生物地球化学的概念与方法DNDC模型的发展.PDF

维普资讯 第21卷 第2期 第 四 纪 研 究 V0】21．No2 2001年 3 月 QUATERNARY SCIENCES March_2001 生物地球化学的概念与方法 — — DNDC模型的发展 李 长 生 f美 国新罕布舍尔大学 地球海洋及空间研究所 。Durham~ 中国斟学院地球环境研究所，西安 710054 摘要 生物地球化学作为一个学科包含 4个概念，即生物地球化学量、流、群和场。这 4个 概念从不同角度描述了生命与其环境的关系 生物地球化学量探索生命及其无机环境在元素 丰度上的相似性，这种相似性决定了生命体对环境化学状态 的依赖性。生物地球化学流描写 化学元素在生态系统中的迁移，此迁移导致 了生命体与环境间的物质和能量交换 生物地球 化学群描述化学元素在迁移转化时的复杂组台关系及其生物效应。生物地球化学场是生态系 统中控 制生物地球化学反应的各种环境营力的总和。生物地球化学模 型即是这一综台力场及 其对化学元素迁移转化影响的数学描述，删咂)c模 型即基于这些概念发展起来。DI C模 型 可用来 预测陆地生态系统中碳和氮的生物地球化学行为，该模型已被一些国家用来预测农业 土壤 的长期肥力 和温室气体排放 主题词 生物地球化学 生物地球 化学模型 碳 氮 1 引言 自从 RachelCarson的 《寂静 的春天》问世 以来 ，仅 30余年 ，人类对环境 的忧虑 已由区 域转 向全球 人类复杂 的社会经济活动叠加在复杂 的 自然过程上面，形成 了非常复杂 的 系统。土地衰退 ，江河污染 ，臭氧层减薄 ，全球气候变化，这一切都在此复杂系统 的驱动下 悄然发生 人类的智慧又一次面临挑战：我们是否有能力理解这一复杂现象?我们是否 能够预测未来?我们是否能采取措施改变这恶化趋势?在人类重新组织 自己的知识来对 付这一挑 战时，一个名词越来越频繁地 出现在科学讨论会上或学术文章中，这就是 生物 地球化学 (biogeochemistry)。生物地球化学是什么?如何应用它 的概念和方法来研究当 前生态环境 问题?本文试 图从一个生物地球化学模型的发展来 阐述一二 。 2 生物地球化学的概念 任何一个学科要能 自立于科学之林 ，它必须具备 自己特定 的研究对象、基本理论和研 究方法。生物地球化学是通过追踪化学元素迁移转化来研究生命与其周围环境关系 的科 作者简介 ：李长生 男 s9岁 教授 生暂地球化学专业 Emaif：chzrtgshengli@urmedu 美 国国家科学基金会、宇航局和环境保护局联台资助项 目 200101—19收稿 ．200101—29收修改稿 维普资讯 第 四 纪 研 究 2001年 学。此一学科 由4个基本概念构成，即生物地球化学的量、流、群和场。这 4个概念从不同 角度解析生物与环境 的关系，并确定了生物地球化学 的方法论 生物地球化学量 (biogeochemicalabundance) 生命是无机元素在宇宙特定条件下演化的结果 ，生命进化长期 以来受制于环境 ，正是 地球的物理、化学条件造就了当前生命的形态和组成 许多学者指出生物和地壳的化学 元素组成 的相似性 ：地壳丰度较高的元素大多在生命体中也有较高丰度，并成为生命的必 需元素；地壳丰度较低 的元素大多在生命体 中含量也较低 。研究者们将这一丰度上的相 似性归功于生物进化的结果。原始的脊椎动物文 昌鱼选择了铁来构成它血红蛋 白的载氧 体系 ，而它 的近亲海鞘选择了钒来运载血氧 。由于铁在原始海水 中的丰度远高于钒，且铁 在血液 中的载氧效率也高 ，文 昌鱼赢得 了进化优势 ，最后发展成高等脊椎动物 ，而海鞘却 进入 了进化 的死胡同，至今仍是海鞘 生命 与环境在生物地球