土壤中含有一定數量的養分，但它滿足不了農作物高產的需要。就拿氮素來說，土壤含氮量僅占千分之一，有機肥中含氮充其量不足1％，而農作物需氮量則要大得很多。科學家發現有一種可以作為氮肥來源的礦物質叫智利硝石，它的化學成分為硝酸鈉，含氮量達到15％。但隻有南美洲的智利才有儲存和生產，而且儲藏量很有限，很難供應全世界農田施肥之用。
社會在前進，科學在發展。
自然界的偶然現象常給人以啟迪。科學家發現，在茫茫無際的空氣中，80％的氣體是氮氣，在地球表麵1平方米之上的空氣中，就含有750萬立方米氮。但出現的問題是，空氣中的氮是氮氣，在常溫下它是一種惰性氣體，活性極差。但在雷雨季節的雷鳴電閃、雨滴中經常夾雜著少量的氮素進入土壤。進一步觀察發現，雷電產生的電火花溫度很高，強迫“懶惰”的氮氣全部活躍起來，在氧氣中燃燒變成二氧化氮。二氧化氮溶解在雨滴裏，變成了硝酸，隨雨滴進入土壤，硝酸再與土壤中的鈉鹽作用，生成了硝酸鈉。這就是所說的硝石。科學家估算，雷鳴電閃，一個電火花通常長達幾十公裏，每年雷雨給大地帶來的氮素多達4億噸。
向大自然索取氮素，是科學家的研究課題。
隨著電力工業的發展，1901年，科學家發明了“人造閃電”，即通過電弧迫使空氣中的氮與氧化合成二氧化氮，進而獲取氮肥——硝石。但是，用電弧法生產氮肥耗電多、成本高、效率低，不大可能進行工廠化生產。科學家進而研究，在高溫高壓環境下可以使氮氣與氫氣結合在一起，氮分子終於被拆散，生成一種新的氮氫化合物——合成氨。
1913年，德國建立世界上第一個合成氨裝置，為發展氮肥工業奠定了基礎。合成氨來源於氮和氫的化合。氮來自於空氣，氫來自於水。水和空氣又是自然界極為豐富的資源。在化肥工廠裏，把礦石、煤、水、空氣、石油等作為基本原料，先製成氨，再使氨與其他化學物質化合，生產出各類氮肥。化學肥料便於運輸和機械作業，有效成分含量特別高，發揮肥效也特別快。例如100公斤尿素中就含有46％的氮素，施人土壤後5～7天即可溶解並為植物的根係吸收。
德國科學家後來發現了鉀鹽礦，並成功地從鹽水中提取出氯化鉀；19世紀初，德國建成了世界上第一座鉀肥工廠。
現代化肥工業誕生了。它是從空氣中的氮氣製造氮肥，從磷灰石製成磷肥，從海(湖)水中提取鉀肥。現今全世界已發展起豐富多樣、品種齊全的“化肥世家”。舉例來說：氮肥有尿素、硫酸銨、硝酸銨、碳酸氫銨、氨水等，磷肥有過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、磷酸銨等，鉀肥有硫酸鉀、氯化鉀、碳酸鉀等。此外，還有名目繁多的微量元素肥料，如硼酸(硼肥)、硫酸錳(錳肥)、硫酸銅(銅肥)、氯化鋅(鋅肥)、鉬酸銨(鉬肥)等等。為了控製肥料養分釋放速度，科學家又相繼研製了長效肥料、複合肥料和緩效性肥料等。
在傳統農業階段，農業生產依靠自身的有機營養如秸杆、枯枝、殘茬等返回土壤以維持再生產，即所說的封閉式物質能量循環係統；化學肥料的投入，大大增加了外部物質能量的投入，即所說的開放式物質能量循環係統，極大地提高了耕地的產出率。
20世紀初期，全世界每年大約生產化學肥料(主要是氮肥)不到500萬噸，施肥麵積很小；到20世紀之末，世界生產化肥(純)已達14億噸。其中氮肥9100萬噸，磷肥3500萬噸，鉀肥2500萬噸。每公頃耕地平均施用化肥約900千克；在農業發達國家，每公頃耕地施用化肥達1500千克以上。中國是世界上化肥生產大國之一，1998年施用化肥總量4000多萬噸，居世界第三位。科學家估算，每施用1噸化肥(有效成分)，相當於增加3～4公頃耕地農作物的產量。現在全世界約有1／2的糧食和其他農產晶，都是通過施用化學肥料轉換而來的。
化肥的功過
化學肥料為農業增產立下了汗馬功勞，在未來的農業發展中它仍然要唱“主角”，依靠它換取糧食滿足人口日益增長的需要。但也有人認為，大量施用化學肥料是造成環境汙染之源，並逐漸形成一股聲勢浩大的對農用化學產品的批判風。對化肥的指責集中在：施用化肥造成土壤板結，水質汙染，農田遭受侵蝕或退化，土壤肥力下降；特別是大量施用氮肥，在農田和飲水中有過量的亞硝酸鹽沉積，對人畜造成危害。施用化肥還造成水土流失，土壤沙化。他們稱“每一個糧食豐收年都是以流失大量可貴的表土換來的”。
事實上，在20世紀80年代初，對農化產品的批判在發達國家中早已醞釀發生並此起彼伏。當時由於石油漲價，一些學者試圖拋棄“無機農業”，提倡所謂“有機農業”或“生態農業”，實質上主張走“低投入農業”之路；其理論核心是完全不投入或少投入化學產品，減少或降低農業成本。
對化肥的批判引起世界各國政府及學術界的關注，事出有因，看法迥異，而宣傳媒體過分地誇大了。美國的科學家舉出幾例：第一，關於水質汙染問題。據報道，典型的與施用化肥有關的損害人體健康的疾病叫皺軀(Blue-baby)綜合症，如果飲用井水的亞硝酸鹽含量在萬分之二以上可誘發此症。但調查表明，更多的發病誘因是化糞池的滲漏，而不是化肥的殘毒。據美國科學家(1990)在俄亥俄州對14萬口井取水樣分析，硝酸鹽的含量隻為百萬分之五至百萬分之七，所謂硝態氮汙染並無依據。科學家(1988)對依阿華州和賓夕法尼亞州的井水作了檢測與比較，兩地亞硝酸鹽的含量基本一致，均低於十萬分之一。但賓夕法尼亞州氮肥用量比依阿華州氮肥用量低1／3，其餘部分則來自廄肥和豆科植物。這表明，氮素在土壤中的行為是相同的，而與肥料來源無關。美國學者(1994)對美國東部、中西部和南部農業區3萬多口井水進行分析，絕大部分(63％)井水中的硝態氮含量低於千萬分之三，隻有3％的井水硝態氮的含量為十萬分之一，略高於國際飲用水規定的硝態氮含量的臨界值。究其因，還主要與井旁長期堆放的廄肥滲漏有關。另據對依阿華州德梅因(DesMoime-si)河水分析，1945年時河水中的硝態氮含量為百萬分之五，當時農田從肥料供氮僅占總供氮量的03％。45年後的1990年對河水再次分析，硝態氮含量為百萬分之五點六，而從化肥中所獲取的氮已達到總供氮量的63％。顯然，早期硝態氮來源於有機質的礦化，今日之硝態氮既來源於氮肥，又來源於土壤有機質。這表明合理施用化肥並非水質汙染的原因。