施肥能提高作物产量和质量，有利于培肥地力。如果施肥不合理，经济效益就低，对作物、土壤和环境还会带来不良的后果。某些学说正确地反映了施肥实践中客观存在的事实，至今仍是指导施肥的基本原理。
一、养分归还学说
德国科学家李比希在他的论文《化学在农业和生理学上的应用》中阐述了养分归还学说，他认为”由于人类在土地上种植作物并把这些产物拿走，这就必然会使地力逐渐下降，从而土壤所含的养分越来越少。因此，要恢复地力就必须归还从土壤中拿走的全部东西，不然就难以指望再获得过去那样多的产量，为了增加产量就要向土壤施加灰分”。
传统的农业是以有机肥料来维持土壤肥力的。在有机肥料不足或依靠开荒来增加产量时，土壤肥力就会下降。19世纪在欧洲盛行的土壤肥力递减论就是这种状况的反映。养分归还学说的历史功绩在于正确指出要想土壤肥力不下降就必须归还从土壤中取走的全部东西。
李比希养分归还学说中通过向土壤施加灰分以增加作物产量，把维持土壤肥力的手段从有机物向无机物转变，开创了植物无机营养学说，促进了化肥的使用，是农业发展史上的一件重要事件。
李比希提出养分归还学说理论是有缺陷的。作为一名化学家，他认为植物体内的碳素大部分来自空气中的二氧化碳，氢和氧则来自水，碱金属用于中和植物代谢中产生的酸，在种子形成时需要磷，植物从土壤中无区别地吸收所有元素，再通过根系排出它们不需要的物质。他不知道氮素在土壤中的生物学转化，只承认空气中的碳酸铵是植物氮素营养的唯一来源，所以提出了只要向土壤施加灰分元素以增加产量的片面论断。
英国洛桑农业试验站经过长期定位肥料试验提出，作物的生长发育需要磷和钾，但植物灰分的组成不能衡量作物对它们的需要；对于非豆科作物需要供应氮素，没有氮素时，即使供应磷钾也不能使作物正常生长，空气中的铵态氮数量不能满足作物的需要；休耕的好处在于使土壤积累有效氮；用化肥可以保持土壤肥力而不是破坏肥力。
很长时间以来，甚至直到现在，有的地方还认为单独施用化肥会破坏地力，洛桑农业试验站经过数十年的科学试验得出：连续施用化肥农作物产量和连续施用有机肥相比几乎是一样的，或许还略有超过。农业生产中有的地方施用化肥后出现土壤肥力下降的现象，在很大程度上是由于化肥施用不当，化肥养分比例失调和不正确的管理措施造成的。正确地施用化肥，按土壤和作物的需要归还足够的养分，土壤肥力不仅不会下降，反而会逐渐提高。
二、最小养分律
“植物为了生长发育需要吸收各种养分，但是决定植物产量的，却是土壤中那个相对含量最小的有效植物生长因素。产量也在一定限度内随着这个因素的增减而相应地变化，因而无视这个限制因素的存在，即使继续增加其它营养成分也难以提高植物产量”。(引自《农田施肥原理与实践》，陈伦寿等编)也就是说，土壤供应能力相对最低的营养元素对作物产量的提高起决定性的作用。这个理论也是李比希提出的，他用盛水木桶来表示这个定律而被称为著名的”水桶定律”。
图中盛水的木桶由长短不一的木条构成，其中最短的木条决定了这个桶的盛水量。在这根最短的木条接长之前，延长水桶上其它任何木条的长度，均不能使水桶的盛水量增加，因为水将从最短的木条处溢出。把水桶的木条形象地比喻为土壤中植物所需的营养成分，如氮、磷、钾、钙、镁等，把盛水量比喻为作物的产量，则可知道，作物的产量决定于土壤中各种养分相对含量最少的那种。最小养分是相对于作物来说土壤供应能力最差的某种养分。例如，磷在土壤中的有效含量和供应量是钼的几十倍甚至几百倍，但作物缺钼比缺磷的面积少得多。所以在施肥前一定要了解，土壤中对某种作物来说什么营养元素比较缺乏。在南方酸性的红壤、黄壤地区，钾往往成为最小养分，由此引发水稻的胡麻叶斑病，制约作物增产，此时，如果不增加钾肥的用量，其它肥料施用再多，也不能提高产量。
最小养分不是一成不变的，随着施肥和其它条件的变化而发生变化。华北地区广大农田在20世纪60年代只要施用氮肥，粮食作物的产量就有明显的提高，到20世纪70年代土壤中磷的不足已成为限制因素，施用磷肥的增产效果明显，如果无视最小养分定律的作用，不施磷肥，盲目增施氮肥就不会取得增产效果，反而会造成减产。进入20世纪80年代后期，有些高产地区土壤钾素由于长期未得到补充而消耗，土壤缺钾成为限制因素，施用钾肥的效果逐步表现出来，只有增施氮、磷、钾肥满足作物对养分的均衡需要才能获得高产。进入20世纪90年代以后，连年施磷肥，土壤中磷有所积累，磷肥的效果有下降的趋势。所以，要用发展的观点来认识最小养分律，抓住不同时期、不同作物、不同地点的主要矛盾，决定重点施用什么肥料。但是，随着农业生产的发展，土壤往往从一种发展到多种养分不足，在增施土壤中最小养分时，还要同时施用土壤中其它不足的养分，改善影响作物发育的其它因素，肥料的肥效才能充分发挥，获得较高的产量。
三、报酬递减规律
为了获得粮食，除了投入肥料外，还要灌溉、除草、防治病虫害等等，而土地、种子、劳动力等则是更加必备的生产条件。在粮食生产中，无法区别有多少是化肥的作用，有多少是灌溉或防治病虫害的作用等等。但是在其它条件都不变的情况下多用1公斤化肥能多生产多少粮食，这个问题是完全可以搞清楚的。报酬递减律可以叙述为”从一定土地上所得到的报酬随着向该土地投入的劳动和资本量的增大而有所增加，但随着投入的单位劳动和资本的增加，报酬的增加却在逐渐减少”。报酬递减规律并不是说随着肥料用量的增加，作物产量降低，而是认为产量总趋势是在增加，但增加的速度减慢，每单位肥料的作物增产数量递减。自从报酬递减规律问世以来，曾经受到各方面的批评和指责。
报酬递减规律是经济学界在1727～1781年提出的，一直被认为是整个经济学得以建立的基石，经济学家认为，报酬递减规律无法从其它更基础的公理前提来加以论证，它本身只能当作一条无须证明的事实来接受。我们必须尊重这一客观规律，避免发生以成倍的肥料投入去换取微少的增产，追求最高产量。