Reakcja fluorescencji indukowanej promieniowaniem słonecznym oraz fotosyntezy roślinności torfowiska na stres wywołany symulowanym deficytem wodnym i podwyższoną temperaturą w warunkach klimatycznego eksperymentu manipulacyjnego
Type
Project
Date Issued
2017
Author
Discipline
environmental engineering, mining and energy
Abstract (PL)
Nadrzędnym celem projektu jest ocena wpływu czynników stresowych – symulowanego ocieplenia/stresu
termicznego i suszy – na indukowaną promieniowaniem słonecznym fluorescencję chlorofilu (SIF) mierzoną
nad szatą roślinną oraz produkcję pierwotną brutto (GPP) roślinności torfowiska. Odpowiemy na pytania: czy
zmiany w SIF skorelowane będą ze zmianami GPP roślinności torfowiska i całego ekosystemu? Czy
zależności te zmieniać się będą pod wpływem czynników stresowych? Czy mierząc SIF jesteśmy w stanie
określić kondycję roślin i status powierzchni torfowiska? Obecnie, programy badawcze Europejskiej Agencji
Kosmicznej (FLEX) i NASA dynamicznie napędzają rozwój innowacyjnych technologii niezbędnych do
pomiarów SIF, a także pionierskich badań nad wpływem czynników stresowych na zależność
SIF-GPP. Czy jednak, przy obecnym stanie wiedzy możemy ocenić produktywność ekosystemów i całej
biosfery za pomocą SIF, zważywszy na fakt, że większość czynników stresowych zaburza w istotnym stopniu
zależność SIF-GPP? Biorąc powyższe pod uwagę, projekt ma celu: 1) Określenie zmian w SIF oraz w
zależnościach SIF, wskaźników spektralnych (np. NDVI,PRI) i GPP różnych reprezentatywnychpowierzchni
torfowiska narażonych na oddziaływanie symulowanego stresu termicznego i suszę z wykorzystaniem
zarówno aktywnych, jak i pasywnych metod manipulacji klimatem na terenie kontrolowanych eksperymentów
manipulacyjnych na torfowisku w Rzecinie, 2) Określenie dobowej, sezonowej i przestrzennej zmienności SIF
oraz wskaźników spektralnych dla reprezentatywnych powierzchni torfowiska o różnym udziale roślin
naczyniowych i mchów torfowców 3) Określenie czy, i w jakim stopniu zależności SIF-GPP zależą od
zmieniających się warunków atmosferycznych i czynników środowiskowych oraz charakterystyk
biofizycznych szaty roślinnej. Aby osiągnąć te cele, pomiary SIF, GPP i wskaźników spektralnych
prowadzone będą na terenie istniejącego (od 2014 r) klimatycznego eksperymentu manipulacyjnego
WETMAN (www.wetman.pl) z aktywnymi metodami manipulacji (radiatory na podczerwień podnoszą
temperaturę torfu i powietrza, zaś automatyczna kurtyna rozsuwająca się podczas opadu nocnego ogranicza
ilość wody docierającej do powierzchni torfowiska). Pomiary strumieni CO2 i charakterystyk spektralnych
oraz SIF wykonywane będą za pomocą istniejącej prototypowej mobilnej platformy pomiarowej. Ponadto,
utworzone zostaną dwa inne stanowiska, na których manipulacje osiągane będą metodami pasywnymi z
wykorzystaniem otwartych komór OTC oraz zadaszenia odcinającego opad. Pomiary SIF i strumieni CO2 na
tych stanowiskach będą wykonywane okresowo za pomocą sytemu Piccolo Doppio z zestawem dwóch
spektrometrów (pomiary SIF i reflektancji) oraz manualnych komór dynamicznych (do pomiarów wymiany
netto i emisji CO2).
W projekcie wykorzystamy pierwszą w Polsce wysokorozdzielczą mapę przestrzennej zmienności SIF
wygenerowaną dla torfowiska Rzecińskiego podczas kampanii lotniczej SWAMP w lipcu 2015 roku
(kampania FLEX, ESA). W projekcie ocenimy krytycznie, czy na podstawie tej mapy i analizy przestrzennej
zmienności SIF jesteśmy wstanie wyodrębnić funkcjonalne grupy roślin na torfowisku? Za pomocą drona
mierzyć będziemy SIF powierzchni torfowiska i opracujmy mapy zmienności SIF dla torfowiska. Spróbujemy
odpowiedzieć na pytanie, czy porównując te zobrazowania SIF i mając wiedzę uzyskaną z eksperymentów
manipulacyjnych, będziemy mogli określić wstecz stan torfowiska w lipcu 2015 roku? Określimy też
przydatność dronów do pomiarów SIF ekosystemów o heterogenicznych powierzchniach. Przenalizujemy
również zależności pomiędzy SIF a strumieniami CO2 mierzonymi za pomocą systemu kowariancji wirów
(EC) celem weryfikacji hipotezy, że w heterogenicznym krajobrazie średnie wartości SIF mierzone w zasięgu
obszaru oddziaływania systemu EC mogą być dobrym wskaźnikiem produktywności ekosystemu (ilości
zasymilowanego CO2).
Ponadto, dla każdego stanowiska pomiarowego oszacujemy produkcję ekosystemu brutto za pomocą
klasycznego modelu LUE (stosując pomierzone wartości SIF i wskaźników spektralnych jako proxy
parametrów modelu). Wykorzystując natomiast zaawansowany model SCOPE, oszacujemy zarówno SIF, jak
i GPP tych powierzchni. Błąd oszacowania wartości SIF i strumieni GPP wysymulowanych za pomocą modelu
SCOPE będzie określony poprzez porównanie wartości wymodelowanych z pomierzonymi. Tym samym,
określimy przydatność tego modelu do szacowania SIF powierzchni ekosystemów.
Choć badania SIF prowadzono na wielu ekosystemach homogenicznych w swej strukturze, to jednak
nigdy wcześniej nie prowadzono podobnych pomiarów na torfowisku. Proponowane badania mają charakter
pionierski i nowatorki. Zrozumienie jakie czynniki determinują wartości SIF roślinności torfowiska pozwoli
lepiej zrozumieć dynamiczne interakcje ekosystem–atmosfera i dokładniej szacować produktywność
ekosystemów i całej biosfery, cojest obecnie przedmiotem zainteresowania grup badawczych specjalizujących
się w pomiarach SIF i ma kolosalne znaczenie dla przyszłej misji FLEX w ramach ESA Earth Explorer 8.
termicznego i suszy – na indukowaną promieniowaniem słonecznym fluorescencję chlorofilu (SIF) mierzoną
nad szatą roślinną oraz produkcję pierwotną brutto (GPP) roślinności torfowiska. Odpowiemy na pytania: czy
zmiany w SIF skorelowane będą ze zmianami GPP roślinności torfowiska i całego ekosystemu? Czy
zależności te zmieniać się będą pod wpływem czynników stresowych? Czy mierząc SIF jesteśmy w stanie
określić kondycję roślin i status powierzchni torfowiska? Obecnie, programy badawcze Europejskiej Agencji
Kosmicznej (FLEX) i NASA dynamicznie napędzają rozwój innowacyjnych technologii niezbędnych do
pomiarów SIF, a także pionierskich badań nad wpływem czynników stresowych na zależność
SIF-GPP. Czy jednak, przy obecnym stanie wiedzy możemy ocenić produktywność ekosystemów i całej
biosfery za pomocą SIF, zważywszy na fakt, że większość czynników stresowych zaburza w istotnym stopniu
zależność SIF-GPP? Biorąc powyższe pod uwagę, projekt ma celu: 1) Określenie zmian w SIF oraz w
zależnościach SIF, wskaźników spektralnych (np. NDVI,PRI) i GPP różnych reprezentatywnychpowierzchni
torfowiska narażonych na oddziaływanie symulowanego stresu termicznego i suszę z wykorzystaniem
zarówno aktywnych, jak i pasywnych metod manipulacji klimatem na terenie kontrolowanych eksperymentów
manipulacyjnych na torfowisku w Rzecinie, 2) Określenie dobowej, sezonowej i przestrzennej zmienności SIF
oraz wskaźników spektralnych dla reprezentatywnych powierzchni torfowiska o różnym udziale roślin
naczyniowych i mchów torfowców 3) Określenie czy, i w jakim stopniu zależności SIF-GPP zależą od
zmieniających się warunków atmosferycznych i czynników środowiskowych oraz charakterystyk
biofizycznych szaty roślinnej. Aby osiągnąć te cele, pomiary SIF, GPP i wskaźników spektralnych
prowadzone będą na terenie istniejącego (od 2014 r) klimatycznego eksperymentu manipulacyjnego
WETMAN (www.wetman.pl) z aktywnymi metodami manipulacji (radiatory na podczerwień podnoszą
temperaturę torfu i powietrza, zaś automatyczna kurtyna rozsuwająca się podczas opadu nocnego ogranicza
ilość wody docierającej do powierzchni torfowiska). Pomiary strumieni CO2 i charakterystyk spektralnych
oraz SIF wykonywane będą za pomocą istniejącej prototypowej mobilnej platformy pomiarowej. Ponadto,
utworzone zostaną dwa inne stanowiska, na których manipulacje osiągane będą metodami pasywnymi z
wykorzystaniem otwartych komór OTC oraz zadaszenia odcinającego opad. Pomiary SIF i strumieni CO2 na
tych stanowiskach będą wykonywane okresowo za pomocą sytemu Piccolo Doppio z zestawem dwóch
spektrometrów (pomiary SIF i reflektancji) oraz manualnych komór dynamicznych (do pomiarów wymiany
netto i emisji CO2).
W projekcie wykorzystamy pierwszą w Polsce wysokorozdzielczą mapę przestrzennej zmienności SIF
wygenerowaną dla torfowiska Rzecińskiego podczas kampanii lotniczej SWAMP w lipcu 2015 roku
(kampania FLEX, ESA). W projekcie ocenimy krytycznie, czy na podstawie tej mapy i analizy przestrzennej
zmienności SIF jesteśmy wstanie wyodrębnić funkcjonalne grupy roślin na torfowisku? Za pomocą drona
mierzyć będziemy SIF powierzchni torfowiska i opracujmy mapy zmienności SIF dla torfowiska. Spróbujemy
odpowiedzieć na pytanie, czy porównując te zobrazowania SIF i mając wiedzę uzyskaną z eksperymentów
manipulacyjnych, będziemy mogli określić wstecz stan torfowiska w lipcu 2015 roku? Określimy też
przydatność dronów do pomiarów SIF ekosystemów o heterogenicznych powierzchniach. Przenalizujemy
również zależności pomiędzy SIF a strumieniami CO2 mierzonymi za pomocą systemu kowariancji wirów
(EC) celem weryfikacji hipotezy, że w heterogenicznym krajobrazie średnie wartości SIF mierzone w zasięgu
obszaru oddziaływania systemu EC mogą być dobrym wskaźnikiem produktywności ekosystemu (ilości
zasymilowanego CO2).
Ponadto, dla każdego stanowiska pomiarowego oszacujemy produkcję ekosystemu brutto za pomocą
klasycznego modelu LUE (stosując pomierzone wartości SIF i wskaźników spektralnych jako proxy
parametrów modelu). Wykorzystując natomiast zaawansowany model SCOPE, oszacujemy zarówno SIF, jak
i GPP tych powierzchni. Błąd oszacowania wartości SIF i strumieni GPP wysymulowanych za pomocą modelu
SCOPE będzie określony poprzez porównanie wartości wymodelowanych z pomierzonymi. Tym samym,
określimy przydatność tego modelu do szacowania SIF powierzchni ekosystemów.
Choć badania SIF prowadzono na wielu ekosystemach homogenicznych w swej strukturze, to jednak
nigdy wcześniej nie prowadzono podobnych pomiarów na torfowisku. Proponowane badania mają charakter
pionierski i nowatorki. Zrozumienie jakie czynniki determinują wartości SIF roślinności torfowiska pozwoli
lepiej zrozumieć dynamiczne interakcje ekosystem–atmosfera i dokładniej szacować produktywność
ekosystemów i całej biosfery, cojest obecnie przedmiotem zainteresowania grup badawczych specjalizujących
się w pomiarach SIF i ma kolosalne znaczenie dla przyszłej misji FLEX w ramach ESA Earth Explorer 8.
Abstract (EN)
The main objective of the project is to assess the impact of stressed conditions caused by simulated
warming/heat stress and drought on top of the canopy level sun induced fluorescence (SIF) and gross primary
production (GPP) of peatland vegetation. In the project we will answer for following questions: will changes
in GPP fluxes be reflected in changes of SIF at canopy and ecosystem scales on peatland? Will these
relationships be different for plants exposed to stressed conditions? Can we assess the status and productivity
of the peatland ecosystemhaving a remote sensing signal? Currently, the Earth Explorer Programs of European
Space Agency (FLEX) and NASA are dynamically stimulate development of innovative technologies for
passive SIF measurements and SIF retrievals, as well as for pioneer research on impact of different stressed
conditions on SIF-GPP relationships. However, at the current state of knowledge, are we really able to estimate
GPP of ecosystems and biosphere with remote sensing SIF, considering that different stressed conditions may
significantly change the SIF-GPP relationships? Considering the above, the project aims are: 1) to detect
changes in SIF and to evaluate relationships between SIF, vegetation indices (e.g. NADVI, PRI) and GPP for
different representative peatland plots exposed to simulated warming/heat stress and drought by using both
passive and active climate manipulation techniques at the controlled manipulation experiments in Rzecin
peatland, 2) to define the diurnal, seasonal and spatial variability of top-of-canopy SIF and R as well as
relationships betweenSIF, R and GPP for selected reference plots of peatland with different amount of vascular
and mosses species 3) to define whether the relationship between SIF-GPP depends on atmospheric and
environmental conditions, as well as on biophysical characteristics of plant cover.
In order to reach the above aims, the measurements of SIF, GPP and spectral indices will be conducted
on plots of already existed WETMAN (www.wetman.pl) climate manipulation experiment (since 2014) with
active techniques of manipulation (infrared heaters are increasing the air and peat temperature,while automatic
retractable curtain is used to reduce nighttime precipitation over the growing season). Measurements of CO2
fluxes, spectral characteristics and SIF will be conducted automatically with the existing prototyped mobile
platform. Moreover, two other manipulation sites will be developed, where the manipulations will be
conducted with a passive approaches by means of the open top chambers (OTCs) and special roof to reduce
precipitation. SIF and CO2 fluxes measurements on these sites will be conducted periodically by means of
Piccolo Doppio system with a set of two spectrometers (for SIF and reflectance measurements) as well as
manual dynamic chambers (to measure net CO2 and respiration fluxes).
The first in Poland, high-resolution map of top-of-canopy SIF distribution of Rzecin peatland will be used
in the project. This map was generated during the SWAMP airborne campaign in July 2015 (FLEX campaign,
ESA). We will critically assess, whether is it possible to specify some plant functional groups on peatland
ecosystem based on this SIF map. Additionally, UAV platform will be used to measure SIF of the peatland
surface and generate the SIF distribution map for this site. Based on the generated SIF maps and knowledge
about the stress impact on SIF-GPP relationships, we will try to assess whether is it possible to estimate the
status of the peatland in July 2015? Furthermore, we will assess the potential of UAV platforms to measure
SIF of ecosystems characterized by heterogeneous surface. The relationships between SIF and CO2 fluxes
measuredby eddy covariance system will be investigated in order to verify hypotheses, that average SIF values
measured on the EC footprint area can well represent the productivity of the ecosystem (amount of assimilated
CO2).
Furthermore, the gross primary production will be calculated for all of the manipulated plots by classical
LUE model (where SIF and vegetation indices will be used as proxy of the model parameters). While , by
means of the SCOPE model, the SIF and GPP fluxes will be estimated for these plots. The estimation error of
SIF and GPP yielded from SCOPE model will be assessed by comparison of the simulated values with the
measured one. Hence, the applicability of the SCOPE model to simulate SIF of the ecosystem surface will be
evaluated.
Although, the SIF measurements have been performed on many ecosystems with homogenous surfaces,
till now this kind of research has never been conducted on peatlands. The proposed project has pioneering and
innovative nature. By understanding how different factors determined the SIF of peatland vegetation, the
dynamic ecosystem-atmosphere interactions will be better interpreted, hence the productivity of ecosystems
and biosphere estimated with the remote sensing could be more accurate. This topic is of high importance for
the future FLEX Earth Explorer 8 mission of ESA.Reg.
warming/heat stress and drought on top of the canopy level sun induced fluorescence (SIF) and gross primary
production (GPP) of peatland vegetation. In the project we will answer for following questions: will changes
in GPP fluxes be reflected in changes of SIF at canopy and ecosystem scales on peatland? Will these
relationships be different for plants exposed to stressed conditions? Can we assess the status and productivity
of the peatland ecosystemhaving a remote sensing signal? Currently, the Earth Explorer Programs of European
Space Agency (FLEX) and NASA are dynamically stimulate development of innovative technologies for
passive SIF measurements and SIF retrievals, as well as for pioneer research on impact of different stressed
conditions on SIF-GPP relationships. However, at the current state of knowledge, are we really able to estimate
GPP of ecosystems and biosphere with remote sensing SIF, considering that different stressed conditions may
significantly change the SIF-GPP relationships? Considering the above, the project aims are: 1) to detect
changes in SIF and to evaluate relationships between SIF, vegetation indices (e.g. NADVI, PRI) and GPP for
different representative peatland plots exposed to simulated warming/heat stress and drought by using both
passive and active climate manipulation techniques at the controlled manipulation experiments in Rzecin
peatland, 2) to define the diurnal, seasonal and spatial variability of top-of-canopy SIF and R as well as
relationships betweenSIF, R and GPP for selected reference plots of peatland with different amount of vascular
and mosses species 3) to define whether the relationship between SIF-GPP depends on atmospheric and
environmental conditions, as well as on biophysical characteristics of plant cover.
In order to reach the above aims, the measurements of SIF, GPP and spectral indices will be conducted
on plots of already existed WETMAN (www.wetman.pl) climate manipulation experiment (since 2014) with
active techniques of manipulation (infrared heaters are increasing the air and peat temperature,while automatic
retractable curtain is used to reduce nighttime precipitation over the growing season). Measurements of CO2
fluxes, spectral characteristics and SIF will be conducted automatically with the existing prototyped mobile
platform. Moreover, two other manipulation sites will be developed, where the manipulations will be
conducted with a passive approaches by means of the open top chambers (OTCs) and special roof to reduce
precipitation. SIF and CO2 fluxes measurements on these sites will be conducted periodically by means of
Piccolo Doppio system with a set of two spectrometers (for SIF and reflectance measurements) as well as
manual dynamic chambers (to measure net CO2 and respiration fluxes).
The first in Poland, high-resolution map of top-of-canopy SIF distribution of Rzecin peatland will be used
in the project. This map was generated during the SWAMP airborne campaign in July 2015 (FLEX campaign,
ESA). We will critically assess, whether is it possible to specify some plant functional groups on peatland
ecosystem based on this SIF map. Additionally, UAV platform will be used to measure SIF of the peatland
surface and generate the SIF distribution map for this site. Based on the generated SIF maps and knowledge
about the stress impact on SIF-GPP relationships, we will try to assess whether is it possible to estimate the
status of the peatland in July 2015? Furthermore, we will assess the potential of UAV platforms to measure
SIF of ecosystems characterized by heterogeneous surface. The relationships between SIF and CO2 fluxes
measuredby eddy covariance system will be investigated in order to verify hypotheses, that average SIF values
measured on the EC footprint area can well represent the productivity of the ecosystem (amount of assimilated
CO2).
Furthermore, the gross primary production will be calculated for all of the manipulated plots by classical
LUE model (where SIF and vegetation indices will be used as proxy of the model parameters). While , by
means of the SCOPE model, the SIF and GPP fluxes will be estimated for these plots. The estimation error of
SIF and GPP yielded from SCOPE model will be assessed by comparison of the simulated values with the
measured one. Hence, the applicability of the SCOPE model to simulate SIF of the ecosystem surface will be
evaluated.
Although, the SIF measurements have been performed on many ecosystems with homogenous surfaces,
till now this kind of research has never been conducted on peatlands. The proposed project has pioneering and
innovative nature. By understanding how different factors determined the SIF of peatland vegetation, the
dynamic ecosystem-atmosphere interactions will be better interpreted, hence the productivity of ecosystems
and biosphere estimated with the remote sensing could be more accurate. This topic is of high importance for
the future FLEX Earth Explorer 8 mission of ESA.Reg.