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什么是日光诱导叶绿素荧光？ | SIF系列科普第一期

发布者：发布时间：2026-08-25

当我们看到一片绿色的植物时，看到的只是它的“颜色”，但在阳光照射下，植物其实还在悄悄释放一种极其微弱的光学信号——日光诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）。

它不像传统遥感指标那样主要告诉我们植物“长得怎么样”，而是能够从光能分配的角度，帮助我们了解植物“活得怎么样”。那么，SIF究竟是什么？它和光合作用之间有什么关系？面对强烈的太阳背景，我们又是如何从光谱中捕捉到这一微弱信号的？

这一期，我们就从这些问题出发，一起走近 SIF，看看这束微弱荧光背后隐藏着怎样的植物生理信息。

一、什么是日光诱导叶绿素荧光？

叶绿素吸收太阳光后，能量并非全部用于光合作用，而是会在光化学反应、热耗散和荧光三种途径中进行动态分配。其中，叶绿素分子以光子形式重新释放的微弱红光与远红光信号（波长涵盖 650–800 nm），就是叶绿素荧光。而日光诱导叶绿素荧光（SIF）特指在自然太阳光照这一被动激发条件下产生并被观测到的荧光。不同于通过传统高光谱反射率观察植物“长什么样”（如叶绿素含量、NDVI 等结构指标），SIF 仅占植物吸收光能的 1%–2%，极其微弱，却直接反映了植物“活得怎么样”。

1.为什么大多数植物的叶片是绿色的？

叶绿素对蓝光和红光吸收较强，而对绿光的吸收相对较弱，因此我们最终看到的叶片呈现绿色。植物吸收的光能需要在不同途径之间进行分配。叶绿素吸收光子后，其电子进入激发态，随后激发能量可以通过光化学反应、热耗散和荧光等途径释放或利用。

（1）光化学反应：用于驱动光合作用；

（2）热耗散（非光化学耗散）：以热的形式释放，避免光损伤；

（3）荧光：以光子形式重新释放，形成叶绿素荧光。

▲图1 植被光合作用原理

2.什么是叶绿素荧光？

叶绿素荧光（Chlorophyll Fluorescence，ChlF）是叶绿素分子吸收光能后，部分激发能量以光子的形式重新释放所产生的光学信号。它通常表现为红光到远红光区域的发射，典型荧光光谱大致覆盖 650–800 nm，并在约 690 nm 和 740 nm 附近表现出典型特征。

3.什么是“日光诱导”叶绿素荧光？

SIF = Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence即：日光诱导叶绿素荧光。“日光诱导”强调的是：激发叶绿素产生荧光的光源是自然太阳辐射。叶绿素荧光是一个更广义的概念，而 SIF 特指自然太阳光激发条件下产生并被观测到的叶绿素荧光。

4.SIF到底有多弱？

SIF非常弱，仅占植物吸收光能的1%-2%，非常强的太阳辐射背景 + 植物反射/散射光 + 非常微弱的 SIF + 仪器噪声。

二、叶绿素荧光与光合作用有什么关系？

叶绿素荧光与光合作用（光化学反应）及热耗散（NPQ）共享同一个“能量入口”，三者在能量分配上存在同源竞争与动态耦合关系。当植物受到干旱、高温或病虫害胁迫时，光合作用能力会率先受阻。为了避免过量光能灼伤光合系统，植物会立刻通过热耗散和荧光释放来调节能量平衡。相比叶片变黄、干枯等需要数天才能被传统高光谱察觉的形态变化，SIF 荧光信号在毫秒到秒级就会发生改变。因此，SIF 并不是光合作用的产物，而是观察植物光能分配状态与实时生理变化的“功能性窗口”。光合作用首先是一场“能量转换”叶绿素荧光与光化学反应共享激发能量，因此荧光的变化能够反映光合系统中能量分配状态的变化。

▲图2 植被呼吸左右机理

三、如何获取叶绿素荧光？

由于太阳反射背景极强，微弱的 SIF 信号无法被普通光谱仪直接看到，其测量本质是从总辐亮度中分离微弱信号。物理学中，太阳大气及地球大气吸收（如 02-B687nm、02-A760nm、）会在光谱中形成极其狭窄的“暗谷”（即夫琅禾费暗线）。植物发射的 SIF 会将这些原本很深的暗谷“微弱地填平一小截”（即夫琅禾费暗线填充现象，FLF）。高光谱设备正是利用0.1--0.5 nm的***光谱分辨率捕捉暗线细节，并结合天地同步辐射采集（测量目标辐亮度与入射太阳辐照度），通过 FLD（夫琅禾费暗线判别法）、3FLD 或 SFM 等改进算法，精准剔除太阳反射背景，反演出纯净的 SIF 信号。