La meseta de Loess en China ha lidiado durante mucho tiempo con problemas como la erosión crónica del suelo, la mala estructura del suelo y la disminución de la materia orgánica. El carbono orgánico del suelo desempeña un papel crucial en mejorar la fertilidad del suelo, y la fertilización es una herramienta clave que la influye. En un experimento de campo integral, examinamos cinco métodos de fertilización: sin fertilización (CK); fertilización tradicional utilizada por los agricultores locales (FP); fertilización equilibrada de nutrientes con nitrógeno, fósforo y potasio (OF); fertilizantes químicos utilizados junto con fertilizantes orgánicos (OFM); y fertilizantes químicos combinados con fertilizantes bio-orgánicos (OFB). Nuestros hallazgos revelaron que los tratamientos OFM y OFB fueron los más efectivos, explicando el 84.35% y el 81.26% de la variación en la fijación de carbono del suelo, respectivamente. Además, los tratamientos OF, OFM y OFB demostraron una efectividad superior en comparación con el tratamiento FP en la mejora de las fracciones de carbono del suelo. Sin embargo, estos patrones de fertilización no alteraron significativamente la proporción de carbono activo a inerte del suelo. Los tratamientos OF, OFM y OFB mejoraron la estabilidad de los depósitos de carbono del suelo más que el tratamiento FP. En el modelado de ecuaciones estructurales, factores como el nitrógeno y fósforo de la biomasa microbiana, el pH del suelo y la beta-N-acetil glucosidasa mostraron indirectamente un efecto limitante en el índice de estabilidad de los depósitos de carbono (CPSI), mientras que la beta-glucosidasa mostró una correlación positiva indirecta con las fracciones de carbono. En contraste, el carbono orgánico disuelto, el carbono orgánico de bajo peso molecular, el carbono orgánico de alto peso molecular y el rendimiento de los cultivos mostraron correlaciones positivas directas con el CPSI. En consecuencia, tanto una aplicación equilibrada de fertilizantes químicos como la combinación de fertilizantes orgánicos y químicos fueron efectivas para mejorar y mantener el contenido de carbono orgánico del suelo, contribuyendo así a la estabilidad de la fertilidad del suelo. Por lo tanto, este estudio puede informar sobre la selección y uso eficiente de fertilizantes, mejorando el rendimiento de los cultivos y el contenido de carbono del suelo.