气溶胶辐射效应对农作物光合作用及GPP遥感估算的累积影响研究

Spatial-Temporal Variation of farmland GPP is the result of the crop-soil-atmosphere interaction, and GPP estimation is of great significance for a comprehensive understanding of the carbon cycle and climate change in the farmland ecosystem. There are many theoretical analyses about the radiation effect of atmospheric aerosol on GPP estimation. However, there is little research that how to establish GPP remote-sensing models considering aerosol radiation effect, especially the cumulative radiation effect of long-term serious aerosol. Therefore, this project will research the impacts of radiation effect of atmospheric aerosol on crop photosynthesis and GPP estimation using remote sensing data. Firstly, after the research of coupling effect of crop canopy photosynthesis and atmospheric aerosol, we will build the modified estimation models of PAR, fPAR, and ε (or LUE) including the aerosol radiation cumulative effect, which is based on the atmospheric radiative transfer model and crop canopy radiative transfer model. The modified models will improve the precision of GPP-model parameters. Finally, we will establish the GPP estimation model which considers the aerosol radiation cumulative effect and carry the precision verification. The research results are of great scientific significance for improving the existing GPP estimation technology and improving the application level of high spatial-temporal-spectral resolution remote sensing data in the field of farmland carbon flux estimation.

农田GPP的时空变化是农作物-土壤-大气之间复杂相互作用的结果，而GPP遥感估算对全面理解农田生态系统碳循环和气候变化具有重要意义。关于气溶胶辐射效应对GPP影响的理论分析很多，但是如何建立考虑气溶胶辐射效应的GPP遥感模型，特别是长期严重气溶胶辐射累积效应，现有的研究还很有限。本项目以研究气溶胶辐射效应对农作物（小麦、玉米）光合作用影响及GPP遥感估算的累积效应为目标，在研究作物冠层光合作用与气溶胶辐射效应耦合效应的基础上，综合利用大气辐射传输模型和作物冠层辐射传输模型，构建考虑气溶胶辐射及其累积效应的农作物光合有效辐射、光合有效辐射吸收比例和光能利用率估算的改进模型，提高参数反演精度；最后构建考虑气溶胶辐射累积效应的GPP遥感估算的模型，并进行精度验证。本研究成果对于完善已有的农田GPP估算技术，提升高时空分辨率、高光谱分辨率遥感数据在农田碳通量估算中的应用水平，具有重要的科学意义。

GPP的时空变化是农作物-土壤-大气之间复杂相互作用的结果，而GPP遥感估算对全面理解农田生态系统碳循环和气候变化具有重要意义。关于气溶胶辐射效应对GPP影响的理论分析很多，但是如何建立考虑气溶胶辐射效应的GPP遥感模型，特别是长期严重气溶胶辐射累积效应，现有的研究还很有限。.本项目利用多时相中分辨率卫星数据提取冬小麦和玉米的关键物候期和关键指标，构建时序模型提取研究区的农作物分布，提取总体精度为93.5%。利用地基Aeronet气溶胶数据和卫星反演的气溶胶光学厚度数据，进行大气溶胶辐射特性时空拓展融合研究，基于“点-面”融合的大气气溶胶时空拓展技术及累积效应模型，形成气溶胶辐射效应的累积分布函数；通过研究气溶胶对PAR，FPAR和ε影响分析，综合利用大气辐射传输模型和作物冠层辐射传输模型，构建了考虑气溶胶辐射对农作物PAR，FPAR和ε估算改进模型，与通量观测站点的GPP结果对分析可知验证点的GPP与通量观测GPP显著相关，其中R^2=0.691。最后在京津冀开展应用示范，提高了参数反演精度。.本研究成果对于完善已有的农田GPP估算技术，提升高时空分辨率、高光谱分辨率遥感数据在农田碳通量估算中的应用水平，具有重要的科学意义。