根系是作物获取土壤资源的重要器官,理想的根系构型和分布有利于提高养分和水分的吸收效率。深入理解根系的养分吸收机制并进行合理的调控对实现高产高效的可持续农业具有重要的意义。本文通过研究根系对土壤机械阻力和异质性养分的响应,揭示了土壤压实限制根系及地上部生长的机制；通过一种新颖的限根模拟研究方法,阐明了深层根系对玉米产量的贡献；研究了深层根系与浅层根系的协同效应及其对玉米生长、养分吸收和产量的影响。在此基础上,设计并在田间验证了集约化玉米养分高效利用的根层局部深松技术体系。最后,针对我国集约化农业生产中劳动力短缺以及农机农艺不配套等问题,以最佳养分管理技术为核心,通过引进机械化技术的消化和吸收并集成区域高产高效栽培技术,探讨了集约化玉米养分高效利用的根层调控机械化实现途径。主要结果和研究进展如下：(1)土壤压实限制了玉米根系和地上部的生长。当土壤中压实层的容重达到或大于1.55 g cm-3时,根系主要被限制在土壤0-20 cm表层,呈现在土壤表层水平方向的生长和分布,导致作物根系与土壤养分、水分在时间和空间上不匹配,从而引起植株地上部生物量的降低。(2)深层根系有利于玉米生长和获得高产。深层根系(20-60 cm)与玉米产量的关系符合线性+平台模型,获得最高产量需要的最小深层根系的比例为3.3%(以深层根系干重计)。当深层根系的比例小于3.3%时,玉米产量随着深层根系的增多而增加；当深层根系的比例超过3.3%时,玉米的产量不再增加,而是维持在高产水平,表明深层根系对产量的正效应变弱。(3)深耕结合局部施用硫酸铵加磷既可以促进根系在上层土壤中大量增生,又可以促进根系下扎,增加深层根系的分布。深耕结合局部施用硫酸铵加磷促进了根系在土壤空间水平和纵向地生长和分布,使根系与土壤氮和水分在时空上更为匹配,因而显著促进了地上部生长和玉米产量。(4)建立了土壤深松面积与玉米深层根系分布之间的关系。田间验证结果表明优化土壤耕作(深松)结合局部施用硫酸铵加磷可以实现作物产量、氮肥效率和耕作成本的协同提高,并且与土壤压实处理相比,产量显著提高10.7-19.5%。(5)通过研究和优化农业机械及其配套技术,不断完善了播种施肥一体化与机械化追肥技术。研究表明通过农机农艺结合与土地规模化经营,可以实现集约化玉米产量和氮肥效率的协同提高,与农民习惯施肥相比,产量和氮肥偏生产力分别提高10-20%和15-25%。既提高了工作效率,又节约了劳动力成本。根系与土壤养分、水分的时空匹配是作物高效获取土壤资源的关键,也是实现作物高产和环境保护的核心。本论文系统研究了根系对土壤机械阻力和异质性养分的响应,揭示了土壤压实限制根系和地上部生长的机制以及深层根系对玉米产量的贡献。利用局部深松结合局部施肥调控根系在土壤剖面的分布,发现深层根系和浅层根系的协同明显促进了根系与土壤养分、水分的时空匹配,进而提高了氮肥效率和玉米产量。通过农机农艺结合与区域大面积示范验证,证明了集约化玉米体系根层机械化调控及农机农艺结合在解决我国农业劳动力短缺和实现高产高效的可持续农业方面的潜力与效果。