En áreas de suelo congelado estacional agrícola, el retorno de paja puede influir en las características de congelación-deshielo al cambiar la materia orgánica del suelo y la porosidad. El monitoreo de la humedad y el calor en el periodo de congelación-deshielo es significativo para prevenir el anegamiento de primavera y realizar arreglos de siembra razonables. Sin embargo, el efecto del retorno de paja a largo plazo en el proceso de congelación-deshielo del suelo aún no está claro. En este estudio, investigamos la dinámica de la temperatura del suelo (ST) y la humedad del suelo (SM) entre tierras de cultivo con retorno de paja (SF) durante 29 años consecutivos y tierras de cultivo sin fertilización (NF) durante el progreso de congelación-deshielo en el noreste de China. El suelo en ambos sitios experimentó procesos de congelación unidireccional y de descongelación bidireccional. Las fechas de congelación y descongelación del suelo en el NF del perfil ocurrieron antes que en el SF. El NF tuvo una mayor profundidad congelada y tasa de congelación que el SF y mostró un rango más amplio de variación de ST y una mayor eficiencia de transmisión de calor. La SM mostró una tendencia decreciente antes de que la ST comenzara a disminuir hasta un punto de congelación a diferentes profundidades en ambos sitios. La SM migrada en la mayoría de las capas de suelo disminuyó durante el monitoreo. La relación entre SM y ST negativa fue una función de potencia a diferentes profundidades congeladas. La SM disminuyó rápidamente en el rango de -2-0 gradosC en ambos sitios. Durante los cambios de fase, el SF y el NF consumieron 33.0 y 43.6 MJ m, respectivamente. Los resultados pueden explicar parcialmente la respuesta del retorno de paja a la variación hidrotérmica del suelo durante el proceso de congelación-deshielo. Este estudio puede proporcionar una teoría integral para utilizar de manera efectiva los recursos hidrotérmicos del suelo agrícola en el noreste de China.