Bajo la condición de que la paja regrese al campo, la aplicación adecuada de fertilizante nitrogenado es uno de los factores clave utilizados para mejorar el rendimiento de los cultivos y garantizar la seguridad ambiental. Por lo tanto, se realizó un experimento con diferentes tasas de fertilización nitrogenada con un diseño de bloques al azar en Harbin, China. La paja se incorporó profundamente al campo después de la cosecha en otoño. Las tasas de aplicación de nitrógeno fueron de 0, 75, 150, 180, 225 y 300 kg·ha. El propósito de este estudio es aclarar la cantidad adecuada de fertilizante nitrogenado bajo la condición de que la paja regrese al campo y proporcionar apoyo técnico para el maíz de alto rendimiento y alta eficiencia en regiones frías. Los resultados indicaron que el rendimiento del maíz primero aumentó y luego se estabilizó a medida que aumentaba la cantidad de fertilizante nitrogenado, mientras que los beneficios económicos primero aumentaron y luego disminuyeron. Cuando la tasa de aplicación de nitrógeno supera los 225 kg·ha o es inferior a 150 kg·ha, los beneficios económicos disminuyen significativamente. Cuando se aplicaron altas tasas de fertilizante nitrogenado de 225 kg·ha y 300 kg·ha, el nitrógeno residual en forma de nitrato en el suelo aumentó 2.1 veces y 2.3 veces, respectivamente, en comparación con antes de la siembra. Con el aumento de la tasa de aplicación de nitrógeno, la eficiencia de utilización del fertilizante nitrogenado y la eficiencia agronómica disminuyeron, y la pérdida aparente de nitrógeno y el excedente de nitrógeno aumentaron significativamente. Considerando de manera integral el rendimiento del maíz, los beneficios y los factores de riesgo ambiental, la tasa de aplicación de nitrógeno adecuada se situó en un rango de 170.2 kg·ha a 178.2 kg·ha en el primer año y de 150.0 kg·ha a 171.3 kg·ha en el segundo año. Este trabajo proporciona una base teórica y apoyo técnico para la aplicación racional de fertilizante nitrogenado y el maíz de primavera de alto rendimiento y alta eficiencia bajo la condición de que la paja regrese al campo.