El sistema de co-cultivo de arroz-cangrejo (RC) es un modelo de agricultura integrada multidimensional con un potencial significativo para equilibrar beneficios ecológicos y económicos en los campos de arroz. Sin embargo, la aplicación inadecuada de fertilizantes de nitrógeno (N) exacerba las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), degrada la calidad del agua y altera el equilibrio del ecosistema de RC. Por lo tanto, optimizar y mejorar las estrategias de gestión del N para el sistema RC es crucial para maximizar sus beneficios ecológicos y económicos. Este estudio realizó un experimento de campo de dos años para evaluar el impacto de la optimización de la aplicación de N en la productividad, sostenibilidad y beneficios económicos en los sistemas RC. Se realizaron comparaciones entre la producción de arroz y cangrejos, las emisiones de GEI y el beneficio económico neto del ecosistema (NEEB) entre los sistemas RC y monocultivo de arroz (RM) bajo diferentes tasas de aplicación de N (0, 150, 210 y 270 kg/ha) con el objetivo de identificar la tasa óptima de aplicación de N para el sistema RC. Los resultados mostraron que la tasa de aplicación de N de 210 kg/ha en el sistema RC mejoró los rasgos agronómicos y la eficiencia en el uso de N, lo que llevó a un aumento del 0.4% en el rendimiento de arroz (7603.1 kg/ha) en comparación con el rendimiento máximo de arroz en el sistema RM a 270 kg/ha. A esta tasa de aplicación, la calidad del agua superficial fue óptima para los cangrejos, lo que resultó en los mayores rendimientos de cangrejos (370.1 kg/ha) y pesos promedio (81.1 g). La menor aplicación de N redujo la intensidad de gases de efecto invernadero (GHGI) del sistema RC en un 13.7% en comparación con el sistema RM. El NEEB en la tasa óptima de aplicación de N de 210 kg/ha en el sistema RC alcanzó 8597.5 CNY/ha, lo que fue un 1265.7% más alto que el del sistema RM a 270 kg/ha. En resumen, la optimización de la aplicación de N en el sistema RC conserva los recursos de fertilizantes de N, aumenta los rendimientos de arroz y cangrejos, y reduce las emisiones de GEI, mejorando de manera sinérgica tanto los beneficios económicos como ecológicos. La optimización de la tasa de aplicación de N tiene un mayor potencial en otros modelos innovadores de RC, y la productividad, sostenibilidad y eficiencia económica deben ser investigadas más a fondo.