光合作用与叶绿素荧光

太阳光诱导叶绿素荧光（SIF）成像

近地遥感与无人机遥感

土壤呼吸与碳通量观测

2016年夏季（7月）地球SIF分布，其中美国玉米种植带的SIF最高（源自：Guanter, L., Alonso, L., Gómez-Chova, L., Amorós-López, J., Vila, J., & Moreno, J. Estimation of solar-induced vegetation fluorescence from space measurements. Geophysical Research Letters, 34(8), 2007）

易科泰生态技术公司“光合-呼吸-碳中和”事业部

西安易科泰光谱成像与无人机遥感技术研究中心

1. LCpro T与LCi T便携式光合仪

新一代LCpro T光合仪，可与叶绿素荧光模块耦合组成iFL光合作用与叶绿素荧光复合系统（下图右），是叶片水平光合作用与生态系统固碳测量的理想选择：

1)   超轻便：主机（4.1Kg）和手柄总重量不到5千克，LCi T主机重量仅为2.4Kg

2)   长续航：新型锂离子电池续航能力最大可达16小时

3)   GPS：野外随时随地记录经度、纬度、海拔数据

4)   控制实验：光照、温度、湿度、CO2四因子梯度控制

5)   多功能测量室：宽叶室、窄叶室、针叶室、拟南芥叶室、冠层测量室、土壤呼吸室、多功能测量室、果实测量室等可选配各种测量室，从而实现光合作用测量、土壤呼吸测量、冠层水平光合呼吸测量等功能

6)   可与FluorCam叶绿素荧光成像系统组合（易科泰公司提供参考文献）

7)   可配置手持式叶绿素荧光仪及叶夹式高光盘仪，可运行所有通用叶绿素荧光分析实验程序，包括两套荧光淬灭分析程序、3套光响应曲线程序、OJIP-test、稳态荧光测量等，及叶片反射光谱、吸收光谱、VIs植物光谱反射植物测量等

8)   可与EcoDrone无人机遥感系统配合，用于从叶片水平到景观水平的碳源碳汇监测研究及生产力评估等

左图：LCpro光合仪南极测量研究藻类碳汇（引自Andrew Gray等，Remote sensing reveals Antarctic green snow algae as important terrestrial carbon sink. Nature Communication, 2020)；中图、右图分别为不同小麦品种Ci-A响应曲线、SIF（太阳光诱导叶绿素荧光）与最大羧化速率Vcmax的关系（引自Carlos Camino等，Radiative transfer Vcmax estimation from hyperspectral imagery and SIF retrievals to assess photosynthetic performance in rainfed and irrigated plant phenotyping trials. Remote Sensing of Environment, 2019）

         与光合作用测量仪配套使用的便携式仪器还有：FluorCam便携式叶绿素荧光成像仪、FluorPen手持叶夹式叶绿素荧光仪、PolyPen手持叶夹式植物高光谱仪等

2. OTC-Auto自动开启式群落光合-呼吸观测系统

OTC-Auto原位群落光合-呼吸监测系统为易科泰专利产品（专利号：ZL 2020 2 0395637.6），采用国际先进传感器技术，由原位安装自动开启式OTC（Open-top chamber）、数据采集控制系统、CO₂分析仪及各种传感器组成，可选配叶绿素荧光监测模块、SCG-3土壤剖面CO₂梯度监测、微根窗根系动态观测、植被成像分析等。可配置单体式群落光合-呼吸监测箱或多通道群落光合-呼吸监测系统，用于野外或温室内单株植物或植物群落如湿地、草原、农田、苔原等的光合-呼吸监测、碳通量监测、生产力评估、群落生理生态研究、植物表型分析研究等。

主要功能特点：

1)   可实现对土壤、植株、群落乃至生态系统（如草原、湿地、林下植被等）原位（in-situ）CO₂/CH4/H₂O通量、光合-呼吸等持续监测

2)   可配置单体式群落光合-呼吸监测箱、双体式群落光合-呼吸监测箱（用于对比实验等）、或多通道式碳通量监测系统

3)   自动开启，内置扩散式高精度生态监测专用CO₂和CH4传感器，可选配O₂传感器，无需配置复杂以及高耗能的气体抽样系统（即气泵和相应的管路控制等）

4)   基础配置包括CO₂、CH4、空气温湿度、PAR（光合有效辐射）、土壤水分温度等参数，可选配雨量筒、太阳辐射、大气压、水位、及O₂测量等其它传感器

5)   高灵敏度甲烷传感器用于湿地等碳通量监测（在此情况下建议同时选配O2传感器）

6)   模块式结构，配置灵活，具备强大的可扩展性

7)   植被监测建议选配NDVI（归一化指数）和PRI（光化学指数）监测传感器

8)   可选配流通式（具抽样泵）CO2与CH4同步监测；或外置式（气体分析仪不在测量室内）多参数温室气体分析系统，同步监测CO₂、CH₄、N₂O及NH₃等温室气体，CH₄和N₂O等MDCD（Minimum detectable concentration difference）可达ppb级

9)   可选配外置式CO2、O2和H2O测量检测

10)  可选配叶绿素荧光监测模块，以进行叶绿素稳态荧光Fs、光量子产量、荧光淬灭、OJIP、光响应曲线等监测分析

11)  可扩展选配SCG-N土壤剖面不同梯度CO₂／O₂监测，易科泰专利技术（专利号：ZL 2016 2 0734283.7）

12)  可扩展选配植物/作物生理生态监测，同步监测叶面温度、茎杆生长、果实生长、光合作用等生理生态参数

13)  可无线数据传输

左图：OTC-Auto野外安装运行；右图：在南极利用OTC及叶绿素荧光监测模块监测小气候对地衣和苔藓光合过程的影响

（引自：Barták M. et al. Long-term study on vegetation responses to manipulated warming using open top chambers installed in three contrasting Antarctic habitats. Electronic Conference on Interactions between Antarctic Life and Environmental Factors, IPY-related Research Brno, October 22th-23th, 2009)

3. 太阳光诱导叶绿素荧光成像技术，Mapping Photosynthesis

光合作用是地球最重要的生命活动，并导致地球高级生命形式的诞生及碳源的降低。叶绿素荧光是光合作用看得见的指标（visible indicator of Photosynthesis），近百年来一直强烈吸引科学家们的兴趣，被认为是一种快速非损伤的CO2同化“探针”。脉冲调制技术（Pulse Amplitude Modulated technique，简称PAM）是目前市场上几乎所有叶绿素荧光测量仪器的通用技术方法。

PAM技术包括目前科学家广泛使用的FluorCam叶绿素荧光成像技术仪器设备，都需要人工光源（一般用LED光源）作为激发光，限制了其在野外原位测量叶绿素荧光——特别是自然条件下太阳光诱导激发的叶绿素荧光（SIF，Solar-Induced-Fluorescence）测量。鉴于SIF测量技术的重大意义，近几十年来科学家及有关机构（包括美国NASA与欧洲太空局等）对其进行了大量探索研究，高光谱技术特别是高光谱成像技术的发展，使SIF测量成像成为可能，如由芬兰Specim公司、德国Juelich研究中心和欧洲太空局（ESA）地球探测项目（SIFLEX）研制的Hyplant传感器，是世界上第一款商业化机载高光谱太阳光诱导叶绿素荧光成像仪（商业产品AisaIBIS，由Specim生产，由于价格昂贵，目前已停产）。

夫琅和费线深度法是目前国际上广泛采用的SIF太阳光诱导叶绿素荧光提取技术。易科泰生态技术公司根据夫琅和费谱线O2-A深度叶绿素荧光提取FLD3模型，研制生产并客户定制系列近地遥感与无人机遥感高光谱成像与SIF成像仪器设备：

1)   SpectraScan©近地遥感与EcoDrone®无人机遥感平台

2)   SIF（太阳光诱导叶绿素荧光）成像分析（762nm），结合LCpro T光合仪、FluorPen手持式叶绿素荧光仪等，全面分析植物叶片水平、冠层水平及景观水平光合作用生理生态状况（右图为植物反射光谱及反射率（白板校准），注意762nm的O2-A吸收峰值。数据来自易科泰光谱成像与无人机遥感技术研究中心实验数据）

3)   高光谱成像分析，包括VISIR可见光近红外高光谱成像及900-1700nm或1000-2500nm高光谱成像分析

4)   高光谱-红外热成像分析（近地遥感与无人机遥感）

5)   高光谱-激光雷达或高光谱-激光雷达-红外热成像分析（无人机遥感）

4、PhenoPlot SIF-高光谱成像系统

    PhenoPlot SIF-高光谱成像系统为轻便型或移动式高光谱成像与太阳光诱导叶绿素荧光成像（SIF）地面遥感系统，基于SpectraScan近地遥感平台、高光谱成像技术与夫琅和费线深度法SIF成像技术（通过FluorVision-SIF软件进行太阳光诱导叶绿素荧光成像分析），可通过SIF及植被结构特征指数、植被冠层光合生理指数，根据LUE模型分析GPP（总初级生产力）。

    目前国内普遍采用基于海洋光学QE-Pro高光谱仪技术进行冠层SIF测量监测，其缺点为只能对视野范围内进行“点测量”得到一个平均值，不能监测空间分布差异。SIF-高光谱成像技术可对视野范围进行成像分析，从而得到时间和空间分布差异，其主要技术特点为：

•        轻便型或移动式近地遥感平台，也可客户定制固定式悬浮双规近地遥感平台

•        可进行（植被反射光）高光谱成像分析

•        可基于夫琅和费线深度法FLD3模型提取叶绿素荧光（F760），进行SIF成像分析

6)   可选配Thermo-RGB融合成像分析，区分阳光照射叶片和阴影叶片的气孔导度响应，可成像测量分析阳光照射叶片、阴影叶片及土壤等不同组分的面积、温度等，进一步解析冠层不同光照组分光合作用等状态。阳光照射叶片有着比阴影叶片更高的Vcmax，其光合作用、气孔导度、温度等不同表现可以深入研究分析环境（光照）、植物冠层结构、生产力等之间的相互关系

•        植被结构指数：可成像分析NDVI、RDVI、OSAVI、EVI、MCARI、MTVI等十几个植被结构指数，并据此成像分析LAI等

•        光合物候观测指数：可成像分析PRI570、PRI515、CCI、NIRv，并据此成像分析GPP

•        FLD3 SIF成像分析、太阳光诱导叶绿素荧光指数成像分析

•        防水防尘：IP67

左图：铜钱草叶绿素荧光光谱，其中蓝色曲线为施加敌草隆（DCMU）、红色未施加敌草隆；右图：铜钱草太阳光诱导叶绿素荧光成像，其中左边为未施加敌草隆，右边施加敌草隆，施加敌草隆后由于PSII QA电子传递被抑制（光化荧光淬灭阻断），叶绿素荧光增强（上述数据均来自易科泰光谱成像与无人机遥感技术研究中心）

5、EMS-ET植物生理生态与多光谱在线监测系统

    EMS-ET植物生理生态与多光谱在线监测系统基于植物生理生态传感器技术和多光谱传感器技术，在线监测植物茎杆生长、茎流、冠层温度、土壤水分与温度、空气温湿度与PAR及不同波段植物反射光谱，从而全天候、高时间分辨率观测分析植被冠层光合物候与生理生态，并进一步分析总初级生产力GPP。系统可安装在专用支架上或通量塔上，也可安装在移动平台上。

主要功能特点：

•        UV，蓝色（459-479nm或450-500nm）、绿色（545-565nm或500-600nm）、531nm、570nm、红色（620-670nm或650-700nm）、红外（841-876nm或775-900nm）、650nm、800nm等不同光谱波段传感器

•        可持续高时间分辨率监测PAR、NDVI、PRI及冠层温度等

•        光合物候观测：PRI、CCI、NIRv等指数，并根据GPP=APAR x ɛ 监测分析总初级生产力

•        可选配茎杆生长、茎流等生理生态传感器及土壤传感器

•        可扩展选配SCG-3土壤剖面CO2梯度监测

•        可安装在高塔或移动平台上

基于PRI、CCI和NIRv模型可以很好地拟合通量塔观测的季节性GPP变化（Wong等，2020）