Las papas son el cultivo no cereal más importante del mundo. Aumentar la producción de papas es crucial para la futura seguridad alimentaria global. China es el mayor productor de papas del mundo, y la productividad de las papas se ve limitada por la escasez de agua y la baja eficiencia en el uso de fertilizantes (NUE). Recientemente, la labranza de surcos microacolchados con película de otoño para la recolección de agua de lluvia (ARF) ha sido aplicada con éxito en la producción de papas en agricultura de secano en el noroeste de China. Sin embargo, los efectos de ARF en la eficiencia de uso (NUE) de nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K) aplicados en papas no han sido estudiados sistemáticamente. Un ensayo de campo consecutivo de 3 años con cuatro tratamientos, incluyendo siembra con arado sin aplicación de fertilizantes (control, CK), siembra con acolchado de película de primavera y otoño para la recolección de agua de lluvia (SRF y ARF), y siembra con acolchado de película estándar (FRF), se llevó a cabo durante 2018-2020. ARF aumentó significativamente los niveles de agua en el perfil del suelo de 0-200 cm en la cosecha de papas en comparación con SRF, FRF y CK. ARF y SRF aumentaron significativamente los niveles de carbono orgánico del suelo (SOC), NPK total y disponible (TN, TP, TK y AN, AP, AK) en comparación con FRF y CK, siendo ARF el más eficiente en aumentar los niveles de AN, AP y AK. ARF mejoró significativamente la actividad del agua y los nutrientes del suelo y contribuyó más a la producción de tubérculos y biomasa de papa y, por lo tanto, a la NUE. Bajo ARF, se observaron asociaciones significativas y positivas entre las características de fertilidad del suelo, el almacenamiento de agua del suelo (SWS), la producción de tubérculos de papa, la producción de biomasa y la NUE. Las características de fertilidad del suelo y el SWS se correlacionaron positivamente con la producción de tubérculos y biomasa de papa. El SWS, la producción de tubérculos y biomasa de papa se correlacionaron positivamente con la productividad parcial del factor (PFP) y la eficiencia de recuperación (RE) de los nutrientes NPK aplicados. El aumento de los niveles de nutrientes y su combinación incrementaron la NUEF y los componentes de la NUEF. El TN y AN contribuyeron de manera más significativa a la PEP y eficiencia agronómica (AE) de los nutrientes NPK aplicados; el TP se correlacionó positivamente con la AE, mientras que el AP se correlacionó con PEP y RE; el TK se correlacionó positivamente con el PFP y RE de los nutrientes PK aplicados, mientras que el AK se correlacionó positivamente con PE, AE y RE de los nutrientes K aplicados. Por lo tanto, ARF resulta en un aumento sincrónico en el rendimiento y la NUE y es el sistema de siembra más eficiente para la producción de papas en agricultura de secano.