随着人口增加和发展中国家人民生活水平的提高,未来对粮食的需求不断增加,预计到2050年粮食需求要增加一倍,但是从1980s开始很多地区的粮食增加速度开始放缓,在有些地区甚至出现徘徊不前的情况。与此同时,农业生产中肥料农药等各种资源投入量不断提高,导致资源利用效率低,难以同时实现作物高产和资源高效利用。因此,在进一步提高作物产量的同时提高资源利用效率是保障国家粮食安全和资源环境安全的迫切需要。本文通过大样本数据总结,明确了高产夏玉米的地上部生物量累积和氮素吸收动态变化规律,并且利用多年长期定位试验探明了高产夏玉米根层氮素供应调控地上部植株氮营养和叶面积指数与叶片SPAD的生理机制,从理论上构建了华北平原高产高效夏玉米生产体系。然后从品种选择和密度调控与氮肥管理互作等方面进一步对该体系进行田间试验验证和反馈调节。最后应用到农业生产中,从产量、资源利用效率、环境影响评价和农民收入等方面对华北平原各农业生产体系进行综合评价。取得的主要成果如下：1.通过对华北平原8个地区9个试验点512组数据分析研究发现,随着夏玉米产量水平的提高,生物量累积和氮素吸收量是不断提高的,这一差异出现在花后灌浆期。随着产量水平从<8Mg ha-1提高到8-10Mg ha-1和>10Mg ha-1,花后干物质累积分别从5.8Mg ha-1增加到9.2Mg ha-1和11.4Mg ha-1,氮素吸收量从20.1Kg ha-1增加到34.7Kg ha-1和53.1Kg ha-1。从吐丝期到收获期,>10Mgha-1夏玉米能够维持叶面积指数高值持续期到花后42天,而<8Mg ha-1和8-10Mg ha-1仅仅维持到花后14天和28天。2.通过7年长期定位试验,建立了夏玉米关键生育阶段六叶期和抽雄吐丝期地上部群体生物量累积与叶面积指数、叶片SPAD、植株氮浓度和根层土壤无机氮之间的关系模型,理解根层氮素供应如何调控地上部氮素营养和群体结构与功能。并且在实际田间试验中验证发现,在基于上述理论研究基础上制定的根层氮素实时监控技术的优化氮肥管理下,与农民传统处理相比,氮肥施用量从250kg ha-1下降到166kg ha-1，但是产量从9.88Mg ha-1提高到10.27Mg ha-1,氮肥偏生产力从39.5kg kg-11提高到62.0kg kg-1。3.通过3个不同年代夏玉米品种掖单13、郑单958和先玉335与不同氮肥管理互作的研究发现,在优化氮肥管理下,郑单958和先玉335实现最大产量8.90Mg ha-1,显著高于掖单13的6.10Mgha-1。这主要是因为郑单958和先玉335花后叶片持绿性更强,干物质生产和氮素吸收能力更强。而且,先玉335花后茎叶氮素转移量为82.7kg ha-1,显著高于郑单958的70.3kg ha-1,转移效率提高17.6%,从而实现高的籽粒氮浓度。另外,在优化氮肥管理下三个品种均能够实现最大产量,同时可以实现最大籽粒氮浓度的95%。4.通过三个种植密度6.0、7.5和9.0万株／公顷与不同氮肥管理互作试验,在7.5万株／公顷下获得最大产量和最大氮肥利用效率。随着密度的增加,6.0、7.5和9.0万株／公顷的最大产量分别为11.5、12.5和11.8Mg ha-1,获得最大产量所需要的施氮量分别为131、150和186kg ha-1。这主要是由于从6.0万株／公顷到7.5万株／公顷,在增加叶面积指数的同时单位叶片的光合速率没有显著下降,但是从7.5万株／公顷增加到9.0万株／公顷,虽然叶面积指数进一步提高,但是单位叶片的光合生产能力显著下降,导致群体干物质生产能力下降。5.通过华北平原不同作物综合生产体系的研究发现,在冬小麦／夏玉米一年两熟种植体系下,与传统农民习惯处理相比,经过优化农学栽培管理和根层养分管理的优化体系在产量上能够提高15.6%,同时减少33.7%的氮肥用量,11.7%的灌溉水消耗和16.7%的温室气体排放强度,从而使氮肥偏生产力和水分利用效率分别提高76.0%和20.9%。但是优化冬小麦／夏玉米一年两熟体系每年仍然消耗232mm的地下水,无法实现地下水的长期可持续利用。减少冬小麦种植的冬小麦／夏玉米-春玉米两年三熟种植体系能够在保持相对比较高的产量的同时显著降低地下水的消耗,减少氮肥等资源投入,降低活性氮等温室气体排放,同时实现整个农田系统净的碳固定。一年一熟春玉米处理具有最小的地下水消耗量和肥料投入量,但是产量也最低,未来无法保证粮食安全的需要。