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第1章 生物地球化学循环及其在地球系统中的作用1

1.1 引言1

1.2 开放循环与封闭循环2

1.3 我们为什么关心生物地球化学循环？4

1.4 我们应该研究哪些元素？5

建议阅读7

第2章 化学热力学原理8

2.1 引言8

2.2 基本要点8

2.3 酸－碱平衡12

2.4 相变17

2.5 平衡在CO2-H2O-Ca系统中的应用17

2.5.1 纯碳酸系统18

2.5.2 碳酸钙系统20

2.6 氧化还原性质24

2.6.1 价态24

2.6.2 氧化还原半反应26

2.6.3 氧化还原平衡28

2.7 pe-pH稳定性图29

2.7.1 水的pe-pH稳定性图31

2.7.2 简单硫系统的pe-pH稳定性图32

2.7.3 pe-pH稳定性图中的亚稳态边界35

2.8 结论36

建议阅读36

习题37

第3章 地球系统38

3.1 引言38

3.2 水圈40

3.2.1 海洋底部40

3.2.2 海洋的物理性质41

3.2.3 海洋化学42

3.2.4 海洋年龄——一个悖论？44

3.3 岩石圈46

3.3.1 地壳中的岩石和矿物质47

3.3.2 板块构造学说48

3.4 大气圈50

3.4.1 大气的组成51

3.4.2 大气的物理性质53

3.4.3 大气风与湍流混合55

3.5 生物圈57

3.5.1 新陈代谢过程57

3.5.2 生物圈的组成60

3.5.3 初级生产63

3.6 结论64

建议阅读67

习题67

第4章 生物地球化学循环的数学模拟69

4.1 引言69

4.2 线性箱式模型70

4.3 简单的例子：生物地球化学大学－世界循环70

4.3.1 C1，世界的人数71

4.3.2 C2，大学的人数72

4.3.3 k2→1，从大学到世界的转移系数72

4.3.4 k1→2，从世界到大学的转移系数72

4.4 运用微分方程模拟大学－世界循环73

4.4.1 第一组解75

4.4.2 第二组解75

4.4.3 完全一般解76

4.4.4 例1：稳态解76

4.4.5 例2：大学创立时期的初始状态77

4.4.6 例3：扰动试验77

4.4.7 小结78

4.5 生物地球化学循环中的特征值和特征向量解法80

4.5.1 含N个储库的一般问题80

4.5.2 用向量矩阵形式设立问题80

4.5.3 特征值和特征向量问题一般解的获取82

4.5.4 应用初始条件获得特定解84

4.5.5 特征值和特征向量方法小结84

4.6 运用BOXES模拟生物地球化学循环的方法85

4.7 结论86

建议阅读87

习题87

第5章 全球磷循环88

5.1 引言88

5.2 磷的氧化还原性质90

5.3 磷循环的生物地球化学反应91

5.3.1 磷循环与生物圈的耦合——光合与呼吸91

5.3.2 磷循环与岩石圈的耦合——沉积与风化92

5.4 磷的循环93

5.4.1 C1：沉积物储库94

5.4.2 C2：陆地土壤储库94

5.4.3 C3：陆地生物储库94

5.4.4 C4：海洋生物储库94

5.4.5 C5：表层海洋储库95

5.4.6 C6：深层海洋储库95

5.4.7 F2→1：陆地土壤储库到沉积物储库流量95

5.4.8 F2→3：陆地土壤储库到陆地生物储库流量95

5.4.9 F3→2：陆地生物储库到陆地土壤储库流量95

5.4.10 F2→5：陆地土壤储库到表层海洋储库流量95

5.4.11 F5→4：表层海洋储库到海洋生物储库流量96

5.4.12 F4→5：海洋生物储库到表层海洋储库流量96

5.4.13 F→6：海洋生物储库到深层海洋储库流量96

5.4.14 F5→6：表层海洋储库到深层海洋储库流量96

5.4.15 F6→5：深层海洋储库到表层海洋储库流量96

5.4.16 F6→1：深层海洋储库到沉积物储库流量97

5.4.17 F1→2：沉积物储库到陆地土壤储库流量97

5.4.18 建立矩阵K97

5.5 运用BOXES研究磷循环97

5.5.1 试验1：验证稳态模型98

5.5.2 试验2：人为活动的影响99

5.5.3 试验3：光合作用加倍100

5.6 结论102

建议阅读102

习题103

第6章 全球碳循环104

6.1 引言104

6.2 碳的氧化还原性质108

6.3 工业化前碳的全球生物地球化学循环110

6.4 人为排放的影响及其“留存大气比例”112

6.4.1 运用BOXES模型进行简单模拟112

6.4.2 BOXES模型的“准非线性”模拟114

6.5 人为干扰的持续性121

6.6 结论122

建议阅读123

习题123

第7章 全球硫循环124

7.1 引言124

7.2 硫的氧化还原性质125

7.3 硫循环中的重要生物地球化学反应127

7.3.1 黄铁矿（FeS2）的形成与风化129

7.3.2 石膏（CaSO4·2H2O）的形成与风化130

7.4 工业化前的全球硫循环131

7.5 数值试验1：二叠纪时期石膏沉积物增加的模拟133

7.6 数值试验2：人为干扰的影响和持续性136

7.7 结论138

建议阅读139

习题139

第8章 全球氮循环141

8.1 引言141

8.2 氮的氧化还原性质143

8.3 氮循环的关键生物地球化学反应145

8.3.1 氮的固定——生物固氮与非生物固氮145

8.3.2 氨的同化或光合作用146

8.3.3 同化硝酸盐的还原147

8.3.4 氨化或矿化147

8.3.5 硝化147

8.3.6 氨的挥发148

8.3.7 大气化学148

8.3.8 反硝化153

8.4 工业革命以前的稳态氮循环153

8.5 数值试验：人类扰动的影响及持续时间157

8.6 结论160

建议阅读161

习题161

第9章 综合循环：大气氧的稳定度163

9.1 引言163

9.2 短时间尺度内的氧循环：生物圈的连接164

9.3 长时间尺度上的氧循环：岩石圈的连接167

9.4 构建氧循环的数学模型169

9.4.1 微分方程169

9.4.2 流量数学表达式的推导170

9.4.3 方程求解174

9.5 数值试验1：再论二叠纪时期石膏沉积的加强174

9.5.1 试验设置175

9.5.2 试验结果175

9.6 数值试验2：世界末日情景176

9.7 数值试验3：利用氧循环来寻找“失踪的碳”178

9.7.1 试验设置178

9.7.2 试验结果179

9.8 结论181

建议阅读181

习题182

附录 平衡常数（25℃）183

专业术语187

索引194

译后记202