大气CO2浓度升高对成熟树木叶片高光谱反射特性的影响及其生态意义

本研究通过BIFoR FACE实验，探究了长期CO2富集（eCO2）对180年生欧洲栎（Quercus robur L.）叶片高光谱反射特性的影响，发现eCO2虽未显著改变整体反射率，但通过植物衰老反射指数（PSRI）揭示了叶绿素与胡萝卜素比例的变化，为未来森林遥感监测和碳汇功能评估提供了关键依据。

　　

随着大气CO₂浓度持续攀升，预计2050年将达到550 ppm，其对森林生态系统的影响成为全球关注焦点。尽管大量研究表明CO₂升高（eCO₂）能促进幼树光合作用（即"CO₂施肥效应"），但成熟森林的响应机制仍存在显著知识空白。尤其令人困惑的是，叶片光学特性作为遥感监测森林健康的核心参数，其在eCO₂条件下的变化规律鲜有报道。英国伯明翰森林研究所（Birmingham Institute of Forest Research, BIFoR）的Anna Lee Jones团队通过独特的自由大气CO₂富集（FACE）实验平台，首次系统揭示了成熟栎树叶片反射光谱对长期eCO₂暴露的响应特征。

研究人员采用高分辨率光谱辐射计（HR-1024i）原位测量了7年eCO₂处理的180年生欧洲栎叶片在350-2500 nm范围的高光谱反射数据，结合机器学习分析和传统植被指数计算，重点解析了光合色素相关波段的变化规律。

整体反射率保持稳定
通过主成分分析（PCA）发现，前四个主成分（累计解释97.2%变异）在eCO₂与对照（aCO₂）间无显著差异（P=0.19），表明长期eCO₂未改变叶片反射光谱的整体格局。这一结果与橡树（Quercus pubescens）和枫树（Acer saccharum）的既往研究结论一致。

关键生理指标发生特异性变化
植物衰老反射指数（PSRI）在eCO₂条件下显著升高（+2.6×10^-2，P=0.049），该指数与叶绿素/胡萝卜素比值高度相关。偏最小二乘判别分析（PLSDA）进一步识别出565-580 nm（绿色反射峰边缘）和1400 nm（水分吸收带）是区分处理的关键波段，暗示eCO₂可能通过改变色素组成和水分状态影响光学特性。

生态与遥感应用价值
该研究首次证实成熟森林叶片反射光谱对eCO₂的响应具有"整体保守、局部特异"的特征：虽然总反射率未显著变化，但PSRI的升高预示着光合机构可能发生适应性调整。这一发现为解译未来大气条件下遥感监测数据提供了生物物理基础，特别是对全球碳循环模型中森林生产力估算具有重要校正价值。研究同时指出，传统植被指数如NDVI（归一化差异植被指数）在eCO₂环境中可能掩盖重要的生理变化，建议将PSRI纳入森林健康评估体系。

值得注意的是，该研究采用的叶片夹测量法虽提高野外工作效率，但可能高估绝对反射率。未来研究可结合积分球测量验证反射通量变化对森林反照率的潜在影响。随着第二代FACE实验的持续推进，这些发现将为预测成熟森林在气候变化背景下的功能演变提供更全面的理论框架。