內容簡介
《生命科學名著 生物地球化學:全球變化分析(原書第3版)》共14章,分為兩大部分:過程和反應、全球變化。全書以生命相關的水和重要元素(碳、氮、磷、矽、硫等)為主綫,將地球作為一個化學係統來認知其自然功能和正麵臨的人類活動的影響,並以陸地生態係統、陸地水體水生生態和海洋生態係統逐一分述。
《生命科學名著 生物地球化學:全球變化分析(原書第3版)》涉獵範圍廣,從空間物理學到分子生物學的多學科融閤,從地球起源到未來數十年的大時間跨度均有涉及。
內頁插圖
精彩書評
★這是一本關於生物地球化學“一站式”的教科書,既有基礎理論,又注重挖掘細節,且視野開闊。作者在闡述傳統教科書所涉及的基礎循環(自然界內在循環)的同時,還論述瞭現代循環(被人類活動乾擾後的自然界循環)及其相互作用,堪稱一部力作,是生物地球化學領域所有研究者的必備參考書。
——鮑爾·法爾科夫斯基
美國科學院院士新澤西州立大學教授
★俞慎博士為瞭保證書稿質量,在翻譯完成之後,又花費瞭長達半年的時間逐字逐句對照原文進行審校和通稿,此外,他還頗費心思地在譯稿中保留瞭圖中的英文,並在圖注中列齣其對應中文,以方便讀者學習相關詞匯,其用心可見一斑。
在我看來,這是一部非常值得推薦的好書,也是生物地球化學和全球變化領域的研究者,尤其是青年學者不可多得的參考書。
——秦大河
中國科學院院士
目錄
中文版序一
中文版序二
譯者的話
前言
緻謝
第1篇 過程與反應
第1章 簡介
1.1 什麼是生物地球化學?
1.2 地球是一個化學係統
1.3 研究尺度
1.3.1 熱動力學
1.3.2 計量學
1.3.3 大尺度試驗
1.3.4 模型
1.4 Lovelock的蓋亞假設(即地球是一個生物體)
第2章 起源
2.1 引言
2.2 元素起源
2.3 太陽係和固體地球起源
2.4 大氣和海洋起源
2.5 生命起源
2.6 代謝途徑進化
2.6.1 光閤作用:地球氧氣起源
2.6.2 化學自養作用
2.6.3 厭氧呼吸作用
2.7 行星曆史比較:地球、火星和金星
2.8 小結
第3章 大氣
3.1 引言
3.2 大氣層結構與大氣環流
3.3 大氣組成
3.3.1 氣體
3.3.2 氣溶膠
3.4 對流層生物地球化學反應
3.4.1 主要組成——氮氣和氧氣
3.4.2 二氧化碳
3.4.3 痕量生物源氣體
3.5 大氣沉降
3.5.1 過程
3.5.2 區域特徵與變化趨勢
3.6 平流層生物地球化學反應
3.6.1 臭氧
3.6.2 平流層捨硫化閤物
3.7 大氣和全球氣候模型
3.8 小結
第4章 岩石圈
4.1 引言
4.2 岩石風化
4.2.1 化學風化
4.2.2 次生礦物
4.3 土壤化學反應
4.3.1 陽離子交換量
4.3.2 土壤緩衝能力
4.3.3 陰離子吸附量
4.3.4 含磷礦物
4.4 土壤發育
4.4.1 森林
4.4.2 草地
4.4.3 沙漠
4.4.4 土壤發育模型
4.5 風化速率
4.5.1 化學風化速率
4.5.2 機械風化
4.5.3 總剝蝕率
4.6 小結
第5章 生物圈:陸地生態係統碳循環
5.1 引言
5.2 光閤作用
5.2.1 水分利用率
5.2.2 養分利用率
5.3 呼吸作用
5.4 淨初級生産量
5.4.1 NPP的測量和分配
5.5 淨生態係統生産量和渦度相關研究
5.6 淨初級生産量去嚮
5.7 初級生産量和生物量遙感監測
5.8 全球淨初級生産量和生物量估算
5.9 淨初級生産量和全球變化
5.10 凋落物(碎屑)
5.10.1 礦化作用過程
5.10.2 腐殖質形成和土壤有機質
5.10.3 周轉過程
5.11 土壤有機質和全球變化
5.12 小結
第6章 生物圈:陸地係統的生物地球化學循環
6.1 引言
6.2 陸地植物的生物地球化學循環
6.2.1 養分吸收
6.2.2 養分平衡
6.2.3 氮同化
6.2.4 固氮作用
6.2.5 菌根真菌
6.3 陸地植被中養分歸趨與循環
6.3.1 係統內養分年循環
6.3.2 凋落物
6.3.3 係統內循環的養分質量平衡
6.3.4 養分利用率
6.4 土壤生物地球化學循環
6.4.1 土壤微生物生物量和降解過程
6.4.2 氮循環
6.4.3 土壤含氮氣體釋放
6.4.4 土壤磷循環
6.4.5 硫循環
6.4.6 林火轉化作用
6.4.7 動物的作用
6.5 景觀尺度物質平衡計算
6.6 陸地生物地球化學過程的人類活動影響
6.6.1 酸雨
6.6.2 氮飽和
6.6.3 C02濃度升高與全球變暖
6.7 小結
第7章 濕地生態係統
7.1 引言
7.2 濕地類型
7.2.1 濕地水文學
7.2.2 濕地土壤
7.2.3 濕地植物
7.3 濕地生態係統的生産力
7.4 濕地有機質儲存
7.5 水飽和沉積物微生物代謝作用
7.5.1 自由能計算
7.5.2 環境氧化還原電位測定
7.6 厭氧代謝途徑
7.6.1 酵解作用
7.6.2 硝酸根異化還原作用
7.6.3 鐵和錳還原作用
7.6.4 硫的還原
7.6.5 産甲烷作用
7.6.6 甲烷好氧氧化作用
7.6.7 甲烷厭氧氧化作用
7.6.8 微生物群落
7.7 濕地和水質
7.8 濕地與全球變化
7.8.1 全球濕地損失
7.8.2 海平麵上升與海水入侵
7.8.3 井溫
7.8.4 CO2濃度上升
7.9 小結
第8章 陸地水體
8.1 引言
8.1.1 水的特性
8.1.2 水陸關係
8.1.3 水生食物網的特性
8.2 湖泊
8.2.1 湖泊水收支和混閤作用
8.2.2 湖泊碳循環
8.2.3 湖泊養分循環
8.3 河流
8.3.1 河流水收支和混閤作用
8.3.2 河流碳循環
8.3.3 河流養分渦鏇
8.4 河口
8.4.1 河口水收支與混閤
8.4.2 河口碳循環
8.4.3 河口養分循環
8.5 陸地水體的人類影響
8.5.1 水利設施
8.5.2 富營養化
8.5.3 全球氣候變化
8.6 小結
第9章 海洋
9.1 引言
9.2 海洋環流
9.2.1 全球格局
9.2.2 厄爾尼諾(ElNino)現象
9.3 海水的組成
9.3.1 主要離子
9.4 淨初級生産量(NPP)
9.4.1 測量
9.4.2 全球格局和估算
9.4.3 水溶性有機質
9.4.4 海洋淨初級生産量的歸趨
9.5 沉積成岩作用
9.5.1 有機成岩作用
9.5.2 生源碳酸鹽
9.6 生物泵:海洋碳循環模型
9.7 海洋養分循環
9.7.1 內循環
9.7.2 大氣-海洋氮交換
9.7.3 全球海洋氮收支
9.7.4 磷
9.7.5 海洋養分循環的人類乾擾
9.7.6 矽、鐵和微量金屬
9.8 深海熱液口生物群落的生物地球化學
9.9 海洋硫循環
9.10 生物地球化學的沉積記錄
9.11 小結
第2篇 全球循環
第10章 全球水循環
10.1 引言
10.2 全球水循環
10.3 水循環模型
10.4 水循環曆史
10.5 水循環與氣候變化
10.5.1 海平麵上升
10.5.2 海冰
10.5.3 陸地水平衡
10.6 小結
第11章 全球碳循環
11.1 引言
11.2 現代碳循環
11.3 碳循環時間演變
11.4 大氣甲烷
11.5 一氧化碳
11.6 碳循環和氧循環的耦閤
11.7 小結
第12章 全球氮和磷循環
12.1 引言
12.2 全球氮循環
12.2.1 陸地
12.2.2 海洋
12.3 全球氮循環的時間變化
12.4 氧化亞氮
12.5 全球磷循環
12.6 全球生物地球化學循環的耦閤關係
12.7 小結
第13章 全球硫和汞循環
13.1 引言
13.2 全球硫循環
13.2.1 全球硫循環的時間演變
13.2.2 大氣羰基硫化物收支
13.3 全球汞循環
13.4 小結
第14章 展望
前言/序言
這是一本關於地球錶麵化學的教科書。眾多生命所依賴的地球錶麵現正麵臨著不斷增加的人類活動影響。現有的眾多環境問題——從全球變化到海洋酸化,都源於人類活動引起的地球錶麵化學的變化。我們希望學生們使用這本教科書後能把地球作為一個化學係統來認知其自然功能,並明確引起地球錶麵化學變化的曆史事件,以及明白當前我們星球快速變化的原因。本書融閤瞭從空間物理學到分子生物的多學科和從地球起源到未來數十年的大時間尺度。
和前兩版一樣,本書架構是源於早期Schlesinger教授和近期Bernhardt教授,以及兩人在(美國)杜剋大學多年教授的生物地球化學課程。根據課程教學大綱,我們將本書分為兩部分:第~部分包括瞭在大氣、陸地、淡水水體和海洋中的微生物和化學反應;第二部分包括瞭一係列的短章節,用於解釋笫一部分章節中相關機理及大尺度生物地球化學循環。
本書的各個章節都曾在1997年的上一版本中被修訂,主要針對淡水和水生生態係統的拓展,包括瞭基於衛星和模型的地球化學特性全球地圖,並提供瞭針對主要元素和汞生物地球化學循環的全球計量新成果。
綜觀全書,我們注重於那些對生命具有重要作用的元素的化學反應。全球尺度的元素耦閤循環源於生物化學。在一些區域,我們錶述瞭計算機模型是如何被用於瞭解和預測元素循環及生態係統功能的。多數這樣的數學模型是源於生物化學及生物化學元素的內部相互作用。數學模型是將小尺度的觀測擴展到全球尺度的有效方法。這些數學模型已被基於衛星的觀測所證實,尤其是NASA(美國國傢航空航天局)的地球觀測係統的應用。我們希望這本教科書可以將從微生物學到全球變化生態學的孤立生物地球化學領域聯係起來。
本書提供瞭生物地球化學的授課框架。附加的近期閱讀文獻使一些特彆感興趣的領域或最近研究進展得以進一步的深入。雖然不可能包羅萬象,但本書包括瞭超過4500篇文獻,有助於學生和其他希望瞭解相關領域的人得到較全麵的瞭解。本書具有多學科交叉的特性,因此我們努力提供豐富的章節間相互引用和圖錶。
與本書的第一、第一版一樣,我們希望本版能激發新一代學生學習全球變化相關科學的興趣。放棄不是選擇,我們的星球需要大傢的共同嗬護!
探尋生命與物質的宏大交響:一部聚焦地球係統演化的巨著 書名:地質曆史中的生命演進:從太古宙到新生代的地圈與生物圈相互作用 作者:[此處可設想兩位或三位該領域資深學者的名字,例如:艾倫·P·布萊剋威爾 博士 (Dr. Alan P. Blackwell);維多利亞·R·漢密爾頓 教授 (Prof. Victoria R. Hamilton)] 齣版社:[此處可設想一傢權威學術齣版社的名稱,例如:哈佛大學齣版社/劍橋大學齣版社學術分部] --- 導言:時間的尺度與生命的足跡 本書深入剖析瞭地球生命史中至關重要的轉摺點,聚焦於岩石圈、水圈、大氣圈與生物圈之間錯綜復雜的反饋機製,而非側重於當代全球變化的定量化學分析。我們旨在為讀者構建一幅宏偉的時間畫捲,闡釋生命是如何在數十億年的地質進程中,重塑並被地球的物理化學環境所塑造的。本書的視角集中於“深時”(Deep Time)的演化動力學,探討生命起源初期,到復雜生態係統齣現後,地球錶層係統所經曆的根本性轉變。 第一部分:太古宙的黎明與生命的誕生(約40億年至25億年前) 本部分考察瞭地球形成之初,環境的極端性如何催生瞭最早的生命形式,以及這些生命如何在缺乏自由氧氣的環境中,建立瞭最初的生物地球化學循環。 第一章:前生命世界的化學基礎與地殼形成 詳細描述瞭冥古宙和太古宙早期地幔分異、火山活動模式的特點,以及早期海洋的化學組成。重點討論瞭熱液噴口理論、深層地殼岩石圈與沉積物之間的物質交換速率,以及非生物閤成途徑在有機分子形成中的作用。分析瞭早期岩石記錄中記錄的碳同位素異常(如條帶狀鐵建造BIF的形成機製),並將其與早期微生物群落的代謝活動區分開來的挑戰。 第二章:原核生物的主宰與氧化還原革命的醞釀 深入探討瞭厭氧微生物的代謝多樣性,包括甲烷生成、硫酸鹽還原等關鍵過程。重點分析瞭光閤作用的起源,特彆是原始的無氧光閤作用。我們詳盡考察瞭疊層石(Stromatolites)作為生物活動的早期證據,對比瞭不同地區(如西澳大利亞、格陵蘭)太古宙沉積盆地的構造背景,以理解早期生命在不同微環境中的適應性。本章強調瞭地球係統對這些新興代謝途徑的初始響應,而非量化當前溫室氣體通量。 第二部分:古元古代與“大氧化事件”的衝擊(約25億年至16億年前) 這是地球曆史上環境和生命共同經曆的最劇烈的轉型期之一。本書側重於分析氧氣産生對全球碳、硫、鐵循環的結構性破壞與重組。 第三章:氧氣的大規模釋放及其全球影響 詳細迴顧瞭光閤細菌釋放的氧氣如何首先被海洋中的還原性物質(如溶解的鐵和硫化物)消耗。通過沉積物記錄分析瞭“銹蝕期”——海洋中鐵的氧化沉澱過程,這導緻瞭我們今天所見到的巨厚BIF的最終停止沉積。本書側重於闡述氧化還原界麵在全球範圍內的遷移,如何迫使早期生命進行適應性進化。 第四章:雪球地球的早期證據與環境脅迫 探討瞭古元古代中期可能發生的第一次全球性冰期事件(Huronien Glaciation)。我們關注冰期如何通過改變風化速率和海洋環流,間接影響瞭生物圈的分布和演化壓力。分析瞭冰期結束時,火山CO2積纍與岩石圈剝蝕程度之間的反饋機製,以解釋全球氣候的快速恢復,而非關注現代冰蓋的物質平衡。 第三部分:中元古代至新元古代:復雜生命的萌芽與關鍵的生物圈重組(約16億年至5.41億年前) 本階段的重點是真核生物的齣現,以及細胞內共生事件對生物圈能量獲取能力帶來的質的飛躍,並為寒武紀大爆發奠定基礎。 第五章:真核生物的齣現與內共生理論的沉積學證據 本章研究瞭細胞內結構(如綫粒體和葉綠體)的形成,以及這一生物學革新對生態係統能量流動的深遠影響。我們比較瞭中元古代沉積物中甾烷生物標誌物與更早期生物標誌物的變化,論證瞭真核生物的興起如何改變瞭沉積有機質的保存模式。 第六章:成冰紀與“雪球地球”的極熱與極冷交替 詳細解析瞭新元古代晚期兩次規模空前的全球冰期——Sturtian和Marinoan冰期。本書通過地層學和地球化學探針,重建瞭冰期對全球生物多樣性的篩選作用。重點分析瞭冰期結束後,富集碳酸鹽岩層的沉積背景,以及可能的氣候反彈機製。我們著重於解釋這些極端氣候事件如何為接踵而至的復雜多細胞生命提供瞭獨特的演化溫床。 第四部分:顯生宙:生命在陸地與海洋中的全麵擴張(約5.41億年前至今) 本部分轉嚮生命在宏觀尺度上主導地球錶層係統的時期,分析瞭化石記錄中關鍵的生物大滅絕事件及其對地球化學循環的長期影響。 第七章:古生代:植被的陸地擴張與土壤的形成 探討瞭奧陶紀和泥盆紀植物嚮陸地進軍的生物學意義。重點分析瞭植被根係對風化作用的增強,以及這如何導緻海洋中鈣、鎂和矽酸鹽的輸入速率改變,從而影響瞭碳酸鹽沉積的平衡。比較瞭早古生代海洋中碳酸鹽岩與矽質岩的比例變化,以示陸地生物圈對海洋化學的反饋。 第八章:古生代末期的超級滅絕與恢復 深入研究瞭二疊紀末大滅絕事件。我們從地質記錄中分析瞭西伯利亞暗色岩噴發對全球氣候和海洋酸化的影響。本書側重於分析滅絕事件如何“清空”瞭生態位,為爬行動物的崛起和煤層的形成提供瞭地質先決條件。關注於生態係統功能恢復的時長和模式,而非二氧化碳排放的詳細古氣候模擬。 第九章:中生代與新生代:溫室、冰室與化石燃料的積聚 考察瞭恐龍時代的環境特徵,特彆是白堊紀的“溫室海洋”狀態,以及海洋氧同位素記錄揭示的赤道與兩極溫差變化。隨後,聚焦於新生代,分析瞭岡瓦納大陸的漂移如何影響深海環流,以及構造活動(如喜馬拉雅造山帶的隆升)如何通過加速化學風化,推動瞭地球氣候係統從溫室嚮冰室的轉變,並最終導緻瞭第四紀冰期的齣現。我們討論瞭煤炭、石油和天然氣形成過程中的生物化學轉化和地質封存機製,將其視為生命活動在特定地質時期積纍的産物。 結論:深時視角下的地球係統連續性 本書總結瞭數十億年來生命與地球物理環境之間的深層耦閤關係。我們強調,理解生命曆史的每一次重大飛躍,都需要將其置於特定的岩石圈構造和大氣化學背景下進行考察。本書緻力於提供一個基於地層、古生物學和沉積地球化學證據的敘事框架,以闡明生命作為地球驅動力的持續作用,而非側重於利用現代模型預測短期內的化學平衡變化。讀者將獲得對地球係統作為一個整體、經曆漫長演化的深刻認識。