生物地球化学：物质循环与土壤过程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

　　《生物地球化学：物质循环与土壤过程》从生物地球化学的基本原理出发，系统介绍了与元素生物地球化学循环有关的物理、化学和生物化学过程；重点讨论了土壤过程与元素生物地球化学循环之间的关系以及元素在植物一土壤系统中的循环。内容包括：元素与地球圈层结构、物质传输、物质循环中的化学过程、元素循环的生物驱动作用，以及碳、氮、磷、硫、钾、钠、钙、镁、植物微量营养元素与有益元素、污染物质的生物地球化学循环。
　　《生物地球化学：物质循环与土壤过程》是农业资源与环境学科硕十研究生学位课教材，也可作为生态环境领域各相关学科本科生和研究生的参考教材。同时，还可供从事全球变化科学、生态学、环境科学等学科研究的相关人员参考。

内页插图

目录

导言 当代生物地球化学
一、生物地球化学的概念与研究内容
二、生物地球化学学科的创建
三、相关学科与当代生物地球化学的发展
四、土壤圈与生物地球化学过程
五、人类活动对生物地球化学过程的扰动

第一章 元素与地球圈层结构
第一节 元素与同位素
一、元素的起源
二、元素的丰度
三、营养元素
四、同位素及其在生物地球化学上的应用
第二节 岩石圈、大气圈与水圈
一、岩石圈
二、大气圈
三、水圈
第三节 生命起源与生物圈的形成
一、生命的起源
二、生命进化
三、生物与地球化学环境的改变

第二章 物质传输
第一节 生物地球化学储库与物质传输机制
一、元素的生物地球化学储库
二、元素的生物地球化学传输机制
三、物质循环的时空性
第二节 水循环与物质的水体传输
一、地球上的水循环
二、元素的水体传输
第三节 元素的大气传输
一、大气层的结构与化学组成
二、大气环流
三、大气中物质的来源与去向
第四节 物质的生物传输
一、植物一土壤系统的养分传输
二、元素的生物传输

第三章 物质循环中的化学过程
第一节 水溶液化学
一、气体在水中的溶解
二、水的酸碱平衡
三、水中的可溶性有机物及其化学反应
第二节 固一液相界面的化学过程
一、矿物风化
二、吸附与解吸附
三、化学沉淀与溶解
第三节 氧化与还原
一、氧化还原反应在生物地球化学中的作用
二、环境中的氧化还原过程
三、环境中的氧化还原状况

第四章 元素循环的生物驱动作用
第一节 生物与元素循环
一、元素循环的生物学过程
二、生物的营养类型
三、生态系统中元素的循环与耦合
第二节 微生物与物质循环
一、微生物的多样性与分布
二、微生物的生态适应性
三、微生物之间的相互作用
第三节 植物一土壤互作与物质循环
一、植物对土壤化学环境的影响与物质循环
二、植物与土壤生物的相互作用
三、土壤食物网与物质循环
四、生物在土壤中的空间分布
五、土壤酶

第五章 碳循环
第一节 全球碳循环
一、碳的地球化学特征与循环
二、生态系统中的碳循环
三、现代全球碳循环
……

第六章 氮循环
第七章 磷循环
第八章 硫循环
第九章 钾、钠、钙和镁的循环
第十章 金属微量元素的循环
第十一章 硼、钼、硅和硒的循环
第十二章 污染物质的生物地球化学循环

参考文献

前言/序言

　　当2000年重新修订研究生培养计划时，中国农业大学植物营养学科决定将植物营养学硕士研究生学位课由“植物营养的土壤化学”调整为“生物地球化学”，并于2001年开课。
　　“生物地球化学”是农业资源与环境学科在我国首次开设的一门新课，国内缺乏相关教材。国外有两部同名为Biogeo chemistry的常用教材，分别由美国植物生态学家Schlesinger和俄罗斯地球化学家Bashkin编著，主要用于本科生教学。而且由于编著者专业背景的差异，不大适宜直接用于本学科教学工作。开课之初，编著者就希望我们自己能有这样一部适用教材。历经15年的教学实践与资料积累，编著者很高兴地看到这部书稿的完成。
　　“生物地球化学”课程是农业资源与环境学科为适应学科发展需要而设置的。作为地球化学的一个分支学科，生物地球化学已有近百年的历史，重点研究生物圈与地圈的相互作用及其对生态环境的影响。以物质循环为纽带，生物地球化学将全球生态系统与物理气候系统、固体地球系统有机联结在一起。因此，自20世纪80年代以来随着以全球变化为核心的全球环境问题的日益突出，生物地球化学就成为地球系统科学、全球变化科学、资源与环境科学以及生态学等新兴和综合学科领域的热点研究方向。
　　农业生物生产过程既影响环境又受到环境的制约，而联结农业与环境之间相互关系的就是物质循环。农业生态系统物质循环是物质生物地球化学循环的重要组成部分。土地的农业利用深刻影响着全球碳循环，农业生态系统的肥料投入和生产体系的集约化和商品化，改变了全球氮、磷等养分元素的循环强度和方向。而且，位于岩石圈、水圈、大气圈和生物圈交界面上的土壤圈，是全球物质循环的重要节点。深入理解农业生态系统物质循环的规律，了解物质循环对农业环境的影响，对提高资源利用效率、减少环境污染并促进农业的可持续发展具有重要意义。
　　本课程运用生物地球化学的基本原理，系统地阐述植物营养元素及污染物质的生物地球化学过程，侧重于讨论主要营养元素和污染物质在土壤一植物系统中的迁移与转化规律，以及物质迁移与转化过程对元素有效化和移动性的影响。通过本课程的学习，学生能够对物质循环与转化规律有一般性认识，并深入理解营养元素和污染物质的土壤生物地球化学过程，提高宏观把握能力和在微观上综合分析与解决问题的能力。
　　生物地球化学以研究由生物参与的地球表生化学和生物化学过程以及物质的迁移规律为主，涉及地球科学和生命科学领域的许乡分支学科，是具有高度综合性的一门交叉学科。而且近30年来，以全球碳、氮循环为核心的生物地球化学研究工作十分活跃，资料十分丰富。然而，由于编著者知识背景的限制和学识的不足，在对基本原理的理解、前沿研究动态追踪和研究资料取舍方面，还存在着许多不尽人意之处。殷切希望使用本教材的教师和同学们能够不吝赐教，本人不胜感谢。
　　本书编写过程中得到了许多同事的热情帮助。张福锁教授从学科发展战略的角度，首先提议开设本课程。李保国、林杉和郭景恒教授认真阅读了本书稿，并提出了许多宝贵的修改意见。中国农业大学研究生院在“985工程”三期高水平研究生课程建设方面，对本课程建设予以立项支持并为书稿的出版提供资助。国家自然科学基金委和科技部对本人承担的科研项目的资助，为相关章节的深入讨论提供了很大的帮助。对此，本人深表谢意。

好的，这是一本名为《生物地球化学：物质循环与土壤过程》的图书的简介，内容将围绕该领域的核心主题展开，详细阐述其涵盖的范围和深度，并避免任何可能暗示其为人工智能生成的内容的痕迹。 --- 图书简介： 《生物地球化学：物质循环与土壤过程》 ——探索生命、物质与地球系统的动态交汇 本书深入剖析了生物地球化学这一交叉学科的核心原理，重点聚焦于物质在生命体、大气圈、水圈和岩石圈之间的复杂循环机制，以及这些过程如何在土壤这一关键介质中得以体现和调控。我们生活的星球是一个相互关联的动态系统，生命活动的兴衰与地球的化学环境紧密耦合。理解这些耦合关系，对于预测环境变化、管理自然资源以及保障生态系统的健康至关重要。 第一部分：生物地球化学基础与元素循环的宏观视角 本书首先为读者建立起坚实的理论基础。我们将从化学热力学和动力学的基本原理出发，阐释生物地球化学过程的驱动力。随后，我们将系统地梳理关键元素的全球循环，这构成了本书的骨架。 碳循环的深度解析： 碳是生命的基石，其循环涉及光合作用、呼吸作用、溶解与沉淀等一系列生物化学反应。本书不仅考察自然界中碳的储库（如海洋、大气和生物质），还将详细探讨人类活动（如化石燃料燃烧和土地利用变化）对碳平衡的扰动，以及由此引发的全球气候变化问题。我们探讨了碳在土壤有机质中的储存机制，包括腐殖质的形成与稳定性，这直接关系到土壤的固碳潜力。 氮循环的复杂性与调控： 氮的循环是生物地球化学中最具活性的部分。从固氮作用（无论是自然固氮还是工业固氮）到硝化、反硝化过程，每一个步骤都由特定的微生物群落严格控制。我们将详述这些微生物介导的转化如何影响生态系统的初级生产力，以及过量氮输入（如农业径流）导致的富营养化和温室气体（如一氧化二氮）排放问题。 硫与磷的生态化学： 硫和磷在生物体中扮演着不可或缺的角色。硫的循环受氧化还原条件影响显著，书中将分析硫酸盐还原菌和硫氧化菌在沉积物和土壤中的作用。磷的循环则更多地受控于岩石风化和矿物吸附/解吸过程。重点在于阐述磷在生态系统中的限制性作用及其在土壤中的有效性调控机制。 微量元素与重金属的生物地球化学： 铁、锰、铜、锌等微量元素对生命活动至关重要，但其浓度适中才能维持健康。我们深入研究了这些元素在不同氧化还原电位下的形态变化（物种转化），及其在土壤-水界面上的迁移转化规律。同时，对铅、镉、汞等重金属的生物地球化学行为进行严谨的建模分析，关注其在食物链中的富集风险。 第二部分：土壤——生物地球化学过程的集成平台 土壤不仅仅是植物生长的介质，它是一个高度复杂的反应器，其中发生着最为活跃和关键的生物地球化学转化。本部分将聚焦于土壤这一特定环境。 土壤物理化学基础： 在深入探讨化学转化之前，我们首先建立了土壤的物理结构框架，包括土壤质地、孔隙度、表面积及其对反应速率的影响。随后，详细分析了土壤胶体的性质——粘土矿物和有机质的表面电荷特性，这些特性决定了离子交换能力和污染物吸附潜力。 土壤有机质（SOM）的动态： SOM是土壤生物地球化学过程的核心驱动力。我们将从分子水平上解构腐殖质和非腐殖质组分的化学结构，并阐述其在微生物分解、矿化和腐殖化过程中的转化路径。重点讨论了SOM的稳定机制，包括化学结合（如与矿物形成络合物）和物理保护（如在微孔隙中被包裹）的作用。 土壤中的氧化还原反应： 土壤环境的氧化还原状态是控制许多元素（尤其是氮、铁、锰、硫）形态和活性的决定性因素。本书详尽考察了电子传递链在土壤系统中的表现，分析了好氧和厌氧条件下关键酶和微生物群落对电子受体和供体的利用策略，并提供了Eh-pH图解分析工具，用于预测特定环境下的元素行为。 土壤溶液化学与离子平衡： 土壤溶液是物质交换的主要场所。我们采用离子强度、活度和溶解度平衡的理论，精确描述了土壤溶液中营养元素（如钙、镁、钾）的有效性及其与土壤固相的动态平衡。这部分内容对于精准农业和土壤改良具有直接的指导意义。 生物地球化学过程的时空变异性： 真实世界中的过程并非均匀一致。本书强调了空间异质性（如坡面上的水分和养分梯度）和时间动态性（如季节性冻融循环、降雨事件）对生物地球化学速率的显著影响。通过案例研究，展示了如何利用地理信息系统（GIS）和空间统计模型来刻画这些变异性。 第三部分：应用与前沿——环境挑战与解决方案 最后，本书将理论知识与当前面临的重大环境挑战相结合，探讨生物地球化学在实际应用中的潜力。 污染物的生物地球化学修复： 针对土壤和地下水中的有机污染物和重金属污染，我们探讨了基于生物地球化学原理的修复策略。这包括生物衰减（Bioremediation）、植物修复（Phytoremediation）中涉及的氧化还原机制，以及利用特定微生物群落来固定或转化有毒物质的方法。 生态系统反馈与气候变化： 深入探讨了土壤在全球气候系统中的双重角色——既是重要的温室气体排放源，又是重要的碳汇。重点分析了温度升高和降水变化如何通过影响微生物活性和土壤水文过程，反过来加速或减缓大气 $ ext{CO}_2$ 浓度的上升。 可持续农业与土壤健康： 从生物地球化学的角度重新审视可持续农业实践。探讨了免耕、轮作和生物炭施用如何通过改变土壤微环境（如根际化学、氧化还原条件）来优化养分循环效率，减少环境负荷，最终提升土壤的长期生产力和抗逆性。 本书内容严谨，图表丰富，数据详实，不仅是环境科学、土壤学、生态学及地球科学专业学生和研究人员的权威参考书，也是环境工程师和资源管理人员理解复杂地球系统过程的必备工具。它旨在提供一个全面、深入且具有前瞻性的框架，以理解生命如何在地球化学的舞台上塑造我们的环境。 ---