基于遥感和通量观测数据的双叶植被总初级生产力机理模型研究

Accurate simulation of the different impact of direct light and diffuse light on terrestrial gross primary production (GPP) is a developing direction of remote sensing-based GPP physical model because the light use efficiency (LUE) of diffuse light is higher than that of direct light. However, most current GPP models based on one-big-leaf-radiation model is not perfect in physics due to neglecting the different photosynthesis of shade leaf and sunlight leaf in reponse to direct light and diffuse light. This project aims to present an innovative two-leaf-GPP process model considering the difference of direct light and diffuse light; Based on a new physical water-stress-factor defined by TEC-GPP model (Yan et al., 2015), MODIS leaf area index (LAI), and FluxNet flux observation data, the impact of environmental stress factors (i.e., light, water, and temperature) on GPP will be explored on a daily scale. In addition, the variation of past 15 years' GPP in China will be studied. As that human air pollution increases and natual atmosphere aerosol changes have resulted in an increase of regional diffuse rediation, accurate estimation of GPP varation due to diffuse light is sure to improve our understanding of climate change and terrestrial carbon budget in China.

准确模拟直射辐射和散射辐射对光合作用的不同影响是陆地总初级生产力(GPP)遥感机理模型的发展方向，这是由于植物对散射辐射的光合效率远高于直射辐射，而当前GPP遥感模型常采用的一层大叶辐射模型还不完善、没有很好地考虑阴叶和阳叶对直射和散射辐射的不同光合作用。本项目的核心研究内容是建立考虑散射辐射和直射辐射差异影响的阴、阳叶双叶辐射模型，在TEC-GPP（Yan et al., 2015）模型构建的较完善水分胁迫因子、MODIS叶面积指数和FluxNet通量观测数据的基础上,建立综合各种环境胁迫因子影响的日尺度GPP机理模型，并开展中国近15年逐日GPP估计研究。在人为大气污染、大气气溶胶变化导致区域散射辐射增加的背景下，准确估计散射辐射导致的GPP变化无疑会推动中国陆地生态系统碳收支和气候变化研究。

已有观测实验发现，植物对散射光的光能利用率大于对直射光的光能利用率。而当前遥感光能利用率模型大都基于一层大叶假设，即植物光合生产力与太阳辐射为正相关关系，没有很好地考虑阴叶和阳叶对直射和散射辐射的不同光合作用。在全球存在变暗（Global dimming）或变亮（Global brightening）情况下，建立考虑光成分差异影响的遥感双叶光能利用率模型就显得极为重要。.项目建立了考虑散射辐射和直射辐射差异及水分胁迫影响的双叶遥感光能利用率模型（DTEC），制作了2000-2017年近18年的中国区域和南美亚马逊热带雨林区的总初级生产力GPP的数据集，并基于通量观测GPP数据开展了验证。研究了南美亚马逊热带雨林和中国区域的生产力季节和年际变化，及其气候驱动因子；与其他GPP模型开展了对比研究，发表了一组研究论文。.项目首次揭示了在南美亚马逊热带雨林，总初级生产力GPP反常的季相变化是由散射光和散射比控制的，不是由总辐射控制的。发现，在2015/2016厄尔尼诺（El Niño）年，亚马逊干旱导致干季总辐射增强，而散射光和散射比减小，辐射变化和干旱共同导致热带雨林光合作用减弱。而以往观点认为亚马逊干旱导致总辐射增加，而辐射增加导致热带雨林光合作用增强，这抵消了干旱的不利影响。.从2000年到2017年，中国出现“变暗”、即到达地面的光合有效辐射PAR减少的趋势，PAR每年减小1.79 MJ m−2。但散射辐射和散射比出现了增加的趋势。双叶DTEC和大叶TEC模型都模拟出在2000-2017年间，年GPP呈增长趋势；但大叶TEC模型估计的GPP增长趋势（k=6.82）较双叶DTEC模型（k=7.29）低估了6.4%。即在“变暗”阶段，散射比增加对双叶模型的GPP趋势有正贡献。.此外，利用项目研发的PDSI-ARTS干旱模型还研究了中国干旱的时空变化及农业影响，首次揭示了从1982-2011年间，中国干旱没有显著趋势变化；气象干旱是控制中国农业干旱调查面积变化趋势的主要因子。