El cultivo intercalado de caña de azúcar y soja, junto con la aplicación reducida de nitrógeno (N) como un patrón agrícola sostenible importante, puede aumentar la productividad primaria de los cultivos y mejorar las funciones ecológicas del suelo, afectando así la entrada y el giro del carbono orgánico del suelo (COS). Para explorar el mecanismo potencial del cultivo intercalado de caña de azúcar y soja en la captura de COS, se llevó a cabo un experimento de campo a largo plazo de dos factores, que incluyó el patrón de siembra (monocultivo de caña de azúcar (MS), cultivo intercalado de caña de azúcar/soja 1:1 (SB1) y cultivo intercalado de caña de azúcar/soja 1:2 (SB2)) y niveles de adición de nitrógeno (aplicación reducida de N (N1: 300 kg·hm) y aplicación convencional de N (N2: 525 kg·hm)). Los resultados mostraron que la fijación de C en los brotes y raíces en el sistema de cultivo intercalado de caña de azúcar y soja fue significativamente mayor que en el sistema de monocultivo de caña de azúcar durante todo el período de crecimiento de la caña de azúcar, y el nivel de aplicación de N no tuvo un efecto significativo en la fijación de C de las plantas en el sistema de cultivo intercalado. El cultivo intercalado de caña de azúcar y soja también aumentó los contenidos de carbono orgánico total (COT), fracción de C orgánico lábil [C de biomasa microbiana (CBM) y C orgánico disuelto (COD)] en el suelo durante el período de crecimiento de la caña de azúcar, y este efecto fue más evidente en el nivel N1. Además, analizamos la relación entre la captura de C de las plantas y el contenido de fracciones de COS utilizando ecuaciones de regresión y encontramos que tanto la captura de C en los brotes como en las raíces de las plantas estaban significativamente correlacionadas con el contenido de COT, CBM y COD. Esto sugiere que el cultivo intercalado de caña de azúcar y soja aumenta la cantidad de C que se introduce en el suelo al mejorar la captura de C en los brotes y raíces de los cultivos, lo que a su vez promueve el contenido de cada fracción de COS. Los resultados de este estudio indican que los patrones de cultivo intercalado de caña de azúcar y soja y la aplicación reducida de N pueden mejorar sinérgicamente la fijación de C en plantas y suelos, lo que es de gran importancia para mejorar los rendimientos de los cultivos, aumentar la fertilidad del suelo y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de los campos agrícolas.