主要创新点：
（1）明确了土壤有机质的“量、质、型”是土壤质量评价的关键。在土壤质量的本质与评价方面，目前主要关注有机质含量和C/N，忽视了有机质的品质和形态对土壤理化性状和过程的影响，给生产力水平农田作物产量和资源利用效率的研究和评价造成很大不确定性。通过对东北和华北粮食主产区不同生产力水平农田土壤质量性状和过程的比较研究，首次明确了土壤有机质的“量、质、型”是作物高产和资源高效利用的关键。高产土壤具有机质含量高（东北和华北试验区耕层含量分别达到1.8%和1.4%以上）、受物理保护的比例大（大团聚体中近50%）和生物活性强等特点。
（2）揭示了华北与东北两大粮食主产区影响作物高产高效的关键土壤过程及机理。在土壤质量与作物产量和水氮效率的关系方面，大部分研究基于特定时期土壤物理、化学和生物性状指标与作物生长特征的相关分析，缺乏土壤水热环境、微生物活性和结构变化下水分养分动态供应对作物的影响。本研究从关键土壤性状以及水分、温度和氮素循环转化过程入手，以土壤有机质的特征和过程为突破口，通过作物生育期内土壤水、热、养分、微生物和容重动态的监测研究，揭示了两大粮食主产区影响作物高产高效的关键土壤过程及机理：影响华北地区冬小麦-夏玉米与东北玉米生长和产量形成的直接土壤过程是水氮供应强度和时间，而主导土壤有机质积累和分解的生物过程在很大程度上决定了土壤水氮库存量和供应强度。
（3）基于土壤剖面构型与土壤结构的水氮综合管理技术。在水氮管理技术方面，常规方法主要依据土壤耕层（或作物根系层）的水分和养分监测结果，忽视了土壤上下层的物质交换过程。本研究提出，增施有机肥和保护性耕作技术不仅显著提高了土壤有机碳和全氮含量，而且增加了活性有机碳和养分转化酶的活性，促进了C、N、P等营养元素的循环，改善了土壤结构，提高了土壤保持和供应水分的能力。
应用转化效果：发表论文51篇，包括SCI论文33篇和EI论文6篇；培养博士后3人，博士18人，硕士23人；获得国家专利1项，在国内外作学术报告17人次，包括国际特邀报告3次。
任务来源：“973”计划项目“主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究”；公益性行业（农业）科研专项“北方旱地合理耕层构建技术及配套耕作机具研究与示范” ；科技支撑计划“秸秆还田农艺农机相结合的栽培管理技术体系研究”；国家自然科学基金“基于GIS的区域农田土壤水碳氮与作物生长联合模拟”等项目。
主要完成人：任图生、李保国、黄元仿、胡克林、沈重阳、张清春