La práctica de riego, el método de labranza y la gestión de nitrógeno (N) son las tres medidas agronómicas más importantes para la producción de trigo (L.), pero los efectos combinados sobre el rendimiento del grano y las características fisiológicas del trigo aún se comprenden poco. Realizamos un experimento de campo dividido en tres años en la intersección de la Meseta de Loess y la Llanura de Huang-Huai-Hai en China. Las dos prácticas de riego (I0: sin riego e I1: riego único), tres métodos de labranza (RT: labranza rotativa, PT: arado y ST: subsolado) y cuatro gestiones de N (N0, N120, N180 y N240) se asignaron a las parcelas principales, subparcelas y sub-subparcelas, respectivamente. La práctica de riego, el método de labranza, la gestión de N y la mayoría de sus interacciones de dos y tres factores podrían afectar significativamente el rendimiento del grano y las características fisiológicas de las hojas de trigo de invierno. El riego único aumentó el rendimiento del grano en un 46.9% al optimizar las actividades de la superóxido dismutasa (SOD), peroxidasa (POD) y catalasa (CAT), los contenidos de prolina (Pro) y azúcar soluble (SS), y la tasa neta de fotosíntesis (Pn) en las hojas durante la mayoría de las etapas de crecimiento del trigo. La mejora del rendimiento del grano y las características fisiológicas bajo riego único se vio considerablemente afectada por el método de labranza y la gestión de N, y la efectividad del riego único se mejoró bajo subsolado y N180 o N240. El riego único combinando subsolado y N180 no tuvo una diferencia significativa en relación con el riego único combinando subsolado y N240, mientras que aumentó significativamente el rendimiento del grano en un 47.1% durante los tres años, así como aumentó las actividades de SOD, POD y CAT, y Pn en las hojas de trigo en un 23.2%, 41.2%, 26.1% y 53.0%, respectivamente, y disminuyó los contenidos de malondialdehído (MDA), Pro y SS en un 29.2%, 65.4% y 18.2% en comparación con la labranza rotativa sin riego combinada con N240 a lo largo de los dos años y tres etapas. El rendimiento del grano de trigo se asoció significativamente con las características fisiológicas en las hojas bandera, y el coeficiente fue mayor para la actividad de POD, seguido por la actividad de SOD y Pn. Por lo tanto, el riego único combinando subsolado y N180 es una estrategia óptima para la producción de alto rendimiento de trigo en regiones de secano donde se asegura el riego único.