北半球的冬天是殘酷的。惡劣的條件使一些物種進(jìn)入冬眠狀態(tài);熊減少了它們的新陳代謝狀態(tài)以節(jié)約能量直到春天。森林也通過節(jié)約能源忍受冬天;他們關(guān)閉了光合作用，這是一種叫做葉綠素的綠色素吸收陽光和二氧化碳(CO2)產(chǎn)生化學(xué)能的過程。由光合作用產(chǎn)生的化學(xué)能的總產(chǎn)量稱為總初級生產(chǎn)(GPP)。GPP在常綠森林告訴科學(xué)家們多少CO2這些巨大的和遠(yuǎn)程系統(tǒng)在呼吸。
由于光合作用拉CO2出來的氣息，了解森林活動是跟蹤全球二氧化碳水平是至關(guān)重要的。幾十年來，科學(xué)家們利用衛(wèi)星監(jiān)測落葉林綠化的變化，以追蹤GPP。在秋季和冬季，落葉葉片在休眠時會變成褐色并掉落。在春季和夏季，葉綠素返回綠葉，光合作用逐漸增加。然而，常綠樹木常年保留其葉綠素填充的綠色針頭，阻止科學(xué)家大規(guī)模地檢測光合作用的發(fā)生和衰退。
有史以來第一次，一項新研究將季節(jié)性GPP周期與光合作用發(fā)生的過程聯(lián)系起來，但最近已被某些衛(wèi)星追蹤 - 太陽誘導(dǎo)熒光(SIF)。當(dāng)太陽的能量將葉綠素激發(fā)到更高的能量狀態(tài)時，就會發(fā)生光合作用。當(dāng)葉綠素恢復(fù)到正常狀態(tài)時，它會發(fā)出光子，產(chǎn)生的光線對于肉眼來說太低了。由此產(chǎn)生的“發(fā)光”是SIF。
一個由研究人員組成的合作團(tuán)隊在塔上使用掃描光譜儀測量科羅拉多常綠森林中整個季節(jié)的熒光“發(fā)光”。該團(tuán)隊是第一個將SIF與針狀生理學(xué)，冠層光合作用和衛(wèi)星衍生熒光聯(lián)系起來的團(tuán)隊。他們發(fā)現(xiàn)每日和季節(jié)性SIF模式與GPP的時間和幅度非常接近。在春天，常青樹激活針葉中的葉綠素，驅(qū)動熒光和光合作用，與衛(wèi)星最近能夠測量的SIF緊密匹配。
植物在嚴(yán)寒的冬季保護(hù)自己的方法之一是通過部署作為“防曬劑”的光保護(hù)色素。該研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物使用這種防曬劑時，光合作用和熒光都會減少，使科學(xué)家們能夠?qū)IF信號有信心，作為監(jiān)測常綠森林呼吸(CO2吸收)的代表。
現(xiàn)在，科學(xué)家們可以使用基于衛(wèi)星的熒光測量作為常綠森林中光合作用活動的指標(biāo)，這是前所未有的規(guī)模。通過觀察太空中常綠森林的光芒，我們可以更好地了解這些森林如何應(yīng)對氣候變化。
“我們正在努力開發(fā)技術(shù)，能夠‘看見’光合作用大尺度，讓我們知道到底有多少CO2生物圈被消耗......保持手指對生物圈的脈搏，”特洛伊馬格奈，研究說美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室和加州理工學(xué)院的科學(xué)家。
Magney和該團(tuán)隊從2017年6月至2018年6月在科羅拉多州Niwot Ridge的亞高山針葉林中安裝在塔頂?shù)墓庾V儀系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)。他們能夠解開針葉針內(nèi)的生理變化，以更好地理解為什么我們看到SIF季節(jié)性周期。事實證明，這完全取決于顏料。
“你和我可以被曬傷。過多的紫外線會傷害我們的細(xì)胞。有些人可以保護(hù)自己 - 他們的皮膚會產(chǎn)生更多的色素黑色素，以適應(yīng)高光環(huán)境，”大學(xué)生物學(xué)教授David Bowling說。猶他州和該研究的合著者。“植物有一個不同但相似的過程。”
沒有光合作用來利用太陽的能量，植物就需要保護(hù)自己。研究人員發(fā)現(xiàn)，針葉樹產(chǎn)生高水平的色素，這些色素是葉黃素循環(huán)的一部分，可以保護(hù)組織免受過量光照。整個季節(jié)，“防曬霜”的比例變化 - 冬季更多，夏季更少 - 降低熒光和光合作用。
“最終，測量植物的小熒光發(fā)光將使我們能夠準(zhǔn)確地看到陸地生物圈吸收碳的時間和幅度。這將有助于我們了解森林如何應(yīng)對氣候變化，并建議它們?nèi)绾螒?yīng)對未來的氣候變化， “馬格尼說。
該研究的其他作者包括猶他大學(xué)的Maria Garcia和Brett Rackza;來自Bowdoin學(xué)院的Barry Logan和Sophia Lopez;加州大學(xué)洛杉磯分校的Katja Grossmann和Jochen Stutz;科羅拉多大學(xué)的Peter Blanken和Sean Burns;PhilippKöhler，Rui Cheng和加州理工學(xué)院的Christian Frankenburg;美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室的David Schimel和Nicholas Parazoo。
本研究由美國宇航局碳監(jiān)測系統(tǒng)計劃(授予NNX16AP33G和NNX17AE14G)，美國能源部科學(xué)辦公室AmeriFlux管理項目(獎項7094866)，國家科學(xué)基金會，美國宇航局博士后計劃資助。