氮素在生命系统与非生命环境系统之间的运动和转化过程。氮素是地球上重要元素之一，其存在形态有4种：分子态氮（N₂）；蛋白质核酸等各种有机态氮；氨和氨的化合物（NH₃/）；氮的氧化物，包括氧化二氮（N₂O）、一氧化氮（NO）、硝酸盐和亚硝酸盐（和）。这些不同形态的氮素存在于岩石、沉积物、煤和石油、大气、水域和生物库中。多种形态的氮素在各库之间以化学、物理、生物的途径和以不同速率进行运动和转化，构成了地球上的氮循环。全球氮循环包括陆地和海洋两大系统。氮循环是重要而复杂的生物地球化学循环。地球上生命起源、生物的繁衍进化以及人类的生产生活均与氮循环有密切的关系。人类对氮循环的不断深入了解、控制与利用是推动社会经济发展的重要因素。

氮循环的主要途径有：①氮的固定。大气中游离的分子态氮占大气总量的78%，经生物或非生物途径固定成结合态氮，才能被绝大多数生物利用，进入氮素的生物地球化学循环。具有固氮能力的微生物包括共生固氮菌和自生固氮菌，它们能固定分子态氮。据1975年伯恩斯（Burns）和哈迪（Hardy）用乙炔还原乙烯法测定并推算，地球陆地生态系统的生物固氮量为139百万吨N/年，水生生态系统为20～120百万吨N/年。在工业固氮诞生之前，地球上氮素固定基本上依赖于生物固氮。工业固氮是1914年哈伯和博施发明的。利用煤、石油等能源高温高压条件，经熔铁触媒催化将分子态氮和氢分子合成为氨。合成氨主要用作氮肥，部分用作合成纤维、塑料、炸药等原料。此外矿物燃料燃烧时氮的氧化物生成（据1965年计算，每年为19百万吨N）和闪电时氮的固定等是非生物固氮途径。②氨及氨的化合物转化。被固定的氮素——氨及氨的化合物首先成为微生物、植物的氮素营养，构成它们的重要生命物质，并进一步成为动物的食物。氨及氨的化合物也可以经工业氧化或被土壤中广泛存在的硝化细菌氧化成硝酸盐而被微生物和植物利用，硝态氮与氨态氮一样可以作为微生物和植物的氮素营养来源。动物、植物、微生物的残体及其排泄物含有丰富的有机态氮，在土壤微生物作用下，经氨化作用重新形成氨及氨的化合物。除生物转化外，氨态和硝态氮还受物理、化学的影响在不同库中进行转化。氨态氮自土壤或水域中挥发进入大气，又随降水返回土壤和水域；硝态氮不易被土壤颗粒吸附，极易被淋洗进入地下水或随河流进入海洋并被沉积下来，也可以随土壤毛管水上升到地表。③脱氮过程。硝态氮经过脱氮过程以其最终产物——分子态氮被释放返回大气，成为氮素循环中重要的一环，脱氮过程由兼性嫌气细菌——反硝化细菌进行。当缺氧时，反硝化细菌由硝酸盐中取得氧作为电子受体供呼吸用，而将硝酸盐还原成分子态氮，其中间产物是氮的氧化物。陆地生态系统脱氮生成的N₂O为16～69百万吨N/年；生成的N为91～92百万吨N/年；海洋生态系统生成的N₂O为20～80百万吨N/年；N为5～99百万吨N/年。

全球氮循环示意图

人类对氮循环的影响是巨大的，长期的农业历史证明，决定不同时期农业增长速度和平均产量水平的主要因素之一是氮循环向农业提供氮素的方式与数量。在全球的植物生物量中，只有3～10%的氮素是直接由固定的分子态氮提供，而90～97%是来自再循环的氮素，因此，增加氮素在生物库与土壤库之间的循环数量，调节循环速率和减少氮素在土壤中的损失，可使农业获得更多的、比较廉价的氮素。轮荒休闲制、有豆科作物参与的作物轮作制，是利用天然植被或人工栽种豆科植物积累氮素；农林牧渔结构的合理安排以及其他农业措施，其目的也是使生物库与土壤库中的氮素贮存增多，耗损减少。工业合成氮的迅速增长使土壤库与生物库获得了大量氮素来源，使农业生产出现了新的水平。但由于人类对氮循环的干预缺乏全面认识与对策，也出现了许多新的农业问题和环境问题。世界生物固氮与工业固氮量1950年为100∶9.6，而目前将出现工业固氮超过生物固氮的局面。过量无机态氮的施用，使肥效递减。据联合国粮农组织的资料，世界谷物增长的化肥效应明显下降，1950年前后1吨氮肥增产14.8吨谷物，1960年前后平均增产11.5吨，1970年前后平均增产8.3吨，1980年前后平均增产5.8吨；蔬菜中硝酸盐积累过高；大量未被生物利用的硝酸盐进入河流和地下水，污染水源；硝化过程中以及矿物燃料燃烧时生成的氮的氧化物，污染大气，破坏臭氧层，引起紫外线辐射的危害。因此，为了发展农业和保护环境，需要建立氮循环的合理平衡。