La sobreexplotación de las aguas subterráneas y la aplicación excesiva de fertilizantes de nitrógeno (N) en el sistema intensivo de doble cultivo son responsables del descenso del nivel de aguas subterráneas y la contaminación potencial en la Llanura del Norte de China (NCP). Los sistemas alternativos de cultivo tienen el potencial de aliviar los problemas actuales de aguas subterráneas y N en la región, aunque hay estudios limitados que se centran simultáneamente en el impacto de un cambio de sistemas de cultivo en los rendimientos de cultivos, el consumo de aguas subterráneas y la lixiviación de N. En este estudio, se utilizaron experimentos observados en campo del sistema de doble cultivo (es decir, trigo de invierno-maíz de verano) y del sistema de cultivo único (maíz de siembra temprana) para calibrar y validar el Modelo de Calidad de Agua de la Zona de Raíces (RZWQM2). Luego, el modelo RZWQM2 validado se utilizó para evaluar el crecimiento de cultivos a largo plazo y el impacto ambiental bajo el sistema de rotación local de trigo de invierno-maíz de verano con riego práctico (WW-SM_pi) y auto-riego (WW-SM_ai), y tres sistemas de cultivo alternativos (maíz temprano único, SEM; trigo de invierno-maíz de verano y maíz temprano único, WW-SM-SEM; trigo de invierno-maíz de verano y doble maíz temprano único, WW-SM-2SEM). El consumo neto de aguas subterráneas y la lixiviación de N bajo WW-SM_pi fueron de 226.9 mm al año y 79.7 kg por hectárea al año, respectivamente. Bajo el sistema de rotación local, el auto-riego podría aumentar los rendimientos de cultivos y la lixiviación de N. En comparación con el WW-SM_ai, los sistemas de cultivo alternativos, WW-SM-SEM, WW-SM-2SEM y SEM, disminuyeron significativamente el consumo neto de aguas subterráneas en un 49.3%, 63.0% y 97.8%, respectivamente (147.5-292.9 mm), y la lixiviación de N en un 53.5%, 67.5% y 89.6%, respectivamente (50.0-83.7 kg por hectárea). Sin embargo, los rendimientos de los tres sistemas de cultivo alternativos se redujeron en menos del 30% (12.2%, 20.1% y 29.7%, respectivamente). Los resultados simulados indicaron que disminuir adecuadamente la frecuencia de siembra de trigo de invierno es un enfoque efectivo para reducir la sobreexplotación de aguas subterráneas y la contaminación por N con una reducción relativamente limitada en los rendimientos de grano. Los resultados podrían proporcionar una base científica para el ajuste de los sistemas de cultivo para garantizar una política hídrica y de granos regional sostenible.