北方地区作为我国重要的粮食生产基地,在保障我国粮食安全和经济发展中占有举足轻重的地位。受气候等环境因素的影响,北方降水整体偏少,水资源短缺一直是制约该地区粮食生产的关键因子,如何实现有限水资源的高效利用是该地区农业可持续发展面临的挑战之一。农艺措施是农业生产中保证作物产量的重要举措,合理的农艺措施在维持作物高产的同时能提高水资源的利用效率。针对北方地区农业生产中水资源短缺的问题,前人从农艺措施角度进行了大量试验研究,这些研究结果为该地区农业水资源高效利用和作物高产提供了理论依据,但前人研究普遍存在试验区域小、试验年限短等不足,且不同研究结果间往往存在较大差异,因而无法在区域尺度上提供生产指导。为此,本研究整合了北方地区(包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、山西、山东、河南、北京、天津、河北、黑龙江、吉林和辽宁15个省市)近20年的相关研究数据,建立了一个共包含737个独立研究,6496组试验观测的数据集,对不同农艺措施在北方主要粮食作物小麦和玉米生产中的应用效应进行了分析探究,以期为该地区农业生产中水资源高效利用和粮食高产提供理论借鉴。本研究主要结果如下:(1)氮肥显著提高了作物产量和水分利用效率。其中冬小麦整体增幅略高于春小麦,春玉米显著高于夏玉米。氮肥效应在不同区域间存在差异,其中西北地区小麦和玉米对氮肥的响应程度最高。施氮下玉米产量和水分利用效率增幅在年均温≤10℃时最高,显著高于年均温?10℃地区。在小麦中,氮肥效应随年均降水量增加而逐渐增强,而玉米中则在年降水量400–600 mm时达到最高。作物产量和水分利用效率均随施氮量的增加先增加后降低,且实现最高水分利用效率的施氮量低于最高产量对应下的施氮量。(2)地表覆盖显著提高了两种作物的产量和水分利用效率,且在相同条件下地膜覆盖效果优于秸秆覆盖。与裸地对照相比,地表覆盖下春小麦产量和水分利用效率增幅高于冬小麦,春玉米产量和水分利用效率增幅显著高于夏玉米,其中增幅最大的为春玉米,产量和水分利用效率分别提高了44.1%和40.8%。地表覆盖下西北地区作物产量和水分利用效率增幅最大,其中小麦产量和水分利用效率分别提高了21.7%和25.4%,玉米分别为51.0%和46.1%。在年均温≤10℃地区,地表覆盖对作物产量和水分利用效率的影响高于年均温?10℃地区。整体上,地表覆盖效应随年降水量的增多而逐渐降低。(3)在北方地区,深松耕对作物产量和水分利用效率的促进效应整体上优于免耕处理。深松耕处理下春小麦和冬小麦产量及水分利用效率的增幅基本一致,在玉米中,春玉米产量和水分利用效率增幅更大。深松耕在西北地区的效应优于华北地区,其对产量和水分利用效率的正效应随年降水量的增加有减弱的趋势。在年均温≤10℃地区,深松耕处理下作物产量和水分利用效率的增幅较年均温?10℃地区高。免耕对夏玉米产量和水分利用效率的促进效应最佳,在春小麦和春玉米上也表现为显著正效应,而冬小麦产量和水分利用效率均未出现显著变化。免耕措施在西北地区的应用效果优于华北,在东北玉米生产中也表现出显著正效应。免耕效应随年均降水的增多而降低,在年均温低的地区其应用效应更好。(4)在北方地区,与无灌溉对照相比,灌溉处理下作物整体产量和水分利用效率均显著提高,其中春玉米产量和水分利用效率增幅最大,分别为49.4%和40.8%,而夏玉米和冬小麦水分利用效率未发生显著变化。在年均温≤10℃地区,灌溉效应显著高于年均温?10℃地区。灌溉对作物产量和水分利用效率的影响随降水量增加而降低,当年降水量?600 mm时,灌溉处理下作物水分利用效率显著降低。随着灌溉水用量的增加,两种作物产量和水分利用效率均呈先增后减的变化模式,其中小麦在灌溉额达170 mm时水分利用效率达最高,而玉米则在225mm时实现水分利用效率的最大值。