生物地球化学 科学基础与模型方法PDF电子书下载

第一部分 生物地球化学基础 3

第1章 生物地球化学发展简史 3

1.1 原始数据的积累 4

1.2 地球化学思想向生物圈的延伸 7

1.3 生物地球化学的早期应用 9

1.4 环境科学的大潮 10

1.5 新的地平线 12

第2章 中国克山病的故事 17

2.1 一种奇怪的疾病 18

2.2 乌裕尔河流域的发现 21

2.3 黑龙江省环境质量模型的建立 24

2.4 病因元素的追寻 35

2.5 硒的生物地球化学 39

2.6 克山病研究的启示 41

第3章 自然选择与生物地球化学丰度 43

3.1 化学元素的起源 44

3.1.1 “大爆炸”理论 44

3.1.2 物质出现 45

3.1.3 质子和中子出现 46

3.1.4 氢原子出现 46

3.1.5 更多元素的形成 46

3.1.6 铁、超新星与重元素 47

3.1.7 宇宙的元素丰度 49

3.2 地球的形成 50

3.2.1 地壳的形成 51

3.2.2 岩石圈的形成 52

3.2.3 水圈的形成 54

3.2.4 大气圈的形成 56

3.3 生命的起源 61

3.3.1 有机物的形成 62

3.3.2 原始生命的出现 65

3.4 生命元素丰度 67

3.4.1 碳基生命 67

3.4.2 微生物的元素组成 71

3.4.3 植物的元素组成 75

3.4.4 人体的元素组成 80

3.4.5 生物元素丰度的比较 82

3.4.6 质量作用定律 86

3.5 自然选择的压力 89

3.5.1 热泉中的生命 90

3.5.2 谁在血液中传送氧 93

3.5.3 关于砷细菌的争论 97

第4章 生命能源与生物地球化学耦合 101

4.1 控制万物运动的无形之手 102

4.2 原子结构的缺陷 106

4.3 化学键 109

4.4 元素耦合和解耦 112

4.4.1 溶解-脱溶反应 112

4.4.2 化合-分解反应 114

4.4.3 络合-反络合反应 114

4.4.4 吸附-解吸反应 116

4.4.5 氧化还原反应 117

4.5 星球地质过程中的元素耦合 118

4.5.1 岩浆矿物结晶作用 118

4.5.2 岩石矿物风化作用 119

4.5.3 元素运动中的群组效应 120

4.6 生命能量的获取 121

4.7 生命获能效率的提高 124

4.7.1 光合作用 124

4.7.2 呼吸作用 128

4.7.3 酶和反应动力学 134

4.8 元素耦合和全球变化 136

4.8.1 用铁为地球降温 136

4.8.2 大氧化事件中的元素耦合 140

4.8.3 生态系统生产力与元素耦合 143

4.8.4 元素耦合与生态化学计量学 145

第5章 新陈代谢与生物地球化学循环 147

5.1 元素循环的星球地质动力 149

5.2 元素循环的生物学动力 152

5.2.1 元素的穿膜运动 152

5.2.2 新陈代谢的生物地球化学效应 154

5.2.3 微生物的地球化学营力 156

5.2.4 植物的地球化学营力 160

5.2.5 动物的地球化学营力 162

5.3 碳的生物地球化学循环 167

5.3.1 碳的地球化学特性 168

5.3.2 碳的生物化学特性 168

5.3.3 碳的全球循环 169

5.3.4 大气圈的碳库和碳通量 172

5.3.5 陆地生物圈的碳库和碳通量 172

5.3.6 海洋的碳库和碳通量 173

5.3.7 大气、陆地和海洋间的碳交换 176

5.3.8 碳循环与气候变化 178

5.4 氮的生物地球化学循环 179

5.4.1 氮的地球化学特性 179

5.4.2 氮的生物化学特性 182

5.4.3 氮的全球循环 186

5.4.4 人类活动对氮循环的影响 189

5.5 硫的生物地球化学循环 190

5.5.1 硫的地球化学特性 190

5.5.2 硫的生物化学特性 191

5.5.3 硫的全球循环 192

5.5.4 硫对陆海物质交换的指示作用 194

5.6 磷的生物地球化学循环 196

5.6.1 磷的地球化学特性 196

5.6.2 磷的生物化学特性 197

5.6.3 磷的全球循环 198

5.6.4 人类活动对磷循环的影响 200

5.7 水的生物地球化学循环 201

5.7.1 水的地球化学特性 201

5.7.2 水的生物化学特性 202

5.7.3 全球水循环 203

5.7.4 人类对水循环的影响 204

第6章 环境冲击与生物地球化学场 207

6.1 地球生物大灭绝 208

6.2 元素运动的原动力 215

6.3 环境营力 217

6.3.1 辐射 218

6.3.2 重力 220

6.3.3 温度 222

6.3.4 湿度 223

6.3.5 酸碱度 225

6.3.6 氧化还原电位 227

6.3.7 反应物浓度梯度 233

6.4 生物地球化学场 234

6.4.1 生物地球化学场的建立 236

6.4.2 生物地球化学场中的元素运动 241

第一部分小结 246

第二部分 生物地球化学模型 251

第7章 生物地球化学模型的特征 251

7.1 早期生态系统模型 252

7.2 经验模型与过程模型 253

7.3 生物地球化学模型 255

7.4 一个生物地球化学模型的实例 260

第8章 DNDC模块之一：输入界面 263

8.1 气候输入数据 265

8.2 土壤输入数据 267

8.3 农业管理输入数据 271

8.3.1 农作物种植 272

8.3.2 犁地 274

8.3.3 化肥施用 274

8.3.4 有机肥施用 276

8.3.5 灌溉 277

8.3.6 淹灌 278

8.3.7 塑膜覆盖 280

8.3.8 放牧 280

8.3.9 刈割 281

第9章 DNDC模块之二：生物地球化学场 283

9.1 土壤温度 284

9.1.1 土壤温度变化的自然过程 284

9.1.2 土壤温度剖面计算方法 284

9.1.3 模型行为 288

9.2 土壤水分 290

9.2.1 土壤水分运移的自然过程 290

9.2.2 土壤水分运动的计算方法 292

9.2.3 模型行为 298

9.3 土壤酸碱度 300

9.3.1 土壤pH变化的自然过程 300

9.3.2 土壤pH变化的计算方法 301

9.3.3 模型行为 302

9.4 土壤氧化还原电位 303

9.4.1 土壤氧化还原电位变化的自然过程 303

9.4.2 土壤氧化还原电位的计算方法 306

9.4.3 模型行为 310

9.5 底物浓度梯度 311

9.6 管理措施影响 313

9.6.1 植物生长影响 313

9.6.2 犁地影响 323

9.6.3 施肥影响 324

9.6.4 灌溉影响 326

9.6.5 放牧影响 330

第10章 DNDC模块之三：核心过程 333

10.1 土壤有机碳的模拟 335

10.1.1 土壤有机碳变化的自然过程 335

10.1.2 土壤有机碳储量变化的计算方法 335

10.1.3 模型行为 339

10.1.4 土壤固碳潜力的计算 348

10.2 米哈尔-曼顿方程 353

10.3 厌氧气球 354

10.4 土壤CO2的排放 357

10.4.1 土壤CO2产生的自然过程 357

10.4.2 土壤CO2产生量的计算方法 358

10.5 土壤CH4的排放 358

10.5.1 土壤CH4产生的自然过程 359

10.5.2 土壤CH4排放量的计算方法 361

10.5.3 模型行为 364

10.6 土壤N2O的排放 366

10.6.1 土壤N2O产生的自然过程 366

10.6.2 反硝化反应速率计算方法 367

10.6.3 硝化反应速率计算方法 371

10.6.4 N2O气体的扩散 373

10.6.5 模型行为 373

第11章 DNDC模型的验证 383

11.1 植物生长 384

11.1.1 美国爱荷华玉米的生长 384

11.1.2 美国夏威夷甘蔗的生长 388

11.1.3 中国辽宁玉米的生长 389

11.1.4 英国杨树的生长 389

11.2 土壤气候 391

11.3 土壤氮动态 392

11.3.1 中国江苏昆山水稻田氨挥发 392

11.3.2 中国四川盐亭土壤氮淋溶 393

11.3.3 中国山西运城土壤铵态氮和硝态氮动态 394

11.4 生态系统CO2排放 398

11.4.1 英国苏格兰牧场生态系统呼吸通量 399

11.4.2 中国内蒙古锡林浩特草原的NEE通量 401

11.5 土壤有机碳动态 402

11.5.1 英国洛桑农业实验站154年土壤有机碳动态 402

11.5.2 美国伊利诺伊州莫洛田块87年土壤有机碳动态 405

11.6 土壤N2O排放 407

11.6.1 美国加利福尼亚冬小麦农田土壤N2O排放 408

11.6.2 德国农田土壤N2O排放 409

11.6.3 中国山东桓台农田土壤N2O排放 409

11.7 土壤CH4排放 411

11.7.1 中国江苏吴县水稻田CH4排放 412

11.7.2 日本北海道水稻田CH4排放 413

11.7.3 美国加利福尼亚水稻田CH4排放 413

第12章 DNDC模型的应用 417

12.1 温室气体区域排放通量计算 418

12.2 温室气体减排方法的探索 427

12.2.1 农田氧化亚氮的减排 427

12.2.2 农田甲烷的减排 429

12.2.3 农田二氧化碳的减排 432

12.3 森林温室气体排放计算 434

12.4 湿地温室气体排放计算 438

12.5 动物养殖生态系统温室气体排放计算 443

12.6 干旱对农作物产量影响的预测 446

12.6.1 2009年中国辽宁干旱对玉米产量影响的模拟 448

12.6.2 2012年美国干旱对玉米产量影响的预测 449

12.7 同位素生物地球化学模型 450

第二部分小结 460

结束语 461

附录1 化学元素周期表 463

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） 464

附录3 地球地质历史年代表 470

附录4 DNDC模拟所需的农作物生理参数 471

附录5 养殖业饲料营养组分含量 473

附录6 DNDC模型验证和应用相关文献（1992—2014） 476

附录7 单位与单位换算 504

参考文献 506