El sorgo dulce es una planta C4 con gran potencial de rendimiento de biomasa en ambientes semiáridos. Bajo condiciones de crecimiento afectadas por la escasez de agua y deficiencia de nutrientes, la combinación óptima de riego y tasa de fertilización de nitrógeno (N) es un tema central para los sistemas agrícolas sostenibles. En este estudio, se aplicó un estudio de balance de N al sorgo dulce cv. Keller, manejado bajo tres niveles de riego (I0, I50, I100: 0, 50 y 100% de la restauración de la evapotranspiración del cultivo-ETc) y cuatro tasas de fertilización de N (N0, N60, N120, N180: 0, 60, 120 y 180 kg ha). La técnica de fertilización etiquetada con N se utilizó para evaluar el destino del fertilizante de N dentro del agroecosistema. El rendimiento de biomasa seca fue afectado significativamente por el riego, mientras que las tasas de N no tuvieron efecto. A través de los niveles de N y riego, la composición isotópica mostró que aproximadamente el 34% del N aplicado por fertilización fue utilizado por el cultivo, el 56% permaneció en el suelo al final de la temporada de cultivo, el 1.83% se lixivió como nitrato y el 1.72% se volatilizó como amoníaco. La absorción de fertilizante de N fue la más baja en I0, mientras que en N0, el suelo estaba fuertemente empobrecido en N ya que el sorgo mostró una gran aptitud para beneficiarse de la reserva de N del suelo. Se observó un sistema de entrada/salida de N equilibrado (es decir, la salida de N correspondía a la entrada de N) en el tratamiento N120, y la reserva de N del suelo permaneció sin cambios, mientras que el sistema estaba enriquecido en N (entrada/salida positiva) en N180. Sin embargo, aunque beneficioso para la nutrición del cultivo y la reserva de N del suelo para cultivos posteriores en rotación, el tratamiento N180 es insostenible debido a muchos efectos secundarios ambientales en el agroecosistema.