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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