Una estrategia de manejo sostenible de la fertilidad del suelo y del sistema de cultivo es fundamental para garantizar la seguridad alimentaria. Sin embargo, se sabe poco sobre los efectos de las estrategias de enmienda del suelo en el crecimiento de los cultivos mediante la regulación de la humedad del suelo y la fotosíntesis en un sistema de cultivo de loma y surco. Aquí, se realizaron experimentos de campo en 2017 y 2018 en áreas semiáridas de la Meseta de Loess, al noroeste de China, para investigar los efectos del uso integrado de la siembra en loma y surco y la enmienda con estiércol en los rendimientos de grano de maíz. Se diseñaron cuatro tratamientos: CK (siembra plana con 100% de fertilizante químico), RFC (siembra en loma y surco con 100% de fertilizante químico), RFR (siembra en loma y surco con 100% de fertilizante de liberación controlada) y RFM (siembra en loma y surco con 50% de fertilizante de estiércol + 50% de fertilizante de Nitrógeno). En promedio, RFM aumentó las tasas fotosintéticas (Pn) en un 74%, seguido por RFR en un 47% y RFC en un 26%, en comparación con CK. Además, la conductancia estomática (Cd), las tasas de transpiración (Tr) y la concentración de CO intercelular (Ci) fueron mayores con RFM, seguido por RFR y RFC. En promedio, RFM conservó un 10% más de almacenamiento de agua en el suelo (SWS) que CK en la cosecha, seguido por RFR con un incremento del 8%. Sin embargo, RFC consumió más agua del suelo que CK, con un 8% más de ET que CK. En consecuencia, el maíz de primavera tratado con RFM sufrió menos estrés por sequía, especialmente en 2017 cuando la precipitación fue insuficiente. En promedio, los rendimientos de grano y la eficiencia en el uso del agua de RFM aumentaron en un 18% y un 27%, en comparación con CK. El análisis de modelado de ecuaciones estructurales mostró que existía una correlación positiva significativa entre el SWS en las capas superiores y los rendimientos de grano, mientras que el SWS en las capas profundas tenía efectos negativos en los rendimientos de grano. En conclusión, la incorporación de estiércol en el sistema de siembra en loma y surco puede ser una práctica agronómica eficiente para mejorar la fotosíntesis de las plantas, optimizar la humedad del suelo y aumentar los rendimientos de grano en áreas semiáridas de la Meseta de Loess, al noroeste de China.