《生物地球化學：科學基礎與模型方法》是2016年清華大學出版社出版的圖書，作者是李長生。
基本介紹
- 中文名：生物地球化學：科學基礎與模型方法
- 作者：李長生
- 出版時間：2016年03月01日
- 出版社：清華大學出版社
- ISBN：9787302412656
- 定價：89 元
內容簡介,前言,目錄,
內容簡介
生物地球化學是一門以追蹤化學元素的遷移轉化為線索研究生命與環境相互關係的科學。地球上形形色色的生命活動受控於基本的動力學和熱力學機制。本書基於量、群、流、場這四個概念重點討論元素在地球系統中的豐度、形態、運動及各種驅動力場，探究自然環境如何影響生命的起源、進化和生存狀況，分析生命改變自然環境的過程。書中還介紹了基於化學動力學和化學熱力學機制所建立的一個生物地球化學模型DNDC，及其詳細的科學原理和套用。讀者只要具備中學化學知識就可很好地理解書中的內容。
本書可作為本科生和研究生的教材，也可為專業科研工作者提供參考。
前言
我對生物地球化學產生興趣，是在上大學時。1959年，我考入位於北京的中國科學技術大學，就讀於地球化學系。之所以選擇地球化學，與我在中學時期讀過的一本書有關，這是蘇聯科學家費爾斯曼（A.E.Ферсман，1883—1945）寫的《趣味地球化學》。在此書中，作者表述了一個思想：地球上一切物質都是由一百多種化學元素組成的；知道了這些元素的性質，就可以解釋萬物的行為，甚至包括生命的起源。這是一個多么誘人的思想！但大學前三年的課程令人感到沉悶。雖然老師們說地球化學包含著認識地球演化的一般性方法論，但課堂上講的全是礦物和岩石，沒有人提及植物或動物，更不用說人類了。我問專業老師何鑄文，為什麼沒有人用地球化學方法來研究生物呢？他反問我：“研究礦物岩石可以給國家尋找礦產資源，研究生物元素組成有什麼用處呢？”我第一次意識到，進行科學研究不能只靠興趣，還要為它找到實際的用途。1962年夏，事情發生了一些變化。
按照學校規定，在三年級結束時，所有學生都要確定專業方向，為畢業論文選題。為了讓同學們了解地球化學的最新進展，系裡請來了中國科學院地質研究所的研究員司幼東（稀有元素礦物地球化學家，1920—1968）做講演。司幼東此前不久從蘇聯留學歸來，曾在莫斯科地質勘探學院獲得副博士學位，回國後從事稀有元素地球化學研究。在演講中，他講述了蘇聯地球化學的發展及分支學科，詳細介紹了礦物地球化學、岩石地球化學、海洋地球化學、有機地球化學、同位素地球化學等前沿領域。最後，他提到一個新的地球化學分支，叫做“生物地球化學”；在蘇聯，生物地球化學家們研究遠東地區家畜中的一些奇怪疾病，發現這些疾病與當地土壤中某些化學元素含量異常有關。司幼東的這一番話使我忽然想起童年時的一段經歷。
我的家鄉在中國西北黃土高原南邊的西安。20世紀40年代的西安十分落後，市區與農村僅一城牆之隔。在我上學的路旁有一所醫院。清晨，醫院門口總有一些病人在等待掛號，他們大多來自農村。我常常看到一些長著畸形腿腳或粗大脖子的病人，模樣悽慘又駭人。我問父親為什麼他們會得這些怪病，父親說，這是由於當地的“水土不好”；至於水土為什麼會有好壞之分，我父親也不知道。幼時的印象隨著年齡增長逐漸淡去；但當我在中國科技大學的教室里聽到司幼東研究員關於蘇聯生物地球化學疾病的介紹時，童年的印象又突然閃現出來，於是我心中有了一個念頭：“我幼時見到的是不是也是生物地球化學疾病呢？”
演講一結束，我直奔學校圖書館。在那裡，我查到了中國地方病的資料。當我看到克山病、大骨節病、甲狀腺腫的地理分布圖時，心跳砰砰，因為這些疾病都顯示出明顯的地帶性分布。我聯絡了同學劉世慶去見系主任黎彤（岩石地球化學家），希望他能允許我們選擇“生物地球化學”這一專業方向。但我們的申請未被批准，理由是“沒有指導教師”。在失望之餘，我轉而選擇了鹽湖地球化學研究。根據資料，在中國西北的荒漠中有許多鹽湖，由於當地特殊的氣象和地質條件，這些湖泊中聚集了多種化學元素，其中包括鋰（Li）和硼（B），它們都是發展火箭工業的重要原料，也是我們畢業論文研究的選題對象。我選擇這項研究，是猜想在鹽湖周圍可能有一個特異的地球化學場，它既然能使元素在湖水富集，也可能會影響當地生物的種群和化學組成。
1963年和1964年，我在青海柴達木盆地的大柴旦鹽湖區度過了兩年時光。除了遵照導師張彭熹（鹽湖地球化學家，1931—）的要求採集湖水、土壤和岩石樣品外，我還擅自採集了許多湖邊野生植物。對這些植物樣品的化學分析顯示出非常有趣的結果，即湖邊一些植物對稀有元素有高度的富集作用。其中最令人感興趣的是海韭菜和幾種蓼科植物對元素鋰的富集。當時中國在用化學方法從鹽湖水中提取鋰，成本甚高。由於我的數據顯示出湖濱植物體內鋰含量是湖水的數千倍，我在論文中建議通過在鹽湖地區人工種植富鋰植物來提高工業煉鋰的效率。可能是由於這篇畢業論文有些新穎內容吧，我於1964年從中國科學技術大學順利畢業，同年考入中國科學院研究生院。
1964年夏末，我到中國科學院地質研究所與導師第一次見面。導師塗光熾（稀有元素地球化學家，1920—2007）20世紀50年代在美國明尼蘇達大學地質系獲博士學位回國，後又被送到蘇聯學習並獲得副博士學位。他的專長是礦床地質，他希望我能研究硫化礦床氧化帶的地球化學。在與塗先生的這次見面中，我表示更想用地球化學方法來研究與現代生物有關的問題。出乎我的意料，塗先生同意了我的要求，並將他從國外帶回的幾本有關生物地球化學的書籍送給我。但導師的好意並未使我的學業一帆風順。1966年，“文化大革命”期間，研究生制度被廢除，全國的研究生被取消了學籍。我被分配在新成立的中國科學院地球化學研究所作為一名初級研究人員。在“文化大革命”期間，科學研究幾乎陷於停頓。我與遭遇同樣命運的同學洪業湯（環境地球化學家），給當時負責中國科學技術工作的聶榮臻（時任國務院副總理兼科學技術委員會主任，1899—1992）寫了一封信，闡述了生物地球化學的科學意義和地方病對廣大貧下中農的嚴重危害，建議以地方病研究為任務來帶動中國生物地球化學的學科發展。這個建議得到了支持，我們的信被批轉到了中國科學院，這使我們得以組織起一支8人的“克山病戰鬥隊”，並於1968年奔赴病區開始了有關的生物地球化學研究。克山病研究在1972年結束，此後，我轉入城市污染研究，後來又在酸雨和溫室氣體領域工作了二十多年。
我雖長期在生物地球化學領域內工作，但一直側重套用研究，並未對這門學科的理論認真思考過。1990年的一件事使我開始思考生物地球化學的學科範疇問題。當時我在為美國環境保護局總部的全球氣候變化處（DivisionofGlobalClimateChange,OfficeofPolicy,PlanningandEvaluation,USEPA）工作，領導一個農業溫室氣體模型發展小組。在業務上，我們與環保局設在喬治亞州愛森斯的大氣環境研究所（EPA’sNationalExposureResearchLaboratoryinAthens,Georgia）有些聯繫。這年夏天，我應邀到該所作學術報告。當我走向報告廳的時候，看到走廊布告欄前有一群人在看我的演講告示，其中一個人大聲喊道：“Ineverknowwhatbiogeochemistryis.I’dliketoseewhatabiogeochemistdoestoday.”(我從來就不知道生物地球化學是個什麼東西，今天倒要看看一個生物地球化學家究竟在乾什麼。)由於當天的報告內容局限在土壤溫室氣體的問題上，我沒有機會與這位仁兄探討他非正式提出的關於生物地球化學定義的問題，但他的質疑確實使我反省。雖然我們經常把“生物地球化學”這個名詞掛在嘴邊，但對“生物地球化學究竟是個什麼東西”的問題，似乎並沒有一個清晰的答案。以後，我查閱了幾本以生物地球化學為主題的教科書和專著（如Schlesinger,1997；Bashkin,2002；Jacobsonetal,2003），也沒有看到對生物地球化學的明確定義，這真令人詫異。
生態環境問題出現在當代人類生活的各個方面。從氣候變化到水質污染，從農業可持續發展到城市規劃，幾乎所有生態環境問題都涉及生物學、地學和化學的綜合作用。因此，研究者們使用“生物地球化學”這一名詞泛指自己的研究工作是無可非議的。但從科學發展的角度來看，人們需要對一個學科的範疇進行比較嚴謹的定義，以釐清它和其他學科的關係，從而確定它對人類認識發展的特定貢獻。在我看來，一個學科要能自立於科學之林，它需有自己特定的研究對象、基礎理論及研究方法。那么，對於如此膾炙人口的“生物地球化學”，它的基礎理論和方法論有什麼獨特之處呢？這些年來，我一直在思考這一問題。
2009年，清華大學成立了“地球系統科學研究中心”，致力於全球性的生態環境問題研究。2010年，該中心的主任宮鵬教授建議我來給他的研究生們開一門課，介紹生物地球化學這門學科，並為學生們編寫一本相關的教材。“中國許多學生在學習生物地球化學，但我們還沒有自己的教科書。”他說。宮鵬教授知道我自20世紀60年代以來一直在中國和美國從事與生物地球化學有關的研究，他希望這本教科書不僅能介紹生物地球化學的科學概念，也能展示這門學科在解決現代生態環境問題方面的套用價值。2011年9月，我應邀來到清華大學，與喻朝慶教授共同開始為這箇中心的研究生們講授生物地球化學。
我最初對講授這門課程並不信心十足，因為這畢竟是一個涉及地學、生物學和化學的邊緣領域；化學，特別是化學熱力學，構成了生物地球化學的基礎。我了解到，選課的學生們有著很不相同的專業背景，並不是每個學生都修過大學的化學課程。我不能確定我是否有能力將這些跨越多種學科，甚至帶有一些自然哲學色彩的知識有條理地傳授給學生。本著寧缺毋濫的精神，我在授課中儘量從最簡單的科學道理講起，再逐漸將這些原理與實際的生態環境問題結合起來。在第一學期結束的時候，我高興地發現，學生們喜歡這門課，他們對授課內容的接受程度超過了我的預期。這給了我許多鼓勵和啟發，使我覺得應該用同樣的指導思想來寫這本教科書。當前有大量的學生和研究者在從事與生物地球化學有關的工作，他們迫切要求增進對這一學科的全面了解。如果一本生物地球化學教科書能從最基本的科學知識出發，既簡明扼要地闡述這個學科的原理和方法，又能結合一些人們關心的生態環境實際問題，就會提高這本書的可讀性。在本書的寫作過程中，我做了這樣的努力。
另外，在講課中我還發現，學生們對於能夠通過親自操作一個模型來理解生物地球化學原理感到滿意。特別是當學生們套用模型為一些實際的生態環境問題找出答案時，他們對掌握這門學科的信心大大加強。為此，在本書中，我用了後半部的章節來介紹一個生物地球化學模型。試圖通過對這個典型模型的剖析，使學生們了解如何把握生態系統的複雜性，並將分散在物理、化學和生物學中的基礎知識匯總成一個相互關聯的整體，使複雜的生態環境問題條理化。這個在本教科書中引用的模型叫做“DNDC”，這是一個目前在中國和世界範圍內套用較多的生物地球化學計算機模擬模型。這個模型通過對碳、氮和水在生態系統中的耦合與循環，模擬植物生長、土壤固碳、微生物活動、溫室氣體排放、營養元素淋失等基本生物地球化學過程。這些過程都是關係到農業及地球資源環境可持續發展的核心問題。在過去的二十幾年中，我一直有幸在全球範圍內協調這一模型的發展和套用。通過這項模型研究，我認識到當代計算技術在開拓生物地球化學概念並將其付諸套用方面的巨大潛力。新的計算手段實現了生態學家們長期以來想做而做不到的事，即模擬生態系統中物理、化學和生物過程間的互動作用。這種來自計算技術的助力正在把生物地球化學研究推向一個新的前沿，即將錯綜複雜的生態環境問題轉化成為一種可操作和可檢驗的虛擬數字系統。我相信這是生態環境研究的未來方向，也希望能夠通過授課把這一火種傳遞到下一代研究者的手中。
在大量觀測數據和計算機模擬技術支撐下，生物地球化學正在迅速拓展它的基礎理論和方法論，以協助人類去應對日益複雜和嚴重的生態環境問題。人們期望能從生物地球化學中發展出一個統一的方法論，以應對形形色色的生態環境問題。達到這一目標也許需要幾代人的努力，但我們現在已經啟程。這本教科書也是向著這一目標探索的一部分。
在過去的三年中，無論是在新罕布夏大學（UniversityofNewHampshire）或清華大學，日常科研和教學仍是我的主業，寫書的時間多放在業餘。在晚上、周末或度假時寫作，並不總是一件十分輕鬆愉快的事；我妻子呂瑞蘭對這種持續三年的非正常情況表現的理解和支持，大大緩解了我的困境。本書還在初稿階段，就得到我的學生和朋友們的關心，呂瑞林、李敏生、鄧佳、趙子健及清華大學的師生們認真閱讀了初稿，並提出許多修改建議，使本書的內容和文字都大為改善。我的大學同學劉世慶和蔣志畢生從事地球化學和分析化學研究，他們對書稿中地球化學部分的校閱和修改，使有關論述更加準確。美國德克薩斯大學西南醫學中心（UniversityofTexasSouthwesternMedicalCenteratDallas）的李小華和日本大分大學醫學部的李康生多年從事分子生物學和微生物學研究和教學，他們對本書的生物化學部分進行了認真修改，並增加了一些新的內容。中國農業科學院的高懋芳提供了她所收集的自1992年以來世界各地發表的476篇有關DNDC模型的文章，其中包括許多我過去從未讀過的中文文獻，為我在本書中綜述這個模型提供了極大幫助。俄羅斯科學家布拉高達茨基（ArtemBlagodatsky）在莫斯科為我收集了俄羅斯和蘇聯時期的生物地球化學研究資料，使我得以評價在世界生物地球化學發展史中曾經占有重要地位的俄羅斯科學家們的貢獻。將這本書由粗糙的書稿轉為精緻的出版格式的過程是由清華大學地球系統研究中心辦公室的叢娜完成的，她的細心校正和圖件修改為這本書的面世做出了很大貢獻。清華大學教育基金會為本書提供了資金。在此，我對來自各方面的支持深表感謝。
著者
2015年8月
目錄
第一部分生物地球化學基礎
第1章生物地球化學發展簡史
1.1原始數據的積累
1.2地球化學思想向生物圈的延伸
1.3生物地球化學的早期套用
1.4環境科學的大潮
1.5新的地平線
第2章中國克山病的故事
2.1一種奇怪的疾病
2.2烏裕爾河流域的發現
2.3黑龍江省環境質量模型的建立
2.4病因元素的追尋
2.5硒的生物地球化學
2.6克山病研究的啟示
第3章自然選擇與生物地球化學豐度
3.1化學元素的起源
3.1.1“大爆炸”理論
3.1.2物質出現
3.1.3質子和中子出現
3.1.4氫原子出現
3.1.5更多元素的形成
3.1.6鐵、超新星與重元素
3.1.7宇宙的元素豐度
3.2地球的形成
3.2.1地殼的形成
3.2.2岩石圈的形成
3.2.3水圈的形成
3.2.4大氣圈的形成
3.3生命的起源
3.3.1有機物的形成
3.3.2原始生命的出現
3.4生命元素豐度
3.4.1碳基生命
3.4.2微生物的元素組成
3.4.3植物的元素組成
3.4.4人體的元素組成
3.4.5生物元素豐度的比較
3.4.6質量作用定律
3.5自然選擇的壓力
3.5.1熱泉中的生命
3.5.2誰在血液中傳送氧
3.5.3關於砷細菌的爭論
第4章生命能源與生物地球化學耦合
4.1控制萬物運動的無形之手
4.2原子結構的缺陷
4.3化學鍵
4.4元素耦合和解耦
4.4.1溶解脫溶反應
4.4.2化合分解反應
4.4.3絡合反絡合反應
4.4.4吸附解吸反應
4.4.5氧化還原反應
4.5星球地質過程中的元素耦合
4.5.1岩漿礦物結晶作用
4.5.2岩石礦物風化作用
4.5.3元素運動中的群組效應
4.6生命能量的獲取
4.7生命獲能效率的提高
4.7.1光合作用
4.7.2呼吸作用
4.7.3酶和反應動力學
4.8元素耦合和全球變化
4.8.1用鐵為地球降溫
4.8.2大氧化事件中的元素耦合
4.8.3生態系統生產力與元素耦合
4.8.4元素耦合與生態化學計量學
第5章新陳代謝與生物地球化學循環
5.1元素循環的星球地質動力
5.2元素循環的生物學動力
5.2.1元素的穿膜運動
5.2.2新陳代謝的生物地球化學效應
5.2.3微生物的地球化學營力
5.2.4植物的地球化學營力
5.2.5動物的地球化學營力
5.3碳的生物地球化學循環
5.3.1碳的地球化學特性
5.3.2碳的生物化學特性
5.3.3碳的全球循環
5.3.4大氣圈的碳庫和碳通量
5.3.5陸地生物圈的碳庫和碳通量
5.3.6海洋的碳庫和碳通量
5.3.7大氣、陸地和海洋間的碳交換
5.3.8碳循環與氣候變化
5.4氮的生物地球化學循環
5.4.1氮的地球化學特性
5.4.2氮的生物化學特性
5.4.3氮的全球循環
5.4.4人類活動對氮循環的影響
5.5硫的生物地球化學循環
5.5.1硫的地球化學特性
5.5.2硫的生物化學特性
5.5.3硫的全球循環
5.5.4硫對陸海物質交換的指示作用
5.6磷的生物地球化學循環
5.6.1磷的地球化學特性
5.6.2磷的生物化學特性
5.6.3磷的全球循環
5.6.4人類活動對磷循環的影響
5.7水的生物地球化學循環
5.7.1水的地球化學特性
5.7.2水的生物化學特性
5.7.3全球水循環
5.7.4人類對水循環的影響
第6章環境衝擊與生物地球化學場
6.1地球生物大滅絕
6.2元素運動的原動力
6.3環境營力
6.3.1輻射
6.3.2重力
6.3.3溫度
6.3.4濕度
6.3.5酸鹼度
6.3.6氧化還原電位
6.3.7反應物濃度梯度
6.4生物地球化學場
6.4.1生物地球化學場的建立
6.4.2生物地球化學場中的元素運動
第一部分小結
第二部分生物地球化學模型
第7章生物地球化學模型的特徵
7.1早期生態系統模型
7.2經驗模型與過程模型
7.3生物地球化學模型
7.4一個生物地球化學模型的實例
第8章DNDC模組之一：輸入界面
8.1氣候輸入數據
8.2土壤輸入數據
8.3農業管理輸入數據
8.3.1農作物種植
8.3.2犁地
8.3.3化肥施用
8.3.4有機肥施用
8.3.5灌溉
8.3.6淹灌
8.3.7塑膜覆蓋
8.3.8放牧
8.3.9刈割
第9章DNDC模組之二：生物地球化學場
9.1土壤溫度
9.1.1土壤溫度變化的自然過程
9.1.2土壤溫度剖面計算方法
9.1.3模型行為
9.2土壤水分
9.2.1土壤水分運移的自然過程
9.2.2土壤水分運動的計算方法
9.2.3模型行為
9.3土壤酸鹼度
9.3.1土壤pH變化的自然過程
9.3.2土壤pH變化的計算方法
9.3.3模型行為
9.4土壤氧化還原電位
9.4.1土壤氧化還原電位變化的自然過程
9.4.2土壤氧化還原電位的計算方法
9.4.3模型行為
9.5底物濃度梯度
9.6管理措施影響
9.6.1植物生長影響
9.6.2犁地影響
9.6.3施肥影響
9.6.4灌溉影響
9.6.5放牧影響
第10章DNDC模組之三：核心過程
10.1土壤有機碳的模擬
10.1.1土壤有機碳變化的自然過程
10.1.2土壤有機碳儲量變化的計算方法
10.1.3模型行為
10.1.4土壤固碳潛力的計算
10.2米哈爾曼頓方程
10.3厭氧氣球
10.4土壤CO2的排放
10.4.1土壤CO2產生的自然過程
10.4.2土壤CO2產生量的計算方法
10.5土壤CH4的排放
10.5.1土壤CH4產生的自然過程
10.5.2土壤CH4排放量的計算方法
10.5.3模型行為
10.6土壤N2O的排放
10.6.1土壤N2O產生的自然過程
10.6.2反硝化反應速率計算方法
10.6.3硝化反應速率計算方法
10.6.4N2O氣體的擴散
10.6.5模型行為
第11章DNDC模型的驗證
11.1植物生長
11.1.1美國愛荷華玉米的生長
11.1.2美國夏威夷甘蔗的生長
11.1.3中國遼寧玉米的生長
11.1.4英國楊樹的生長
11.2土壤氣候
11.3土壤氮動態
11.3.1中國江蘇崑山水稻田氨揮發
11.3.2中國四川鹽亭土壤氮淋溶
11.3.3中國山西運城土壤銨態氮和硝態氮動態
11.4生態系統CO2排放
11.4.1英國蘇格蘭牧場生態系統呼吸通量
11.4.2中國內蒙古錫林浩特草原的NEE通量
11.5土壤有機碳動態
11.5.1英國洛桑農業實驗站154年土壤有機碳動態
11.5.2美國伊利諾州莫洛田塊87年土壤有機碳動態
11.6土壤N2O排放
11.6.1美國加利福尼亞冬小麥農田土壤N2O排放
11.6.2德國農田土壤N2O排放
11.6.3中國山東桓台農田土壤N2O排放
11.7土壤CH4排放
11.7.1中國江蘇吳縣水稻田CH4排放
11.7.2日本北海道水稻田CH4排放
11.7.3美國加利福尼亞水稻田CH4排放
第12章DNDC模型的套用
12.1溫室氣體區域排放通量計算
12.2溫室氣體減排方法的探索
12.2.1農田氧化亞氮的減排
12.2.2農田甲烷的減排
12.2.3農田二氧化碳的減排
12.3森林溫室氣體排放計算
12.4濕地溫室氣體排放計算
12.5動物養殖生態系統溫室氣體排放計算
12.6乾旱對農作物產量影響的預測
12.6.12009年中國遼寧乾旱對玉米產量影響的模擬
12.6.22012年美國乾旱對玉米產量影響的預測
12.7同位素生物地球化學模型
第二部分小結
結束語
附錄1化學元素周期表
附錄2標準條件下物質的吉布斯生成自由能（25℃，1個大氣壓）
附錄3地球地質歷史年代表
附錄4DNDC模擬所需的農作物生理參數
附錄5養殖業飼料營養組分含量
附錄6DNDC模型驗證和套用相關文獻（1992—2014）
附錄7單位與單位換算
參考文獻
