OCO-2通过日光诱导叶绿素荧光在太空进行光合作用观测

文献信息：

 Sun, Y ., Frankenberg, C., Wood, J. D., Schimel, D. S., Jung, M., Guanter, L., et al. (2017). OCO-2 advances photosynthesis observation from space via solar-induced chlorophyll fluorescence.Science,358(6360):eaam5747.http://dx.doi.org/10.1126/science.aam5747

文献摘要：

从景观到全球尺度的初级生产总值（GPP）的可靠估计对于广泛的生态研究领域（如碳气候反馈）和农业应用（如作物产量和干旱监测）至关重要。然而在这些尺度下测量GPP仍然面临重大挑战。太阳诱导叶绿素荧光（SIF）是直接从光合机制的核心发出的信号。SIF集成了复杂的植物体内生理功能，实时反映光合动态。卫星SIF观测的出现预示着全球光合作用研究的新纪元。轨道碳观测站-2（OCO-2）的SIF产物是OCO-2主要任务目标大气柱CO₂（XCO₂）的一个偶然但关键的补充副产品。OCO-2 SIF消除了妨碍卫星SIF数据集广泛深入应用的重要障碍，为研究不同时空尺度下的SIF-GPP关系和植被功能梯度提供了新的机遇。

文献监测方案:

对于OCO-2轨道覆盖的区域，其SIF数据集可用于量化生态系统结构和功能的异质性，并检测小尺度生态生理现象，如生态和气候敏感区域的功能变化。OCO-2每天产生约105次陆地晴空SIF观测，且OCO-2 SIF能够捕获不同生态系统SIF排放的空间梯度。OCO-2 SIF以目前的检索精度，具有实时捕获光合活性的能力，随着OCO-2提供的数据记录的增长，可将它们与CO2浓度柱测量相结合去研究植被功能梯度如何响应环境条件的变化，以及这些梯度如何与陆地碳汇的空间变化相关。

    OCO-2团队研制的机载叶绿素荧光成像光谱仪（CFIS）结合了高光谱分辨率(<0.1 nm)和宽光谱覆盖(737 - 772 nm)适合于SIF检索。经验证发现OCO-2与CFIS SIF在纬度梯度上具有很强的一致性。CFIS验证数据集将是弥合地面光谱仪之间尺度差距的重要一步，这些光谱仪目前正在开发和部署，以检查精细的时间和空间尺度的功能SIF动力学和和从“轨道碳观测者2号”卫星测量任务和后续任务。

在OCO-2轨道覆盖的区域，将OCO-2 SIF数据集与地面测量数据结合起来，研究SIF- GPP之间的关系。

上述方程显示了生物群系之间可变的SIF-GPP关系的可能性，同时也指出了如果普遍关系确实存在的话可能的机制。其中，I为入射到冠层上的光合有效辐射(PAR)， α为PAR的冠层吸收。

上述方程中ΦF为SIF的光利用效率，β为SIF光子逃逸冠层的概率。结合方程1和2得到（结合SIF和GPP）

方程式1至3为提出和评价SIF-GPP关系的论点和反驳论点提供了一个方便的框架。可推出，GPP-SIF关系的斜率将在不同的生物群系中变化。

OCO-2 SIF产品原理上属于叶绿素荧光被动观测，优势主要体现在无源遥感平台上,  可以进行大面积地表植被生理监测。但是无法同时获得与热耗散、光合作用等相关的荧光参数, 这使得利用被动荧光探究植被能量分配方式以及直接与GPP建立关联存在挑战性。

主动与被动联合观测能够获得一整套叶片尺度光合、荧光、热耗散的参数,  可以为卫星SIF观测值提供可靠的机理解释。

有助于将能量分配研究扩展到区域甚至全球尺度,  为建立更稳健的荧光光合模型以及估算全球植被生产力提供理论基础。通过叶绿素荧光主动与被动联合观测,  有助于理解区域以及全球尺度SIF信号与光合、热耗散之间的关系。

同时，卫星SIF产品的真实有效性需要主动观测设备获得数据的支持验证。

PSP32日光暗适应叶绿素荧光测量系统就是一款主动式PAM荧光仪，可以测量光适应测量参数Y(II)、ETR、Fs，暗适应测量参数Fv/Fm、Fo、Fm、Fv，荧光淬灭参数Y(NPQ)、Y(NO)、NPQ、qL、qN、qP、淬灭弛豫参数qE、qM、qT、qI，以及光响应曲线参数rETRmax、Ik和Im。

该系统可以田间自动测量，一次可以同时测量32个样品。叶绿素荧光探头配备创新性的暗适应模块，实现日光下自动暗适应，替换暗适应叶夹、锡箔纸，方便在白天同时对植物自动进行暗适应测量。

在线式监测叶绿素绝对含量（mg/m2）、冠层光谱NDVI、NDRE（归一化红边植被指数）、PPR（植物色素比率指数）和CCCI（冠层叶绿素含量指数），评估植物抗旱性、植物氮含量、营养胁迫、病害胁迫。

精确测量非光化学淬灭NPQ弛豫组分：叶黄素循环（qE）、叶绿体迁移(qM)、光抑制（qI）、状态转换（qT）用于评估环境胁迫条件下植物内在的生理调节能力，如耐干旱、耐高温、耐寒冷、耐盐碱能力。