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日光诱导叶绿素荧光（SIF）观测系统

发布时间：

2025-12-12

概述：为何 SIF 成为植被监测的 “黄金信号”

在植物光合作用的能量转化过程中，吸收的太阳光能主要通过三种途径消耗：光合作用（光化学过程）、热耗散（能量散失），以及非光化学淬灭过程中释放的一小部分能量 —— 即日光诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）。作为植物光合中心在自然光激发下释放的光谱信号（波长 650-800nm），SIF 的强度与光合效率直接关联，堪称反映植被 “生理活性” 的实时探针。

目前研究表明，SIF 与总初级生产力（Gross Primary Productivity，GPP）、蒸腾作用（Transpiration，T）存在显著相关性；而冠层导度作为衡量植物生态系统整体气孔交换能力的关键指标，又对光合作用中二氧化碳的吸收效率、蒸腾作用中水蒸气的释放过程起着调控作用。基于这一关联，通过 SIF 探测技术实现对冠层导度的估算，即可进一步有效反演 GPP 与 T 的具体数值。

当前，SIF 已成为生态学、碳循环与农业遥感领域的研究热点。其中，FluoreSens™10 系统基于夫琅禾费暗线提取技术与高分辨率光谱探测，突破了传统观测局限，可实现冠层尺度 SIF 的自动化、长期化监测，为生态系统碳通量估算、作物长势评估、环境胁迫预警提供关键数据支撑。

核心原理高分辨率光谱技术

FluoreSens™10 以高分辨率光谱探测技术为核心，构建叶绿素荧光（SIF）观测的专业解决方案。在自然光照环境中，即便 SIF 信号在传感器接收光谱中占比低、且与植被反射光谱高度交织，设备仍能依托成熟的大气吸收带（又称大气黑暗带）反演逻辑，精准锁定关键观测维度 —— 其聚焦的 760nm O₂A 波段、687nm O₂B 波段，恰好与 650-800nm 的 SIF 产生区间重叠；同时利用夫琅禾费暗线位置（即吸收带）太阳入射辐照度与地表反射辐亮度相对微弱的特性，让 SIF 对吸收带的 “填充效应” 充分凸显，大幅提升该区域 SIF 信号的识别占比。

基于这一科学特性，FluoreSens™10 通过专业算法测量吸收线内外的入射与反射辐亮度，结合波段内外反射、荧光特性的合理假设，对比太阳入射辐照度光谱与植被反射辐亮度光谱中暗线及相邻谱区的相对强度，最终实现 SIF 信号的高效提取与精准反演，这一过程正是 SIF “反演” 逻辑的核心体现，为后续生态研究与植被监测奠定坚实数据基础。

SIF的应用

植被总初级生产力（GPP）估算

总初级生产力（GPP）是植被在单位面积、单位时间内通过光合作用固定的有机碳总量，是生态系统碳循环的核心参数，也是全球碳循环研究的关键命题。目前已有大量研究证实，日光诱导叶绿素荧光（SIF）在生产力梯度、季节周期等广泛场景下与GPP呈显著比例关系，因此SIF已成为高效估算GPP的重要技术手段。

植被蒸腾量（T）估算

植被蒸腾作用（T）是植物通过叶片气孔向大气释放水蒸气的过程：蒸腾时气孔开启，既释放水蒸气，又为光合作用输送所需的氧气（供能）与二氧化碳（碳合成原料），是连接水循环与碳循环的关键耦合机制，与SIF存在紧密关联。基于植被冠层辐射传输过程，通过构建由SIF驱动、融合植被光合机理模型与气孔导度模型的光合蒸腾模型，可实现对植被蒸腾量的精准估算。

遥感SIF数据验证

近年来，SIF卫星遥感反演技术发展迅速，已依托多个卫星平台的高光谱数据，成功生成覆盖全球范围的SIF产品，为宏观生态研究提供了数据支撑，而地面SIF观测数据（如FluoreSens™10获取的数据）可作为关键参照，用于验证卫星遥感SIF产品的准确性与可靠性。

生态系统碳通量精细划分

可依托SIF相关观测与反演数据，辅助精确划分净生态系统交换量（NEE）与生态系统呼吸量（RECO）：NEE反映生态系统与大气间的净碳交换，RECO则是生态系统中生物呼吸释放的碳量，二者的精准划分对解析生态系统碳源/汇功能、评估碳循环平衡具有重要意义。

核心参数：专业配置满足科研与应用需求

高精度：捕捉微弱 SIF 信号

高分辨率光谱仪：搭载海洋光学 QE Pro 光谱仪，光谱范围 650-800nm，光谱分辨率 0.41nm，采样间隔 0.2nm，可精准区分暗线内外的光谱差异；
低噪声设计：信噪比（SNR）达 1000:1，动态范围 85000:1，有效抑制环境光干扰，确保弱 SIF 信号的准确探测；

高稳定：适应复杂野外环境

两级 TEC 控温：维持光谱仪 CCD 工作温度恒定（-10℃），不受野外昼夜温差（0-50℃）影响；
耐用性结构：主机箱采用防水、防尘设计,光纤导线器防积水、防灰尘，适应草原、森林、农田等多样场景；
连续运行能力：功耗仅 150W，支持 120/230V AC 宽电压输入，可配合太阳能供电系统实现偏远地区长期观测。

高灵活：多场景适配与扩展

多平台兼容：可搭载于塔基、三角支架、无人机（需定制），实现从叶片到冠层、从单点到区域的多尺度观测；
系统集成性：内置 CR系列数据采集器，可与CPEC310或IRGASON等通量系统集成协同观测；
扩展功能：可选配 FLAME 光谱仪（350-1000nm），同步测量 NDVI、EVI、PRI 等植被指数，满足多参数联合分析需求。