【目的】干旱缺水是黄土高原旱作农业最大的限制因素,研究覆膜、增密和品种对旱作玉米增产和水分利用的影响,有助于揭示未来旱作粮食持续增产与水环境的关系。【方法】试验于2012—2015年在黄土高原丘陵沟壑区的宁夏彭阳进行,在全膜双垄沟（FPRF）和半膜平铺盖（HPFC）2种种植方式下,选择耐密中晚熟先玉335和吉祥1号及不耐密早熟酒单4号3个杂交种,低密度（4.5万株/hm²）、中密度（6.75万株/hm²）和高密度（9.0万株/hm²）3个水平,随机区组设计,玉米连作定位观测。采用烘干法监测不同降水年型玉米生育时期0—200 cm土层土壤水分,通过Surfer软件绘制土壤水分等值线图,研究旱作覆膜连作玉米产量、水分利用效率（WUE）及土壤水分时空变化。【结果】在地膜覆盖条件下各因素对旱作玉米产量和水分利用的影响达到极显著或显著水平,对籽粒产量和WUE的影响顺序依次为降水年型>密度>覆膜方式>品种,降水年型从干旱、正常、丰水年的变化,玉米产量由7.72和8.79 t·hm^-2增加到11.86和11.15 t·hm^-2,但WUE最高值并不在降水较多的年份,而在正常年型。密度由4.5万株/hm²增加到6.67万株/hm²,耗水量、产量、WUE增加10.6 mm、20.0%和3.45 kg·mm^-1·hm^-2,但密度从6.67万株/hm²增加到9.0万株/hm²时,耗水量不再增加,而产量和WUE提高12.0%和2.97 kg·mm^-1·hm^-2;FPRF处理较HPFC处理平均增产15.72%,WUE提高21.09%;耐密中晚熟品种吉祥1号和先玉335较耐密性弱早熟品种酒单4号增产15.46%—24.45%,WUE提高13.35%—15.55%。在全膜双垄沟种植条件下,玉米生育期内土壤剖面水分含量始终高于半膜平覆盖种植,尤其是玉米灌浆期0—200 cm土层多蓄积了50—90 mm的土壤水分,在严重伏旱年份发挥了明显的抗旱增产作用。不论降雨年型如何,4年期间全膜双垄沟播玉米产量增加和WUE提高并没有多消耗土壤水分,土壤深层未形成低湿层,也未观察到增密增产对土壤剖面水分循环的负效应,而干旱年份半膜平铺盖形成了一个土壤水分<8%的明显干土层,并且随着玉米生长时间的推后干土层厚度增加、范围扩大。【结论】在目前地膜覆盖和生产平均密度5.3万株/hm²基础上,"全膜双垄沟播+耐密品种+增密1.5万株/hm²"是年降雨450 mm以上旱作区玉米持续增产和水分高效利用的技术关键,增密增产不会导致土壤深层形成干土层。