根系生长于土壤中，再加上其结构的高度复杂性，使得对根系的直接观测研究十分困难，而借助模型研究根系具有多方面启发性和预见性。根系功能-结构模型通过模拟根系的结构发生、生理生态过程以及根系与土壤环境之间的相互作用，从而精确地模拟根系在土壤空间的生长发育状况，并以可视化的方式反映植物根系各组成部分的生长以及植物-土壤相互作用的规律。本文的主要研究目的是构建根系的功能-结构模型，并初步与土壤水分动态模拟相结合。主要研究内容如下： 1．根系功能-结构模型构建以有效积温时间间隔作为标准，定义了根系生长发育的结构单元-根元；采用双尺度自动机模型描述了根系的结构；采用GREENLAB植物功能-结构模型中处理生物量分配的方式，通过模拟不同根元个体(库)对植物地上部分配给根系的生物量(源)的竞争，实现生物量在根系中的分配；采用异速生长相关关系实现了根个体几何结构的计算，从而以周期为时间尺度模拟了根系生长发育的动态过程。 2．根系空间生长与分布的模拟空间生长取决于组成根系的每个根元。均质土壤条件下，根元的始点通过其父根元决定，根元的生长方向由根元的父根元生长方向、根元生长的向性、随机性因素共同决定，根元长度由根元的几何结构决定，采用空间向量运算方法计算得到根元的终点，从而实现根系空间生长的模拟。以VOXel元标定根系生长区域，采用空间碰撞检测技术实现根元占据Voxel元的过程，统计各Voxel元中根系的分布，从而实现根系在土壤空间分布的定量化动态模拟。 3．模型的参数化、初步评价与模拟分析通过室内盆栽试验对小麦苗期根系结构与生物量进行了测定，获取了模型参数，进行了小麦与期根系结构与生物量分配的模拟与分析，并进行了模型参数灵敏性分析。结果表明，模型结构处理，对参数的变化反应适中。由室内玉米盆栽试验、文献资料以及部分设定的参数，模拟了玉米根系与棉花根系在整个生长期内的个体发生、结构变化、生物量分配以及空间分布动态生长过程。 4．根系生长与土壤水分运动相互作用的动态模拟采用三维水动力学模型，模拟了了土壤空间含水量的动态分布过程；采用交替方向的隐格式采取了水分运动方程的数值解；以根系吸水函数作为Rchards方程的汇项，模拟了根区土壤水分动与分布：在Voxel元上，采用空间碰撞检测方法获取每个根元生长区域的土壤含水量，采用电学阻力模拟法，实现了土壤含水量对根元库强的动态校正、对根元生长方向的校正，从而模拟了土壤水分对根系空间生长的影响。 5．系统模拟软件的实现在Windows操作系统下，采用面向对象的编程语言Visual C++实现了根系生长发育、空间分布以及土壤水分运动的模拟，并调用OpenGL图形库对根系模拟结果进行了可视化，采用Matlab的四维图显技术对土壤含水量的三维空间分布进行了可视化。