La llanura del norte de China tiene un patrón típico de doble cultivo de trigo de invierno y maíz de verano. Se estudiaron durante cuatro años los efectos de las condiciones de deficiencia de nutrientes en las características de las raíces y el rendimiento del maíz de verano en el sistema de doble cultivo. Los patrones de fertilización monótonos a largo plazo socavan los sistemas de rotación de cultivos y son perjudiciales para la sostenibilidad de la producción agrícola. Para complementar el desarrollo de estrategias de fertilización racionales explorando la respuesta de los sistemas de rotación de cultivos a las deficiencias de nutrientes, se realizó un experimento en un diseño de bloques completos al azar que consistió en cinco tratamientos con tres réplicas para cada tratamiento: (1) un suministro adecuado de fertilizantes de nitrógeno y fosfato y tratamiento deficiente en potasio (T1); (2) un suministro adecuado de fertilizantes de nitrógeno y potasio y tratamiento deficiente en fósforo (T2); (3) un suministro adecuado de fertilizantes de fósforo y potasio y tratamiento deficiente en nitrógeno (T3); (4) tratamiento suficiente en nutrientes para el crecimiento de los cultivos (T4); y (5) tratamiento sin fertilizante (CK). Los resultados mostraron que los diferentes tratamientos de nutrientes tuvieron efectos significativos en la densidad de longitud de raíces (RLD), la densidad de área de superficie de raíces (RSAD) y la densidad de peso seco de raíces (RDWD) en el maíz de verano. En la etapa de madurez fisiológica (R6), los índices de raíces de RLD, RSAD y RDWD fueron significativamente más altos en la capa de suelo de 0-20 cm en T4 en comparación con CK, con un aumento del 86.2%, 131.4% y 100.0%, respectivamente. De manera similar, en la capa de suelo de 20-40 cm, los índices de raíces de T4 fueron un 85.7%, 61.3% y 50.0% más altos que CK, con diferencias variadas observadas en los otros tratamientos deficientes en nutrientes. Sin embargo, no hubo diferencias significativas entre los tratamientos en la capa de 40-60 cm, excepto para T4, cuyo índice de raíces mostró una diferencia. El peso fresco de las raíces y la materia seca de las raíces en T4, T3, T2 y T1 aumentaron en diferentes grados en comparación con CK. Además, estas diferencias en los índices de raíces afectaron el rendimiento anual de los cultivos, que aumentó un 20.96%, 21.95% y 8.14% en T4, T2 y T1, respectivamente, en comparación con CK. El número de espigas y el número de granos por espiga de T4 fueron un 10.8% y un 8.3% más altos que los de CK, lo que llevó a las diferencias en los rendimientos de maíz de verano. El peso de 1000 granos de T4, T2 y T1 fue un 9.5%, 8.8% y 7.4% más alto que el de CK, mientras que el nutriente determinante fue el fertilizante de nitrógeno, y el fertilizante de fósforo tuvo un efecto mayor en el rendimiento que el fertilizante de potasio. Esto proporciona una base teórica para el efecto de las condiciones de deficiencia de nutrientes en la estabilidad del rendimiento en un sistema de doble cultivo.