垄沟半覆膜技术可以有效集雨保墒,改善土壤水分状况,促进作物高产稳产,已在半干旱区广泛应用。玉米是半干旱地区重要的粮食兼饲料作物,明确垄沟半覆膜种植玉米的氮肥优化管理技术,对进一步提高作物产量和水氮利用率,完善垄沟集雨种植技术具有重要意义。本研究在半干旱区（宁夏彭阳县）设置3种玉米种植方式（CK:平作不覆膜;RF1:垄沟比60cm:40cm;RF2:垄沟比60cm:60cm）和3种不同施氮时期(A:氮基肥230 kg·hm^-2;J:氮基肥115 kg·hm^-2+拔节期氮追肥115 kg·hm^-2;B:氮基肥115 kg·hm^-2+大喇叭口期氮追肥115 kg·hm^-2)两因素完全随机区组试验。通过连续两年（2018～2019）的大田试验对不同垄沟带型和施氮时期对农田土壤水分、土壤氮素、耗水特征、玉米生长、产量及水分利用效率和氮素利用效率的分析评价,明确中国黄土地区高原半干旱区垄沟集雨种植适宜的垄沟结构与施氮方案,为旱作农田有效的栽培管理提供理论依据。研究获得以下主要结果:1. 玉米拔节至开花阶段是需水敏感期,此期的降雨有效改善了土壤水分状况,促进玉米穗部发育和提高产量。玉米拔节期土壤贮水量与拔节-开花期降水量之和与产量有较强的相关关系,可预测玉米产量。在玉米播种至开花降水较少的情况下,垄沟半覆膜增产效益更大;其中垄沟覆膜垄沟比为60cm:40cm的结构保水、增产能力较强。2. 氮肥播前+大喇叭口期两次施入有利于提高开花期土壤无机氮含量,促进作物氮素积累,增加氮肥的吸收效率。垄沟半覆膜显著提高玉米开花前0～200cm土壤硝态氮含量,降低成熟期土壤硝态氮积累,增加玉米地上部干物质和氮素累积量,提高氮收获指数和转运效率。在玉米生长前期降水少的年份,分次施氮对玉米氮素积累促进作用较小。3. 垄沟半覆膜种植下氮素分次施用可以进一步提高玉米纯收益,增加产投比。垄沟半覆盖垄沟比60cm:40cm处理的玉米穗数、穗粒数、百粒重以及玉米产量和水分利用效率均提高显著。综上,在黄土高原半干旱区,推荐采用垄沟半覆膜垄沟比60cm∶40cm结构带型种植玉米。氮肥采用分次施入的方法,在播前施入115.5 kg·hm^-2氮素基肥,通过大喇叭口期土壤水分状况估算产量和氮肥追施量,以减氮增产。