原文以Modelling sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) in evergreen conifer forests with a terrestrial biosphere model 为标题发表在 EGUsphere 上
作者 | Thum T, Pacheco-Labrador J, Aurela M 等

北半球高纬度地区正经历比全球其他区域更为显著的气候变化。这些地区的北方森林，在全球碳循环中发挥了关键作用，其生物量中储存的碳量约为 264.9 ± 10.5 PgC。北方森林具有明显的时间变化特征。在季节尺度上，气温、土壤温湿度、光照条件的变化共同驱动了植被生理活动。

在这种生态系统中，若仅依赖植被“绿度”遥感指标，难以准确刻画常绿针叶林的光合作用。相比之下，日光诱导叶绿素荧光（solar-induced chlorophyll fluorescence，SIF）能够更直接、可靠地反映光合作用动态。

SIF 信号源于叶片吸收光子的能量分配：光能可驱动光化学反应、以荧光形式释放，或以热能耗散。叶片中的非光化学猝灭（non-photochemical quenching，NPQ）调节热耗散强度，从而影响荧光信号。

在北方针叶林中，持续性 NPQ（sustained NPQ）在冬季尤为显著：叶片在低温、高光条件下将过剩能量以热形式耗散。这一机制通常仅可通过主动叶绿素荧光观测技术（如脉冲调制荧光法）估算。被动 SIF 观测虽不能直接测量持续性 NPQ，但能通过模型间接推断其动态。

叶片尺度的 SIF 观测已有数十年历史，为理解光合作用机理提供了坚实基础。然而，当研究尺度扩展至冠层时，SIF 信号会受到多次散射、再吸收及土壤背景干扰。因此，为准确解释冠层尺度 SIF，需要将辐射传输模型与生物过程模型耦合，进而提取出SIF信号的机理驱动因素。
北方针叶林带的欧洲赤松（Scots pine）SIF 发射光谱（引自 Magney et al., 2019b）。其中，实线表示 FloX 观测及 TROPOMI 卫星 SIF 反演所采用的波段位置，彩色影区表示 PhotoSpec 系统用于 SIF 反演的波长范围。

近年来，SIF 已成功整合进陆地生物圈模型（TBMs），辅助碳循环研究。例如，叶片尺度的 FluorMod 模型被整合入 SCOPE 模型，SCOPE 将 Farquhar 光合作用模型与基于 SAIL 的冠层辐射传输过程相结合，实现站点尺度的 SIF 模拟。进一步改进后，SIF 可用于反演总初级生产力（GPP），并与光合作用过程建立紧密耦合关系。

• 哪些辐射传输模型在 SIF 模拟中能兼顾稳健性与计算效率？
• 如何在模型中合理刻画持续性非光化学猝灭对 SIF 信号的影响？
• 原位观测与卫星观测的 SIF 在模型构建中的优势各是什么？

在Sodankylä芬兰站点，研究者们采用 FloX 日光诱导叶绿素荧光测量系统（JB Hyperspectral Devices, Düsseldorf, Germany）和 LI-7200 闭路式涡度相关通量观测系统（LI-COR, Lincoln, NE, USA），对北方常绿针叶林的 SIF 信号和生态系统碳通量同步进行高精度观测。

• 高光谱分辨率：光谱仪分辨率 0.3 nm，采样间隔 0.17 nm，能够捕捉微弱荧光变化。
• 高信噪比（SNR）：高达 1000，精确捕捉红光/近红外叶绿素荧光波段（650–800 nm）信号。
• 双通道上行/下行测量：下行通道测量太阳入射辐射（视场角 180°），上行通道测量冠层反射辐射（视场角 25°），同时获取入射与反射光数据，有助于辐射传输建模与信号解耦。
• 温控设计：光谱仪嵌入温控外壳，保持暗电流稳定，提高长期户外观测精度与可靠性。

• 高精度气体浓度测量：高频温度和压力测量系统，可直接获得真实摩尔分数，实现 CO₂/H₂O 通量的准确测量。
• 稳定可靠的温控设计：光源与探测器温度可控，即使环境温度大幅波动仍能保持测量稳定。
• 优异的光学性能与抗污染能力：精密光学元件降低灰尘等环境干扰，蓝宝石防刮镜片易于现场清洁；光学系统与温控设计提升长期稳定性，即使数周未清洁仍可保持准确。
• 全球主流观测网络首选：广泛应用于 NEON、ICOS 等国际主流通量观测网络。

• 不同冠层辐射传输模型在季节尺度上表现总体类似，能够合理再现 SIF 的时间变化与季节特征。
• L2SM 方法在多站点表现稳定，计算效率高，适合大尺度模型应用。
• 持续性 NPQ 在解耦模拟 SIF 与光合有效辐射吸收（absorbed PAR）关系中起到了关键作用，不同站点气候条件会影响模型表现。
• 卫星观测数据（如 TROPOSIF）对原位观测起到了补充作用，在全球尺度模型中，有潜力用于持续性 NPQ 的参数化及模型验证

三个不同站点在 6 月和 7 月期间半小时尺度下，GPP 与远红光波段 SIF 之间的观测关系（a）与模拟关系（b）。模拟结果采用 L2SM 方法。CA-Obs 站点为半小时分辨率数据，FI-Sod 和 US-NR1 站点为小时分辨率数据。图中，午前的数据以圆点表示，午后的数据以叉号表示；实线表示双曲函数拟合结果。