In den letzten Jahren hat die wissenschaftliche Gemeinschaft ihr Augenmerk zunehmend auf eine nachhaltige Landwirtschaft gerichtet, mit dem Ziel, den Ernteertrag zu maximieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Ein entscheidender Aspekt dieser Forschung besteht darin, die grundlegenden Prozesse der pflanzlichen Photosynthese zu verstehen und zu verstehen, wie sie im großen Maßstab überwacht werden können.
Eine vielversprechende Methode zur Beurteilung der Photosyntheseaktivität ist die Messung der sonneninduzierten Chlorophyllfluoreszenz, einem Nebenprodukt der Photosynthese, das sowohl von bodengestützten Sensoren als auch von Satelliten im Weltraum erfasst werden kann.
Eine Studie unter der Leitung von Genghong Wu, einem Ph.D. Ein von Kaiyu Guan, Direktor des Agroecosystem Sustainability Center (ASC), und Kollegen beratener Student hat bodengestützte Instrumente eingesetzt, um die durch die Sonne induzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF) im fernen Rot und verschiedene Vegetationsindizes (VIs) zu messen, die die Gesundheit und Aktivität der Pflanzen widerspiegeln. Über einen Zeitraum von sechs Jahren (2016–2021) im US-Maisgürtel (Illinois und Nebraska) wurden 15 Standortjahre von SIF- und VIs-Daten aus verschiedenen Nutzpflanzen (Mais, Sojabohne und Miscanthus) zusammengestellt.
Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Daten.
„Eddy-Kovarianz-Türme sind derzeit der Goldstandard für die Messung der Photosynthese in Baumkronen“, erklärte Wu. „Sie sind jedoch teuer und auf begrenzte Standorte auf der ganzen Welt verteilt. Satelliten-SIF kann uns räumlich kontinuierliche Daten liefern. Die vollständige Nutzung von Satelliten-SIF zur Photosyntheseüberwachung erfordert jedoch ein mechanistisches Verständnis der Beziehung zwischen beiden.“
Der in dieser Studie bereitgestellte umfassende Datensatz kann verwendet werden, um Einblicke in die mechanistische Beziehung zwischen tiefrotem SIF und der Photosynthese auf Baumkronenebene zu gewinnen. Diese Beziehung ist entscheidend für die genaue Interpretation von SIF-Messwerten, unabhängig davon, ob sie aus bodengestützten Beobachtungen oder Satellitenbildern stammen.
Wichtig ist, dass die Studie einen robusten Datensatz liefert, der als Benchmark für die Validierung von Satelliten-SIF-Produkten dienen kann, die zunehmend zur Überwachung globaler Agrarsysteme und des Kohlenstoffkreislaufs eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Datensatz zur Verbesserung von Modellen zur Vorhersage des Ernteertrags und zur Beurteilung der Pflanzengesundheit in großem Maßstab verwendet werden, was zu fundierteren landwirtschaftlichen Praktiken und Richtlinien beiträgt.
In dem Papier beschrieben die Wissenschaftler, wie sie das Netzwerk aufgebaut haben, und beschrieben den Datensatz. Der Artikel enthält Einzelheiten zur Instrumentierung, Datenverarbeitung und möglichen Anwendungen.
„Wir sind eine der ersten Gruppen weltweit, die seit 2016 ein solches Netzwerk für Langzeit-SIF-Messungen entwickelt hat“, kommentierte Guan.
„Eines unserer Ziele war es, Forschern eine breitere Anwendung dieses Datensatzes zu ermöglichen“, bemerkte Wu. „Daher bietet dieses Papier eine detaillierte Beschreibung, wie wir die Datensätze gesammelt, verarbeitet und indirekt validiert haben und welche möglichen Anwendungen die Daten haben.“
Wu weist auch darauf hin, dass viele Forscher zwar SIF- und Photosynthesedaten sammeln, es jedoch keine Standardmethode dafür gibt.
„Die Menschen haben die SIF-Daten auf unterschiedliche Weise gesammelt und verarbeitet“, sagte Wu. „Es gibt mehrere Systeme mit unterschiedlichen Instrumentierungsdesigns. Wir benötigten eine detaillierte Aufzeichnung unserer Systeme und Einstellungen, um hoffentlich dabei zu helfen, den Standard für die Erfassung und Verarbeitung dieser Daten in der Zukunft festzulegen.“
„Wir haben uns entschieden, mit unserer Methode transparent zu sein, damit andere der Zuverlässigkeit unserer Daten vertrauen können“, sagte Wu. „Sie können unsere SIF-Daten jetzt auch verwenden, um die Landoberflächenmodelle zu assimilieren, um zusätzlich zur Photosyntheseschätzung und Stresserkennung den Kohlenstoffkreislauf oder den Wasserkreislauf abzuschätzen.“
Mehr Informationen:
Genghong Wu et al., Gemahlene, durch die Sonne induzierte Chlorophyllfluoreszenz und Vegetationsindizes in den Agrarökosystemen des Mittleren Westens der USA, Wissenschaftliche Daten (2024). DOI: 10.1038/s41597-024-03004-w