近日，南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所張永光教授課題組利用植被日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒膺b感等多源數(shù)據(jù)和海量實(shí)地森林調(diào)查大數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，首次在全球尺度明確揭示了樹種多樣性是促進(jìn)森林光合作用的關(guān)鍵因子。

　　植被光合作用作為生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳吸收過程，直接決定了陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2的吸收能力。與此同時(shí)，全球森林正在經(jīng)歷顯著的物種多樣性喪失——樹種越來越少、結(jié)構(gòu)越來越單一，物種多樣性的變化是否會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)光合作用能力？長(zhǎng)期以來，此類研究主要依賴于局地控制實(shí)驗(yàn)和小樣本數(shù)據(jù)，缺乏大尺度自然生態(tài)系統(tǒng)中的直接觀測(cè)證據(jù)。其主要原因是難以在全球尺度上準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)植被光合作用動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致我們對(duì)“維持樹種多樣性是否真的有益于森林光合能力”這一問題缺乏科學(xué)共識(shí)。

　　在江蘇省碳中和國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室資助下，張永光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西班牙高等科研理事會(huì)國家生態(tài)研究與林業(yè)應(yīng)用中心Josep Pe?uelas教授，巧妙結(jié)合了先進(jìn)的衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù)和全球海量樣地調(diào)查大數(shù)據(jù)，打通了這一長(zhǎng)期的“觀測(cè)壁壘”。他們引入了一種前沿的衛(wèi)星遙感技術(shù)——日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）。這項(xiàng)技術(shù)可以像“望遠(yuǎn)鏡”一樣，從太空中直接捕捉植物在光合作用時(shí)發(fā)出的微弱熒光，從而“看見”植物真實(shí)的光合作用動(dòng)態(tài)。團(tuán)隊(duì)將衛(wèi)星遙感SIF數(shù)據(jù)與全球967個(gè)森林大樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，以及超過70萬個(gè)森林樣地組成的生物多樣性數(shù)據(jù)庫（GFBI）結(jié)合，采用深度機(jī)器學(xué)習(xí)等模型方法，系統(tǒng)探究了森林物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)光合作用的關(guān)系。

　　研究發(fā)現(xiàn)，樹種多樣性是全球森林光合作用的重要決定因子，其作用強(qiáng)度僅次于溫度。 樹種越豐富的森林，光合作用能力越強(qiáng)。這種“樹種多樣性的促進(jìn)效應(yīng)”具有明顯的區(qū)域差異性，熱帶和亞熱帶地區(qū)（如亞馬遜雨林、剛果盆地、東南亞熱帶雨林、中國南方亞熱帶森林）最為顯著，而寒帶高緯度地區(qū)則相對(duì)較弱。同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)，SIF相較于傳統(tǒng)遙感植被指數(shù)（如NIRV）在反映光合作用動(dòng)態(tài)變化方面更具優(yōu)勢(shì)，這也說明發(fā)展葉綠素?zé)晒膺b感技術(shù)在理解全球碳循環(huán)過程中具有重要意義。

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合先進(jìn)的GEDI衛(wèi)星激光雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)與光學(xué)遙感反演的植被生化參數(shù)數(shù)據(jù)，揭示了樹種多樣性通過兩大路徑增強(qiáng)光合作用的機(jī)制：一是提升森林冠層的垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，導(dǎo)致樹冠內(nèi)的光分布得到優(yōu)化，確保更多的葉片積極參與光合作用，增強(qiáng)光能的捕獲能力；二是改善葉片的生理特性，如提高葉片氮含量與RuBisCO羧化酶活性，從而顯著增強(qiáng)了森林生態(tài)系統(tǒng)的最大光合能力。該研究強(qiáng)調(diào)了樹種多樣性主要是通過放大森林的最大光合作用能力來驅(qū)動(dòng)光合作用，而不是通過延長(zhǎng)生長(zhǎng)季節(jié)的持續(xù)時(shí)間。

　　該研究通過將先進(jìn)遙感探測(cè)技術(shù)與大樣本地面調(diào)查大數(shù)據(jù)相結(jié)合，在全球尺度定量揭示了樹種多樣性與森林光合作用關(guān)系的空間分布規(guī)律，突破了以往生態(tài)學(xué)研究主要依賴小尺度操控實(shí)驗(yàn)和局地觀測(cè)的局限。研究不僅為全球森林資源管理、生物多樣性保護(hù)和碳匯潛力評(píng)估提供了關(guān)鍵的觀測(cè)證據(jù)，也為生態(tài)系統(tǒng)功能的遙感監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)路徑。

　　目前廣泛使用的地球系統(tǒng)碳循環(huán)模型普遍忽視了生物多樣性這一關(guān)鍵生態(tài)因素，僅以“植被功能型”進(jìn)行簡(jiǎn)化描述。這一不足可能導(dǎo)致未來森林碳匯能力的高估。本研究成果可作為模型評(píng)估和改進(jìn)的重要基準(zhǔn)，研究團(tuán)隊(duì)建議未來在碳循環(huán)與光合作用模擬中，尤其是在熱帶和亞熱帶生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)充分考慮樹種多樣性對(duì)光合生理過程的影響，以提升模型預(yù)測(cè)氣候反饋機(jī)制的準(zhǔn)確性。

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