中国西北干旱半干旱地区降水年际变率大、年内分配不均衡的气候特点和氮肥投入量大、当季利用率低的生产现状，严重制约了该地区农业的稳产高效和可持续发展。在此背景下，本研究以西北干旱半干旱地区典型的冬小麦—夏玉米轮作为载体，采用垄覆白膜沟不覆盖、垄不覆盖沟覆秸秆、垄覆白膜沟覆秸秆和垄覆黑膜沟覆秸秆4种集雨种植模式，以传统平作不覆盖为对照，分析了不同集雨模式对农田土壤水分、温度、硝态氮和作物生长生理、产量和水氮利用效率的影响。与此同时，选用尿素和控释氮肥2种氮肥，尿素设置4个施氮（纯氮）水平，基追比为4：6；控释氮肥设置5个施氮（纯氮）水平，一次性基施，探究了不同氮肥运筹对作物生长和氮素吸收利用的影响。研究得出了冬小麦与夏玉米合理的集雨种植和氮肥运筹模式。该研究成果对于农业工程及相关学科的科研工作者具有一定的参考与借鉴意义。