氮素循环是自然界中氮及化合物通过生物作用进行相互转化的过程，涵盖
固氮、氨化、硝化与
脱氮四个环节。大气中氮气占比79%，陆域生物活体有机氮约110-140亿吨，土壤、海洋分别储存有机氮3000亿吨与5000亿吨，构成主要氮库。植物仅能吸收铵盐和硝酸盐，微生物分解有机物释放的氨经硝化作用转化为硝酸盐，硝酸盐通过
反硝化作用返回大气，该过程可能导致土壤氮流失及臭氧层消耗。
目前，陆地上生物活体中贮存的有机氮总量为110～140亿吨，这部分氮的数量虽不算大，但它于迅速再循环中，可反复供植物利用。存在土壤中的有机氮估计为3000亿吨，逐年分解为无机氮供植物利用。海洋中有机氮约5000亿吨, 海水中还溶有氮约2.2×10（亿吨），被海洋生物循环利用。
氮素循环过程中的几个主要环节是：①大气中的分子态氮被固定成氨（固氮作用）；②氨被植物吸收合成有机氮并进入食物链；③有机氮被分解释放出氨（氨化作用）；④氨被氧化成硝酸；⑤硝酸又被还原成氮，返回大气（脱氮作用）。
氮的两个原子以3键结合，每克分子氮需160千卡能量才能将两个原子分开。能提供能量进行氮固定的途径有①
生物固氮：自然界存在多种
固氮微生物，它们利用化学能或光能将氮还原为氨。这是地球上固定氮的重要途径；②工业固氮:用高温、高压、化学催化的方法,将氮固定为氨；③高能固氮:高空放电瞬间产生的高能,使空气中的氮与水中的氢或氧结合，产生氨或硝酸，由雨水带至地表。
植物和微生物吸收铵盐和硝酸盐，将无机氮同化为有机氮，动物食用植物，将植物有机氮同化为动物有机氮。动物代谢过程中向体外排泄氨、尿酸、尿素以及其他各种有机氮化合物。另外，动物分泌物和动、植物残体被微生物分解也释放氨。
硝酸盐在微氧或无氧条件下，能被多种微生物还原成
亚硝酸盐并进一步还原成分子氮，返回大气。这种反硝化作用一是造成土壤耕作层的氮肥损失，二是其部分产物（NO及N）能造成环境污染。另外，NO及N上升至同温层，与臭氧结合，使浓度降低，从而减弱对太阳光中紫外线的屏蔽作用，将会造成不良后果。