1. 氮与氮气
对生物而言最重要的蛋白质，是由氨基酸所构成； 而构成氨基酸的基本元素就是氮( Nitrogen )。主宰一切生命遗传的DNA， 也是由氮构成的。 因此可以这么说:氮是创造生命的基本元素。
大气中有78%都是氮气 ( N2 )。氮气在大气、地壳、海洋动物之间，以各种形态不断循环。陆地上的生物中共存在12,000 ~ 15,000 Gg （1 Gg = 1千吨）的氮， 而落叶等植物遗体中则有 1,900 ~ 3,300 Gg 的氮。植物所含的氮在被动物摄取后，会成为排泄物或遗体，回到土壤圈。
2. 地球上的氮分布
在土壤圈里，以土壤有机物存在的氮共有 300,000 Gg, 以无机物存在的氮有 160,000 Gg； 在根瘤菌等固氮菌作用下，每年大气圈中的氮约有 140 Gg 受到固定。在海洋、湖泊等水圈中，以生物形态存在的氮有 490 Gg, 以有机物形态存在的氮有 530,000 ~ 770,000 Gg； 由藻类所固定的氮，每年有约30~130 Gg。人类在进行生产活动时的燃烧行为，每年会有20~30 Gg 的氮， 以氨（NH3) 或者氮氧化物（NOx )的形态被排放至大气圈。 土壤圈每年有100~160 Gg 的氮， 水圈每年有 30~180 Gg 的氮，在微生物的作用下，以氮气或者一氧化二氮（N2O) 的形态被排放至大气圈。植物无法直接利用大气中的氮， 但在雷和宇宙射线的作用下，每年约有10~40 Gg 的氮落在地表， 有5~30 Gg 的氮随着雨水流入水域，提供植物和微生物利用。
3. 植物无法直接利用氮
植物可以固定或者释放碳， 却无法直接利用氮。 这一点正是碳与氮最大的差异。植物虽然无法直接运用大气中的氮， 但某些微生物则可以。这种微生物叫做固氮菌。固氮菌有些就像根瘤菌一样栖息在植物的根部，有些则独立存活在根部的土壤之中。除了微生物外，雷或者宇宙射线等自然现象也能造成大气中的固氮作用。 因为雷而氧化的氮会随着雨水落入地面； 俗话说的 “多雷年，庆丰收”，就是因为这个道理。
4. 土壤中的氮循环
氮可以通过氧化或者还原变化成各种形态。氮以动植物遗体或堆肥的形态进入土壤的有机物中，含有有机态氮； 这些有机态氮被微生物分解后，会变成氨基酸，最后变成铵根离子。 化肥大多以铵盐的形态施用。铵根离子在硝化菌的作用下，先被催化为亚硝酸根离子，接着再被催化成硝酸根离子，最后被作物吸收。土壤这时如果像水田一样呈现还原状态，那么亚硝酸根离子和硝酸根离子便会在微生物（脱氧菌）的作用下还原成氮气（N2)。 此现象叫做脱氮作用。 由于此现象会使肥料失去作用，因此人们通常不喜欢。 不过在净化污水时则受到广泛利用。 另外，在脱氮作用进行的过程中，可能会出现造成全球变暖的一氧化二氮。 这些氮的形态的变化，仰赖的是各种微生物，而这些微生物都是将铵根离子转化为蛋白质来构成菌体的。 这就是氮的有机化。 植物遗体和菌体中的有机态氮有时也会缩合聚合，成为腐殖质。
和碳循环相似，不同的土壤状态，例如自然林地、 旱田、 水田，其中的氮循环有着很大的差异。下面我们分别来看这三种土壤中的氮循环：
(1). 森林能净化环境
在没有施肥，也没有收割的自然成熟森林（阔叶林）中， 成熟的自然林地， 草木的含氮量约每公顷312千克。 每年的生长，需要从土壤里吸收86.7千克的氮，还有落叶树枝等40.2千克的氮落回土壤。 通过降雨带来的氮， 每年约5.5千克，流出的只有0.6千克。从净收支来看，相当于每年从大气固定4.9千克的氮。 这个数量，可以被认为是正常的自然环境的氮负荷。
（2） 旱田能促进氮的无机化
露天旱田与自然森林的最大不同，就是旱田会进行施肥，而且收成的作物会被带离这个系统。另外，由于栽培作物时会先整土，壤土变软，再除去杂草，因此氧气的供给相当充分，土壤呈现氧化状态，有机物也会迅速进行分解。有机物和肥料经过无机化而形成的铵根离子，会迅速地变成硝酸根离子。 由于硝酸根离子是负离子， 因此不会吸附在土壤颗粒上，而是直接溶于渗透水中，流入地下水。
可以看到，露天旱田从肥料中得到342.5千克的氮，远远超过自然森林的摄入量。这些氮，有不小的比例渗入地下水而流失。土壤中仍然残存了61千克。 这个量远高于自然森林，对于环境的氮负荷，压力要高很多。
（3）水田在脱氮作用下具有净化功能
水田也是以栽培为目的的土地，因此与旱田一样，会进行施肥，并将作物收割。但是受到水的影响，与旱田有了极大的区别。 在淹水期，土壤能够得到的氧气受到限制，水田呈现还原状态，出现脱氮作用。水田从五月起开始淹水，插秧； 秋天收成后，隔年一月开始进行排水。 进入水田土壤中的氮， 有来自肥料的，来自降雨的，和来自灌溉水的（水田用水量大）。 除去作物吸收的以外，而流失和渗入地下的量都不算多， 还有32千克。 这32千克基本上都在脱氮作用下变成了氮气，排到大气中。
综上所述，可以看出， 旱田会造成环境的氮负荷，但是森林和水田却拥有净化氮的功能。如果有由山地经过平地连接海岸的这种地形，可以在土地利用上多花一些心思，便能巧妙地降低环境中的氮负荷。位于台地或者丘陵地的旱田具有氧化性，而位于山谷或低地的水田则可通过淹水进行还原。因此，只要有效活用从山地的森林、台地到丘陵的旱田，再到低地的水田这种连续地形，便能达成连锁性的土地利用。如此一来，水就会依序顺着山地、台地、低地移动，构筑出一个通过氧化–还原来吸附氮或脱氮的系统，在进行农业生产的同时，也能降低环境的氮负荷。
5. 其他肥料元素的循环
钙（Ca ）、镁（Mg）、钾（K）等肥料成分，几乎不会与大气圈产生循环。主要的循环过程是： 存在于土壤圈的元素会被植物吸收，而动物食用植物后，这些元素便随着动物的遗体或粪便再次回到土壤圈。在海洋及湖泊等水圈也有同样的循环，土壤圈的元素被河川等水流带入水圈后，这些无机元素会和地壳中的无机元素互相置换，进行包括地壳在内的循环。不过，只有硫（S）在氧化后变成硫氧化物（SOx），进行包括大气圈的循环。 这是因为人类的生产活动会将硫氧化物（SOx）排放至大气中，于是形成酸雨，再回到地表的缘故。
