氮循环是氮在地球大气层、生物、土壤、水体和沉积物之间迁移并改变其化学形态的一系列过程。它是一种生物地球化学循环，其中生物转化、化学反应与物理输运相互作用。氮是蛋白质和核酸的组成元素，对生命至关重要，但其可利用性取决于化学形态。微生物将大气中的氮转化为可利用的化合物，回收有机质中的氮，并将氮释放回大气。(openstax.org)
储库与化学形态
按体积计算，氮分子（N₂）约占干燥空气的78%。其牢固的三键使它在通常条件下较难发生反应，大多数生物无法直接将其转化为体内的生物化合物。因此，大气中氮含量丰富，并不意味着生物生长所需的氮供应充足。(noaa.gov)
其他重要形态包括氨（NH₃）、铵离子（NH₄⁺）、亚硝酸根（NO₂⁻）、硝酸根（NO₃⁻），以及有机质中的氮。这些形态存在于土壤、生物和水环境中。氮的可利用性可能限制生态系统内的初级生产和分解过程。不同无机氮化合物的迁移能力及生物可利用性有所差异，其中硝酸盐尤为重要，因为它很容易随地表水和地下水迁移。(epa.gov)
固氮
固氮将N₂转化为化合态氮。在生物固氮过程中，微生物利用固氮酶将N₂还原为氨。这一过程需要能量和还原力。固氮酶对氧敏感，因此固氮生物需要借助特定机制或环境来保护其活性。(openstax.org)
固氮既发生于自由生活的微生物中，也发生于共生关系中。统称为根瘤菌的细菌栖居在豆科植物的根瘤内，为宿主植物提供固定的氮。某些蓝细菌也能固氮，为水环境输入氮。这些生物将庞大的大气氮库与生物群落中循环的氮联系起来。(openstax.org)
非生物固氮可通过闪电发生：闪电使氮与氧发生反应，形成随后可进入土壤的氮氧化物。工业固氮采用哈伯法，在高温高压下使氮与氢化合，生成氨。这种氨是生产含氮肥料的主要原料。(openstax.org)
同化与氨化
同化作用将无机氮转化为有机化合物中的氮。植物和微生物从可利用的化合物中获取氮，动物则通过食物获得氮。因此，氮通过食物网传递，而不是由大气中的N₂直接进入大多数消费者体内。生物吸收氮后，会将其暂时储存在生物量中，但不会使其永久退出循环。(epa.gov)
氨化作用使有机氮重新进入无机氮库。在分解作用过程中，微生物分解死亡生物和废弃物中的含氮物质，释放铵离子。细菌和真菌都参与这一再循环过程。随后，铵离子可能再次被同化、通过硝化作用转化，或被输运至其他地方。在土壤氮收支中，微生物将无机氮纳入有机质的过程也称为氮的固定化。(openstax.org)
硝化作用
硝化作用是微生物将氨经由亚硝酸盐氧化为硝酸盐的过程。按照传统描述，氨氧化微生物完成第一阶段，亚硝酸盐氧化细菌完成第二阶段。氨氧化微生物既包括细菌，也包括古菌。这些转化将还原态无机氮与氧化程度更高的硝酸盐库联系起来。(nature.com)
简化的转化顺序为：
NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻
这表示氮形态的变化，并不是配平的化学方程式。由两类微生物分工完成硝化的情况并非普遍适用：2015年发表的研究证实，某些硝化螺旋菌属（Nitrospira）细菌能够完成全程硝化。这类生物称为全程氨氧化微生物（comammox），可由同一个生物体完成氨氧化和亚硝酸盐氧化两个过程。(nature.com)
反硝化作用与其他途径
反硝化作用通过一系列逐步还原的中间产物，将硝酸盐转化为气态氮。常见的转化顺序为：
NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂
这条途径使氮能够以N₂的形式返回大气。其反应中间产物包括一氧化氮和一氧化二氮；在气态产物逸出之前，转化不一定完全进行到生成N₂的阶段。(pubs.usgs.gov)
厌氧氨氧化通常简称为anammox，是另一条生成N₂的途径。厌氧氨氧化细菌在无氧条件下转化铵离子和亚硝酸根。对河流沉积物的测量表明，这条途径可对氮损失作出显著贡献，不过其重要性因环境而异。(nature.com)
与之不同的途径是异化硝酸盐还原成铵（DNRA），它将硝酸盐转化为铵。与生成N₂的途径不同，这一过程使氮保留在仍可被生物利用的形态中。稻田研究表明，DNRA与反硝化作用之间的竞争会影响氮的保留和损失。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
输运与人类影响
化学转化与物理迁移同时发生。硝酸盐可通过淋溶进入地下水，而地表径流则将氮带入溪流及其他受纳水体。大气沉降为陆地和水体输入氮。进入海洋的部分氮会被埋入沉积物，将生物再循环与更长期的地质储存联系起来。(epa.gov)
人类活动通过施肥、畜禽粪便、废水排放和化石燃料燃烧，增加氮的输入并改变其分布。未被农业系统保留或利用的氮可能进入下游水体或大气。(epa.gov)
过量的营养物质输入可造成富营养化，促进藻类生长，并减少水生生物可利用的溶解氧。氮循环中产生的一氧化二氮也是一种温室气体。生物废水处理有目的地利用氮的转化过程：硝化和反硝化作用使含氮化合物发生转化，而基于厌氧氨氧化的系统则提供了另一条脱氮途径。(epa.gov)