北方針葉林光合作用SIF與碳通量多尺度耦合研究

原文以Modelling sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) in evergreen conifer forests with a terrestrial biosphere model 為標(biāo)題發(fā)表在 EGUsphere 上
作者 | Thum T, Pacheco-Labrador J, Aurela M 等

北半球高緯度地區(qū)正經(jīng)歷比全球其他區(qū)域更為顯著的氣候變化。這些地區(qū)的北方森林，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其生物量中儲(chǔ)存的碳量約為 264.9 ± 10.5 PgC。北方森林具有明顯的時(shí)間變化特征。在季節(jié)尺度上，氣溫、土壤溫濕度、光照條件的變化共同驅(qū)動(dòng)了植被生理活動(dòng)。

在這種生態(tài)系統(tǒng)中，若僅依賴植被“綠度”遙感指標(biāo)，難以準(zhǔn)確刻畫常綠針葉林的光合作用。相比之下，日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓╯olar-induced chlorophyll fluorescence，SIF）能夠更直接、可靠地反映光合作用動(dòng)態(tài)。

SIF 信號(hào)源于葉片吸收光子的能量分配：光能可驅(qū)動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)、以熒光形式釋放，或以熱能耗散。葉片中的非光化學(xué)猝滅（non-photochemical quenching，NPQ）調(diào)節(jié)熱耗散強(qiáng)度，從而影響熒光信號(hào)。

在北方針葉林中，持續(xù)性 NPQ（sustained NPQ）在冬季尤為顯著：葉片在低溫、高光條件下將過剩能量以熱形式耗散。這一機(jī)制通常僅可通過主動(dòng)葉綠素?zé)晒庥^測(cè)技術(shù)（如脈沖調(diào)制熒光法）估算。被動(dòng) SIF 觀測(cè)雖不能直接測(cè)量持續(xù)性 NPQ，但能通過模型間接推斷其動(dòng)態(tài)。

葉片尺度的 SIF 觀測(cè)已有數(shù)十年歷史，為理解光合作用機(jī)理提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，當(dāng)研究尺度擴(kuò)展至冠層時(shí)，SIF 信號(hào)會(huì)受到多次散射、再吸收及土壤背景干擾。因此，為準(zhǔn)確解釋冠層尺度 SIF，需要將輻射傳輸模型與生物過程模型耦合，進(jìn)而提取出SIF信號(hào)的機(jī)理驅(qū)動(dòng)因素。
北方針葉林帶的歐洲赤松（Scots pine）SIF 發(fā)射光譜（引自 Magney et al., 2019b）。其中，實(shí)線表示 FloX 觀測(cè)及 TROPOMI 衛(wèi)星 SIF 反演所采用的波段位置，彩色影區(qū)表示 PhotoSpec 系統(tǒng)用于 SIF 反演的波長(zhǎng)范圍。

近年來，SIF 已成功整合進(jìn)陸地生物圈模型（TBMs），輔助碳循環(huán)研究。例如，葉片尺度的 FluorMod 模型被整合入 SCOPE 模型，SCOPE 將 Farquhar 光合作用模型與基于 SAIL 的冠層輻射傳輸過程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)尺度的 SIF 模擬。進(jìn)一步改進(jìn)后，SIF 可用于反演總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP），并與光合作用過程建立緊密耦合關(guān)系。

• 哪些輻射傳輸模型在 SIF 模擬中能兼顧穩(wěn)健性與計(jì)算效率？
• 如何在模型中合理刻畫持續(xù)性非光化學(xué)猝滅對(duì) SIF 信號(hào)的影響？
• 原位觀測(cè)與衛(wèi)星觀測(cè)的 SIF 在模型構(gòu)建中的優(yōu)勢(shì)各是什么？

在Sodankylä芬蘭站點(diǎn)，研究者們采用 FloX 日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量系統(tǒng)（JB Hyperspectral Devices, Düsseldorf, Germany）和 LI-7200 閉路式渦度相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)（LI-COR, Lincoln, NE, USA），對(duì)北方常綠針葉林的 SIF 信號(hào)和生態(tài)系統(tǒng)碳通量同步進(jìn)行高精度觀測(cè)。

• 高光譜分辨率：光譜儀分辨率 0.3 nm，采樣間隔 0.17 nm，能夠捕捉微弱熒光變化。
• 高信噪比（SNR）：高達(dá) 1000，精確捕捉紅光/近紅外葉綠素?zé)晒獠ǘ危?50–800 nm）信號(hào)。
• 雙通道上行/下行測(cè)量：下行通道測(cè)量太陽入射輻射（視場(chǎng)角 180°），上行通道測(cè)量冠層反射輻射（視場(chǎng)角 25°），同時(shí)獲取入射與反射光數(shù)據(jù)，有助于輻射傳輸建模與信號(hào)解耦。
• 溫控設(shè)計(jì)：光譜儀嵌入溫控外殼，保持暗電流穩(wěn)定，提高長(zhǎng)期戶外觀測(cè)精度與可靠性。

• 高精度氣體濃度測(cè)量：高頻溫度和壓力測(cè)量系統(tǒng)，可直接獲得真實(shí)摩爾分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn) CO₂/H₂O 通量的準(zhǔn)確測(cè)量。
• 穩(wěn)定可靠的溫控設(shè)計(jì)：光源與探測(cè)器溫度可控，即使環(huán)境溫度大幅波動(dòng)仍能保持測(cè)量穩(wěn)定。
• 優(yōu)異的光學(xué)性能與抗污染能力：精密光學(xué)元件降低灰塵等環(huán)境干擾，藍(lán)寶石防刮鏡片易于現(xiàn)場(chǎng)清潔；光學(xué)系統(tǒng)與溫控設(shè)計(jì)提升長(zhǎng)期穩(wěn)定性，即使數(shù)周未清潔仍可保持準(zhǔn)確。
• 全球主流觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)首選：廣泛應(yīng)用于 NEON、ICOS 等國(guó)際主流通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

• 不同冠層輻射傳輸模型在季節(jié)尺度上表現(xiàn)總體類似，能夠合理再現(xiàn) SIF 的時(shí)間變化與季節(jié)特征。
• L2SM 方法在多站點(diǎn)表現(xiàn)穩(wěn)定，計(jì)算效率高，適合大尺度模型應(yīng)用。
• 持續(xù)性 NPQ 在解耦模擬 SIF 與光合有效輻射吸收（absorbed PAR）關(guān)系中起到了關(guān)鍵作用，不同站點(diǎn)氣候條件會(huì)影響模型表現(xiàn)。
• 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)（如 TROPOSIF）對(duì)原位觀測(cè)起到了補(bǔ)充作用，在全球尺度模型中，有潛力用于持續(xù)性 NPQ 的參數(shù)化及模型驗(yàn)證

三個(gè)不同站點(diǎn)在 6 月和 7 月期間半小時(shí)尺度下，GPP 與遠(yuǎn)紅光波段 SIF 之間的觀測(cè)關(guān)系（a）與模擬關(guān)系（b）。模擬結(jié)果采用 L2SM 方法。CA-Obs 站點(diǎn)為半小時(shí)分辨率數(shù)據(jù)，F(xiàn)I-Sod 和 US-NR1 站點(diǎn)為小時(shí)分辨率數(shù)據(jù)。圖中，午前的數(shù)據(jù)以圓點(diǎn)表示，午后的數(shù)據(jù)以叉號(hào)表示；實(shí)線表示雙曲函數(shù)擬合結(jié)果。