硅是支撑作物抗逆性和农业生态系统生产力的重要元素，植物有效硅主要以土壤溶液中的单硅酸形式被作物吸收。在黄土高原等干旱半干旱雨养农业区，土壤水是限制作物生产的关键因子；轮作通过改变根系活动和土壤剖面水分利用，可能同时调控深层土壤水储存与植物有效硅库，因此量化二者关系是评估长期轮作制度下土壤硅肥力的关键。

与此同时，工业固废中普遍含有大量的硅，部分已被用于农业。随着固废中硅资源农业资源化利用受到关注，一个基本问题亟待回答：黄土中到底缺不缺植物可利用硅？只有明确黄土高原农田是否存在植物有效硅不足或耗竭，固废硅资源才有明确的农业施用空间。在此背景下，中国科学院地球环境研究所固废资源化团队以天然草地为对照，评估了农田0—50 cm剖面有效硅分布特征，系统研究了轮作如何同时调控土壤水储存与植物有效硅循环。

研究选取黄土高原北部旱作农田的玉米连作、玉米—大豆轮作、小米—大豆轮作、玉米—小米轮作以及天然草地为研究对象，采集0—50 cm的剖面分层土壤及当季作物样品，测定土壤水和植物有效硅含量，并结合植物器官硅含量和植硅体分析，系统评估了不同种植模式下土壤水储量、植物有效硅动态及作物硅吸收特征。结果表明，对比天然草地（2.55—13.21 mm），轮作农田显著提高了0—50 cm土壤水储量（10.81—23.17 mm, p<0.01）；但草地植物有效硅含量（33.8—49.0 mg kg^-1）约为农田的1.4倍。玉米—谷子轮作模式下作物植硅体积累量（134.0—236.5 kg ha^-1 yr^-1）和0—50 cm植物有效硅储量耗竭（122.8 kg Si ha^-1）均显示最大，其水驱动硅耗竭速率也最高（1.43—2.15 kg ha^-1 mm^-1）。研究还发现，土壤水含量与植物有效硅呈显著负相关（r = −0.73，p<0.001），表明在农田生态系统中，水分促进作物生长和蒸腾的同时，水驱动的作物硅吸收主导了有效硅耗竭过程。

该研究揭示了轮作提高土壤水储量的同时加速了植物有效硅库耗竭。研究区0—20 cm土壤总硅含量达28.71—30.80 wt.%，但植物有效硅偏低，农田尤其高硅累积轮作模式存在有效硅耗竭。这一结果说明在该研究区及高硅累积轮作模式下，植物有效硅库存在明显耗竭风险，从而为固废硅资源优先用于缺硅农田、优化高低硅累积作物轮作配置及硅肥管理提供了科学依据。

该成果以“Crop rotation creates a trade-off between soil water storage and plant available silicon depletion”为题发表于国际植物与土壤领域知名期刊Plant and Soil。论文第一作者为博士研究生王美霞，通讯作者为周卫健研究员。研究得到陕西省技术创新引导专项（2024QY-SZX-31）和陕西省博士后科学基金（2024BSHSDZZ189）的资助。

Wang, M., Xiong, X., Sun, Y., Xu, G., Li, Z., Zhou, W. Crop rotation creates a trade-off between soil water storage and plant available silicon depletion. Plant and Soil (2026). https://doi.org/10.1007/s11104-026-08768-1

图1 七个剖面点位所有土壤样品的（a）植物有效硅和（b）有效硅储量的垂直分布，以及（c）五个农田剖面点位植物有效硅的耗竭量

图2 农田剖面样本中0–d cm土层总有效硅消耗量与总土壤水储量之间的关系