二氧化碳(CO2)與硝酸根(NO3-)在植物體內的利用與平衡對產量相當重要，而碳與氮是構成植物體、產生種子並完成生命週期的重要元素。
當氮源充足且光合作用穩定，生理代謝利用氮與碳來促進植物的生長與強度。蛋白質是生理代謝的基礎，在合成過程中，除了由硝酸態氮還原成胺態氮(NH4+)之外作為氮源，還需要光合作用的醣類物質透過生理代謝形成有機酸，並消耗光合作用累積的能量，最終才能合成胺基酸，並組裝成蛋白質維持生理代謝。因此適量的提供氮源會刺激細胞分裂與生長達成葉片生長，另外也會增加光反應以及二氧化碳的利用，刺激光合作用效率。
由於蛋白質合成同時需要氮源與碳源，而蛋白的合成又會影響生理代謝，因此氮與碳兩者存在密切的交互作用。另外氮的代謝與碳的代謝都需要用到光合作用產生的能量。有研究顯示，作物的總乾物重與其截獲的輻射量呈現線性關係，這是因為光為所有的新陳代謝提供能量。攔截到的光與葉面積指數有關，然而並非促進越多葉子就能攔截越多的光(會有葉片角度與遮蔽因素)，因此如何在有限的葉面積下獲得更多的光合作用將有助於產量。
唯有充足的氮與碳被植物吸收利用，才能讓發育中的組織獲得足夠的養分來維持生長，建構足夠的葉面積或分蘗，當組織與細胞越大，就越能累積足夠的細胞酵素活性。因此充實或肥大期，也需要有足夠的氮源與光合作用的碳源提供利用。
當氮肥不足時，必須要能夠增加氮肥的吸收率，此時增加根密度促進吸收土壤氮肥或施用含氮葉面肥是可行的方法。當氮不足時，增加光合作用效率，亦能促進植物生長，但無法應付長期氮需求。如果在早期植株不夠健康，產生的葉面積或分蘗不足，則開花數目或穗數與粒數會降低，導致較低的產量。而肥大或充實期，需要提供氮源，來合成穀粒中的儲藏性蛋白質。
在現代農業栽培有時會超量施用氮肥，甚至超過作物本身能利用的極限，在達到產量最大化後將無法突破，這個與作物的基因潛能有關。因此在氮達到現有的遺傳潛力時，增加產量的唯一方式是提高氮在代謝中的使用效率，有下列兩個方式：
1. 增加光合作用活性，能促進作物的生長(含碳物質的增加用於建構植物體)。
2. 增加氮在體內的利用效率。然而這個方式可能很難達成目標，原因在於在現階段的農業栽培的葉面積指數能擷取的光輻射已到達極限，能夠固定的碳源以達最大量，因此最終只能對光合作用的效率進行改善。
總結而言，在合理的氮肥施用下，要促進植株健康與產量有下列重點：
1. 透過強化根系來獲得必要營養元素，或以葉面肥進行營養補充
2. 從生育初期開始，增加每單位施用氮肥所獲得的含碳物質，促進最高的光合作用效率，將能最大化每單位氮肥能生長的葉片數量，並促進植株健康
3. 生育後期的肥大期或充實期，必須在光合作用最大化的情況下，增加氮肥使用，避免碳源過高降低蛋白質的合成。
資料來源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11912221