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黄土丘陵区作为我国北方重要的旱作雨养农业区,农田生态系统独特而又脆弱,土壤质量不仅影响区域粮食安全和农业可持续发展,而且影响生态系统的稳定性。旱作雨养农业区受水资源短缺和土壤养分含量低的限制,其产量常常维持在较低水平,为提高作物产量而过量施用化肥问题在农业生产中较为普遍存在,造成肥料浪费,引发环境问题。为明确黄土丘陵区土壤配肥管理需求和提升土壤质量的有效途径,探讨黄土丘陵区“杂粮产量-土壤质量”对长期不同施肥的响应及其影响机制,对于土壤肥力优化管理和发展绿色循环农业具有重要意义。研究通过整理安塞定位施肥梯田19年试验资料和野外采样,研究了5种不同施肥[种植作物不施肥（CK）、氮磷肥配施（NP）、有机肥配施氮磷肥（MNP）、有机肥（M）与氮磷钾肥配施（NPK）]处理下土壤物理、化学和生物特性演变特征,揭示施肥对作物营养元素吸收及产量动态的影响,运用DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）模型和田间试验相结合的方法评估谷子作物生长的适用性评价,综合分析不同施肥模式对土壤质量影响机理,筛选适合同类型地区农田杂粮增产和配肥土壤的施肥制度,其主要研究结果如下:（1）施肥能够改变土壤团聚体数量和稳定性。试验区0-20 cm、20-40cm土壤团聚体以＜0.25mm的微团聚体为主;在0-20 cm、20-40cm土壤水稳性团聚体中,有机肥处理的优势粒级为＞5mm、2-5mm、1-2mm和0.5-1.0mm,而化肥和不施肥处理的优势粒级为0.25-0.5mm。通过施肥能显著提高0-20 cm、20-40cm土壤团聚体重量平均直径和团聚体几何平均直径,以MNP处理作用最显著（P＜0.05）。施肥特别是施用有机肥显著降低了土壤团聚体分形维数,使土壤团粒结构得到改善,以MNP处理下团聚体分形维数最小。除土壤磷素外,0-20cm土壤团聚体平均重量直径、平均几何直径均与土壤养分呈极显著正相关关系,相关系数在0.76以上（P＜0.05）。（2）施肥改变土壤养分主要在土壤表层。经过19年野外试验,长期施肥能够提高0-20cm土壤养分含量,有机肥处理下土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量显著高于施用化肥和CK处理,M处理下有机碳和速效钾含量最高,较CK处理分别提高49%和52.9%,MNP处理下全氮、碱解氮、全磷、速效磷含量最高,较CK处理分别提高了45%、53%、31.8%和12.5%;长期施肥对20-40cm土壤养分含量改变不如0-20cm土壤养分显著。（3）施肥显著影响表层土壤有效微量养分。除有效铜外,有机肥处理在0-20cm土壤微量元素含量显著高于施用化肥和CK处理,MNP处理下有效锌、有效锰、有效铁含量最高,较CK处理分别提高了38%、46%、38%,M处理下有效铜含量最高,较CK处理提高了30%;施肥处理对20-40cm土壤有效微量养分影响不显著。（4）施肥显著影响土壤微生物碳、微生物氮含量。与CK处理相比,0-20cm土壤施肥处理下土壤微生物碳含量增幅为37%～113%（P＜0.05）,以MNP处理作用最显著;0-20cm土壤施肥处理下土壤微生物氮含量增幅为40%～51%（P＜0.05）,以M处理作用最显著;与CK处理相比,20-40cm土壤施肥处理下土壤微生物碳含量增幅为30%～184%（P＜0.05）,以MNP处理作用最显著,土壤微生物氮含量增幅为2.3%～12%（P＞0.05）,不同施肥处理对20-40cm土壤微生物氮含量影响不显著。（5）施肥显著影响0-20cm土壤酶活性,而对20-40cm土壤酶活性影响各异。与CK处理相比,在0-20cm土壤不同施肥处理下蔗糖酶增幅为37%～113%（P＜0.05）;脲酶增幅为13%～68%（P＜0.05）,碱性磷酸酶增幅为1%～50%（P＜0.05）,过氧化氢酶增幅为12%～25%（P＜0.05）,都以MNP处理作用最显著;与CK处理相比,土壤施肥处理下20-40cm土壤蔗糖酶增幅仅为0.2%～0.6%（P＞0.05）;脲酶增幅为2%～31%（P＜0.05）;碱性磷酸酶增幅为1%～50%（P＜0.05）,过氧化氢酶增幅为-5.9%～-10.3%（P＞0.05）。（6）施肥能够促进杂粮作物对养分的吸收,提高杂粮产量和水分利用效率。与CK处理下作物器官养分含量相比,MNP处理下谷子和糜子的籽粒、糠秕、茎和叶器官氮、磷和钾含量,大豆籽粒氮、磷和钾含量以及茎器官氮含量最高（P＜0.05）,M处理下大豆茎磷、钾含量最高（P＜0.05）;经过19年定位试验,施肥能显著提高杂粮产量,与CK处理下杂粮平均产量相比,MNP处理下谷子、大豆和糜子产量最高,较CK处理分别提高了17%、16%和30%;施肥能显著提高作物的水分利用效率,与CK处理下水分利用效率相比,MNP处理提高作物水分利用效率最佳。（7）构建了适用谷子及其生长环境要素模拟的DSSAT模型数据库及参数体系,进一步揭示施肥处理下作物生育期、产量演变以及土壤水分变化特征。DSSAT模型对谷子主要生育期天数的模拟结果误差在2 d以内,模拟2015年土壤含水率的n-RMSE和D的范围分别为7.23%～14.28%和0.69～0.83,模拟2015年谷子产量的n-RMSE和D的范围分别为6.18%～13.27%和0.71～0.86,2017年谷子产量的n-RMSE和D的范围分别为5.10%～12.28%和0.76～0.92,DSSAT模型模拟验证结果良好,模型在研究区有较好地适用性;采用校验好地DSSAT模型模拟施肥处理下谷子生产潜力的演变特征,得出长期施肥能提高谷子产量尤以MNP处理最优,而CK处理则导致谷子产量呈下降趋势。（8）通过对21个土壤质量指标综合分析,结果表明在黄土丘陵沟壑区长期施肥能提高黄土丘陵区土壤质量,尤以有机肥与化肥配施效果最为显著。采用主成分分析得出MNP处理下土壤质量综合得分最高达4.046;采用模糊综合评价法得出CK、NP、NPK、M和MNP处理下土壤综合评价指数分别为0.106、0.303、0.405、0.573、0.756。CK处理土壤质量评价指数最低,化肥次之,而MNP处理最高。