La fertilización con nitrógeno sintético (N) es esencial para la seguridad alimentaria global, pero a menudo se aplica en exceso, causando contaminación ambiental. Identificar la tasa óptima de aplicación de N que maximiza la productividad de los cultivos mientras mejora las propiedades clave del suelo sigue siendo esencial para la agricultura sostenible. Se estudiaron tres tratamientos de un experimento de campo de 21 años realizado en suelo púrpura en la cuenca de Sichuan, China: control sin fertilizar (CK), aplicación moderada de N sintético (NPK; 130 kg ha) y aplicación más alta de N sintético (HNPK; 170 kg ha). Los resultados mostraron que NPK y HNPK aumentaron las propiedades clave del suelo en comparación con CK, con un aumento del N total del 44%, de la biomasa microbiana N del 48%, de la biomasa microbiana C del 81% y del C orgánico del suelo del 33% (< 0.05). Tanto NPK como HNPK mejoraron significativamente la acumulación de N y C en las plantas en comparación con CK (< 0.05), resultando en aumentos sustanciales en el rendimiento de granos (436%) y el rendimiento de biomasa (319%). Notablemente, NPK y HNPK lograron mejoras comparables en las propiedades del suelo, la eficiencia en el uso de N y la productividad de los cultivos (< 0.05). Además, el modelo de Random Forest (R = 0.91) identificó los reservorios de N en el suelo y la absorción de N por las plantas como los principales predictores del rendimiento. Estos hallazgos sugieren que la aplicación moderada de N logra beneficios comparables en productividad de cultivos y mejora del suelo en comparación con tasas de aplicación más altas, apoyando prácticas agrícolas eficientes en recursos que contribuyen a la intensificación sostenible en agroecosistemas subtropicales.