玉米、小麦和水稻是中国的三大作物，2015年它们的播种面积及总产量占到了中国粮食作物播种面积和总产量的82％和91％，在保证国家粮食安全中起着举足轻重的作用。根系是植物吸收水分和营养物质的重要器官，由于土壤中资源的不均匀分布，根系的空间分布很大程度上决定了植物获取资源的能力，从而影响作物产量。根系生长对土壤有机碳的形成和迁移，特别对深层土壤有机碳的周转具有重要作用。因此，阐明中国三大作物根系垂直分布特征并估算根系生物量，为优化农田水肥管理提供理论参考，为建立作物模型以及评估根系碳储量提供科学依据。　　近年来国内外关于作物根系垂直分布和根系生物量已经开展了一些研究，但鉴于根系取样的困难和破坏性，多局限在表土层(0-20cm)和耕作层(0-30cm)，忽视了深层根系的存在;且研究多集中在单点尺度的单因素或双因素分析，缺乏对不同地区根系垂直分布特征和根系生物量及其影响因素的综合分析。基于已有研究所暴露出的不足，本研究旨在回答以下科学问题:1、中国玉米、小麦和水稻根系垂直分布特征如何？其影响因素是什么？2、中国玉米、小麦和水稻根系生物量是多少？其空间分布特征是什么？　　本研究利用中国生态系统研究网络18个生态站提供的三大作物根系垂直分布和耕作层根系生物量数据，通过分析气候因子、土壤性质和管理措施对根系生长的影响，利用多元非线性回归拟合的方法分别构建了玉米、小麦和水稻的根系垂直分布模型和耕作层根系生物量模型，研究了三大作物根系的垂直分布特征，耕作层根系生物量及其影响因素，进而估算了中国不同地区三大作物0-1m根系生物量及其空间分布特征。　　主要结果如下:　　(1)三大作物根系垂直分布特征和根系生物量的主要影响因素相同，但彼此间存在差异:三大作物根系垂直分布特征都主要取决于土壤质地，粗质地土壤中根系分布更深。另外，玉米和水稻根系还分别随生育期积温和平均温度升高而变深。三大作物根系生物量都主要受生育期日照时数的影响，日照充足的地区根系生物量更高。此外，生育期热量条件和土壤粉粒含量也影响作物根系生物量的积累，但是对不同作物的影响不尽相同:三大作物根系生物量均随生育期积温或平均温度升高而增加，但小麦在低温时根系生物量也呈现出增加的趋势;玉米根系生物量与土壤粉粒呈现出二次项的关系，适中的粉粒含量最有利于根系生物量的积累，而水稻根系生物量则在高粉粒含量的土壤中最多。不同播种期、气候区、品种、水分输入情况和耕作层深度间根系特征的差异可以用生育期气候条件和土壤质地的差异来解释。　　(2)平均而言，夏玉米较之春玉米，冬小麦较之春小麦，早稻较之晚稻和单季稻有着更少更浅的根系。部分干旱半干旱地区的玉米和小麦至地下1m有着超过150g·m-2的根系，且超过20％的根系都在20cm以下土层，显示出又多又深的根系。近一半的单季稻种植区和超过一半的晚稻种植区耕作层有超过100g·m-2的根系，西北、四川盆地的单季稻和江南部分地区的晚稻有超过20％的根系分布在10cm以下土层，显示出较深的根系分布。与此相反，分别有68％和80％的玉米种植区，49％和80％的小麦种植区，79％和58％的早稻种植区表现出少根（玉米和小麦0-1m根系生物量，水稻耕作层根系生物量不足100g·m-2）和浅根（玉米和小麦超过90％的根系位于0-20cm土层，水稻超过90％的根系位于0-10cm土层）特征。　　(3)中国玉米0-1m根系生物量碳储量为15.57Tg，其中0-30cm根系生物量碳储量为15.16Tg，占97％。中国小麦0-1m根系生物量碳储量为11.50Tg，其中0-30cm根系生物量碳储量为10.74Tg，占93％。中国水稻耕作层根系生物量碳储量为11.66Tg。　　本研究定量分析了气候条件、土壤性质和管理措施对三大作物根系的影响，并构建了三大作物的根系垂直分布模型和根系生物量模型;提出了玉米、小麦和水稻根系生物量及根系垂直分布特征的估算方法;揭示了中国不同地区玉米、小麦和水稻的根系生物量及其垂直分布特征;估算了中国玉米、小麦和水稻的根系生物量碳储量。