紫外辐射具有强烈的生物、化学效应,由臭氧层减薄而引起紫外辐射的增强已经产生或将产生严重的生态学效果,对人、动物、植物乃至陆地和水生生态系统都有重大的影响。有关紫外辐射增强的生物效应研究成为继全球大气二氧化碳浓度升高对植物影响的研究之后的又一热点领域。研究生物与紫外辐射的相互关系的科学叫做紫外辐射生态学,它是在上述大气臭氧层减薄、紫外辐射增强背景下,生态学与环境科学相交叉而形成的一门新兴的交叉学科。本文致力于建立一种介于紫外辐射传输方程简化模式和气候学估算模型之间的半物理半经验地表紫外辐射估算模型；选择中国亚热带为研究区,基于地理信息技术提出区域地表紫外辐射分布式估算方案；依据气候数据,研究地表紫外辐射多年时空演变；利用文献数据方法,结合自主实验数据,提出植被净光合速率对紫外辐射变化的响应模式,进一步改进IBIS模型,模拟中国亚热带紫外辐射时空格局变化对于亚热带植被NPP的影响。具体说来,本文研究内容包括以下四部分：(1)针对目前中国地表紫外辐射长期变化研究中存在的观测数据长度限制问题,提出一种新的地表紫外辐射估算模型,为地表紫外辐射长期变化研究奠定基础。(2)结合地理信息系统技术,提出中国亚热带地表紫外辐射分布式估算方案,依据该区气候观测数据,获得近50a中国亚热带地表紫外辐射时空演变数据集。(3)依据近50a中国亚热带地表紫外辐射时空演变数据集,研究该区紫外辐射多年变化趋势,分析突变年份,以期为紫外辐射全球变化研究提供区域性数据支持。(4)建立植被净光合速率对于紫外辐射变化的响应模式；将响应模式集成到IBIS生态模型,模拟中国亚热带地表紫外辐射多年变化对于碳收支的影响。研究结果包括：1)本文提出一种新的地表紫外辐射估算模型,该模型实际上适宜于小时尺度和天尺度地表紫外辐射的估算。在本文提出的小时尺度(天尺度)地表紫外辐射估算模型中,以小时尺度(天尺度)紫外辐射透过率为因变量,以小时尺度(天尺度)地表紫外辐射综合影响因子为自变量。地表紫外辐射综合影响因子效应可以看成是由两部分组成：晴天条件下的小时尺度(天尺度)所有因子的综合效应与小时尺度(天尺度)云的效应。由于模型所需的小时尺度的数据比较难以获取,因此,需用天尺度模型来重建过去的紫外辐射时空演变的数据集。为了验证天尺度的半物理半经验估算模型的有效性,以中国生态系统研究网络(CEN)亚热带14个站点的观测紫外辐射和太阳辐射数据为基础,对本文提出的地表紫外辐射估算模型进行适应性分析。用各个站点预留的25%数据验证新模型的精度,从检验的结果来看,这14个站点的模型RMSE的值都在11%以下,表明这些模型的精度都较高,可用来估算这14个站点的地表紫外辐射强度。为了检验这个新模型是否可用于区域分布式地表紫外辐射强度的估算,把分布于不同地区的14个站点估算模型用于相互验证。总体来看,这14个站点模型用于相互验证时,其绝大部分站点的RMSE值都小于15%,只有个别站点的RMSE大于20%,精度较高,表明这个新的地表紫外辐射模型都可用于区域分布式地表紫外辐射估算。2)构建亚热带地表紫外辐射分布式估算方案,对亚热带气候区域日尺度紫外辐射1961-2010年序列进行重建。进而研究其月均值、季节均值以及年均值的时空格局。结果显示：①近50a年均值的时间序列整个亚热带区域呈现减少趋势,Regional Mann-Kendall计算结果为-1.21,不显著；多年平均值的空间格局显示紫外辐射与高程关系密切,受地形影响,纬度地带性发生变化；多年平均值极大值区在云贵高原,极小值区在四川盆地；沿海紫外辐射值明显高于内陆。②近50a四个季节均值时间序列变化趋势都呈现下降,但夏冬两季变化趋势较为显著；空间格局显示春夏秋冬四季多年平均值比较起来,夏季最高,春秋季次之,冬季最小；春夏秋冬四季的极大值区都在云贵高原,极小值区都在四川盆地；广东福建沿海区域的各季节紫外辐射平均值明显高于内陆区域。③近50a每个月份的区域性变化趋势不一。一月、七月和八月的区域性减少趋势明显,Regional Mann-Kendall计算结果分别为-2.23、-2.18、-2.07,都通过了95%的显著性检验；二月份、三月份以及十一月份呈现减少趋势的区域也较为整体,但是通过95%显著性检验的区域较少；云贵高原和四川盆地的交界处,每个月份都有部分区域呈现增加趋势；四月份、五月份、六月份、七月份、九月份以及十月份都在云贵高原之外的亚热带其他区域形成了呈现增加趋势的区域；月平均值空间格局显示十二个月份平均值比较起来,七八月份较高,一月份、二月份以及十一月份、十二月份较低；每个月份平均值的极大值区都在云贵高原,极小值区都在四川盆地有分布,三月份和四月份的平均值极小值区域扩到长江中游区域；广东福建沿海区域的各月份紫外辐射平均值明显高于内陆区域。3)紫外辐射胁迫对植物光合作用起到抑制或者促进的作用。植物净光合速率是植物光合作用的重要指标,如果能够给出紫外辐射变化下植物净光合速率的响应模式,则可以在IBIS模型的冠层生理模块中予以考虑。该模式的定义如下所示：在输入变化的紫外辐射时,可以通过上式计算得到变化的净光合速率。冠层生理模块中,冠层内部的净光合作用速率的计算根据冠层内吸收的光合有效辐射(APAR)按比例计算。输入变化的净光合速率后,在原始净光合速率基础上予以扣除。这样就考虑了紫外辐射变化对于净光合速率变化的影响。目前,定量进行UV-B辐射变化对亚热带植物影响的研究方面还缺乏资料,准确评估UV-B变化对我国亚热带碳循环的可能影响有较大的困难。已研究过的亚热带植物中,草本农作物最多,常绿阔叶树次之,种间、品种间对UV-B敏感性差异较大。由于资料有限,根据收集整理和自主实验的数据,利用统计方法建立了UV-B剂量与草本农作物或常绿阔叶树种净光合速率关系式分别如下：基于IBIS模型改进方案,研究紫外辐射时空格局对于亚热带碳收支的影响。结果表明：①紫外辐射胁迫下1961-2006年中国亚热带植被NPP多年年均值的空间格局纬度地带性较为显著。北亚热带的NPP值为670g/m2/year,小于中亚热带的780g/m2/year,中亚热带小于南亚热带的910g/m2/year。这和北、中、南亚热带气候区域的地表覆盖植被类型及不同的气候特征有关。紫外辐射胁迫下1961-2006年中国亚热带植被NPP多年年均值的最大值为1679.43g/m2/year。②云贵高原由于海拔较高,受紫外辐射影响较大,胁迫后计算得到的NPP多年年均值总体上较其他南亚热带区域要小。③加入紫外辐射扰动的植被NPP估算值小于本底值,说明紫外辐射胁迫对于植被光合速率有一定影响,从而影响植被NPP差值序列呈现略微增加趋势,是由紫外辐射时间序列的总体减少趋势造成的。1985年前后的变化趋势不同,跟紫外辐射在1970年至1980年间的突变有关,表现在植被NPP上可能有一定的滞后效应。)紫外辐射胁迫对植物的影响,使得NPP减少,最终使得生态系统异养呼吸减弱,这可能是造成△NEP呈现增加趋势的原因。而1985年前后的变化趋势不同,可能是由紫外辐射时间序列的突变造成的。④紫外辐射影响下的亚热带区域碳收支总量的减少量占亚热带区域全年固碳总量的0.5%。紫外辐射胁迫造成的植物光合速率下降,对于碳收支水平影响较小,这可能与紫外辐射胁迫对于幼苗的光合速率影响较显著,而对成熟林影响微弱有关。紫外辐射胁迫下的中国亚热带区域的年碳收支总量呈现降低趋势,与前述紫外辐射年均值时间序列变化趋势关系不密切,可能受到气温降水等气候因子影响较大。本文在以下两个方面有所创新：(1)提出一个适宜于地表紫外辐射分布式估算的新模型。该模型在异地站点验证中精度较高。基于该模型估算中国亚热带气候区域地表紫外辐射,第一次分析了该区域1961-2010年地表紫外辐射的月均值、季节均值以及年均值的气候变化。(2)总结前人研究基础,结合自主实验,构建紫外辐射剂量与植物净光合速率的响应模型。基于该模型,对IBIS模型进行必要的改进。以中国亚热带气候区域为研究区,首次采用分布式模拟方式,分析了紫外辐射变化对于植被NPP和NEP的影响。进而探讨紫外辐射胁迫对于生态系统固碳能力的影响,为紫外辐射变化下的生态系统碳循环研究奠定基础。