生物地球化学

第一部分生物地球化学基础

第1章生物地球化学发展简史

1.1原始数据的积累

1.2地球化学思想向生物圈的延伸

1.3生物地球化学的早期应用

1.4环境科学的大潮

1.5新的地平线

第2章中国克山病的故事

2.1一种奇怪的疾病

2.2乌裕尔河流域的发现

2.3黑龙江省环境质量模型的建立

2.4病因元素的追寻

2.5硒的生物地球化学

2.6克山病研究的启示

第3章自然选择与生物地球化学丰度

3.1化学元素的起源

3.1.1“大爆炸”理论

3.1.2物质出现

3.1.3质子和中子出现

3.1.4氢原子出现

3.1.5更多元素的形成

3.1.6铁、超新星与重元素

3.1.7宇宙的元素丰度

3.2地球的形成

3.2.1地壳的形成

3.2.2岩石圈的形成

3.2.3水圈的形成

3.2.4大气圈的形成

3.3生命的起源

3.3.1有机物的形成

3.3.2原始生命的出现

3.4生命元素丰度

3.4.1碳基生命

3.4.2微生物的元素组成

3.4.3植物的元素组成

3.4.4人体的元素组成

3.4.5生物元素丰度的比较

3.4.6质量作用定律

3.5自然选择的压力

3.5.1热泉中的生命

3.5.2谁在血液中传送氧

3.5.3关于砷细菌的争论

第4章生命能源与生物地球化学耦合

4.1控制万物运动的无形之手

4.2原子结构的缺陷

4.3化学键

4.4元素耦合和解耦

4.4.1溶解脱溶反应

4.4.2化合分解反应

4.4.3络合反络合反应

4.4.4吸附解吸反应

4.4.5氧化还原反应

4.5星球地质过程中的元素耦合

4.5.1岩浆矿物结晶作用

4.5.2岩石矿物风化作用

4.5.3元素运动中的群组效应

4.6生命能量的获取

4.7生命获能效率的提高

4.7.1光合作用

4.7.2呼吸作用

4.7.3酶和反应动力学

4.8元素耦合和全球变化

4.8.1用铁为地球降温

4.8.2大氧化事件中的元素耦合

4.8.3生态系统生产力与元素耦合

4.8.4元素耦合与生态化学计量学

第5章新陈代谢与生物地球化学循环

5.1元素循环的星球地质动力

5.2元素循环的生物学动力

5.2.1元素的穿膜运动

5.2.2新陈代谢的生物地球化学效应

5.2.3微生物的地球化学营力

5.2.4植物的地球化学营力

5.2.5动物的地球化学营力

5.3碳的生物地球化学循环

5.3.1碳的地球化学特性

5.3.2碳的生物化学特性

5.3.3碳的全球循环

5.3.4大气圈的碳库和碳通量

5.3.5陆地生物圈的碳库和碳通量

5.3.6海洋的碳库和碳通量

5.3.7大气、陆地和海洋间的碳交换

5.3.8碳循环与气候变化

5.4氮的生物地球化学循环

5.4.1氮的地球化学特性

5.4.2氮的生物化学特性

5.4.3氮的全球循环

5.4.4人类活动对氮循环的影响

5.5硫的生物地球化学循环

5.5.1硫的地球化学特性

5.5.2硫的生物化学特性

5.5.3硫的全球循环

5.5.4硫对陆海物质交换的指示作用

5.6磷的生物地球化学循环

5.6.1磷的地球化学特性

5.6.2磷的生物化学特性

5.6.3磷的全球循环

5.6.4人类活动对磷循环的影响

5.7水的生物地球化学循环

5.7.1水的地球化学特性

5.7.2水的生物化学特性

5.7.3全球水循环

5.7.4人类对水循环的影响

第6章环境冲击与生物地球化学场

6.1地球生物大灭绝

6.2元素运动的原动力

6.3环境营力

6.3.1辐射

6.3.2重力

6.3.3温度

6.3.4湿度

6.3.5酸碱度

6.3.6氧化还原电位

6.3.7反应物浓度梯度

6.4生物地球化学场

6.4.1生物地球化学场的建立

6.4.2生物地球化学场中的元素运动

第一部分小结

第二部分生物地球化学模型

第7章生物地球化学模型的特征

7.1早期生态系统模型

7.2经验模型与过程模型

7.3生物地球化学模型

7.4一个生物地球化学模型的实例

第8章DNDC模块之一： 输入界面

8.1气候输入数据

8.2土壤输入数据

8.3农业管理输入数据

8.3.1农作物种植

8.3.2犁地

8.3.3化肥施用

8.3.4有机肥施用

8.3.5灌溉

8.3.6淹灌

8.3.7塑膜覆盖

8.3.8放牧

8.3.9刈割

第9章DNDC模块之二： 生物地球化学场

9.1土壤温度

9.1.1土壤温度变化的自然过程

9.1.2土壤温度剖面计算方法

9.1.3模型行为

9.2土壤水分

9.2.1土壤水分运移的自然过程

9.2.2土壤水分运动的计算方法

9.2.3模型行为

9.3土壤酸碱度

9.3.1土壤pH变化的自然过程

9.3.2土壤pH变化的计算方法

9.3.3模型行为

9.4土壤氧化还原电位

9.4.1土壤氧化还原电位变化的自然过程

9.4.2土壤氧化还原电位的计算方法

9.4.3模型行为

9.5底物浓度梯度

9.6管理措施影响

9.6.1植物生长影响

9.6.2犁地影响

9.6.3施肥影响

9.6.4灌溉影响

9.6.5放牧影响

第10章DNDC模块之三： 核心过程

10.1土壤有机碳的模拟

10.1.1土壤有机碳变化的自然过程

10.1.2土壤有机碳储量变化的计算方法

10.1.3模型行为

10.1.4土壤固碳潜力的计算

10.2米哈尔曼顿方程

10.3厌氧气球

10.4土壤CO2的排放

10.4.1土壤CO2产生的自然过程

10.4.2土壤CO2产生量的计算方法

10.5土壤CH4的排放

10.5.1土壤CH4产生的自然过程

10.5.2土壤CH4排放量的计算方法

10.5.3模型行为

10.6土壤N2O的排放

10.6.1土壤N2O产生的自然过程

10.6.2反硝化反应速率计算方法

10.6.3硝化反应速率计算方法

10.6.4N2O气体的扩散

10.6.5模型行为

第11章DNDC模型的验证

11.1植物生长

11.1.1美国爱荷华玉米的生长

11.1.2美国夏威夷甘蔗的生长

11.1.3中国辽宁玉米的生长

11.1.4英国杨树的生长

11.2土壤气候

11.3土壤氮动态

11.3.1中国江苏昆山水稻田氨挥发

11.3.2中国四川盐亭土壤氮淋溶

11.3.3中国山西运城土壤铵态氮和硝态氮动态

11.4生态系统CO2排放

11.4.1英国苏格兰牧场生态系统呼吸通量

11.4.2中国内蒙古锡林浩特草原的NEE通量

11.5土壤有机碳动态

11.5.1英国洛桑农业实验站154年土壤有机碳动态

11.5.2美国伊利诺伊州莫洛田块87年土壤有机碳动态

11.6土壤N2O排放

11.6.1美国加利福尼亚冬小麦农田土壤N2O排放

11.6.2德国农田土壤N2O排放

11.6.3中国山东桓台农田土壤N2O排放

11.7土壤CH4排放

11.7.1中国江苏吴县水稻田CH4排放

11.7.2日本北海道水稻田CH4排放

11.7.3美国加利福尼亚水稻田CH4排放

第12章DNDC模型的应用

12.1温室气体区域排放通量计算

12.2温室气体减排方法的探索

12.2.1农田氧化亚氮的减排

12.2.2农田甲烷的减排

12.2.3农田二氧化碳的减排

12.3森林温室气体排放计算

12.4湿地温室气体排放计算

12.5动物养殖生态系统温室气体排放计算

12.6干旱对农作物产量影响的预测

12.6.12009年中国辽宁干旱对玉米产量影响的模拟

12.6.22012年美国干旱对玉米产量影响的预测

12.7同位素生物地球化学模型

第二部分小结

结束语

附录1化学元素周期表

附录2标准条件下物质的吉布斯生成自由能（25℃，1个大气压）

附录3地球地质历史年代表

附录4DNDC模拟所需的农作物生理参数

附录5养殖业饲料营养组分含量

附录6DNDC模型验证和应用相关文献（1992—2014）

附录7单位与单位换算

参考文献

生物地球化学是一门以追踪化学元素的迁移转化为线索研究生命与环境相互关系的科学。地球上形形色色的生命活动受控于基本的动力学和热力学机制。本书基于量、群、流、场这四个概念重点讨论元素在地球系统中的丰度、形态、运动及各种驱动力场，探究自然环境如何影响生命的起源、进化和生存状况，分析生命改变自然环境的过程。书中还介绍了基于化学动力学和化学热力学机制所建立的一个生物地球化学模型DNDC，及其详细的科学原理和应用。读者只要具备中学化学知识就可很好地理解书中的内容。本书可作为本科生和研究生的教材，也可为专业科研工作者提供参考。

这是中国第一本生物地球化学教科书，已在清华大学作为研究生教材讲授4年，教学效果良好，学生好评如潮。在世界已有的几本生物地球化学教科书中，有些侧重讨论生物地球化学的一个方面（如生物地球化学循环），有些缺少有深度的应用范例，鲜有生物地球化学理论与实践完好结合者。本书也为世界生物地球化学教科书弥补了这一缺憾。