图1 自然界氮循环
空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素，它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。加工，或者固定，是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气和氢化和成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物(例如豌豆或蚕豆)的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。
1、 无机态氮：一般占土壤全氮的2%-8%，土壤无机态氮包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、分子态氮、氧化亚氮和氧化氮。分子态氮表现为惰性，只能被根瘤菌和其他固氮微生物所利用，就土壤肥力而言，主要以铵态氮和硝态氮为主。
2、有机态氮：土壤有机态氮一般占土壤全氮的92%-98%，有机氮包括胡敏酸、富啡酸和胡敏素中的氮、固定态氨基酸（即蛋白质）、游离氨基酸、生物碱、磷脂、胺和维生素等其他未确定的复合物。
图2 土壤氮的转化过程
1、有机态氮的转化：土壤中的有机态氮是较复杂的有机化合物，必须经微生物的矿化作用，才能转为无机氮发挥作物营养的功能。它的矿化量和矿化速率是决定土壤供氮能力的极其重要的因素。土壤有机氮的矿化过程是包括许多过程在内的复杂过程。
（1）水解过程：蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶的作用下，逐步分解为各种氨基酸。
RCHNH2COOH+H2O —酶→RCH2OH+NH3+CO2+能量
或RCHNH2COOH+H2O —酶→RCHOHCOOH+NH3+CO2+能量
（2）氨化过程：氨基酸在多种微生物作用下分解成氨的过程。
RCH2OH＋NH3＋CO2＋能量 —水解—→ RCHNH2 COOH＋H2O
RCHOHCOOH＋NH3＋能量 —氧化—→ RCHNH2COOH＋O2
RCOOH＋NH3＋CO2＋能量 —还原—→RCHNH2COOH＋H2
由此可见，氨化作用可在多种多样条件下进行。无论水田、旱田，只要微生物活动旺盛，氨化作用都可以旺盛进行。氨化作用产生的铵可被植物和微生物吸收利用，是农作物的优良氮素营养。未被作物吸收利用的铵，可被土壤胶体吸收保存。但在旱地通气良好的条件下，铵态氮可进一步为微生物转化。
（3）硝化过程：指氨或铵盐在微生物作用下转化成硝酸态氮化合物的过程。它是由两组微生物分两步完成的。
第一步铵转化成亚硝酸盐：
2NH4++3O2 —亚硝化微生物—→2NO2-+2H2O+4H+
第二步：亚硝酸盐又转化成硝酸盐：
2NH4++O2 —硝化微生物—→2NO3-
该硝化过程是一个氧化过程，只有在通气良好的情况下才能进行。所以水稻田在淹水期间主要为氨态氮，硝态氮很少，旱地土壤一般硝化作用速率快于氨化作用，土壤中主要为硝态氮。 硝态氮也是为植物所吸收利用的优良氮源，所以可以利用土壤硝化作用强度来了解旱地土壤的供氮性能。
（4）反硝化作用：指土壤中硝态氮通过硝化作用形成气体氮逸出进入大气的过程。
2NO3- —→2NO2- —→2NO —→N2O —→N2
反硝化作用主要由反硝化细菌引起。在通气不良的条件下，反硝化细菌可夺取硝态氮及其某些还原产物中的化合氧，使硝态氮变为氮气损失。
2、 无机态氮的转化过程：无机态氮包括硫酸铵、硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、一水合氨等。这些都属于不稳定的化合物，易氨化释放出氨，同时也遵循硝化过程和反硝化作用。田间施用时，尤其在密闭环境中施用，除应注意土壤适当湿度和通透性外，还应掌握少施、勤施和深施。如施用不当，极易熏坏叶片，甚至造成全株死亡。
以尿素为例：
尿素虽属有机氮肥，但因结构简单，其转化过程与无机氮肥基本相同。尿素施入土壤后，以分子状态存在，尿素分子与土壤中黏粒矿物或腐殖质上的功能团以氢健的形式相结合，在很大程度上可以避免尿素在浇水后淋溶流失。另外，尿素在土壤中可以在脲酶的作用下转化为铵态氮，供作物吸收和土壤胶体吸附。土壤中大多数细菌、放线菌、真菌都能分泌脲酶，其转变如下：
CO（NH2）2＋2H2O —脲酶 —→（NH4）2CO3
碳酸铵可以进一步水解产生碳酸氢铵和氢氧化铵：
（NH4）2CO3＋H2O ———→ NH4HCO3＋NH3H2O
上述反应式说明，尿素同无机态氮中的碳酸铵、碳酸氢铵、一水合氨一样，易分解释放出氨。因此尿素施在表层易引起氮素流失（以氨气形式挥发），形成氨害，甚至全株死亡，这种由于施用不当所引起的损失在保护地密闭环境中并不少见。
