氮循环是生态系统中维持生物生命活动的基础物质循环，属于气体型循环。氮在生物圈中仅占生物总量的0.3%左右，但却是生物的必需营养元素；氮是生物体内蛋白质、酶以及核酸（脱氧核糖核酸，DNA；核糖核酸，RNA）的重要组成元素。在自然生态系统中，固氮微生物（包括共生固氮菌）把大气分子氮（N₂）转换为生物可利用的活性氮（如铵态氮和硝态氮）；但由于这种固氮能力经常受到能量和其他营养物质可用性的限制，所以氮是生态系统最常见的限制元素。氮循环直接关系到生态系统的生产力和生态系统的规模，从而影响着全球生产力的高低。

氮通常以-3价至+5价的氧化还原状态存在，包括N₂单质分子和各种有机氮化合物，在循环过程中容易被氧化或还原成多种氮氧化物和氮氢化物，主要包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、氧化亚氮（N₂O）、硝酸根离子（NO₃^-）、亚硝酸根离子（NO₂^-）、氨气（NH₃）和铵根离子（NH₄⁺）。氮在生态系统中的转化和利用需要种类繁多的微生物的参与，这决定了氮的生物地球化学循环在生物圈的复杂性和独特性。氮循环包含了生物固氮作用、同化作用（植物将活性无机氮或动物将有机氮转换为自身有机氮的过程）、氨化（脱氨）作用（微生物分解含氮有机物最终产生氨的过程）、硝化作用（硝化菌在好气条件下将氨氧化为硝酸的过程）、反硝化（脱氮）作用（反硝化菌在缺氧条件下还原硝酸盐释放出N₂或N₂O的过程）以及厌氧氨氧化过程（在污水、海洋和沉积环境中由厌氧氨氧化菌使NH₃和NO₂^-盐反应生成N₂的过程）等生态化学过程。含氮气体中N₂O是最主要的温室气体之一，因此氮循环也是全球变化科学的重要研究内容。

大气是生态系统中最大的氮库（N₂占大气体积的78%），而海洋、岩石和沉积物中的氮含量相对较低。大气中的氮以惰性的N₂存在于自然界，只有通过生物固氮、工业固氮（高温高压催化氮气和氢气合成氨的过程）和非生物固氮（即通过闪电、高温放电等固氮，以及化石燃料燃烧、农业施肥等人类活动产生活性氮）等方式被转换成氨和其他含氮化合物，输送到陆地生态系统的土壤中。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐（硝化作用），植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮；动物则通过直接或间接食用植物，将这些食物中的有机氮同化成动物体内的有机氮（同化作用），供给自身生命活动。动植物残体、代谢废物和分泌物中的有机氮被微生物分解形成氨（氨化作用）；在厌氧条件下，经反硝化细菌最终将硝酸盐中的氮还原成N₂（反硝化作用）释放回到大气中，完成一次循环。

大气活性氮沉降和微生物固氮，是氮进入淡水生态系统的重要途径。氮在水生生态系统中发生的氧化和还原反应是由微生物介导的。氨在水中经硝化作用转换成亚硝酸盐和硝酸盐，向下游运输并进入地下水，最终硝酸盐和亚硝酸盐在厌氧条件下经反硝化作用和厌氧氨氧化作用，转化为氮氧化物和N₂回到大气。

海洋氮来源于大气氮沉降、河流氮输入和微生物固氮，其氮循环也是由复杂的生物地球化学转化驱动的，包括生物固氮、硝化与反硝化、氨化与同化以及厌氧氨氧化等过程。氨和尿素通过浮游生物的排泄物释放到海水中，当下沉到透光区以下深度后，氨被硝化细菌转化为亚硝酸盐和硝酸盐。硝酸盐可以通过垂直混合和上升流返回到透光区，再次被浮游植物吸收而继续进行氮循环。同样，海洋中的氮也可以通过反硝化作用和厌氧氨氧化作用以N₂气体形式返回大气。

在工业革命之前，地球上绝大多数的活性氮是由微生物固氮产生的，并通过反硝化作用、厌氧氨氧化作用和掩埋于沉积物中的方式达到生态系统内的氮平衡。但近代人类活动规模和强度的增加剧烈地改变了氮元素在生态系统中的转化和迁移过程及生态效应。

工农业活动（如生产含氮化肥、种植豆科植物）固定的氮超过了自然界原有的固氮量。农田施肥、畜禽养殖、化石燃料燃烧和生物质燃烧等人类活动使得大气中活性氮（如NH₃、N₂O）的浓度急剧增加；NH₃在雾霾形成过程中扮演着非常关键的角色，N₂O是一种温室气体，其温室效应比相同数量的二氧化碳分子高200倍。这些大气中的活性氮，最后以颗粒、溶解和气态形式沉降返回陆地和水生生态系统中，导致土壤酸化和氮养分失衡，从而影响许多生态系统过程。各种未经处理的含氮的工农业废水和生活污水进入水生生态系统，造成这些生态系统的养分失衡和水体污染；由此产生的富营养化会导致有害藻华和赤潮发生的频度和面积增加、水体缺氧和水生动物因缺氧死亡，并造成栖息地退化、生物多样性丧失、渔业损失等。过度使用化肥还会导致地下水中硝酸盐和亚硝酸盐的大量积累，从而造成严重的环境和健康问题。

氮元素与碳、磷和硫都是生物体的必需元素，在全球生物地球化学循环中处于核心地位。自然界中的氮循环与这些元素的循环都是紧密联结的。而人类活动的干预打破了自然条件下氮循环与其他元素的耦合关系。了解氮循环规律将有助于确定生物地球化学循环对生态系统各方面的作用。人类活动对全球氮循环的影响也需要更加深入地研究。