中國科學技術大學地球和空間科學學院、火災科學國家重點實驗室雙聘教授李銳研究團隊在綜合利用多源衛(wèi)星可見光、紅外和微波信號遙感中國陸地植被生態(tài)系統(tǒng)固碳能力方面取得重要進展，在國際上首次利用了基于衛(wèi)星被動微波植被指數(shù)的光能利用率模型，以此定量反演中國典型植被的總初級生產(chǎn)力（GPP，單位時間內(nèi)綠色植物通過光合作用途徑所固定的有機碳量），相關研究成果以“Daily Estimation of Gross Primary Production under All Sky Using a Light Use Efficiency Model Coupled with Satellite Passive Microwave Measurements”為題于10月份在遙感領域國際知名期刊《Remote Sensing of Environment》（RSE）在線發(fā)表。

陸地植被生態(tài)系統(tǒng)固碳是當前減緩大氣CO2濃度升高從而促成碳中和的重要途徑之一。一些研究指出，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力約為34億噸碳/年（IPCC報告, 2021），而中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力約為6.6~11.1億噸碳/年（Wang等2020，Nature）。在碳中和目標下，以上數(shù)字很大程度上決定了人類活動所能排放的碳總量，從而影響著人類開發(fā)和使用能源的方式。但是，由于陸地生態(tài)系統(tǒng)巨大的覆蓋面積和復雜性，以上數(shù)據(jù)無法依賴實地觀測獲取，必須依靠衛(wèi)星遙感反演，而不同的衛(wèi)星遙感手段和反演方法使得該數(shù)數(shù)據(jù)存在巨大的不確定性。在另外一個層面，全球變暖導致的云量（太陽輻射）、溫度、降水變化會導致陸地固碳能力隨時間而改變。

現(xiàn)有研究大多基于衛(wèi)星光學遙感手段探測植被特性，以此輸入光能利用率模型估算植被-大氣之間的碳交換速率。光學遙感依賴于植被反射的太陽光，只有在白天、無云天氣條件下有效，并在濃密森林存在飽和問題。相比之下，微波遙感探測地表和植被身釋放的熱輻射，不依賴于太陽光，在白天和夜晚皆可使用；并且微波對云有良好的穿透性，可在晴天和云天使用，并且微波在濃密森林中不易飽和。但目前還尚未有研究利用衛(wèi)星微波遙感估算植被-大氣之間的碳交換速率。

該研究利用課題組自主研發(fā)的中國陸面微波植被指數(shù)EDVI，創(chuàng)新地提出基于微波EDVI的光能利用率模型EDVI-LUE，并將其成功應用于中國區(qū)域典型森林、草地和農(nóng)田等植被下墊面。該研究基于ChinaFLUX通量網(wǎng)的7個觀測站點數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：歸一化EDVI（nEDVI）能夠合理反映冠層尺度植被吸收光合有效輻射（FPAR）的變化，相比光學植被指數(shù)（如NDVI，LAI等），nEDVI表征的FPAR在森林不易飽和、敏感性更高，且在有云天氣下與站點實測GPP有更好相關性（圖1）。同時，相比廣泛應用的全球ECLUE和MOD17 GPP產(chǎn)品，該研究對森林和農(nóng)田站點GPP估算偏差相對更小，在異質(zhì)性草地下墊面精度相當（圖2）。此外，在變化云況下的常綠闊葉林林，EDVI-LUE估算的精度指標表現(xiàn)良好且穩(wěn)定（圖3），表明該模型對有云覆蓋下的濃密森林地區(qū)GPP精確估算方面具有優(yōu)勢。該研究為定量估算中國陸地植被生態(tài)系統(tǒng)固碳能力提供了新的方法，為實施我國碳中和、碳達峰戰(zhàn)略提供了有力的科學支持。

該研究論文的創(chuàng)新性得到了RSE副主編、國際知名植被遙感科學家Pablo J. Zarco-Tejada教授和多位審稿人的積極評價和肯定：“…The three reviews indicate that the manuscript is innovative, as there are no studies using microwave data for assessing LUE to derive GPP. …”

圖1：站點實測GPP與(a)基于微波EDVI，(b)基于MODIS光學的NDVI，F(xiàn)PAR和LAI植被指數(shù)的FPAR相關性對比。(e)站點實測GPP與微波和光學植被指數(shù)在不同云蓋條件下的相關性。

圖2：地基實測GPP（黑色）、該研究衛(wèi)星遙感的EDVI-GPP（紅色），另外兩種衛(wèi)星遙感MOD17-GPP（藍色）和ECLUE-GPP（綠色）在7個不同植被類型站點的比較

圖3：EDVI-LUE模型在鼎湖山常綠林不同云蓋條件下的精度表現(xiàn)。

該文第一作者為大氣科學專業(yè)王懌璞博士后，通訊作者為李銳教授。研究受到國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金-貝爾蒙托論壇國際合作項目、以及國家自然科學基金青年項目的資助。

《Remote Sensing of Environment》是遙感領域最知名的學術期刊，涉及地球科學、環(huán)境科學、遙感機理與方法等領域，在全球同類期刊中長期排名第一。李銳教授團隊近年來在衛(wèi)星遙感陸地植被生態(tài)系統(tǒng)的碳、水循環(huán)領域獲得了一系列成果，已在RSE發(fā)表論文五篇，在其他國際主流學術期刊發(fā)表相關論文十余篇。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425721004417