La agricultura intensiva a largo plazo ha causado una disminución de la fertilidad del suelo y una degradación estructural en la Llanura de Songnen, lo que limita el desarrollo de las raíces del maíz y la formación del rendimiento. Como práctica fundamental de conservación del suelo, el retorno de paja mejora la función del suelo al incorporar materia orgánica exógena y regular los procesos fisiológicos de raíces y brotes. Sin embargo, el mecanismo subyacente a la mejora del rendimiento a través de la sinergia raíz-fotosíntesis-nitrógeno sigue siendo insuficientemente comprendido. Se llevó a cabo un experimento de campo para evaluar los efectos de la labranza convencional (CT), la incorporación de paja (SI), el acolchado de paja (SM) y la incorporación profunda de paja (DF) en los rasgos fisiológicos del maíz y el rendimiento. En comparación con CT, DF mejoró notablemente la morfología y fisiología de las raíces, aumentando la longitud de la raíz, el área superficial, el volumen y la relación raíz-brote en un 16.46%, 23.87%, 26.64% y 51.34%, respectivamente. La intensidad de sangrado de las raíces aumentó en un 23.63%, mientras que los contenidos de aminoácidos y nitratos en la savia de sangrado aumentaron en un 29.20% y un 65.93%, respectivamente, lo que indica una mejor capacidad de transporte de nutrientes por parte de las raíces. El sistema radicular mejorado influyó positivamente en la fotosíntesis de los brotes al aumentar el valor SPAD de clorofila en un 16.05%, la tasa fotosintética neta (P) en un 11.28%, y las actividades de RuBP, PEP, reductasa de nitratos (NR) y sintetasa de glutamina (GS) en un 10.59%, 24.36%, 29.94% y 12.47%, respectivamente. Estas mejoras sinérgicas promovieron significativamente la acumulación de biomasa y la formación del rendimiento después de la anthesis. DF aumentó la acumulación de nitrógeno y materia seca en la etapa R3 en un 26.61% y un 15.67%, respectivamente, y resultó en un aumento promedio del rendimiento del 8.34%, que se debió principalmente a un aumento del 11.96% en el peso de 100 granos. Aunque SI y SM también mejoraron ciertos índices fisiológicos, sus efectos fueron más débiles que los de DF. El análisis de RF identificó el contenido de nitrato en la savia (RNO), la intensidad de sangrado (RBI), la longitud de la raíz (RL) y el volumen de la raíz (RV) como determinantes clave del rendimiento. PLS-SEM reveló además que el retorno de paja mejoró la morfología de las raíces y los rasgos de sangrado (coeficientes de camino: 0.96 y 0.82), lo que posteriormente mejoró los rasgos fotosintéticos de las hojas (coeficientes de camino: 0.52 y 0.39) y la acumulación de biomasa (coeficiente de camino: 0.71). En conjunto, estas mejoras promovieron la acumulación de nitrógeno y la partición de materia seca en granos después de la anthesis. Estos hallazgos elucidaron el mecanismo fisiológico por el cual la incorporación profunda de paja aumentó el rendimiento del maíz a través de la optimización del sistema radicular, proporcionando una base teórica para la optimización de la labranza de conservación en la región de Mollisol de capa delgada de la Llanura de Songnen.