Оценка взаимосвязи солнечно-индуцированной флуоресценции с параметрами окружающей среды для различных экосистем юга Западной Сибири по данным реанализа и спутниковых наблюдений

Валовая первичная продукция (GPP, gross primary production) является ключевой характеристикой глобального углеродного баланса. В настоящее время для получения информации о GPP в региональном и глобальном масштабе широко используются подходы, основанные на данных  дистанционного зондирования Земли из космоса. Первая группа методов основана на применении установленных статистических зависимостей между GPP и различными косвенными характеристиками растений, например, вегетационными индексами. Второй подход базируется на использовании модели перераспределения энергии в процессе фотосинтеза, что позволяет связать GPP с фотосинтетически активной радиацией (PAR, photosynthetically active radiation) через эмпирически подобранные коэффициенты. В основе третьего подхода к оценке GPP по спутниковым данным лежит использование информации о солнечно-индуцированной флуоресценции (SIF, solar-induced fluorescence), которая является собственным излучением растений в диапазоне 600-800 нм, возникающим в течение несколько наносекунд после поглощения солнечного света хлорофиллом. Хотя на флуоресценцию приходится всего 1-2% приходящей PAR, регистрация сигнала со спутника возможна благодаря тому, что пики спектральной SIF (680 и 740 нм) расположены вблизи линий Фраунгофера (687 и 760 нм). Преимуществами использования данного подхода являются его  физическая обоснованность и чувствительность к стрессовым условиям растений. 

На основе выполненных ранее многочисленных исследований взаимосвязи GPP-SIF показано, что в глобальном масштабе на длительных (не менее месяца) временных интервалах между этими характеристиками наблюдается практически линейная зависимость. Однако в региональном масштабе отдельных экосистем соотношение между SIF и GPP может существенно меняться в зависимости от условий окружающей среды, что особенно актуально для регионов с высокой природной неоднородностью – таких. как юг Западной Сибири.

В данной работе рассматривается территория Западной Сибири, включающая Алтайский край, Кемеровскую, Новосибирскую, Омскую и Томскую области. Для выявления ключевых параметров окружающей среды, оказывающих влияние на их фотосинтетическую активность, использованы данные реанализа ERA-5 и различных спутниковых инструментов: температура воздуха на уровне 2 м, температура  верхнего слоя почвы, количество осадков, дефицит давления водяного пара, вегетационные индексы, доля поглощенной растениями PAR, потоки прямой и рассеянной PAR, влажность почвы. Рассматриваются месячные значения перечисленных выше характеристик в вегетационном периоде исследуемого региона (май-сентябрь) с 2018 по 2024 год. Вся информация о параметрах окружающей среды приведена к единому пространственному разрешению 0.05°. 

Для оценки связи между значениями SIF, восстановленными по данным сенсора TROPOMI (спутник Sentinel-5P), и перечисленными выше характеристиками на данном этапе исследований рассчитаны коэффициенты корреляции Пирсона и их статистическая значимость, а также временные сдвиги кросс-корреляции как для региона в целом, так и отдельных административных областей юга Западной Сибири.. Анализ полученных в работе результатов свидетельствует о том, что SIF на рассматриваемых территориях наиболее тесно связан с вегетационными индексами и долей поглощенной растениями PAR. Установлено, что температурный режим в исследуемом регионе более значим для фотосинтетической активности экосистем по сравнению с параметрами увлажненности. 

Работа выполнена в рамках государственного задания ИОА СО РАН.