【目的】基于高标准农田建设改善了旱地麦田灌溉条件，但小麦季通常仅能进行一次灌溉的生产实际，探索返青后补灌与氮肥互作对旱地小麦生产力、水氮利用以及土壤硝态氮残留的影响，为旱地小麦高产高效和环境友好生产提供理论依据和技术支撑。【方法】于2019—2022年，在黄土高原与黄淮海平原交汇处的典型旱地小麦种植区，设置两因素裂区试验，灌溉水平为主处理，分别为全生育期不灌溉（I0）和返青后补灌（I1，小麦返青后0—40 cm土层首次出现土壤含水量低于田间持水量的60%时，补灌至田间持水量的85%，全生育期仅灌溉一次）。施氮量为副处理，分别为0（N0）、120（N120）、180（N180）和240 kg N·hm-2（N240）。分析小麦产量及其构成因素、水分利用效率、氮素吸收利用特征以及0—200 cm土层硝态氮残留量。【结果】与I0相比，I1优化了小麦产量构成要素，增加了氮素吸收能力，籽粒产量和水分利用效率3年平均分别显著提高55.8%和34.7%,0—200 cm土层硝态氮残留显著降低11.6%。随着施氮量增加，I0水平下小麦产量、穗数、穗粒数和水分利用效率均呈现先升高后下降的趋势，以N180处理最高；而I1水平下表现为先增加后保持稳定，N180和N240处理均保持较高水平。两种灌溉水平下，增加施氮量均显著降低了氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力，但N180处理下氮肥农学效率和氮肥表观利用率与N120相比无显著降低（2021—2022年度I1除外）。无论灌溉与否，增加施氮量均提高了成熟期麦田土壤硝态氮残留量，I0水平下各施氮处理硝态氮主要富集在0—60 cm土层，且N180和N240处理在0—200 cm土层出现逐年累积效应；而I1较I0显著降低了0—60 cm土层硝态氮残留量，0—200 cm土层仅在N240处理下出现硝态氮累积。从互作效应看，3年试验中，I1N180和I1N240组合均具有较高的籽粒产量和水分利用效率，但I1N180较I1N240降低了生育期耗水量和土壤硝态氮残留量，并提高了氮效率。【结论】小麦返青后补灌配施氮肥180 kg N·hm-2可以优化产量构成要素，提高植株氮素积累量及积累强度，不仅在提高小麦产量的同时获得最优氮效率，还能降低0—200 cm土层硝态氮残留量，是旱地小麦在灌溉条件改善后兼顾小麦高产高效和环境友好生产的水肥组合。