El presente estudio se esforzó por abordar los desafíos planteados por la limitada diversidad en las variedades de avena y la utilización subóptima de fertilizantes nitrogenados en los paisajes áridos de la Meseta Loess. Seleccionamos tres variedades de avena, incluyendo avena de maduración temprana (E), avena de maduración media (M) y avena de maduración tardía (L). En 2022, se establecieron cuatro aplicaciones de nitrógeno como CK (0 kg N ha), N1 (60 kg N ha), N2 (90 kg N ha) y N3 (120 kg N ha). Introdujimos dos aplicaciones adicionales de nitrógeno, N4 (180 kg N ha) y N5 (240 kg N ha), en 2023. Los resultados del estudio de dos años demostraron un aumento significativo en el rendimiento de la avena debido a la aplicación de nitrógeno (< 0.05). El mayor rendimiento de grano se observó en la avena E con 2216.63 kg·ha bajo el tratamiento N3, mientras que las avenas M y L tuvieron los mayores rendimientos de grano con 2505.43 kg·ha y 2946.30 kg·ha bajo N4, respectivamente. El contenido de proteína de la avena L alcanzó un pico del 14.15% bajo N4, y el orden de los contenidos de proteína en los componentes de proteína de avena fue globulina > gliadina > glutenina > albúmina. El contenido de beta-glucano de la avena L alcanzó un pico del 4.92% bajo N3. La eficiencia de utilización de fertilizantes nitrogenados (NFUE) de las tres avenas fue mayor bajo N2. La avena L mostró una NFUE mejorada debido a una mayor cantidad de translocación de nitrógeno antes de la floración (PrNTA), con un aumento del 42.94% y 29.51% en relación con las avenas E y M, respectivamente. La contribución de la translocación de nitrógeno antes de la floración (PrNTC) en la avena superó la contribución de acumulación de nitrógeno después de la floración (PoNAC). Por lo tanto, la aplicación de nitrógeno impactó positivamente el crecimiento de la avena, aunque la aplicación excesiva tuvo un efecto inhibitorio. Existe una correlación positiva significativa entre el rendimiento de la avena, la calidad, la acumulación de nitrógeno y la eficiencia de utilización. En resumen, los cultivos de avena mostraron un rendimiento óptimo en términos de rendimiento, calidad y eficiencia de uso de nitrógeno cuando las tasas de aplicación de nitrógeno oscilaron entre 90 y 180 kg·ha. Las avenas de maduración tardía coinciden con la temporada de lluvias y calor en las regiones áridas del norte, lo que las hace más adecuadas para su siembra en las áreas áridas de la Meseta Loess.