Sun-induced chlorophyll fluorescence is more strongly related to absorbed photosynthetically active radiation than gross primary productivity in a rice paddy

Abstract

태양 유도 엽록소 형광 (SiF)은 총 일차 생산량 (GPP)의 직접적인 지표로 최근들어 각광받고 있다. 지상 관측, 항공기 및 위성 관측 연구에 따르면 계절규모에서 SiF와 GPP 사이의 강한 선형 관계를 보여 주지만, 일별에서 계절적 규모에 걸친 고해상도 시간 해상도에서의 관계는 분명하지 않다. 이 연구에서, 벼논 군락 SiF, GPP 및 흡수 된 광합성 유효복사 (APAR)을 철원 농경지에서 2016년 전체 생장 기간 동안 자동화 된 스펙트럼 시스템 및 에디 플럭스 타워를 사용하여 지속적으로 모니터링하였다. 30분 단위로 볼때, 전체 성장기간 동안 SiF와 GPP (R2 = 0.76) 및 APAR과 GPP (R2 = 0.76) 간의 강한 선형 관계가 관찰되었다. 상대 습도, 산란 PAR 비율 그리고 벼 생장단계가 SiF와 GPP, APAR 및 GPP 사이의 관계에 영향을 미치는 것을 발견하였다. 이 요인들을 다중 회귀 분석에 반영했을때 R2 = 0.83 (SiF:GPP) 및 R2 = 0.88 (APAR:GPP) 까지 각각 향상된다는 것을 발견했다. LUEp (= GPP / APAR)와 LUEf (= SiF / APAR) 사이의 관계는 30분 해상도에서는 나타나지 않았고 일평균 해상도에서도 약하게 나타났다 (R2 = 0.24). 30분 단위로 분석할때 SiF와 GPP 또는 APAR과 GPP보다 SiF와 APAR 간의 선형 관계가 훨씬 강하다는 사실을 발견했다. 전반적으로, 우리의 결과는 시간 해상도와 시간 규모에 관계없이 논 군락의SiF는 APAR를 반영하였으며, 따라서 SiF를 이용하여 GPP를 추정하기 위해서는 LUEp를 모델링해야함을 나타냈다. 이러한 결과는 여러 시간 규모에서 군락 SiF와 GPP 간의 관계를 기작에 기반하여 이해하는데 기여할 것이다.

Sun-induced chlorophyll fluorescence (SiF) is increasingly used as a proxy for vegetation canopy photosynthesis. While ground-based, airborne, and satellite observations have demonstrated a strong linear relationship between SiF and gross primary production (GPP) at seasonal scales, their relationships at high temporal resolution across diurnal to seasonal scales remain unclear. In this study, far-red canopy SiF, GPP, and absorbed photosynthetically active radiation (APAR) were continuously monitored using automated spectral systems and an eddy flux tower over an entire growing season in a rice paddy. At half-hourly scale, strong linear relationships between SiF and GPP (R2=0.76) and APAR and GPP (R2=0.76) for the whole growing season were observed. We found that relative humidity, diffuse PAR fraction, and growth stage influenced the relationships between SiF and GPP, and APAR and GPP, and incorporating those factors into multiple regression analysis led to improvements up to R2=0.83 and R2=0.88, respectively. Relationships between LUEp (=GPP/APAR) and LUEf (=SiF/APAR) were inconsistent at half-hourly and weak at daily resolutions (R2=0.24). Both at diurnal and seasonal time scales with half-hourly resolution, we found considerably stronger linear relationships between SiF and APAR than between either SiF and GPP or APAR and GPP. Overall, our results indicate that regardless of temporal resolution and time scale, canopy SiF in the rice paddy is above all a very good proxy for APAR and that therefore SiF-based GPP estimation needs to take into account relevant environmental information to model LUEp. These findings can help develop mechanistic links between canopy SiF and GPP across multiple temporal scales.