众所周知，植物生长需要阳光、空气、水分和养料，其中养料又包括种类众多的营养元素。氮素（N）作为植物营养的三大要素之一，是构成蛋白质的主要成份，也是叶绿素的组成成份，因此氮的多寡会直接影响植物的各项生命活动。如果缺乏氮素，绝大多数植物会表现出植株矮小，叶色发黄，最终导致其不能正常生长。

由此看来，氮素对植物有着举足轻重的作用，那么在自然界中，植物所需的氮素是通过什么途径获取的呢？有的朋友会想到，空气中氮气（N₂）的含量高达78%，植物是否可以直接吸收氮气并加以利用呢？的确，空气中氮元素含量十分丰富，但由于氮气分子的性质十分稳定，因此很难被植物直接吸收利用，这就类似于在海上航行的人，即使面对着汪洋大海，却不能喝海水止渴。不过，大气中丰富的氮元素可以通过以下两种方式转化为植物可吸收利用的形态：

第一种方式是通过蕴含巨大能量的闪电，把大气中的氮解离并重新与氧结合生成氮的氧化物（如NO、NO₂），之后这些氧化物溶于雨水并渗入土壤，最终成为植物可以吸收利用的形态，如亚硝酸根（NO_2^-）及硝酸根（NO_3^-）。

第二种方式是土壤中的微生物将空气中的氮元素进行还原，生成植物可利用的氮肥。例如有一种名为根瘤菌的微生物，它的绝活儿就是通过细胞内的一种酶将空气中游离态的氮还原成NH_4⁺态氮肥供植物利用。这种根瘤菌最早是在豆科植物中发现的，它首先侵入到豆科植物根部，再刺激植物在根部形成一个个根瘤，根瘤菌则被包裹在其中。豆科植物向根瘤供给水分、营养物质、矿物质元素等保证根瘤菌的生存，根瘤菌则为豆科植物提供氮肥。豆科植物和根瘤菌之间形成了一种互利共生的关系。

然而，虽然有以上两种途径为植物提供氮素，自然界中的植物还是大多处于氮饥饿的状态。这是因为植物对氮元素的需求较大，并且其主要吸收的氮素形态——铵离子（NH_4⁺）和硝酸根离子（NO_3^-）都容易损失。硝酸根离子容易从土壤中随水淋失，同时也容易在微生物的作用下变成N₂O、N₂等气体挥发，铵离子则容易被土壤中的粘土矿物和有机质固定。为了提高作物产量，人类开始在化工厂里合成以氮素为主要成分的化肥，包括碳酸氢铵、尿素、硫酸铵等。通过人工合成氮肥的施用，解决了植物缺氮的问题，大大满足了农业需求。

不过氮肥的施用是一把双刃剑，施用过量对植物和环境都有很多不良的影响。例如由于施肥过量，土壤中大量多余的氮素随水汇集到湖泊等水体中，导致水体富营养化，水域中藻类植物快速生长，消耗了水中大部分的氧气，水生动物因缺氧而无法生存，严重影响水生态系统。同时，农田大量施用氮肥，使进入大气的N₂O不断增多，N₂O是一种性质稳定的气体，它进入平流层后，会消耗其中的臭氧，从而增加到达地面的紫外线辐射量。