北方針葉林光合作用SIF與碳通量多尺度耦合研究——FloX 與 LI-7200 的結合應用

閱讀：130 發布時間：2026-1-29

原文以Modelling sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) in evergreen conifer forests with a terrestrial biosphere model 為標題發表在 EGUsphere 上

作者 | Thum T, Pacheco-Labrador J, Aurela M 等

北半球高緯度地區正經歷比全球其他區域更為顯著的氣候變化。這些地區的北方森林，在全球碳循環中發揮了關鍵作用，其生物量中儲存的碳量約為 264.9 ± 10.5 PgC。北方森林具有明顯的時間變化特征。在季節尺度上，氣溫、土壤溫濕度、光照條件的變化共同驅動了植被生理活動。

在這種生態系統中，若僅依賴植被“綠度"遙感指標，難以準確刻畫常綠針葉林的光合作用。相比之下，日光誘導葉綠素熒光（solar-induced chlorophyll fluorescence，SIF）能夠更直接、可靠地反映光合作用動態。

SIF 信號源于葉片吸收光子的能量分配：光能可驅動光化學反應、以熒光形式釋放，或以熱能耗散。葉片中的非光化學猝滅（non-photochemical quenching，NPQ）調節熱耗散強度，從而影響熒光信號。

在北方針葉林中，持續性 NPQ（sustained NPQ）在冬季尤為顯著：葉片在低溫、高光條件下將過剩能量以熱形式耗散。這一機制通常僅可通過主動葉綠素熒光觀測技術（如脈沖調制熒光法）估算。被動 SIF 觀測雖不能直接測量持續性 NPQ，但能通過模型間接推斷其動態。

葉片尺度的 SIF 觀測已有數十年歷史，為理解光合作用機理提供了堅實基礎。然而，當研究尺度擴展至冠層時，SIF 信號會受到多次散射、再吸收及土壤背景干擾。因此，為準確解釋冠層尺度 SIF，需要將輻射傳輸模型與生物過程模型耦合，進而提取出SIF信號的機理驅動因素。

北方針葉林帶的歐洲赤松（Scots pine）SIF 發射光譜（引自 Magney et al., 2019b）。其中，實線表示 FloX 觀測及 TROPOMI 衛星 SIF 反演所采用的波段位置，彩色影區表示 PhotoSpec 系統用于 SIF 反演的波長范圍。

近年來，SIF 已成功整合進陸地生物圈模型（TBMs），輔助碳循環研究。例如，葉片尺度的 FluorMod 模型被整合入 SCOPE 模型，SCOPE 將 Farquhar 光合作用模型與基于 SAIL 的冠層輻射傳輸過程相結合，實現站點尺度的 SIF 模擬。進一步改進后，SIF 可用于反演總初級生產力（GPP），并與光合作用過程建立緊密耦合關系。

本研究旨在改進葉綠素熒光建模方法，使 TBMs 能充分利用多源 SIF 數據，并為未來數據整合研究奠定基礎。具體目標包括：（1）測試不同 SIF 輻射傳輸模型的穩健性；（2）評估持續性 NPQ 在模型中的作用。本研究重點關注以下科學問題：

哪些輻射傳輸模型在 SIF 模擬中能兼顧穩健性與計算效率？
如何在模型中合理刻畫持續性非光化學猝滅對 SIF 信號的影響？
原位觀測與衛星觀測的 SIF 在模型構建中的優勢各是什么？

在Sodankyl?芬蘭站點，研究者們采用 FloX 日光誘導葉綠素熒光測量系統（JB Hyperspectral Devices, Düsseldorf, Germany）和 LI-7200 閉路式渦度相關通量觀測系統（LI-COR, Lincoln, NE, USA），對北方常綠針葉林的 SIF 信號和生態系統碳通量同步進行高精度觀測。

FloX 日光誘導葉綠素熒光測量系統

FloX 系統特點

高光譜分辨率：光譜儀分辨率 0.3 nm，采樣間隔 0.17 nm，能夠捕捉微弱熒光變化。
高信噪比（SNR）：高達 1000，精確捕捉紅光/近紅外葉綠素熒光波段（650–800 nm）信號。
雙通道上行/下行測量：下行通道測量太陽入射輻射（視場角 180°），上行通道測量冠層反射輻射（視場角 25°），同時獲取入射與反射光數據，有助于輻射傳輸建模與信號解耦。
溫控設計：光譜儀嵌入溫控外殼，保持暗電流穩定，提高長期戶外觀測精度與可靠性。

LI-7200 閉路式渦度相關通量觀測系統

LI-7200 核心優勢

高精度氣體濃度測量：高頻溫度和壓力測量系統，可直接獲得真實摩爾分數，實現 CO?/H?O 通量的準確測量。
穩定可靠的溫控設計：光源與探測器溫度可控，即使環境溫度大幅波動仍能保持測量穩定。
優異的光學性能與抗污染能力：精密光學元件降低灰塵等環境干擾，藍寶石防刮鏡片易于現場清潔；光學系統與溫控設計提升長期穩定性，即使數周未清潔仍可保持準確。
主流觀測網絡：廣泛應用于 NEON、ICOS 等國際主流通量觀測網絡。

LI-7200 提供了生態系統凈碳交換（NEE）、總初級生產力（GPP）及生態系統呼吸（Reco）數據。

這一組合實現了光合作用光學信號與氣體交換數據的同步記錄，使 SIF 與實際碳通量能夠高精度對比與整合。

該研究在美國 Niwot Ridge、加拿大薩斯喀徹溫省、芬蘭 Sodankyl? 三個常綠針葉林站點開展。通過將 QUINCY 模型與塔基 SIF 觀測及 TROPOMI 衛星 SIF 數據對比分析，結果發現：

不同冠層輻射傳輸模型在季節尺度上表現總體類似，能夠合理再現 SIF 的時間變化與季節特征。
L2SM 方法在多站點表現穩定，計算效率高，適合大尺度模型應用。
持續性 NPQ 在解耦模擬 SIF 與光合有效輻射吸收（absorbed PAR）關系中起到了關鍵作用，不同站點氣候條件會影響模型表現。
衛星觀測數據（如 TROPOSIF）對原位觀測起到了補充作用，在尺度模型中，有潛力用于持續性 NPQ 的參數化及模型驗證。

三個不同站點在 6 月和 7 月期間半小時尺度下，GPP 與遠紅光波段 SIF 之間的觀測關系（a）與模擬關系（b）。模擬結果采用 L2SM 方法。CA-Obs 站點為半小時分辨率數據，FI-Sod 和 US-NR1 站點為小時分辨率數據。圖中，午前的數據以圓點表示，午后的數據以叉號表示；實線表示雙曲函數擬合結果。

綜上，FloX 與 LI-7200 的結合不僅實現了 SIF 與 CO? 通量的同步觀測，還為模型改進與多尺度數據整合提供了堅實數據基礎。原位觀測、衛星數據與 TBMs 的耦合能夠更全面的解析北方森林光合作用季節動態及其碳循環過程，這為將來基于多源 SIF 數據的綜合研究提供了可行路徑。

北方針葉林光合作用SIF與碳通量多尺度耦合研究——FloX 與 LI-7200 的結合應用

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