Los beneficios de sustituir parcialmente fertilizantes inorgánicos con fertilizantes orgánicos han sido ampliamente reconocidos. Sin embargo, los mecanismos clave detrás de la transformación de nutrientes y el suministro para rendimientos estables de cultivos aún no se comprenden completamente. Basado en un experimento de campo de 11 años con un sistema de rotación trigo-maíz, este estudio exploró las ventajas de la sustitución combinada de paja y estiércol bajo varios regímenes de sustitución orgánica. Estos regímenes incluyeron un control sin fertilizar (CK), fertilizantes inorgánicos de nitrógeno, fósforo y potasio (NPK), NPK sustituido con paja (NPKS), NPK sustituido con estiércol (NPKM) y NPK sustituido con paja y estiércol (NPKSM). En comparación con NPK y NPKS, NPKM y NPKSM mejoraron significativamente el rendimiento de trigo en un 12,8% y 13,8%, respectivamente. El carbono orgánico del suelo (SOC), el nitrógeno total (TN), el superfosfato disponible (AP), la beta-glucosidasa (betaG), la ureasa (URE) y la fosfatasa alcalina (ALP) fueron más altos en el tratamiento NPKM que en el tratamiento NPKSM. Sin embargo, en comparación con NPKM, NPKSM disminuyó significativamente la tasa potencial de nitrificación en un 31,0% y aumentó el contenido de NH-N en el suelo. Correspondientemente, los genes funcionales de nitrificación también se encontraron disminuidos en el tratamiento NPKSM. En la rizosfera, la mayoría de los factores del suelo aumentaron en comparación con el suelo a granel, pero las diferencias entre tratamientos fueron menores. Sin embargo, las diferencias entre tratamientos se redujeron en la rizosfera. La alta cantidad de estiércol aplicada en el tratamiento NPKM causó una acumulación excesiva de fósforo en el suelo, alcanzando más de 46,7 mg/kg, lo que resultó en menores relaciones N/P y C/P. El índice de calidad del suelo (SQI), basado en nutrientes del suelo, enzimas, genes funcionales y estequiometría C:N:P, fue un 9,9% mayor en NPKSM que en NPKM. Los SQIs del suelo a granel mostraron correlaciones más fuertes con los rendimientos de trigo que los SQIs de la rizosfera, resaltando que el suelo a granel fue superior a la rizosfera en la predicción del rendimiento de los cultivos. El modelado de trayectorias de mínimos cuadrados parciales mostró que las relaciones C/N, N/P y C/P influyeron fuertemente en los SQIs. El tratamiento NPKSM, que mejoró los nutrientes del suelo, los factores biológicos y equilibró la estequiometría C:N:P, es una estrategia efectiva para la agricultura sostenible. Las prácticas futuras deberían centrarse en mantener el equilibrio estequiométrico para sostener la calidad del suelo y los rendimientos de los cultivos.