Abstract We have extended a conventional photosynthesis model to simulate field and laboratory measurements of chlorophyll fluorescence at the leaf scale. The fluorescence paramaterization is based on a close nonlinear relationship between the relative light saturation of photosynthesis and nonradiative energy dissipation in plants of different species. This relationship diverged only among examined data sets under stressed (strongly light saturated) conditions, possibly caused by differences in xanthophyll pigment concentrations. The relationship was quantified after analyzing data sets of pulse amplitude modulated measurements of chlorophyll fluorescence and gas exchange of leaves of different species exposed to different levels of light, CO 2 , temperature, nitrogen fertilization treatments, and drought. We used this relationship in a photosynthesis model. The coupled model enabled us to quantify the relationships between steady state chlorophyll fluorescence yield, electron transport rate, and photosynthesis in leaves under different environmental conditions.

The 2017–2027 National Academies' Decadal Survey, Thriving on Our Changing Planet, recommended Surface Biology and Geology (SBG) as a "Designated Targeted Observable" (DO). The SBG DO is based on the need for capabilities to acquire global, high spatial resolution, visible to shortwave infrared (VSWIR; 380–2500 nm; ~30 m pixel resolution) hyperspectral (imaging spectroscopy) and multispectral midwave and thermal infrared (MWIR: 3–5 μm; TIR: 8–12 μm; ~60 m pixel resolution) measurements with sub-monthly temporal revisits over terrestrial, freshwater, and coastal marine habitats. To address the various mission design needs, an SBG Algorithms Working Group of multidisciplinary researchers has been formed to review and evaluate the algorithms applicable to the SBG DO across a wide range of Earth science disciplines, including terrestrial and aquatic ecology, atmospheric science, geology, and hydrology. Here, we summarize current state-of-the-practice VSWIR and TIR algorithms that use airborne or orbital spectral imaging observations to address the SBG DO priorities identified by the Decadal Survey: (i) terrestrial vegetation physiology, functional traits, and health; (ii) inland and coastal aquatic ecosystems physiology, functional traits, and health; (iii) snow and ice accumulation, melting, and albedo; (iv) active surface composition (eruptions, landslides, evolving landscapes, hazard risks); (v) effects of changing land use on surface energy, water, momentum, and carbon fluxes; and (vi) managing agriculture, natural habitats, water use/quality, and urban development. We review existing algorithms in the following categories: snow/ice, aquatic environments, geology, and terrestrial vegetation, and summarize the community-state-of-practice in each category. This effort synthesizes the findings of more than 130 scientists.

Abstract A wide range of portable chlorophyll meters are increasingly being used to measure leaf chlorophyll content as an indicator of plant performance, providing reference data for remote sensing studies. We tested the effect of leaf anatomy on the relationship between optical assessments of chlorophyll (Chl) against biochemically determined Chl content as a reference. Optical Chl assessments included measurements taken by four chlorophyll meters: three transmittance-based (SPAD-502, Dualex-4 Scientific, and MultispeQ 2.0), one fluorescence-based (CCM-300), and vegetation indices calculated from the 400–2500 nm leaf reflectance acquired using an ASD FieldSpec and a contact plant probe. Three leaf types with different anatomy were included: dorsiventral laminar leaves, grass leaves, and needles. On laminar leaves, all instruments performed well for chlorophyll content estimation (R 2 > 0.80, nRMSE < 15%), regardless of the variation in their specific internal structure (mesomorphic, scleromorphic, or scleromorphic with hypodermis), similarly to the performance of four reflectance indices (R 2 > 0.90, nRMSE < 16%). For grasses, the model to predict chlorophyll content across multiple species had low performance with CCM-300 (R 2 = 0.45, nRMSE = 11%) and failed for SPAD. For Norway spruce needles, the relation of CCM-300 values to chlorophyll content was also weak (R 2 = 0.45, nRMSE = 11%). To improve the accuracy of data used for remote sensing algorithm development, we recommend calibration of chlorophyll meter measurements with biochemical assessments, especially for species with anatomy other than laminar dicot leaves. The take-home message is that portable chlorophyll meters perform well for laminar leaves and grasses with wider leaves, however, their accuracy is limited for conifer needles and narrow grass leaves. Species-specific calibrations are necessary to account for anatomical variations, and adjustments in sampling protocols may be required to improve measurement reliability.