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第1篇 过程与反应3

第1章 简介3

1.1 什么是生物地球化学？3

1.2 地球是一个化学系统4

1.3 研究尺度8

1.3.1 热动力学8

1.3.2 计量学9

1.3.3 大尺度试验11

1.3.4 模型11

1.4 Lovelock的盖亚假设（即地球是一个生物体）11

第2章 起源13

2.1 引言13

2.2 元素起源14

2.3 太阳系和固体地球起源16

2.4 大气和海洋起源19

2.5 生命起源22

2.6 代谢途径进化25

2.6.1 光合作用：地球氧气起源27

2.6.2 化学自养作用30

2.6.3 厌氧呼吸作用30

2.7 行星历史比较：地球、火星和金星34

2.8 小结38

第3章 大气40

3.1 引言40

3.2 大气层结构与大气环流41

3.3 大气组成45

3.3.1 气体45

3.3.2 气溶胶48

3.4 对流层生物地球化学反应52

3.4.1 主要组成——氮气和氧气52

3.4.2 二氧化碳53

3.4.3 痕量生物源气体53

3.5 大气沉降60

3.5.1 过程60

3.5.2 区域特征与变化趋势62

3.6 平流层生物地球化学反应66

3.6.1 臭氧66

3.6.2 平流层含硫化合物70

3.7 大气和全球气候模型71

3.8 小结73

第4章 岩石圈75

4.1 引言75

4.2 岩石风化76

4.2.1 化学风化77

4.2.2 次生矿物82

4.3 土壤化学反应83

4.3.1 阳离子交换量83

4.3.2 土壤缓冲能力84

4.3.3 阴离子吸附量86

4.3.4 含磷矿物88

4.4 土壤发育90

4.4.1 森林90

4.4.2 草地94

4.4.3 沙漠95

4.4.4 土壤发育模型96

4.5 风化速率97

4.5.1 化学风化速率97

4.5.2 机械风化104

4.5.3 总剥蚀率106

4.6 小结107

第5章 生物圈：陆地生态系统碳循环110

5.1 引言110

5.2 光合作用111

5.2.1 水分利用率112

5.2.2 养分利用率114

5.3 呼吸作用115

5.4 净初级生产量116

5.4.1 NPP的测量和分配116

5.5 净生态系统生产量和涡度相关研究119

5.6 净初级生产量去向121

5.7 初级生产量和生物量遥感监测122

5.8 全球净初级生产量和生物量估算124

5.9 净初级生产量和全球变化127

5.10 凋落物（碎屑）130

5.10.1 矿化作用过程130

5.10.2 腐殖质形成和土壤有机质132

5.10.3 周转过程135

5.11 土壤有机质和全球变化137

5.12 小结139

第6章 生物圈：陆地系统的生物地球化学循环141

6.1 引言141

6.2 陆地植物的生物地球化学循环143

6.2.1 养分吸收143

6.2.2 养分平衡145

6.2.3 氮同化146

6.2.4 固氮作用147

6.2.5 菌根真菌150

6.3 陆地植被中养分归趋与循环152

6.3.1 系统内养分年循环152

6.3.2 凋落物154

6.3.3 系统内循环的养分质量平衡156

6.3.4 养分利用率158

6.4 土壤生物地球化学循环159

6.4.1 土壤微生物生物量和降解过程159

6.4.2 氮循环164

6.4.3 土壤含氮气体释放166

6.4.4 土壤磷循环173

6.4.5 硫循环174

6.4.6 林火转化作用176

6.4.7 动物的作用177

6.5 景观尺度物质平衡计算179

6.6 陆地生物地球化学过程的人类活动影响183

6.6.1 酸雨183

6.6.2 氮饱和184

6.6.3 CO2浓度升高与全球变暖185

6.7 小结185

第7章 湿地生态系统192

7.1 引言192

7.2 湿地类型194

7.2.1 湿地水文学195

7.2.2 湿地土壤196

7.2.3 湿地植物197

7.3 湿地生态系统的生产力198

7.4 湿地有机质储存201

7.5 水饱和沉积物微生物代谢作用204

7.5.1 自由能计算206

7.5.2 环境氧化还原电位测定209

7.6 厌氧代谢途径213

7.6.1 酵解作用213

7.6.2 硝酸根异化还原作用213

7.6.3 铁和锰还原作用215

7.6.4 硫的还原216

7.6.5 产甲烷作用217

7.6.6 甲烷好氧氧化作用219

7.6.7 甲烷厌氧氧化作用219

7.6.8 微生物群落221

7.7 湿地和水质222

7.8 湿地与全球变化222

7.8.1 全球湿地损失222

7.8.2 海平面上升与海水入侵222

7.8.3 升温223

7.8.4 CO2浓度上升223

7.9 小结224

第8章 陆地水体226

8.1 引言226

8.1.1 水的特性227

8.1.2 水陆关系228

8.1.3 水生食物网的特性236

8.2 湖泊237

8.2.1 湖泊水收支和混合作用237

8.2.2 湖泊碳循环240

8.2 3湖泊养分循环249

8.3 河流253

8.3.1 河流水收支和混合作用254

8.3.2 河流碳循环257

8.3.3 河流养分涡旋262

8.4 河口267

8.4.1 河口水收支与混合268

8.4.2 河口碳循环269

8.4.3 河口养分循环272

8.5 陆地水体的人类影响274

8.5.1 水利设施274

8.5.2 富营养化277

8.5.3 全球气候变化278

8.6 小结280

第9章 海洋283

9.1 引言283

9.2 海洋环流283

9.2.1 全球格局284

9.2.2 厄尔尼诺（El Nino）现象288

9.3 海水的组成289

9.3.1 主要离子289

9.4 净初级生产量（NPP）291

9.4.1 测量291

9.4.2 全球格局和估算293

9.4.3 水溶性有机质293

9.4.4 海洋净初级生产量的归趋294

9.5 沉积成岩作用296

9.5.1 有机成岩作用296

9.5.2 生源碳酸盐301

9.6 生物泵：海洋碳循环模型303

9.7 海洋养分循环306

9.7.1 内循环307

9.7.2 大气-海洋氮交换310

9.7.3 全球海洋氮收支312

9.7.4 磷313

9.7.5 海洋养分循环的人类干扰316

9.7.6 硅、铁和微量金属317

9.8 深海热液口生物群落的生物地球化学322

9.9 海洋硫循环324

9.10 生物地球化学的沉积记录325

9.11 小结327

第2篇 全球循环331

第10章 全球水循环331

10.1 引言331

10.2 全球水循环332

10.3 水循环模型337

10.4 水循环历史339

10.5 水循环与气候变化340

10.5.1 海平面上升340

10.5.2 海冰342

10.5.3 陆地水平衡343

10.6 小结345

第11章 全球碳循环347

11.1 引言347

11.2 现代碳循环348

11.3 碳循环时间演变354

11.4 大气甲烷358

11.5 一氧化碳363

11.6 碳循环和氧循环的耦合364

11.7 小结367

第12章 全球氮和磷循环368

12.1 引言368

12.2 全球氮循环370

12.2.1 陆地370

12.2.2 海洋376

12.3 全球氮循环的时间变化377

12.4 氧化亚氮379

12.5 全球磷循环382

12.6 全球生物地球化学循环的耦合关系384

12.7 小结385

第13章 全球硫和汞循环387

13.1 引言387

13.2 全球硫循环388

13.2.1 全球硫循环的时间演变392

13.2.2 大气羰基硫化物收支396

13.3 全球汞循环398

13.4 小结400

第14章 展望402