✦研究亮点✦

1. 日光诱导叶绿素荧光(SIF)可以捕捉干旱事件和草原生长的动态。

2. 气候因素和人类活动对草原生产力有影响。

3. SIF与草地生产力呈良好的相关关系。

4. SIF为监测草原生产力变化提供了一个有用的工具。

✦研究概览✦

日光诱导叶绿素荧光（SIF）已被广泛应用于生态领域研究，如干旱、植被生产力和作物产量的监测与评估。先前的研究表明，SIF与总初级生产力（GPP）高度相关，但其与地上生物量（AGB）的相关性仍需进一步探索。本研究探讨了SIF在监测评估气候变化和气象干旱对中国北方草原（草地）AGB变化影响的潜力。通过分析Orbiting Carbon Observatory 2（OCO-2）的SIF产品与干旱指数之间的关系，进而评估了中国北方草地生产力对气象干旱条件的响应。结果表明，SIF对气象干旱非常敏感，能够捕捉不同草地类型的干旱事件和草地生长动态。SIF、干旱指数和AGB之间的相关性随草地类型而变化。采用梯度提升回归树（GBDT）模型，探讨了SIF与草地生态系统中影响变量的关系。结果显示，气候因子（如年平均生长季降水量、年平均生长季温度和年平均空气饱和差）和人类活动（如放牧强度）显著影响草地生产力的年际变化。本研究结果表明，SIF变化可以反映中国北方草原植被生长的季节动态。因此，SIF可以作为评估陆地生态系统模型模拟该区域生态系统生产力性能的基准数据。SIF对干旱的高度敏感性表明它是监测和评估干旱事件的有用工具。
本研究利用Orbiting Carbon Observatory 2（OCO-2）SIF数据和干旱指数监测气候变化对地上生物量（AGB）的影响，评估了中国北方草地对气候变化的响应。本研究主要研究内容为：（1）评估SIF在监测中国北方地区气候变化对草地生产力影响的表现;（2）分析SIF与干旱指数的关系，研究SIF对干旱事件的响应;（3）研究SIF和草地AGB及其气象干旱对AGB的影响。

✦主要结果✦

草地GPP和SIF的时间变化| (a) NMG、(b) DU、(c) HBGC、(d) HBBT以及(e) DX五个站点的EC_GPP、VPM_GPP、MODIS_GPP和SIF的年际动态变化特征。由于草地生长阶段的季节性动态，草地冠层的SIF和GPP表现出明显的年际变化。SIF和GPP在生长季节开始时都逐渐增加。SIF和GPP的最大值通常出现在盛草期的7月和8月。生长季末期，由于叶片衰老，SIF和GPP均降至零。

草地GPP和SIF的时间变化| 在(a) NMG、(b) DU、(c) HBGC、(d) HBBT以及(e) DX五个监测站点中，SIF与EC_GPP、VPM_GPP、MODIS_GPP的相关关系。图中的值表示决定系数 （R2）和p值。SIF、VPM_GPP和MODIS_GPP在生长季表现出较强的线性关系， R2分别为0.87–0.97和0.83–0.93（p<0.001）。SIF和通量塔观测的GPP（EC_GPP）在大多数站点也有很强的关系，R2=0.66–0.93。NMG站点（R2=0.37）相关性略低，主要是因为2005年的EC_GPP数值在NMG站点相对较小。VPM_GPP和OCO-2 SIF比其他GPP模型表现出更好的一致性，因为VPM模型和SIF对水分胁迫非常敏感。

草地SIF和SPEI之间相关性（r值）的时空分布| SIF和SPEI分别在1个月(a)、2个月(b)、3个月(c)、4个月(d)、5个月(3)、6个月(f)、7个月(g)、9个月(h)和12个月以及时间尺度(i)上r值的时空分布。相关系数（r值）在-0.35-0.50之间。除图h和i外，大多数草原地区的SIF和SPEI呈正相关（SPEI-1到SPEI-9为70%-87.4%）。总的来说，在不同的时间尺度上，SIF和SPEI之间的r值的空间分布是相似的。

SIF与其他干旱指数逐年尺度相关性的空间分布| SIF与TVDI (a)和 SIF与PDSI (c)之间相关系数（r值）的空间分布。不同草地类型的 SIF与TVDI (b)以及SIF与PDSI (d)之间的相关系数（r值）。总的来说，SIF和TVDI在所有草地类型中都呈弱正相关。荒漠草原（desert steppe）的SIF与PDSI呈正相关。除高寒草原（alpine steppe）外，大多数草原类型的SIF和PDSI均呈正相关。TVDI和PDSI的正相关系数分别占草地面积的60.0%和90.9%。与其他草地类型相比，草甸草原（meadow steppe）的SIF具有最低的正相关性。

草地SIF和NDVI、GPP及AGB之间的关系| SIF与NDVI之间(a)、SIF与VPM_GPP之间(c)以及SIF与AGB之间(e)的r值在年时间尺度上的空间分布。不同草地类型的SIF与 NDVI 之间(b)、SIF与VPM_GPP之间(d)以及SIF与AGB之间(f)的相关系数（r值）。对于大多数草地类型，SIF与草地NDVI、VPM_GPP和AGB具有非常高的相关性。除高寒草甸（alpine meadow）外，大部分草原区SIF与NDVI、SIF与VPM_GPP、SIF和AGB均呈正相关。高寒草甸呈负相关主要分布在青海省东南部和藏区。

草地SIF和NDVI、GPP及AGB之间的关系| 五个通量观测点: (a) NMG、(b) DU、(c) HBGC、(d) HBBT以及(e) DX的SIF与AGB年度时间序列。从2001年到2015年，SIF和AGB之间的年间隔变化非常相似，除了HBGC和HBBT站点显著不同（图c和d）。SIF和AGB在2012年都达到了最大值（图a和b），随后发生了显著变化。

气候及环境因子对草地AGB的影响| 气候和环境变量对草地 AGB (a)、NDVI (b)、VPM_GPP (c)、SIF与AGB的关系(d)、SIF与NDVI 的关系(e)、SIF与GPP的关系(f)的影响。结果表明，GI、VPD、T和prcp是影响北方草地生产力的主要因素。这四个变量的重要性均大于0.10。GI是衡量GI对AGB影响的最重要变量。GI的贡献约为30%。VPD是另一个重要的影响变量。年平均生长季温度（T）和年平均生长季降水量（prcp）是次重要的变量。GI是影响SIF与AGB、SIF与NDVI以及SIF与GPP之间相关性的最重要驱动因素。它还影响了草地AGB、NDVI和GPP的变化。VPD是影响草地AGB、NDVI和GPP变化的次重要变量。温度和降水量分别是第三和第四大重要变量。与这四个变量相比，ET、popD、AWC、SMC、LULC、DEM和GPP是影响草地AGB变化的次要变量。

草地SIF和NDVI、GPP及AGB之间的关系| SIF和AGB与GI (a)、VPD (b)、T (c)和 prcp (d)的相关性(RSIF-AGB)。蓝线和红线分别代表置信度为90% 的置信区间的下限和上限。红色区域表示受到GI (e)、VPD (f)、T (g)和prcp (h)影响的敏感区域。e-h中红色区域表示SIF与AGB之间存在显著相关性(p<0.05)，e-g中的绿色区域代表SIF与AGB之间的相关性不显著（p>0.05）。结果显示，主要影响变量均高于红线，显著性水平超过90%。在放牧强度大于42羊单位/km2的地区，SIF异常对AGB敏感。同样，年平均生长季VPD大于0.61 kPa、年平均生长期温度大于10.42°C或年平均生长季降水量小于313.8 mm的地区对SIF和AGB更敏感。图e-h显示了受GI和VPD、T和prcp影响的敏感区域，置信度为90%。

✦结论✦

利用SIF和干旱指数，研究了气候变化对中国北方草地生产力的影响。探讨了SIF在应对气象干旱方面的性能。研究表明，SIF在评价中国北方草原草地生产力及其对干旱的响应方面表现良好。SIF对不同草地类型的气象干旱和植被变化表现出显著响应。气候条件（如空气饱和差、温度和降水）和人类活动（如放牧强度）是影响草地生产力的主要因素。SIF为监测和评估草地动态和干旱事件提供了一种有用的方法。此外，SIF可作为基准数据，用于评估陆地生态系统模型在季节性和年度尺度上估计生态系统生产力方面的性能。

原文：Wang, X., Pan, S., Pan N., Pan P. Grassland productivity response to droughts in northern China monitored by satellite-based solar-induced chlorophyll fluorescence. Sci. Total. Environ. 2022, 830, 154550. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154550.
期刊：Science of The Total Environment/环境科学与生态学一区/IF2022=9.8
编译：侯蒙京，兰州大学草学博士，研究方向为草地资源遥感与GIS。
排版：王楚怡
统筹：王新宇
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