本论文以棉花为研究对象，借鉴已有的棉花模拟模型方法，以大量的棉花大田试验资料为基础，对棉花生长发育的基本规律及其与环境因子的相互关系进行系统分析和综合，重点研究棉花生理生态过程和棉花形态结构的相互影响，从而构建一个将环境与棉花形态结构和生理功能有机融合在一起的棉花结构功能模型。主要研究内容包括以下几个方面： 1、构建棉花冠层几何结构的动态模拟模型，实现生育期内任一天冠层不同高度的叶面积密度u(z)(m2/m3)、累积叶面积指数L(z)和冠层叶面积指数LAI的模拟，以及不同生育期不同高度层上叶倾角分布的模拟。利用不同播期的田间试验资料对模型进行了验证，累积叶面积指数L(z)的模拟结果与1∶1直线之间的R2和RMSE分别为0.942和0.247，叶面积指数LAI的模拟结果与1∶1直线之间的R2和RMSE分别为0.927和0.295；叶倾角分布频率的模拟结果和与1∶1直线之间的R2和RMSE分别为为0.945和6.3％。结果说明模型具有较好的预测性和实用性。 2、基于冠层结构特征的动态模拟，进行冠层分层光辐射传输的模拟。模型详细量化了冠层内辐射类型、光辐射的空间分布以及一天中随太阳时角的日变化，具有较强的机理性。用Sunscan作物冠层分析仪(英国ADC公司)测量冠层顶部及冠层内不同高度处的光合有效辐射，试验结果表明，在不同太阳高度角下，模拟值和实测值的相对误差的均方根为7.6％，较为准确地描述了冠层内的光分布状况。 3、构建分层光合作用模型，进而进行干物质积累和分配的动态模拟。模型中充分考虑光合有效辐射的日变化和冠层结构对光传输与分布的影响，另外还综合考虑了温度、生理年龄、叶片含氮率以及水分胁迫等因子对光合作用的影响。在光合生产模拟的基础上，构建了基于生长发育时间的棉花各器官干物质分配模型。利用不同播期的田间试验资料对模型进行了验证，绿叶干物重模拟结果与1∶1直线之间的R2和RMSE分别为0.960和157.74kg·hm-2茎杆干物重模拟结果与1∶1直线之间的R2和RMSE分别为0.952和201.26kg·hm-2；蕾铃干物重模拟结果与1∶1直线之间的R2和RMSE分别为0.942和237.26kg·hm-2。结果表明模拟值与观测值吻合度较好，模型可以有效地模拟棉花光合生产与干物质积累和分配。 4、基于本研究所已建成的作物结构功能模型，根据大田试验提取棉花生长发育特征参数，构建棉花单株形态结构模型。模型中利用自动机理论和状态转移矩阵模拟各叶元的顺序发生以及它们之间的拓扑连接关系，并在模型中引入连续生长机制：即叶元的各组成器官的生长变化过程表达为该叶元出现后的有效积温的连续函数。从而使模型既能模拟棉花植株拓扑结构的变化过程，又能同时模拟各器官生长的连续特性，更真实地模拟棉花植株的生长。 5、以棉花果实发育为中心，构建蕾铃动态的功能模型。模型中，碳水化合物的供需比用动态的蕾铃承载量(BLOAD)和最大载铃量(CARP)之比来模拟，并且由它控制蕾的产生速度、蕾铃的发育以及脱落过程。利用不同灌溉处理的棉花试验资料对模型进行验证，单株蕾数、成铃数及吐絮铃数模拟值与观察值之间的RMSE分别平均为2.35个，1.59个，1.12个；单铃重的模拟值与观察值的RMSE为0.14g。结果表明模拟结果较准确，且模型参数要求少，解释性好，比较简单和实用。 6、构建棉花结构功能模型，将模拟棉花蕾铃动态的功能模型和模拟棉花形态发生的结构模型相结合，着重研究蕾铃发育过程中棉花形态结构发生和生理生态过程的相互作用，进行棉花分枝结构、棉花的坐果点定位和蕾铃脱落的空间分布的模拟研究，并对结果进行可视化的输出。利用不同播期、不同灌溉处理以及不同密度条件下的试验资料对模型进行验证，结构功能模型在对棉花的分枝模式、主茎节间数、以及果枝上的果节数预测效果良好，对蕾铃的空间分布模拟较为准确。