1. 研究背景
氮在陆地生态系统及潜在气候反馈中的重要性已广为人知。叶片层面碳与氮的相互作用是控制陆地碳循环动态的基本机制之一。叶片层面的过程影响了植被对太阳辐射的吸收和散射。此外，单个植物的结构、其空间分布以及植被冠层下地面（或林下植物）的反射率共同决定了反射辐射的角度分布模式，即双向反射因子（BRF），该因子由机载和卫星传感器测量。BRF描述了在没有大气干扰的情况下地表的反射特性，是新一代全球成像光谱辐射计的标准产品之一。上述所有因素都必须予以考虑，以实现卫星遥感数据与叶片层次生理过程的有效关联，从而更好地支撑后续的实际应用。
叶片生化成分的高光谱遥感依赖于以下事实：叶片的散射对叶片属性（如色素浓度、化学组分、内部结构和表面特性）的变化在不同波长上的响应存在差异。三维辐射传输理论为叶片散射与冠层反射率之间提供了最具物理一致性的联系。然而，大多数现有的植被反射光谱数据解译方法仍然忽略了这一基本联系。
2.创新之处
植被冠层结构的影响可能足够强大，使得地表反射数据对叶片散射特性的敏感性显著降低，而叶片散射特性是高光谱遥感中关于叶片内部信息的唯一来源。因此，这可能会导致叶片生化成分与测得的地表反射率之间出现虚假的相关关系。尽管三维效应对高光谱遥感数据解译的重要性已被充分认识，但大多数现有方法要么忽略这种效应，要么采用经验关系。这主要是因为缺乏能够描述冠层结构属性在不同尺度上对反射率累积影响的、具有明确物理意义的变量。
我们在文章中提出了一种叫做方向面积散射因子（DASF）的变量，它是用于估算叶面积比例的参数，表示沿某一特定方向形成冠层边界的叶面积与总叶面积的比值。DASF是冠层几何特性的函数，例如树冠的形状和大小、地面上树木的空间分布以及冠层内部的叶片排列。对于具有暗背景的植被冠层或冠层背景影响可忽略的、植被密度足够高的情况，DASF可以直接从BRF光谱中提取，而无需使用冠层反射模型、先验知识或关于叶片散射特性的外部辅助信息。
3. 关键图表
图1 在哈佛森林中近红外（NIR）波段（800–850 nm）中的BRF与叶面积指数（LAI）及LVIS冠层高度的关系。
图2 冠层BRF在近红外波段（800–850 nm）与冠层叶片含氮量（%, N）之间的关系。
4. 主要结论
在温带和北方森林中，植被冠层的双向反射因子（BRF）在近红外（NIR）光谱区域与以质量为基础的叶片含氮量（%，N）之间被报道存在较强的正相关关系。如果这一关系成立，将表明氮通过其对地表反照率的影响在气候系统中起到额外的作用，并可能为利用卫星数据监测叶片含氮量提供一种简单的方法。
然而，我们的研究表明，此前报道的相关性是一种假象——它是冠层结构变化的结果，而不是叶片含氮量的结果。支持这一关系的数据来自含氮量较低的针叶树和含氮量较高的阔叶树两种植被类型，而这两种植被的冠层结构有显著差异。当BRF数据经过冠层结构效应校正后，残余反射率的变化在423至855 nm的所有波长下均与叶片含氮量呈负相关。这表明观察到的BRF与叶片含氮量的正相关关系并未传递任何有关叶片含氮量的信息。我们的研究发现，要从遥感数据中推测叶片的生化成分（例如氮含量），710至790 nm范围内的BRF光谱为校正结构影响提供了关键信息。我们的研究还表明，叶片表面的特性会影响其内部成分的遥感结果。这进一步降低了卫星和无人机遥感探测冠层叶片氮含量的能力。
最后，本文所提出的分析方法是针对叶片组织成分高光谱遥感这一广泛问题进行的分析和探讨，因此并非对支持叶片含氮量高光谱定量遥感的研究文章本身提出具体批评。
5. 发表信息
Y. Knyazikhin, M.A. Schull, P. Stenberg, M. Mõttus, M. Rautiainen, Y. Yang, A. Marshak, P. Latorre Carmona, R.K. Kaufmann, P. Lewis, M.I. Disney, V. Vanderbilt, A.B. Davis, F. Baret, S. Jacquemoud, A. Lyapustin, R.B. Myneni, Hyperspectral remote sensing of foliar nitrogen content, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (3) E185-E192, https://doi.org/10.1073/pnas.1210196109 (2013).
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