植被遙感植物生理基礎.ppt

劉良云 Email: Tel: 821781632014-3-3,植被定量遙感原理與應用,課程內容,一、遙感地球所介紹 二、課程計劃 三、第一章 植被遙感生理生態(tài)基礎,一、遙感地球所介紹,2012年，為強化中科院在遙感領域的優(yōu)勢地位，中科院對地觀測中心和遙感應用研究所兩所整合，組建中科院遙感與數(shù)字地球所，簡稱遙感地球所。,中 國 科 學 院 對地觀測與數(shù)字地球科學中心,2007年正式成立,遙感地球所科研體系結構,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,現(xiàn)有兩架獎狀II飛機，根據(jù)國家航空遙感系統(tǒng)大科學工程計劃，擬在2013年前再購置兩架載荷和續(xù)航能力更強的新型遙感飛機，并研制、配備更為完善和先進的十種光學、紅外、微波等遙感儀器設備。,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基礎研究能力，數(shù)字地球科學平臺與全球環(huán)境資源信息分析能力和學科齊全的專業(yè)隊伍和國際科技合作能力等4大核心競爭力。,中 國 科 學 院 遙感與數(shù)字地球研究所,,二、植被遙感課程計劃,植被（vegetation）某一區(qū)域內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)境相對均一的地段內，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、一個生有水草或藻類的水塘等。每一相對穩(wěn)定的植物群落都有一定的種類組成和結構。一般在環(huán)境條件優(yōu)越的地方，群落的層次結構較復雜，種類也豐富，如熱帶雨林；而在嚴酷、惡劣的生境條件下，只有少數(shù)植物能適應 ，群落結構也簡單。群落的重要特征，如外貌、結構、生產量主要取決于各個植物種的個體，也決定于每個種在群落中的個體數(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、結構相似的植物群落，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植被組成、生理生態(tài)的狀態(tài)、過程及各類生產、生態(tài)與服務價值。,植被遙感基本要求,植物生理生態(tài)知識是植被遙感及應用基礎； 光譜成像機理是植被遙感的前提； 定量植被遙感是科學要求； 應用需求是推動植被遙感強大動力； 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、植被遙感課程計劃,1. 劉良云，植被定量遙感原理與應用，科學出版社，北京，2014. 2. 梁順林，定量遙感，科學出版社，北京，2008. 3. Lincoln T &Edurado著，宋純鵬等譯，植物生理學，科學出版社，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 -3小時 1.1 植被遙感研究的重要意義 1.2 植物生理學基礎 1.3 光與植物的相互作用 1.4 植被生態(tài)學基礎 第二章 植被反射率光譜原理與特征 -3小時 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)測量原理和處理方法 2.4 植被反射光譜特征及其形成機制 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（1次上機課） 3.1 葉片光學模型 3.2 其它葉片光學特性模型 3.3冠層光譜輻射傳輸模型 3.4 幾何光學模型 3.5 計算機模擬模型 第四章 植被參數(shù)定量遙感反演 6小時 4.1植被參數(shù)遙感反演基礎 4.2 植被參數(shù)的物理模型反演原理與案例 4.3 植被含水量的半經驗性遙感反演 4.4 基于能量平衡的FPAR半經驗遙感反演模型 4.5 典型植被生化組分的統(tǒng)計遙感反演模型與方法,第五章 遙感產品尺度效應與真實性檢驗 -3小時 5.1遙感產品真實性檢驗方法基礎 5.2尺度效應原理與定量分析方法 5.3 MODIS LAI遙感產品真實性檢驗指標與流程 5.4 內蒙古錫林浩特草原研究區(qū)MODIS LAI產品檢驗 5.5 西藏那曲草原研究區(qū)MODIS LAI產品檢驗 第六章植被葉綠素熒光遙感原理與應用 3小時 6.1 植被葉綠素熒光光譜特征 6.2 葉片尺度葉綠素熒光探測原理與方法 6.3 冠層葉綠素熒光探測原理與方法 6.4 衛(wèi)星平臺的葉綠素熒光遙感反演 6.5 植被光合作用遙感探測原理與應用 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,第七章 定量遙感的農業(yè)應用 -3小時 7.1 農業(yè)定量遙感的需求與流程 7.2 農作物長勢監(jiān)測與營養(yǎng)診斷 7.3 農作物產量遙感監(jiān)測 7.4 農作物品質遙感監(jiān)測預報原理和方法 7.5 農業(yè)災害遙感 第八章 時間序列定量遙感的林業(yè)應用 -6小時（1次上機課） 8.1Landsat時間序列遙感數(shù)據(jù)定量化處理模型與方法 8.2榆林地區(qū)森林覆蓋的時間序列定量遙感監(jiān)測 8.3榆林地區(qū)森林生物量的時間序列定量遙感監(jiān)測 8.4北京市門頭溝區(qū)植被覆蓋動態(tài)監(jiān)測與評估,第九章 陸地植被生態(tài)系統(tǒng)的氣候變化響應與適應遙感觀測 3小時 9.1植被氣候變化響應與適應觀測研究進展 9.2 植被物候的遙感觀測與驗證研究 9.3 全球植被物候的氣候變化響應研究 9.4 全球FPAR遙感監(jiān)測與氣候變化響應 9.5錫林浩特C3、C4植被遙感監(jiān)測與氣候變化響應,總結與討論課 3小時 共13次授課,完成了自然界規(guī)模巨大的物質轉變，把無機物轉化為有機物，固定2*1011噸碳(25倍全球碳排放)； 完成了自然界規(guī)模巨大的能量轉變，儲存了2*1018千卡能量，相當人類消耗能量100倍； 從根本上改變了地球表面環(huán)境，5.2*1011噸O2. 帶動了自然界其它物質循環(huán)，同化1噸碳，相應同化30-40kg氮、5kg磷和硫。,第一節(jié) 植被研究價值,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) 植被研究價值,據(jù)新華社洛杉磯4月30日電：根據(jù)美國夏威夷冒納羅亞天文臺測定的數(shù)值，部分美國科研人員認為，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)象引起某些研究機構的擔憂。,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) 植被研究價值,第一節(jié) 植被研究價值,第一節(jié) 植被研究價值,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)的核心研究內容。,Q1：植被覆蓋變化使氣候變暖還是變冷？,第一節(jié) 植被研究價值,1-2-1 植物生命的基本要素,地球上的初級生產者，綠色植物是太陽能捕捉器，將光能轉換為化學能，存儲在碳水化合物的化學鍵中； 植物不能自主移動，但進化了同化碳、氮、礦物質等物質進行生長的能力； 陸生植物在向光生長時，在結構上得到了增強來支撐其重量，抵抗重力； 陸生植物蒸騰作用連續(xù)失水，但進化了防脫水機制； 植物具備將土壤中水分和礦物質運輸?shù)焦夂献饔煤蜕L所需要地方的機制，以及將光合作用產物轉移到非光合作用器官和組織的機制； 植物具有主動和被動的環(huán)境響應和適應機制；,第二節(jié) 植被遙感的生理基礎,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)的主動防御特性(Taiz and Zeiger, 2002),植物的基本組成,1-2-2 植物細胞,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，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：與恐龍大滅絕的關系？ Q2：裸子植物稀少嗎？,植物細胞被堅硬的細胞壁包圍。 Q1：動植物的基本區(qū)別在那里？,在顯微鏡下觀察它們的細胞就會發(fā)現(xiàn)，植物的細胞都有一層又厚又硬的細胞壁，而動物細胞只有細胞膜，卻沒有細胞壁。,1-2-2 植物細胞,1-2-2 植物細胞,植物細胞結構,1-2-2 植物細胞,海蛤蝓（海蝸牛 )也會光合作用,海蛤蝓可能是“生命之樹”中動植物界的交叉點。海蛤蝓的細胞能夠從藻類獲取葉綠素，進行光合作用，從而為其所有生命活動提供足夠的能量，包括繁殖。 迄今為止，科學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)中具有集光蛋白質和酶類的功能,光合機構吸收的光能有三個可能的去向：一是用于推動光化學反應,引起反應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的相互競爭關系,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）和水轉化為有機物，并釋放出氧氣（或氫氣）的生化過程。光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和，是生物界賴以生存的基礎，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輻,光合作用,Q1：熒光與激發(fā)波長的關系？,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反應中心的復合體中。,光合作用,Emerson和Amold非常驚訝地發(fā)現(xiàn)在飽和條件下，每2500葉綠素分子只產生一個氧分子。,光合作用,紅降效應和雙光增益效益說明了光合作用是由兩個串聯(lián)但最適波長略有不同的光化學系統(tǒng)。,光合作用,光合作用,激發(fā)能從吸光葉綠素轉移到反應中心的物理機制是熒光共振能量傳遞，借助這種機制，激發(fā)能以非輻射的方式從一個分子轉移到另一個分子。 其轉移效率非常高，天線色素吸收的光子中95%-99%的能量轉移到反應中心。,光合作用,光合系統(tǒng)的修復與調節(jié)： 類胡蘿卜素作為光保護劑。 儲存在激發(fā)態(tài)葉綠素中的能量，通過激發(fā)能轉移或光化學反應被快速耗散的過程，稱為激發(fā)態(tài)猝滅(Quenched)。其中被光化學反應消耗的部分稱為光化學猝滅，其它成為非光化學猝滅。 如果激發(fā)態(tài)葉綠素沒有在激發(fā)能轉移和光化學反應中被快速猝滅，它就會和分子態(tài)氧反應形成激發(fā)態(tài)氧-單線態(tài)氧(singlet oxygen, )。這種活潑的單線態(tài)氧會和許多細胞組分反應并對其造成傷害。 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，地球上最偉大、最基礎的氧化還原反應！,Q1：一束白光照在葉綠素溶液上，側面看葉綠素溶液為什么是紅的？,葉綠素熒光和葉黃素循環(huán)是研究光和作用光反應的兩個窗口！,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,陰性植物與陽性植物在不同光合有效輻射強度下的光合速率曲線 (Bjrkman, 1981),葉片光學特性與能量平衡(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植物光合速率對環(huán)境CO2濃度的響應曲線 (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 (Penning e Vries and Djiteye, 1982),1-2-5 水和植物細胞,水勢是研究植物和水的重要方法。,水分從土壤通過植物到達大氣的主要驅動力包括： 葉氣空間的水氣濃度差cwv； 土壤與木質部的靜水壓差p； 根橫截面的水勢差w； 主導水分從土壤到葉片運輸?shù)年P鍵因素是木質部的負壓p ，而產生這種負壓的是蒸騰葉片細胞的毛細管作用。而在植物的另一端，土壤中的水分通過毛細管作用力維持，這導致兩端的毛細作用力對水分這個“繩子”的拔河。隨著葉片蒸騰失水，土壤中的水分持續(xù)進入植物體，并上行至葉片。 Q1：這個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,生物體內的有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳或其他產物，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。有氧呼吸是指細胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解，產生出二氧化碳和水，同時釋放出大量能量的過程。有氧呼吸是高等動物和植物進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。細胞進行有氧呼吸的主要場所是線粒體。一般說來，葡萄糖是細胞進行有氧呼吸時最常利用的物質。 呼吸作用為除光合作用以外的各種生理活動提供能量，同時又與各類物質的代射緊密相連。第一，呼吸作用能為生物體的生命活動提供能量。呼吸作用釋放出來的能量，一部分轉變?yōu)闊崮芏⑹?，另一部分儲存在ATP中。當ATP在酶的作用下分解時，就把儲存的能量釋放出來，用于生物體的各項生命活動，如細胞的分裂，植株的生長，礦質元素的吸收，肌肉的收縮，神經沖動的傳導等。第二，呼吸過程能為體內其他化合物的合成提供原料。在呼吸過程中所產生的一些中間產物，可以成為合成體內一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解時的中間產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胞的活性。另一是生長呼吸（growth respiration），包括結構大分子合成、離子吸收等。當然，這兩種呼吸的劃分純粹是人為的概念，實際上是無法區(qū)分的，不過在不同植物細胞或組織內，呼吸作用對生長所產生的效率卻是有區(qū)別的。即使在生長旺盛的細胞內，也有維持呼吸。從理論上說維持呼吸是穩(wěn)定的。生長呼吸則隨生長效率的變化而不同。,土壤呼吸是指未經擾動的土壤中產生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