中国主要作物根系生物量的有效养分资源与化肥替代潜力

田野下的隐形助力

当我们想象一片小麦或稻田时，通常会关注地上所见：金黄的穗头和高耸的绿茎。但脚下存在一个庞大且大多看不见的世界。本研究考察了中国主要作物的根系，并提出一个既简单又重要的问题：如果我们准确计量并合理利用这些根系留在土壤中的物质，它们在固碳和替代化学肥料方面能发挥多大作用？

测量那些不易看到的东西

由于根系生长在地下，它们比茎叶更难观测和称量。研究人员通过梳理在中国对主要作物——玉米、小麦、水稻、大豆、棉花、花生和油菜——仔细测定根茎生长的实验研究来应对这一挑战。基于这些资料，他们构建了一组“比率”，将每单位秸秆（收获后留下的茎叶）对应形成的根系生物量联系起来。然后，他们将这些比率与2022年最新的全国作物种植面积和秸秆产量统计结合，用以估算作物收获后留在中国农田土壤中的根系物质总量。

土壤中到底有多少根系物质？

结果显示数值相当可观。到2022年，中国主要作物的根系总量约为1.52亿吨——几乎相当于地上所有秸秆产量的五分之一。三种常见粮食作物主导了这份地下收获：玉米、小麦和水稻合计占根系生物量的90%以上。大部分根系物质集中在华北、东北以及长江中下游地区，这些地区也是国家的粮食主产区。河南、黑龙江等拥有广阔肥沃平原的省份在根系生物量分布中表现尤为突出。

根系：安静的植物养料来源

作物收获时根系并非完全是“死”组织；它们富含氮、磷、钾等养分，正是农民在化肥袋中购买的成分。通过将生物量估算与养分含量数据结合，作者计算出中国主要作物的根系约含322万吨这些关键养分。更贴近农户关心的是，随着根系慢慢分解，下一季作物能获得多少可用养分。利用已发表的不同作物残体养分释放速度，研究团队估算约有232万吨的根系养分可在一个生育季内被植物吸收，其中钾占比最大。

在不损失产量的情况下减少化肥投入

为了解这些隐性养分在实际中的意义，研究者将估算值与各主要作物的推荐化学肥料施用量进行比较。他们发现，根系在单个生育季释放的养分理论上可以替代全国最优化学肥料施用量的大约5.3%。氮和磷的替代潜力较为有限，仅在几个百分点范围内，但钾的替代潜力显著，约为13%。小麦的相对受益最明显，根系来源养分相当于其理想肥料用量的7%以上。这些数值属于“最好情况”估计：实际田块在土壤类型、气候与耕作管理上存在差异，都会加速或延缓根系分解及作物吸收养分的效率。

对土壤与粮食安全的意义

通俗地说，这项研究传达的信息是：作物根系是一种有价值的本土资源，中国已经在免费生产。合理核算这部分地下生物量，有助于科学家更准确地估算农田土壤能固存多少碳以及养分在景观中的流动。对农民和决策者而言，研究表明通过更聪明地管理残体和根系并配合更精确的施肥，可以减少对化学投入品的依赖，尤其是钾肥，同时维护土壤健康与长期产量。尽管具体数值仍有不确定性，需要更多研究来追踪不同土壤释放这些养分的速度，但总体结论清晰：关注地下发生的过程，可以为构建低碳、资源高效的农业发挥重要作用。

引用: Xie, J., Shao, J., Gao, C. et al. Effective nutrient resources and fertilizer substitution potential of root biomass of major crops in China. Sci Rep 16, 11107 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39892-8

关键词: 作物根系, 土壤养分, 化肥使用, 土壤碳, 中国农业