滨海盐沼植被日光诱导叶绿素荧光与总初级生产力的关联机制

Remote sensing of solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) opens up a new approach to estimate gross primary productivity (GPP) of terrestrial ecosystems at different spatiotemporal scales. This proposal takes for example the typical salt marshes, Phragmites and Spartina alterniflora, in the Yangtze Estuary. We will first use hyperspectral measurements and eddy covariance (EC) flux tower data to investigate the relationships between canopy-scale SIF, which are retrieved in O2-A and O2-B bands, and GPP of salt marshes at different growing seasons, as well as their main environmental, biophysical and biochemical controls. Then the coupled model SCOPE will be calibrated and modified based on field measurements, and used to simulate the key processes that affect the SIF-GPP relationships such as radiative transfer, photosynthesis, and fluorescence reabsorption. This is followed by revealing the mechanisms of up-scaling from SIF to GPP for coastal salt marshes at leaf and canopy scales. Based on this, algorithms will be designed to estimate GPP from canopy-scale SIF signals in O2-A and O2-B bands for coastal salt marshes. This research not only provides new insights on theory and application of SIF remote sensing, but also offers a novel tool to estimate and monitor carbon budget of coastal salt marshes, which is beneficial for global carbon cycle and climate change research.

日光诱导叶绿素荧光（SIF）遥感为不同尺度植被GPP估算与动态监测提供了新途径。本项研究拟以长江口典型盐沼植被芦苇、互花米草为例，基于高光谱测量及涡度相关通量观测等数据，分析盐沼植被冠层O2-A、O2-B波段的SIF与GPP在不同生长季的日动态特征及相关关系，辨识主要环境因子、冠层结构和叶片组分对冠层SIF-GPP关系的影响及其规律。借助辐射传输与能量平衡耦合模型，考虑潮汐淹水等海岸带独特的环境特征，模拟盐沼植被辐射传输、光合作用、荧光发射与再吸收等影响SIF-GPP关系的关键过程，由叶片尺度（植被对环境的生理生化响应）到冠层尺度（同步考虑冠层结构和叶片组分的影响）逐步剖析盐沼植被冠层SIF-GPP关系的影响机制。在此基础上，构建基于冠层SIF的盐沼植被GPP估算算法。本项研究既有望丰富荧光遥感理论和应用，又可为滨海盐沼生态系统碳收支评估提供新方法，对全球碳循环和气候变化研究具有重要意义。

滨海盐沼湿地是生产力高、碳汇能力强的海岸带“蓝碳”生态系统，有效进行其总初级生产力（GPP）估算与动态监测，是全球碳收支研究的核心科学问题之一，对应对气候变化、实现碳中和具有重要的价值。日光诱导叶绿素荧光（SIF）遥感为不同尺度植被GPP估算与动态监测提供了新途径。本项目基于塔基尺度高光谱自动测量与涡度协方差技术，准同步获取了2019年至今长江口九段沙盐沼植被（芦苇和互花米草）高频的冠层日光诱导叶绿素荧光（SIF）、碳通量、以及生物气象参量等数据，其中观测的SIF也是全球首份高时间分辨率、连续的滨海盐沼湿地SIF测量数据。. 基于这些数据，运用信息论模型，深度挖掘了多时间尺度上滨海盐沼－大气间CO2通量交换过程的（非）线性及时间（同）异步性，定量分析了环境因子对盐沼生态系统CO2通量变化的相对控制程度，揭示了潮汐影响下滨海盐沼湿地生态系统CO2通量动态变化及其机制；通过分析盐沼湿地SIF760与GPP的关系，证实了盐沼植被冠层SIF760与GPP在不同物候期的半小时、日、周尺度上都展现很好的相关性；通过比对盐沼植被GPP与SIF760、吸收的光合有效辐射（APAR）、APAR和荧光量子产率的乘积（APAR×SIFyield），以及APAR和荧光逃逸率的乘积（APAR×fesc）的相关性，表明冠层结构在解释滨海盐沼植被半小时和日尺度SIF760与GPP之间的关系上起着重要作用；通过对比有潮和无潮情况，明晰了潮汐淹水会显著地改变植被快速生长期SIF760与GPP之间的关系，证实了潮汐淹水削弱了植物生理变化和冠层结构在解释SIF760与光合作用之间关系的作用，因此对基于SIF的GPP估算上产生了负面影响；SCOPE模型模拟表明下垫面为潮水时，吸收的光合有效辐射比（fPAR）、叶片产生的SIF总量、散射的SIF，以及fesc比下垫面为土壤时分别降低了2.16%、2.48%、18.98%，以及9.31%。. 该项目是国内外最早在滨海盐沼湿地上进行荧光遥感机理与方法探索的研究，有助于更好地了解滨海盐沼湿地冠层SIF与光合作用的关联机制，并为大尺度、高精度的滨海蓝碳潜力精准估算提供了科学支撑，对全球碳循环和气候变化研究具有重要意义。