根系是植物吸收水分、养分资源和响应土壤环境变化的重要器官。三维根系结构模型能够精确描述根系在土壤中的空间分布。基于拓扑结构定量化研究侧根形态对探索根系功能-结构具有重要意义,并可为参数化根系结构模型提供重要依据。本论文基于整根取样扫描测定的侧根拓扑结构和几何形态数据,量化了各级侧根形态,并分析了各个根系性状间的关系；结合田间原位测定的轴根三维数据,构建了不同根构型的玉米根系三维结构模型；基于模型评估了不同根钻取样策略的可靠性和适用性。主要结果如下：(1)侧根的基部直径具有较高的变异性。侧根的基部直径部分决定于支撑根直径的大小。基部直径决定了根的潜在生长长度,然而,大部分根的长度远低于其潜在生长长度。这可能是由于伴随根生长根直径变化模式的差异性造成的。对于大部分根,从根基到根尖,直径大多呈现下降趋势,且直径下降梯度的斜率依赖于根基部直径。较长的根多为在生长过程中能维持(或增加)其直径的根。侧根的分枝密度也受到支撑根直径大小的影响。然而,支撑根段在父级根所处的位置也影响到根段上侧根的分支密度。较高的侧根分支密度往往出现在父级根的中间位置。(2)1级侧根的长度和密度并不总是相关于其在轴根上的生长位置,而是相关于轴根直径的大小。有侧根分枝的1级侧根占1级侧根总数不到50%,但其对根系总长的贡献高达85-91%。1级侧根上分枝总数和总长的变异性不仅依赖于1级侧根的长度,还依赖于侧根单元(LRU)的级别。LRU级别越高,各级侧根长度、直径和分枝个数越大。1级侧根基部直径与2级侧根最大直径的正相关关系以及1级侧根基部直径和长度的正相关关系的斜率随着LRU级别的增加而升高。(3)基于实测数据构建了个体和群体玉米根系三维结构模型,对常用的根钻取样策略进行了虚拟取样评估。结果表明,采用单点取样策略所估测的根长密度(RLD)都存在显著偏差；采用两点取样策略估算RLD同样存在显著偏差,只有在赋予两个取样点特定权重时,才能得到偏差较小的RLD估算值。本研究提出基于面积权重估算RLD的行间多点取样策略。结果表明,采用行间3点取样策略时,使用较大直径根钻(10和7.5 cm)能获得偏差较小的RLD估算结果。忽略行间最远的取样点,仅使用2点取样时,也能得到偏差较小的RLD估算结果。本研究基于根段尺度量化了侧根直径和分支,系统检测了根系形态特征和几何结构,揭示的各个根系性状间的相关关系为库-源模型中根系的生长和分枝的模拟提供了重要依据。基于拓扑结构量化的各级侧根形态特征及其相关关系充分体现了侧根分枝在形态学上的连续性。基于根系模型的虚拟评估在优化根钻取样策略方面具有重要价值,为大田中后期玉米根系RLD分布的估测提供了最优取样策略。