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光合作用與葉綠素熒光

太陽光誘導葉綠素熒光（SIF）成像

近地遙感與無人機遙感

土壤呼吸與碳通量觀測

2016年夏季（7月）地球SIF分布，其中美國玉米種植帶的SIF最高（源自：Guanter, L., Alonso, L., Go?mez-Chova, L., Amoro?s-Lo?pez, J., Vila, J., & Moreno, J. Estimation of solar-induced vegetation fluorescence from space measurements. Geophysical Research Letters, 34(8), 2007）

易科泰生態(tài)技術(shù)公司“光合-呼吸-碳中和”事業(yè)部

西安易科泰光譜成像與無人機遙感技術(shù)研究中心

1. LCpro T與LCi T便攜式光合儀

新一代LCpro T光合儀，可與葉綠素熒光模塊耦合組成iFL光合作用與葉綠素熒光復合系統(tǒng)（下圖右）,，是葉片水平光合作用與生態(tài)系統(tǒng)固碳測量的理想選擇：

1)   超輕便：主機（4.1Kg）和手柄總重量不到5千克,，LCi T主機重量僅為2.4Kg

2)   長續(xù)航：新型鋰離子電池續(xù)航能力最大可達16小時

3)   GPS：野外隨時隨地記錄經(jīng)度,、緯度,、海拔數(shù)據(jù)

4)   控制實驗：光照,、溫度,、濕度,、CO2四因子梯度控制

5)   多功能測量室：寬葉室、窄葉室,、針葉室,、擬南芥葉室、冠層測量室,、土壤呼吸室,、多功能測量室、果實測量室等可選配各種測量室,，從而實現(xiàn)光合作用測量,、土壤呼吸測量、冠層水平光合呼吸測量等功能

6)   可與FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)組合（易科泰公司提供參考文獻）

7)   可配置手持式葉綠素熒光儀及葉夾式高光盤儀,，可運行所有通用葉綠素熒光分析實驗程序,，包括兩套熒光淬滅分析程序、3套光響應(yīng)曲線程序、OJIP-test,、穩(wěn)態(tài)熒光測量等,，及葉片反射光譜、吸收光譜,、VIs植物光譜反射植物測量等

8)   可與EcoDrone無人機遙感系統(tǒng)配合,，用于從葉片水平到景觀水平的碳源碳匯監(jiān)測研究及生產(chǎn)力評估等

左圖：LCpro光合儀南極測量研究藻類碳匯（引自Andrew Gray等，Remote sensing reveals Antarctic green snow algae as important terrestrial carbon sink. Nature Communication, 2020),；中圖,、右圖分別為不同小麥品種Ci-A響應(yīng)曲線、SIF（太陽光誘導葉綠素熒光）與最大羧化速率Vcmax的關(guān)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）

         與光合作用測量儀配套使用的便攜式儀器還有：FluorCam便攜式葉綠素熒光成像儀,、FluorPen手持葉夾式葉綠素熒光儀、PolyPen手持葉夾式植物高光譜儀等

2. OTC-Auto自動開啟式群落光合-呼吸觀測系統(tǒng)

OTC-Auto原位群落光合-呼吸監(jiān)測系統(tǒng)為易科泰專利產(chǎn)品（專利號：ZL 2020 2 0395637.6）,，采用國際先進傳感器技術(shù),，由原位安裝自動開啟式OTC（Open-top chamber）、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng),、CO₂分析儀及各種傳感器組成,，可選配葉綠素熒光監(jiān)測模塊、SCG-3土壤剖面CO₂梯度監(jiān)測,、微根窗根系動態(tài)觀測,、植被成像分析等。可配置單體式群落光合-呼吸監(jiān)測箱或多通道群落光合-呼吸監(jiān)測系統(tǒng),，用于野外或溫室內(nèi)單株植物或植物群落如濕地,、草原、農(nóng)田,、苔原等的光合-呼吸監(jiān)測,、碳通量監(jiān)測、生產(chǎn)力評估,、群落生理生態(tài)研究,、植物表型分析研究等。

主要功能特點：

1)   可實現(xiàn)對土壤,、植株,、群落乃至生態(tài)系統(tǒng)（如草原、濕地,、林下植被等）原位（in-situ）CO₂/CH4/H₂O通量,、光合-呼吸等持續(xù)監(jiān)測

2)   可配置單體式群落光合-呼吸監(jiān)測箱、雙體式群落光合-呼吸監(jiān)測箱（用于對比實驗等）,、或多通道式碳通量監(jiān)測系統(tǒng)

3)   自動開啟,，內(nèi)置擴散式高精度生態(tài)監(jiān)測專用CO₂和CH4傳感器，可選配O₂傳感器,，無需配置復雜以及高耗能的氣體抽樣系統(tǒng)（即氣泵和相應(yīng)的管路控制等）

4)   基礎(chǔ)配置包括CO₂,、CH4、空氣溫濕度,、PAR（光合有效輻射）,、土壤水分溫度等參數(shù)，可選配雨量筒,、太陽輻射,、大氣壓、水位,、及O₂測量等其它傳感器

5)   高靈敏度甲烷傳感器用于濕地等碳通量監(jiān)測（在此情況下建議同時選配O2傳感器）

6)   模塊式結(jié)構(gòu),，配置靈活，具備強大的可擴展性

7)   植被監(jiān)測建議選配NDVI（歸一化指數(shù)）和PRI（光化學指數(shù)）監(jiān)測傳感器

8)   可選配流通式（具抽樣泵）CO2與CH4同步監(jiān)測,；或外置式（氣體分析儀不在測量室內(nèi)）多參數(shù)溫室氣體分析系統(tǒng),，同步監(jiān)測CO₂、CH₄,、N₂O及NH₃等溫室氣體,，CH₄和N₂O等MDCD（Minimum detectable concentration difference）可達ppb級

9)   可選配外置式CO2、O2和H2O測量檢測

10)  可選配葉綠素熒光監(jiān)測模塊,，以進行葉綠素穩(wěn)態(tài)熒光Fs,、光量子產(chǎn)量、熒光淬滅,、OJIP,、光響應(yīng)曲線等監(jiān)測分析

11)  可擴展選配SCG-N土壤剖面不同梯度CO₂／O₂監(jiān)測，易科泰專利技術(shù)（專利號：ZL 2016 2 0734283.7）

12)  可擴展選配植物/作物生理生態(tài)監(jiān)測,，同步監(jiān)測葉面溫度,、莖桿生長、果實生長,、光合作用等生理生態(tài)參數(shù)

13)  可無線數(shù)據(jù)傳輸

左圖：OTC-Auto野外安裝運行,；右圖：在南極利用OTC及葉綠素熒光監(jiān)測模塊監(jiān)測小氣候?qū)Φ匾潞吞μ\光合過程的影響

（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. 太陽光誘導葉綠素熒光成像技術(shù)，Mapping Photosynthesis

光合作用是地球最重要的生命活動,，并導致地球高級生命形式的誕生及碳源的降低,。葉綠素熒光是光合作用看得見的指標（visible indicator of Photosynthesis），近百年來一直強烈吸引科學家們的興趣,，被認為是一種快速非損傷的CO2同化“探針”,。脈沖調(diào)制技術(shù)（Pulse Amplitude Modulated technique，簡稱PAM）是目前市場上幾乎所有葉綠素熒光測量儀器的通用技術(shù)方法,。

PAM技術(shù)包括目前科學家廣泛使用的FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)儀器設(shè)備,，都需要人工光源（一般用LED光源）作為激發(fā)光,，限制了其在野外原位測量葉綠素熒光——特別是自然條件下太陽光誘導激發(fā)的葉綠素熒光（SIF，Solar-Induced-Fluorescence）測量,。鑒于SIF測量技術(shù)的重大意義,，近幾十年來科學家及有關(guān)機構(gòu)（包括美國NASA與歐洲太空局等）對其進行了大量探索研究，高光譜技術(shù)特別是高光譜成像技術(shù)的發(fā)展,，使SIF測量成像成為可能,，如由芬蘭Specim公司、德國Juelich研究中心和歐洲太空局（ESA）地球探測項目（SIFLEX）研制的Hyplant傳感器,，是世界上第一款商業(yè)化機載高光譜太陽光誘導葉綠素熒光成像儀（商業(yè)產(chǎn)品AisaIBIS,，由Specim生產(chǎn)，由于價格昂貴,，目前已停產(chǎn)）,。

夫瑯和費線深度法是目前國際上廣泛采用的SIF太陽光誘導葉綠素熒光提取技術(shù)。易科泰生態(tài)技術(shù)公司根據(jù)夫瑯和費譜線O2-A深度葉綠素熒光提取FLD3模型,，研制生產(chǎn)并客戶定制系列近地遙感與無人機遙感高光譜成像與SIF成像儀器設(shè)備：

1)   SpectraScan?近地遙感與EcoDrone?無人機遙感平臺

2)   SIF（太陽光誘導葉綠素熒光）成像分析（762nm）,，結(jié)合LCpro T光合儀、FluorPen手持式葉綠素熒光儀等,，全面分析植物葉片水平,、冠層水平及景觀水平光合作用生理生態(tài)狀況（右圖為植物反射光譜及反射率（白板校準），注意762nm的O2-A吸收峰值,。數(shù)據(jù)來自易科泰光譜成像與無人機遙感技術(shù)研究中心實驗數(shù)據(jù)）

3)   高光譜成像分析,，包括VISIR可見光近紅外高光譜成像及900-1700nm或1000-2500nm高光譜成像分析

4)   高光譜-紅外熱成像分析（近地遙感與無人機遙感）

5)   高光譜-激光雷達或高光譜-激光雷達-紅外熱成像分析（無人機遙感）

4、PhenoPlot SIF-高光譜成像系統(tǒng)

    PhenoPlot SIF-高光譜成像系統(tǒng)為輕便型或移動式高光譜成像與太陽光誘導葉綠素熒光成像（SIF）地面遙感系統(tǒng),，基于SpectraScan近地遙感平臺,、高光譜成像技術(shù)與夫瑯和費線深度法SIF成像技術(shù)（通過FluorVision-SIF軟件進行太陽光誘導葉綠素熒光成像分析），可通過SIF及植被結(jié)構(gòu)特征指數(shù),、植被冠層光合生理指數(shù),，根據(jù)LUE模型分析GPP（總初級生產(chǎn)力）。

    目前國內(nèi)普遍采用基于海洋光學QE-Pro高光譜儀技術(shù)進行冠層SIF測量監(jiān)測,，其缺點為只能對視野范圍內(nèi)進行“點測量”得到一個平均值,，不能監(jiān)測空間分布差異。SIF-高光譜成像技術(shù)可對視野范圍進行成像分析,，從而得到時間和空間分布差異,，其主要技術(shù)特點為：

?        輕便型或移動式近地遙感平臺，也可客戶定制固定式懸浮雙規(guī)近地遙感平臺

?        可進行（植被反射光）高光譜成像分析

?        可基于夫瑯和費線深度法FLD3模型提取葉綠素熒光（F760）,，進行SIF成像分析

6)   可選配Thermo-RGB融合成像分析,，區(qū)分陽光照射葉片和陰影葉片的氣孔導度響應(yīng)，可成像測量分析陽光照射葉片,、陰影葉片及土壤等不同組分的面積,、溫度等,，進一步解析冠層不同光照組分光合作用等狀態(tài)。陽光照射葉片有著比陰影葉片更高的Vcmax,，其光合作用,、氣孔導度、溫度等不同表現(xiàn)可以深入研究分析環(huán)境（光照）,、植物冠層結(jié)構(gòu),、生產(chǎn)力等之間的相互關(guān)系

?        植被結(jié)構(gòu)指數(shù)：可成像分析NDVI,、RDVI,、OSAVI、EVI,、MCARI,、MTVI等十幾個植被結(jié)構(gòu)指數(shù)，并據(jù)此成像分析LAI等

?        光合物候觀測指數(shù)：可成像分析PRI570,、PRI515,、CCI、NIRv,，并據(jù)此成像分析GPP

?        FLD3 SIF成像分析,、太陽光誘導葉綠素熒光指數(shù)成像分析

?        防水防塵：IP67

左圖：銅錢草葉綠素熒光光譜，其中藍色曲線為施加敵草?。?/span>DCMU）,、紅色未施加敵草隆,；右圖：銅錢草太陽光誘導葉綠素熒光成像,，其中左邊為未施加敵草隆，右邊施加敵草隆,，施加敵草隆后由于PSII QA電子傳遞被抑制（光化熒光淬滅阻斷）,，葉綠素熒光增強（上述數(shù)據(jù)均來自易科泰光譜成像與無人機遙感技術(shù)研究中心）

5、EMS-ET植物生理生態(tài)與多光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)

    EMS-ET植物生理生態(tài)與多光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)基于植物生理生態(tài)傳感器技術(shù)和多光譜傳感器技術(shù),，在線監(jiān)測植物莖桿生長,、莖流、冠層溫度,、土壤水分與溫度,、空氣溫濕度與PAR及不同波段植物反射光譜，從而全天候,、高時間分辨率觀測分析植被冠層光合物候與生理生態(tài),，并進一步分析總初級生產(chǎn)力GPP。系統(tǒng)可安裝在專用支架上或通量塔上,，也可安裝在移動平臺上,。

主要功能特點：

?        UV,，藍色（459-479nm或450-500nm）、綠色（545-565nm或500-600nm）,、531nm,、570nm、紅色（620-670nm或650-700nm）,、紅外（841-876nm或775-900nm）,、650nm、800nm等不同光譜波段傳感器

?        可持續(xù)高時間分辨率監(jiān)測PAR,、NDVI,、PRI及冠層溫度等

?        光合物候觀測：PRI、CCI,、NIRv等指數(shù),，并根據(jù)GPP=APAR x ? 監(jiān)測分析總初級生產(chǎn)力

?        可選配莖桿生長、莖流等生理生態(tài)傳感器及土壤傳感器

?        可擴展選配SCG-3土壤剖面CO2梯度監(jiān)測

?        可安裝在高塔或移動平臺上

基于PRI,、CCI和NIRv模型可以很好地擬合通量塔觀測的季節(jié)性GPP變化（Wong等,，2020）