Динамика фотосинтеза различных экосистем юга Западной Сибири по спутниковым данным TROPOMI за период 2018-2024 гг

Фотосинтез является ключевым биологическим процессом на Земле, в ходе которого энергия Солнца используется для синтеза органических соединений из неорганических веществ с выделением кислорода как побочного продукта. В настоящее время одним из наиболее перспективных подходов к мониторингу фотосинтетической активности экосистем в региональном и глобальном масштабе является регистрация флуоресцентного излучения хлорофилла, индуцированного солнечным светом (SIF, solar-induced fluorescence), аэрокосмическими средствами.

Растениями усваивается только часть приходящего солнечного излучения, называемая фотосинтетически активной радиацией (400-700 нм). Поглощаясь хлорофиллом, она расходуется на несколько процессов: фотосинтез (80-90%), рассеяние в виде тепла (5-10%) и флуоресценцию (1-2%). SIF генерируется в течение несколько наносекунд после абсорбции света в диапазоне длин волн от 600 до 800 нм с пиковыми значениями на 680 и 740 нм. Регистрация столь слабого сигнала со спутника возможна благодаря тому, что пики спектральной SIFрасположены вблизи линий Фраунгофера (687 и 760 нм). Однако на практике полоса 680 нм не используется в дистанционном зондировании из-за ослабления излучения в результате его повторного поглощения хлорофиллом при выходе и высокого фона отраженного солнечного света, тогда как оперативные данные SIF (740 нм) применяются для оценки интенсивности фотосинтетической активности экосистем в динамике.

В данной работе рассматривается изменчивость SIF для наиболее распространенных экосистем юга Западной Сибири – региона, который характеризуется высокой природной неоднородностью и выраженной сезонностью. Представлены результаты оценки динамики фотосинтетической активности как для указанной территории в целом, так и административно-территориальных единиц данного региона.

В качестве источника данных SIF используются результаты зондирования юга Западной Сибири сенсором TROPOMI (спутник Sentinel-5P), полученные за период 2018-2024 гг. с мая по сентябрь. Взятая с сервиса ВЕГА-Science, разработанного в ИКИ РАН, карта распределения типов растительности приведена к пространственному разрешению 0.05° для получения статистически обеспеченных месячных данных SIF. Поскольку TROPOMI сканирует земную поверхность с пространственным разрешением 3.5×5.5 км (3.5×7 км до августа 2019 года) с периодичностью орбиты 16 суток, то для получения месячных данных SIF ежедневные значения агрегировались в узлах сетки с радиусом 4.5 км. На основе полученных значений построен сезонный ход этого параметра для различных экосистем целевого региона. Наибольшей и сходной фотосинтетической активностью обладают лиственные леса и луга, а наименьшей – болота. Интенсивность фотосинтеза большинства экосистем юга Западной Сибири достигает пика в июне (реже – в июле), а минимума в сентябре. Особый интерес представляют значительные отклонения фотосинтетической активности от среднего. В частности, в 2020 году значения SIF были минимальными за весь период наблюдения, что предположительно вызвано холодной весной и дефицитом осадков в начале вегетационного периода. Анализ данных для административно-территориальных единиц по отдельности выявил ряд примечательных фактов, таких, как, например, более высокие, чем у лиственных лесов значения SIF для пахотных земель в Кемеровской области, убывающая фотосинтетическая активность всех основных экосистем Томской области за рассматриваемый период и т.д. 

Работа выполнена в рамках государственного задания ИОА СО РАН.