随着植物营养科学研究的深入发展，施肥实践的科学总结，植物营养与施肥的基本规律被逐步揭示出来，主要包括“养分归还学说”、“最小养分律”、“报酬递减律”、“最适因子律”等。
一、养分归还学说
该学说在19世纪由德国杰出的化学家李比希提出。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（土壤肥力）逐渐下降，从而土壤所含的养分将会愈来愈少。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高的产量，为了增加产量就应该向土壤施加灰分。”这里所说的“灰分”即肥料，该论断的核心是从物质循环的角度出发，通过人为的施肥活动，使土壤系统中养分的损耗与补偿保持平衡。但该学说也有不足之处，实践证明，并不是必须向土壤中归还作物带走的全部东西（如碳C），也不一定必须当季归还。确切的提法是，归还作物生长需要而土壤本身不能满足的部分，至于归还的数量也不是作物带走多少，就归还多少，那样至多能维持原来的地力水平，不能提高，所以农业生产要持续发展，养分归还的数量应大于携出量。
二、最小养分律学说
由德国化学家李比希提出。其表述是：“植物为了生长发育需要吸收各种养分，但决定植物产量的，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对变化。因而无视这个限制因素的存在，即使继续增加其他营养成分也难以再提高植物的产量。”这一规律说明了养分的同等重要性和不可代替性。
最小养分律可用装水木桶来形象的解释。以木板表示作物生长所需要的多种养分，木板的长短表示某种养分的相对供应量，最大盛水量表示产量，很显然，盛水量决定于最短木板的高度。要增加盛水量，必须首先增加最短木板的高度。
上述规律告诉人们，要提高作物产量，必须首先找到影响产量的最小养分，才能有针对性的采取措施。最小养分不是固定不变的，一种最小养分克服了，另一种养分又会发展成新的最小养分。提高产量的过程实际上是不断克服多种最小养分的过程。
三、最适因子律学说
由德国学者李勃提出。其含义是作物生长受多种因素的影响，每一因素变化的范围很大，而植物对某一因素的适应范围有限，只有各因素条件都处于最适宜作物生长的范围时，才能获得最理想的产量。科学施肥上，有很多例子可以证明最适因子律的正确性。如：尽管作物对微量元素的需要量很少，仅相当于作物需N量的1~10%，缺乏则出现缺素症，影响产量。而过量又极易形成毒害。
四、报酬递减律学说
欧洲经济学家杜尔哥和安德森在18世纪后期做为经济法则提出，后来在农业上具体应用，取得了明显的实践性。米采利通过对燕麦砂培实验的分析发现，肥料施用量与产量之间的关系同样符合报酬递减律。即某种养分的效果，以土壤中该种养分愈不足时效果愈佳，若逐渐增加该养分的施用量增产的效果却会越来越少。也就是说在一定生产条件下，随着施肥量的增加，单位肥料所产生的效益逐渐减少，要想获得肥料投资的最大效益，有限的肥料应昼分散施用到较大面积的耕地上。
五、因子综合作用律学说
因子综合作用律即：作物生长发育受包括施肥在内的许多因子的影响，而这些因子之间又相互影响，产量是这些因素综合作用的结果。作物丰产是影响作物生长发育的各种因子，（如水分、养分、光照、温度、空气、品种以及耕作条件等）综合作用的结果，为了充分发挥肥料的增产作用和提高肥料的经济效益，一方面，施肥措施必须与其它农业技术措施密切配合，另一方面，各种肥料养分之间的配合施用，也应该因地制宜加以综合运用。
因子综合作用律告诉我们，在进行施肥决策时，要同时考虑到其它生产因子，确保它们不制约肥效的发挥。只有在土壤含水量适宜时，施肥效果才最好。