El cultivo de chufa (L.) en tierras marginales es una forma viable y efectiva de aumentar la producción de alimentos en el norte de China. Sin embargo, la influencia específica de la aplicación de fertilizantes nitrogenados en la dinámica de crecimiento, expansión de tubérculos, rendimiento general y eficiencia en el uso de nitrógeno (NUE) de las chufas cultivadas en estas tierras arenosas aún no se ha esclarecido completamente. Desde 2021 hasta 2022, realizamos un estudio para determinar el efecto de los fertilizantes nitrogenados en la morfología de la función foliar, la fotosíntesis aparente del dosel (CAP), el rendimiento de tubérculos y la NUE de la chufa. Los resultados indican que el rendimiento de tubérculos y la NUE están estrechamente relacionados con el área foliar específica (SLA), el índice de área foliar (LAI), la concentración de nitrógeno en las hojas por área (N), la CAP y las características de expansión de tubérculos. Notablemente, se observaron mejoras significativas en el SLA, LAI, N y CAP durante la fase de expansión de tubérculos que abarca desde el día 15 hasta el día 45 bajo el tratamiento de 300 kg N ha, lo que llevó a aumentos tanto en el rendimiento de tubérculos como en la NUE. Además, se obtuvo una tasa máxima promedio de llenado de tubérculos bajo el tratamiento N300. Estas mejoras llevaron a aumentos sustanciales en el rendimiento de tubérculos (32.1-35.5%), eficiencia agronómica del nitrógeno (NAE, 2.1-5.3%), productividad parcial del nitrógeno (NPP, 4.8-8.1%) y eficiencia de recuperación del nitrógeno (NRE, 3.4-5.7%). En consecuencia, 300 kg N ha de fertilizantes nitrogenados es la dosis más efectiva para optimizar tanto el rendimiento de los tubérculos de chufa como la NUE de las plantas de chufa en suelos marginales. El modelado de ecuaciones estructurales revela que la aplicación de N afecta el rendimiento y la NUE a través de sus efectos en los rasgos funcionales de las hojas, la CAP y las características de llenado de tubérculos. El modelado indica que las características de expansión de tubérculos impactan principalmente el rendimiento, mientras que la CAP gobierna predominantemente la NUE. Sobre todo, este estudio destaca el papel crucial del fertilizante nitrogenado en maximizar el potencial de rendimiento de tubérculos de chufa en tierras marginales, proporcionando valiosos conocimientos sobre la agricultura sostenible en áreas secas.