ในสมัยก่อนนั้นชาวนาปลูกข้าวพันธุ์พื้นเมืองมีลักษณะต้นสูง  ไวแสง  อายุยาว  และให้ผลผลิตต่ำ 160 – 320  กก./ไร่    ธาตุอาหารที่เป็นองค์ประกอบของเมล็ดข้าวเปลือกและฟางข้าวบางส่วนที่ถูกนำออกไปจากดินนาจะถูกทดแทนได้ตามธรรมชาติจากหลายแหล่งคือ 1. การสลายตัวของวัตถุต้นกำเนิดดิน (Soil  minerals)  2. ธาตุอาหารอยู่ในน้ำชลประทานและน้ำฝน  3. กิจกรรมของจุลินทรีย์ดินต่าง ๆ (Soil  micro-organisms activity)  (Uexkull, 1976) ตัวอย่างเช่นสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน และ  Free living N fixing microorganism  การปลูกข้าวพันธุ์พื้นเมืองในสมัยก่อนจึงได้ผลผลิตต่ำแต่ยั่งยืนอยู่ได้โดยไม่ต้องใส่ปุ๋ยใด ๆ เลย   ยังมีกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตจำพวกสัตว์ที่มีเป็นจำนวนมากในระบบนิเวศของข้าว  สัตว์ชั้นต่ำแมลงและแมงซึ่งมีขนาดเล็กอาศัยอยู่ในน้ำ  สัตว์เลื้อยคลานและสัตว์น้ำประเภทต่าง ๆ  ที่กินเศษซากพืชไปจนถึงกินสัตว์ด้วยกันเป็นอาหาร  เมื่อสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ตายลงไปย่อมจะเน่าเปื่อยและย่อยสลายไปเป็นธาตุอาหารชนิดต่าง ๆ ให้แก่พืชได้เช่นกัน 

ปุ๋ยเคมีเพิ่มผลผลิตข้าวพันธุ์พื้นเมืองได้เพียงเล็กน้อยในทางกลับกันปุ๋ยเคมีที่ให้ธาตุไนโตรเจนเพียง  3.2 – 6.4  กก.N/ไร่  อาจทำให้ข้าวพันธุ์พื้นเมืองล้มและผลผลิตเสียหาย  (Uexkull, 1976)  ปุ๋ยเคมีให้ธาตุอาหารพืชที่เข้มข้น  นำมาใช้เพิ่มผลผลิตข้าวพันธุ์ใหม่ที่ถูกปรับปรุงพันธุ์ให้มีลักษณะต้นเตี้ย  ใบตั้งตรง  อายุสั้นและสามารถให้ผลผลิตได้สูงกว่าพันธุ์พื้นเมืองเมื่อมีธาตุอาหารที่พอเพียง   โดยเฉพาะอย่างยิ่งธาตุไนโตรเจน 

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าพันธุ์พื้นเมืองที่ให้ผลผลิตอยู่ในเกณฑ์ต่ำ  ธาตุอาหารที่ถูกใช้ไปจึงได้รับการทดแทนจากธรรมชาติได้ทันก่อนที่จะเริ่มการทำนาในปีต่อไป   แต่เมื่อมีการนำข้าวพันธุ์ใหม่ที่ให้ผลผลิตสูงขึ้นและมีการปลูกมากกว่า 1 ครั้งต่อปี  ธาตุอาหารที่ถูกนำออกไปจากดินนาไม่สามารถทดแทนได้ตามธรรมชาติด้วยเหตุผลของปริมาณที่ถูกนำออกไปในช่วงเวลาอันสั้นและช่วงเวลาที่ดินนาจะฟื้นตัวตามธรรมชาติมีน้อยกว่าเดิม  ชาวนาจึงต้องมีการนำธาตุอาหารมาเพิ่มเติมให้แก่ดิน  เพื่อให้พันธุ์ข้าวสามารถให้ผลผลิตได้ตามศักยภาพและให้ผลผลิตคงอยู่ในระดับเดิมได้  แม้การปลูกข้าวพันธุ์พื้นเมืองหรือพันธุ์ใหม่ที่ให้ผลผลิตไม่สูงนัก  400-600   กก./ไร่  ก็ยังมีความจำเป็นต้องใส่ปุ๋ยจึงจะได้ผลผลิตที่น่าพอใจ   เนื่องจากการทำนาในปัจจุบันนี้การดำเนินการหลายอย่างที่ทำให้วงจรธาตุอาหารพืชไม่สมดุล  เช่นการเผาฟางข้าวก่อนการทำนาซึ่งเป็นการทำลายอินทรีย์วัตถุและธาตุอาหารพืช การเผาฟางจะทำให้สูญเสียไนโตรเจนที่เป็นองค์ประกอบเกือบทั้งหมดฟอสฟอรัสสูญเสีย 25  % โปแตสเซียม 20 % (Dobermann and Fairhurst, 2000  และ ประเสริฐ, 2543) ธาตุฟอสฟอรัสและโปแตสเซียมแม้จะเหลืออยู่ในขี้เถ้าเป็นส่วนใหญ่  แต่ถ้าหากการเผาเป็นกองใหญ่ธาตุอาหารที่เหลือก็จะถูกกองอยู่จุดเดียว  ซ้ำร้ายหากไม่ไถกลบขี้เถ้าก็จะถูกลมพัดออกไปจากพื้นนาดังที่เกิดขึ้นเป็นประจำในพื้นที่ข้าวขึ้นน้ำ การใช้รถไถนาแทนวัวควายที่จะอาศัยกินฟางข้าวในหน้าแล้งที่ขาดแคลนหญ้าสด  ฟางข้าวส่วนหนึ่งที่จะถูกกินและเปลี่ยนรูปมาเป็นปุ๋ยคอกและคืนธาตุอาหารลงสู่ดิน  แต่เมื่อไม่มีวัวควายที่จะกินฟางข้าวและฟางที่เหลืออยู่ในนาก็ไม่ได้เน่าเปื่อยคืนธาตุอาหารลงไปในนา  แต่ถูกเผาทำลายเพราะมีมากเกินไปจนชาวนาไม่สามารถทำการไถพรวนได้สะดวก  การใช้สารเคมีในการผลิตข้าวซึ่งต้องมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ  ทั้งพืชและสัตว์ที่มีประโยชน์ดังได้กล่าวมาแล้ว  ตลอดจนการสร้างถนน ฝาย พนังกั้นน้ำ และเขื่อน  และการตัดไม้ทำลายป่าซึ่งจะมีผลต่อการชะล้างอินทรีย์วัตถุและธาตุอาหารที่มีประโยชน์มากับน้ำ (สรสิทธิ์, 2535)  ความเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนี้จึงเป็นสาเหตุให้การทดแทนธาตุอาหารตามธรรมชาติไม่เพียงพอที่จะให้ผลผลิตดีได้เหมือนเดิม

การผลิตข้าวเปลือก  1,000  กก.  ต้นข้าวจะดูดซับเอาธาตุอาหารไปดังนี้  ไนโตรเจน  16.6 –17.5  กก. N     ฟอสฟอรัส  3.0 - 3.8  กก. P   โปแตสเซียม  17.0 - 22.2 กก. K (Dobermann and Fairhurst, 2000 และ Uexkull, 1976) ธาตุอาหารหลักสามตัวนี้ข้าวต้องการในปริมาณมาก  และมักมีอยู่ในดินไม่เพียงพอ  การจัดการให้มีธาตุอาหารที่ถูกต้องแก่ต้นข้าวจึงมีความสำคัญที่จะส่งเสริมให้ได้ผลผลิตข้าวตามความต้องการ 

1.      บทบาทและความต้องการธาตุอาหารหลักของข้าว

บทบาทของธาตุอาหารและความต้องการของข้าวจะต้องสอดคล้องกันอันจะนำไปสู่การให้ผลผลิตมากน้อยตามความต้องการ  ซึ่งผลผลิตที่จะได้ขึ้นอยู่กับศักยภาพการให้ผลผลิตของพันธุ์ข้าว  ฤดูกาล (แสงอาทิตย์  อุณหภูมิ)  และการให้ธาตุอาหารที่เหมาะสมกับความต้องการของข้าว 

1.1 ไนโตรเจน

ไนโตรเจนกระตุ้นทุกระยะของการเจริญเติบโต  แต่ในระยะหลังแตกกอสูงสุดไปจนถึงก่อนสร้างรวงอ่อนไม่ควรให้ข้าวได้รับไนโตรเจนมากเกินไปเพราะจะทำให้เฝือใบเกิดการบังแสงกันเองอ่อนแอต่อโรค  โดยทั่วไปไนโตรเจนในดินนามักขาดยกเว้นดินที่อุดมสมบรูณ์สูงมีอินทรีย์วัตถุและกิจกรรมของจุลินทรีย์สูง  ดินที่มีอินทรีย์วัตถุ 2 % จะปลดปล่อยไนโตรเจน  14.4  กก./ไร่  แต่ดินในประเทศไทยที่มีอินทรีย์วัตถุ 2 % ขึ้นไปมีเพียง 13  % ของพื้นที่ทั้งหมด (กลุ่มอินทรีย์วัตถุและวัสดุเหลือใช้, 2540)  อภิรดี (2542)  ก็ได้รายงานว่าจากการวิเคราะห์ดินทั่วประเทศ 17,749 ตัวอย่าง  มีอินทรีย์วัตถุต่ำปานกลางถึงต่ำมาก  (0.5-1.5 %) อยู่ถึง 64 % จึงคาดหวังไว้ก่อนว่าดินนามีไนโตรเจนต่ำ  ผลผลิตข้าว  800-1,120 กก./ไร่  ต้องการไนโตรเจนสูงถึง  12.8-24.0  กก.N/ไร่  ซึ่งเทียบเท่าได้กับปุ๋ยเคมี   16-20-0  อัตรากว่า 100 กก./ไร่  โดยความเป็นจริงชาวนาบางส่วนที่ปลูกข้าวด้วยพันธุ์ High Yielding Variety  ใช้ปุ๋ยอัตราสูงใกล้เคียงจำนวนนี้อยู่แล้ว

1.2  ฟอสฟอรัส

ฟอสฟอรัสกระตุ้นการเจริญเติบโตควบคู่ไปกับไนโตรเจน  แต่ข้าวต้องการในช่วงแรกเท่านั้น  ซึ่งมีผลต่อการแตกกอและพัฒนาการของใบ  ฟอสฟอรัสในดินนาก็อยู่ในระดับต่ำถึงต่ำมาก สรสิทธิ์  (2535) รายงานว่าในดินนาทั่วไปมีฟอสฟอรัสที่เป็นประโยชน์อยู่ในระดับต่ำประมาณ 7  ppm. ส่วนดินนาภาคตะวันออกเฉียงเหนือมีในระดับต่ำมากคือประมาณ 3 ppm. ไลวรรณ (2542) ได้รายงานผลการวิเคราะห์ฟอสฟอรัสที่เป็นประโยชน์ของดินทั่วประเทศตั้งแต่ปี 2533-37 พบว่าภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ภาคตะวันออกและภาคใต้มีฟอสฟอรัสอยู่ในระดับต่ำถึงต่ำมาก  41.8 % 51.1 % และ 42.2 % ตามลำดับ  ส่วนภาคเหนือและภาคกลางมีฟอสฟอรัสอยู่ในระดับต่ำถึงต่ำมาก  36.5 % และ 32.9 %  ดังนั้นจึงต้องให้ฟอสฟอรัสเพียงพอกับความต้องการของข้าวและเป้าหมายการผลิต  หากดินไม่มีปัญหาเรื่องการยึดฟอสฟอรัสที่มักเกิดในดินกรด  หากตั้งเป้าหมายการผลิตไว้ที่  800-1,120 กก./ไร่  ต้องใส่  5.5-11.0 กก.P/ไร่  ซึ่งเทียบเท่ากับปุ๋ยเคมีสูตร 16-20-0 อัตรา  63-126 กก./ไร่  หรือสูตร     16-16-8  อัตรา  79-158  กก./ไร่   หากมีปัญหาดินเป็นกรดโดยใส่ปูนมารล์ด้วยจึงจะใช้ปุ๋ยได้ผล

1.3  โปแตสเซียม 

ส่วนโปแตสเซียมนั้นข้าวมีความต้องการไปตั้งแต่ช่วงแรกของการเจริญเติบโตไปจนถึงเก็บเกี่ยว  แต่โปแตสเซียมที่สูงเกินไปในช่วงแรกจะทำให้ระดับของไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในข้าวต่ำลงมีผลให้ข้าวแตกกอน้อยลง  เนื่องจากโปแตสเซียมมีผลต่อการเคลื่อนย้ายแป้งและน้ำตาล  ข้าวจึงมีความต้องการมากในช่วงเริ่มสร้างรวงเป็นต้นไปจนถึงเก็บเกี่ยว  โปแตสเซียมยังช่วยให้ข้าวต้านทานโรค  แมลงและการล้ม  และมีผลต่อองค์ประกอบผลผลิตทุกส่วนยกเว้นการแตกกอ  ดินนาโดยทั่วไปมีโปแตสเซียมที่เป็นประโยชน์อยู่สูง  134  ppm. (สรสิทธิ์, 2535)  แต่เนื่องจากชาวนาปลูกข้าวอย่างเข้มข้นต่อเนื่องกันหลายปี  และชาวนาไม่ได้ทดแทนธาตุตัวนี้ให้แก่ดินนา จะเห็นได้จากคำแนะนำการใส่ปุ๋ยเคมีในนาดินเหนียวทั่วประเทศคือ  16-20-0 เป็นปุ๋ยรองพื้น  และ 46-0-0 เป็นปุ๋ยครั้งที่ 2 ระยะกำเนิดรวง  อีกทั้งมีการเผาฟางทิ้งเพราะไม่สามารถรอให้ฟางเน่าเปื่อยซึ่งใช้เวลาระยะหนึ่ง ดินนาจึงสูญเสียโปแตสเซียมที่อยู่ในฟางข้าวอีกอย่างน้อย 20 % และแม้จะมีการทำนาเพียงครั้งเดียวก็ยังมีการเผาฟางทิ้งในหลายพื้นที่  โปแตสเซียมที่มีเหลืออยู่ในขี้เถ้าก็จะสูญเสียไปกับลมหากเผาแล้วดินนาแห้งและมีลมพัด  ทำให้โปแตสเซียมในดินน้อยลงไปอีก 

ดินนาในภาคตะวันออกเฉียงเหนือภาคเหนือและส่วนอื่นๆ ของประเทศไทยที่เป็นดินร่วนและดินทรายจะมีโปแตสเซียมที่เป็นประโยชน์ต่ำ  สรสิทธิ์ (2535) รายงานว่าโปแตสเซียมที่เป็นประโยชน์ในดินนาภาคตะวันออกเฉียงเหนือมีเฉลี่ย  47   ppm.    อภิรดี (2542) ได้รายงานผลการวิเคราะห์ดินทั่วประเทศ 17,749 ตัวอย่างพบว่าดินมีโปแตสเซียมที่เป็นประโยชน์ต่ำถึงต่ำมากคือเท่ากับหรือน้อยกว่า  60 ppm.ลงไปมีถึง  48.5 %  นพรัตน์ และคณะ (2541) ศึกษาศักยภาพการผลิตดินนาภาคเหนือตอนบนส่วนใหญ่เป็นดินร่วนและดินทรายพบว่าดินส่วนใหญ่มีโปแตสเซียมที่เป็นประโยชน์ต่ำ 14-44 ppm.

2.  การปรับสัดส่วนธาตุอาหารหลักเพื่อการผลิตข้าว

คำแนะนำการใส่ปุ๋ยเคมีในนาดินทรายคือสูตร  16-16-8  เป็นปุ๋ยรองพื้น  และ  46-0-0  เป็นปุ๋ยระยะเริ่มสร้างรวงอ่อน (กลุ่มงานวิจัยความอุดมสมบูรณ์ของดินและปุ๋ยข้าวและธัญพืชเมืองหนาว 2539) โดยสัดส่วนของธาตุอาหารหลักที่ถูกนำออกไปจากนาโดยข้าวเปลือกและฟางข้าวคือ  5.8-1-5.7  N-P-K (Dobermann and Fairhurst,  2000)  คำแนะนำการใส่ปุ๋ยนี้จึงไม่น่าจะถูกต้อง  ในดินที่ถือว่ามีโปแตสเซียมต่ำคือในดินทรายกลับให้ใส่ในสัดส่วนเพียงครึ่งของธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสสำหรับการใส่เป็นปุ๋ยรองพื้นเพียงครั้งเดียว  ข้าวต้องการโปแตสเซียมสูงในช่วงก่อนเล็กน้อยหรือที่ระยะกำเนิดรวง  ประกอบกับดินที่มีเนื้อหยาบมีองค์ประกอบของดินทรายเป็นหลักนั้น  ไม่มีความสามารถในการเกาะยึดโปแตสเซียมแล้วปลดปล่อยออกมาช้า ๆ เหมือนในดินเหนียว  ดังนั้นการใส่ปุ๋ยโปแตสเซียมในนาดินทรายน่าจะแบ่งใส่ในระยะกำเนิดรวงและใส่ให้มากกว่าสัดส่วนเดิม  น่าจะเป็นหนทางที่จะเพิ่มผลผลิตและป้องกันโรคแมลงด้วย  ในกรณีที่โปแตสเซียมมีอยู่ในดินบ้างพอสมควรแล้วข้าวก็อาจขาดโปแตสเซียมในช่วงหลังการแตกกอสูงสุด  เนื่องจากความเป็นประโยชน์ของโปแตสเซียมจะมีมากเมื่อมีสภาพน้ำขังและจะหมดไปอย่างรวดเร็วเนื่องจากการดูดซับของข้าวในช่วงแรกและการที่ความเป็นประโยชน์ของโปแตสเซียมลดลงในสภาพดินนาน้ำขังและขาดออกซิเจนนาน ๆ (Kemmler, 1980)  ความเป็นประโยชน์ของโปแตสเซียมจึงอาจหมดไปก่อนที่จะถึงระยะเริ่มสร้างรวงอ่อน 

งานวิจัยที่ผ่านมาอาจไม่แสดงออกถึงการตอบสนองต่อโปแตสเซียมของข้าวด้วยเหตุผลหลายประการ การใส่โปแตสเซียมไปพร้อมกับไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นปุ๋ยรองพื้นเพียงครั้งเดียวนั้น  โปแตสเซียมไม่เพียงมีมากในช่วงแรกและหมดไปก่อนที่จะถึงเวลาที่ต้องการมากในช่วงกำเนิดรวง   แต่โปแตสเซียมยังให้ผลในทางลบคือดินที่ขาดไนโตรเจนและฟอสฟอรัสหากเพิ่มโปแตสเซียมเข้าไปอีกจะทำให้ข้าวลดการแตกกอ (Uexkull, 1976)  และชาวนาไทยก็ไม่ได้ใส่ไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในปริมาณที่มากพอกับความต้องการและศักยภาพการให้ผลผลิตของข้าวอีกด้วย 

จากการพบปะกับเกษตรกรที่มารับการฝึกอบรมและเกษตรกรในโครงการส่งเสริมการปลูกข้าวของโครงการพระราชดำริ  ผู้เขียนพบว่าเกษตรกรที่ทดลองใช้ปุ๋ยเคมีสูตร  15-15-15  เป็นทั้งปุ๋ยรองพื้นและปุ๋ยระยะกำเนิดรวงให้ผลผลิตดีกว่าปุ๋ยสูตรที่ทางกองปฐพีวิทยาแนะนำ  ดังนั้นชาวนาควรทดลองปรับเปลี่ยนสัดส่วนของธาตุอาหารตามหลักการที่กล่าวมาข้างต้น  โดยอาจใช้ปุ๋ย  16-16-8 เป็นปุ๋ยรองพื้น  แต่ในช่วงสร้างรวงให้ใส่ปุ๋ยโปแตสเซียม  0-0-60  ไปพร้อมกับปุ๋ยยูเรีย 46-0-0  ที่ใช้อยู่แล้ว  ปุ๋ยโปแตสเซียมคลอไรด์  0-0-60  นั้น  ถูกนำมาใช้ในโครงการผสมปุ๋ยเคมีใช้เองที่ดำเนินการร่วมกันระหว่างกรมวิชาการเกษตรและกรมส่งเสริมสหกรณ์จึงไม่น่าเป็นปัญหาสำหรับการที่จะจัดหามาใช้  โดยการซื้อผ่านสหกรณ์การเกษตรทั่วไป  ร้านค้าวัสดุการเกษตรบางแห่งได้นำปุ๋ยนี้มาจำหน่ายแล้ว