日光诱导植物叶绿素荧光检测

叶绿素荧光与植被光合作用密切相关。研究表明,植被吸收的太阳辐射能量用于三个方面:光合作用中光化学反应;热耗散;荧光。这三者在植被生理上是密切关联的,存在着近似此消彼长的关系,因此可以通过荧光更为直接地探测与植被光合作用相关的信息。通过探测器获取日光诱导叶绿素荧光信号,可以在自然环境下对植被进行大面积无损观测,这是一种日益受到关注的遥感手段。
由于大气对太阳光谱的吸收,到达地表的太阳光谱中有许多波段宽度为0.1~10nm的暗线,即夫琅和费吸收暗线。在红外和近红外波段范围,存在三条较明显的暗线:氢吸收在656nm形成的Hα暗线;大气中氧分子吸收在760和687nm附近形成的O2-A暗线和O2-B暗线。在夫琅和费吸收暗线波段,植被的反射光也很微弱,荧光凸显。其中Hα暗线距离叶绿素荧光峰较远,O2-A和O2-B暗线在叶绿素荧光峰内,但O2-A暗线的深度和宽度都大于O2-B暗线,因此O2-A暗线被视为最佳的遥感荧光探测波段,叶绿素荧光测试仪也是测定此波段范围。

               标准大气的地面入射辐照度荧光光谱和反射率光谱

配置方案:
由于夫琅和费的波段宽度很窄,需要亚纳米级的高光谱传感器。现有的地面观测实验中基本采用非成像的光谱仪用于叶绿素荧光的检测,常用的仪器有HR2000+、HR4000、QE65PRO光谱仪。

QE65Pro

 
HR2000+
HR4000
QE65PRO
尺寸
148.6×104.8 ×45.1mm
182×110×47mm
重量
570g
1.18Kg
探测器
线性阵列CCD
致冷型背照式面阵CCD
像元
2048像元
3648像元
1024x 58
灵敏度
400nm: 75光子/计数值;600nm: 41光子/计数值
400nm: 130光子/计数值;600nm: 60光子/计数值
22电子/计数值@全波段;26电子/计数值@250nm
设计
f/4,交叉Czerny-Turner光路
f/4,交叉Czerny-Turner光路
f/4,对称交叉Czerny-Turner光路
焦距
101.6nm输入和输出
101.6nm输入和输出
101.6mm输入和输出
狭缝/分辨率
25μm狭缝,0.22nm分辨率
25μm狭缝,0.21nm分辨率
25μm狭缝,0.31nm分辨率
波长范围
645-825nm
645-825nm
645-780nm
信噪比
250:1
300:1
1000:1
应用实例:
  • 美国国家航空航天局(NASA)科学家于2011年利用日本温室气体观测卫星(Green-house Gases Observing Satellite, GOSAT)的数据绘制了全球第一张陆地植物荧光地图。
  • 中国农业大学通过研究760nm和688nm 2个波段叶绿素荧光与发病状况的关系实现叶绿素荧光监测田间小麦条锈病的发病状况。
  • Campbell等比较了3种植物在685, 740, 760nm处的最大荧光和日光诱导叶绿素荧光值,发现不同种类的植物日光诱导叶绿素荧光F685/F740的差值明显,可以用来进行植物种类的识别。同时发现日光诱导叶绿素荧光比值F685/F740随着植被受氮素胁迫压力增大而增大。