原文以Modelling sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) in evergreen conifer forests with a terrestrial biosphere model 為標題發(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，其生物量中儲存的碳量約為 264.9 ± 10.5 PgC。北方森林具有明顯的時間變化特征。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)動了植被生理活動。在這種生態(tài)系統(tǒng)中，若僅依賴植被“綠度"遙感指標，難以準確刻畫常綠針葉林的光合作用。相比之下，日光誘導葉綠素熒光（solar-induced chlorophyll fluorescence，SIF）能夠更直接、可靠地反映光合作用動態(tài)。SIF 信號源于葉片吸收光子的能量分配：光能可驅(qū)動光化學反應(yīng)、以熒光形式釋放，或以熱能耗散。葉片中的非光化學猝滅（non-photochemical quenching，NPQ）調(diào)節(jié)熱耗散強度，從而影響熒光信號。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。這一機制通常僅可通過主動葉綠素熒光觀測技術(shù)（如脈沖調(diào)制熒光法）估算。被動 SIF 觀測雖不能直接測量持續(xù)性 NPQ，但能通過模型間接推斷其動態(tài)。葉片尺度的 SIF 觀測已有數(shù)十年歷史，為理解光合作用機理提供了堅實基礎(chǔ)。然而，當研究尺度擴展至冠層時，SIF 信號會受到多次散射、再吸收及土壤背景干擾。因此，為準確解釋冠層尺度 SIF，需要將輻射傳輸模型與生物過程模型耦合，進而提取出SIF信號的機理驅(qū)動因素。
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，實線表示 FloX 觀測及 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 反演的波長范圍。
近年來，SIF 已成功整合進陸地生物圈模型（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，實現(xiàn)站點尺度的 SIF 模擬。進一步改進后，SIF 可用于反演總初級生產(chǎn)力（GPP），并與光合作用過程建立緊密耦合關(guān)系。本研究旨在改進葉綠素熒光建模方法，使 TBMs 能充分利用多源 SIF 數(shù)據(jù)，并為未來數(shù)據(jù)整合研究奠定基礎(chǔ)。具體目標包括：（1）測試不同 SIF 輻射傳輸模型的穩(wěn)健性；（2）評估持續(xù)性 NPQ 在模型中的作用。本研究重點關(guān)注以下科學問題：
- 哪些輻射傳輸模型在 SIF 模擬中能兼顧穩(wěn)健性與計算效率？
- 如何在模型中合理刻畫持續(xù)性非光化學猝滅對 SIF 信號的影響？
- 原位觀測與衛(wèi)星觀測的 SIF 在模型構(gòu)建中的優(yōu)勢各是什么？
在Sodankyl?芬蘭站點，研究者們采用 FloX 日光誘導葉綠素熒光測量系統(tǒng)（JB Hyperspectral Devices, Düsseldorf, Germany）和 LI-7200 閉路式渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)（LI-COR, Lincoln, NE, USA），對北方常綠針葉林的 SIF 信號和生態(tài)系統(tǒng)碳通量同步進行高精度觀測。
- 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 1000，精確捕捉紅光/近紅外葉綠素熒光波段（650–800 nm）信號。
- 雙通道上行/下行測量：下行通道測量太陽入射輻射（視場角 180°），上行通道測量冠層反射輻射（視場角 25°），同時獲取入射與反射光數(shù)據(jù)，有助于輻射傳輸建模與信號解耦。
- 溫控設(shè)計：光譜儀嵌入溫控外殼，保持暗電流穩(wěn)定，提高長期戶外觀測精度與可靠性。
LI-7200 閉路式渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)
- 高精度氣體濃度測量：高頻溫度和壓力測量系統(tǒng)，可直接獲得真實摩爾分數(shù)，實現(xiàn) CO?/H?O 通量的準確測量。
- 穩(wěn)定可靠的溫控設(shè)計：光源與探測器溫度可控，即使環(huán)境溫度大幅波動仍能保持測量穩(wěn)定。
- 優(yōu)異的光學性能與抗污染能力：精密光學元件降低灰塵等環(huán)境干擾，藍寶石防刮鏡片易于現(xiàn)場清潔；光學系統(tǒng)與溫控設(shè)計提升長期穩(wěn)定性，即使數(shù)周未清潔仍可保持準確。
- 主流觀測網(wǎng)絡(luò)：廣泛應(yīng)用于 NEON、ICOS 等國際主流通量觀測網(wǎng)絡(luò)。
LI-7200 提供了生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換（NEE）、總初級生產(chǎn)力（GPP）及生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）數(shù)據(jù)。這一組合實現(xiàn)了光合作用光學信號與氣體交換數(shù)據(jù)的同步記錄，使 SIF 與實際碳通量能夠高精度對比與整合。該研究在美國 Niwot Ridge、加拿大薩斯喀徹溫省、芬蘭 Sodankyl? 三個常綠針葉林站點開展。通過將 QUINCY 模型與塔基 SIF 觀測及 TROPOMI 衛(wèi)星 SIF 數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
- 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 的時間變化與季節(jié)特征。
- L2SM 方法在多站點表現(xiàn)穩(wěn)定，計算效率高，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，不同站點氣候條件會影響模型表現(xiàn)。
- 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)（如 TROPOSIF）對原位觀測起到了補充作用，在尺度模型中，有潛力用于持續(xù)性 NPQ 的參數(shù)化及模型驗證。
三個不同站點在 6 月和 7 月期間半小時尺度下，GPP 與遠紅光波段 SIF 之間的觀測關(guān)系（a）與模擬關(guān)系（b）。模擬結(jié)果采用 L2SM 方法。CA-Obs 站點為半小時分辨率數(shù)據(jù)，F(xiàn)I-Sod 和 US-NR1 站點為小時分辨率數(shù)據(jù)。圖中，午前的數(shù)據(jù)以圓點表示，午后的數(shù)據(jù)以叉號表示；實線表示雙曲函數(shù)擬合結(jié)果。
綜上，F(xiàn)loX 與 LI-7200 的結(jié)合不僅實現(xiàn)了 SIF 與 CO? 通量的同步觀測，還為模型改進與多尺度數(shù)據(jù)整合提供了堅實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。原位觀測、衛(wèi)星數(shù)據(jù)與 TBMs 的耦合能夠更全面的解析北方森林光合作用季節(jié)動態(tài)及其碳循環(huán)過程，這為將來基于多源 SIF 數(shù)據(jù)的綜合研究提供了可行路徑。
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