Гіперспектральнае дыстанцыйнае зандзіраванне і інверсія біяхімічных параметраў на ўзроўні лісця і кроны

Экасістэмы адыгрываюць жыццёва важную ролю ў абмене вадой, энергіяй і парніковымі газамі паміж глебай, расліннасцю і атмасферай. Здольнасць выяўляць змены ў працэсах экасістэм, такіх як секвестрацыя вугляроду, кругазварот пажыўных рэчываў, чыстая першасная прадуктыўнасць і раскладанне падсцілкі, з'яўляецца важным кампанентам вызначэння глабальных біягеахімічных цыклаў і выяўлення змены клімату. У мадэлях лясных экасістэм гэтыя працэсы звязаны з біяхімічным утрыманнем полага, асабліва канцэнтрацыяй азоту, лігніну і цэлюлозы.

таму, Разуменне пігментаў, якія прысутнічаюць у лісці раслін, з'яўляецца важнай перадумовай для паляпшэння ацэнкі і колькаснага вызначэння фізіялогіі і жыццяздольнасці раслін.Паколькі ацэнка хімічнага складу полага з выкарыстаннем традыцыйных метадаў палявога адбору проб з'яўляецца працаёмкай і непрыдатнай для маштабных рэгіянальных і глабальных даследаванняў, тэхналогія дыстанцыйнага зандзіравання біяхіміі лісця (пажыўныя рэчывы, пігменты) як індыкатар стрэсавых з'яў або шкоднікаў, хвароб раслін і іншых бедстваў даўно цікавіць лясных кіраўнікоў і эколагаў.

Малюнак 1. Выяўленне біяхімічных параметраў на ўзроўні лесу і полага.

Тры тыпы пігментаў вызначаюць колер лісця праз выбарачнае паглынанне святла: хларафіл (два асноўныя тыпы ў вышэйшых раслін, хларафіл а і хларафіл b), каратыноіды (у тым ліку β-каратын і ксантафіл) і антоціаны. Змест і склад гэтых пігментаў звязаны з фізіялагічным станам лісця і існуюць у розных прапорцыях падчас дыферэнцыяцыі і старэння лісця. Пэўныя ўмовы могуць перашкаджаць іх утварэнню, такія як дэфіцыт пажыўных рэчываў і наступствы абіятычных стрэсаў — забруджванне паветра азонам або дыяксідам серы, цяжкія металы, вірусныя атакі або недахоп вады, — што можа прывесці да зменаў аптычных уласцівасцей расліннасці. Канцэнтрацыя хларафіла сведчыць аб фотасінтэзе і патэнцыйнай максімальнай хуткасці засваення вуглякіслага газу. Каратыноіды дапамагаюць захопліваць святло, але таксама выконваюць фотаахоўную ролю і сведчаць аб зніжэнні фотасінтэзу.Азот і лігнін карэлююць з размеркаваннем вугляроду і хуткасцю кругазвароту пажыўных рэчываў адпаведна праз іх уплыў на хуткасць раскладання. Канцэнтрацыя хларафіла таксама цесна карэлюе з азотам, таму яна стала ключавым параметрам для вывучэння раслінных крон.

Шматлікія даследаванні паказалі карэляцыю паміж дадзенымі, атрыманымі з дапамогай візуалізуючых спектрометраў, і біяхімічнымі ўласцівасцямі лісця. У ранніх даследаваннях у асноўным выкарыстоўвалася паэтапная рэгрэсія для ўстанаўлення прагнастычных сувязяў паміж дадзенымі дыстанцыйнага зандзіравання ў вузкім спектральным дыяпазоне і біяхімічнымі зменнымі, якія цікавяць (напрыклад, цэлюлоза, хларафіл, лігнін, азот і крухмал). У наступных даследаваннях былі прапанаваны альтэрнатыўныя метады, а менавіта ацэнка біяхімічных зменных з выкарыстаннем мадэляў адлюстравання.

Пераход ад узроўню ліста да ўзроўню полага ўносіць моцныя інтэрферэнцыйныя эфекты, такія як уплыў структуры полага (індэкс плошчы ліста, размеркаванне вуглоў ліста) і глебавага фону. У параўнанні з кантраляванымі лабараторнымі ўмовамі, на паветраныя або касмічныя дадзеныя больш уплываюць такія фактары, як зменнае сонечнае святло і атмасферныя ўмовы, а таксама характарыстыкі прыбораў (суадносіны сігнал/шум, спектральная паласа прапускання, геаметрыя назірання). Гэтыя фактары ў сукупнасці прыводзяць да многіх праблем пры вызначэнні біяхімічнага складу лісця з выкарыстаннем дадзеных дыстанцыйнага зандзіравання. Тым не менш, адпаведныя даследаванні паказалі, што вымярэнні спектральнай апрамененасці полагаў раслін карэлююць са зменамі хімічнага складу полага, уключаючы канцэнтрацыі лігніну, азоту і цэлюлозы.

Малюнак 2. Дыяграма рассейвання, якая паказвае сувязь паміж рознымі паказчыкамі адлюстравання і агульным утрыманнем хларафіла.