从太空观察植物进行光合作用听起来像是一个未来主义的设想，但一项利用 NASA轨道碳观测卫星-2 （OCO-2）数据的新应用，或许能让科学家做到这一点。这项新技术使研究人员能够从远高于地球的地方分析植物生产力，可为全球碳循环提供更清晰的图景，未来甚至可能帮助研究人员确定最佳的区域农业实践，并及早发现干旱迹象。
植物存活且健康时会进行光合作用，吸收阳光和二氧化碳来制造植物所需的养分，并产生氧气作为副产品。但光合作用的作用不止于维持植物生命。从全球尺度看，这一过程会吸收一部分人为排放到大气中的二氧化碳——这种温室气体会将太阳热量困在地球上——这意味着植物在缓解气候变化方面也发挥着重要作用。
为了进行光合作用，叶片中的叶绿素会吸收阳光，其中大部分用于制造植物所需的养分，或以热量形式散失。不过，少量被吸收的光会以近红外光的形式重新发射。肉眼看不到光谱中的近红外部分，但如果看得到，这种重新发射的光会让植物看起来像是在发光——这一特性称为太阳诱导荧光（SIF）。由于这种重新发射的光只有在植物叶绿素也在 吸收 阳光进行光合作用时才会产生，因此可以利用SIF来判定植物的光合活动和生产力。
“SIF的强度似乎与植物的总生产力高度相关，”JPL科学家 Christian Frankenberg说。他负责SIF产品，并将于9月加入加州理工学院，在地质与行星科学部担任环境科学与工程副教授。
研究人员通常尝试通过卫星估算光合活动时，会使用一种称为绿度指数的指标。该指标利用光谱近红外波段的反射来判定植物中的叶绿素含量。然而，这并非对植物生产力的直接测量；含有叶绿素的植物不一定正在进行光合作用。Frankenberg说：“例如，常绿树木在冬天仍是绿色的，即使它们处于休眠状态。”
他补充说：“植物开始承受压力时，例如加利福尼亚的夏日天气非常炎热干燥时，植物仍然有叶绿素”——在绿度指数中，叶绿素看起来仍然活跃——“但它们通常会闭合叶片上的微小气孔，以减少水分流失；植物承受压力时，SIF也会降低。因此，光合作用大幅减弱的同时，荧光信号也会变弱，尽管其减弱幅度较小。”
加州理工学院和JPL的团队，以及来自NASA戈达德航天飞行中心的同事发现，他们可以利用光谱仪从轨道测量SIF。光谱仪是能够检测光强度的标准仪器，已搭载在日本温室气体观测卫星（GOSAT）和NASA的OCO-2等卫星上。
2014年，研究人员运用这项新技术，结合GOSAT和欧洲全球臭氧监测实验-2卫星的数据，对全球进行了全面搜寻，以找出生产力最高的植物。他们确定，美国“玉米带”——从俄亥俄州延伸至内布拉斯加州的农业区——是地球上光合活动最活跃的地方。玉米田在生长季积极进行光合作用固然合乎情理，但卫星的高分辨率测量使研究人员能够将其与其他植物密集地区（如热带雨林）进行全球比较。
Frankenberg说：“过去，人们用绿度指数来表示活跃的光合作用时，很难确定植被非常密集地区（如森林或玉米田）的生产力。视野内的绿色植物材料足够多时，这些绿度指数就会饱和，达到无法再超过的最大值。”由于SIF测量具有较高灵敏度，研究人员现在能够比较不同地区田地的实际生产力，而不会受到饱和效应影响。这些信息有望用于比较世界各地农业实践的效率。
Frankenberg说，如今OCO-2已投入运行并开始提供数据，其分辨率能够高于此前使用GOSAT进行的初步实验。因此，OCO-2将能够提供全球植物生产力更清晰的图景。不过，要更具体地了解植物如何影响全球碳循环，还需要建立一个分布均匀的地面光谱仪网络。这个网络设在植物之间，而不是数英里高空，将提供更多信息，说明光合作用如何在区域尺度上吸收二氧化碳，以及SIF与实际碳交换之间的机制联系。
一个现有网络名为FLUXNET，它利用地面塔架在全球600多个地点测量陆地与大气之间的二氧化碳交换，即碳通量。不过，这些塔架只能测量二氧化碳交换，无法直接观测驱动这种交换的生物圈活动。
理想情况下，新的地面测量将在现有FLUXNET站点开展，但将使用一小组高分辨率光谱仪进行——与OCO-2所用的仪器类似——以便研究人员运用他们为太空测量开发的相同原理。这一改造后的地面网络最初是在2012年于 凯克太空研究所 举办的一次研讨会上提出的，预计将在未来两年内的某个时候投入运行。
Frankenberg说，未来，清晰呈现全球植物生产力的图景可能影响一系列与农民、大宗商品交易商和政策制定者有关的决策。“目前，我们能够从太空收集的SIF数据过于粗略，无法真正为这些讨论提供帮助；但原则上，借助卫星和地面测量，你可以追踪田地在一天中不同时段的荧光变化。”这种每小时追踪不仅能让研究人员检测植物的生产力，还能发现植物承受压力的最初迹象——这一因素会影响世界各地的作物价格和粮食安全。
“OCO-2测得的SIF大大拓展了这项任务的科学研究范围，” Paul Wennberg说。他是R. Stanton Avery大气化学与环境科学及工程学教授、Ronald and Maxine Linde全球环境科学中心主任，也是OCO-2科学团队成员。“OCO-2的设计目标是绘制二氧化碳分布图，科学家计划利用这些测量结果确定这种重要气体背后的源和汇。新的SIF测量将使我们能够诊断植物的效率——这是二氧化碳汇的一个关键组成部分。”
Frankenberg说，通过利用OCO-2诊断全球植物活动，这项新研究还可能有助于理解作物初级生产力的变化；最终也可能推动开发提高作物效率的技术——这一目标将使人类受益匪浅。
该项目由凯克太空研究所和JPL资助。Wennberg还是 环境科学与工程 （ESE）项目的执行官。ESE是一个联合项目，由工程与应用科学部、化学与化学工程部以及地质与行星科学部共同参与。
本文由 加州理工学院合作发布。本文的发表并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Jessica Stoller-Conrad是加州理工学院特约撰稿人。
图片：这张彩色照片由国际空间站第35远征队的一名乘组成员拍摄，画面中太阳即将从南太平洋上空升起。照片拍摄于2013年5月5日当地时间凌晨4点至5点之间，并于2013年5月9日发布。NASA/路透社提供。
