La fertilización altera el rendimiento de los cultivos, la agregación del suelo y el potencial de secuestro de carbono. Sin embargo, los efectos específicos y los mecanismos interactivos de la fertilización a largo plazo en el carbono orgánico del suelo (SOC), el carbono orgánico asociado a los agregados (OC) y el rendimiento en campos de trigo de secano siguen siendo poco comprendidos. Por lo tanto, se realizó un experimento de campo con fertilización de agricultores locales (NP), fertilización medida y controlada (NPK), fertilizante químico más fertilizante orgánico (NPKM), fertilizante químico más fertilizante bio-orgánico (NPKB) y sin fertilizante (CK) durante 10 años en una región semiárida de China. Examinamos las características del rendimiento de los cultivos, el stock de SOC y los agregados del suelo bajo diferentes métodos de fertilización para explorar los mecanismos de secuestro de carbono asociados con el aumento del rendimiento. Los resultados revelaron una correlación lineal positiva significativa entre el secuestro de carbono y la entrada de carbono, con una eficiencia de secuestro de carbono del 27.4%. Los diferentes tratamientos de fertilización aumentaron la proporción de macroagregados (>0.25 mm) y mejoraron significativamente la estabilidad hídrica de los agregados del suelo, siendo la aplicación combinada de fertilizantes orgánico-inorgánicos (tratamientos NPKM y NPKB) la que mostró el efecto más pronunciado. Un análisis de redundancia reveló que la entrada de carbono fue el factor más importante que afectó a la estabilidad de los agregados. Un modelo de trayectoria de mínimos cuadrados parciales reveló que el contenido de SOC se mejoró principalmente debido al aumento de OC asociado a los macroagregados y la entrada de carbono, lo que a su vez condujo a rendimientos de trigo más altos. Nuestros hallazgos indican que el OC asociado a los macroagregados y las entradas de carbono tienen implicaciones significativas para el secuestro de SOC en campos de secano. Por lo tanto, sugerimos la aplicación integrada de fertilizantes orgánicos con fertilizantes NPK equilibrados para promover la acumulación de SOC, mejorar la estabilidad de los agregados y aumentar el rendimiento de los cultivos.