【RS Notes】Mohammed et al., 2019 植被SIF遥感近50年进展（未完）

DOI: 10.1016/j.rse.2019.04.030

可以关注一下本文的作者团：Gina H. Mohammed, , Roberto Colombo, Elizabeth M. Middleton, Uwe Rascher, Christiaan van der Tol, Ladislav Nedbal, Yves Goulas, Oscar Pérez-Priego, Alexander Damm, Michele Meroni, Joanna Joiner, Sergio Cogliati, Wouter Verhoef, Zbyněk Malenovský, Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry, John R. Miller, Luis Guanter, Jose Moreno, Ismael Moya, Joseph A. Berry, Christian Frankenberg, Pablo J. Zarco-Tejada。涵盖了加拿大、意大利、美国、德国、荷兰、法国、瑞士、澳大利亚、西班牙等多国的SIF遥感研究者。

科学问题

• 如何用遥感获取SIF？
• 如何应用SIF对光合作用和环境胁迫进行分析？

SIF的历史

• 有记录的最早的SIF观测：1834年，Brewster发现月桂叶的酒精萃取液收到日光照射时发出红光。当红光继续穿过萃取液时，颜色由红变橙再变黄（这可能是叶绿素的重吸收）。
• 用荧光（Fluorescence）来描述这一现象：1852年，Stokes。
• 最早提出荧光和光合作用之间可能存在关联：1874年，Müller。
• 最早证实这一关联：1931年，Kautsky和Hirsch。
• 最早使用调制激发光探测CF：1963年，Duysens和Sweers。

前三位都是光学领域的大牛级人物。Brewster角，Stokes矢量，Müller矩阵。

注意区别CF和SIF。激发光源是日光才能叫SIF，一般意义下的要用CF，因为还有主动探测PAM激发的荧光。

稳态叶绿素荧光（Steady-State Chlorophyll Fluorescence）与植被生理

暗适应（Dark-Adapted）的叶片受到光照后，光化学淬灭（Photochemical Quenching, PQ）会迅速达到饱和，此时荧光达到最大值；之后随着非光化学过程的启动，荧光强度会有所削弱，最终达到稳态。稳态荧光有时候也被称为终态荧光或静止荧光。

荧光的光谱范围是650--800 nm，有两个峰值区域，一个在红光685--690 nm范围（），另一个在远红光/近红外730--740 nm范围（）。

荧光涉及到光系统I和II，其中PSII既发射红光也发射远红光，而PSI主要发射远红光。

植被吸收光合有效辐射后的三个途径：光化学电子输运（光合作用）、热耗散（两种途径：既定的（Constitutive），呈现周期性变化；以及调节的（Regulated），对光强的短期变化产生快速响应），以及叶绿素荧光发射。CF在三者中占据的比例是动态变化的，但通常不超过10%，典型值为0.5--3%。

图1 稳态条件下叶片吸收光能的分配

PSII对各种生物和非生物胁迫都会产生响应，这导致了光化学电子输运能力的变化，因而常常进一步导致荧光发射的变化。但这一过程是非常复杂的，涉及到植物的多种光保护机制：

• 通过叶片或叶绿体运动来避免吸收光
• 筛选（Screening）光辐射
• 清除（Scaveging）活性氧
• 光呼吸（Photorespiration）
• PSI周围的循环电子流
• 通过状态转换（光收集化合物的转换）在PSII和PSI之间重新分配光能
• 光系统化学计量（Stoichiometry）的调整（PSII和PSI的相对量）

当然，还有调节热耗散这（Regulated Thermal Dissipation）一途径。这之中涉及到叶黄素（Xanthophyll）—类胡萝卜素（Carotenoids）—紫黄质（Violaxanthin）—花药黄质（Antheraxanthin）—玉米黄质（Zeaxanthin）的相互转化，以及叶黄素—环氧化合物循环这一互补机制。后者限于耐荫（Shade-Tolerant）或木质的物种。

对于荧光遥感来说，重要的就是将不同来源的影响分离开。

稳态荧光的测量

受控（实验室）条件下的测量

• 荧光显微镜
• 成像系统（如PAM等）
• 高分辨率光谱仪
• 荧光计
• 激光诱导荧光系统
• 激光雷达
• 非成像PAM系统

不同的测量手段有各自的特点，详见原文表1。

地面测量

• PAM
• LIFT
• 机载激光

（卫星）遥感测量

• 需要使用辅助信息来减小误差源的影响
• 要利用辐射传输理论来考虑重吸收效应
• 同时进行红光荧光和远红光荧光的测量是非常有价值的

一个很大的问题还是在于地面测量和卫星测量结果之间不可比。这将是一个长期的努力方向。

叶绿素荧光的建模

图5 主要的荧光模型