多年来，各国的农业生产实践已证明，施用化肥能直接提供养分为作物吸收利用，使作物产量增加；还能丰盈土壤中养分的贮备，提高有机质含量，改善土壤理化性质，增强土壤供肥能力；增加生态环境中养分的循环量，保持农业生态系统的物质平衡。纵观粮食生产、农业发展的历史，可以毫不夸张地说，化肥是粮食增产最重要的手段之一。美国田纳西州流域管理局估计，化肥对美国作物增产的作用为37％。据有关资料，荷兰、比利时、英国、法国、丹麦等西欧国家，由于使用化肥，农产品总量增加40％～65％。1965~1976年，发展中国家靠使用化肥提高的产量占55％。1977~1979年与1961~1963年相比，世界谷物产量增加1.4倍，其中发达国家、发展中国家的粮食单产分别增加PL1044千克/公顷（100％）、588.75千克／公顷（56％），与这些国家间化肥施用的平均水平差异完全一致。我国在1950~1983年间，粮食产量与化肥用量也呈现正相关。
增施化肥固然是增产的物质基础和重要条件，但并非是唯一条件。单位面积产量也不可能随着肥料用量的增加而无限制地按比例增加。盲目地、过量地增施化学肥料，超过作物的需要和土壤的负荷能力；或者施用不当，使作物吸收量少，肥料利用率低，都不仅造成了肥料的浪费，影响作物的品质，而且污染环境，给生态系统和人类健康带来危险。
长期大量施用化肥而不配合施用有机肥料会使土壤性质变坏。例如，长期施用氮肥会使土壤逐步酸化，连续7年就可使土壤酸碱度从6.9下降到6.1。随着土壤的酸化，土壤中有机质迅速矿化分解，有机质含量大大减少从而引起土壤板结，土壤结构遭到破坏，土壤理化性质变坏，硝酸盐积累增加而土壤自净能力下降。美国堪萨斯州立大学实验室研究证明，在施用氮肥的影响下，土壤酸度增加，活性铝、镁的含量也增加。施肥土壤与不施肥土壤相比，钙（Ca）的淋溶量增加了1～3倍，镁（Mg）增加了1倍。在施用氮肥的条件下，镁（Mg）的淋溶加速，以及土壤溶液中钾（K）／［钙（Ca）-镁（Mg）］比例的变化，可以使牧场家畜发病。
磷肥及各种复合肥料含有一定量的重金属元素，如果长期大量使用，会对环境造成危害。例如，磷肥的主要原料是磷灰石的矿物，这种矿物含有多种微量元素及有毒重金属元素。当然，磷矿产地不同，各种元素的含量也不同，用它们为原料制成的各种磷肥就不同程度地含有这些元素。对于我国各地磷肥测定结果，重金属含量一般为每千克几至几百毫克，只有钙镁磷肥含铬Cr3+较高，为1000～1800毫克/千克。据日本专家分析，砷在磷矿石中平均含量为24毫克/千克，而在过磷酸钙中为104毫克/千克，在重过磷酸钙中则增至273毫克/千克。镉在磷肥中的含量为10～20毫克/千克，按磷肥用量计算，长期用磷肥的土壤，镉的积累可能产生问题。汞在肥料中含量在0.5毫克/千克以下，由施肥引起的汞的积累问题极少。铅在磷矿中平均含量为17毫克/千克，但随磷肥施用进入土壤的铅被植物吸收得少。
国内外学者经过近20年来的研究，已明确氮和磷素营养含量的增加是水体富营养化现象发生的主要原因。据有关资料报道，每增殖1克藻类，大约需要消耗0.009克磷（P），0.063克氮（N），0.07克氢（H），0.35克碳（C）和0.496克氧（O）以及少量的其他微量元素。通常情况下，自然界水体中碳、氢、氧等元素来源广泛，可满足水域中藻类生长的需要，而氮、磷的多寡，则往往成为水体中藻类能否大量繁殖的限制性因子。其中由于氮的移动性大，来源较充足，因而只有在某些少数场合下，才起主导作用。大多数情况下，富营养化的主要限制因子是磷。磷在农业环境中的流失量虽然不大，但当水体中含氮量充分时，磷（PO3-4）浓度达到0.015ppm，就可能引起水体富营养化现象发生。大面积的农业环境中流失的磷量汇集到相对小面积的承受水面时，这种流失量就不可忽视了。氮素对水体的主要补给途径是通过淋溶到地下水补给，而磷素则主要通过地表径流、水土流失补给。因此，可以说，地表径流造成的磷流失量（即磷的非点源污染）是造成水体富营养化的主要原因之一。
植物通过根部从土壤吸收的氮素，大部分为硝态氮，一部分为铵态氮，除水稻外，大多数植物吸收以硝态氮为主要形态。硝酸根离子进入植物体后迅速被同化利用，所以积累的浓度不高，一般在100毫克/千克以内。但如施氮肥过量就会发生硝酸盐积累，有时可达1％以上的高浓度，含高浓度硝酸盐的植物被动物食用后，则由硝酸盐或由硝酸盐产生的亚硝酸盐对动物发生危害。亚硝酸盐毒性远较硝酸盐大。动物摄入硝态氮后，一般90％从尿中排出，毒性不强。由于人胃构造上的原因和胃液酸度的关系，硝酸盐不易表现毒性，但对婴儿并非如此。饮用1L硝态氮浓度为10毫克/千克的水，就摄入10毫克硝态氮，高浓度硝态氮饮用水，是婴儿发病的重要原因之一，皮肤呈青紫色是硝酸盐或亚硝酸盐中毒的外观重要特征。由亚硝酸与二级胺或三级胺反应生成的亚硝胺，是公认的强致癌物质，已引起广泛重视。
土壤酸化
土壤酸化是指土壤接受了一定数量的交换性氢离子或铝离子，使土壤中碱性离子流失的过程。土壤酸化对土壤有一定的害处，它是土壤风化成土过程的重要方面，可导致土壤pH值降低，形成酸性土壤，影响土壤中生物的活性，改变土壤中养分的形态，降低养分的有效性，促使游离的锰、铝离子溶入土壤溶液中，进而对作物产生毒害作用。酸雨是使土壤酸化的一种常见形式。