【目的】评价西南地区黄壤性水稻土综合肥力和水稻产量的变异特征对长期不同施肥的响应关系，为西南稻区土壤培肥和作物产能提升提供科学参考。【方法】依托农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站的长期定位试验，选取长期不同施肥的10个处理：不施肥（CK）、偏施氮肥（N）、偏施氮磷肥（NP）、偏施氮钾肥（NK）、偏施磷钾肥（PK）、平衡化肥（NPK）、低量有机肥替代化肥（3/4NP+1/4M）、中量有机肥替代化肥（1/2NP+1/2M）、单施有机肥（M）、有机肥化肥配施（NPK+M），测试各处理2016～2020年作物产量和耕层土壤养分，运用改进的内梅罗指数法对土壤综合肥力进行估算，采用随机森林回归评估土壤性质对综合肥力的影响，基于稳定性指数和可持续性指数评估不同施肥管理下土壤综合肥力对作物高产、稳产和可持续性的影响，通过路径分析明确不同施肥对土壤肥力和作物产量的影响。【结果】长期不同施肥管理对黄壤性水稻土综合肥力（IFI）影响显著（p<0.05），IFI以偏施氮肥（N）处理最低，有机肥化肥配施（NPK+M）处理最高；长期施用有机肥的各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）土壤综合肥力指数显著高于不施肥（CK）、偏施化肥（N、NP、NK）和平衡化肥（NPK）处理。随机森林回归结果表明，土壤有效磷、有机质、碱解氮含量是影响土壤综合肥力指数的重要影响因素，相对重要性分别为32.1%、25%和11.4%。分析不同施肥处理水稻产量特征表明，有机肥部分替代化肥（3/4NP+1/4M和1/2NP+1/2M）和有机肥化肥配施（NPK+M）处理水稻产量显著高于偏施氮肥（N）、偏施氮钾肥（NK）、和不施肥（CK）。施用有机肥各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）水稻在获得高产的同时，水稻产量的稳定性和可持续性较高；CK、N和NK处理水稻产量较低，并且产量稳定性和可持续性低。土壤综合肥力指数与水稻产量密切相关，长期施用有机肥各处理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）土壤综合肥力指数较高，同时水稻高产也较高；不施肥（CK）或偏施化肥（N、NK）处理土壤综合肥力较低并且水稻低产。路径分析表明，长期施用磷肥和有机肥促进了黄壤性水稻土综合肥力提升，并促进作物增产；短期内施用氮肥和磷肥促进水稻增产，但有机肥替代过量造成水稻减产。【结论】长期施用有机肥和磷肥提升黄壤性水稻土综合肥力，并维持水稻高产、稳产和可持续性。有效磷、有机质、碱解氮含量是影响黄壤性水稻土综合肥力高低的重要土壤指标。