高粱虽有耐瘠的特点，但要获得高产，也必须满足它对养分的要求。据测定，在中等肥力的土壤条件下，每产100千克高粱籽粒需要纯氮2.6千克、五氧化二磷1.36千克、氧化钾3.06千克。
氮是高梁体内氨基酸、蛋白质、酶、辅酶、核酸、叶绿素、生物膜和许多激素的组成成分。它在多方面直接或间接影响植株的代谢活动和生长发育。能促进根、茎、叶的生长和籽粒的形成。植株缺氮，由于多种代谢受到影响，就会出现不同的病症，其中最显著的症状就是生长缓慢和出现黄化现象。植株氮素过多，则糖类和有机物的合成均受抑制，病害严重，植株旺而不壮，呼吸消耗多，同样对高粱不利。高粱的生育期间，必须有一定数量的氮素供应。据山西农业科学院高粱研究所、河北坝下农科所研究：高粱在不同生育阶段吸收氮素的数量有显著的不同。苗期植株生工缓慢，吸收氮素较少，一般占生育期总量的不同。苗期植株生长缓慢，吸收氮素较少，一般占生育期总量的3%~10%；拔节后9~12叶时是其一生中吸收氮素的高峰，这时正是植株的营养生长和生殖生工齐头并进的时期，植株对氮素的需求显著增大，形成全生育期养分吸收的第一个高峰。吸收的氮素占生育期总量的50%~60%.抽穗开始进入第二个吸收氮素的高峰，一般占生育期总量的30%~40%，到灌浆期氮素吸收显著降低。在拔节期、孕穗后到抽穗前，加强氮素肥料的供应，是获得高产的主要栽培措施。
磷素是细胞核、复杂蛋白质的主要成分，是构成酶的重要元素。在高粱植株中，磷在分生组织最为丰富，它能促进生根、分蘖、开花、结实，并有防御低温，促进成熟的作用。缺磷时，蛋白质合成减少。高粱吸收磷素主要在前期，3叶期以后迅增加，到抽穗前达到高峰，而后平缓地减少，灌浆期虽略有回升，但很快又降低。根据同位素观察结果，磷素在植物体内移动性比较差，故前期吸收的磷素在植物体内参与生理活动较多，而后期吸收的磷素参与生理活动较少。磷只有在最高氧化态时才能被植株吸收，并且在土壤中分解速度慢，所以，生产上常采用播前一次施足磷肥的做法，以保证磷肥能充分发挥作用。在植株代谢中，磷和氮的吸收互相影响，相互进。土壤可用态磷低时，植株吸收氮素慢，并在体内累积。当可用态磷丰富地，对无机氮的吸收相应增加，减少氮素在体内的积累，所以，施用磷肥，可改变植株体内的氮素平衡，促进氮素的吸收。植株吸收磷素多，能促进早熟，而缺磷时则成熟延迟，并且蛋白质合成速率低。生产上常用以磷增氮方法，促进养分的吸收。饲用高粱增施磷肥，还可减少茎叶中氰酸的含量，增加饲草的利价值。
钾素一般不参与有机物的组成，在植株内主要为了溶性无机钾，也有很少有机钾。嫩芽、？叶和根富含钾，成熟组织及种子含钾低。钾在代谢中主要起调节作用，是代谢活动的活化剂。钾能调节有机物的合成、转化和运输，有助于淀粉和糖分的形成，增强茎叶的机械功能，增加植株抗倒伏、抗旱、抗寒的抗病的能力。缺钾时，植株含水溶性氮高，而蛋白质含量低，茎叶容易出现氨累积的毒害。并能引起碳水化合物的代谢率乱。严重缺钾时，光合作用受到抑制，呼吸加强，降低光合生产率。
高粱吸收钾素的规律与氮素一样的两个高峰期：第一高峰期，在拔节后孕穗前，约占生育期吸收总量的60%；开花至灌浆为第二高峰期，约占30%。拔节前和灌浆后仅各占5%左右，我国高粱主产区的土壤中含钾量较多，常不需专门施用钾肥。近几年来，随着氮磷施用量的不断增加，施用钾肥也有明显的增产效果。
应当指出的是，氮、磷、钾对高粱绝不是单独发挥作用，而是互相联系，共同协作，发挥整体效益。缺少某种元素，其他元素再多也无用，甚至可能还会造成不应有的损失。因此，应采用配方施肥，保持营养元素之间的平衡，才能发挥肥料的整体效益。
高粱在中低产田施用磷钾三要素的配合比例大致为2：1：2。高产田施氮磷肥的配比为1：0.8~1之间，特别是在密植条件下，必须重视境施磷肥的作用，如发现缺磷症状，可及时采用叶片喷磷的办法予以补救。
除氮、磷、钾外，高粱生工还需要多种营养元素，如硼、锌、锰、硅等，但需量甚微，一般土壤和农家肥料中的含量足以供应，不必再专门施用。但近年来，有不少单位施用微肥后，产量提高。因此，今后还应注意微肥的施用。
