光合成を見る：国内SIF測定システムの革新と実践

SIF（日光誘発クロロフィル蛍光）は、植生における光合成の実際のパルスを直接捕捉するために、プロの「聴診器」を使用する正確な医師のようなものです。光合成の自然な光学信号として、SIFの強度は、見かけの「緑色」だけでなく、植物の本質的な「生理的活動」を直接反映します。植物の生理学的状態を直接検出するこの能力により、SIF技術はストレスの早期警告、正確な収穫量の推定、炭素吸収源の算定においてユニークな利点を示し、農業管理、生態学的モニタリング、炭素循環研究に新しい技術的方法を提供する。

内モンゴル自治区包頭の閉鎖林保護区から、貴州省広陵のカルスト生態系野外科学観測所、河南省河北の現代農業気象場まで、完全に独立した知的所有権を持つ高精度昼光誘起クロロフィル蛍光分光システム一式は、中国の多くの典型的な生態学・農業研究シナリオに継続的に貢献しており、植生光合成のモニタリングに信頼できるデータサポートを提供している。

技術的優位性：光合成の「パルス」を正確に捉える

このシステムは高度な光学設計と信号処理技術を採用しており、次のような特徴がある：

スペクトル範囲：650 - 800 nm、O₂-A、O₂-Bなどの主要な蛍光吸収線を正確にカバー。

精密なスペクトル取得：0.3 nmのスペクトル分解能と0.1 nmのサンプリング間隔により、酸素吸収線の特徴を明確に分離

優れたS/N性能：1000:1のS/N比により、微弱な蛍光シグナルを確実に抽出

環境適応の安定化：半導体と空冷の相乗効果による温度制御で、現場での長期安定運転を実現

ダイナミック・レンジが広い：あらゆる照明条件に対応する5000:1のダイナミックレンジ

日中のトレンド
(2022年7月1日、内モンゴル自治区フルンビエ草原の地域規模自動生態観測のサンプル1）

II.精度保証と検証システム

私たちは、正確で信頼性の高いデータを保証するために、実験室と現場での完全な校正プロセスを確立しています：

絶対実験室放射線校正：各装置が出荷される前に、絶対放射校正が暗室環境で積分球と標準ランプを使用して実施され、データの物理的な値の精度を保証するために中国計量科学院によって校正されている。

工場での校正と品質管理：システムは自動光路切替機能を統合し、工場出荷前に暗電流収集と標準ホワイトボード基準測定が実施され、機器のドリフトと環境干渉を効果的に抑制する。

国際的なブランドと比較して検証：その性能を客観的に評価するため、オーシャンオプティクス社製分光器と同条件で比較テストを行いました。その結果、S/N比、安定性、蛍光反転の一貫性において同等のレベルに達しており、信頼性の高いデータ比較が可能であることが確認されました。

国産分光器と輸入したオーシャンオプティクスQE Proとの相関は92%(R2=0.85)で、特に遠赤バンド(O2B)において統計的に有意な一致が見られた。

III.代表的な応用例

中国河南省河北農業気象観測所

ヘビ・ステーションの作物は二季植えパターンで、設置期間中（5月中旬から下旬）は冬小麦の生育期後半で、6月10日前後に収穫され、その後トウモロコシが植えられた。
河北観測所の装置は、5月20日から6月3日までは10分間のサンプリング頻度で午前10時から午後14時まで動作するように設定され、6月4日以降はサンプリング頻度が5分に設定されているため、1日あたりのデータ量の理論測定値はそれぞれ24件と48件である。実際の有効データ量は98%以上であり、安定したデータ収集・送信が可能であることがわかる。

SIF観測の直下点は、ちょうど小麦の収穫時期と一致しており、SIFの急激な減少は、小麦の急速な収穫の実態をよく反映している。

同時期の気候カメラ（植生指数）観測値の推移を見ると、NDVIは小麦の収穫と同じような時期に底を打つものの、SIFに比べると下降傾向は緩やかで、植生の収穫（変異）状況を反映する感度はSIFほど高くなかった。

このことは、トウモロコシの成長初期（7月上旬）と急成長期（7月中旬）の両方におけるSIFの緩慢な変化と急激な増加に明確に反映されている。

SIFと植生指数（NDVI）の値の推移は概ね一致しており、トウモロコシの急速な成長期間の開始時期において、SIFの日付とNDVIの日付は1日しか違わなかった。
植生指標によると、トウモロコシの顕著な生育上昇はDOY=194日の開始時（7月14日）のみであり、この日付はSIFの観測（7月15日）とほぼ一致している。

河南省河北基地における冬小麦とトウモロコシの輪作体系において、SIF測定システムは安定的に稼働し、完全なデータを取得した。このシステムは、小麦の収穫によるSIFの急激な減少を正確に捉え、その応答は植生指数よりも鋭かった。同時に、トウモロコシの出穂期と急成長期のSIFの動的変化を明確に記録し、これは植生指数のモニタリング結果と非常に一致した。
このケースは、SIF装置が信頼性の高い生理学的反応検出能力を持ち、植生動態を正確に捉えることで、農業モニタリングや生態系研究に確かなデータサポートを提供することを示している。

IV.展望

現在、本システムは複数の野外観測所や農業気象観測所で運用が開始され、関連研究に継続的かつ安定的なデータを提供している。今後は、SIF計測技術の研究と応用をさらに深め、複数の生態系や複雑な環境下でのシステムの適応性と安定性をさらに拡大していく。