化肥污染被列为现代高产农业重要罪状之一。但据美国科学家对依阿华州德梅因河水的分析，1945年河水中的硝态氮含量为50微升／升，当时农田化肥供氮仅占总供氮量的03％。45年后的1990年对河水再次分析，硝态氮含量为56微升／升，而从化肥供氮达到总供氮量的63％。早期硝态氮来源于有机质的矿化，今日之硝态氮既来源于氮肥，又来源于有机质，表明合理施用化肥并非导致水质污染之源。中国目前尚缺乏系统的分析资料，据农业部环境监测总站1991年报告，在14个地区水域断面中，亚硝氮态含量为001～0.1毫克／毫升，未超过015毫克／毫升地面水标准。“就整体而言，目前替代性化学产品对农田土壤的污染尚不明显”。专家指出，应该泾渭分明，不应把工业“三废”（废水、废气、废渣）所造成的污染笼统地归罪于化肥和农药。
在新的绿色革命中，化肥也仍然是不可替代的主角之一。
用“沃土”来改善作物营养
长期以来，农民就知道对作物施粪肥、草木灰，或与豆科植物轮作，可增加土地肥力，提高产量。但直到19世纪，人们对土壤肥力进行的科学研究才有迅速发展。20世纪初，在北美洲、澳大利亚等地的大规模垦荒过程中，任意破坏森林、草原，剥夺土地肥力，不善于经营管理，使自然生态平衡遭到破坏的后果，逐渐暴露并日趋严重。因此，到了20年代，防止水土流失已成为最紧迫的研究课题。许多国家采取等高耕种、保护植被、修建水库、植树造林等保护土壤的措施。1935～1950年，土壤学的研究重点逐渐从控制水土流失转向土壤管理、提高土壤肥力上来。许多科学家指出，只要采取有效的保护措施，使土壤保持比自然条件下更好的状态是完全可能的。
土壤
1840年，德国化学家李比希出版《化学在农业和植物生理学上的应用》一书，创立植物矿物质营养学说，推翻了19世纪初盛行的“腐殖质”和“生活力”两种植物营养学说“腐殖质”营养学说认为，植物所需的破元素不是来自空气中的二氧化碳，而是来自腐殖质。“生活力”营养学说认为植物可以借自身特有的生活力制造灰分的成分。
，震动了科学界。他把土壤看成是植物可以从中提取营养物质的银行。因此，补充土地肥力消耗的惟一办法，是施用矿物质肥料，使消耗与归还的数量保持平衡。李比希对土壤的这种认识，过于简单。1886年，俄国土壤学家道库恰耶夫发表《俄国黑钙土》专著，创立“发生土壤学”，对土壤提出了比较深入、完整的概念。他认为土壤是一个有独特发展过程的自然体，并指出土壤的形成过程是母质、气候、生物、地形和陆地年龄（或时间）等5种因素相互作用的结果。
1914年俄国土壤学家威廉斯建立土壤统一形成学说，认为土壤肥力是土壤自然体的基本特征，土壤形成过程的本质是有机物的合成和分解，其中土壤微生物起着重要作用。他指出，土壤团粒是土壤肥力的基础，根据对腐殖质的研究，阐明了土壤团粒的形成及作用，并强调创造和保持土壤团粒结构的重要性。20世纪30年代，土壤腐殖质的问题引起人们的重视，许多人分别从土壤腐殖质的特性与土壤发生、成土因素的关系以及特殊腐殖质的结构、反应性能等方面开展研究。美国的瓦克斯曼提出腐殖质由植物残体的各种不同有机物（纤维素、半纤维素、蛋白质、脂肪等）所构成，其中植物残体的木素与微生物蛋白相互作用而成木素蛋白，构成它的内核。50～60年代，一些学者对腐殖质的性质提出许多假设，认为虽然其内核结构和基本组成的具体成分上有所不同，但都是非结晶的三维聚合的高分子酸性物质，具有芳香族性质。
为了更合理地使用各类土壤，进行土地利用区划、土壤普查的工作规模更大，技术也更加先进。30年代，采用航空摄影进行土地利用区划，编制土地利用图。60年代，进行1∶5 000大比例尺彩色和黑白照相的比例研究，查明用于编制土壤图方面的优缺点。70年代，美国利用卫星照相，研究美国土壤利用现状、植被分布、排水系统、地表水管理等，获得很大效益。80年代以后，遥感技术成为重要调查技术，如开展全国土地利用遥感概查，全国土壤侵蚀遥感调查等。
土壤微生物
19世纪中期，对于植物能否直接利用空气中的氮尚不清楚。法国的维（GVille）与布森戈（JBBoussingault，1802～1887年）曾于1849~1857年对此问题展开过激烈争论。一些学者认为他们的分歧是忽视了自然条件下存在的一种细菌。
但直到1886年，德国的黑尔利盖（HHellriegel1831~1895年）与维尔法特（HWilfarth）才证明豆科植物有固定大气中氮素的能力。1888年，荷兰微生物学家贝依耶林克首先从豆科植物中分离出根瘤菌。1893年，俄国的维诺格拉茨基首次分离并纯培养出一种丁酸细菌，它是最重要的嫌气固氮细菌。
随后，科学工作者相继发现其他固氮微生物。这些发现完善了土壤内固氮菌的概念：固氮菌把空气中的氮固定为氨化合物，再由其他细菌转化为亚硝酸盐，并最后形成植物能吸收的硝酸盐。
20世纪前叶，土壤微生物的研究大多集中于自生固氮菌属方面，阐明了这些微生物在土壤或水域内的分布、生理特性和营养要求。第二次世界大战后，又发现近百种固氮微生物（包括细菌、放线菌、真菌、蓝绿藻等），对它们在土壤形成、物质循环和植物营养方面的重要作用，开展了许多研究。60年代，发现雀稗固氮菌生活于点状雀稗根部表面的黏性物质层里，以后证明甘蔗、玉米的根际也能促进固氮菌的生长，称为“附生共生”。70年代，证实水稻根部有根际固氮菌，也有固氮能力。
此外，自50年代起，进一步加强了土壤动物——特别是蚯蚓——对改善土壤、提高土地肥力的研究，取得不少进展。
化肥
英国的劳斯于1838年，发明过磷酸钙肥料，1843年与吉尔伯特合作，建立著名的洛桑实验站，开展大规模的土壤肥力田间实验。1845年，李比希从事化肥研究，田间实验连遭失败。5年后，受英国同行启发，李比希把制成肥料的不溶性盐类改为可溶性盐类，才获得成功。李比希关于肥料的研究，对农作物的增产起了重要的作用，并促进化肥工业的产生与发展。
20世纪初，氮肥的化工生产仍远落后于磷、钾肥生产。
1904~1908年间，德国化学家哈伯成功地以电解水产生的氢与大气中的氮，通过高温、高压，在催化剂作用下合成了氨。
1913年世界上第一个大规模的合成氨工厂在德国投产，1921年美国在纽约也建厂投产。1945年，许多新厂用天然气、燃料油或粗汽油作为氢源生产氨，随着压气机的改进，产量迅速增长。尿素是1920年德国首先用氨基甲酸铵大量生产的。后来，美国杜邦公司开始生产尿素，并于1935年将其作为肥料使用。但直到第二次世界大战后，产量才显著增加，成为主要的商品肥料，到1975年发展为世界市场上领先的氮肥。50年代起，复合肥料的生产发展也很快，除含有氮、磷、钾三要素中的二元、三元复合肥料外，还生产含有微量元素的复合肥料。
大量施肥，是20世纪50年代以来农作物增产的一项重要措施。在各项增产措施中，肥料的增产作用约占40％～65％。
第二次世界大战后，世界化肥产量大约每隔10年翻一番。同时对施用有机肥料，也仍较为重视。有机肥是一种完全肥料，不仅能提供植物生长所需的养分，而且能调节土壤微生物，有利于改良土壤，在不发达国家中仍是一种主要肥料。
给植物看相
某种营养元素的缺乏、过剩或元素之间比例失调均会导致作物代谢失调、生育受阻、产量下降。所谓营养诊断，是利用各种方法对作物营养丰缺状况进行客观评价，从而为制订合理的施肥方案和及时矫正营养元素缺乏或过量提供科学依据，以期达到改善作物营养、提高产量和改进作物品质的目的。
自从李比希创立矿质营养学说以来，随着分析化学的发展，陆续发现了16种元素为作物生长发育所必需。当某种元素缺乏或过剩时，就会产生特定的反应，如生长发育异常、形态特点变化和生理代谢紊乱等。作物营养诊断正是根据这些反应进行的。
最直观的诊断方法是形态诊断。作物缺乏某种元素时，一般在形态上会表现出特有的症状，如失绿、现斑、畸形等。由于元素的生理功能和它在作物内移动难易程度的不同，症状出现的部位和形态也各有特点和规律。一些缺乏症的表现十分典型，如大麦的白斑型缺钾症、水稻缺锌的小叶症、油菜缺硼的花而不实症等。形态诊断不需要专门的仪器设备，方法简单，易为农民接受。但此法仅凭目力判断，不能很好地诊断未产生典型症状的或两种表现相似症状的元素缺乏，更不能定量说明缺乏程度。如果根据研究结果绘制成不同作物各种元素缺乏的典型图谱，则可提高诊断的准确性。一些研究者根据作物叶色变化与营养状况的关系，提出了叶色诊断法。1984年，木内等用色差计测定了64种植物的叶色，制成了不同色相和明度的色卡共359种，同时提出了一些作物主要生育期的色相范围及其相应的养分状况。
作物体内的各种营养元素是根系从土壤中吸收的，因此分析土壤的养分水平不仅可以评价土壤的供肥潜力，并能间接诊断作物营养的丰缺状况，推荐相应的施肥量。与土壤分析同时发展的是植物分析，它通过测定植物体内的养分含量，与预先拟订的标准含量比较，作出丰缺判断。标准含量是根据作物体内养分浓度和生长量（或产量）之间的关系确定的，即利用产量和养分浓度之间的关系把养分含量状况分成若干个等级或指标。植物分析的试样一般为地上部器官，以叶片最为常用。随着分析仪器的发展和测定技术的改进，植物分析的速度和精度得到不断提高，已成为最普遍采用的作物营养诊断方法。
植物分析虽已取得了很大的进展，但暴露出的问题也日益明显。根据植物分析绘制的养分反应曲线往往与实际的丰缺状况不尽一致，特别是诊断上用以反映养分水平高低的临界含量，存在着其值随生育期、器官、品种、类型不同而有变动和受其他养分元素影响等问题。1973年，美国博菲斯（Beaufils）提出了诊断施肥综合法（DRIS）。该法的依据是作物正常代谢所需的养分平衡，一种元素与其他元素的比有一最适值，实测比值距最适值越近，说明养分越接近平衡；反之，则越不平衡。一种元素的平衡状况以该元素与其他元素实测值偏离最适值程度来反映，而最适值则来自当地高产群体叶分析元素比值的平均值。DRIS的诊断结果强调作物营养元素的平衡状况及需要程度，且受品种、生育期、器官和供肥水平等因子的影响较小。自1977年以来，萨默（Summer）先后对玉米、大豆、小麦、高粱等许多作物进行了DRIS应用研究，结果证明这一方法适用范围广、诊断的准确度高。
随着化肥用量的增加，微量元素缺乏日趋严重。作物体内微量元素含量很低，化学测定手续繁冗，且要求复杂的仪器设备。70年代以来出现了一种新的营养诊断法——酶学诊断，其原理是许多微量元素是酶的组成成分或活化剂，故在缺乏某种元素时，与此有关的酶的含量或活性就会发生变化，因此测定酶的数量或活性可以间接判断该元素的丰缺状况。酶测法的长处一是灵敏度高，一些元素在作物体内含量甚微，如钼、铜，常规分析难以比较，而酶测法可解决这一问题；二是相关性好，如碳酸酐酶活性与锌含量、抗坏血酸氧化酶活性与铜含量、过氧化物酶活性与铁含量等具有简单而又明显的相关性；三是变化上酶促反应远远早于形态，这样有利于早期诊断或对潜在性缺乏的诊断。酶学诊断的研究日渐增多，可以认为它是一种有发展前途的方法。
作物营养诊断尚有其他一些方法，如试药诊断、物理学诊断、生理学诊断方法等。
上述各种作物营养诊断方法各具特色，但有各种各样的局限性。快速、简便、精确是改进诊断方法的目标，也是进一步研究的方向。生理学诊断和酶学诊断是近来作物营养诊断研究较为活跃的领域，进一步的工作将是建立各种养分的丰缺状况和易于测定的指示生理性状或酶学变化之间的关系，将这一研究推向分子水平发展。在植物分析诊断上，研究工作主要是改进测定技术，深入了解作物体内养分浓度的变化规律及其影响因素。在大量试验分析的基础上，制订出各种作物不同产量水平的DRIS诊断指标，也将是该领域的研究热点。叶色诊断技术虽已进入了实用阶段，但它实际上局限于氮素营养的诊断。
因此，根据其他元素的丰缺水平和叶色表现的关系，研制出相应的叶色诊断卡，具有很大的发展前景。
庄稼要靠肥当家
化肥是提高农业产量的重要措施之一。据美国学者分析，世界上大多发展中国家在1961～1977年之间化肥施用量迅猛上升；到1977年为止的15年间，最快的年增长率在近东（124％），其次是拉丁美洲；在非洲、亚洲和中国增长率分别每年为83％、8.7％和89％。发达国家每公顷耕地化肥用量（有效成分）也有明显增加：德国478.50千克，日本477.75千克，法国31125千克，美国11025千克。氮、磷、钾施用比例，日本为1∶106∶095，法国为1∶093∶084，美国为1∶047∶054，中国为1∶029∶003。
从施用的肥料发展来看，目前已经开发出并将继续发展的肥料主要有以下几种。
高浓度化肥
高浓度化肥有效成分高，容积小，便于保管、运输和施用。20世纪70年代以来，尿素（含量46％）在国外氮肥总产量中的比重由76％上升到20％，而传统化肥硫铵从23％下降到14％。在磷肥中过磷酸钙（含五氧化二磷16％～18％）由23％上升到68％。欧美生产一种固态多磷酸钾，含五氧化二磷57％，含氯化钾37％。
液体肥料
