Dada la urgente crisis global de seguridad alimentaria y las limitaciones en la productividad agrícola inducidas por el cambio climático, la rotación de cultivos resulta crítica para aumentar el rendimiento y la calidad del grano del trigo de invierno, además de mejorar la calidad del suelo. Sin embargo, el efecto legado de diferentes cultivos precedentes sobre los incrementos sinérgicos de la productividad del trigo y la fertilidad del suelo aún no se ha aclarado completamente. Se llevaron a cabo cinco rotaciones diferentes de cultivos precedentes y trigo de invierno en un experimento de campo establecido en Huanghua, China. El maíz, el sorgo y el mijo fueron designados como cultivos gramináceos precedentes, y la soja y el frijol mungo fueron asignados como cultivos leguminosos precedentes. Se midieron el rendimiento del grano, la fracción de proteína y los nutrientes del suelo para elucidar el efecto legado de los cultivos precedentes en el trigo de invierno subsiguiente. Los predecesores leguminosos evaluaron significativamente el rendimiento del grano del trigo de invierno en comparación con los predecesores gramináceos, particularmente la rotación de mungo-trigo de invierno (Mun-W) fue un 11.56% más alta que la rotación de maíz-trigo de invierno (Mai-W). Este aumento en el rendimiento se atribuyó al incremento del 4.05% en el número de espigas por hectárea y del 14.31% en el número de granos por espiga. El Mun-W facilitó el contenido más alto de proteína de gluten (8.22%) en el trigo de invierno entre los cinco tratamientos, que fue un 6.06% más alto que en el sistema de sorgo-trigo de invierno. La materia orgánica del suelo (MOS) mostró una ventaja en las rotaciones de legumbres-trigo de invierno (Leg-Ws) en comparación con los sistemas de cultivos gramináceos-trigo de invierno (Gra-Ws). Notablemente entre estos, el Mun-W mejoró significativamente el contenido de MOS en un 0.99% en relación con el Mai-W. El sistema de soja-trigo de invierno disminuyó el pH del suelo en 0.36 en comparación con el sistema Mai-W. El grado de coordinación de acoplamiento (CCD) y el índice de co-beneficio (CBI) en los Leg-Ws exhibieron una superioridad significativa del 62.41% y 42.22% sobre los Gra-Ws, respectivamente, y el Mun-W alcanzó el máximo CCD de 0.84 y CBI de 0.77. Desde una perspectiva de evaluación multiobjetivo del efecto legado de los cultivos precedentes, las rotaciones basadas en legumbres facilitan mejoras sinérgicas en el rendimiento, la calidad de la proteína y los nutrientes del suelo en el trigo de invierno.