La carenza di nutrienti nel suolo è il fattore principale che limita lo sviluppo sostenibile dell'agricoltura sull'altopiano del Loess. La resa delle colture e la fertilità del suolo possono essere migliorate utilizzando misure come la fertilizzazione ottimizzata, la lavorazione conservativa e la rotazione delle colture. Tra il 2007 e il 2019 è stato condotto uno studio a lungo termine per valutare gli effetti di una gestione agricola ottimizzata sulla resa delle colture, sul profitto economico e sulla fertilità del suolo. Sono stati utilizzati i seguenti nove trattamenti: CK, pratica degli agricoltori locali; F, ottimizzazione della fertilizzazione; S, ottimizzazione del metodo di lavorazione del terreno; R, ottimizzazione del sistema colturale; FS, ottimizzazione della concimazione e del metodo di lavorazione del terreno; FR, ottimizzazione della concimazione e del sistema colturale; SR, ottimizzazione del metodo di lavorazione del terreno e del sistema colturale; FSR, ottimizzazione della concimazione, metodo di lavorazione del terreno e sistema colturale; HFSR, fertilizzazione a metà ridotta basata su FSR. I risultati hanno mostrato che la resa del grano era la più alta (6129 kg ha−1) con FSR e il profitto economico è stato aumentato di 3515 yuan ha−1, rispetto a CK. Inoltre, l'FSR ha ridotto la densità apparente del suolo e migliorato la porosità del suolo e la conservazione dell'acqua. Per i nutrienti del suolo, rispetto a CK, il carbonio organico del suolo (SOC) e il potassio disponibile nel suolo (SAK) erano rispettivamente del 22% e del 46% nello strato 0-60 cm, e del 7% e 16% in più nello strato 60-60%. 200 cm di strato, mentre il nitrato-N residuo del suolo era inferiore nei 60-200 cm sotto FSR. I principali fattori nutritivi del suolo che influenzavano la resa e il profitto economico erano SOC (correlazione positiva) a 0-60 cm di strato e nitrato-N (correlazione negativa) a 60-200 cm di strato. HFSR ha avuto la più alta produttività parziale del fertilizzante, una migliore resa in granella e un profitto economico rispetto a CK, che si basa sul sacrificio della fertilità del suolo originale e ha provocato la degenerazione del suolo. Questi risultati forniscono una guida importante per la selezione di efficaci strategie agricole integrate per migliorare la resa del grano, il profitto e la fertilità del suolo.