亚热带常绿阔叶林叶绿素荧光垂直分层及其与碳通量关联机制的研究

Chlorophyll fluorescence is directly related to the photosynthesis of plants, so it is an important monitoring index of vegetation growth status and ecological functions. Sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) has become a new trend in the development of simultaneous observation of carbon flux and hyperspectral observations. However, it’s still unclear to what extent the vertical heterogeneity of vegetation structures and attributes and the reabsorption of chlorophyll fluorescence affect on the mechanism of fluorescence and photosynthesis association in subtropical forests with complex structures. In this study, we will carry out vertical stratified observations of SIF in a subtropical evergreen broad-leaved forest in Dinghushan, to analyze the dynamic changes of SIF overstory and understory of the forest. Besides, the fluorescence-photosynthetic model will be optimized and improved, to elucidate the effects of the vertical heterogeneity of vegetation structures (e.g. Leaf Area Index, Mean Leaf Angle) and biochemical components (e.g. Leaf pigment concentration and Leaf water content) on forest overstory and understory fluorescence and its association with photosynthesis. We hope to reveal the association mechanism and layered contribution of vegetation fluorescence and carbon-water fluxes in subtropical evergreen broad-leaved forests, thus providing important technical methods and theories for monitoring the response and feedback of subtropical forest vegetation to climate change.

叶绿素荧光与植物光合作用直接相关，是植被生长状况和生态功能的重要监测指标，成为当前碳通量与高光谱同步观测研究发展的新趋势。然而在结构复杂的亚热带森林，植被结构和属性的垂直异质性以及叶绿素荧光的重吸收过程，对于叶绿素荧光和光合作用关联机制的影响尚不明确。本研究以鼎湖山亚热带常绿阔叶林为研究对象，开展日光诱导叶绿素荧光的垂直分层观测，分析亚热带常绿阔叶林林冠和林下SIF的动态变化特征，优化和改进荧光-光合耦合模型，阐明植被结构(叶面积指数、平均叶倾角等)和生化组分(叶片色素浓度、含水量等)的垂直异质性对林冠和林下荧光以及光合作用的影响，揭示亚热带常绿阔叶林植被荧光与碳水通量的关联机制和分层贡献，为监测亚热带森林植被对气候变化的响应提供重要的技术方法和理论支持。

日光诱导叶绿素荧光（SIF）作为监测植被光合作用的新手段，已逐渐被广泛用于监测植被对气候变化的响应和陆地生态系统碳循环研究。然而，植被冠层结构和叶片生化属性对植被冠层内重吸收和多次散射的作用给叶绿素荧光的垂直分布特性及其与碳水通量的关系带来的影响仍缺乏深入研究。本研究以鼎湖山亚热带常绿林为研究对象，（1）研发并搭建了植被日光诱导叶绿素荧光垂直分层观测系统，基于长期同步连续的植被垂直分层高光谱观测，反演了冠层顶和林下的SIF数据，构建了亚热带常绿林垂直分层SIF数据库，分析了亚热带常绿林垂直分层SIF的动态变化特征，阐明了冠层顶和林下SIF的环境调控因子；（2）基于分层观测数据和辐射传输过程模型，阐明了亚热带常绿林植被生化组分和冠层结构的垂直异质性对SIF分层特性的影响，量化了林下SIF对冠层顶SIF的影响，评价了总发射SIF和冠层顶SIF对总初级生产力（GPP）表征能力的差异，强调了林下SIF对GPP估算的重要性；（3）结合碳水通量观测数据，分析了亚热带常绿林SIF与GPP的关联机制，并利用SIF对光合作用和蒸腾作用关键参数（Vcmax和gs）的约束，提高了基于SIF对碳水通量（GPP和ET）的估算方法的精度。本研究开展的亚热带常绿林叶绿素荧光垂直分层及其与碳通量关联机制的研究，揭示了亚热带常绿林植被垂直异质性对叶绿素荧光及其与光合作用关系的影响，为开展大尺度日光诱导叶绿素荧光应用于植被生产力和生态系统碳水通量监测方面提供理论和方法支撑。