Sun-induced chlorophyll fluorescence and photochemical reflectance index improve remote-sensing gross primary production estimates under varying nutrient availability in a typical Mediterranean savanna ecosystem

Abstract

Este estudio investiga las diferentes actuaciones de ópticas sobre los índices para estimar la producción primaria bruta (GPP) del estrato herbáceo de una sabana mediterránea con diferente disponibilidad de nitrógeno (N) y de fósforo (P). La fluorescencia de la clorofila inducida por el sol sobre el rendimiento calculado en 760 nm (FY760), escala de índice de reflectancia fotoquímica (sPRI), MERIS terrestre (índice de clorofila MTCI) y el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) fueron calculadas desde cerca de la superficie y las mediciones de espectroscopia de campo recolectados se hicieron utilizando espectrómetros de alta resolución espectral, que abarcan las regiones del infrarrojo cercano visible. La GPP fue medida utilizando cámaras de dosel en las mismas localidades muestreadas por los espectrómetros. Hemos probado si la eficiencia del uso de los modelos de luz (LUE) impulsados por cantidades de teledetección (RSMs) pueden hacer un mejor seguimiento de los cambios en la GPP causada por fuentes de nutrientes en comparación con aquellos impulsados exclusivamente por datos meteorológicos (MM). En particular, comparamos los espectáculos de diferentes formulaciones de RSM -basándose en la utilización de FY760 o sPRI como proxy para LUE y NDVI MTCI o como una fracción de la radiación fotosintéticamente activa absorbida (APAR f)- con las clásicas de MM. Los resultados mostraron mayor GPP en la N -parcelas experimentales fertilizadas durante el período de crecimiento. Estas diferencias en la GPP desaparecieron en el período de secado, cuando los efectos de la senescencia enmascarada contiene diferencias de potencial debido a la planta N. Por consiguiente, MTCI estaba estrechamente relacionada con la media de la planta N, contenida a través de tratamientos (r2 D 0:86, p < 0:01), porque estaba mal relacionados con GPP (r2 D 0:45, p < 0:05). Por el contrario sPRI y FY760 se correlacionaban bien con GPP durante todo el período de medición. Los resultados revelaron que la relación entre el GPP y FY760 no es única en los tratamientos, pero no se ve afectada por la disponibilidad de N. Los resultados de un análisis de validación cruzada mostró que el MM (AICcv D 127, MEcv D 0:879) superó a RSM (AICcv D 140, MEcv D 0:8737,) cuando la humedad del suelo fue utilizada para restringir la dinámica estacional de LUE. Sin embargo, el análisis residual demostró que las predicciones de GPP con MM son inexactas cuando no revela explícitamente unas variables climáticas en cambios relacionados con el parámetro de nutrientes LUE. Estos resultados sugieren que RSM es un medio valioso para diagnosticar los efectos inducidos por los nutrientes en la actividad fotosintética.

This study investigates the performances of different optical indices to estimate gross primary production (GPP) of herbaceous stratum in a Mediterranean savanna with different nitrogen (N) and phosphorous (P) availability. Sun-induced chlorophyll fluorescence yield computed at 760 nm (Fy760), scaled photochemical reflectance index (sPRI), MERIS terrestrial-chlorophyll index (MTCI) and normalized difference vegetation index (NDVI) were computed from near-surface field spectroscopy measurements collected using high spectral resolution spectrometers covering the visible near-infrared regions. GPP was measured using canopy chambers on the same locations sampled by the spectrometers. We tested whether light-use efficiency (LUE) models driven by remote-sensing quantities (RSMs) can better track changes in GPP caused by nutrient supplies compared to those driven exclusively by meteorological data (MM). Particularly, we compared the performances of different RSM formulations – relying on the use of Fy760 or sPRI as a proxy for LUE and NDVI or MTCI as a fraction of absorbed photosynthetically active radiation (f APAR) – with those of classical MM. Results showed higher GPP in the N-fertilized experimental plots during the growing period. These differences in GPP disappeared in the drying period when senescence effects masked out potential differences due to plant N content. Consequently, although MTCI was closely related to the mean of plant N content across treatments (r2 D 0:86, p < 0:01), it was poorly related to GPP (r2 D 0:45, p < 0:05). On the contrary sPRI and Fy760 correlated well with GPP during the whole measurement period. Results revealed that the relationship between GPP and Fy760 is not unique across treatments, but it is affected by N availability. Results from a cross-validation analysis showed that MM (AICcv D 127, MEcv D 0:879) outperformed RSM (AICcv D 140, MEcv D 0:8737) when soil moisture was used to constrain the seasonal dynamic of LUE. However, residual analyses demonstrated that GPP predictions with MM are inaccurate whenever no climatic variable explicitly reveals nutrient-related changes in the LUE parameter. These results suggest that RSM is a valuable means to diagnose nutrient-induced effects on the photosynthetic activity.