La agricultura sostenible enfrenta desafíos al equilibrar la necesidad de aumentar la producción de cultivos con la protección del medio ambiente. El uso de mantillo de paja es ampliamente utilizado para mejorar la productividad de los cultivos, mientras que la reducción de la aplicación de nitrógeno es una estrategia efectiva para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Sin embargo, la evaluación integral de las propiedades del suelo, las emisiones de GEI y la calidad del suelo bajo condiciones de mantillo de paja con diferentes tasas de aplicación de N no ha sido estudiada extensamente, especialmente en la región de la Meseta de Loess de Gansu Central. Por lo tanto, se realizó un experimento de campo de dos años, que involucró dos prácticas de labranza (CT: labranza convencional, CTS: labranza convencional + mantillo de paja) y tres niveles de fertilización (LN: fertilizante de nitrógeno bajo, 55 kg N ha; MN: fertilizante de nitrógeno medio, 110 kg N ha HN: fertilizante de nitrógeno alto, 220 kg N ha). Basándose en la intensidad de emisión de gases de efecto invernadero (IEGEI), se construyó el conjunto mínimo de datos (CMD) mediante análisis de componentes principales, análisis de correlación y valor de Norma, y se aplicó el método de índice ponderado para evaluar de manera integral la calidad del suelo. Nuestros resultados mostraron que en comparación con CT, CTS aumentó significativamente los rendimientos de los cultivos y mejoró el contenido de nutrientes del suelo, siendo más efectivo al aplicar cantidades moderadas de fertilizante de nitrógeno. El suelo del campo de trigo se comporta como una fuente de emisión de óxido nitroso (NO) y un sumidero de absorción de metano (CH). CTS-MN y CTS-LN redujeron la emisión de NO en un 52.95-87.76%, aumentaron la absorción total de CH en un 16.69-43.60%, y ralentizaron el potencial de calentamiento global (PCG) en un 35.70-48.17% en comparación con CTS-HN en 2021-2022. También redujeron el IEGEI. Además, CTS mejoró la calidad del suelo en diferentes niveles de aplicación de nitrógeno en comparación con CT, siendo CTS-MN el que mostró el índice de calidad del suelo (ICS) más alto durante los dos años. En consecuencia, considerando tanto los beneficios económicos como ambientales, CTS-MN puede ser considerado como una práctica clave para el desarrollo sostenible de los agroecosistemas en la región de la Meseta de Loess de Gansu Central.