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作物高产高效及绿色可持续生产是我国农业发展的重要目标,也是保障国家粮食安全和农业生态安全的必然要求。目前,施肥仍然是我国农田作物产量提升的主要措施之一,但其施用方式不当导致农田温室气体排放增速、肥料利用效率和作物产量提升受到制约。在此背景下如何协同粮食生产和环境保护已成为当前农业生产中的一项重要挑战。本研究从施肥深度入手,以玉米为研究对象,探索不同施肥深度对玉米农田水肥利用和温室气体减排的协同效应。本研究设置5 cm（D5）、15 cm（D15）、25 cm（D25）和35 cm（D35）四个施肥深度处理,于陕西杨凌进行了连续两年（2019-2020）田间试验,系统分析了不同施肥深度对玉米根系分布、叶片衰老、光合性能、籽粒灌浆、玉米产量及土壤气态氮损失（NH3和N2O）等的影响,研究结果可为旱作区优化玉米施肥管理提供理论参考。本研究取得的主要研究结果如下:（1）探明了施肥深度对玉米根系发育的调控效应优化施肥深度改变了玉米根系构型并促进侧根生长,对根系生长发育产生明显调控效应,且该效应随着施肥深度的增加呈先加强后减弱趋势变化。D25的调控效应最强,D15次之,但D35无明显调控效应。与D5相比,D25在玉米垂直、行间和株间位置处（0-100 cm土层）的根系总长度分别显著提高20.22%、14.49%和13.73%,总表面积显著提高25.67%、14.65%和17.97%,同时D25较D5显著增加了0-100 cm土层的根长密度和根表面积密度,D15的提高幅度次之。优化施肥深度显著提高吐丝后根系向地上部运输养分的能力,与D5相比,D25在吐丝期的伤流强度和伤流液中的硝态氮和铵态氮浓度分别显著提高15.66%、29.78%和38.72%。（2）阐明了优化施肥深度延缓叶片衰老并促进籽粒灌浆和产量形成的生理机制叶片的抗氧化性能和光合性能表现为D25＞D15＞D5≈D35。与D5相比,D25显著减少吐丝后叶片活性氧自由基的积累,增强叶片抗氧化能力和光合性能,其中过氧化氢（H2O2）和超氧自由基（O2-）含量分别显著降低21.50%和13.98%,超氧化物歧化酶（SOD）活性和净光合速率（Pn）显著提高16.73%和32.89%,丙二醛（MDA）含量和胞间CO2（Ci）浓度则显著减少11.10%和30.71%。优化施肥深度显著增加玉米吐丝期后干物质积累量并提高籽粒的干物质分配比例,D25的干物质积累量较D5显著提高12.65%。与D5相比,D25的平均灌浆速率和最大灌浆速率分别显著提高4.96%和6.37%。D25的产量在2019和2020年分别较D5显著提高14.00%和13.66%,D15次之,D35则与D5无显著差异。因此,优化施肥深度可通过延缓叶片衰老来提升叶源光合性能,促进干物质积累和籽粒灌浆并提高玉米产量。（3）明确了土壤水分分布与利用对施肥深度的响应特征适当增加施肥深度改善了玉米农田土壤水分分布与利用,D15在拔节期和D25在吐丝期分别主要降低了0-60 cm和40-140 cm土层水分含量。与D5和D35相比,D15和D25增加了全生育期土壤耗水量,D15在苗期-拔节期和D25在拔节期-吐丝期的阶段耗水量分别较其它处理显著增加了11.13%-16.52%和18.07%-31.51%。在吐丝期-成熟期,D5和D35的水分生产力无明显差异,D25较两者分别显著提高了43.29%和39.64%,D15提高幅度次之。从全生育期来看,在D5基础上增加施肥深度至25 cm时可显著提高水分利用效率（WUE,11.89%）和水分生产力（WP,10.40%）,D15提升幅度低于D25,D35则与D5无明显差异。（4）明晰了优化施肥深度驱动植株养分积累与氮磷高效利用的作用规律玉米植株的养分吸收和肥料利用效率随着施肥深度的增加呈先升高后降低趋势变化,适宜的施肥深度提升了营养器官的养分转运能力和吐丝后养分同化能力,显著提高成熟期氮素和磷素在籽粒中的分配比例。D25的养分吸收与利用能力最强,D15次之,D35则与D5无明显差异。与D5相比,D25在成熟期的氮和磷积累量分别显著提高了17.41%和43.42%。D25的氮肥利用效率（43.63%）和磷肥利用效率（22.02%）最高,较D5分别显著提高了38.37%和59.96%。（5）明确了肥料深施减少气态氮损失的作用效果D5、D15、D25和D35在0-20 cm土层的N2O累积扩散通量分别占0-40 cm土层的79.21%、73.73%、58.09%和48.37%。肥料深施通过减少0-20 cm土层的NO3--N含量来降低N2O在该土层的产生速率和扩散通量。地表N2O排放通量与0-20cm土层的N2O扩散通量和产生速率显著正相关。与D5相比,D25和D35的地表N2O累积排放总量分别显著降低30.84%和59.29%,N2O-N排放系数分别显著降低41.64%和80.05%。因此,肥料深施将N2O产生位置转移到深层土壤,以减少地表N2O排放。肥料深施通过降低NH4+-N含量和脲酶活性来降低NH3挥发速率,进而减少NH3挥发累积量。与D5相比,D15、D25和D35的累积NH3挥发量分别显著减少29.69%、43.82%和54.95%。（6）探明了施肥深度对氮足迹和土壤氮素动态平衡的影响规律肥料深施显著降低了玉米生产全过程的累积活性氮损失和氮足迹。与D5相比,D15、D25和D35的累积活性氮损失分别显著减少了11.27%、17.32%和20.97%,氮足迹显著降低了16.04%、27.36%和18.99%,D25的氮足迹显著低于其它处理。与D5相比,收获后D15和D25在0-100 cm土层的累积硝态氮残留量减少了5.97%和7.95%,D35则增加了3.90%。在D5的基础上适当增加施肥深度至15和25 cm可在显著提高累积目标性氮输出的同时显著降低氮损失,促进氮素平衡,其中D25的累积氮输出显著高于D15且氮损失显著降低,施肥深度为35 cm时,累积氮输出无明显变化,而氮损失显著增加。综合分析,玉米播前一次性施肥至25 cm深度土层可有效促进玉米生长、延缓叶片衰老、促进籽粒灌浆、提高产量和水肥利用效率,同时可显著减少N2O排放和NH3挥发,降低活性氮损失和氮足迹。因此,在旱作玉米种植区,增加施肥深度至25 cm是协同作物生产和环境效益、保障农业可持续发展的有效施肥策略。