本研究在阴山北麓风蚀沙化农牧交错区，利用肥料长期定位试验（始于2004年），通过田间原位测定、室内化学分析和统计分析等方法，以不施肥（CK）为对照，系统研究了马铃薯-油菜-莜麦轮作制度下单施有机肥（M）、化肥平衡施用（NPK）和有机无机配施（NPKM）对土壤特性及养分平衡、作物生产力及养分利用率，以及农田系统净生产力（NEP）的影响，以期为该区域实现农业高效生产及可持续发展提供理论依据。研究的主要结果如下：（1）连续9年施肥（NPKM、M、NPK），同一处理的耕层（0～20cm）土壤氮磷钾和有机质含量随施肥时间的延长呈逐年增加趋势，其中，NPKM处理中的磷钾和有机质，M中的钾和有机质的增加达到了显著水平，CK除使钾维持在相对稳定的水平上外，其他养分均缓慢下降。与CK相比（9年平均），NPKM和M处理显著增加了耕层氮、磷、钾和有机质含量，NPK仅显著增加了氮和磷的含量。从土壤养分的剖面分布看，与CK相比，3种施肥措施分别增加了0～100cm土层的氮、钾，0～40cm的磷和0～20cm的有机质和微生物量碳的含量。作物轮作对土壤养分的平衡有互补作用，9年平均，NPKM处理的氮磷钾均有盈余，NPK处理中氮和钾亏缺，磷盈余；M中的氮磷亏缺，钾盈余。（2）马铃薯种植季（2010年），土壤CO₂排放速率均有明显的日变化和季节变化，24h内，6:00-8:00速率最低，12:00-14:00最高；一年中，在雨热同期、作物生长旺盛期的7月末速率最大。CO₂在作物生育期内的排放速率平均值为94.5～126.5mg C·m^-2·h^-1，作物收获后迅速下降到40.7～51.2mg C·m^-2·h^-1。CO₂排放速率的日变化主要受10cm地温影响，温度敏感系数（Q10值）为1.47～1.68。季节变化受10cm地温、0～20cm土壤含水量及作物生长的影响，其中在作物生育前期与马铃薯全株及块茎的干物质积累速率正相关，在生育后期及收获后与10cm地温极显著正相关。与CK相比，施肥增加了土壤CO₂排放速率，增幅顺序为M>NPKM> NPK。（3）在阴山北麓旱耕地上，全年的土壤CO₂排放量为2.81～4.28t C·hm^-2，作物生育期内的排放量为2.17～3.29t C·hm^-2，与CK相比，M处理的增量最大，其次是NPKM和NPK。如果仅考虑作物生育期内的土壤CO₂排放量，不同施肥处理下的农田系统每年从大气吸收CO₂0.11～0.81t C·hm^-2，如果考虑土壤全年的排放量，NPKM和NPK处理下农田系统每年从大气吸收CO₂0.087和0.21t C·hm^-2，而土壤中的碳在NPKM和M处理中均有较大盈余。（4）9年平均，与CK相比，不同施肥措施对马铃薯经济产量增幅为26.1～44.2%，油菜增幅为27.9～97.5%，莜麦增幅为22.7～38.7%，其中NPKM的增幅最大，其次是NPK，M增幅最小。8年平均，N、P₂O₅、K₂O养分的农学效率分别为8.6、8.3和7.9kg﹒kg^-1，当季利用率分别为45.3%、20.7%和54.5%。NPKM、NPK和M对产量的贡献率分别为35.2%、30.6%和19.2%。氮的当季利用率与随生育期降水量的增加呈线性增加，同一处理对产量的贡献率与生育期降水量呈正相关。