Using spectral chlorophyll fluorescence and the photochemical reflectance index to predict physiological dynamics

光化学反射率指数 叶绿素荧光 大气辐射传输码 辐射传输 遥感 荧光 生物系统 环境科学 光辉 光合作用 光化学 化学 物理 光学 生物 生物化学 地质学
作者
Jon Atherton,Caroline Nichol,Albert Porcar‐Castell
出处
期刊:Remote Sensing of Environment [Elsevier]
卷期号:176: 17-30 被引量:57
标识
DOI:10.1016/j.rse.2015.12.036
摘要

Observations of terrestrial chlorophyll fluorescence and the Photochemical Reflectance Index (PRI) from space have the potential to improve estimates of global carbon exchange. However the relationship between photosynthetic rate and these measurements is complicated by several factors that relate to the dissipation of absorbed light energy via both photochemical (photosynthesis) and non-photochemical pathways. Numerical simulations of physiological remote sensing signals require the coupling of physically-based radiative transfer models with models of physiological dynamics. These schemes provide the quantitative frameworks from which physiological information can be extracted from remote sensing observations of vegetation, helping to resolve the aforementioned complexities. We present such a framework that links physiological fluorescence theory with spectral remote sensing type measurements at the leaf scale. We show how a simple expression can be used to predict the quantum yield of photochemistry (ΦPSII), a proxy for photosynthetic efficiency, from spectral measurements and modelled non-photochemical quenching (NPQ). We tested two alternate models of NPQ; one process-based (PHOTOII) and the other empirical, based on visible region reflectance changes (the PRI). We used a Monte Carlo Radiative Transfer (MCRT) model to retrieve the separated yields of chlorophyll fluorescence from photosystems II and I. Measurements of dynamic spectral fluorescence, the PRI, hemispherical reflectance and transmittance, saturation pulse integrated fluorescence and pigment contents were collected from maple leaves and used to calibrate and validate the modelling framework. Both NPQ models reproduced the observed photochemical and non-photochemical dynamics. Future work is recommended to scale the framework across space, time and species.
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