土壤中的氮素属于非矿物质养分，主要来源于外源填加的有机物和无机物，少量的是由豆科作物的根瘤从空气中固定的氮。这种氮在土壤中占的比例很小。大多数外源氮是通过施用有机肥和无机肥得来的，少量的氮是通过下雨将空气中的氮带入土壤中。土壤中氮存在的形态分为无机态氮、有机态氮和有机无机氮三种。
1、 无机态氮
土壤中的无机态氮都是作物的速效养分，都可以直接被作物所吸收，在一定条件下土壤中速效氮的浓度与施肥和作物的生长具有一定的相关性，如果土壤中速效氮的含量降低就会引起作物的缺素现象。施用氮肥就是向土壤中补充速效的氮来满足作物生长的需要。无机态氮是直接施入土壤中的化学肥料或各种有机肥料在土壤中微生物的作用下经过矿化作用转变成的，主要包括游离氮、铵态氮、硝态氮、亚硝酸态氮等：
游离氮是指土壤中的氮气，施入土壤中的各种有机肥无机肥经过物理化学反应释放并存储在土壤水溶液中游离的氨气，它们是以分子形态存在的。
铵态氮是指在土壤中以铵离子（NH4+）形式存在的氮，这种离子一般在好气条件下含量较高。铵离子在土壤溶液中可分为游离态的离子和铵的氢氧化物两种。游离态的铵离子是指在粘土矿物表面的交换性铵离子和土壤溶液中的铵离子。铵的氢氧化物是指土壤溶液中的NH4OH，有时以分子态形式存在。
硝态氮离子是指以硝酸根（NO3-- ）形式存在的氮，它们一般都不会被土壤固定，硝态氮离子的含量与溶液的浓度、PH值、土壤温度、土壤空气占的比例都有密切的相关性。
亚硝态氮离子是指以亚硝酸根（NO2-- ）形式存在的氮，亚硝态氮离子的含量与土壤的淹水条件有密切的相关性，在厌气条件下硝态氮经过还原可转化为亚硝态氮的离子或形成亚硝态氮的化合物。
2、 有机态氮
土壤有机态氮占土壤中全氮含量的90%左右，有机氮主要是指土壤中动、植物残体中所含的氮素、它们一般通过施用有机肥料、如秸杆还田的秸杆肥、动物残体、人工施用的牲畜和人的排泄物等，土壤中有机态氮的含量与有机肥的施用量和土壤有机质的含量有密切的相关性。它们在土壤中以有机物形式装载着氮素，这些氮素主要以各种氨基酸、氨基糖、嘌呤、嘧啶、维生素等形式存在。它们绝大部分以固体形式存于土壤中，有机态氮的释放取决于土壤中有机物的分解，经过有机物的分解而释放出氮的离子而转变为无机态氮。有机氮具有长效的作用，有机态氮主要存在于动、植物的残体中。生物态氮是近年来才提出的带有生物活性部分氮。生物态氮主要是指土壤中的一些动物、微动物、微生物中所含的氮，这些氮主要以活体的形式存在，它们主要是蚯蚓、鞭毛虫、线虫、各种活性酶、细菌、真菌、放线菌等以活体形式存在的氮素，土壤中的生物态氮随着菌类、微动物、动物的活与死起着转化作用。在不同的土壤条件下生物态氮和有机态氮之间起着互促和互相转化的作用。根据它们在土壤中的可溶解性能可分为：
易水解的有机氮：是指在土壤中的低分子有机物如氨基酸、肽、酰胺等。这类有机物容易被土壤中的水或弱酸溶液溶解。
难水解性有机氮：是指土壤中的部分高分子的化合物如腐殖质、核蛋白、纤维素、脂肪等，它们在土壤中的溶解速度很慢，有的需要几十年甚至几百年，还需要多种酶的作用才能分解。
3、有机无机氮：是指被粘土矿物固定的氮，固定态的铵存在于2：1型的粘土矿物晶格层间，它们的含量主要取决于粘土矿物的类型、土壤质地等土壤因素。这种离子随着土壤溶液和粘土矿物晶格中离子的浓度梯度而成为动荡的离子。
二、 土壤中氮素的转化
在土壤中氮素的来源很复杂，少量的氮来自于土壤中固氮菌的固氮作用和降水所带来的氮素（每年由降水给土壤带来的氮素约每公顷6-9千克）。绝大部分来源于施肥，这些氮在土壤中总是处于不断地转化的，不同的条件下氮素在土壤中转化的形式不同：
1、 矿化作用：
矿化作用是指在土壤中的有机物经过矿化作用分解成无机氮素的过程，有机物的矿化过程需要在一定温度、水分、空气及各种酶的作用下才能进行。矿化作用主要分为两步：水解作用和氨化作用，水解作用是指在蛋白质水解酶、纤维素水解酶、木酵素菌等各种水解酶的作用下将高分子的蛋白质、纤维素、脂肪、糖类分解成为各种氨基酸，这些氨基酸的分子量比较低，结构也比较简单。氨化作用是指土壤中的有机氮化物在微生物——氨化细菌的作用下进一步分解成为氨离子（NH4+）或氨气（NH3）。氨化过程与土壤条件有密切的相关性，在土壤湿润、土壤温度为30—45℃、中性→微碱性条件下氨化作用进行的较快。氨化作用的结果是产生大量的氨，氨溶于水形成铵离子（NH3+H2O→NH4++OH-）。铵离子在土壤水溶液中可以被作物吸收、被土壤胶体吸附固定或是经过硝化作用转化为硝态氮。
2、 硝化作用
土壤中的氨（NH3）或铵离了（NH4+）在硝化细菌的作用下转化为硝酸的过程叫硝化作用，氨在亚硝化细菌的作用下被氧化成亚硝酸。亚硝酸的存在是在淹水厌气条件下比较适宜，如果通气条件较好又有适宜的温度亚硝酸很不容易在土壤中存在或积累，很容易在硝化细菌的作用下进一步氧化成为硝酸。
亚硝酸细菌
2NH3+3O2———→2HNO2+2H2O
硝化细菌
2HNO2+O2———→2HNO3
硝化作用是受多方面因素影响的，与土壤水分、土壤温度、PH、施肥种类、有机质含量等有着密切的相关性，亚硝化细菌和硝化细菌都是好气性微生物。在温度为25—30℃，土壤的田间持水量为50—60%时土壤中的硝化作用最为强烈，土壤PH是影响硝化作用最重要的因素，PH低硝化作用就低，在PH为6.5—7.5的中性环境中硝化作用最为活跃。硝化作用产生的硝态氮是作物最容易吸收的氮素，特别是白菜、甘兰、芹菜、生菜等叶菜类蔬菜极喜吸收硝态氮。
3、 反硝化作用
反硝化作用是硝酸盐或亚硝盐还原为气体分子态氮氧化物的过程中。当土壤处于通气不良的条件下，土壤中的硝态氮或亚硝氮在反硝化细菌的作用下发生分解作用，其反应过程为
NO3-—→NO2- —→NO—→N2↑
氮的反硝化作用和硝化作用一样受到土壤温度通气条件、土壤含水量、土壤中有机碳含量、植物根系、施用肥料的种类和数量有关。反硝化过程是一个在厌气条件下的微生物分解过程，足够的氧气可以抑制硝酸还原酶的活性，长期的渍水会促进反硝化作用的进行，降雨也可以促进反硝化作用的进行。温度是影响反硝化作用的重要因素，温度过高或过低对反硝化作用都不利，在较低温度下反硝化作用受到抑制，而在60—70℃以上反硝化作用也受到抑制。土壤有机碳的含量与反硝化损失量呈现显著的相关性。耕作也可以引起土壤物理性质和生物性质的变化影响反硝化作用，植物根系分泌物和根系脱落物进入土壤中能够提高土壤中氮的反硝化作用，土壤中硝态氮（NO3—N）的含量和施氮量也直接影响反硝化作用的程度，这是因为不同种类型和不同数量的施肥直接影响土壤中铵态氮的浓度和铵离子的硝化作用，对反硝化作用有一定的影响作用。
4、 土壤中的生物固氮作用
土壤中的生物固氮作用是指通过一些生物所有的固氮菌将空气（土壤空气）中气态的氮被植物根系所固定而存在于土壤中的氮，这种氮在初期是以氮气分子的形式被固氮菌所捕获，然后在固氮菌的作用下转化成铵态氮，生物固氮作用一般发生在豆科作物的根系，生物固氮作用的强弱与根际的旺盛、作物种类、根际通气条件、氮肥施用量有关，一般在幼苗期固氮作用较弱，需要适量施用些氮肥促进根系的发育，当根系强壮以后，随着植株的生长固氮能力不断增强。
5、 土壤对氮素固定与释放
土壤中的氮素在处于铵离子状态时可以从土壤溶液中被颗粒表面所吸附，另一方面被土壤吸附的铵离子还可以被释放出返回土壤溶液中。在一定条件下铵离子在固相和液相之间处于一种动态平衡状态
NH4+（固相） NH4+（液相）
铵离子在固相和液相之间的动态变化取决于很多因子，首先起决定作用的是液相中铵离子的浓度，某种意义上来说铵离子从液相到固相是被动吸收，当施肥后溶液中铵离子浓度较高时，铵离子即从液相中分离出来转移到固相,形成固相—液相铵离子的平衡状态，而当作物生长到一定程度，由于作物对土壤溶液中铵离子的吸收，使得液相中铵离子浓度低于固相，再加上作物根的吸附作用使得铵离子从固相释出来，返回到液相以满足作物生长的需要。铵离子在固相和液相之间的移动还取决于土壤固相吸附能力，一般砂土地的吸附能力低于粘土的吸附能力，土壤粘粒对铵离子的吸附能力很强，粘粒含量高的、粘粒大的土壤对铵离子的吸附能力强。土壤有机质是膨松的团粒，它对铵离子的吸附能力很强，有机质含量高的土壤对铵离子固定能力强；灌溉同样影响铵离子的固定、吸附和释放；由于浇水使土壤溶液量的加大，土壤溶液浓度下降、土壤晶格也吸水膨胀、原来在土壤上固定的铵离子可能转化为吸附态的离子，甚至被解释下来到土壤溶液中。土壤晶格固定、吸附铵离子的量与植物生长、植物根的量、根的吸收动力有很大关系，当根量多时对铵离子的吸附力很强，很容易将铵离子从土壤晶格中吸附出来，减少铵离子在土壤中的固定6、氮素在土壤中的淋溶作用
土壤中以硝酸或亚硝酸形态存在的氮素在灌溉条件下很容易被淋溶，随着灌溉水的下渗作用，溶液中的硝酸根和亚硝酸根同样下渗，下渗后被深层土壤所固定，当灌溉水多时，下渗水中的硝酸根离子也会渗漏到地下水中，一方面造成肥料的浪费，另一方面造成对地下水的污染。
7、氨的挥发作用
铵和氨之间总是在互相转化，发生着土壤溶液中的动态平衡
NH4+OH- —NH3 + H+ + OH-
氨的挥发主要决定于土壤表层的铵离子浓度、土壤的阳离子代换量、土壤表层的温度、土壤表层的PH值以及光照、风速等。土壤PH升高，土壤中氨态氮所占的比例就大。挥发损失就容易，温度升高、光照强、风速大也容易造成氨的挥发。土壤的阳离子代换量大，氨的挥发损失小，土壤在处于潮湿和湿润状态氨的挥发损失就小，因此施用肥料后应进行覆土或灌溉，施肥时间应放在早、晚气温低的时候。
8、作物对氮素的吸收作用：
氮素是作物需要量最多的元素，所有的作物在全生育期对氮素的需求量都比较大，不同的作物的吸收量不同，同种作物不同生育期的吸收量不同，一般说来在作物的幼苗期，作物的吸收动力小，对氮素浓度的承受力也小，在作物的生长盛期对氮素的需求量最大，生长后期的吸收量减少。在不同生育期的吸收量占总吸收量比例不同。
不同作物不同生育期对氮素的吸收量占总吸收量的比例（%）
