【核(hé)心摘要】

-北京師(shī)範大學實驗表(biǎo)明(míng)，SIF的"午(wǔ)晨比"（NMR）指(zhǐ)標(biāo)能(néng)在NDVI和(hé)EVI尚無響(xiǎng)應時(shí)檢測到中等(děng)水分(fēn)脅迫，嚴(yán)重脅(xié)迫時NMR降至(zhì)約0.5。

-伊利諾伊(yī)大(dà)學研究顯(xiǎn)示，基於高分辨(biàn)率(shuài)SIF（OCO-2）的(dí)產(chǎn)量(liáng)預測(cè)模(mó)型對2018年玉(yù)米(mǐ)R²達到0.77，大(dà)豆(dòu)達(dá)到0.78，誤差分別為1.14 t/ha和0.36 t/ha。

-月(yuè)均SIF比(bǐ)生(shēng)長季峰值或累積(jī)值(zhí)更能反映(yìng)不(bù)同生(shēng)育階段的(dí)脅迫(pò)信息，說明SIF捕(bǔ)捉的(dí)是隨(suí)生育(yù)期(qī)變化(huà)的時間動態。

-愛(ài)博能(néng)ABN-SIF-1/2在(zài)綫(xiàn)監(jiān)測係(xì)統提供分(fēn)鐘級SIF日變(biàn)化(huà)數(shù)據(jù)；ABN-SIF-UAV1/2無(wú)人機版本適(shì)合大麵(miàn)積(jī)田(tián)塊(kuài)巡(xún)查(chá)。

-兩類設備(bèi)配合使用，能在(zài)產(chǎn)量決定窗口期內提供比遙(yáo)感植被(bèi)指數(shù)更早的風(fēng)險信號(hào)。

什麼(mó)是(shì)日(rì)光誘導(dǎo)葉綠(lǜ)素(sù)熒光(guāng)（SIF）

日(rì)光(guāng)誘(yòu)導葉(yè)綠素熒(yíng)光(guāng)（Sun-Induced Fluorescence, SIF）是植物在光合(hé)作(zuò)用(yòng)過(guò)程(chéng)中(zhōng)向外釋放的微(wēi)弱光(guāng)信號。葉片(piàn)吸收太陽(yáng)光(guāng)後(hòu)，一部分(fēn)光能(néng)用於(yú)碳固定，另(lìng)一部分以(yǐ)熒光(guāng)形式(shì)散(sàn)發。SIF直(zhí)接反映光係統(tǒng)II（PSII）的(dí)實(shí)時運行(háng)效率。NDVI和EVI測(cè)量(liáng)的是(shì)冠(guān)層綠度(dù)，即葉片對(duì)可見光與近紅外光(guāng)的反(fǎn)射率比值(zhí)，屬於結構(gòu)層麵(miàn)的(dí)信(xìn)息。SIF屬(shǔ)於功(gōng)能(néng)層麵(miàn)的信(xìn)號，能在葉片外(wài)觀(guān)出現(xiàn)可(kě)見(jiàn)變(biàn)化(huà)之(zhī)前(qián)反映光(guāng)合效(xiào)率的(dí)波動。

水(shuǐ)分(fēn)脅迫信(xìn)號如(rú)何在(zài)SIF中(zhōng)顯(xiǎn)形

北(běi)京(jīng)師範大學的實驗對生長(cháng)期玉(yù)米(mǐ)施加了(liǎo)漸進(jìn)式水分脅迫(pò)，同(tóng)步采集SIF，NDVI，EVI的日(rì)變(biàn)化(huà)數據，持(chí)續觀(guān)測從正(zhèng)常(cháng)狀態到嚴重脅迫再到復水恢復的全過程。

傳統(tǒng)指數(shù)在脅迫(pò)初期(qī)的盲區

脅迫(pò)初(chū)期(qī)，植(zhí)株仍(réng)在(zài)生長，葉麵積指數（LAI）持續增(zēng)加，綠(lǜ)度指(zhǐ)數呈上(shàng)升(shēng)趨勢。NDVI和EVI在這(zhè)一階段(duàn)的響(xiǎng)應(yīng)微弱(ruò)。SIF的(dí)總熒(yíng)光量(liáng)同(tóng)樣(yàng)受(shòu)到葉(yè)麵積(jī)擴張(zhāng)的(dí)遮(zhē)蓋，生(shēng)理(lǐ)上已經(jīng)出(chū)現的水分壓(yā)力(lì)信(xìn)號被(bèi)總(zǒng)量(liáng)的增(zēng)長掩蓋(gài)了。

“午晨比"（NMR）指標的(dí)發(fā)現(xiàn)

研(yán)究者(zhě)提(tí)出(chū)了"午(wǔ)晨比(bǐ)"（NMR，noon-to-morning ratio）指標(biāo)：用(yòng)同一(yī)天(tiān)正午(wǔ)與(yǔ)清(qīng)晨的SIF值(zhí)相(xiāng)比。健康植株(zhū)在(zài)正午仍(réng)能維持高效光合(hé)運轉，NMR保(bǎo)持(chí)較(jiào)高水(shuǐ)平。受水分脅迫(pò)的植(zhí)株午(wǔ)間光合受到(dào)抑製(zhì)，清晨(chén)尚有(yǒu)餘力，NMR因此下降(jiàng)。

實驗數據呈(chéng)現了(liǎo)清(qīng)晰(xī)的梯度。當脅迫(pò)進入(rù)中(zhōng)等程(chéng)度，NMR的下降已(yǐ)經(jīng)可以辨(biàn)識(shí)，同期的(dí)NDVI和EVI變(biàn)化仍(réng)非(fēi)常(cháng)微弱。到嚴重脅迫階段(duàn)，SIF的NMR降至約0.5，降幅(fú)遠(yuǎn)大於傳統植被指數。復水(shuǐ)後(hòu)，NMR有所回升，但仍(réng)低(dī)於脅迫(pò)前(qián)水(shuǐ)平。

實驗結論：SIF的日(rì)變化(huà)特征(zhēng)可(kě)以在葉(yè)片(piàn)外觀尚(shàng)無可(kě)見(jiàn)變(biàn)化時(shí)，捕捉到(dào)水分(fēn)限製已(yǐ)經開(kāi)始(shǐ)壓製光合效率(shuài)的(dí)信號(hào)。

隨(suí)著(zhuó)水分(fēn)脅(xié)迫(pò)加(jiā)劇及復水後(hòu)，NDVI（紫(zǐ)色），EVI（青色(sè)），SIFAy（綠(lǜ)色(sè)）和(hé) SIFBy（藍(lán)色(sè)）的(dí)正午(wǔ)-早晨比值(zhí)（NMR）變化。(b) 圖(tú)內直(zhí)方圖(tú)顯示了RSM的(dí)下降(jiàng)。

從(cóng)脅迫信號到產(chǎn)量(liáng)預測

檢測到(dào)脅(xié)迫(pò)隻是第一(yī)步。伊利(lì)諾伊大(dà)學的(dí)研究進一步驗(yàn)證(zhèng)了SIF信(xìn)號與最終產(chǎn)量(liáng)之間(jiān)的(dí)量化(huà)關係(xì)。

研究設(shè)計

研究(jiū)團(tuán)隊(duì)針對美國中(zhōng)西部(bù)12個州的雨養玉米和大(dà)豆，係統比較了不(bù)同衛(wèi)星(xīng)數據在(zài)產(chǎn)量(liáng)預(yù)測中的(dí)表現。數據源(yuán)包(bāo)括OCO-2和TROPOMI的SIF產品(pǐn)，GOME-2的SIF，以(yǐ)及NDVI，EVI，NIRv等(děng)傳(chuán)統(tǒng)植(zhí)被指數，配合5種(zhǒng)機器學習(xí)算法建(jiàn)模。模型基(jī)於2015至(zhì)2017年(nián)歷史數據訓練(liàn)，用於(yú)正向預測2018年產量。

預測結(jié)果

高(gāo)分辨率SIF（來(lái)自(zì)OCO-2）對(duì)2018年(nián)玉米產(chǎn)量(liáng)預測的R²達到(dào)0.77，大(dà)豆達到(dào)0.78，誤差分(fēn)別(bié)為1.14 t/ha和0.36 t/ha。這(zhè)是(shì)在(zài)收割之(zhī)前，僅(jǐn)憑生(shēng)長(cháng)季(jì)SIF數(shù)據(jù)得出(chū)的估算(suàn)。粗(cū)分(fēn)辨率的(dí)GOME-2 SIF在玉(yù)米上的(dí)R²為(wéi)0.53。兩組(zǔ)數據之間的(dí)精度(dù)差(chà)距，與衛星空間分(fēn)辨(biàn)率直(zhí)接相關：OCO-2的像元尺寸更(gēng)小(xiǎo)，對田塊異質(zhì)性的(dí)捕捉更充(chōng)分。

月均(jūn)SIF的(dí)時間(jiān)價(jià)值(zhí)

研究發現，月均SIF比"生長(cháng)季峰(fēng)值(zhí)"或"累積SIF"更(gēng)能(néng)反映不同生育階段的(dí)脅(xié)迫(pò)信息(xī)。這一(yī)結(jié)果(guǒ)指向一個判(pàn)斷：脅迫信號的時間(jiān)分布(bù)對(duì)產量的(dí)決定作用，強(qiáng)於脅迫(pò)總量。月均(jūn)SIF保(bǎo)留了生(shēng)育期(qī)內(nèi)的階(jiē)段(duàn)性波(bō)動(dòng)信(xìn)息(xī)，峰值(zhí)或(huò)累(léi)積值將這些波動壓縮(suō)為(wéi)一個(gè)標量，丟失了"何時(shí)受脅迫(pò)"這一(yī)對(duì)產量影響最大的維度。

產量(liáng)取決於脅(xié)迫發生的(dí)時間節(jié)點(diǎn)。抽穗(suì)期的一(yī)周幹旱(hàn)和灌(guàn)漿(jiāng)期的兩周幹旱，對(duì)最終(zhōng)產(chǎn)量的影響差別(bié)很(hěn)大。月均SIF恰好(hǎo)保(bǎo)留(liú)了這(zhè)種(zhǒng)時(shí)間(jiān)分辨率(shuài)。

基(jī)於氣候(hòu)與遙(yáo)感綜合變量的(dí)隨(suí)機(jī)森林模型對2018年玉(yù)米（左）和(hé)大豆(dòu)（右(yòu)）產量(liáng)的預(yù)測(cè)偏(piān)差分(fēn)布。模(mó)型(xíng)使(shǐ)用2015–2017年數(shù)據(jù)進行(háng)訓練。

地麵連續(xù)監測(cè)：補(bǔ)上衛(wèi)星SIF的(dí)分辨率缺口(kǒu)

衛(wèi)星SIF在大尺度產量預測(cè)上已有(yǒu)相當(dāng)積累，空間分辨率限製了它(tā)在田(tián)塊(kuài)層麵的(dí)精度，單田(tián)塊的預(yù)測仍存(cún)在(zài)較大(dà)不(bù)確定性。

地麵連(lián)續(xù)監測(cè)在(zài)這裏(lǐ)補上(shàng)了空(kōng)缺。它(tā)以分(fēn)鐘(zhōng)級時間分辨率記錄(lù)冠層SIF的日變(biàn)化，與(yǔ)NMR指(zhǐ)標的采樣需求直接(jiē)對接。地麵SIF信(xìn)號(hào)來自(zì)目標田塊本身，避免了(liǎo)衛(wèi)星混合(hé)像元帶(dài)來的(dí)幹擾。

ABN-SIF-1/2在綫(xiàn)式(shì)日(rì)光誘(yòu)導葉綠(lǜ)素(sù)熒光(guāng)監測(cè)係統

我(wǒ)們提供的ABN-SIF-1/2在綫監測係統全天候自動(dòng)采(cǎi)集日光誘導葉綠素熒(yíng)光(guāng)時序(xù)數據，用(yòng)於(yú)作物生理狀態(tài)的(dí)連續跟蹤。係(xì)統在脅迫出(chū)現的(dí)早期提(tí)供生理(lǐ)層(céng)麵(miàn)的預警窗口，數據精度(dù)覆蓋(gài)NMR計(jì)算(suàn)所需(xū)的全(quán)天候日變(biàn)化(huà)信息。

ABN-SIF-UAV1/2無人(rén)機(jī)載(zǎi)日光誘(yòu)導(dǎo)葉綠素(sù)熒光監(jiān)測(cè)係統

ABN-SIF-UAV1/2無(wú)人機載版(bǎn)本(běn)適(shì)合(hé)大麵(miàn)積田塊的定(dìng)期(qī)巡查，配合(hé)地麵站補(bǔ)充(chōng)空間(jiān)覆蓋。兩類數(shù)據合用(yòng)，能在(zài)產(chǎn)量決定窗口期內，給(gěi)出(chū)比遙感植(zhí)被(bèi)指(zhǐ)數更早的(dí)風(fēng)險信號(hào)。

ABN-SIF-1/2在(zài)綫(xiàn)式(shì)監(jiān)測(cè)係(xì)統(tǒng)，可實(shí)現無人值守的連續(xù)監(jiān)測

常(cháng)見問題(tí) FAQ

Q：日(rì)光(guāng)誘導葉綠素熒光(guāng)和(hé)NDVI測量的到底(dǐ)是什麼(mó)區別？

NDVI和EVI測(cè)量的是(shì)冠層綠(lǜ)度(dù)，反映葉片對可見光和近(jìn)紅外光的反射(shè)率(shuài)比值。SIF測量的是光(guāng)係統II釋(shì)放的熒光信(xìn)號，直接反映光合(hé)作用(yòng)的(dí)實時(shí)運行效率(shuài)。兩者(zhě)屬於(yú)不同(tóng)的信(xìn)息維度：前者看"長出了(liǎo)多少(shǎo)葉(yè)"，後者(zhě)看(kàn)"葉(yè)片在做什(shí)麼(mó)"。

Q：NMR指標需(xū)要(yào)什(shí)麼樣(yàng)的(dí)數(shù)據采(cǎi)集條(tiáo)件？

NMR需要同一(yī)天(tiān)正(zhèng)午和(hé)清晨(chén)的SIF測量值。這(zhè)要求(qiú)監(jiān)測(cè)設備具(jù)備全(quán)天候連(lián)續采(cǎi)集(jí)能(néng)力(lì)。地(dì)麵SIF在綫(xiàn)監(jiān)測係統可以滿(mǎn)足(zú)這一(yī)時(shí)間分辨(biàn)率要求，衛星重訪(fǎng)周期較(jiào)長(cháng)的數(shù)據源(yuán)則難(nán)以直(zhí)接計(jì)算(suàn)NMR。

Q：衛星(xīng)SIF和地(dì)麵(miàn)SIF在產量預(yù)測中(zhōng)各(gè)起什(shí)麼作用？

衛星SIF（如OCO-2，TROPOMI）適合大(dà)區域(yù)尺(chǐ)度的(dí)產(chǎn)量趨(qū)勢預測(cè)，R²在玉米上可達0.77。地麵SIF提供分鐘級日(rì)變化數據，與(yǔ)NMR等(děng)日變化(huà)指(zhǐ)標對(duì)接，適合(hé)單(dān)田(tián)塊級別的(dí)早期(qī)脅(xié)迫預(yù)警。兩者配合使用(yòng)可(kě)以覆蓋從區(qū)域到田塊(kuài)的不同(tóng)尺度需求。

Q：ABN-SIF係統適(shì)合(hé)什(shí)麼類(lèi)型(xíng)的用(yòng)戶？

農(nóng)業科研(yán)站(zhàn)，農(nóng)技(jì)推(tuī)廣部(bù)門，大型(xíng)種植(zhí)基地的技術團(tuán)隊(duì)，以及(jí)對(duì)作(zuò)物生(shēng)理監(jiān)測有連續(xù)數(shù)據(jù)需求的科(kē)研(yán)機構。係統支持(chí)無(wú)人(rén)值守運(yùn)行。

愛博能(néng)（ABN）以光譜學(xué)與(yǔ)光電傳(chuán)感(gǎn)技術為核(hé)心(xīn)，提(tí)供溫室(shì)氣(qì)體監(jiān)測(cè)，植(zhí)被遙感(gǎn)，光(guāng)譜分析(xī)儀(yí)器(qì)及(jí)Solar Light防(fáng)曬測(cè)試設備。如需了解ABN-SIF係(xì)統的技術細(xì)節或(huò)解決方案，歡迎聯係我(wǒ)們(mén)。

案(àn)例來源(yuán)：

1. Liu et al. (2023). Diurnal Pattern of Sun-Induced Chlorophyll Fluorescence as Reliable Indicators of Crop Water Stress. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.

2. Peng et al. (2020). Assessing the benefit of satellite-based Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence in crop yield prediction. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation.