黄土区位于我国西北地区,是我国重要的粮食产地,在保障区域粮食安全中具有至关重要的作用。然而,该区域农业生产受土壤养分不足和水资源短缺等限制,农田地力和作物产量低,新垦耕地与退化耕地地力无法在短期内快速提升以满足现代农业生产需求,且在黄土区传统旱地雨养农业中,典型作物小麦、玉米产量与地力维持和水土资源高效利用之间的关系仍有待深入。本研究以黄土区主要粮食作物小麦和玉米为供试作物,通过大田试验配合盆栽试验,研究外源有机物质添加对新垦耕地和退化耕地土壤有机质和作物产量的影响,探索新垦耕地和退化耕地土壤地力快速提升途径与内在机理;并以陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站为依托,在长期定位试验的基础上开展连续5年田间试验（2015年9月-2020年6月）,研究5种培肥处理、6种地膜覆盖方式在冬小麦连作制度下与8种保护性耕作措施在春玉米连作制度下,对传统耕地土壤理化性质、作物生长特征、水资源利用、作物产量和生物量等方面的综合效应,旨在为黄土区新垦耕地、退化耕地和传统耕地地力提升与水土资源高效利用提供科学依据。本研究得到的主要结果和结论如下:（1）在新垦耕地中,通过2016-2018年连续3年大田试验,提出利用工程化措施快速构建优质耕作层的培肥模式,即在消除优质耕作层构建的障碍因子基础上,通过一次性添加木本泥炭作为外源有机物质,迅速提高土壤惰性有机质含量,并辅以生物激发调节剂调控木本泥炭的矿化分解速率,同时利用秸秆还田和化肥配施补充新垦耕地易分解土壤有机质和速效养分含量。结果表明:该培肥模式2016年、2017年、2018年收获期0-15 cm土壤有机质含量较对照处理分别增加16.7%、31.8%、93.9%;土壤水稳性团聚体稳定性增强,易氧化碳含量提高,2016-2018年3年玉米产量平均增加8.2%。（2）在退化耕地土壤中,通过盆栽试验,对比木本泥炭在4种不同质地（退化黑土、黄绵土、塿土、退化红壤）土壤中的快速培肥效应。结果显示:与对照相比,添加木本泥炭均可提高4种退化土壤中的有机质含量,在小麦收获期0-20 cm土层,退化黑土、黄绵土、塿土、退化红壤的有机质含量分别提高40.4%、40.0%、101.3%、94.6%;添加木本泥炭后土壤有机质含量与小麦产量呈显著正相关关系;与小麦播种期相比,各处理收获期0-20 cm土层有机质分别降低了5.1 g kg-1（退化黑土）、9.9 g kg-1（黄绵土）、7.6 g kg-1（塿土）、6.2 g kg-1（退化红壤）;除粗质地黄绵土外,在退化黑土、塿土、退化红壤3种中等质地土壤中,土壤黏粒含量越高,有机质变化量越小,且有机质变化量随着黏粒含量的提高先降低后增加。（3）在传统耕地冬小麦连作制度下,通过田间定位试验,全面阐述了2016-2020年间不同培肥措施和地膜覆盖方式对土壤理化性质、冬小麦产量和水资源利用的影响。结果表明:（1）在不同培肥措施下,氮磷钾肥配施、氮磷肥配合生物炭、氮磷肥配合有机肥替代秸秆还田基于施氮磷肥的综合发展指数值分别为16.8%、12.9%、0.4%;与施氮磷肥处理相比,氮磷钾肥配施在2016-2020年间冬小麦产量显著提高12.8%-29.2%（P＜0.05）,5年平均水分利用效率和降水利用效率分别提高49.2%和19.6%;氮磷肥配合生物炭处理下5年冬小麦平均产量、水分利用效率、降水利用效率分别提高9.9%、59.6%、10.1%。（2）在不同地膜覆盖方式下,6种地膜覆盖处理在干旱年（2016年、2018年）和平水年（2017年、2020年）冬小麦产量较传统耕作不覆盖处理平均增加32.2%,在丰水年（2019年）平均增加60.4%;休闲期地膜半覆盖处理、休闲期地膜全覆盖处理、生育期地膜半覆盖处理、生育期地膜全覆盖处理、生育年地膜半覆盖处理、生育年地膜全覆盖处理基于传统耕作不覆盖处理下的综合发展指数值分别为5.4%、-0.1%、9.3%、7.6%、4.3%、7.2%,水分利用效率较传统耕作不覆盖处理分别提高53.5%、23.0%、7.3%、40.0%、38.6%、23.7%。生育期地膜半覆盖处理覆盖率低、覆盖时间短,对土壤理化性质、冬小麦产量和水资源利用等方面的综合影响最佳。（4）在传统耕地春玉米连作制度下,通过田间定位试验,系统分析2017-2019年间保护性耕作措施下水土资源高效利用机制。结果表明:（1）与传统耕作不覆盖处理相比,在0-10 cm土层,地膜覆盖处理显著增加了土壤水稳性团聚体的稳定性,水稳性团聚体几何平均直径、平均重量直径分别增加57.4%、63.9%,但秸秆覆盖处理分别降低14.7%、4.4%;地膜覆盖处理增加了土壤容重和土壤导气率,并通过团聚体稳定性影响玉米根系性状;地膜覆盖处理下2017-2019年平均春玉米产量、水分利用效率、降水利用效率分别增加18.7%、13.0%、18.9%,但秸秆覆盖处理不仅对春玉米产量存在不确定性,且在2017年和2019年均降低了水分利用效率和降水利用效率。（2）与传统耕作相比,免耕结合地膜覆盖处理增加了土壤容重和土壤水稳定团聚体的稳定性,提高了土壤含水量和贮水量,春玉米产量在2017-2019年提高12.7%-36.5%。免耕结合秸秆和地膜二元覆盖处理,改变了0-40 cm剖面土壤容重和水气传输特征,提高了土壤水稳性团聚体的稳定性,增加了0-300 cm土层贮水量,提高了2018-2019年水分利用效率和降水利用效率,对春玉米产量存在积极效应。黄土区农田地力提升与水土资源高效利用需视耕地类型而定,采取适用于不同类型耕地（新垦耕地、退化耕地和传统耕地）的地力提升与水土资源高效利用措施。利用一次性投入稳定的外源有机物质（木本泥炭）,结合秸秆还田和化肥施用,是黄土区新垦耕地和退化土壤实现地力提升的快速培肥途径。对于黄土区传统耕地,冬小麦种植应采用氮磷钾肥配施或氮磷配合生物炭的培肥措施,结合生育期地膜半覆盖,可提升耕地地力、冬小麦产量和水土资源利用效率;春玉米种植应采用免耕结合地膜覆盖或免耕结合秸秆和地膜二元覆盖的保护性耕作措施,有利于保持农田地力、提高春玉米产量和水资源利用效率。针对不同类型耕地采取相应措施不仅对黄土区农田地力提升与水土资源高效利用具有重要意义,也可为该区域旱地农业高质量发展提供参考。