北极圈植被光合作用对气候变化的响应强度显著高于绿度变化：来自卫星SIF观测的首个证据

本研究针对北极圈陆地生态系统中植被光合作用与绿度对气候变化响应的不确定性，通过协同分析GOME-2卫星的太阳诱导叶绿素荧光(SIF)和MODIS的归一化植被指数(NDVI)数据，首次揭示光合作用增长幅度(6.09%)是绿度变化(3.31%)的近两倍，证实CO2浓度上升和气候变暖通过提升表观SIFyield(4.82%)直接增强光合作用敏感性，为碳-气候反馈预测提供了关键生理基准。

　　

北极圈陆地生态系统作为全球气候变化的敏感指示器，正经历着比全球平均水平更快的变暖过程。这片储存着全球三分之一土壤有机碳的区域，其植被动态直接影响着碳释放和气候反馈的规模。然而，传统研究依赖的归一化植被指数(NDVI)虽能有效监测植被绿度变化，却无法直接表征光合作用过程；而作为光合作用直接指标的太阳诱导叶绿素荧光(SIF)，其长期气候变化响应特征在北极圈仍存在认知空白。这种认知断层使得学界难以准确评估北极圈植被在CO₂浓度持续升高和气候变暖背景下的真实碳汇能力。

中国科学院的研究团队在《Ecological Informatics》发表的研究，创新性地整合了经过时间一致性校正的GOME-2卫星SIF数据(TCSIF)与MODIS NDVI数据集，首次系统比较了2007-2021年北极圈夏季植被光合作用与绿度对气候变化的响应差异。研究采用随机森林模型量化气候因子贡献度，结合结构方程模型(SEM)解析响应路径，并通过偏Spearman秩相关分析揭示空间异质性。

关键技术方法包括：1) 基于伪不变地标的GOME-2仪器衰减校正；2) 表观SIFyield计算模型(SIF/cosθ×NDVI)；3) 曼-肯德尔趋势检验；4) 多生态系统类型分区分析(森林/草地/灌木/湿地)；5) 气候因子标准化处理(Z-score)。

研究结果揭示：

1. 时空动态特征：70.05%植被像元呈现NDVI与SIF变化一致性，但SIF增长幅度(6.09%)显著高于NDVI(3.31%)，其中森林生态系统差异最大达2.3倍。表观SIFyield增长4.82%，解释光合作用增强的生理机制。

2. 气候驱动因素：温度是主导因子，对NDVI和SIF的相对贡献分别达45.79%-57.04%和48.52%-55.19%。CO₂对SIF的影响(约35%)显著高于NDVI(约10%)，15年间33.27 ppm的CO₂增量直接驱动光合效率提升。

3. 响应差异：SEM显示SIF对气候因子的总响应系数(0.846)是NDVI(0.603)的1.5倍，辐射在灌木生态系统的直接路径系数达0.58，而降水在湿地呈现独特正向效应。

4. 空间格局：SIF在高纬度地区(如西伯利亚高原)对温度和CO₂的敏感性更强，辐射响应强度随海拔升高而增强，呈现显著生态类型分异。

这项研究突破性地证实了北极圈植被光合作用对气候变化的响应强度远超结构绿度变化，挑战了传统NDVI中心范式。发现CO₂施肥效应通过提升光能利用率(LUE)使光合增幅达到绿度变化的近两倍，为量化碳-气候反馈提供了直接观测证据。研究建立的SIF-NDVI协同分析框架，为极地生态系统功能评估开辟了新途径，对完善地球系统模型中的植被参数化方案具有重要价值。随着TROPOMI等新一代荧光卫星投入应用，该研究奠定的方法论基础将推动全球变化生态学进入"光合作用直接观测"的新纪元。