化肥行业正面临着一个持续性的挑战，需要改进产品、提高使用效率，并尽量减少任何可能对环境造成的不利影响
一百年前，德国化学家Fritz Haber（他获得了1918年诺贝尔奖）发现了合成氮肥的可行工艺。而如今，全世界有数以千万计的农民依赖于尿素肥料满足大陆上主要作物的氮需求。好的肥料不仅可以增加作物的产量，而且能够改善土壤的长期质量，重新平衡土壤。但是，使用传统化肥，可能会造成氮和磷的过度使用，从而影响环境。而在过去几年，过度使用酸性肥料和氮过剩很明显已经危害了我们的环境。加之面对着农产品不断增长的需求，解决的方法只有高效肥料和高效施肥方法。例如目前已经被广泛使用的尿素深施（Urea deep placement，UDP）法，就是一种更高效、更环保的施肥方法。使用尿素深施法的农民将尿素球放入水稻附近的土壤中，位于地表几英寸之下，从而让大部分的尿素氮留在植物根系附近的土壤中，能够被更有效地吸收。该方法能增加氮利用率，其结果是作物产量的增加和污染的减少。使用尿素深施法的土地产量增加超过20%，而使用的尿素量减少了40%。
目前，化肥行业正面临着一个持续性的挑战，需要改进产品、提高使用效率（特别是氮肥），并尽量减少任何可能对环境造成的不利影响。这需要通过改进已经在使用的肥料，或是开发新的专用肥料各类来实现。另一方面，国际上对“绿色化”的期望和城市居民的需求都意味农民再次需要调整以适应市场。消费者希望对他们所吃的东西感觉良好，同时也想要确保环境被保护得很好，换言之，减少对化学品的依赖就是消费者想要的。例如从2013年10月1日开始，在美国马里兰州出售的草坪肥料要包括标签指示，以确保每千平方英尺的总氮用量不超过0.9磅，并且其中必须至少有20%的氮是缓释氮。另外，每千平方英尺使用的水溶性氮肥不能超过0.7磅。
肥料在环境和安全方面的负面作用
环境 全世界对化肥的需求不断增长，为满足需求，供给也正在增加。合成氨厂消耗了全球能源的1%。产生的碳排放量占全球总碳排放量的3%～5%，而这还不包括天然气生产供应链、与生产过程相关的排放、施肥（和误用）、工业使用尿素和其他氨产品所产生的排放。随着行业的扩张，这些碳足迹必须要被关注。比如，考虑一个果汁生产厂的碳足迹，运输其实只占一小部分，而30%～33%的碳排放量是完全与氮肥相关联的。
当以煤和天然气为原料的工厂生产氨时，会生成两种主要副产品：热和二氧化碳。热的释放量取决于使用的工艺流程，而且大多数热量会被捕获并重新在转换过程中使用，从而减少工厂所需的燃料数量。但即使是高效的合成氨工厂，也会有相当多的二氧化碳产生：每生产一吨合成氨，就会排放两吨二氧化碳。部分二氧化碳会被捕获用于生产全世界最广泛使用的氮肥——尿素。但合成氨厂还生产无水氨、硝铵（导致德克萨斯州爆炸的化合物）、硫酸铵、尿素硝铵溶液和其他形式的在农业和工业应用中使用的氨，而这些全部都不能使用剩余的二氧化碳，因此，剩余部分只能排入到大气中。
除了碳排放，过多的肥料会渗入河流和湖泊。这不仅影响水体质量，还可能进入食物链影响人类健康。2013年初，新西兰的牛奶中被发现有化学物质双氰胺（DCD，也叫二聚二胺）的痕迹，由于这一污染，相关牛奶出口暂停。双氰胺在世界范围内的使用已经有30的历史，它是一种复合含氮化肥中的成分。在中国的三聚氰胺事件之后，FDA将双氰胺列入“牛奶必检项”。在新西兰，有两家企业生产双氰胺，其产品被用于大约500个牧场，占新西兰总牧场数的4%～5%。奶粉事件之后，这两家企业已停止生产和销售。
安全 2013年4月17日，德克萨斯州的肥料混合设施发生破坏性爆炸，这无疑呼吁人们重视基于氨的肥料的生产和存储风险。根据美国职业安全与健康管理局的报告，在1984到2006年间，美国各地的氨工厂共发生224起意外事故，造成50人死亡。根据美国国防部（Department of Defense，DOD）的数据，全球简易爆炸装置（improvised explosive device，IED）事件在过去两年增加了超过42%，而它的主要成分就是看上去貌似良性的肥料。肥料中可以包含硝酸铵钙，从中能派生出硝酸铵。当与燃料混合时，硝酸铵极具爆炸性。1995年造成168人丧生的俄克拉荷马城爆炸事件的主要成分就是氮基化肥。2012年，有大约2000美国人在阿富汗被简易爆炸装置杀害或杀伤，而其中70%的装置使用了硝酸铵基化肥。
缓释肥料和控释肥料
传统肥料溶于水，当肥料溶解时营养物质会迅速分散。比如在北美，氮肥主要是无水氨、尿素硝铵（UAN）溶液或尿素。但是，如果在作物摄取之前遇到了不良（主要是湿）气候条件，这些形式的氮就可能会丢失。因此，出现了缓释肥料（slow release fertilizer，SRF）和控释肥料（controlled release fertilizer，CRF）。
顾名思义，缓释肥料是相对于传统肥料而言，能够将养分缓慢释放出去的肥料。最常见的缓释肥料一种是尿素甲醛或亚甲基尿素肥料，即主要由尿素和甲醛结合制成的肥料，是许多草坪和花园肥料的主要成分，例如淡蓝三硝基甲烷。另一种是异丁基缩二脲（IBDU），也是许多草坪肥料的成分，其养分释放取决于水分、ph值和肥料颗粒大小（较小的释放养分更快）。
缓释肥料的优点之一是营养物可随着时间的推移逐渐释放，因此能在一段较长的时间内缓慢而稳定地向植物提供养分，而这正是更适合大多数植物的施肥方式，因为这样它们可以长得更好。虽然这意味着施肥后植物可能不会马上有反应，但这也同时减少了过度施肥造成的烧死植物的情况发生。同时，大多数缓释肥料在特定的（温暖的）土壤温度下才会释放养分。植物根系通常是在温暖的土壤中才最活跃，因此缓释肥料可以在植物确实需要的时候向它们提供养分。而由于植物根系在温暖的土壤中更积极，因此更多的肥料就会自动地被释放。另外，使用缓释肥料可以节省时间和金钱。这一方面是由于更长期的可用性意味使用次数更少，从而节省了人工成本和时间成本，另一方面是由于缓释肥料受到雨淋或浇水等浸出过程而损失的肥料较少。但是缓释肥料也有其缺点，比如释放养分的速度较难预测，因为这主要取决于土壤中微生物的活性。
控释肥料是不溶于水的颗粒状肥料，它会让养分在可控的释放期内逐渐进入土壤中。而控释肥料不是水溶性的，其营养成分会更缓慢地分散到土壤中。肥料或是追施到土壤中，或是在播种前混合到土壤中施用。使用控释肥料可以减少养分损失，提高养分利用效率（NUE）。使用控释肥料，在比常规肥料减少20%～30%（或更多）的用量的情况下，仍能保持相同的产量。在1999年，日本外务省的农业、林业和渔业部（Ministry of Agriculture， Forestry and Fishery，MAFF）就建议将常规肥料更换为较小数额的控释肥料（Tachibana， 2007）。另外，使用控释肥料能降低肥料燃烧事故的发生。
在美国，作为肥料的化学控释产品出现于50多年前。一开始，由于相对于其他氮肥成本较高，限制了它们规模化商业作物，如玉米、高粱、小麦和油菜籽等生产中的使用，当传统氮肥可以同样有效时，就不会使用控释肥料。相反，它们被更多地用于专业、高价值作物种植，如蔬菜、果园、苗圃、种子生产等。现在，由于粮食价格上涨、环境问题和一些法规，以及一些特定施肥法，比如叶面施肥，虽然控释肥料的使用仍然有限，但它们在中耕作物中的使用已经越来越多。大多数商用中耕作物种植者使用传统氮肥来满足作物的氮需求，而将控释产品作为补充。与快速释放肥料相比，控释肥料都相对昂贵。然而，考虑到所占用的时间和施肥次数的减少，它们的成本实际上与快速释放肥料相当。
水溶性肥料
水溶性肥料是可溶于水、很容易被添加或浸入到土壤中的肥料。使用水溶性肥料，很容易精确地控制可提供给植物的养分数量。由于它可以迅速、完全地被植物根系吸收，因此通常可以被植物完全用光，用过的土壤中很少留下过量的未使用营养物质或毒素，从而减少了对环境的污染。除含有其他成分外，所有的化学制造肥料中都含有不同数量的氮、磷和钾，而水溶性肥料还可能含有镁、钙、钼、硫和铜等。由于其独特的完全溶于水的能力，水溶性肥料可以通过各种方法施用，但常用于灌溉施肥和叶面喷施。尤其是当水溶性肥料进行叶面喷施时，往往会产生立竿见影的效果。
随着经济的快速增长，产量、食品质量和农产品需求都在增加，关于质量、效率、健康、环境保护和新农业兴起的新的生态农业革命正在蓬勃发展。在这场生态革命中，激增的水溶性肥料发挥了至关重要的作用。肥料成本增加、使用方便、创新的生产方法、新产品、可用性的提高，以及微灌和机械化的灌溉系统的出现，都推动着全球水溶性肥料市场发展。而其他的一些因素还包括政府补贴、温室效应应用的增加和高效等。在过去的几年中，全球水溶性肥料市场呈指数级增长，而预计这种增长仍将继续。Markets and Markets公司2013年12月发布的报告显示，以销售量计算，预计在2013到2018年，水溶性肥料市场的年复合增长率约为5.3%，到2018年达到925.12万吨，销售额达14.71亿美元。欧洲是全球最大的水溶性肥料市场，其次是北美。含氮水溶性肥料占据了全球主要市场份额，其次是含磷和含钾的水溶性肥料。对其他水溶性肥料，如含微量元素、生物刺激和生物肥料的水溶性肥料的接受度也在不断增长。但相比于普通土壤施加肥料，水溶性肥料的季节性需求在一定程度上限制了市场增长。
相比于化学肥料，水溶性肥料在增加产量、降低劳动成本以及应用简单等方面都被证明有显著优势。此外，它们比固体化学肥料的需要量更少。因此，水溶性肥料的概念被认为是缓慢增长的化肥市场中的一大商机。而其结果就是许多跨国肥料公司都参与到这类肥料的生产和销售中。目前全球最活跃的水溶性肥料生产者包括加拿大的Agrium公司、以色列化工有限公司、埃及的Iowa肥料公司、卡塔尔肥料公司、挪威的Yara International ASA公司等。由于农民意识的提高和微灌溉面积的增加引发了对水溶性肥料的需求，因此许多主要公司都集中在亚太地区的业务扩张上。
微量元素肥料
微量元素虽然需求量小，但对植物的生长和健康相当重要，包括锰、硼、铜、铁、氯、钼、锌、硒、碘和钴等。微量元素肥料就是含有这些微量元素的肥料。作物对微量元素肥料的需求取决于它们的生物学特性和现有的可用微量元素数量。微量元素盐、工业废物（渣或泥浆）、玻璃肥料（盐与玻璃的合金）和螯合物（有机物质与锌和铜等金属的化合物）等均可被用作微量元素肥料。目前，微量元素肥料在美国、英国、法国、瑞典、德国、波兰、保加利亚、意大利和日本等国被广泛使用。
高生产技术和高产栽培品种的采用对土壤养分储备造成了巨大的压力，导致土壤中的养分状况极不平衡。土壤和植物中的微量元素缺乏是一个全球性的营养问题，许多国家都普遍存在，只是严重程度不同。缺乏微量元素会损害植物的生长，即使是没有可见症状的隐性缺陷，也会给作物产量和质量造成风险。例如有研究表明，印度有40%～55%的土壤中度缺锌，25%～30%的土壤缺硼，15%的土壤缺乏其他微量元素，而这些缺失极大地降低了作物产量。在缺乏营养的土壤中进行微量元素强化，有助于提高作物产量。例如在印度的卡纳塔克邦（Karnataka State），肥料用锌、硼和硫进行生物强化，其结果是旱地农作物的产量急剧增加：向日葵增加了345%，龙爪稷增加了230%，花生增加了240%，玉米增加了150%，大豆增加了116%，高粱增加了27%。
我们所吃的，本质上都是由土壤提供的。虽然氮对植物生长很重要，但如果过度使用，将会降低食物的营养价值。美国进行的一项研究发现，人类身体健康所需的微量元素在目前我们所消耗的水果和蔬菜中的含量急剧下降。相比于其他肥料，微量元素肥料有其独特的优点：首先，整个微量元素的内容以螯合的形式存在，可以最大限度地提高稳定性和效率；其次，微量元素肥料可以与多种农药兼容，从而实现罐混合，通过最小化施用数量减少喷施作业成本；再次，它可以完全溶于水，迅速、有效地被植物吸收。更重要的是，微量元素肥料不仅能促进植物代谢活动和生长，还在提高质量、大小、颜色、味道、肥料投入的利用效率、用水和抗病性等方面发挥着重要作用。比如铁在叶绿素的形成中发挥重要作用；光合作用和呼吸作用都需要锰；锌参与蛋白质的合成和种子的形成，促进植物生长，使植物更有活力；铜在叶绿素形成、细胞壁构建和许多其他酶机制中必不可少，它支持种子的形成和繁殖、提高含糖量，并改善蔬菜和水果的品味；镁是促进植物快速生长的重要元素，对光合作用很重要，因为它是形成叶绿素的中心原子。最后，微量元素施肥可以有效地治疗植物疾病。例如，在肥料中加入铜对易发生麦角的土壤很有效。麦角是一种生长在谷类作物上真菌疾病，当摄入时，人会发生幻觉或其他疾病。
全球最新的肥料发展案例
全球各地的研究人员和肥料生产厂商都一直致力于开发新型肥料，以满足日益增长的肥料需求，同时尽可能地保护环境，增加安全性。
新型钾硫肥 2014年3月，Agro-Culture液体肥料公司发布了Kalibrate，一种向土壤中施加的含硫量6%的钾肥。Kalibrate向种植者提供了一个可以及时解决大部分营养需要的选项，它能在条耕、使用播种机，或者侧面施肥时提供可用的钾和硫。通过灌溉传播或注入时，Kalibrate也非常有效，这使它成为基于所有土壤耕作系统的优秀钾源。在大多数土壤环境中，施用Kalibrate将不再需要添加其他钾肥。而它较低的凝固点和解冻后恢复使用的能力使它非常适合在北方秋季和旱季使用。
最新基肥 2014年1月，北美生产低盐、高正磷酸盐基肥的Nutra Flo公司推出了其最新基肥PureGradeT。PureGradeT能通过增强营养功能，推动植物的自然生长过程，增强早期幼苗发育，增强根和茎的发展以改善营养和水的吸收，改善植物健康使植物能更好应对环境压力，从而实现植物健康最大化，使作物达到最大产能。在爱荷华州、印第安纳州、俄亥俄州、密歇根州和北达科他州的超过一百个田间试验的结果都表明，PureGradeT能始终如一地提供显著优势。
废水变肥料 2013年10月，在水环境联合会第86次年度技术展览和会议上，大都会废水回收区（Metropolitan Water Reclamation District）的代表称，Stickney废水回收厂计划使用的一项由加拿大Ostara养分恢复技术公司开发的新技术，将废水中的磷和氮结晶，将这些营养物质转化为小颗粒，作为作物和草坪的肥料出售。水中所含的磷和以氨的形式存在的氮进入反应器中，与镁混合，驱动营养物质结晶的化学反应。结晶时间在5到10天之间，这一过程可以去除90%的磷和40%氨。该技术将于2015年安装运行，估计投资成本达3000万美金，而投资回收期最短只需要三年。大都会废水回收区称，这一新技术每年大约能生产1万～1.5万吨的化肥，以供应库克县（Cook County）。晶体形式的肥料有助于遏制营养物污染。营养物污染会导致湖泊和河流的藻类大量繁殖，扼杀鱼类和其他水生野生动物，破坏生态系统。保护水道是一个全球性的问题，而Ostara公司的技术正是解决这一问题的武器。它不仅能降低营养负荷，而且能保护珍贵的水道，而这是密西西比河流域的一部分。同时，随着植物的生长，肥料缓慢分解，而不是快速溶解在水中。这将减少向地下水的渗入，也减少剩余营养物质的流出，意味着更少的肥料使用需求。
ESN智能氮 每年，玉米种植者都要面临的挑战是如何在最佳时间、最佳用量使用氮，以最大限度地提高玉米产量，并尽量减少养分流失。2013年3月，位于美国丹佛的Agrium Advanced Technology（AAT）公司设计了ESN智能氮，这是一种有聚合物包衣的控释尿素肥料，能保护氮免受浸出，并根据需要提供给作物。如果农民种植前的一至两个月在冷的土壤中使用ESN，那么氨会得到保护。当种植之后，它会释放出来，并可作为早期追肥。因为氮的被保护，所以播种时机就灵活得多。尽管ESN可能成本比较高，但它能提高产量，施肥时间灵活，因此总体来说有一个很好的投资回报。同时，ESN可能会降低向地上水的浸入，减少挥发到空气中的氨。
不会发生爆炸的氮肥 2013年5月，桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的工程师开发出了一种使用硫酸铵和硝酸铁的新配方肥料。与通常在简易爆炸装置中使用的肥料不同，在与燃料混合时它不会被引爆，因此无法被用于制造炸弹。该肥料通过从铵离子中分离出硝酸根离子，而让化学化合物中的爆炸性物质被中和。虽然不可能全世界都立即换成使用这种新肥料，但至少它可以作为现有的硝酸铵的补充，从而通过增加制造难度来限制简易爆炸装置的制造。而且，这种新型肥料配方中的铁组分可以酸化土壤，使碱性土壤更接近中性PH值，从而大大提高作物产量，因此非常适合种植农作物。肥沃且PH值接近中性的土壤才是最好的土壤，这种新配方肥料可以通过少使用肥料来做到这一点，而且作物会长得更好。
现代农业必须在作物整个生长周期用最有效的方法提供最优量的营养，并且不会让土壤和水资源退化。因此，我们必须选择更平衡的施肥方案，不仅要改善土壤结构、促进植物生长，同时要提高人类健康水平，减少对环境的负面影响，让小溪、河流和湖泊重回原始的美丽。在农业种植中，要尽量减少使用化学物质，而增加天然的微量元素和矿物质的使用。应该鼓励在土壤中保持更多的生物，包括蚯蚓。应该定期测试农场中的土壤和牧草，以确保人类健康所需的要素都适量存在。