森林高度改善了卫星光合作用估计

2020年生长季SIF-GPP关系关键参数的全球平均空间分布：（A）LAI，（B）SIF逃逸概率，（C）卫星观测的SIF（SIFobs），（D）总冠层激发SIF（SIFtotal），（E）阳光照射的LAI，（F）sh

美国佐治亚州，2026 年 11 月 2 日 /EINPresswire.com/ — 卫星太阳诱导的叶绿素荧光 (SIF) 可以跟踪太空中的光合作用，但冠层结构可能会扭曲信号。一项全球研究表明，森林高度通过控制荧光逃逸以及阳光照射和阴影叶子之间的平衡来改变 SIF 与总初级生产力 (GPP) 的关系，从而能够更准确地估计陆地碳吸收量。

总初级生产力（GPP），即植物通过光合作用固定的碳，是生态系统功能和全球碳循环的基础。卫星观测到的太阳诱导的叶绿素荧光 (SIF) 被用作 GPP 的代表，因为荧光与光合能量分配有关。然而，SIF-GPP 关系因植被类型和环境条件而异，而卫星仅检测到逃离树冠的荧光。叶子排列、冠层密度、观察几何形状和辐射传输可能会掩盖生理信息。森林高度影响光截获，但其在 SIF 解释中的作用仍未得到充分量化。基于这些挑战，需要深入研究森林高度如何调节SIF-GPP关系。

来自南京大学、福建师范大学、多伦多大学和中国地质大学的研究人员于2026年8月19日在《遥感杂志》上发表了这项研究。这项工作解决了一个持续存在的卫星遥感挑战：尽管冠层结构存在重大差异，但仍将 SIF 观测结果转化为生态系统光合作用的可靠估计。研究小组将全球森林高度观测结果与 SIF 角度归一化和两叶模型相结合，测试了树冠高度是否可以解释森林荧光信号和碳吸收之间的系统变化。

该研究确定了森林高度重塑 SIF-GPP 关系的两种机制。较高的冠层会降低荧光光子逃逸到太空的可能性，因为较长的路径会增加散射和吸收。在所分析的森林类型中，逃生概率随着高度的增加而持续下降。较高的森林也相应地包含更少的阳光照射叶子和更多的阴影叶子，这两种趋势在 P < 0.001 时都很显着。由于阳光照射的叶子主导了 SIF 发射，而遮荫的叶子对 GPP 贡献很大，因此这种结构转变提高了 GPP 与 SIF 的比率，为全球范围内卫星 SIF 观测中与高度相关的偏差提供了清晰的物理解释。

不同森林类型的 GPP 与观察到的 SIF 之比 K 随森林高度的增加而一致增加。在校正 SIF 的逃逸概率后，Kt = GPP/SIFtotal 的高度依赖性变弱，表明光子逃逸是主要的结构驱动因素。双叶分析揭示了另一种不对称性：阳光照射的叶子产生更强的荧光，而阴影的叶子产生更高的平均 GPP，并且通常更大的 GPP 与 SIF 比率。阳光照射的叶面积通常被限制在 2 或更小，而在更高、更密的森林中，随着总叶面积的增加，阴影叶面积持续增加。此次修正也改变了区域解释。在亚马逊地区，原始卫星 SIF 明显低于东南亚或北美东部，但校正后的总冠层 SIF 与东南亚相当，并且更接近北美东部。这表明结构校正可以恢复具有生理意义的信息，否则这些信息会被全球范围内高度多样化的冠层结构中的复杂冠层所抑制。

作者强调了实际意义，写道“未来的 SIF 遥感校正框架应将森林高度作为一个结构因素。”他们认为，冠层高度信息可以完善 SIF-GPP 模型，并改进基于卫星的全球光合生产力估计。他们补充说，未来的研究应该在更精细的空间尺度上通过更高精度的观测来测试该框架。

研究人员将来自 GEDI 观测的全球 30 米森林高度产品与 2020 年 TROPOMI 近红外 SIF 数据相结合，汇总至 0.2° 分辨率。他们应用了基于几何光学的角度归一化模型，该模型可以区分阳光照射和阴影下的叶子荧光并估计 SIF 逃逸概率。两叶光利用效率GPP产品提供了相应的生产力组件。 MODIS 叶面积指数和丛集指数数据，加上 ESA-CCI 土地覆盖信息，支持冠层表征。排除云量为 0.2 或更大的 SIF 观测结果，以减少晴空偏差。

将森林高度添加到卫星光合作用模型中可以改善全球 GPP 估计，特别是在高大茂密的森林中，那里的树冠结构强烈抑制了观察到的荧光。更好的 GPP 监测将加强对生态系统碳吸收、森林生产力和气候碳反馈的评估。未来的工作可以将更精细的冠层高度图与下一代 SIF 观测和更高分辨率的生态数据集结合起来。这种整合可以改善区域和全球碳核算，同时帮助研究人员区分植被的结构变化和对气候变化、干扰或森林管理的生理反应。

参考
DOI
10.34133/遥感.1061

原始来源网址

资金信息
该研究得到国家重点研发计划（2024YFF1308100）、国家自然科学基金（42471347）和江苏省自然科学基金（BK20240068）的支持。

王露西
生物设计研究