La fertilización es una práctica clave de manejo para mantener o mejorar la fertilidad del suelo y asegurar el rendimiento de granos en agroecosistemas. Sin embargo, como un suelo de bajo rendimiento, se entiende poco cómo las estrategias de fertilización impactan el estado de las propiedades físicas y químicas del suelo alítico, la actividad biológica y el rendimiento de los cultivos. A través de un experimento de posicionamiento de dos años, se estudiaron las características de fertilidad del suelo alítico (físicas, químicas y biológicas) y los cambios en el rendimiento de maíz bajo diferentes fertilizaciones. Se establecieron tres tratamientos: (1) fertilización convencional (fertilizante químico) (T1), (2) fertilización optimizada 1 (baja cantidad de fertilizante orgánico + fertilizante químico) (T2), y (3) fertilización optimizada 2 (alta cantidad de fertilizante orgánico + fertilizante químico) (T3). Los resultados indicaron que, en comparación con T1, la densidad aparente del suelo de los tratamientos T2 y T3 disminuyó, la relación promedio de fase sólida del suelo disminuyó en un 8.2%, y las relaciones promedio de fase líquida y gaseosa aumentaron en un 7.2% y un 10.2%, respectivamente. La materia orgánica del suelo (MOS) y el almacenamiento de carbono orgánico del suelo (COS) bajo el tratamiento de fertilización optimizada fueron significativamente más altos que bajo T1, con un aumento promedio del 10.1% para MOS y del 8.8% para COS, respectivamente. T3 aumentó significativamente los contenidos de nitrógeno hidrolizable por álcalis, fósforo disponible y potasio disponible, mientras que las diferentes fertilizaciones tuvieron poco efecto en el pH del suelo. T2 y T3 aumentaron significativamente las actividades de la ureasa del suelo, sucrasa, fosfatasa y catalasa, con un aumento promedio del 33.7%, 56.9%, 32.0% y 6.7%, respectivamente. Los números de bacterias del suelo y actinobacterias bajo T3 aumentaron significativamente en un 30.2% y un 22.0% en comparación con T1, mientras que el número de hongos disminuyó en un 6.7%. El número total de microorganismos del suelo aumentó significativamente en un 29.0% en T3, y la proporción de bacterias del suelo respecto al número total de microorganismos aumentó, mientras que la proporción de hongos y actinobacterias disminuyó. El rendimiento de maíz de T3 fue significativamente mayor que bajo otros tratamientos, con un aumento de 2368.5 kg/ha en comparación con T1. El análisis de correlación mostró que los contenidos de nutrientes disponibles y materia orgánica, los números de bacterias del suelo y actinobacterias, y las actividades de la ureasa del suelo y fosfatasa tuvieron el impacto más significativo en el rendimiento de maíz. La fertilización optimizada, que fue el fertilizante orgánico combinado con fertilizante químico, puede mejorar las propiedades físicas del suelo alítico, aumentar el contenido de materia orgánica del suelo, el almacenamiento de carbono orgánico, el contenido de nutrientes disponibles y la actividad biológica del suelo, también para el rendimiento de maíz. Por lo tanto, la fertilización optimizada en el suelo alítico del noreste de China es una opción de manejo prometedora e importante para mejorar la calidad del suelo y el rendimiento de granos. Este trabajo proporciona una base teórica y una referencia técnica para una fertilización eficiente.