El uso de fertilizantes se adopta principalmente en regiones áridas para mejorar el reservorio de carbono (C) del suelo y la productividad de los cultivos. Sin embargo, los mecanismos subyacentes a las mejoras en los suelos de campos de trigo en tierras secas relacionados con la actividad metabólica microbiana y la estructura de la comunidad siguen siendo poco comprendidos. Por lo tanto, se realizó un experimento de campo con cuatro tratamientos de fertilización y sin fertilizante como control (CK) durante 10 años en una región semiárida de China. Los resultados revelaron que la aplicación combinada de fertilizantes químicos y orgánicos (estiércol de pollo fermentado) aumentó claramente los niveles de carbono orgánico del suelo (COS), carbono orgánico disuelto (COD) y carbono orgánico de fracción ligera (COFL) en un 13.54-16.72%, 6.96-9.01% y 11.00-13.51%, respectivamente, en comparación con el uso exclusivo de fertilizantes químicos (tratamiento FP). Además, el tratamiento combinado no solo mejoró la actividad metabólica de los microorganismos en relación con la utilización de fuentes de carbono, sino que también aumentó la diversidad de la comunidad bacteriana. Esto provocó cambios notables en la composición de la comunidad bacteriana. Un análisis de la prueba de Mantel reveló que Bacteroidetes y Mortierellomycota mejoraron significativamente la actividad metabólica asociada con fuentes de C de carbohidratos, aminoácidos y ácidos carboxílicos. Actinobacteria, Bacteroidetes y Mortierellomycota facilitaron la acumulación de C activo y carbono orgánico particulado (COP), mientras que Mortierellomycota promovió específicamente la acumulación de carbono orgánico de fracción pesada (COFH), influyendo así colectivamente en el contenido de COS. La aplicación combinada de fertilizantes químicos y orgánicos aumentó la abundancia de Bacteroidetes y Mortierellomycota. Este aumento mejoró la utilización metabólica de carbohidratos, aminoácidos y ácidos carboxílicos, resultando en alteraciones en los tipos y cantidades de metabolitos del suelo. En consecuencia, estas alteraciones afectan en última instancia la composición y cantidad del reservorio de COS en agroecosistemas áridos. En conclusión, la aplicación combinada de fertilizantes NPK equilibrados y fertilizantes orgánicos tiene un fuerte efecto positivo en la mejora de la actividad microbiana del suelo y el reservorio de C del suelo.