Con el objetivo de abordar una serie de problemas causados por una fijación ineficiente de nitrógeno en la soja dentro del sistema de rotación maíz-soja en condiciones de regiones frías en la provincia de Heilongjiang, China, como la disminución de los rendimientos de los cultivos, la disminución de la fertilidad del suelo y el aumento de la dependencia de los fertilizantes químicos, este estudio investigó la sustitución parcial de los fertilizantes nitrogenados químicos por fertilizantes bio-orgánicos en tasas de reemplazo del 10%, 20% y 30% durante el cultivo de soja. Los tratamientos incluyeron fertilizantes bio-orgánicos (OB1, OB2, OB3), fertilizantes bio-orgánicos inactivados (O1, O2, O3), (B1, B2, B3) y un control (CK) con la aplicación convencional de fertilizantes químicos. En la fase de cultivo rotativo de maíz, se aplicó una reducción del 50% de nitrógeno. Los resultados mostraron que reemplazar el 20% del fertilizante nitrogenado de soja con fertilizante bio-orgánico (tratamiento OB2) produjo el mayor aumento significativo en la productividad y el retorno económico. En comparación con CK, el tratamiento OB2 aumentó el rendimiento de la soja en un 26,56%, el rendimiento de maíz en un 26,69% y la eficiencia en el uso de fertilizantes nitrogenados en un 3-5%. Según el modelo GRA-TOPSIS, el tratamiento OB2 demostró la mayor capacidad para mejorar la calidad y la eficiencia en el sistema de rotación maíz-soja. En la etapa de madurez de la soja, el tratamiento OB2 aumentó el carbono orgánico total del suelo, el fósforo disponible y la actividad de la proteasa del suelo en un 25,36%, 22,20% y 87,50%, respectivamente, en comparación con CK. En la madurez del maíz, el nitrógeno amoniacal del suelo y la actividad de la proteasa del suelo aumentaron en un 80,24% y un 62,47%, respectivamente. Los fertilizantes bio-orgánicos combinan los beneficios de los sustratos de fertilizantes orgánicos con los de los microorganismos funcionales. Los análisis de correlación, agrupamiento e interacción revelaron que los mecanismos sinérgicos entre la rotación maíz-soja y los fertilizantes bio-orgánicos en regiones frías se reflejan principalmente en la mejora de la calidad del suelo, el aumento de la eficiencia del ciclo de nutrientes, el aumento de la fijación de nitrógeno en los nódulos de la raíz de soja, la estimulación de la actividad microbiana y una mayor resistencia al estrés ambiental. La producción agrícola sostenible en regiones frías puede lograrse mediante el funcionamiento integrado de estos componentes del sistema. Este estudio proporciona una base teórica para mejorar el rendimiento y la eficiencia en los sistemas de rotación maíz-soja en condiciones climáticas frías.