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