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日光誘導葉綠素熒光快問簡答

一、問：SIF是什么？為什么說SIF是光合作用的探針？

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

當太陽光照射在植被表面時，會發(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爭，任何一種能量發(fā)生改變都會導致其它兩種能量的變化。因此，SIF的強弱與光合作用能力有關，SIF也稱為光合作用的探針。

二、問：SIF和GPP具有高度相關性，能否介紹一下

答：自Frankenberg （2011）利用GOSAT在尺度實現(xiàn)了SIF的反演，發(fā)現(xiàn)了SIF-GPP 之間呈現(xiàn)顯著的線性相關關系以來，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。但SIF-GPP的線性關系不是一直存在的，觀測的冠層SIF受生態(tài)系統(tǒng)類型、觀測幾何（太陽－傳感器－目標角度）、冠層結構、觀測到的陰葉與陽葉比例以及氣候事件（如熱浪）的影響，導致SIF-GPP的線性關系隨生態(tài)系統(tǒng)類型、時間尺度和天空狀況（晴天或多云）變化。

三、問：LAI和NDVI與GPP也有好的相關性，還要SIF監(jiān)測嗎？

答：需要，SIF-GPP 之間的相關關系要優(yōu)于 NDVI等植被指數(shù)與GPP之間的關系，SIF的優(yōu)勢在于可以探測到植被表觀性狀無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)就無法很好的反映GPP。除此以外，在落葉樹種中，SIF也具有很大的優(yōu)勢：

SIF、NDVI和GPP標準化后的月平均變化（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，因為生長季初期，植被葉片展葉和生長時，光合作用還未發(fā)生或相對較弱，而秋季時，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可以應用于監(jiān)測植被脅迫的原因。

四、問：SIF值有大小之分嗎（能表達光合強度嗎）？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：光化學作用、SIF和熱耗散。三者均為能量釋放的方式且相互競爭，因此SIF值雖然不能直接表達光合作用強度，但和光合作用強度高度相關，通過SIF值可以了解光合作用強度。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）和APAR（紫）的月平均日變化（Yang et al., 2015）

五、問：熱耗散怎么估算？

答：熱耗散也就是非光化學猝滅，是植被在高光強環(huán)境下對葉片的保護機制，當熱耗散增加時，可能會增強植被蒸騰及蒸散。目前，冠層尺度的熱耗散的量化還存在困難，但熱耗散可以通過光化學植被指數(shù)（PRI）進行指示。熱耗散是葉黃素從環(huán)氧化狀態(tài)轉變?yōu)槊摥h(huán)氧化狀態(tài)導致的結果，而這種色素形態(tài)的變化會導致531nm處反射率的下降，但對570nm處的反射率卻幾乎沒有影響。因此，根據(jù)531nm和570nm的光譜反射計算的光化學植被指數(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相應越高。我們的光譜儀測量的連續(xù)光譜可以覆蓋到531nm和570nm的光譜波段，因此，通過光譜儀測量冠層反射光譜與太陽入射光譜可以同時輸出SIF和PRI。PRI計算如下：

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

六、問：熒光這么小，能測量出來嗎？

答：自然光下的SIF雖然非常小，但是可以通過觀測太陽入射輻射和冠層反射輻射并采用特定的技術方法提取出來。在太陽大氣和地球大氣層存在某些元素，會對特定波長的太陽輻射進行強吸收，導致在地球表面上觀察到的太陽光譜在連續(xù)光譜背景下有許多波段寬度為 0.1—10 nm的暗線（比較顯著的暗線有Hα暗線、O2-A暗線和O2-B暗線），即夫瑯禾費暗線。暗線內的太陽入射輻射驟然下降，而冠層反射輻射卻因為SIF的得到一定的填充，表現(xiàn)為表觀反射率的異常升高，因此通過暗線內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)測系統(tǒng)觀測的連續(xù)光譜圖

七、問：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，同時也要看觀測時具體的日照條件。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，SIF值隨著光合作用的增強而增強，但當葉片衰老時，SIF又呈下降的趨勢。

八、問：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構，從理論上來說，應該是具有不同的SIF值，但這方面的研究還不多。

九、問：SIF觀測受角度影響嗎？

答：SIF受觀測角度的影響，一般來說，觀測熱點方向（太陽輻射入射方向）的SIF值更明顯，可以更好的代表GPP。除了觀測角度，SIF還受到太陽入射天頂角和方位角的影響。因此，如果SIF 來系統(tǒng)的研究植被的光合作用能力，應該充分利用多個時相的觀測數(shù)據(jù)進行分析。這樣基于塔基的自動觀測方式才是比較理想的選擇。

十、問：樹冠葉片間的遮擋影響SlF的觀測效果嗎？

答：影響，SIF的觀測受冠層結構影響，植被異質性越高，植被冠層反演誤差則越大。

十一、問：SⅠF受太陽高度角的影響嗎？

答：SⅠF受太陽高度角的影響，在天中，SIF隨著太陽高度角和輻射強度的變化呈現(xiàn)單峰型日變化。由于測定下行輻射的余弦校正器不能收集半球范圍 （180°） 內所有太陽光譜，一般太陽高度角低于30°時，數(shù)據(jù)就會被舍棄；太陽高度角大于85°時，該數(shù)據(jù)也不能用于SIF提取，因為太陽高度角越大，就會增加下行輻照度變化較大的風險。

十二、問：晴天，陰天和多云天氣對SⅠF觀測的影響區(qū)別顯著嗎？

答：一般晴天才有，陰天多云等光線較弱的情況下比較小或者沒有。陰天多云情況下觀測到的SIF值一般要進行濾波處理或者舍棄后才能使用。

參考文獻：

(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.