El retorno de paja puede ser una estrategia eficiente para mantener la sostenibilidad agrícola. Sin embargo, qué estrategia de retorno de paja puede mejorar efectivamente las propiedades del suelo y el rendimiento de los cultivos sigue siendo incierto. Un experimento de campo de cinco años (2011-2016) en áreas subhúmedas y propensas a la sequía del noroeste de China con distribución desigual de lluvias e irrigación se llevó a cabo para evaluar los efectos del fertilizante de nitrógeno sin mulching de paja (CK), con mulching regular de paja (LSM) y con arado de paja amoniacal (ALSP) en agua del suelo, agregados del suelo, carbono orgánico del suelo (SOC), nitrógeno total (TN) y eficiencia de uso del agua (WUE) en un sistema de rotación de trigo de invierno (Triticum aestivum L.)-maíz de verano (Zea mays L.) anual. Los resultados demuestran que ALSP tenía un mayor contenido de agua en el suelo que CK en la capa de suelo de 0-60 cm. ALSP también tenía sustancialmente más agua en el suelo que LSM en la capa de 0-100 cm durante el año húmedo (2011-2012) y dos años secos (2014-2015 y 2015-2016). En los años normales (2012-2013 y 2013-2014), el contenido de agua en el suelo en ALSP fue significativamente menor que en LSM en la capa de suelo de 0-20 cm. ALSP fue mejor para aliviar la sequía del suelo en años secos y la humedad excesiva en años húmedos. En comparación con CK, SOC en la capa de suelo de 0-20 cm en 2016 aumentó un 8.3% en LSM y un 11.7% en ALSP, y TN en el suelo superior aumentó un 6.6% en LSM y un 10.1% en ALSP. El rendimiento equivalente de trigo y WUE aumentaron en ALSP en un 15.6% y 17.5%, respectivamente, en comparación con CK, y en un 6.79% y 5.97%, respectivamente, en comparación con LSM. Por lo tanto, concluimos que arar paja amoniacal con fertilización de N es una estrategia prometedora para mejorar la fertilidad del suelo y la productividad de los cultivos en sistemas de rotación de trigo de invierno-maíz de verano en áreas subhúmedas y propensas a la sequía del noroeste de China.