土壤-植物-大气系统的物质(水、热和溶质等)循环与能量转化过程及其模拟是水文水资源学、生态水文学、土壤物理学、农业生态学、自然地理学与农业水土工程学等多学科领域的前沿与热点问题。近年来,我国农业种植结构调整,果树栽种面积和耗水量不断增大,对果园用水进行科学管理显得尤为重要。准确认知果树蒸腾耗散过程,理解根系吸水机制,了解土壤水分动态,不仅有利于合理制定灌溉制度,保证果树节水和高产、稳产,而且可以充实SPAC 水分传输以及区域水量转化SVAT 模型的研究内容。本文在对国内外SPAC 水分传输动力学机制与模拟研究现状及存在问题进行分析和总结的基础上,以苹果树为试验材料,采用冠层分析仪、管式时域反射仪、植物茎流计等先进的仪器和定量模拟方法,于2002~2004 年在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室节水灌溉试验站苹果园,对苹果树冠层结构特征、水分传导、根茎液流、蒸腾过程、根系分布特征及其水分吸收等方面进行了系统的试验研究和定量模拟,取得了如下一些主要成果: (1)探讨了苹果树冠层结构和叶片生理指标的时空分布特征,在此基础上建立了考虑冠层光能分布特征变化的苹果树三维蒸腾模型,能较准确地描述苹果树冠层蒸腾过程。苹果树叶面积指数垂向分布与树干高度呈二次抛物线关系;水平分布从中心沿径向到四周逐渐减小,东、西、南侧的叶面积指数比北侧的大,且有2~3 个极大值点。苹果树叶面积指数在生育前期逐渐增长,从0.1 增加到2.8 左右,中期比较稳定,后期下降到0.1~0.2 左右,与苹果树发芽后的天数(DAB)呈二次抛物线关系。夏季晴天苹果树冠层上部截获的光合有效辐射比下层的高50%左右,从而使上部叶温、气孔导度、光合速率、蒸腾速率和水分利用效率比同时刻同方位下层的各指标分别高0.5℃~3.5℃,20%~40%,30%~50%,25%~50%和30%~60%。同一层内,不同方位叶片截获的光合有效辐射也不同,从而使12:00 前东侧叶片气孔导度、光合速率、蒸腾速率均大于西侧,而12:00 后东侧均小于西侧;任一时刻南侧大于北侧。假定树冠为连续整体,表面为椭球曲面,太阳辐射穿透冠层遵循Beer 定律,建立了考虑冠层光能分布特征变化的苹果树三维蒸腾模型。其模拟结果与树干液流实测值比较,不同天气条件下平均相对误差的大小顺序为:晴天<晴天多云<阴天,其值依次是8.6%,23.6%,30.8%。