作物对环境因子响应反映了作物对环境的适应性，也体现了通过管理措施和作物品种的改进对耕作系统的潜在生产力。作物对环境因子响应的研究对于提高农业资源(水分、养分)利用效率、提高作物生产效率、辅助作物品种选育、维持农业的可持续性、保障粮食安全、促进社会经济的协调发展等方面超着重要的作用。　　 本文以作物生长与发育的环境因子试验为基础，以数学模型的定量研究为主要手段，结合作物对环境因子响应的生理生态机制，对作物的发育期随温度的响应，营养生长阶段同化物分配对环境因子的响应，微气象平流作用对冠层能量平衡和冠层水分利用效率(CWUE)的影响作用，作物水分胁迫指数(CWSI)与作物冠层潜热、CO2通量和CWUE的关系进行了分析和研究。本文还基于Penman-Monteith方程建立了一个冠层温度的简化的理论估算公式，用于模拟作物冠层与大气之间的感热、潜热通量。在正文的最后一部分，探讨了作物模型的在农业生产实践中的应用。利用一个完整的农业生态系统模型，RZWQM-DSSAT耦合模型，对一个复杂耕作系统(玉米—大豆轮作，冬季间作覆盖作物)的作物产量、农田排水以及排水中的N淋失量进行模拟，研究冬季覆盖作物这一农业措施对于减轻农田排水和N淋失量的作用。主要的研究结论如下：　　 1.修订了Malo建立的正弦指数方程(Malo，2002，Func.Ecol.16：413-418)，融合作物的三基点温度：最低，最适，最高温度，替代Malo的原正弦指数模型中有3个经验参数，使得改进的模型参数具有明显的生理意义。改进的模型包含5个参数，其中有4个参数具有清晰的生理意义，另外1个参数可以通过试验数据拟合得到。通过对两组实验室环境控制试验，以及华北平原(NCP)和青藏高原(TPC)的冬小麦发育期观测数据，对模型的模拟结果进行了验证。结果发现，对于两组环境控制试验，ExpSine模型的相关系数平方达到0.74和0.91，与目前被广泛接受的B模型(Yinetal.，1995，Agric.For.Meteorol.77：1-16)的模拟效果相当。对冬小麦开花期预测的绝对误差在华北平原为-2到3天，在青藏高原为-7到4天；模型的平均模拟误差比例在两地均不到1％，没有发现明显的模拟误差。修订的正弦指数模型扩展了Malo的原模型，因其参数具有清晰的生理意义，使之能够应用到相对较宽的环境中。ExpSine发育期模型可以方便地嵌于各种作物生长模型和生态模拟模型中。　　 2.建立了同化物的分配模型(PPModel)，用以模拟作物营养生长期叶、茎和根器官的生物量积累动态。此模型的核心思想是植物干物质分配基于功能平衡原理，即光合产物的分配根据植物根部的吸水和叶片的蒸腾耗水的平衡关系来调节。以冬小麦为研究对象，利用2年的水分控制对比试验观测的冬小麦叶、茎和根生物量数据，验证建立的光合产物分配模型。结果表明，此模型能够较好地模拟冬小麦在不同的水分供给试验条件下营养生长阶段的各器官的生物量增长动态。此模型也是基于机理过程而建立的，能够反映环境因子对作物同化产物分配的影响。　　 3.水平对流是影响干旱半干旱地区灌溉作物农田能量平衡的重要因子之一，从而影响着作物的水分利用效率(WUE)。利用涡度相关系统观测的水汽和CO2通量数据，以及农田微气象数据，来分析山东禹城灌溉冬小麦田中平流作用对农田冠层的能量平衡和冠层WUE的影响作用。Priestley-Taylor参数和冠层—空气(冠气)温差用以确定平流的发生，通过计算平衡蒸散和平流蒸散来分析研究平流对冠层能量平衡和WUE的影响作用。结果发现，增强型平流多发生在冠气温差为负(Tc-Ta＜0)，或者Priestley-Taylor参数大于1.5。由于增强型平流的发生，农田冠层中潜热与感热之间的交换与总蒸散的百分比能超过50％，冠层WUE也伴随着显著的降低，初步分析平流发生的原因可能是上风向地区吹来的干空气引起的。这一结论在实际生产中有着重要的指示作用：在灌溉农田中，灌溉应该尽可能地同时、同量进行，避免不同地块土壤水分的差异导致平流的发生，造成水分的无益损失。　　 4.基于Jackson方法，利用观测的冠气温差来计算CWSI。在较大范围的空气饱和水汽压差下，计算得到的最小冠气温差与以前的研究中利用Jackson方法计算CWSI使用的数值十分相似，但这仅局限于在太阳净辐射很高(＞500wm-2)的情况下。在作物完全密闭时，在禹城站，当太阳净辐射高于300wm-2情况下，冬小麦和夏玉米冠层的潜热通量和CO2通量随着CWSI的增加基本呈线性下降的现象。对于冬小麦，潜热通量和CO2通量对CWSI的响应没有表现出严格一致的规律性，表明在自然生长状态下的冬小麦农田中利用Jackson方法直接计算CWSI来诊断作物是否缺水还需要进一步的深入研究。对于夏玉米冠层，在太阳净辐射高于300wm-2的情况下，潜热通量和CO2通量对CWSI的响应表现出明显一致的规律，说明CWSI可以作物一个信赖可靠的的指标用来诊断和定量作物冠层的水分亏却状态。因此，在变化的太阳辐射和风速的条件下，利用Jackson方法计算CWSI，可以作为一个行之有效、值得信赖的指标，用于灌溉农业地区夏玉米冠层的灌溉指导和农田水分管理。　　 5.基于Penman-Monteith公式，借鉴业已被广泛接受的气孔导度模型对饱和水汽压差的考虑，提出了一个简化的理论公式，用于模拟冠层温度。该公式比Todorovic(1999，JournalofIrrigationandDrainageEngineering，ASCE125(5)：235—245)提出的作物冠层温估算公式的模拟精度有显著的提高。该简化公式对冠层温度的模拟结果与观测结果有较高的一致性，2004和2005年的R2值分别为0.97和0.95。感热和潜热通量的模拟结果与观测结果有较好的一致性。假设根据IRT观测的冠层温度来反推出冠层的潜热通量，无论是半小时时间尺度，还是日平均尺度，本文提出的简化公式的模拟结果与反推的潜热通量也有较高的吻合。　　 6.一个优化的冬小麦作物生长模块嵌套进校准过的农业生态系统模型RZWQM-DSSAT耦合模型中，比较观测与模拟的冬小麦覆盖作物对玉米—大豆轮作系统农田土壤表层排水中的N淋失量的作用。观测和模拟的排水中的年平均硝态氮浓度(FWANC)对于有冬季覆盖作物处理(CC)分别为8.7和9.3mgL-1；对于对照处理(CON，即没有冬季覆盖作物处理)分别为21.3和18.2mgL-1。试验和模拟结果均表明，种植覆盖作物对排水中的年平均硝态氮浓度(FWANC)的减轻作用十分显著，分别为59％和49％。利用优化的模型，设置不同水分的氮肥(N)施用量，从11到261kgha-1，模拟的年平均的CC处理与CON处理的N淋失的差异达12到34kg。这些结果表明，RZWQM-DSSAT模型可以作为一个有效的工具，用来估计不同的条件下的冬季覆盖作物对土壤表层N淋失的相对作用，同时也表明，在各种不同的氮肥使用水平下，冬季覆盖作物均能有效地降低土壤N的淋失。