摘要 在2022年生長(zhǎng)季內(nèi)，基于軌道植被觀測(cè)儀（型號(hào)NZD-G1）對(duì)呼倫貝爾草原開(kāi)展了日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿olar-Induce chlorophyll Fluorescence，SIF）的原位觀測(cè)。相較于歸一化植被指數(shù)，SIF的低頻變化分量同樣可以表征植物在生長(zhǎng)季內(nèi)的長(zhǎng)勢(shì)變化，而高頻變化可以更清楚地監(jiān)測(cè)植物內(nèi)光合作用的生理過(guò)程，且其高頻變化與氣象條件密切相關(guān)。土壤水含量和SIF的關(guān)系是非線(xiàn)性的，當(dāng)降水持續(xù)偏多導(dǎo)致土壤偏澇時(shí)，牧草的生理代謝減弱，光合作用減緩（SIF值偏低）;當(dāng)前期降水適量導(dǎo)致土壤濕潤(rùn)，且太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，SIF值可以持續(xù)穩(wěn)定在較高水平，植物光合作用旺盛，長(zhǎng)勢(shì)良好。而在生長(zhǎng)季后期，偏涼的秋雨會(huì)顯著降低植物的光合作用，且后期難以恢復(fù)。

關(guān)鍵詞生態(tài)系統(tǒng);光合作用;葉綠素?zé)晒?降雨;土壤水含量

陸地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)光合作用可以吸收大約30％的人為碳排放。在全球碳循環(huán)、減緩大氣二氧化碳濃度上升等方面都具有非常重要的作用（邱博和郭維棟，2022）。光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。當(dāng)陽(yáng)光照射到植物葉片時(shí)，部分陽(yáng)光被葉綠素吸收并用于光合作用，而剩余的部分陽(yáng)光則以熒光的形式重新釋放。葉綠素發(fā)出的熒光量與吸收的陽(yáng)光呈現(xiàn)較為固定的比例（Porcar-Castell et al.，2014）。因此，日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿olar-Induced chlorophyll Fluorescence，SIF）是植被光合作用效率的有效生理監(jiān)測(cè)指標(biāo)。在多種植被類(lèi)型中，SIF與初級(jí)總產(chǎn)值（GPP）之間存在強(qiáng)線(xiàn)性相關(guān)，能夠快速響應(yīng)環(huán)境脅迫（Song et al.，2018），越來(lái)越多地被用于代表植被總初級(jí)生產(chǎn)力。SIF檢測(cè)對(duì)大氣透明度和云的變化并不敏感，但其對(duì)植被的結(jié)構(gòu)和生理變化非常敏感（Joiner et al.，2014）。相對(duì)于傳統(tǒng)的植被指數(shù)，例如歸一化植被指數(shù)（NDVI）和葉面積指數(shù)等，SIF在月尺度上對(duì)森林和農(nóng)田干旱及熱浪的響應(yīng)更早，也更加顯著（Song et al.，2018;Zhang et al.，2019）。因此，開(kāi)展SIF監(jiān)測(cè)和研究可以為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警提供直接信息，也有助于優(yōu)化植物生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量（Qian et al.，2019）。

SIF在不同緯度的植被之間存在差異，但都表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化。對(duì)中高緯落葉闊葉林和針葉林來(lái)說(shuō)，SIF通常從4月初開(kāi)始迅速增加，在5—6月達(dá)到最大值（Yang et al.，2015;Walther et al.，2016）。進(jìn)入深秋，SIF顯著下降，代表著植被光合作用的強(qiáng)度大幅減弱（劉嘯添等，2018;Nichol et al.，2019;Pierrat et al.，2022）。副熱帶常綠闊葉林的SIF高峰期主要出現(xiàn)在7月中下旬（Liu et al.，2022）。熱帶和亞熱帶的常綠植被變化則是以旱季和雨季為季節(jié)周期（Xie et al.，2022）。

除了季節(jié)變化外，天氣過(guò)程也會(huì)造成SIF的顯著變化。干旱時(shí)，葉片氣孔會(huì)關(guān)閉，從而導(dǎo)致光合速率下降，使得SIF下降（Qiu et al.，2020;Chen et al.，2021）。在2015／16年，亞馬孫雨林經(jīng)歷了一次極端干旱，植物對(duì)大氣碳吸收量減少，SIF由于氣孔關(guān)閉顯著降低（Yang J et al.，2018）。極端高溫會(huì)導(dǎo)致植物的蒸騰作用顯著增強(qiáng)，失水過(guò)多。當(dāng)高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，植物會(huì)為了減弱蒸騰作用，氣孔導(dǎo)度降低甚至關(guān)閉，減少CO2的吸收，抑制了光合作用，導(dǎo)致SIF顯著降低（Szyman＇ska et al.，2017）。此外，伴隨高溫事件的高飽和水汽壓差（VPD）也會(huì)對(duì)SIF產(chǎn)生影響。復(fù)合高溫干旱事件則會(huì)帶來(lái)更加顯著的SIF降低（Qiu et al.，2020）。Zhang et al.（2021，2022）探究了2022年中國(guó)長(zhǎng)江流域持續(xù)性高溫干旱下的常綠闊葉林區(qū)的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)高VPD會(huì)導(dǎo)致部分氣孔關(guān)閉。但是當(dāng)土壤水分充足時(shí)，植物根系可以有效吸收水分，即使高VPD導(dǎo)致部分氣孔關(guān)閉，也能進(jìn)行光合作用;當(dāng)土壤水分下降到一個(gè)閾值時(shí)，氣孔關(guān)閉會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，SIF大幅快速下降。SIF同樣對(duì)極端濕潤(rùn)的大氣環(huán)境有顯著響應(yīng)。在2011年和2016／17年的兩次極端濕潤(rùn)條件下，澳大利亞中部地區(qū)的SIF均出現(xiàn)迅速下降（Leng et al.，2022），但不同類(lèi)型植被SIF對(duì)高濕條件的敏感度并不相同。

“雙碳”背景下，林草業(yè)的地位和作用日益凸顯（周?chē)?guó)逸等，2022）。呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，總面積約11.3萬(wàn) km2，其中可利用草場(chǎng)面積833.33萬(wàn) hm2。呼倫貝爾草原是世界著名的天然牧場(chǎng)，也是我國(guó)著名的旅游景點(diǎn)、北方生態(tài)安全屏障和重要的草原碳匯。但是，目前尚缺乏針對(duì)呼倫貝爾草業(yè)長(zhǎng)勢(shì)的有效原位觀測(cè)，對(duì)生長(zhǎng)季葉綠素?zé)晒獾淖兓卣骷捌鋵?duì)氣象條件變化的響應(yīng)還不清楚。軌道式日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庥^測(cè)儀（型號(hào)DR-SIF01）可以通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)下行輻射與植被冠層反射輻射來(lái)進(jìn)行日光誘導(dǎo)熒光量的計(jì)算，實(shí)時(shí)輸出多個(gè)點(diǎn)位的SIF觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文利用該設(shè)備對(duì)呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季牧草長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的觀測(cè)，分析了SIF變化特征及其對(duì)氣象條件變化的響應(yīng)，以期為開(kāi)展作物災(zāi)害早期預(yù)警及優(yōu)化植物的管理措施提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 軌道式SIF觀測(cè)

葉綠素?zé)晒馐且环N研究植物光合活性的非侵入性技術(shù)。近年來(lái)，SIF新技術(shù)被開(kāi)發(fā)用于測(cè)量植物中的葉綠素?zé)晒狻；谛l(wèi)星反演獲取SIF數(shù)據(jù)已經(jīng)逐漸常態(tài)化，但是缺少針對(duì)SIF探測(cè)設(shè)計(jì)的傳感器和衛(wèi)星，獲取的SIF反演數(shù)據(jù)空間分辨率較粗，也因?yàn)槿鄙僭粩?shù)據(jù)無(wú)法驗(yàn)證反演結(jié)果的準(zhǔn)確性（Du et al.，2018;Sun et al.，2018）。2022年，歐洲航天局發(fā)射了首個(gè)專(zhuān)門(mén)為SIF探測(cè)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星“螢光探測(cè)器”，可以提供300 m空間分辨率和全波段的全球植被SIF產(chǎn)品（Quiros-Vargas et al.，2022）。有研究表明，植物冠層結(jié)構(gòu)對(duì)SIF的影響很大（Yang K G et al.，2018），而大多數(shù)星載技術(shù)會(huì)忽略冠層結(jié)構(gòu)的影響。

原位光譜測(cè)量技術(shù)可以將SIF觀測(cè)縮小到冠層尺度，更好地反映出其與光合作用耦合的機(jī)制（Nichol et al.，2019），也具有連續(xù)和可靠的優(yōu)點(diǎn)（Miao et al.，2018;Yang K G，2018）。由于地表的復(fù)雜性和物種的多樣性，單點(diǎn)陸地生態(tài)系統(tǒng)的原位觀測(cè)都存在空間代表性不足等問(wèn)題。無(wú)人機(jī)觀測(cè)可以很好地解決空間代表性不足這一問(wèn)題，但不能進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的觀測(cè)。軌道式植被觀測(cè)儀從空間上、時(shí)序上很好地解決了這類(lèi)問(wèn)題，并降低了觀測(cè)成本，提高了陸面植被、水分平衡、輻射平衡描述的準(zhǔn)確度。觀測(cè)軌道長(zhǎng)度100 m，運(yùn)行速度0.2 m／s，每隔20 m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)白天觀測(cè)12 h。2022年7月1日—10月7日，也就是呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季內(nèi)，利用軌道式日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庥^測(cè)儀進(jìn)行了連續(xù)穩(wěn)定的SIF觀測(cè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。2022年7月24日9時(shí)（北京時(shí)，下同），軌道式觀測(cè)設(shè)備上搭載的視頻攝像機(jī)清晰地捕捉到相距20 m的植物種類(lèi)、長(zhǎng)勢(shì)上存在顯著差別，觀測(cè)得到的SIF值也體現(xiàn)出明顯的差異（圖1），這也凸顯出開(kāi)展軌道式原位SIF觀測(cè)的必要性。

1.2 氣象觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)

使用的氣象數(shù)據(jù)是2022年7月1日—10月7日鄂溫克族自治旗氣象站的逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括海平面氣壓（單位：hPa）、2 m氣溫（單位：℃）、相對(duì)濕度（單位：％）、降水量（單位：mm）。同時(shí)還使用通過(guò)L波段微波輻射計(jì)測(cè)量的土壤體積水（單位：m3／m3）。

使用同時(shí)段的ERA5再分析大氣數(shù)據(jù)，包括500 hPa和850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，多個(gè)高度層（1 000、925、850、700、600、500、400和300 hPa）的比濕（q，單位：kg／kg），水平（單位：m·s-1）和垂直（單位：Pa·s-1）速度，10 m風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s-1），水平空間分辨率為1°×1°。

整層積分的水汽通量計(jì)算公式為：

式中：V為風(fēng)速矢量；q為比濕；P=300 hPa，為大氣上界氣壓；PS=1 000 hPa，為大氣下界氣壓；g為重力加速度。

水平水汽通量散度計(jì)算公式為：

式中：為水平梯度算子；q為比濕；u、v分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)；g為重力加速度。

2 結(jié)果分析

2.1 SIF的變化特征

SIF可以表征植物光合作用的強(qiáng)度，具有顯著的時(shí)間變化特征。日出到日落之間的06—17時(shí)，SIF呈現(xiàn)出明顯的日變化（圖2a），06—10時(shí)SIF值隨時(shí)間逐漸升高，在10—13時(shí)SIF值維持在0.16 μW·cm-2·nm-1·sr-1左右的高值，13時(shí)后SIF值呈下降趨勢(shì)，17時(shí)降至0.05 μW·cm-2·nm-1·sr-1以下。SIF強(qiáng)度的日變化與太陽(yáng)光照強(qiáng)度具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明在日時(shí)間尺度內(nèi)SIF強(qiáng)度主要受到光照條件的調(diào)控。

2022年7月1日—10月7日，可以觀測(cè)到呼倫貝爾草原SIF強(qiáng)度在一整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的季節(jié)變化以及部分更高頻的變化信號(hào)（圖2b）。集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征來(lái)進(jìn)行信號(hào)分解，它能使復(fù)雜信號(hào)分解為不同時(shí)間尺度的局部特征信號(hào)。對(duì)SIF進(jìn)行EEMD分解得到的內(nèi)涵模態(tài)分量（IMF）4—6反映了植物在生長(zhǎng)季內(nèi)的“榮-枯”變化（圖3a）。在夏季（7—8月），SIF值較高，平均約為0.13 μW·cm-2·nm-1·sr-1;而在夏末秋初（8月下旬至9月），SIF值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，隨后急速降低，9月內(nèi)降低幅度超過(guò)0.18 μW·cm-2·nm-1·sr-1，在10月初已接近0值。日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庥^測(cè)儀還可以實(shí)時(shí)觀測(cè)NDVI。NDVI主要顯示的是植被冠層的“綠度”，反映植被葉片數(shù)量和葉綠素含量的外在變化特征。NDVI也呈現(xiàn)出相似的季節(jié)變化特征，其EEMD分解的低頻模態(tài)（IMF-4和IMF-5）清晰地顯示了夏-秋季的轉(zhuǎn)折趨勢(shì)（圖3b）。8月下旬至9月的NDVI和SIF表現(xiàn)出了顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖2c），表明夏-秋季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)植物光合作用強(qiáng)度的迅速降低主要是由于植被葉片的凋零和枯黃（也即生長(zhǎng)季的結(jié)束）所引起的。

在高頻變化部分，SIF和NDVI的變化存在顯著差異，尤其在夏季兩者的相關(guān)性很弱（圖2c）。SIF的逐日尺度變化更加明顯，其EEMD分解的IMF 1解釋方差最高（38.7％，圖3a）。相比于SIF，NDVI在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度的高頻變化信號(hào)較弱，7—8月的NDVI始終在0.8左右，對(duì)應(yīng)的三個(gè)EEMD分解模態(tài)（IMF-1、IMF-2和IMF-3）解釋方差總和為1％（圖3b）。SIF相較于NDVI更進(jìn)一步提供了植物內(nèi)在光合作用生理過(guò)程的量化表征，所以在分析SIF變化時(shí)需要考慮氣象要素和土壤條件的影響。

2.2 氣象條件變化的影響

在整個(gè)時(shí)間段（7月1日—10月7日）SIF與氣溫、海平面氣壓和相對(duì)濕度之間的相關(guān)系數(shù)是0.55、-0.34和0.01，前兩者通過(guò)置信度為99％的顯著性檢驗(yàn)。SIF的變化具有典型的階段性特征，7—8月以高頻變化為主，而9月之后則主要體現(xiàn)為生長(zhǎng)季結(jié)束的特征。因此，為了進(jìn)一步研究氣象條件變化對(duì)SIF的影響，計(jì)算了SIF與各氣象要素的31 d滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)（圖4），發(fā)現(xiàn)全時(shí)段相關(guān)系數(shù)具有一定誤導(dǎo)性。呼倫貝爾草原的氣溫從夏季到秋季表現(xiàn)為波動(dòng)下降，與牧草的“榮-枯”一致，兩者之間的正相關(guān)也主要來(lái)自共同的季節(jié)變化趨勢(shì)。但在夏季兩者之間的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)并不顯著，表明氣溫并不能單獨(dú)調(diào)控或指征牧草光合作用的強(qiáng)度（圖4a）。

類(lèi)似地，SIF與相對(duì)濕度的全時(shí)段相關(guān)系數(shù)僅有0.01，但31 d滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)卻顯示兩者在7—8月有顯著的負(fù)相關(guān)（通過(guò)置信度為99％的顯著性檢驗(yàn)），而在秋季轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著（圖4b）。在較為干燥的呼倫貝爾草原，植物光合作用的強(qiáng)度對(duì)濕度條件的變化是比較敏感的。當(dāng)空氣過(guò)于潮濕時(shí)，植物會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔降低光合作用的強(qiáng)度。7月1日—10月7日，SIF與海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)為-0.34，但兩者的31 d滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)均不顯著（圖4c）。值得注意的是，9月4日的SIF與海平面氣壓同時(shí)出現(xiàn)了一次異常低值，這主要是由于東北冷渦過(guò)境帶來(lái)強(qiáng)降水，同時(shí)導(dǎo)致SIF和氣壓顯著下降。因此，在分析氣象條件變化對(duì)植物光合作用的影響時(shí)，不能直接使用常規(guī)氣象要素以及簡(jiǎn)單的線(xiàn)性相關(guān)等方法。

植物的蒸騰作用與VPD和土壤水含量密切相關(guān)（Zhang et al.，2021）。飽和水汽壓差對(duì)植物光合作用的影響是非線(xiàn)性的，存在閾值（Sinclair et al.，2007）。雖然不同種類(lèi)植物對(duì)飽和水汽壓差的敏感程度并不相同（Wherley and Sinclair，2009），但能激發(fā)植物響應(yīng)的水汽壓差變化一般要達(dá)到約1 kPa。2022年夏秋季，觀測(cè)到的飽和水氣壓差變化范圍很小，對(duì)SIF的影響不顯著。

2022年7—8月，觀測(cè)站所在的鄂溫克族自治旗降水偏多，且階段性強(qiáng)，因此土壤水含量的波動(dòng)比較明顯（圖5）。7月4—9日，在持續(xù)性降水的影響下，草原土壤含水量迅速上升，土壤內(nèi)累積了充足的水分。7月11—17日，SIF觀測(cè)站位于500 hPa的槽前脊后，有利于上升運(yùn)動(dòng)和冷暖空氣交匯。850 hPa上顯著的東南風(fēng)，有利于暖濕空氣向呼倫貝爾草原輸送（圖6a）。整層積分的水汽通量散度在SIF觀測(cè)站周?chē)憩F(xiàn)出顯著的負(fù)中心，水汽輻合為持續(xù)性降水提供充足的水汽。尤其是，7月12日的強(qiáng)降水量達(dá)到了20.1 mm。前一次降水過(guò)程帶來(lái)的土壤水分還未得到有效蒸發(fā)和吸收，新降雨使得土壤含水量進(jìn)一步升高，并在7月15日達(dá)到了2022年夏季最高。雖然濕潤(rùn)的土壤可以增強(qiáng)植物光合作用，但當(dāng)降水過(guò)多導(dǎo)致土壤偏澇時(shí)，會(huì)使得植物根系的代謝減弱，減緩植物的生長(zhǎng)。同時(shí)，土壤中的養(yǎng)分也會(huì)被稀釋?zhuān)a(chǎn)生養(yǎng)分流失，從而減弱植物的光合作用（Gao et al.，2010;楊佳鶴等，2023）。因此，當(dāng)兩次持續(xù)性降水疊加之后，土壤水含量屢創(chuàng)新高，表征植物光合作用強(qiáng)度的SIF在7月11—19日顯著降低，僅有0.09 μW·cm-2·nm-1·sr-1。

9月開(kāi)始，呼倫貝爾草原開(kāi)始進(jìn)入了枯萎期。9月4日的東北冷渦降水也對(duì)植物光合作用產(chǎn)生了顯著影響。對(duì)流層中層和低層上，蒙古和東北地區(qū)的低壓中心明顯，尤其在850 hPa上閉合的氣旋性環(huán)流是典型的東北冷渦特征（圖6b）。強(qiáng)烈的水汽輻合和上升運(yùn)動(dòng)也為降水的出現(xiàn)提供了有利的條件。此時(shí)，草場(chǎng)已進(jìn)入黃枯期，植物較為脆弱。與強(qiáng)降水伴隨的大風(fēng)和降溫共同導(dǎo)致SIF出現(xiàn)一次異常低值（0.04 μW·cm-2·nm-1·sr-1）。

7月30日—8月16日土壤體積水維持在適當(dāng)?shù)乃剑▓D5）。500 hPa上表現(xiàn)為平直的緯向西風(fēng)（圖7a），呼倫貝爾草原上空為弱下沉氣流，有利于維持晴朗的天氣（圖7b）。良好的太陽(yáng)輻射有利于植被迅速生長(zhǎng)，使得植物光合作用維持在較高水平（SIF=0.13 μW·cm-2·nm-1·sr-1）。

3 結(jié)論與討論

對(duì)呼倫貝爾草原生長(zhǎng)季的葉綠素?zé)晒忾_(kāi)展原位觀測(cè)能夠直接掌握草場(chǎng)植物的長(zhǎng)勢(shì)，有助于開(kāi)展作物災(zāi)害早期預(yù)警，也可以?xún)?yōu)化植物的管理措施。SIF的低頻變化分量與NDVI一樣，主要表征植物在生長(zhǎng)季內(nèi)的長(zhǎng)勢(shì)變化。SIF的高頻變化則可以提供植物內(nèi)在光合作用生理過(guò)程的量化表征，與大氣和土壤條件的變化存在密切聯(lián)系。2022年，當(dāng)降水持續(xù)偏多導(dǎo)致土壤水含量偏澇時(shí)，呼倫貝爾草原的植物代謝減弱，光合作用減緩;當(dāng)土壤濕潤(rùn)且太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，SIF值可以持續(xù)穩(wěn)定在較強(qiáng)的水平，植物長(zhǎng)勢(shì)良好;而在生長(zhǎng)季后期，偏涼的秋雨會(huì)顯著降低植物的光合作用，且后期難以恢復(fù)。

本研究采用的葉綠素?zé)晒庠挥^測(cè)數(shù)據(jù)，雖然較衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，但也存在觀測(cè)時(shí)間短、觀測(cè)站點(diǎn)稀少等問(wèn)題。比如本文所揭示的SIF變化特征及其對(duì)氣象條件變化的響應(yīng)均基于2022年一個(gè)生長(zhǎng)季一個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，依然存在較大的不確定性。因此，在下一步研究中需要開(kāi)展衛(wèi)星反演和原位觀測(cè)的數(shù)據(jù)同化工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼倫貝爾草原植物光合作用和碳源匯的定量描述和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，如何將葉綠素?zé)晒夂蚇DVI觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于陸面模式的參數(shù)化構(gòu)建，提高對(duì)動(dòng)態(tài)植物以及相關(guān)的水分平衡、能量平衡和碳吸收等的模擬能力也是一個(gè)值得探討的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

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Characteristics of chlorophyll fluorescence in Hulunbuir grassland and its response to meteorological conditions

Abstract Chlorophyll fluorescence is a non-invasive technique used to study the photosynthetic activity of plants.Recently，solar-induced chlorophyll fluorescence （SIF） has been developed to measure chlorophyll fluorescence in plants.This study uses hourly meteorological observation data and ERA5 reanalysis atmospheric data.The growth of pasture in the Hulunbuir grassland during the growing season was continuously and stably observed using the orbital daylight-induced chlorophyll fluorescence observatory.The variational characteristics of SIF and its response to changes in meteorological conditions are analyzed.During the 2022 growing season，SIF measurements were conducted in the Hulunbuir Grassland using the DR-SIF01 orbital observation instrument.Compared to the normalized difference vegetation index （NDVI），the low-frequency components of SIF can characterize plant growth changes during the growing season，while high-frequency variations can more clearly monitor the physiological processes of intrinsic photosynthesis in plants，closely related to meteorological conditions.Notably，the relationship between soil water content and SIF is nonlinear.When continuous excessive precipitation leads to soil waterlogging，the physiological metabolism of grass is weakened，and photosynthesis slows down，resulting in low SIF.Conversely，adequate early precipitation resulting in moist soil and strong solar radiation can maintain SIF at a relatively high level，indicating vigorous plant photosynthesis.In the late-growing season，cool autumn rains significantly reduce plant photosynthesis，resulting in difficult recovery.The in-situ measurements of chlorophyll fluorescence conducted in this study contribute to a quantitative understanding of grass growth status.Combined with the revealed response of SIF to meteorological conditions，early warning for crop disasters and optimization of management measures can be further achieved.Although the in-situ chlorophyll fluorescence data used in this study are more accurate than satellite inversion data，there are still challenges，such as short observation periods and limited observation sites.The SIF variation characteristics and responses to meteorological conditions revealed in this paper are based on data from a single site during the 2022 growing season，which introduces uncertainties.Future studies should focus on the data assimilation of satellite inversion and in-situ observation to achieve quantitative descriptions and real-time monitoring of plant photosynthesis and carbon sources and sinks in the Hulunbuir grassland.Additionally，applying chlorophyll fluorescence and NDVI observation data to the parametrization of land surface models to improve the simulation of dynamic plants and related water balance，energy balance，and carbon absorption remains a key scientific problem worth exploring.

Keywords ecosystems;photosynthesis;chlorophyll fluorescence;precipitation;soil water