根据判别必需营养元素的三条标准，迄今为止已确认的植物必需元素有17种，它们是：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、硼（B）、钼（Mo）、氯（Cl）、镍（Ni）。前9种称大量元素，后8种为微量元素。自从李比希提出“矿质营养学说”、“最小养分率”和“归还学说”后，现代肥料工业迅猛发展，为世界粮食生产作出了巨大贡献。但是，随着施肥量的不断提高，报酬递减率越来越明显，并且产生了越来越严重的土壤和水体污染。因此，如何提高肥料利用率显得愈来愈重要。
（一）大量元素肥料及其施用
大量元素肥料中常用的肥料主要有氮肥、磷肥和钾肥。近些年来作物缺乏钙、镁、硫的现象日益增多，因此钙、镁、硫肥的施用也受到了重视。
1．氮肥的品种与性质
氮是作物生长的三要素之一。氮肥品种很多，大致可分为铵态氮肥、硝态氮肥、酰胺态氮肥和长效氮肥。
铵态氮肥包括碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵、氨水和液氨等。它们是含有植物养分铵或氨的氮化合物，其共性是易被土壤胶体吸附；易被硝化细菌氧化为硝酸；在碱性环境中易挥发；易对作物产生高氨毒害。铰态氮肥不宜与碱性肥料混合施用以免产生氨挥发损失，也不宜作种肥以免影响出苗。氨水和液氨施用时不宜与种子、幼苗和人体皮肤接触以免灼伤。
硝态氮肥包括硝酸钠、硝酸钙、硝酸铵等，其共性是易溶于水；易被作物吸收，不能被土壤胶体吸附，易随水流失；易被反硝化细菌还原成气体（一氧化氮、一氧化二氮、氮气）损失；易吸湿、易燃易爆。
酰胺态氮肥常用的品种有尿素，它是固体氮肥中含氮最高的肥料（含氮46％），也是氮肥的当家品种。尿素施入土壤后在脲酶作用下水解为碳酸铵，碳酸铰进一步分解为氨和二氧化碳。分解成氨后在土壤中的转化与铵态氮肥相似。
长效氮肥（又称缓释肥或控释肥，controlled release fertilizers）是针对普通氮肥施入土壤后有相当一部分氮素损失，氮肥当季利用率仅达30％左右，研制而成的缓效肥料。人们试图使这种肥料中的养分能按照作物需肥规律释放出来以供作物利用，一次施用即可满足作物整个生长季或几个生长季所需的养分。如尿素甲醛（UF）、异丁叉二脲（IBDU）、丁烯叉二脲（CDU）、硫磺包膜尿素（SCU）和塑料包膜肥料。目前，欧美国家在长效氮肥的研制方面较中国先进，但只限于园艺花卉作物，对大田作物尚无法推广应用。其原因是养分的释放事实上无法与作物需肥规律同步，不同作物在不同生长季节需肥规律不同，且施入不同土壤后其行为也不同。
2．氮肥的有效施用
氮肥利用率低的主要原因是氨挥发、硝化-反硝化所引起的生物脱氮、硝态氮的淋洗与流失。针对N素损失的主要途径，宜采取以下施肥技术：①根据气候条件合理分配氮肥，南方应分配施用铵态氮肥于水田，而北方宜分配硝态氮肥，且硝态氮肥尽可能用于旱地；②根据土壤肥力条件分配氮肥，氮肥应优先分配给中低产田以便发挥氮肥的最大经济效益；③根据作物种类、品种特性分配氮肥，水稻、小麦、玉米等禾谷类作物和棉花、蔬菜、禾本科牧草需氮较多，应多分配些氮肥。而大豆、花生等豆科作物能进行共生固氮作用，可少施或不施氮肥；④确定合理的氮肥用量，氮肥用量可根据土壤供氮量、目标产量和氮肥利用率计算而得。根据目前的生产水平，氮肥推荐用量大致为每季每亩氮素不超过10～12kg；⑤施用脲酶抑制剂、硝化抑制剂；⑥氮肥深施尤其是粒肥深施；⑦氮肥与其他无机肥、有机肥配合施用。
3．磷肥的品种与性质
磷是作物生长所需的第二大元素。磷肥品种也很多。根据磷肥中所含的磷酸盐溶解度的不同可分为三类，即难溶性磷肥、水溶性磷肥和弱酸溶性（或枸溶性）磷肥。
难溶性磷肥包括磷矿粉、鸟粪磷矿粉和骨粉等。它们所含的磷酸盐大部分只能溶于强酸中，肥效迟缓而长。磷矿粉是由天然磷矿石直接磨成粉体而制成，其有效性与磷矿粉细度、土壤pH值和作物种类有关，细度越细、土壤酸度越大，磷矿粉的肥效也越大。油菜、萝卜、荞麦等作物对磷矿粉的利用率最高。此外，磷矿粉宜深施作基肥用，如与酸性肥料或生理酸性肥料配合施用效果显著。鸟粪磷矿粉为海岛中鸟粪矿开采磨细后制成，是一种优质磷肥，如中国西沙群岛的鸟粪磷矿粉中有1/2以上属于枸溶性磷。骨粉由动物骨骼加工而成，属于缓效磷肥，宜作基肥。
水溶性磷肥包括过磷酸钙、重过磷酸钙和氨化过磷酸钙等，主要成分为水溶性的磷酸一钙，属速效性磷肥。过磷酸钙可作基肥、追肥、种肥和根外追肥。施入土壤后磷酸易被土壤中氧化物、碳酸钙所吸附或固定。因此，为减少土壤对磷的固定，施用时应集中、分层深施，与有机肥料配合施用或作根外追肥。
能溶于2％的柠檬酸或中性柠檬酸铵溶液的磷肥叫枸溶性磷肥或弱酸溶性磷肥。属于这类磷肥的有钙镁磷肥、脱氟磷肥、钢渣磷肥、沉淀磷肥和偏磷酸钙，以钙镁磷肥的使用最多。钙镁磷肥是用磷矿石与含镁含硅矿物在高温下熔融，经水淬冷却而成玻璃状碎粒，再磨细而成。钙镁磷肥不溶于水，但能溶于2％的柠檬酸，属于缓效性磷肥。钙镁磷肥可作基肥、追肥和种肥，以基肥深施效果最好。
4．磷肥的合理分配与施用
磷肥的有效施用必须根据土壤性状、作物特性、轮作制度、磷肥品种以及施用技术加以综合考虑。当土壤全磷（P2O5）在0.8～1.0g/kg以下，磷肥都有增产效果。土壤有效磷在10mg/kg以下施用磷肥有良好的反应。大田作物对磷肥反应顺序是：冬季绿肥作物（包括豆科、萝卜、油菜）＞一般旱地豆科作物＞大麦、小麦＞早稻＞晚稻。水旱轮作中磷肥的分配应掌握“旱重水轻”的原则。磷肥重点用在旱作上，而水稻则主要利用其后效；旱作轮作中磷肥优先用于吸磷能力强的作物如豆科作物上。根据磷肥品种、作物和土壤类型，难溶性磷肥主要用于吸磷能力强的作物和酸性土壤上，水溶性磷肥主要用于吸磷能力弱的作物上。此外，相对集中施用或与氮肥、有机肥配合施用磷肥也可提高磷肥肥效。
5．钾肥的品种与性质
钾也是三大要素之一，但是钾肥的施用一直未能得到人们的重视。中国钾矿资源匮乏，目前缺钾严重的土壤已达0.23×108hm2。现在常用的钾肥包括氯化钾、硫酸钾、草木灰和窑灰钾肥。
氯化钾和硫酸钾是速效性的化学肥料，属于生理酸性肥料，其中的钾离子可被土壤胶体所吸附，也可被粘土矿物固定成为层间钾。氯化钾和硫酸钾都能作基肥和追肥。作基肥时宜与有机肥、磷矿粉等配合施用，既可防止土壤酸化又可促进磷矿粉中磷的有效化。氯化钾中含有氯离子，对忌氯作物如甘薯、马铃薯、甘蔗、甜菜、柑橘、烟草、茶树和葡萄等的产量和品质均有不良影响，应避免使用。
草木灰是植物燃烧后的残灰。草木灰的成分差异很大，其磷、钾、钙含量因不同植物而异。草木灰中的钾90％以上是以碳酸钾存在，其次是硫酸钾和氯化钾，均为水溶性钾，有效性高。草木灰适用于各种类型的土壤和作物，可作基肥、追肥、盖种肥和根外追肥。草木灰是碱性肥料，不宜与铵态氮肥、腐熟的有机肥混合施用，以免氨气挥发。
窑灰钾肥是水泥工业副产品，含K2O8％～12％，水溶液pH9～11，其中90％以上的钾是硫酸钾和氯化钾。宜作基肥和追肥，但不宜作种肥。
6．钾肥的合理分配与施用
钾肥的使用效果与土壤和作物种类、肥料性质、肥料的配合和气候条件有关。当土壤速效钾（K2O）低于80～100mg/kg时，作物对钾肥一般有较好的反应。油料作物、薯类与糖料作物、棉麻作物、豆科作物以及烟草、茶、桑等叶用作物需钾量较多。果树需钾也较多，尤以香蕉需钾量最大。禾谷类作物需钾较少。同种作物不同品种需钾也不同，例如，粳稻比籼稻需钾多，杂交稻比常规稻需钾多。因此，钾肥的分配与施用应优先考虑需钾量较多、增产效应显著的作物或品种。其次，氮磷钾肥配合施用、钾肥与有机肥配合施用可显著提高钾肥肥效。此外，钾肥宜深施、早施和集中施用。