Linking vegetation optical properties from multi-source remote sensing to plant traits and ecosystem functional properties

Remote Sensing (RS) data have been successfully exploited in the last decades to monitor vegetation due to their inherent capacity of providing repeated and spatially-distributed quantitative information about vegetation properties. However, most research focused on the description of the structural and biochemical properties of vegetation rather than on the understanding of its functioning. In the last decade, RS of sun-induced chlorophyll fluorescence (F) emerged as a novel and promising tool for assessing plant functional status. F is a weak signal emitted by the core of the photosynthetic machinery in the red and far-red spectral regions (~650-800 nm) as a side product of light absorption. The potential of F relies on the relationship existing between photochemistry and the energy dissipation pathways: since photochemistry competes with F emission and heat dissipation for the absorbed energy, F can be a direct indicator of plant actual functional state. The main aim of this Ph.D. research was to exploit optical data (i.e., reflectance and fluorescence) to advance the understanding of vegetation functioning and of its variability across space. In particular, the work aimed at better understanding the link between vegetation optical properties, plant traits (PTs) and ecosystem functional properties (EFPs) in a case study represented by a mid-latitude forest ecosystem. At this purpose, innovative RS techniques were exploited to infer information about the vegetation functioning from fine and ultra-fine spectral resolution optical measurements acquired with the HyPlant airborne imaging spectrometer. The analyses were focused on two main work streams: i) the investigation of the spatial relationship between F and EFPs to better understand the variability of the ecosystem functioning at regional scale; ii) the analysis of the potential of F as a synthetic descriptor of the ecosystem functional diversity. Results provided evidence of the effectiveness of F as a tool for assessing vegetation functioning, but also pointed out the complexity of the link existing between F, PTs and EFPs and the need to integrate different RS derived products to obtain an unambiguous interpretation of the F signal. In particular, results showed that: i) F can be related to the spatial variability of the EFPs, thus demonstrating that this link usually observed in the temporal domain holds in the spatial domain; ii) F is a more powerful tool compared to traditional reflectance-based indices for explaining the functional diversity. Overall, these results improved the understanding of the complex relationship between F and vegetation functioning by adding new insights into the critical role of the spatial heterogeneity in controlling the carbon uptake. Further research in this direction constitutes a high priority for advancing the understanding of the imprint of plants on the global carbon balance.

Negli ultimi decenni, il telerilevamento è stato utilizzato con successo per monitorare la vegetazione grazie alla sua capacità intrinseca di fornire informazioni quantitative ripetute e spazialmente distribuite circa le sue proprietà. Tuttavia, la ricerca si è concentrata prevalentemente sulla descrizione delle proprietà strutturali e biochimiche della vegetazione piuttosto che sulla comprensione del suo funzionamento. Negli ultimi decenni, il telerilevamento della fluorescenza della clorofilla indotta dal sole (F) è emerso come strumento innovativo utile allo studio del funzionamento delle piante. F è un debole segnale emesso nelle regioni spettrali del rosso e infrarosso vicino (~650-800 nm) dal cuore dell’apparato fotosintetico per dissipare l’eccesso di energia assorbita. Il suo potenziale risiede nella relazione esistente tra fotochimica e vie dissipative: poiché la fotochimica compete con la dissipazione sotto forma di F e calore, F può essere un indicatore diretto del funzionamento della fotosintesi. L’obiettivo principale di questo dottorato è stato l’utilizzo di dati ottici (i.e., riflettanza e fluorescenza) per migliorare la comprensione del funzionamento della vegetazione e della sua variabilità spaziale. In particolare, il lavoro si è focalizzato sullo studio del legame tra proprietà ottiche della vegetazione, plant traits (PT) e ecosystem functional properties (EFP) in una foresta di media latitudine. A tale scopo, sono state utilizzate tecniche di telerilevamento innovative per studiare il funzionamento della vegetazione a partire da dati ottici ad altissima risoluzione spettrale acquisiti tramite il sensore aviotrasportato ad immagine HyPlant. Il lavoro si è focalizzato su due obiettivi principali: i) l’analisi della relazione spaziale tra F e EFP per comprendere la variabilità della funzionalità a scala regionale; ii) l’analisi del potenziale di F come indice sintetico della diversità funzionale. I risultati dimostrano l’efficacia dell’utilizzo di F come proxy della funzionalità della vegetazione, sottolineando allo stesso tempo la complessità del legame tra F, PT e EFP e la necessità di integrare dati differenti per interpretare correttamente il segnale di F. In particolare, i risultati mostrano che: i) F è relazionata alla variabilità spaziale delle EFP, dimostrando che tale relazione tipicamente osservata nel dominio temporale si mantiene in quello spaziale; ii) F è uno strumento più promettente rispetto agli indici tradizionali basati sulla riflettanza per spiegare la diversità funzionale. Globalmente, i risultati mostrano il ruolo fondamentale dell’eterogeneità spaziale nel controllare l’uptake del carbonio, migliorando così la comprensione della complessa relazione tra F e funzionalità. Futuri studi in questa direzione sono una priorità per migliorare la comprensione del ruolo della vegetazione nel bilancio globale del carbonio.