Para revivir la práctica de plantar abono verde de leguminosas (GM) en el período de barbecho en áreas agrícolas de secano, es esencial demostrar los beneficios de esta práctica en los rendimientos y la eficiencia en el uso del agua (WUE) de los cultivos posteriores, especialmente al integrarla con la gestión optimizada del agua y los fertilizantes. Realizamos un experimento de campo para determinar los efectos positivos de plantar GM de leguminosas en el barbecho de verano sobre el rendimiento, la WUE y la eficiencia de absorción de nitrógeno (NupE) del trigo de invierno posterior, que se cultivó con acolchado de película plástica y fertilización integrada en la Meseta Loess de China. Se organizó un experimento con diseño de parcelas divididas con dos tratamientos principales, a saber: (1) siembra de trigo seguida de siembra de GM en el barbecho de verano (GM) y (2) monocultivo convencional de trigo seguido de barbecho de tierra desnuda en verano (BL), y tres subtratamientos: (1) tratamiento de control sin ningún fertilizante químico (Ct), (2) aplicación de N, P y K químicos como fertilizante base (B), y (3) aplicación de fertilizante base más retorno de paja de trigo (BS). En los dos primeros años, incluso en un año seco, GM no disminuyó el contenido y almacenamiento de agua en el suelo (capa de 0-200 cm) durante la temporada de trigo de invierno posterior, en comparación con BL. Pero en el tercer y cuarto año, GM aumentó el rendimiento de grano del trigo de invierno en un 3.2% y un 3.8%, respectivamente. B y BS aumentaron el rendimiento de grano del trigo de invierno en un 14.4% y un 22.2%, respectivamente, durante el tercer año experimental, y en un 12.7% y un 19.4% durante el cuarto año experimental, principalmente a través del aumento de la densidad poblacional del trigo de invierno. El aumento en el rendimiento de grano contribuyó a una mayor WUE del trigo de invierno. En el tercer año, GM aumentó el consumo de agua (WC) y la WUE del trigo en un 2.4% y un 1.7%, respectivamente, aunque fueron mucho más bajos que B (8.3% y 5.6%) y BS (10.4% y 10.7%). B y BS resultaron en un mayor rendimiento y nutrición de N que GM solo, pero GM combinado con B y BS resultó en el mayor rendimiento y nutrición de N, disminuyendo así considerablemente el NupE y aumentando la productividad de N. Plantar GM de leguminosas en el barbecho puede aumentar aún más el rendimiento a largo plazo, la WUE y la utilización de N del trigo de invierno cuando se integra con fertilización química y retorno de paja de trigo en la agricultura de secano. Nuestro estudio ofrece nuevas perspectivas sobre los beneficios agronómicos de la aplicación de GM de leguminosas en agroecosistemas de secano semiárido o análogos y subraya el papel crítico de la conservación del agua para garantizar la producción agrícola en tierras secas, particularmente en regiones que están optimizando la fertilización.