基于叶绿素荧光的光能利用效率光谱探测的研究.pdfVIP

基于叶绿素荧光的光能利用效率光谱探测研究· 刘良云，程占慧 中国科学院对地观测与数字地球科学中心，北京，100190 摘要：鉴于叶绿素荧光的光合作用“探针”功能，通过叶绿素荧光的光谱探测方法，是有 可能提供一种光能利用效率的可靠遥感监测方法。论文设计了冬小麦日变化试验，并利用 叶绿素荧光光谱分离算法，提取了光合作用叶绿素荧光信号，结果验证了基于叶绿素荧光 光谱模型的光能利用效率探测是可行的，760nm和688nm波长的叶绿素荧光相对强度与光能 利用效率存在可靠的负相关关系，即叶绿素荧光占反射或入射能量的比例越高，光能利用 效率越低，且统计模型的复相关系数(R2)分别为0．64和0．78。与基于光化学植被指数的光能 利用率模型进行了对比，表明基于荧光的光能利用率模型能够更好的跟踪短期植被光能利 用率变化。论文建立的具有物理意义的光能利用效率光谱探测模型，为光能利用效率的遥 感探测提供了一种全新的解决思路。 关键词： 光能利用率，荧光，夫琅和费暗线，光谱，光合作用 l引言 光能利用效率是植物光合作用的重要概念，也是区域尺度以遥感参数模型监测植被生 产力的关键参数。全球变化问题的突现和遥感技术的广泛应用，使基于光能利用效率的遥 感模型被普遍应用于区域农林业生态系统，甚至于全球尺度生态系统监测和评价中。但目 前基本没有可参考的光能利用效率直接遥感监测方法，只能通过监测植被类型和水热条件 方式，对光能利用效率进行人工赋值，从而给区域和全球生态系统的遥感监测与评价带来 很大的不确定性。 光合作用过程中有一部分光能损耗以较长波长的叶绿素荧光方式释放(通常不到l％的 入射能量)。尽管自然太阳光照条件下叶绿素荧光信号与植被反射光谱信号是叠加在一起 的，但已有很多学者的研究发现，可以利用植被反射光谱中的Fraunhofer线，设计叶绿素 荧光的光谱分离算法，实现了自然条件下的太阳诱导叶绿素荧光的光谱分离与探测【l圳。鉴 于叶绿素荧光的光合作用“探针”功能，通过叶绿素荧光的光谱分离与探测方法，是有可 能提供一种更直接可靠的植被光能利用效率的遥感监测方法。 2材料与试验 2．1试验对象 以冬小麦为试验对象，设计日变化试验，获取冬小麦的冠层光谱、光合、光照、温度 等环境参数及其日变化数据。实验于2008年4月18日在北京农林科学院农场进行，此时 小麦处于拔节期。挑选正常肥水管理、且长势均匀的实验小区，小麦叶面积指数为5．8， 植被覆盖度将近100％。 2．2田间光谱测定 利用三角架固定一水平悬杆，光谱仪探头固定在：悬杆另一端并垂直向下观测，光谱仪 ‘基金项目：国家自然基金项目资助 Pro 探头距植被冠层1．3m。冠层光谱测量采用ASD FIR光谱仪。植被光谱测定 FieldSpec 采用辐射亮度(Radiance)观测模式，测定冠层反射的辐照度光谱，并在植被辐照度光谱测定 前后，测定参考板反射的辐照度光谱。并将测定的参考板反射的辐照度光谱除以参考板光 谱反射率，得到太阳到达植被冠层的辐照度光谱。日变化试验从9：00开始，从9：00至 15：30每隔半小时测定一次植被和参考板的冠层辐照度光谱。 2．3小麦光合测定 采用美国LI．COR公司的LI 6400光合仪，在观测植被群体中挑选有代表性的5个最 上一片展开叶，从早上9：oo开始至17：30结束，与光谱测定同步，每隔30分钟测量太 阳光照下的5叶片的光合作用参数，取5片叶的平均值代表小麦群体的光合作用水平。根 据测定的叶片净光合速率和太阳入射光合有效辐射，则可以根据以下公式计算某一时刻的 叶片光能利用率， LUE(％)=Pn(u (1) 3．光能利用效率的光谱探测方法与结果 太阳是地球生命活动与能量循环的驱动源泉，也是被动遥感最主要的辐射源。研究太 阳光与地物相互作用机理是遥感应用研究的基础。太阳光谱辐射与叶片相互作用基本上包 也是植物光合作用可以吸收利用的部分。光合有效辐射的大部分被叶片吸收，其中图中比 例为48％-94