氮循环（Nitrogen cycle）是指自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换的物质热力学循环，通常包括固氮、硝化、吸收、氨化和去氮五个步骤。

氮循环是地球各圈层间氮元素循环与转化的关键环节，不仅维持着生态稳定，还通过支持植物的生长与发育来维护碳氮平衡。然而，人类活动却对氮循环产生了显著影响，破坏了自然界的氮平衡。化石燃料的燃烧和汽车尾气的排放导致大气中氮氧化物含量增加，进而形成了危害人类健康和生态系统的光化学烟雾。此外，氮氧化物还经过化学反应形成酸雨，加速了土壤酸化过程，对土壤质量和生产力造成了不良影响。这些影响对生态系统的稳定性和生物多样性构成了严重威胁。

氮循环（氮 cycle）是指自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换的物质循环过程，通常包括固氮、硝化、吸收、氨化和去氮五个步骤。在不同研究方向的定义和侧重点也略有不同：

在动物学研究中，氮循环主要关注氮在大气、土壤和生物体之间的迁移和转化过程。大气作为最大的氮气（N₂）库，虽然其中的氮对于大多数生物来说难以直接利用，但通过固氮作用，这些氮能够被转化为生物可利用的形态。固氮作用可以通过自然的高能过程（如闪电）、生物过程（如固氮微生物的活动）以及工业过程（如化肥生产）来实现。

在微生物学研究中，氮循环则更多地涉及到氮在地球各大圈层——大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈之间的迁移和转化。

参与氮循环的主要物质有氮、氨、硝酸盐、亚硝酸盐、氨基酸等。

氮（Nitrogen）是一种化学元素，它的化学符号是N，原子序数是7，原子量为14.00，属周期系VA族。在地壳中，氮的丰度约为19ppm。自然界中绝大部分氮以单质分子N₂的形式存在于大气中，约占空气体积的78.1%。氮在常温、常压下为无色、无臭、无味气体，密度1.145克/升，熔点210.00℃，沸点195.795℃，聚变热0.72千焦/摩，汽化热5.56千焦/摩；微溶于水，1毫升水能溶解0.023毫升N₂（0℃）。氮的电子组态为1s²2s²2p³，一个氮原子有7个电子，它在2s和2p轨道上有5个价电子，其中3个（p电子）是不成对的。氮的电负性在所有元素中位列前茅，仅次于氯、氧和氟。由两个氮原子形成的氮分子中，有一个σ键和两个π键，分子结构为N≡N。氮分子的总键能为941.7千焦/摩，这正是氮分子非常稳定的原因。同时，氮还是植物生长必需的营养元素之一，是氮肥和各种复合肥料的主要组分，是动植物体内蛋白质的重要成分。氮在化学工业、石油工业、电子工业、食品工业、金属冶炼及加工等工业中用途十分广泛。

氨（Ammonia），在常温常压下是一种无色气体，具有特殊刺激性臭味。它容易被液化，并且可以迅速溶解于水、醇类等溶剂中。此外，氨还具有很强的还原性，易于与氧化剂发生反应。作为氮循环中的一个关键中间产物，氨可以转化为硝酸盐、亚硝酸盐等，从而为植物的生长提供必要的氮源。

硝酸盐（Nitrate）是由硝酸衍生出的一系列化合物的统称。这些化合物大多为离子形式存在，且几乎所有的无机化合物硝酸盐都溶于水。不过，也有部分硝酸盐不溶于水，例如氧化硝酸铋（次硝酸铋和硝酸铋）等。在氮循环中硝酸盐可以作为植物的氮源，也可以通过反硝化作用转化为氮气释放到大气中。

亚硝酸盐（Nitrite）是一种无色或淡黄色、极易溶于水且极不稳定、易分解的剧毒无机盐。所有的亚硝酸盐都带有剧毒，并且还是一种致癌物质。在氮循环中，亚硝酸盐扮演着重要的中间产物的角色，为硝化细菌提供能量。

氨基酸（氨基 acid）是一种无色结晶或粉末状的物质，作为构成蛋白质的基本单元，每一种氨基酸都有其独特的结晶形状。其熔点通常在200℃以上，能够溶于强酸或强碱中，但在乙醇和乙醚等有机溶剂中则较难溶解。氨基酸主要通过生物固氮作用将大气中的氮气转化为氨，进而合成氨基酸；在生物固氮过程中，某些微生物可以将大气中的氮气还原为氨，这是氮循环的第一步。氨进一步参与氨基酸的合成，从而将氮引入生物体内。

氮循环通常包括五个步骤，分别为固氮、硝化、吸收、氨化、去氮。

固氮（Nitrogen fixation）是指微生物通过特定的生物化学过程，将大气中丰富的氮气（N₂）转化为氨（NH₃）或离子（NH₄⁺）。固氮是自然界中重要的氮循环过程，包括生物固氮、高能固氮和工业固氮三种方式。

生物固氮是指一些微生物和藻类在常温常压下通过体内复杂的固氮酶系统把大气中的分子态氨转化为有机体可利用的氨态氮的过程。生物固氮主要依赖具有固氮能力的低等原核生物，如共生固氮菌、自生固氮菌和蓝菌门等，它们能够将氮气转化为氨或硝酸盐。常见有固氨菌属、拜叶林克氏菌属、固氨螺菌属、梭菌属和豆科共生的根瘤菌等。

高能固氮是指空气中的N₂，转换成NH₃或NO₃-的过程，其通过雷电、太阳高能辐射和火山爆发等自然现象，使空气中的氮气转化为氨或硝酸盐，其中氨溶于水形成铵根，再通过雨水带到地面。

工业固氨是人为地在高温、高压下将氮气还原为铵（氨）的过程，其通过利用高温、高压和化学催化的方法，在工业上合成氨，实现氮的人工固定。例如，弗里茨·哈伯（Haber）和博世公司（Bosch）于1903年首次开发的合成氨技术就是工业固氮的重要应用。在铁催化剂的作用下，氮气和氢气在高温（约500°C）和高压（约200 bar）条件下反应生成氨（NH3）。

固氮过程也受多种因素调控，其中氧气和氨的积累是关键。高浓度氧气和过量氨均会抑制固氮酶活性，影响固氮效率。细胞内ADP与ATP比率也调节固氮酶活性。通过固氮作用，可以使大气中的氮气得以转化为生物可利用的形式，为植物和微生物的生长提供了必要的氮源为生物提供氮源，维持生态系统平衡。同时，通过人为固氮过程生产的合成氨，为农业生产提供了大量的氮肥，提高了农作物的产量和品质，有助于解决全球粮食问题。

硝化（硝化作用）是指氨（NH₃）或铵（NH₄⁺）经过微生物作用氧化转化为硝酸盐（NO₃⁻）的过程。硝化过程由土壤细菌完成，包括两个阶段：首先将氨或铵转化为亚硝酸盐（NO₂⁻），然后再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。这一过程为硝化细菌提供能量。

硝化过程主要受铵根浓度、土壤pH、通气性、温度和有机质等因子影响。中性或碱性土壤最适宜硝化作用的进行，最适pH为6.6~8.8，但在酸性或极酸性土壤中也有硝化作用。处于湿润状态的土壤（其含水量为最大持水量的60%左右）适宜于硝化作用的进行，当土壤中含氧量相对为大气中氧浓度的40%~50%时，硝化作用往往最旺盛。有利于硝化作用的温度为4~40°C。此外，通过硝化作用，氨或铵被转化为硝酸盐，使得氮素能够在生态系统中有效地转移和利用。硝化作用还对土壤肥力和植物生长具有重要影响。硝酸盐是植物易于吸收和利用的氮源，通过硝化作用生成的硝酸盐有助于促进植物的生长和发育。

吸收（Assimilation）是指植物和动物将硝酸盐（NO₃⁻）或其他形式的氮摄入体内并转化为自身组织成分的过程。吸收过程主要是由植物的根部通过主动运输吸收土壤中的硝酸盐，并将其转化为氨，进而合成氨基酸和蛋白质。动物则通过摄取植物或其他动物的氮化合物来获取氮。

光照和温度是影响吸收的重要环境因素。在光照充足的条件下，植物通过光合作用增加ATP的产生，从而促进了硝酸盐还原酶（NR）的活性，加速了硝酸盐到亚硝酸盐的还原过程。大气CO2浓度的升高也可以增强作物对氮的吸收，并且增加作物向籽粒中分配氮的比例，但作物的平均氮浓度也会因此降低。此外，在稻田生态系统中，水稻植株通过吸收土壤中的氮素并转化为秸秆中的氮素以及籽粒中的蛋白质和氨基酸，是氮素转化的主要过程，这不仅对稻田氮素转化具有经济价值，也改善氮肥利用效率。

氨化（Ammonification）是指微生物将有机氮化合物分解释放出氨（NH₃）或铵（NH₄⁺）的过程。氨化过程主要由氨化细菌完成，它们分解死亡生物体、粪便等含氮废物，将有机氮转化为氨或铵，从而释放出氮供其他生物利用。

氨化作用的强弱不仅与有机含氮化合物的数量紧密相关，还深受土壤环境条件的制约。在水分适中、通气状况良好的中性土壤中，氨化作用能够正常进行，并且其作用速度会随着温度的升高而逐渐增强。此外，土壤通气状况的不同会导致参与氨化作用的微生物种类有所差异，从而使得最终产物也有所不同。当通气状况良好时，主要依赖好氧微生物进行作用，最终产物主要为氨；而在通气不良的条件下，则主要由厌氧微生物发挥作用，其最终产物包括氨和胺。在自然水体中，氨化细菌也发挥着重要作用，它们能够将有机氮分解为铵态氮，这一过程有助于降低水体中的总氮浓度，防止过量的氮进入下游水体或沉积物中，从而有效缓解富营养化问题。同时，氨化作用还有助于促进氮以气态（如NH3）形式挥发，进一步减轻水体中的氮负荷。

去氮（Denitrifcation）是指在微氧或无氧的条件下，微生物将硝酸盐（NO₃⁻）转化为氮气（N₂）并释放到大气中的过程。去氮过程主要由反硝化细菌完成，它们在缺氧或无氧条件下将硝酸盐还原为氮气。这一过程有助于将氮从生态系统中移除，从而维持氮的平衡。

对去氮过程影响最大的是土壤中氧的含量，氧不仅影响作用速度，还影响产物的比例。在绝对无氧环境中，去氮过程的主要产物是氢气；而在微有氧及低酸碱度条件下，氨的氧化反应更为显著。可溶性有机质也能刺激反硝化菌的生长，而且在分解过程中还会降低环境中的氧含量，从而增强反硝化作用。此外，去氮过程还能有效地去除河流中的氮素，是解决河流氮污染问题的最佳途径。

在农业生态系统中，氮循环是维持农业生产力不可或缺的自然过程，确保了氮素在生态系统中的有效转化和再利用。氮，作为植物生长的关键营养元素，对于作物的生长和发育至关重要。而氮循环正是这一营养元素在生态系统内部流动和再分配的机制。在中国，尽管耕地资源仅占全球的8%，但却需要养活20%的世界人口。这得益于氮循环为农田提供了源源不断的氮源，使得作物能够持续获得生长所需的营养，从而保证了农业生产的持续性和稳定性。氮循环的复杂性使得氮素能够在不同形态间进行转化，并在生物体和环境之间进行有效交换。例如，通过生物固氮作用，某些微生物能够将大气中的氮气转化为植物可利用的氨态氮；而植物吸收氮素后，又通过凋落物和根系分泌物等方式将其归还到土壤中。此外，土壤中的微生物还会进一步将有机氮转化为无机氮，以供植物再次利用。

据研究数据显示，2010年中国农业生态系统的氮投入总量约为5TgN。这一庞大的氮投入量之所以能够维持生态平衡，并在很大程度上促进农业生产力的发展，正是得益于氮循环的有效运作。通过氮循环，生态系统中的氮素得以充分利用，减少了对外界氮肥输入的依赖，同时也降低了因氮素流失而造成的环境污染风险。

在土壤生态系统中，氮循环对有机碳的分解过程具有显著影响。土壤微生物在维持碳氮平衡时，其活动受到土壤碳氮比（C/N）的紧密调控，从而在很大程度上决定了有机碳的分解速率。氮循环中，微生物对有机质的正常分解所需的C/N比约为25:1。当土壤中的C/N比过高时，有机化合物的分解矿化过程变得困难，分解速度明显减缓。这不仅影响微生物的分解作用，还可能导致土壤中有效态氮素的消耗。

多项研究进一步证实了氮循环在土壤生态系统中的重要作用。例如，妮莉（Nikliáska）等人的研究揭示，土壤呼吸与C/N之间呈现出正相关关系，而与全氮则呈负相关，这进一步揭示了氮循环对土壤呼吸过程的影响。此外，明特迈尔（Meentemeyer）通过对不同地点森林群落的研究发现，N含量的增加会导致木质素分解速率的降低，这再次证明了氮循环在调控有机物质分解过程中的调控作用。

氮循环不仅关乎农业生产和环境质量，更是生态系统健康的关键所在。学者何为媛指出，氮循环在维持湖泊生态平衡方面发挥着重要作用。在湖泊中，氮经历矿化、生物同化、硝化与反硝化、氨挥发等复杂转化过程，形成了完整的循环链。这一循环链确保了氮元素在湖泊中的高效利用与转化，避免了氮素过度积累或不足，从而稳定了湖泊生态系统。此外，特定微生物在氮循环中扮演着重要角色，它们有助于降低水体中氮的浓度，进一步巩固生态稳定。例如，氨化菌、亚硝化细菌、硝化菌和反硝化菌等微生物协同作用，将含氮物质转化为无害的氨气释放至空气中，有效减少了水体中的氮含量。利用这些微生物构建的菌群在模拟实验中展现出强大的脱氨能力，对于治理富营养化水体具有重要意义。

人类活动增加了大气中氮氧化物的含量，例如，化石燃料及生物质燃烧的NO排放、农业生产中氮肥的使用以及人类蛋白质消费后产生的污水排放，都进一步加剧了Nr（活性氮）在大气中的积累。这些氮氧化物不仅自身具有温室效应，加剧全球变暖，而且能与大气中的碳氢化合物等污染物在紫外线作用下反应生成以臭氧为主的二次污染物，形成光化学烟雾，同时还会产生悬浮颗粒物（PM2.5），对人类眼睛和呼吸系统造成伤害，干扰植物的正常生长，缩短建筑物和材料的使用寿命，降低大气能见度等。在20世纪的40、50年代，欧美日本的大城市曾多次遭受光化学烟雾污染的侵袭；而中原地区自1980年代起，部分地区也开始出现类似问题，带来了严重的环境和健康挑战。

此外，N2O是一种温室气体，可输送到平流层，存在寿命超过150年，其单分子增温潜势是CO2的296倍，对全球气候的增温效应在未来将越来越显著。大气中Nr积累的同时，会与悬浮颗粒物或者降水结合沉降到地面，形成酸雨。酸雨中的氢离子与土壤中的碱性物质反应，导致土壤pH值下降，从而引发土壤酸化。土壤酸化不仅影响土壤的结构和肥力，还会释放土壤中的铝、铁等金属元素，进一步加剧酸化的程度。此外，农业生产中氮肥的过量使用也是土壤酸化的重要原因之一。当土壤中的氮素含量超过植物的需求时，它会在土壤中进行一系列生物化学反应，产生硝酸等酸性物质，进一步推动土壤酸化的进程。其次，人类农业生产中的氮肥过量使用也是导致土壤酸化的重要原因。氮肥的施用虽然促进了植物的生长，但同时也导致了土壤中氮素的大量积累。当氮素含量超过植物的需求时，它会在土壤中进行一系列生物化学反应，产生硝酸（HNO3）等酸性物质，进而导致土壤酸化。