè)受冠層結(jié)構(gòu)影響，植被異質(zhì)性越高，植被冠層反演誤差則越大。

十一、問(wèn)：SⅠF受太陽(yáng)高度角的影響嗎？

答：SⅠF受太陽(yáng)高度角的影響，在天中，SIF隨著太陽(yáng)高度角和輻射強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)單峰型日變化。由于測(cè)定下行輻射的余弦校正器不能收集半球范圍 （180°） 內(nèi)所有太陽(yáng)光譜，一般太陽(yáng)高度角低于30°時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)被舍棄；太陽(yáng)高度角大于85°時(shí)，該數(shù)據(jù)也不能用于SIF提取，因?yàn)樘?yáng)高度角越大，就會(huì)增加下行輻照度變化較大的風(fēng)險(xiǎn)。

十二、問(wèn)：晴天，陰天和多云天氣對(duì)SⅠF觀(guān)測(cè)的影響區(qū)別顯著嗎？

答：一般晴天才有，陰天多云等光線(xiàn)較弱的情況下比較小或者沒(méi)有。陰天多云情況下觀(guān)測(cè)到的SIF值一般要進(jìn)行濾波處理或者舍棄后才能使用。

參考文獻(xiàn)：

(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.