La aplicación irracional de fertilizantes nitrogenados (N) conduce a altas pérdidas de nutrientes y un grave potencial de contaminación agrícola de fuentes no puntuales, lo que amenaza la calidad del agua en la cuenca alta del río Amarillo. Por lo tanto, el objetivo de este estudio es explorar los efectos de las tasas de aplicación de N y diversas medidas de control sobre el rendimiento del arroz y la lixiviación de N en campos de arroz en la zona de riego del río Amarillo. Se emplearon cuatro tratamientos en este estudio: CK (sin aplicación de fertilizante N, 0 kg N/ha), CRU (aplicación de urea de liberación controlada, 180 kg N/ha), OPT (aplicación óptima de fertilizante N, 210 kg N/ha) y FP (aplicación de fertilizante N basada en la experiencia del agricultor, 240 kg N/ha), para examinar el rendimiento del arroz, la eficiencia en el uso de N (NUE), las concentraciones de N en el agua de lixiviación a diversas profundidades del suelo y los contenidos de N a lo largo de la profundidad del perfil del suelo de 0 a 100 cm. Los resultados indicaron que la cantidad de N total lixiviado fue de 25.14-48.04 kg/ha después de diferentes aplicaciones de N, y los coeficientes de lixiviación de N total de FP, OPT y CRU fueron del 10.88%, 11.27% y 7.07%. En comparación con FP y OPT, el CRU redujo significativamente las concentraciones de N total, N amoniacal (NH4-N) y N nitrato (NO3-N) en el agua superficial y del suelo, con una disminución promedio de la lixiviación de N total del 31.55% y 27.35% en los años 2022 y 2023, respectivamente. El NO3-N se identificó como la forma principal de N lixiviado de los campos de arroz. En comparación con los tratamientos FP y OPT, el tratamiento CRU aumentó el rendimiento promedio del arroz en un 19.99-20.66% y mejoró la NUE promedio en un 19.04-16.38%. Este estudio reveló que la aplicación de altas cantidades de N afectó positivamente la lixiviación de N en el suelo, y la urea de liberación controlada demuestra una eficacia superior en comparación con la fertilización convencional. La aplicación de urea de liberación controlada a una tasa de 180 kg N/ha no solo asegura un buen rendimiento del arroz, sino que también reduce las pérdidas de N, lo que debería ser recomendado a los agricultores locales.