植被遙感植物生理基礎(chǔ).ppt

劉良云 Email: Tel: 821781632014-3-3,植被定量遙感原理與應(yīng)用,課程內(nèi)容,一、遙感地球所介紹 二、課程計(jì)劃 三、第一章 植被遙感生理生態(tài)基礎(chǔ),一、遙感地球所介紹,2012年，為強(qiáng)化中科院在遙感領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，中科院對(duì)地觀測(cè)中心和遙感應(yīng)用研究所兩所整合，組建中科院遙感與數(shù)字地球所，簡(jiǎn)稱遙感地球所。,中 國(guó) 科 學(xué) 院 對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心,2007年正式成立,遙感地球所科研體系結(jié)構(gòu),密云、三亞、喀什衛(wèi)星地面接收站 覆蓋全亞洲70的陸地面積,遙感衛(wèi)星地面站,航空遙感飛機(jī),現(xiàn)有兩架獎(jiǎng)狀I(lǐng)I飛機(jī)，根據(jù)國(guó)家航空遙感系統(tǒng)大科學(xué)工程計(jì)劃，擬在2013年前再購(gòu)置兩架載荷和續(xù)航能力更強(qiáng)的新型遙感飛機(jī)，并研制、配備更為完善和先進(jìn)的十種光學(xué)、紅外、微波等遙感儀器設(shè)備。,現(xiàn)擁有天空地一體化遙感數(shù)據(jù)獲取與處理能力，遙感與空間地球信息科學(xué)基礎(chǔ)研究能力，數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)與全球環(huán)境資源信息分析能力和學(xué)科齊全的專業(yè)隊(duì)伍和國(guó)際科技合作能力等4大核心競(jìng)爭(zhēng)力。,中 國(guó) 科 學(xué) 院 遙感與數(shù)字地球研究所,,二、植被遙感課程計(jì)劃,植被（vegetation）某一區(qū)域內(nèi)全部植物群落的總體。組成植被的單元是植物群落，某一地區(qū)植被可以由單一群落或幾個(gè)群落組成。 plants in general, especially the plants that are found in a particular area or environment 植物群落（plant community）：在環(huán)境相對(duì)均一的地段內(nèi)，有規(guī)律地共同生活在一起的各種植物種類的組合。例如一片森林、一個(gè)生有水草或藻類的水塘等。每一相對(duì)穩(wěn)定的植物群落都有一定的種類組成和結(jié)構(gòu)。一般在環(huán)境條件優(yōu)越的地方，群落的層次結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，種類也豐富，如熱帶雨林；而在嚴(yán)酷、惡劣的生境條件下，只有少數(shù)植物能適應(yīng) ，群落結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單。群落的重要特征，如外貌、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)量主要取決于各個(gè)植物種的個(gè)體，也決定于每個(gè)種在群落中的個(gè)體數(shù)量，空間分布規(guī)律及發(fā)育能力。不同的植物群落的種類組成差別很大，相似的地理環(huán)境可以形成外貌、結(jié)構(gòu)相似的植物群落，但其種類組成因形成歷史不同而可能很不相同。,Q1：植被(vegetation)與植物(plant)的區(qū)別？什么叫植被？,植被遙感（vegetation RS）：利用電磁波方法來探測(cè)植被組成、生理生態(tài)的狀態(tài)、過程及各類生產(chǎn)、生態(tài)與服務(wù)價(jià)值。,植被遙感基本要求,植物生理生態(tài)知識(shí)是植被遙感及應(yīng)用基礎(chǔ)； 光譜成像機(jī)理是植被遙感的前提； 定量植被遙感是科學(xué)要求； 應(yīng)用需求是推動(dòng)植被遙感強(qiáng)大動(dòng)力； 遙感和生態(tài)模型是研究植被生態(tài)系統(tǒng)的兩大利器。,二、植被遙感課程計(jì)劃,1. 劉良云，植被定量遙感原理與應(yīng)用，科學(xué)出版社，北京，2014. 2. 梁順林，定量遙感，科學(xué)出版社，北京，2008. 3. Lincoln T &Edurado著，宋純鵬等譯，植物生理學(xué)，科學(xué)出版社，2009 Taiz L, Zeiger E. 2002. Plant Physiology. Sunderland: Sinauer Associates 4. Schulze E D, Beck E, Mller-Hohenstein K. 2002. Pflanzenokologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Pant Ecology,第一章 植被生理生態(tài)基礎(chǔ) -3小時(shí) 1.1 植被遙感研究的重要意義 1.2 植物生理學(xué)基礎(chǔ) 1.3 光與植物的相互作用 1.4 植被生態(tài)學(xué)基礎(chǔ) 第二章 植被反射率光譜原理與特征 -3小時(shí) 2.1 反射率 2.2 遙感表觀反射率 2.3 地物反射率波譜數(shù)據(jù)測(cè)量原理和處理方法 2.4 植被反射光譜特征及其形成機(jī)制 2.5 植被指數(shù) 2.6 植被高光譜特征提取,第三章 植被遙感物理模型 6小時(shí)（1次上機(jī)課） 3.1 葉片光學(xué)模型 3.2 其它葉片光學(xué)特性模型 3.3冠層光譜輻射傳輸模型 3.4 幾何光學(xué)模型 3.5 計(jì)算機(jī)模擬模型 第四章 植被參數(shù)定量遙感反演 6小時(shí) 4.1植被參數(shù)遙感反演基礎(chǔ) 4.2 植被參數(shù)的物理模型反演原理與案例 4.3 植被含水量的半經(jīng)驗(yàn)性遙感反演 4.4 基于能量平衡的FPAR半經(jīng)驗(yàn)遙感反演模型 4.5 典型植被生化組分的統(tǒng)計(jì)遙感反演模型與方法,第五章 遙感產(chǎn)品尺度效應(yīng)與真實(shí)性檢驗(yàn) -3小時(shí) 5.1遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)方法基礎(chǔ) 5.2尺度效應(yīng)原理與定量分析方法 5.3 MODIS LAI遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)指標(biāo)與流程 5.4 內(nèi)蒙古錫林浩特草原研究區(qū)MODIS LAI產(chǎn)品檢驗(yàn) 5.5 西藏那曲草原研究區(qū)MODIS LAI產(chǎn)品檢驗(yàn) 第六章植被葉綠素?zé)晒膺b感原理與應(yīng)用 3小時(shí) 6.1 植被葉綠素?zé)晒夤庾V特征 6.2 葉片尺度葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)原理與方法 6.3 冠層葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)原理與方法 6.4 衛(wèi)星平臺(tái)的葉綠素?zé)晒膺b感反演 6.5 植被光合作用遙感探測(cè)原理與應(yīng)用 6.6 C3、C4植被熒光遙感分類 6.7 小麥條銹病的熒光遙感探測(cè),第七章 定量遙感的農(nóng)業(yè)應(yīng)用 -3小時(shí) 7.1 農(nóng)業(yè)定量遙感的需求與流程 7.2 農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與營(yíng)養(yǎng)診斷 7.3 農(nóng)作物產(chǎn)量遙感監(jiān)測(cè) 7.4 農(nóng)作物品質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)原理和方法 7.5 農(nóng)業(yè)災(zāi)害遙感 第八章 時(shí)間序列定量遙感的林業(yè)應(yīng)用 -6小時(shí)（1次上機(jī)課） 8.1Landsat時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)定量化處理模型與方法 8.2榆林地區(qū)森林覆蓋的時(shí)間序列定量遙感監(jiān)測(cè) 8.3榆林地區(qū)森林生物量的時(shí)間序列定量遙感監(jiān)測(cè) 8.4北京市門頭溝區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估,第九章 陸地植被生態(tài)系統(tǒng)的氣候變化響應(yīng)與適應(yīng)遙感觀測(cè) 3小時(shí) 9.1植被氣候變化響應(yīng)與適應(yīng)觀測(cè)研究進(jìn)展 9.2 植被物候的遙感觀測(cè)與驗(yàn)證研究 9.3 全球植被物候的氣候變化響應(yīng)研究 9.4 全球FPAR遙感監(jiān)測(cè)與氣候變化響應(yīng) 9.5錫林浩特C3、C4植被遙感監(jiān)測(cè)與氣候變化響應(yīng),總結(jié)與討論課 3小時(shí) 共13次授課,完成了自然界規(guī)模巨大的物質(zhì)轉(zhuǎn)變，把無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，固定2*1011噸碳(25倍全球碳排放)； 完成了自然界規(guī)模巨大的能量轉(zhuǎn)變，儲(chǔ)存了2*1018千卡能量，相當(dāng)人類消耗能量100倍； 從根本上改變了地球表面環(huán)境，5.2*1011噸O2. 帶動(dòng)了自然界其它物質(zhì)循環(huán)，同化1噸碳，相應(yīng)同化30-40kg氮、5kg磷和硫。,第一節(jié) 植被研究?jī)r(jià)值,Q1：植被生態(tài)系統(tǒng)固碳能否解決全球氣候變化碳排放問題？,第一節(jié) 植被研究?jī)r(jià)值,據(jù)新華社洛杉磯4月30日電：根據(jù)美國(guó)夏威夷冒納羅亞天文臺(tái)測(cè)定的數(shù)值，部分美國(guó)科研人員認(rèn)為，大氣的二氧化碳（CO2）濃度日均值將于今年5月初超過400ppm，這將是人類歷史上二氧化碳濃度首次突破這一關(guān)口，上一次超過這一數(shù)值至少在300萬年前。這一現(xiàn)象引起某些研究機(jī)構(gòu)的擔(dān)憂。,1850-2006年排放的CO2的46%留在大氣中，54%被陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)吸收。,第一節(jié) 植被研究?jī)r(jià)值,第一節(jié) 植被研究?jī)r(jià)值,第一節(jié) 植被研究?jī)r(jià)值,植被生態(tài)系統(tǒng)是地球輻射收支平衡、碳循環(huán)、水循環(huán)的核心研究?jī)?nèi)容。,Q1：植被覆蓋變化使氣候變暖還是變冷？,第一節(jié) 植被研究?jī)r(jià)值,1-2-1 植物生命的基本要素,地球上的初級(jí)生產(chǎn)者，綠色植物是太陽(yáng)能捕捉器，將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，存儲(chǔ)在碳水化合物的化學(xué)鍵中； 植物不能自主移動(dòng)，但進(jìn)化了同化碳、氮、礦物質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)的能力； 陸生植物在向光生長(zhǎng)時(shí)，在結(jié)構(gòu)上得到了增強(qiáng)來支撐其重量，抵抗重力； 陸生植物蒸騰作用連續(xù)失水，但進(jìn)化了防脫水機(jī)制； 植物具備將土壤中水分和礦物質(zhì)運(yùn)輸?shù)焦夂献饔煤蜕L(zhǎng)所需要地方的機(jī)制，以及將光合作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到非光合作用器官和組織的機(jī)制； 植物具有主動(dòng)和被動(dòng)的環(huán)境響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制；,第二節(jié) 植被遙感的生理基礎(chǔ),圖1-10 羽扇豆的追逐日光特性,圖1-11 含羞草的葉片姿態(tài)的主動(dòng)防御特性(Taiz and Zeiger, 2002),植物的基本組成,1-2-2 植物細(xì)胞,裸子植物：700種，它們的胚珠外面沒有子房壁包被，不形成果皮，種子是裸露的，故稱裸子植物。植物體，極為發(fā)達(dá)，多為喬木，少數(shù)為灌木或藤木（如熱帶的買麻藤），通常常綠，葉針形、線形、鱗形，極少為扁平的闊葉（如竹柏）。裸子植物很多為重要林木，尤其在北半球森林80以上是裸子植物，如落葉松、冷杉、華山松、云杉等 被子植物：25萬種 Q1：與恐龍大滅絕的關(guān)系？ Q2：裸子植物稀少嗎？,植物細(xì)胞被堅(jiān)硬的細(xì)胞壁包圍。 Q1：動(dòng)植物的基本區(qū)別在那里？,在顯微鏡下觀察它們的細(xì)胞就會(huì)發(fā)現(xiàn)，植物的細(xì)胞都有一層又厚又硬的細(xì)胞壁，而動(dòng)物細(xì)胞只有細(xì)胞膜，卻沒有細(xì)胞壁。,1-2-2 植物細(xì)胞,1-2-2 植物細(xì)胞,植物細(xì)胞結(jié)構(gòu),1-2-2 植物細(xì)胞,海蛤蝓（海蝸牛 )也會(huì)光合作用,海蛤蝓可能是“生命之樹”中動(dòng)植物界的交叉點(diǎn)。海蛤蝓的細(xì)胞能夠從藻類獲取葉綠素，進(jìn)行光合作用，從而為其所有生命活動(dòng)提供足夠的能量，包括繁殖。 迄今為止，科學(xué)家在海蛤蝓基因組里發(fā)現(xiàn)了大約十多種藻類基因，這些基因使這種生物在葉綠素合成通道和碳固定循環(huán)中具有集光蛋白質(zhì)和酶類的功能,光合機(jī)構(gòu)吸收的光能有三個(gè)可能的去向：一是用于推動(dòng)光化學(xué)反應(yīng),引起反應(yīng)中心的電荷分離及后來的電子傳遞和光合磷酸化,形成用于固定、還原二氧化碳的同化力(ATP和NADPH)；二是轉(zhuǎn)變成熱散失；三是以熒光的形式發(fā)射出來。這三者之間存在此消彼長(zhǎng)的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,1-2-3 光合作用,光合作用,光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是植物、藻類和某些細(xì)菌，在可見光的照射下，利用光合色素，將二氧化碳（或硫化氫）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣）的生化過程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。,光合作用,Q1：葉子為什么是綠的？,光合色素的吸收光譜曲線與太陽(yáng)輻,光合作用,Q1：熒光與激發(fā)波長(zhǎng)的關(guān)系？,光合作用,Q1：圖右的吸收光譜與作用光譜的差異說明了什么現(xiàn)象？,光合作用,光合作用發(fā)生在包含捕光天線和光化學(xué)反應(yīng)中心的復(fù)合體中。,光合作用,Emerson和Amold非常驚訝地發(fā)現(xiàn)在飽和條件下，每2500葉綠素分子只產(chǎn)生一個(gè)氧分子。,光合作用,紅降效應(yīng)和雙光增益效益說明了光合作用是由兩個(gè)串聯(lián)但最適波長(zhǎng)略有不同的光化學(xué)系統(tǒng)。,光合作用,光合作用,激發(fā)能從吸光葉綠素轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心的物理機(jī)制是熒光共振能量傳遞，借助這種機(jī)制，激發(fā)能以非輻射的方式從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子。 其轉(zhuǎn)移效率非常高，天線色素吸收的光子中95%-99%的能量轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心。,光合作用,光合系統(tǒng)的修復(fù)與調(diào)節(jié)： 類胡蘿卜素作為光保護(hù)劑。 儲(chǔ)存在激發(fā)態(tài)葉綠素中的能量，通過激發(fā)能轉(zhuǎn)移或光化學(xué)反應(yīng)被快速耗散的過程，稱為激發(fā)態(tài)猝滅(Quenched)。其中被光化學(xué)反應(yīng)消耗的部分稱為光化學(xué)猝滅，其它成為非光化學(xué)猝滅。 如果激發(fā)態(tài)葉綠素沒有在激發(fā)能轉(zhuǎn)移和光化學(xué)反應(yīng)中被快速猝滅，它就會(huì)和分子態(tài)氧反應(yīng)形成激發(fā)態(tài)氧-單線態(tài)氧(singlet oxygen, )。這種活潑的單線態(tài)氧會(huì)和許多細(xì)胞組分反應(yīng)并對(duì)其造成傷害。 類胡蘿卜素通過快速猝滅激發(fā)態(tài)葉綠素來行使其保護(hù)功能，由于激發(fā)態(tài)的類胡蘿卜素沒有足夠的能量形成單線態(tài)氧，因此它衰減回到基態(tài)，能量以熱能形式釋放。,光合作用,光和作用的碳反應(yīng)，地球上最偉大、最基礎(chǔ)的氧化還原反應(yīng)！,Q1：一束白光照在葉綠素溶液上，側(cè)面看葉綠素溶液為什么是紅的？,葉綠素?zé)晒夂腿~黃素循環(huán)是研究光和作用光反應(yīng)的兩個(gè)窗口！,光合作用,向日葵葉片的葉黃素循環(huán)的日變化特征,光合作用,1-2-4 光-葉片和光合作用,陰性植物與陽(yáng)性植物在不同光合有效輻射強(qiáng)度下的光合速率曲線 (Bjrkman, 1981),葉片光學(xué)特性與能量平衡(Smith,1986),Q1：植物是如何消耗多余能量的？,圖1-12 葉片能量平衡示意圖(Taiz and Zeiger, 2002),C3、C4植物光合速率對(duì)環(huán)境CO2濃度的響應(yīng)曲線 (Berry and Downton, 1982,C3、C4植物在不同葉溫下的量子效率(Ehleringer and Bjorkman, 1977,C3、C4植物在不同區(qū)域以及不同氣候變化情景下的比較優(yōu)勢(shì) (Penning e Vries and Djiteye, 1982),1-2-5 水和植物細(xì)胞,水勢(shì)是研究植物和水的重要方法。,水分從土壤通過植物到達(dá)大氣的主要驅(qū)動(dòng)力包括： 葉氣空間的水氣濃度差cwv； 土壤與木質(zhì)部的靜水壓差p； 根橫截面的水勢(shì)差w； 主導(dǎo)水分從土壤到葉片運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵因素是木質(zhì)部的負(fù)壓p ，而產(chǎn)生這種負(fù)壓的是蒸騰葉片細(xì)胞的毛細(xì)管作用。而在植物的另一端，土壤中的水分通過毛細(xì)管作用力維持，這導(dǎo)致兩端的毛細(xì)作用力對(duì)水分這個(gè)“繩子”的拔河。隨著葉片蒸騰失水，土壤中的水分持續(xù)進(jìn)入植物體，并上行至葉片。 Q1：這個(gè)作用植物需要消耗能量嗎？ Q2：萎蔫含水量的物理意義？,植物的水分平衡,植物的水分平衡,表1-1 不同土壤類型的萎蔫系數(shù)(重量含水量 %)(曾廣文、蔣德安，2000),1-2-6 呼吸作用,生物體內(nèi)的有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，并且釋放出能量的總過程，叫做呼吸作用(又叫生物氧化)。 生物的呼吸作用包括有氧呼吸和無氧呼吸兩種類型。有氧呼吸是指細(xì)胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生出二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量能量的過程。有氧呼吸是高等動(dòng)物和植物進(jìn)行呼吸作用的主要形式，因此，通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸。細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所是線粒體。一般說來，葡萄糖是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸時(shí)最常利用的物質(zhì)。 呼吸作用為除光合作用以外的各種生理活動(dòng)提供能量，同時(shí)又與各類物質(zhì)的代射緊密相連。第一，呼吸作用能為生物體的生命活動(dòng)提供能量。呼吸作用釋放出來的能量，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹?，另一部分?chǔ)存在ATP中。當(dāng)ATP在酶的作用下分解時(shí)，就把儲(chǔ)存的能量釋放出來，用于生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)，如細(xì)胞的分裂，植株的生長(zhǎng)，礦質(zhì)元素的吸收，肌肉的收縮，神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)等。第二，呼吸過程能為體內(nèi)其他化合物的合成提供原料。在呼吸過程中所產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物，可以成為合成體內(nèi)一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解時(shí)的中間產(chǎn)物丙酮酸是合成氨基酸的原料。,第三節(jié) 植被生態(tài)系統(tǒng),植物呼吸分為兩類，一是維持呼吸（maintenance respiration），它的作用僅僅是保持細(xì)胞的活性。另一是生長(zhǎng)呼吸（growth respiration），包括結(jié)構(gòu)大分子合成、離子吸收等。當(dāng)然，這兩種呼吸的劃分純粹是人為的概念，實(shí)際上是無法區(qū)分的，不過在不同植物細(xì)胞或組織內(nèi)，呼吸作用對(duì)生長(zhǎng)所產(chǎn)生的效率卻是有區(qū)別的。即使在生長(zhǎng)旺盛的細(xì)胞內(nèi)，也有維持呼吸。從理論上說維持呼吸是穩(wěn)定的。生長(zhǎng)呼吸則隨生長(zhǎng)效率的變化而不同。,土壤呼吸是指未經(jīng)擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2 的所有代謝作用,主要包括根系呼吸(自養(yǎng)呼吸的一部分) 以及土壤微生物和土壤動(dòng)物的異養(yǎng)呼吸。它可以占生態(tài)系統(tǒng)呼吸的60 % 90 % ( Schimel et al . ,2001) 。,第三節(jié) 植被生態(tài)系統(tǒng),第三節(jié) 植被生態(tài)系統(tǒng),Gross Primary Production, GPP, is the total amount of CO2 that is fixed by the plant in photosynthesis. * Respiration, R, is the amount of CO2 that is lost from an organism or system from metabolic activity. Respiration can be further divided into components that reflect the source of the CO2. Rp =Respiration by Plants Rh = Respiration by Heterotrophs Rd = Respiration by Decomposers (the microbes) Net Primary Production, NPP, is the net amount of primary production after the costs of plant respiration are included. Therefore, NPP = GPP - Rp Net Ecosystem Production, NEP, is the net amount of primary production after the costs of respiration by plants, hetert