我国总体上处于传统农业向现代农业过渡阶段，产业化进程缓慢，仍然没有跳出小规模、低水平、传统粗放的生产方式。尤其是近20年，由于不合理的使用化肥，化肥的有效利用率始终滞缓在30%~35%左右，其余均以不同途径分散于各环境介质中，成为农业面临污染的主要来源。
肥料利用率的高低与作物所处的土壤环境、作物需肥特点、肥料特性、气象条件以及耕作管理等有很大关系。
一、什么是“4R”作物养分管理
“4R作物养分管理”的概念是国际植物营养研究所（IPNI）为促进农业生产的可持续发展，兼顾养分管理中的经济、社会和环境效益提出的，即选择正确的肥料品种（Right source）、采用正确的肥料用量（Right rate）、在正确的施肥时间（Right time）、将肥料施用在正确位置上（Right place）。4个环节相辅相成，对于提高施肥效果和肥料利用率有着重要作用。
4R养分管理涵盖了所有与养分管理相关的科学原理，实际生产中，具体的植物养分管理措施取决于农户的目标、拥有的资源、种植制度、土壤条件、气候条件以及影响养分管理措施的其他因素。4R养分管理策略广泛应用于世界各地小型企业到大型商业农场及种植园的各种作物体系上，是农户及相关技术指导人员、推广专家、研究人员、监督管理者以及作物养分管理人员的实用工具。
二、“4R”养分管理基本原理作物生产体系非常复杂，所以对于养分施用的管理者需要明白其背后的基本科学原理并测定施肥对作物系统中性能指标的影响，这对不断优化管理措施非常重要。农作物的“4R”养分管理涉及多个学科及科学原理，其组成部分中肥料品种、用量、时间和位置等每一部分都有自己相应的科学理论作为依据。
从学科来看，主要涉及土壤学、植物营养学、植物生理学、农业生态学、农业经济学等；从作物养分管理的科学原理来看，主要涉及植物矿质营养学说、土壤养分归还学说、营养元素不可替代律、最小养分律、肥料报酬递减律、营养因子综合律等。虽然各地区因其土壤、作物、气候、经济发展和社会发展状况而异，但这些科学原理是全球通用的。
一项单独的最佳管理措施只能改善一两方面的表现。由于四个管理方面都值得关注，所以养分管理需要采用一系列针对这四个方面的相辅相成的最佳管理措施。如果这其中的任一方面被忽视，都不可能实现高效的农田养分管理。管理最薄弱的一方面将会产生最大的影响。
不仅4个“R”中的各因素互相联系，它们与植物、土壤、气候和管理这些周围环境因素之间也相互关联。即使是养分充足的肥沃土壤，在排水不良、干旱、病虫害和其他因素的限制下作物仍然难以高产，因此，必须对其他影响因素有更深入的了解。
三、“4R”作物养分管理的基本内容
农业生产中许多因素都会影响生产者对不同的作物养分管理策略做出选择，这些因素通常包括作物因素、土壤因素、种植者因素、养分投入因素、水质因素、气候因素、技术水平因素和经济因素等。
（一）正确的肥料品种
选择肥料时根据作物的需肥规律、土壤养分状况和保供肥能力等进行匹配。如薯类、瓜果等作物在果实膨大期需钾量较高，花生结荚期需钙量大，烟草、薯类、西瓜等是忌氯作物，水稻不宜选用硝态氮肥等都需要根据特殊的需肥要求选择肥料的品种。
根据土壤条件选择肥料 土壤的质地、结构、酸碱度、养分含量、墒情等理化性状对肥效有影响作用。比如对于质地轻、透气性好的砂质土壤不宜选择铵态氮、硝态氮等速效氮肥作基肥，建议选择尿素、缓控释肥料等肥效持久的氮肥；对于酸性土壤宜选择中性或碱性肥料，如钙镁磷肥，减少酸性和生理酸性肥料的施用。
养分管理体系中所选的肥料品种必须确保在整个生长季根据作物需要能够以有效态平衡供应所有必需养分。选择肥料品种(包括有机肥)时还要考虑养分发生损失的可能性、不同养分之间的相互作用和共存性、作物对该肥料潜在的敏感性，以及该肥料含有的非营养元素所带来的风险。合理肥料品种因作物、气候和土壤性质、可用肥料产品、经济效益以及施肥方法而确定。
选择合理肥料品种应遵循的科学原则
1、供应作物有效态养分
供应的养分应是水溶性且作物可直接利用的，或者是在土壤中易转化为作物有效态的形式。
2、与土壤物理化学性质匹配
比如避免在淹水土壤中施入硝态氮肥或者在不施加脲酶抑制剂；高pH值土壤中表施尿素。某些肥料会使土壤酸化，所以只能将它们施入碱性土壤，或配合石灰一起施入。
3、注意不同营养元素或肥料品种之间的相互作用
比如磷-锌相互作用，氮素可提高磷有效性，以及化肥对有机肥的补充作用。
4、注意混合物的相容性
某些不同肥料品种或产品混在一起时会吸水集聚，导致组分分离而不能均匀地施入这些混合肥料。类似地，颗粒肥料也要避免不同产品之间的离析现象。某些液体肥料在低温下会发生盐析，或者与其它组分发生化学反应生成胶体或沉淀。
5、注意作物对某些营养元素的敏感性
大多数肥料都包含一个对某些作物有益、有害或中性的伴随离子。例如一些磷肥品种中含有对植物有效的钙和硫以及少量镁和微量元素；氯化钾中钾的伴随离子氯对玉米有益，但对烟草和一些水果的品质有害。
6、控制非营养性元素的影响
例如，肥料生产使用的原材料可能会包含一些非营养性的痕量金属元素。这些元素的施加量都应保持在安全限度以内。
（二）正确的施肥量
合理施肥量是将所有来源作物有效养分的供应量与作物的养分需求量相匹配。了解不同生长阶段作物的养分需求是确定合理施肥量的第一步。
施肥量应根据整个生长季养分供应与作物需求之间的平衡来确定，以免造成养分不足或过量。如果施肥量过低，作物产量和品质都会受限；然而过量的投入又会危害作物和环境。过量或不足的养分投入都会降低经济收益。
（1）施肥总量的确定
确定肥料用量建议采用平衡施肥的原则，根据作物对营养元素的需求、土壤肥力和养分供应能力、不同肥料品种的利用率进行测算。对于土壤中某些营养元素丰缺状况，可以通过减施或增施进行调节和监控。
（2）基肥与追肥比例和数量的确定
根据土壤及其养分状况、作物阶段营养特点和长势确定基肥与追肥比例。对于土壤基础肥力较高、保肥性能较差，作物前期需肥较少的地块，减少基肥比例和用量，适当增加追肥比重。对于土壤肥力不高、质地粘重或打算施用缓控释肥料的地块，可适当提高基肥比重。
1、估算土壤养分供应
采用土壤与植物测试、响应试验、缺素小区或饱和参考带(作为对照)等一系列方法进行估算。
2、估算所有可利用的养分来源
包括作物秸秆、绿肥、畜禽粪便、堆肥、污泥、灌溉水、大气沉降以及化肥所有养分数量及作物有效性。
3、估算作物需求
一季作物的养分吸收量取决于作物产量和养分含量。精准估算目标产量非常重要，从而可以设计出能够实现目标产量的综合作物生产计划。
4、预测肥料利用率
许多损失是不可避免的。虽然要把损失降到最低，但当确定能够满足作物需求的施肥量时，还是要考虑一些不可避免的损失。
5、考虑养分需求的季节变异性
受气候和其它管理因素的影响，作物产量潜力和养分需求会随季节变化，这就为实时养分管理来调整施肥量(如采用叶绿素仪、叶色卡和其它测定作物体内养分含量的方法)提供了契机。
6、考虑养分收支
如果一个作物体系的养分输出超过输入，那它的土壤肥力长期会下降。与此相反，如果有盈余养分而且损失掉了，那么环境质量和经济收益都会受到影响。
7、考虑不同施肥量的经济收益
考虑到产量具有空间和时间变异性，对于不能持留于土壤中的养分来说，经济最佳施肥量是指其连续等量的投入恰好等于其预期能增加的收益(即边际报酬递减规律)，也就是边际收益等于边际投入时的养分投入量。土壤残留养分对后季作物的供应也应被考虑。
施肥量对作物产量的影响，表明了施肥量不合理可能导致的养分缺乏或毒害作用
（三）正确的施肥时期
从种子萌发到营养生长再到生殖生长最后成熟的过程中，作物整个生长季的养分吸收率不断变化。为了达到最高生产力，在作物能够接触到的部位必需有充足的作物有效态养分供应以满足作物在整个生长季不同阶段的养分需求。
如果某养分在被植物吸收利用之前，就已在土壤中长期存在，那它很可能会被移出根区或转化为不可利用态。正确的施肥时间可以提高产量，改善品质，降低养分损失。
1、评估作物吸收养分的时间
作物吸收养分的时间由播种日期、作物生长特点、不同生长阶段对养分缺乏的敏感度等因素决定。养分供应必须与作物对养分的需求保持同步，通常呈“S”型曲线。
大田作物通常情况下生长前期需肥量较少，但需肥临界期对养分需求迫切，如果此时缺肥对后期生长发育乃至产量会造成难以弥补的损害；中期营养生长与生殖生长并进，对养分的需求急剧上升至高峰，此时养分供应充足增产效果明显，一般是施肥最大效率期；后期作物对养分的需求逐渐降低。
所以，施肥要根据作物阶段营养特点，把握最佳的施肥时机，做到需肥临界期不缺肥、最大效率期满足供应、生长后期不脱肥。比如对于果树来说，基肥应在秋季果实采收至落叶前施用，此时秋梢基本停止生长，根系活性较强，能及时补充营养消耗，促进花芽分化，如果推迟到冬季落叶后施肥，由于地温下降，影响肥效充分发挥，不利于春季开花座果和新梢生长，而到春季施肥，则会容易造成秋梢旺长，影响果实膨大、着色和花芽分化。
2、评估土壤养分供应的动态变化
土壤有机质的矿化可以大量地提供多种养分，但如果作物对养分的吸收需求先于矿化释放的养分，则会导致养分缺乏而限制其生产力。
作物是否需要追肥以及追肥时间还要根据作物生长的具体状况、前期施肥及肥效发挥的具体情况来确定。
对于底肥充足、作物生长正常的田块可根据作物阶段营养特点在需肥最大效率到来之前进行追施，如小麦、玉米、花生追施肥可分别在拔节期、大喇叭口期和花针期进行；对于底肥或前期施肥充足、植株生长较旺的田块，甚至可以不追肥或延迟追肥；对于土壤肥力较差、底肥不足、长势较弱的田块要提前追肥。
3、评估肥料产品的养分释放及有效性
肥料中养分的释放速率和有效性受施肥时的天气和土壤湿度影响，如果与作物需求不同步，就可能导致严重的养分和产量损失。
根据肥料特性确定施肥时期 不同肥料的肥效有差异。磷肥肥效受溶解性影响大，水溶性磷肥肥效快、枸溶性磷肥较缓、难溶性磷肥当季利用率很低；水溶性肥料肥效快，作叶面追肥或灌溉施肥整个生育期都可进行，可根据实际需要灵活掌握。叶面追肥作为矫正微量元素缺乏、快速补充营养不足效果明显。
4、注意根据影响养分损失的天气因素安排时间
一种养分的特殊形态在某些气候条件或某些季节效果更佳。例如，在温带地区，淋溶损失在春季和秋季会更频繁发生。
根据环境条件确定施肥时间 土壤温湿度对肥效影响大。 低温影响土壤微生物活性以及有机态养分的分解释放，降低作物根系对养分的吸收，秋播作物有机肥和磷肥宜早施或基施；土壤湿度对肥料溶解、养分迁移，根系和微生物活性都有影响，所以施肥应考虑土壤墒情变化情况，墒情不足要及时灌溉，避免因水分胁迫造成烧种伤苗和肥料的损失；土壤湿度过大应提前排水散墒，避免雨前或大水漫灌时撒施肥料，防止养分淋失。
5、评估田间操作可行性
例如，多元养分投入可能需要也可能不需要与农药配合施用。但施肥时不应耽搁那些对时间敏感的管理活动如播种或病虫害防治。在这些限制条件下，可以叶面喷施与大多数农药都相容的肥料。
（四）正确的施肥位置
充分利用根际土壤的动态变化，同时考虑养分流动、田间空间变异及降低田间养分损失，来确定正确的施肥方法。
作物生长在土壤上，作物主要通过根系吸收养分，肥料必须通过土壤才能营养作物。施肥方法就是将肥料施用于土壤的途径和方式。
科学施肥方法的基本要求是：尽量施于作物根系易于吸收的土层，提高肥料被作物的吸收利用率；选择适当的施肥位置和方式，以减少肥料的固定，挥发和淋溶等损失。
施肥方法因不同作物，不同施肥时期与肥料性质而选定，最常用的施肥方法有条施、撒施、穴施、轮施和放射状施。
而目前水肥一体化的发展，滴灌和喷灌的模式得到了极大的发展，进而冲施、滴灌和喷灌的施用方式逐渐得到了普及和重视。
1、注意根际土壤动态变化
一年生作物根系整个生长季会逐渐从周围土壤摄取养分。施肥措施需确保养分在作物需要时能够被截取。玉米季条施磷肥就是一个例子，这样做既可以确保幼苗有足够的养分，还可以在施肥量和作物吸收量都较少的情况下增加产量。
2、考虑同一田块内或不同田块之间土壤的空间变异性
土壤会影响作物产量潜力，且不同土壤的养分供应能力或养分损失潜力也不同。
3、与耕作体系的需求相匹配。
在保护性耕作体系中，要确保肥料深施，保持作物秸秆覆盖土壤，且不能损害苗床质量。注重播前整地措施。
4、降低养分移出田块的风险。
5、降低养分毒害幼苗的风险。
6、通过叶面施肥解决养分严重不足的问题。
可以解决在干旱或生长旺盛时期暂时性的镁、硫等微量元素缺乏症。
四、“4R”作物养分管理对农业发展的影响
经济层面、社会层面和环境层面，这3个层面在评价任何一种养分管理方法是否“正确”时都必须考虑。“4R”养分管理在促进农业发展方面是一项现实可行的措施，它对自然资源各部分的有益影响如改善作物生长、提高土壤健康质量，降低环境污染和保护野生动物等之间直接关联。
对于精细化管理，管理者需要制定整体目标，选择管理措施。为制定合理的目标，需要了解植物养分管理如何影响作物生产系统。相关人员不仅包括农场经营者、技术顾问，还包括购买产品的客户和与这个系统环境有关的人。
植物的营养状况是动态系统的一部分，必须因地因时而变，各项措施都会与植物－土壤－气候系统相互作用，施肥的效应随上述因素的变化而变化。因此，今后作物养分状况的管理需要更加精准化、信息化。
现代计算机技术和信息技术的快速发展已经为实施信息化的精确养分管理提供了有利条件。因此，如果人们能在充分实践“4R”养分管理的基础上根据不同区域 农业生产的环境条件来不断完善和提高各层面的管理水平，就一定能找到适合当地条件的最佳的管理措施，实现农业生产的可持续发展。