植物通过光合作用每年固定的CO₂是人类碳排放的10倍以上，虽然绝大多数固定的碳最终通过生态系统呼吸重新返还到大气，但是陆地净碳汇依然为缓解气候变化做出巨大的贡献。因此，准确估算当前陆地碳汇以及预测未来碳汇，对预测未来气候、探索和评估气候变化应对方案、实现碳中和，具有重大意义。

驱动植物光合作用的能量来源于光合系统-捕光复合体吸收的300-750纳米的光量子。光量子被光合系统-捕光复合体吸收之后会面临四种耗散途径：热量散失（D）、非光化学猝灭（N）、光化学反应（即光合作用，P）、叶绿素荧光（F）。因此如果我们知道其中P和任一途径发生的概率，并能观测该过程，我们便能够准确估算光合作用。而叶绿素荧光是唯一满足条件的过程。

叶绿素荧光从叶片吸收光子到最终逃逸被观测，可以概括为以下步骤：

1. 300-750纳米的总入射光为1；

2. 其中仅f_APAR部分被叶片吸收；

3. 再其中仅f_PPAR部分为光合系统-捕光复合体吸收；

4. 再其中仅f_F部分用于激发640-850纳米的荧光；

5. 每个荧光波长有e_L部分逃逸出叶片；

6. 其中每个荧光波长有e_C部分逃逸出冠层；

7. 荧光分布在观测者角度的概率f_OBS。

从光量子守恒的角度来看，最终观测的光量子（波长λ）概率为：f_APAR · f_PPAR · f_F · PDF(λ) · e_L(λ) · e_C (λ) · f_OBS。因此，准确估算陆地光合作用依赖于准确计算其中每个过程。

中国科学技术大学地球和空间科学学院王玉杰研究员通过数值模拟的方式，重点关注叶绿素尺度的荧光发射光谱和最终逃逸出叶片的比例，开发了新的叶片尺度叶绿素荧光光谱模型Platespect。该荧光光谱模型使用了plate模型假设，将叶片近似于多层plate，和计算叶片反射投射光谱的PROSPECT模型假设一致。而目前最常用的Fluspect模型则使用了Kubelka-Munk模型，该模型则将叶片近似于一团带有空气-水界面的粉末。此外，Kubelka-Munk模型并未通用化，其模型参数和叶片性状并不直接挂钩；因此，模型不得已先使用PROSPECT计算叶片反射率和透射率，然后调整Kubelka-Munk模型参数得到同样的反射率和透射率，最后再使用Kubelka-Munk模型参数计算叶绿素荧光光谱。因此，Platespect模型假设更加合理及通用，更加准确地模拟了叶片内部的荧光反射、透射、吸收，其和Fluspect差异如图1所示。

图1：Fluspect和Platespect模拟的叶绿素荧光矩阵和光谱的差异，虚线为Fluspect模拟结果，实线为Platespect模拟结果。

研究还指出，由于低能光子不能诱导高能荧光，因此以往模型常使用一个基于波长的方程将低于诱导波长的荧光发射概率调整至0，而该过程忽略了光量子守恒，因此PDF(lambda)积分并不为1。Platespect同时重新计算PDF(lambda)方程，如图2所示，确保了光量子守恒。

图2：Platespect重新计算叶绿素荧光概率分布函数，确保了光量子守恒。

相关成果以“Platespect: A new model for leaf fluorescence spectra”为题，发表于《Remote Sensing of Environment》。王玉杰研究员为论文第一作者和通讯作者，合作作者包括新加坡国立大学罗翔中教授和加州理工学院Christian Frankenberg教授。该研究得到了中国科学技术大学人才计划经费资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114990