土壤水分、養分、空氣和溫度，稱為土壤肥力四大因素。土壤肥力的高低，不只是受每個肥力因素數量適當與否的影響，而主要取決于水、肥、氣、熱之間在一定條件下協調程度的左右。因此，必須研究掌握土壤各個肥力因素狀況和它們的相互關系。
土壤水分狀況
“水利是農業的命脈”，首先，作物的生長發育需要大量的水。這是因為：一般作物要獲得一分產量，必須消耗500—1000分的水，這些水都是從土壤中供給;作物吸收的養分也需要溶于水后才能被利用；土壤微生物的活動以及土壤養分的分解和轉化都需要水。其次，水分直接對土壤空氣與熱量狀況起著制約的作用，同時還影響著土壤的脹縮性、粘著性、粘結性和耕性等性質。這表明，土壤水分不僅為作物生長發育之必需，而且還可以通過控制土壤水分狀況來使肥、氣、熱關系協調。
①土壤水分類型：土壤水分按其受作用力的不同，一般分為三種：
A、束縛水：這是在土粒表面引力作用下，緊緊地束縛在土粒周圍的水分而稱之。這種水在土壤中移動極慢，且有一部份在土粒表面不移動，所以很難被作物吸收利用。當土壤含水量達到僅有束縛水量時，作物就出現凋萎現象。由于土粒愈細，吸住的水分愈多，所以粘土的束縛水量大于砂土。
B、毛管水：這是在土壤毛細管引力作用下，保持在曲折微細的土壤孔隙里的水而稱之。這種水能沿著毛細管孔隙向上下左右的各個方向移動。其移動規律是從濕度大的土層移向濕度小的土層。它是土壤中最適于作物吸收利用的水分。由于水中溶有各種作物的養分，所以又為作物提供了營養物質。油砂土、潮砂土，出現的“回潮”或“回潤”現象，就是毛管水的上升運動，把地下水引到耕層的緣故。但是毛管水運動會帶來地表蒸發不斷發生，造成土壤水分損失，所以生產中常采取中耕松土，這有切斷土壤毛細管，減少土壤水分蒸發的作用。
C、重力水：這是在土壤水分含量超過土壤毛管力的作用范圍時，過多的水受重力的影響向下滲漏，這種滲漏水稱為重力水。它是水稻最有效的水分。盡管滲漏作用有造成漏水漏肥的現象，但不論對水田還是旱土，適當的滲漏是必要的，它有利于土壤空氣的更新及有害還原物質的向下移動和淋失。
水稻土壤水分狀況：水稻土壤在淹水時期，耕作層水分呈現過飽和狀態，由于重力作用,不斷地垂直滲漏。根據水分的垂直滲漏特點，水稻土分成三個類型。
A、地下水型：這類水稻土，地下水位高（地下水位距地表在60厘米以內），排水不良，灌溉水層和地下水相連，通透性能差，泥溫低，如冷浸田、滂泥田和深腳鴨屎泥土屬之。
B、地表水型：這類水稻土，地下水位很深（超過150厘米），灌溉水下滲不能達到地下水層，排水雖良好，但不耐干旱。如高岸田、天水田和大部份梯田屬之。
C、良水型：這類水稻土，地下水位在60—150厘米之間，灌溉水層與地下水位不相連接，但土壤毛管水可以上下流通，這類田一般分布在垅田上面或一排、二排田屬之。
三種類型水稻土，以良水型的土壤肥力最好，一般是高產穩產稻田。適當滲漏對水稻土是必要的，它有助于土壤空氣的更新和有毒物質的排除。當然也不可過大，以免造成養分淋失。一般在灌1寸水能保存三天為限，即滲漏量為0.5~1.0厘米/24小時最適當。
土壤空氣狀況
土壤空氣對土壤微生物活動和養分轉化有密切關系，對作物根系發育亦有影響。作物生長發育各個時期對土壤空氣都有一定的要求。
①土壤空氣的成分：土壤中的空氣，一部份是由大氣進入；一部份是由土壤中生物化學過程所產生。由于土壤中生物（作物根系和微生物）生命活動的影響和有機質的分解作用，不斷地消耗氧氣和產生二氧化碳及其它氣體，致使土壤空氣與大氣的成分有顯著的區別：土壤空氣中氧氣含量低于大氣，而二氧化碳的含量則高于大氣；另外土壤空氣經常為水汽所飽和，大氣濕度一般只達50~90%；土壤空氣有時還含有少量的還原性氣體，如甲烷、氫氣、氨和硫化氫。
②水稻土空氣狀況的特點：水稻土壤由于季節性或常年淹水，土壤空氣與大氣之間的氣體交換被水層隔絕，常處于還原狀態。作物生命活動消耗的氧，只能靠作物莖葉的輸氧組織將大氣中的氧輸入根部，由根再將氧分秘出來，造成根際微域氧化環境，防止稻根被周圍還原性物質的毒害。這正是水稻能在缺氧環境中生長的秘密所在。所以水田土壤空氣狀況的特點具有明顯的層次性和微域性。在耕作層表面數毫米至1厘米處為氧化層，因鐵成高價化合物狀況，土色呈黃褐或黃棕色。在氧化層以下的耕作層為還原層，鐵成低價化合物狀況，土色呈青灰或蘭灰色。但在靠近根際周圍的土壤，常因水稻根群的泌氧作用而出現銹斑和銹紋。
③土壤空氣在土壤肥力中的地位：土壤空氣供給作物根系呼吸作用所需要的氧。如缺氧，根系發育受到影響，吸水吸肥機能減弱，甚至死亡。尤其種子發芽期及幼苗期更加如此。水稻雖具通氣組織，土壤也應具有一定的通氣性能，以利稻根生長。另外，土壤空氣狀況影響土壤微生物的活動和養分的轉化。缺氧微生物活動以嫌氣性為主，使有機質分解緩慢，造成養分不足，甚至引起氮素損失，同時，還產生不利于作物營養的還原性有毒物質，如乙酸、丁酸、硫化氫等。此外，土壤通氣不良，有利于病菌滋生，引起作物感染病害，影響作物生長，降低產量。因此，稻田常采用排水露田和曬田進行調節。
土壤溫熱狀況
土壤溫度對作物生育和土壤中微生物活動以及各種養分的轉化、土壤水分蒸發和運動都有很大影響。作物從播種到成熟都需要一定的溫度條件，如大麥、小麥在1~2℃時就能發芽，而水稻、棉花要在10~12℃時才發芽。所以不同作物的適時播種，就是由土壤溫度來決定的。一般土壤微生物生活，以土溫25℃~37℃為適宜，最低是5℃，最高不超過45℃~50℃。土溫過低，微生物活動減弱，甚至完全停止，有機質難于分解，有效養分缺乏。冷浸田就是如此，所以要排除冷浸水，增施豬牛欄糞、石灰、草木灰和火土灰，以提高土溫。
①影響土壤溫度的因素：溫度是熱的表現。土壤熱量主要來源于太陽輻射熱，其次是微生物對有機質的分解作用，放出一定的熱量，使土溫增高。
影響土壤溫度變化的因素很多，有緯度、海撥高度、地形和坡向。但主要是土壤本身的土壤熱特性，如土壤熱容量、導熱性、吸熱性和散熱性等。尤其是熱容量和導熱性是決定土溫最重要的內因。
A、土壤熱容量：每1立方厘米的干土增溫1℃時所需的熱量卡數（卡/立方厘米/度），稱為土壤熱容量。水的熱容量為1；空氣為0.0003；土粒介于二者之間，約為0.5~0.6。由于土壤固體部分變化很小，因此，土壤熱容量的大小主要決定于土壤水分和空氣的數量，凡水多氣少的土壤，熱容量就大，增溫慢，冷卻也慢，溫度變化小；反之，土溫變化就大。所以稻田管理，早春白天排水增溫，夜間灌水保溫；夏季運用深灌降溫。
B、土壤導熱性：土壤導熱是指從溫度較高的土層向溫度較低的土層傳導熱量的性能。其大小與土壤固、液、氣三相組成比例有關。土壤礦物質的導熱性為空氣的100倍;水為空氣的25倍；有機質為空氣的5倍；空氣幾乎不傳熱。由此可知，土壤導熱性的大小取決于空氣和水分之間的相對比例。因此，中耕松土有減小土壤導熱性，使表土溫度不易向下傳遞，深土溫度不易向上散失。
②土溫變化的調節：土壤溫度隨氣象因子的影響而經常變化，為了滿足作物生長發育的需要，必須圍繞早春增加土溫，夏季降低土溫，秋冬保持土溫的目標，采取行之有效的措施。
A、合理灌溉：早春寒潮期間多灌水、灌深水，避免土溫驟然下降，增強幼苗抵御低溫能力；一般天氣期間采用淺水間灌，升溫通氣，促進作物生長。夏季以增強土壤散熱性為主，采取短期灌深水和經常性的灌水露田相結合，達到散熱、通氣、供水的目的，促進作物生長發育。秋冬時節，一般結合施肥，推行霜前灌水，以減輕作物凍害。
B、合理施肥：在保證施足肥的前提下，增施有機肥，如火土灰、腐熟的豬牛欄淤等等，來提高土壤溫度。其一，加深土色，增加土壤吸熱力；其二，有機肥料分解中放出熱量；其三，土壤疏松，增加空氣容量，降低土壤熱容量。此外，還直接提高作物的營養。
C、實行覆蓋：早春和秋冬低溫季節，運用草木灰、切碎的草子（紫云英）、干（濕）牛糞、苔蘚、塑料薄膜等覆蓋地面，能提高土壤吸熱，減少散熱，有保溫防凍作用；夏秋高溫干旱期間，采用稻草或其它作物秸稈覆蓋地面，有遮蔭防曬，降低土溫的作用，同時，還能減少水分蒸發和消滅雜草。
D、中耕松土：這有利于土壤空氣容量增加，減少表土熱量向下傳導和下層土溫上升的作用。因此，早春，對粘重緊實土壤進行中耕松土來提高土溫，加快種子萌芽;夏季中耕松土，緩和根系活動層土溫過高，促進作物根系生長。
此外，利用風障、防風林、熏煙及施用化學增溫劑等，均可調節土壤溫度，可以因地制宜進行應用。
土壤養分狀況
作物需要的養分絕大部份來自土壤，但是，土壤里的養分絕大部份存在于難溶性的礦物質中和有機質中，為遲效性，作物難以吸收利用。而能被當季作物吸收利用的離子態速效養分，只占土重0.005~0.1%，存在于水溶液中和被吸附在土壤膠體表面上。不過，這種遲效養分和速效養分在一定條件下能夠相互轉化。
①有機碳化合物的轉化：土壤中的纖維素、淀粉、雙糖、單糖以及脂肪等有機物，都不含氮。它們在土壤中轉化有兩種情況：一是通氣良好時，受好氣性細菌和真菌作用，迅速分解，最后產生CO2和H2O，并放出大量的熱。這種熱是土壤生物化學作用的原動力和土壤微生物生命活動所需能量的來源。CO2是作物進行光合作用的重要原料。二是通氣不良時，受嫌氣性細菌作用，緩慢分解，只是放出少量的熱和CO2，而累積大量的有機酸（乙酸、丁酸）、甲烷、氫等還原性物質，障礙作物生長發育。如水稻“翻秋”或“溶蔸”現象，就是丁酸所害。因此，水田翻壓綠肥，結合施石灰，就是為了中和有機酸，消除稻田毒害。
②土壤中氮素的轉化：土壤中有機態氮占99%以上，無機態氮不足1%;水田的全氮含量約為0.1—0.2%，無機態氮更少。作物從土壤中吸收的氮素，絕大部份由有機氮轉化而來。其轉化形成主要有四種：
A、氨化作用：土壤中含氮的有機物，如蛋白質、尿素和殼糖（幾丁質）等在氨化細菌作用下，逐漸分解釋放出氨，稱之氨化作用。不論通氣好壞，此過程都能進行。氨與土壤中的酸根結合成銨鹽，為作物吸收利用，或被土壤膠體吸附保存。
B、硝化作用：氨或銨鹽在通氣良好的條件下，經亞硝酸細菌、硝酸細菌等的作用，轉化成硝酸的過程，稱為硝化作用。由于這種作用是在通氣良好的情況下進行，所以NO3-N存在于旱土中，而水田中很少見。NO3-N是作物良好的有效態養分，但不能被土壤膠體吸附，易于隨水流失，故深耕松土，保持土壤濕潤，有利硝化作用和防止土壤中氨的散失。
C、反硝化作用：當土壤通氣不良，并含有大量新鮮有機質和硝酸鹽的土壤中，在反硝化細菌的作用下，將硝酸鹽還原成作物不能利用的氮氣而損失，這個過程稱為反硝化作用。這種作用對作物吸收養分和生長帶來不利，務必加以阻止。稻田采用淺水間灌，露田通氣和施用銨態氮肥，旱土雨后中耕松土，均可防止反硝化作用的發生。
D、生物奪氮作用：土壤中的無機態氮（如銨鹽、硝酸鹽）部份被微生物、雜草、土壤動物吸收利用，合成生物機體，使土壤有效態氮減少，稱生物奪氮作用。尤以微生物奪氮最突出，當土壤中施用大量新鮮的、含纖維素多的有機肥和其它環境條件又適宜，微生物就大量活動與繁殖，消耗掉土壤中有效氮素，從而導致作物氮素養分缺乏或嚴重不足。因此，凡秸稈還田或施用大量未腐熟的含纖維多的有機肥料，必須配合施用適當的速效氮肥，以補充土壤有效氮素，供作物吸收。
但是生物奪氮作用是暫時的，直到有機肥分解就會停止，同時，微生物死亡后，氮素仍就歸還給土壤，讓作物吸收利用。所以這與反硝化作用造成的氮素損失是完全不同的。
③土壤中磷素的轉化：一般土壤中磷酸總量（以P2O5計算）約在0.05~0.2%之間。紅黃壤僅為0.06%左右，就按此計算，這些磷也夠供作物若干年豐收所需要。但是，土壤中能為作物很好吸收利用的水溶性磷（如Na、K、NH4等磷酸鹽及磷酸一鈣）和弱酸溶性磷（如磷酸二鈣）很少；而多數為難溶性磷（磷酸二鈣）和極難溶性磷（如磷酸鐵、磷酸鋁）以及有機態磷。它們需經各種轉化，才能被作物吸收利用。
土壤無機磷的轉化，主要受土壤反應的影響。在強酸性土壤中，磷與鐵、鋁離子化合生成難溶性的磷酸鐵、磷酸鋁沉淀而被土壤固定；在石灰性土壤中，磷則成為磷酸三鈣被土壤固定。只有當土壤反應處于中性或接近中性（PH值為6.5~7.5）的條件，磷的有效性才提高。
土壤有機磷的轉化。土壤中，有機磷化合物主要有核蛋白、核酸、卵磷脂、植素以及植物體內其他含磷化合物。它們是在土壤微生物的作用下，進行水解釋放出磷酸。這種磷酸和水解性磷一樣，在土壤中再進行著各種轉化，變成有效磷酸鹽供作物吸收利用。
④土壤中鉀素的轉化：土壤中鉀的含量與成土母質、土壤質地和有機肥料的施用關系極大。據有關資料記載，發育于紫色土、花崗巖的土壤，全鉀量為2.5~5.0%;發育于第四紀紅色粘土的紅壤，全鉀量為0.8~1.8%；而發育于石灰巖的土壤，全鉀量僅0.68~1.12%。粘質土壤含鉀量比砂質土壤高。
土壤中的鉀，根據對作物有效性的高低，分為四大類：一是水溶性鉀。如KNO3、KCl、KHCO3等，可以被作物直接吸收，但土壤中的含量卻極少；二是代換性鉀。系土壤膠體上吸附的鉀，作物亦可以直接利用，但土壤中含量也少，僅占土壤全鉀量的0.1~0.5%。通常說的有效鉀，是指水溶性鉀與代換性鉀的總和。但它只占土壤總鉀量的1~2%；三是微生物活體鉀。這類鉀存在微生物活體內，但在微生物死亡分解后，可被作物吸收利用；四是礦物鉀。系指礦石（鉀云母、正長石）中含的鉀，是礦物在鉀細菌和各種酸的作用下，釋放出的水溶性鉀。這類鉀在土壤中含量最多，占土壤含鉀總量98%以上。不過，土壤中的鉀和氮、磷一樣，并不能滿足作物生活的需要，亦須依靠施肥來補充。
土壤中各種類型的鉀，在一定的條件下，也可相互轉化。難溶性含鉀礦物，在各種酸類或鉀細菌的作用下，可以釋放出水溶性鉀。但在含粘粒多的土壤中，由于粘土具有濕脹干縮的特性，在土壤干濕交替頻繁中，土壤中的水溶性鉀或代換性鉀被粘土礦物固定起來，成為一種不能移動的鉀，使作物根系無法吸收。為避免這一現象，鉀肥宜施在干濕變化較少的土層內，即適當深施，或采用集中穴（條）施，最好是葉面噴施。
