叶绿素荧光遥感反演及其农业监测应用研究进展

近年快速发展起来的日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence, SIF)可直接量化植被的实际光合作用,为实现大面积农作物及时有效监测提供新的手段,在农业监测领域中具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。因此,本文分析近年来卫星SIF遥感的发展趋势,从理论上解释遥感信息中提取SIF的难度,总结叶绿素荧光远程检测原理及多重影响因素;对比分析基于辐射传输方程的算法、简化的物理模型算法和数据驱动算法3种反演方法的优缺点,系统梳理卫星SIF产品及其反演方法;从响应敏感性和监测机理方面探讨SIF遥感在监测作物环境胁迫和生产力与产量评估应用中的主要方法与最新技术。由于当前用于SIF反演的卫星传感器均不是专门进行荧光探测,SIF产品具有空间不连续、时空分辨率较低等缺点,在卫星SIF数据反演方法、作物胁迫监测、SIF与GPP机理联系、SIF数据同化等方面仍有较多待解决的问题。今后需继续深入研究SIF遥感的作物环境胁迫响应机理与生产力估算方法,进一步集成荧光、热红外、微波等多源遥感,进而大幅度提高农业监测能力,以保障国家农业安全生产,为SIF遥感深入应...     

四种常用的太阳诱导植被叶绿素荧光反演方法对比分析研究

【目的】太阳诱导叶绿素荧光(SIF)是一种新型的植被参数,可用于监测植物光合作用状态和评估总初级生产力。利用模拟数据对比分析常用SIF反演方法的精度,为野外测量仪器SIF反演方法的选择提供理论基础。【方法】选择SCOPE模型模拟了不同生化理化参数下的模拟数据,并以该数据为基础生成不同光谱分辨率(SR)和不同信噪比(SNR)下的模拟数据集。选择4种常用SIF反演方法进行SIF反演:夫琅禾费暗线法(FLD),3FLD、iFLD和光谱拟合法(SFM)。【结果】基于模拟数据的反演结果表明SFM和i FLD方法能够获得更准确的SIF,其均方根误差(RMSE)分别为0.1142 W/m~2/μm/sr和0.1114 W/m~2/μm/sr;3FLD法亦能取得较准确的SIF结果,其RMSE为0.2014 W/m~2/μm/sr;而FLD法的精度较差,其RMSE大于0.5 W/m~2/μm/sr。在高SR和SNR条件下,SFM和iFLD法明显优于3FLD和FLD法,但随着SR和SNR的降低,4种反演方法的精度也随之降低,其中iFLD法受SNR影响最为明显。【结论】利用SFM和iFLD方法能够得到更准确的SIF反演结果,且随着仪器SR和SNR的提高其反演精度也随着提高,但iFLD方法易受SNR的影响。因此,对于光谱分辨率优于1 nm的测量仪器应优先选择SFM方法来反演SIF。     

甘蔗苗期低温胁迫对叶绿素a荧光诱导动力学的影响

利用ＯＳ５－ＦＬ叶绿素荧光调制仪研究低温胁迫（５±２）℃对蔗叶光合作用的影响。结果表明,低温胁迫下蔗叶叶绿素ａ荧光诱导动力学曲线发生明显变化,Ｆｖ／Ｆｍ,Ｆｖ／Ｆｏ,ＤＣＰＩＰ光还原活性,量子产量和Ｒｆｄ值降低,说明ＰＳⅡ原初光能转换效率和潜在光合作用活力均受到抑制,不抗寒品种如ＭＴ７０－６１１抑制程度明显高于抗寒品种如ＦＡ８１－７４５;研究还表明,低温胁迫下荧光猝灭减慢,光化学猝灭系数和非光化学     

叶绿素荧光分析在研究植物热胁迫中的应用

叶绿素荧光是光合作用能量转换的探针,叶绿素荧光分析具有测量准确、获得结果迅速、反应灵敏的优点。利用叶绿素荧光仪(FMS-2)研究热胁迫引起的光合作用失活结果表明:不同温度(35℃、40℃、42℃、44℃、46℃、48℃、50℃、52℃)处理下,植物叶片受伤害程度不一样。35℃作为对照,温度越高,植物受伤害程度越深,光系统Ⅱ最大量子产量(Fv/Fm)和有效量子产量(△F/Fm′)越小。     

叶绿素荧光动力学及其在植物抗逆生理研究中的应用

概述了叶绿素荧光动力学的基本原理和测量方法，以及近年来叶绿素荧光动力学在植物抗逆生理研究中的应用，包括植物对光抑制、低温、热、水分和盐碱、营养、病原菌侵染等各种环境因子胁迫的反应。     

基于植被指数、叶绿素荧光和碳通量的华北山地人工林物候对比研究

  目的  物候指植被生长发育的节律性变化,是对气候和环境变化长期适应的结果。本文通过研究植被指数（NDVI、EVI）和日光诱导叶绿素荧光（SIF）与总初级生产力（GPP）之间关系,探究各指数在研究区反映植被动态变化的能力,为深入了解人工林对气候变化的响应提供参考。  方法  利用Timesat 3.3软件对2007—2011年MODIS NDVI、EVI、GOME-2 SIF、通量塔GPP数据分别进行滤波。采用双逻辑斯蒂方程对4种指数时间序列进行拟合并根据曲线最大变化速率提取生长季开始期（SOS）和生长季结束期（EOS）。利用相关性分析、均方根误差分析研究NDVI、EVI、SIF反映植被动态特征的能力。  结果  （1）2007—2011年MODIS NDVI、EVI、GOME-2 SIF、通量塔GPP这4种时间序列曲线变化特征基本一致,NDVI、EVI、SIF月均值均与GPP月均值呈现显著正相关关系。（2）GPP月均值与NDVI、EVI之间决定系数R2在春季、秋季均大于SIF。然而,在夏季GPP月均值与NDVI呈现显著相关性,与EVI和SIF并无明显线性关系。（3）NDVI、EVI、SIF与GPP提取物候参数的均方根误差结果显示:利用EVI提取物候参数结果与GPP最为接近,其次为NDVI,最后为SIF。  结论  在本研究区内,MODIS NDVI、EVI能够更好地反映植被动态变化特征。由于NDVI、EVI数据是依据植被冠层结构光谱特性和叶片反射率提取的物候信息,因此会导致植被指数（NDVI、EVI）提取物候期比GPP提取物候开始期提前和物候结束期滞后。利用SIF数据提取物候参数SOS和EOS均提前于GPP数据提取物候参数S0S和EOS。SIF数据由于像元覆盖面积与通量塔GPP数据不完全吻合影响了GPP与SIF之间的相关关系。      

水分胁迫对葡萄叶绿素荧光参数的影响

通过设置土壤含水量为15%、10%、5%三个水分胁迫处理,测定各处理的叶绿素荧光,研究水分胁迫对葡萄叶绿素荧光参数的影响。结果表明:随着胁迫强度的加强可变荧光(Fv)下降,PSⅡ的原初光能转换效率(Fv/Fm)和光量子产额减少,光电子传递效率(etr)降低;恢复过程中,15%胁迫容易恢复,10%胁迫较易恢复,5%胁迫不能恢复。Fv、Fv/Fm、etr、Yield对胁迫和恢复反应敏感,都可以作为葡萄抗旱品种快速鉴定的指标,Fv的可靠性最强。光化学淬灭系数(qp)和非光化学淬灭系数(nqp)在胁迫初期都逐渐变大,在胁迫后期出现相反对应的变化趋势,在恢复过程中比较稳定,反应了葡萄在受到水分胁迫时的光合调节和自我保护能力,但qp和nqp不宜作为快速鉴定抗旱品种的指标。     

甘蔗苗期低温胁迫对叶绿素a荧光诱导动力学的影响

利用OS5－FL叶绿素荧光调制仪研究低温胁迫（5±2）℃对蔗叶光合作用的影响．结果表明,低温胁迫下蔗叶叶绿素a荧光诱导动力学曲线发生明显变化,Fv／Fm、Fv／Fo、DCPIP光还原活性、量子产量（Y）和Rfd值降低,说明PSⅡ原初光能转换效率和潜在光合作用活力均受到抑制,不抗寒品种如MT70－611抑制程度明显高于抗寒品种如FA81－745;研究还表明,低温胁迫下荧光粹灭减慢,光化学碎灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（qN）降低,说明低温胁迫也直接影响了光合作用的碳同化．MDA含量分析表明,低温胁迫下不抗寒品种的MDA含量增幅高于抗寒品种．并讨论了低温对光合作用影响的机制及利用叶绿素a荧光诱导动力学鉴定甘蔗抗寒性的可能性．     

水分胁迫对葡萄叶绿素荧光参数的影响

本研究通过设置土壤含水量为15%、10%、5%三个水分胁迫处理,测定各处理的叶绿素荧光,研究水分胁迫对葡萄叶绿素荧光参数的影响.结果表明:随着胁迫强度的加强,可变荧光(Fv)下降 ,PSⅡ的原初光能转换效率(Fv/Fm)和光量子产额(Yield)减少,光电子传递效率(etr)降低;恢复过程中,15%胁迫容易恢复,10%胁迫较易恢复,5%胁迫不能恢复.Fv 、Fv/Fm、etr、Yield对胁迫和恢复反应敏感,都可以作为葡萄抗旱品种快速鉴定的指标,Fv的可靠性最强.光化学淬灭系数(qp)和非光化学淬灭系数(nqp)在胁迫初期都逐渐变大,在胁迫后期出现相反对应的变化趋势,在恢复过程中比较稳定,反应了葡萄在受到水分胁迫时的光合调节和自我保护能力,但qp和nqp不宜作为快速鉴定抗旱品种的指标.     

盐胁迫对茅苍术叶绿素含量及叶绿素荧光参数的影响

以茅苍术为材料,采用盆栽试验方法,研究不同盐浓度(0.0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.6%)胁迫后茅苍术叶片叶绿素含量和叶绿素荧光参数的变化规律。结果表明,低浓度盐胁迫(NaCl浓度≤0.2%)对茅苍术叶绿素含量和叶绿素荧光参数影响不明显,但随着盐浓度增加,茅苍术叶绿素含量、光下最大荧光(F_m′)、PSⅡ有效光化学量子产量(F_v′/F_m′)、PSⅡ最大光化学量子产量(F_v/F_m)、PSⅡ潜在光化学活性(F_v/F_o)、光化学猝灭系数(q_P)和表观电子传递速率(ETR)逐渐下降,初始荧光(F_o)和非光化学猝灭系数(NPQ)逐渐升高;尤其在0.8%和1.6%处理组茅苍术叶绿素含量、叶绿素荧光参数均有显著变化。综上可知,在低浓度盐胁迫(NaCl浓度≤0.2%)土壤中茅苍术的生长发育基本正常,但在高浓度盐胁迫(NaCl浓度0.4%)土壤中其生长发育受到明显抑制。     

仙客来叶绿素荧光特性对高温胁迫的响应

利用调制叶绿素荧光技术对仙客来叶绿素荧光特性对短期高温胁迫的生理响应进行了研究.结果表明,35℃短期高温胁迫抑制了仙客来叶片最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、最大光化学效率(Fv/Fm)和潜在光化学活性(Fv/F0),提高了初始荧光(F0)和非光化学淬灭系数(NPQ),对光化学猝灭系数(qp)和ΦPSⅡ无显著影响(P＞0.05).表明仙客来对高温反应敏感,短期高温胁迫即可损害仙客来PSⅡ反应中心,电子传递途径受阻.     

盐胁迫下棉花叶绿素荧光参数的变化

通过对比耐盐和盐敏感棉花材料在盐胁迫下的叶绿素荧光参数的变化,探究棉花在盐害下的自我保护机制及筛选鉴定棉花耐盐性的生理生化指标。以耐盐材料中棉所35和盐敏感材料中棉所12为试验材料,设置梯度分别为0(对照)、100、200、300及400 mmol/L的NaCl溶液处理四叶期的棉花幼苗,测定叶绿素荧光参数。结果表明,耐盐棉花材料和盐敏感棉花材料在叶绿素荧光参数变化趋势上具有明显差异。叶绿素荧光参数可作为鉴定棉花耐盐性的生理生化指标,进一步研究将综合其他多种生理生化指标构建数学模型,定量衡量棉花的耐盐性强弱。     

植被叶面积指数遥感反演方法研究进展

叶面积指数(leaf area index,LAI)是描述植被冠层结构关键参数。本文着重介绍遥感反演植被LAI模型理论发展,以及国内外利用不同传感器数据估测LAI的研究进展。     

干旱胁迫对欧李叶绿素荧光特性的影响

为了探讨干旱胁迫对欧李叶绿素荧光特性的影响,以欧李为试验材料,通过干旱胁迫处理,测定了其初始荧光F_o、可变荧光F_v、最大PSⅡ量子产率F_v/F_m、稳态下PSⅡ反应中心光化学淬灭系数qP、非光化学淬灭系数qN等的响应。结果表明,干旱胁迫条件下,欧李叶绿素荧光特性受到显著影响。随着水分含量的降低,欧李叶片的初始荧光F_o呈逐渐增加趋势,T1处理受到的影响最小。F_v、F_v/F_m、qP均随水分的减少而降低（α=0.05）,qN随水分的减少而升高（α=0.05）,但是T1处理与对照相比差异不显著,说明水分供应在60%以上时不影响欧李叶片PSⅡ反应中心的开放程度,进而不影响叶片捕获的光能转化为生物化学能,在此过程中反应中心较为稳定。     

聚乙二醇胁迫对茶树幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

以铁观音为试验材料,研究了聚乙二醇(PEG)胁迫对茶树幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响.结果表明,在PEG胁迫下,茶树幼苗叶片的基础荧光(Fo)显著升高,最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潜在活性(Fv/Fo)显著下降,说明PEG胁迫使茶树幼苗叶片PSⅡ反应中心受到伤害;PEG胁迫还降低了茶树的光化学反应速率(Prate),缩短了荧光上升时间(T1/2)、抑制了PSⅡ反应中心电子的传递(ETR降低),导致天线色素热耗散速率(Drate)和光合功能相对限制值[L(PFD)]升高,光化学猝灭(qP)和PSⅡ实际光化学效率(Yield)显著下降.     

缺硫胁迫对水稻叶绿素荧光动力学的影响

采用水培的方法,对缺硫水稻叶片的光合特性进行了研究。结果表明,在缺硫情况下,水稻叶片的光合色素含量、净光合速率(Pn)、初始荧光(Fo)、光化学效率(Fv/Fm)、有效光化学效率(F′v/F′m)、实际光化学效率ФPSⅡ和电子传递速率(ETR)显著下降,非光化学能量耗散(NPQ)增加,缺硫水稻的光合能力降低。PSⅡ反应中心破坏或可逆性失活没有造成水稻叶绿素PSⅡ活性降低,而非光化学能量耗散增加造成了缺硫水稻Fo下降,这很可能是水稻植株适应缺硫逆境的一种机制。     

盐胁迫下不同耐盐性水稻幼苗叶绿素荧光差异性研究

试验研究结果表明:随着NaCl胁迫浓度和时间的增加,2个供试水稻品种(Pokkali和Peta)的初始荧光、最大光化学效率、表观电子传递速率、光量子产量和光化学猝灭系数不断下降;100 mmoL/L NaCl胁迫下2个水稻品种叶绿素含量、非光化学猝灭系数先上升后下降;200 mmoL/L Nacl胁迫下2个水稻品种的叶绿素含量不断下降,Pokkali的非光化学猝灭系数先上升后下降,Peta的非光化学猝灭系数不断下降;相同处理条件下Pokkali的光合速率、叶绿素含量、最大光化学效率、表观电子传递速率、光量子产量、光化学猝灭系数、非光化学猝灭系数明显高于Peta,这与Pokkali的耐盐性有关.     

水分胁迫对不同甘蔗品种叶绿素a荧光动力学的影响

利用 OS5- FL调制式叶绿素荧光分析仪研究水分胁迫对不同甘蔗品种叶片叶绿素 a荧光动力学的影响 .结果表明 :水分胁迫下蔗叶可变荧光产量 (Fv值 )下降 ,T1/ 2 减少 ,蔗叶光系统 (PS )原初光能转换效率(Fv/ Fm)和 PS 潜在活性 (Fv/ Fo)降低 ;蔗叶可变荧光衰减能力 (Δ Fv)下降 ,光合作用潜在活力降低 ,影响光合电子传递和 CO2 同化的正常进行 ,表现为可变荧光淬灭速率 (Δ Fv/ Fo)减慢 ,荧光下降比值 (Δ Fv/ Ft值 )变小 ,光合量子产额 (Yield)减少 .同时还讨论了水分胁迫对蔗叶光合作用影响的机制     

水分胁迫对广藿香叶绿素荧光特征的影响

以广藿香为供试材料,采用盆栽试验方法,研究不同土壤水分对广藿香叶绿素荧光参数的影响。结果表明,土壤水分胁迫对广藿香初始荧光(F_0)、最大荧光(F_m)、可变荧光(F_v)、PSⅡ最大光化学效率(F_v/F_m)、PSⅡ电子传递量子产率(ΦPSⅡ)均有显著影响(P0.05);随着土壤水分胁迫强度增大和胁迫时间的延长,广藿香光化学效率(F_v/F_m)呈下降趋势,下降程度表现为土壤田间最大持水量的20%(RWC 20%)土壤田间最大持水量的95%(RWC 95%)土壤田间最大持水量的40%(RWC 40%)土壤田间最大持水量的80%(RWC 80%)土壤田间最大持水量的60%(RWC 60%);RWC 60%处理广藿香叶绿素荧光参数水平最佳,此土壤水分条件有利于广藿香生长。