与豆科和非豆科树种共生的微生物，在常温常压条件下，通过其固氮酶的作用，把空气中的氮还原成氨，成为树木可利用的氮素的过程。

固氮生物按其固氮方式可分为自生和共生两大类型。树木的生物固氮多数以共生固氮方式来实现，很多豆科树种中有与其相适应的根瘤菌共生固氮。固氮的非豆科树种可具有根瘤或不结根瘤，种类很多（见表）。

非豆科固氮树木的科属名称和种数目表

各种固氮微生物能固定空气的氮是通过固氮酶的催化完成的，其总反应式如下：

树木生物固氮

固氮酶含有钼-铁蛋白和铁蛋白两个组分，当两个组分共同存在时，才能发生固氮作用。固氮酶对分子氧很敏感，只有在很低的氧化还原电势时，才能实现固氮过程。并具有与多种底物（如H⁺、C₂H₂等）起作用的能力。许多固氮菌含有氢化酶，固氮酶催化的H₂还原过程，就是将H⁺和e^-转移到N₂分子的过程。H⁺和e^-要通过氧化还原电势低的强还原剂作为电子供体（如丙酮酸、NADH、NADPH），传递给电子载体（铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白）等，进一步降低氧化还原电势才能将电子转移给固氮酶，最后还原为NH₃。固氮酶催化的N₂还原过程，首先在氢化酶的作用下，H被转变为e^-和H⁺，通过铁氧还蛋白还原铁蛋白。与此同时，Mg⁺²和ATP结合到铁蛋白上形成铁蛋白-MgATP复合物（这时铁蛋白发生构型变化，分子中的铁被活化，并被还原）。还原态的铁蛋白-MgATP复合体再进一步还原钼-铁蛋白。还原态的钼-铁蛋白（即固氨酶的主体）与分子态N₂相结合，使N₂还原成NH₃。而钼—铁蛋白自身又呈氧化状态，可以使上述的循环不断进行。

豆科植物的根瘤中所特有的豆血红蛋白控制氧的浓度，使根瘤菌在固氮过程中处在很低的氧化还原电位条件下，保证了对氧敏感的固氮酶的活性。其固氮过程，如图所示。固定一个氮分子至少需24个ATP和其他还原能量，这些都是由寄主的光合产物所供应，根瘤的固氮速率与光合产物的供应有关。

地球上固氮生物每年从空气中固定下来的氮估计约为1亿多吨。其中共生固氮生物中，豆科植物共生固氮约为6000万吨、非豆科植物共生固氮约为4000万吨，是增加土壤氮素营养的重要手段。在提高林地肥力与改善林木的产量和品质方面，共生固氮的豆科和非豆科树种日益被人们重视。日本利用固氮植物杨梅和松树混交，不仅促进了松树的生长，同时也增加了杨梅的产量，杨梅的品质亦有改善。中国在50年代，曾利用固氮树种沙棘防风固沙，保持水土，改良土壤。其他如柠条、花棒也是很好的固氮树种。沙棘、刺槐等与杨树混交，能促进杨树生长。利用共生固氮树种营造混交林是提高林地肥力的重要措施，应进一步研究和推广。

固氮过程简图