افزایش بهره‌وری مطالعه عناصر شیمیایی و ترکیبات ضروری برای رشد گیاهان، متابولیسم آنها و تأمین نیازهای خارجی گیاهان را تأمین می‌کند. در صورت عدم تأمین این عناصر، گیاه نمی‌تواند چرخه زندگی خود را به طور کامل تکمیل کند، زیرا این عناصر جزئی از ترکیبات اساسی یا متابولیت‌هایی هستند که بر اساس قانون حداقل جاستوس فون لیبیگ، کلیه عناصر مغذی اساسی باید موجود باشند. مواد مغذی اصلی گیاه شامل هفده عنصر مختلف است، از جمله کربن، اکسیژن و هیدروژن که از هوا جذب می‌شوند، در حالی که سایر مواد مغذی معمولاً از خاک به‌دست می‌آیند، با استثنای برخی گیاهان انگلی یا گوشتخوار.
- عناصر مغذی اصلی: شامل نیتروژن (N)، فسفر (P)، پتاسیم (K)، کلسیم (Ca)، گوگرد (S)، منیزیم (Mg)، کربن (C)، اکسیژن (O)، و هیدروژن (H) می‌شوند.
- عناصر مغذی ریز (یا مواد معدنی کمیاب): شامل آهن (Fe)، بور (B)، کلر (Cl)، منگنز (Mn)، روی (Zn)، مس (Cu)، مولیبدن (Mo)، و نیکل (Ni) هستند.
این عناصر در زیر خاک به عنوان نمک‌های موجود باقی می‌مانند، بنابراین گیاهان این عناصر را به عنوان یون مصرف می‌کنند. معمولاً مواد مغذی ریز در مقادیر بیشتری مصرف می‌شوند. هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و کربن بیش از ۹۵٪ از کل جمعیت گیاهی را تشکیل می‌دهند. عناصر مغذی ریز در مقادیر بسیار کمی در گیاهان وجود دارند، اغلب از ۰٫۱ تا ۲۰۰ ppm یا کمتر از ۰٫۰۲٪ وزن خشک.
اکثر شرایط خاک در سرتاسر جهان می‌توانند به گیاهان با تغذیه کافی، بدون استفاده از مواد مغذی به عنوان کود، امکان فراهم کرد. با این حال، اگر خاک فقیر باشد، افزودن کود به طور مصنوعی می‌تواند حاصلخیزی خاک را بهبود بخشد تا رشد و عملکرد گیاهان افزایش یابد. این کار به دلیل این است که حتی با وجود آب و نور کافی، کمبود مواد مغذی می‌تواند رشد و عملکرد گیاهان را محدود کند.
شناخته شده است که حداقل ۱۷ عنصر مواد مغذی برای گیاهان ضروری هستند. خاک در مقادیر نسبتاً زیادی ازت، فسفر، پتاسیم، کلسیم، منیزیم و گوگرد را تأمین می‌کند که به این عناصر معمولاً مواد مغذی گفته می‌شود. در مقابل، در مقادیر کمی، خاک ازت، منگنز، بور، مولیبدن، مس، روی، کلر و کبالت را، به اصطلاح ریز مغذی‌ها، تأمین می‌کند. مواد مغذی نه تنها باید در مقادیر کافی، بلکه در نسبت‌های مناسب نیز حضور داشته باشند.
عناصر مغذی (منبع: هوا و آب)
کربن :
کربن، ستون اصلی بسیاری از زیست‌مولکول‌های گیاهی از جمله پروتئین‌ها، نشاسته‌ها و سلولز است. این عنصر از طریق فتوسنتز از هوا جذب می‌شود. گیاهان دی‌اکسید کربن را از هوا جذب کرده و آن را به کربوهیدرات‌هایی که برای ذخیره و انتقال انرژی در گیاه استفاده می‌شود، تبدیل می‌کنند.
هیدروژن :
هیدروژن یکی از عناصر ضروری برای ساخت قندها و ساختار گیاه است. این عنصر تقریباً به‌طور کامل از آب بدست می‌آید. یون‌های هیدروژن برای ایجاد یک گرادیان پروتون ضروری هستند تا بتوانند در فرآیندهای فتوسنتز و تنفس، زنجیره حمل و نقل الکترونی را هدایت کنند.
اکسیژن :
اکسیژن بخش قابل توجهی از مولکول‌های آلی و معدنی موجود در گیاه را تشکیل می‌دهد و به صورت مختلفی تولید می‌شود. گیاهان در طول فرآیند فتوسنتز، همراه با گلوکز، گاز اکسیژن (O2) را تولید می‌کنند، اما برای تنفس سلولی و شکستن گلوکز برای تولید ATP، به اکسیژن (O2) نیاز دارند.
درشت مغذی ها (ماکرو)
نیتروژن
نیتروژن به عنوان ماده اصلی تشکیل‌دهنده چندین ترکیب مهم گیاهی شناخته شده است. به عنوان مثال، ترکیبات نیتروژن حدود ۴۰٪ تا ۵۰٪ از ماده خشک پروتوپلاسم را تشکیل می‌دهند که این ماده بخشی از اسیدهای آمینه و بلوک‌های ساختاری پروتئین‌ها را تشکیل می‌دهد. همچنین، نیتروژن در ترکیب کلروفیل نیز نقش دارد. کمبود نیتروژن معمولاً باعث رشد کم‌رنگ، رشد آهسته، و کلروز گیاهان می‌شود. علاوه بر این، کمبود نیتروژن ممکن است با تجمع رنگدانه‌های آنتوسیانین، ظاهری بنفش در ساقه‌ها، گلبرگ‌ها، و قسمت زیرین برگ‌ها، همراه باشد.
فسفر
فسفر همانند نیتروژن، در بسیاری از فرآیندهای حیاتی گیاهی دخالت دارد. در داخل گیاه، این عنصر عمدتاً به عنوان یک جزء ساختاری در اسیدهای نوکلئیک مانند DNA و RNA حضور دارد، همچنین به عنوان ماده سازنده فسفولیپیدهای چرب که در توسعه و عملکرد غشاها اهمیت دارند، شناخته می‌شود. این عنصر به صورت آلی و معدنی در گیاهان وجود دارد و هر دو نوع به راحتی درون گیاه قابل انتقال هستند. انتقال انرژی در سلول‌ها به فسفر وابسته است و فسفر جزءی از ATP، منبع اصلی انرژی برای فرآیندهای سلولی در تمام موجودات زنده، محسوب می‌شود. همچنین، فسفر می‌تواند به عنوان ماده ایجاد کننده تغییر در فعالیت آنزیم‌ها از طریق فسفریلاسیون و برای انتقال پیام‌های سلولی به‌کار رود. در خاک، فسفر به شکل اسید فسفریک پلی پروتیک یافت می‌شود و با فرم H2PO− به راحتی جذب می‌شود.