水稻的氮素营养和生长发育联系：（1）促进器官的形成。在水稻各种器官的发生和生长过程中都需要一定的氮素水平，如根中N<0.75%时，根的伸长受阻；茎基部N1%时，新根原基才能发生。叶片的发生与含氮量有密切关系，当稻苗含N2.5%时，新叶才能伸长；稻叶出鞘以前，心叶含N应在3%左右。分蘖期的氮素水平对水稻的生长发育影响最大，稻苗含N3.5%时，分蘖才能迅速生长；稻苗含N<2.5%时分蘖生长会停滞；稻苗含N<1.5%时分蘖会回枯死亡。因此，在水稻生长过程中，分蘖期是含氮量最高的时期，这一时期施用氮肥增产效应最高，生产上常在这一时期施用分蘖肥，以满足体内高含氮量的需要，从而促进早分蘖，增加有效分蘖。
水稻的幼穗分化是产量形成的关键，充足的氮素才能满足颖花的正常分化。据研究，在颖花分化的后期，水稻地上部的含氮量与颖花分化数目有密切的正相关。这是因为氮素可促进稻株体内各种氨基酸和酰胺的形成，有利于蛋白质和核糖核酸（RNA）的形成，而RNA则能促进颖花分化，所以增施氮肥能增加颖花分化的数目，提高穗粒数。同时，由于颖花分化正常，加大了颖花壳的容量，故可提高稻谷的千粒重。因此，在水稻生产上常在这一时期施用穗肥来提高产量。
稻谷子粒的品质与氮素营养水平也有关系，据研究，施用氮肥可以提高子粒中米蛋白（0.2%NaOH溶解蛋白）的含量。米蛋白是一种极易被人体吸收利用且有良好保健作用的成分。因此在出芽前后施用适量氮肥，可以提高大米蛋白含量，改善米的品质。
（2）增加光合作用。稻叶的光合作用强度与其总氮量或蛋白氮含量成正相关。据研究，叶绿体中的氮占叶片氮的40%，因此，更确切地说，光合强度是与功能叶内叶绿体蛋白氮含量成正比的。在叶绿体的含氮物质中约有一半是由各种蛋白质组成的，包括各种酶在内，其中以1，5-二磷酸核酮糖羧化酶含量最高，其作用是催化CO2的固定，故能促进光合作用。有资料认为，对于高产杂交水稻，在齐穗到成熟阶段维持一定的氮素水平（1.3%～1.7%）对保持旺盛的光合作用是有利的。
然而氮素对水稻的生长发育及光合作用的良好效果，只有在保证充足的碳水化合物及正常的呼吸作用的前提下才能发挥。因为氨基酸和蛋白质的形成需要有机酸提供碳架。
由于日照不足、密度过高等原因，导致稻株体内碳水化合物不足，或因低温、缺O2、P、K等原因，导致稻株体内呼吸不正常，能量不足时，水稻吸收的氮素就不能及时转化，而导致“氨中毒”。例如：早春育秧，尤其是薄膜育秧，因天晴温度高，施氮后可吸收较多NH+4，而夜间或阴雨天气，温度剧降，呼吸作用与氨同化作用受抑制，因体内的NH+4与NH3的积累而引起原生质中毒，其症状是腐霉烂根、青枯卷叶死苗（类似真菌引起的青枯病）。这些病症容易混淆，可以借助于纳氏试剂测定伸长叶的叶基伸长区域或枯萎老叶来区别，氨中毒的稻叶产生红棕色沉淀物，而正常苗或青枯病则无此反应。
另外，在抽穗前几天大量施用氮肥，如遇上阴雨天气，常导致秕粒增加。也是因为光合产物少，碳的骨架不足，大量用氮会使花粉粒内贮存淀粉分解而减少，柱头上发芽的花粉粒数目显著降低，从而使受精不良，空粒数激增。
水稻可以吸收NH4-N、NO3-N等无机态氮和酰胺态氮CO（NH2）2，还可以吸收有机态氮如氨基酸等。各种形态的氮素，其营养作用有很大差别。
（1）NH4-N和NO3-N。根据15N试验表明，各生育期水稻从（15NH4）2SO4中吸收的氮比从Na15NO3中吸收的氮多，尤其是苗期，表现出明显的喜铵特点。Fried指出，稻根吸收铵盐的速率是硝酸盐的5～20倍。田间试验也同样证明，施用NH4-N地上部干重含氮量会明显高于NO3-N。由于NH4-N吸收迅速，氨必须快速转化为氨基酸或酰胺，才能避免氨的积累而产生氨毒。NO3-N吸收后可留在根部，或运到茎叶，均可由硝酸还原酶的作用还原为亚硝酸盐，再由亚硝酸还原酶转变为氨，最后形成各种氨基酸。硝态氮的吸收属主动吸收，需要消耗能量；硝酸根转化为氨也需要消耗能量。所以，水稻对NO3-N的吸收和同化，所消耗的能量比NH4-N高。但体内铵的积累较少，酰胺含量也比较低，不会产生氨毒。
然而，水稻根对NH+4及NO-3的吸收数量与根的部位有关。据研究，就同一条根而言，根基部吸收NO3-N多，根尖部吸收NH4-N多。前苏联学者对这一现象做了研究，认为这与根中氧化酶活性有关。
水稻根部位与氧化酶活性和离子吸收的关系
从可以看出，根尖以细胞色素氧化酶为主，而根基则以黄酶为主。这是因为这两种酶对氧的亲和能力不同。细胞色素氧化酶在氧气达到3%时就饱和了，而黄酶在氧气达到50%时也未达到饱和。因此，根基部含氧多，以黄酶为主，选择吸收NO3-N多；而根顶部含氧少，以细胞色素氧化酶为主，吸收NH4-N多。
当然，在水稻生长过程中，这些酶系统是会变化的。在水稻生长初期，细胞色素氧化酶活性强，吸收NH4+为主，拔节期后则以黄酶占优势，吸收NO3-为主。所以有人提出，在分蘖以前施用NH4-N和拔节以后施用NO3-N肥更为有利。这一点已被大量的试验所证实。
在水稻生长后期施用NO3-N对水稻发育有良好的作用，这可能有两方面的原因：一方面是因为NO3-可提高根系α-NA（萘胺）氧化力，增加根系活力。根据对施用NH4-N和NO3-N后根系氧化力的测定，抽穗后施用NH4-N的根系α-NA（萘胺）氧化力为1031mg/（g穐）（干重），施用NO3-N的根系α-NA（萘胺）氧化力则为1308mg/（g穐）（干重），施用NO3-N比施用NH4-N的根系氧化力提高了26.9%。根系氧化能力强可减轻土壤中还原性物质危害，根不易早衰。
另一方面，施用NO3-N可以增加植株体内细胞分裂素含量。细胞分裂素有稳定叶绿素的作用，使叶片维持较高的光合强度，也有利于延缓地上部茎叶的衰亡。
不同氮源对水稻根伤流液量和体内细胞分裂素含量的影响
从可以看出：施用NO3-N肥与NH4-N肥比较，施用NO3-N肥根中细胞分裂素含量比NH4-N肥增加了46%，叶片中细胞分裂素含量则提高了14%。
尽管如此，由于稻田施用的NO3-N易流失和反硝化脱氮，水稻传统栽培下NO3-N的利用率常不如NH4-N。所以，总的来说水稻仍然以施用NH4-N肥为主。但在水稻新的栽培模式下如水稻覆膜旱栽技术、水稻薄露灌溉技术等，可以探讨施用NO3-N肥。
（2）酰胺态氮肥CO（NH2）2。据研究，水稻对CO（NH2）2的吸收与NH+4的吸收机制是完全不同的，前者以扩散为主，后者主要靠载体吸收。尿素施入土壤后一部分直接被根吸收，多数是被土壤中的脲酶分解形成氨后再被根系吸收。被根系直接吸收的尿素或叶面供给的尿素容易透过细胞膜进入细胞。在尿素诱导下，水稻体内可适应形成脲酶，催化尿素水解为氨。
由于氨对脲酶的活性有抑制效应，随着体内氨的积累，脲酶的活性逐渐减弱，所以脲酶也起着调节体内氨浓度的“阀门”作用。试验还表明：尿素对水稻的肥效不如硫酸铵，尤其是在一些山区冷水田表现非常明显。其中有两个原因：①尿素多数还是靠土壤中脲酶转化后被吸收，而这个转化过程与温度有关，需要一定的时间（一般10℃下需要7～10天）。而硫铵却无需转化，吸收快。②硫酸铵提供了硫素营养，解决了山区缺硫问题，使稻苗发根多，返青快。
（3）氨基酸类有机物。水稻能否吸收有机态氮是人们关心的一个问题，根据Shmoda及原浙江农业大学的研究表明（无菌培养和示踪法）：水稻能吸收多种氨基酸，但效果有差异。根据各种氨基酸对水稻苗生长的效应，与硫铵和尿素比较，可分四类：①效果超过（NH4）2SO4：甘氨酸（Gly）、天门冬酰胺（Ala）、丙氨酸（Asn）、丝氨酸（Ser）、组氨酸（His）（1～5碳链）。
②效果超过CO（NH2）2但不及（NH4）2SO4：天门冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）（6～9碳链）。
③效果不及CO（NH2）2但有一定效果：脯氨酸（Pro）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）（10～13碳链）。
④有抑制作用：蛋氨酸（Met）。
从以上可以看出，氨基酸的营养效果与碳链长短和苯环结构有关。原浙江农业大学还对酪氨酸、异亮氨酸、苏氨酸等氨基酸的营养效果做了研究，同样表明这三种氨基酸的营养效果超过尿素，但不及硫铵。研究还表明，氨基酸的构型不同，其营养效果也有差异。一般L-型氨基酸对作物的营养效果比D-型氨基酸好。
值得一提的是，日本的太田保夫把150mg/kg的蛋氨酸溶液喷洒在水稻叶片上，结果使水稻茎秆变结实，即使5～10/s的狂风也不会倒伏。蛋氨酸有类似于矮壮素的作用。
