《生物地球化学（双语教学）》教学大纲

一、基本信息

课程名称		生物地球化学（双语教学）				课程编号	ECOL3106
英文名称		Biogeochemistry				课程类型	本专业推荐选修课
总学时	48	理论学时		48	实验学时		实践学时
学分	2	预修课程	普通化学			适用对象	农业资源与环境
课程简介 （200字左右）		围绕生态系统全球变化介绍生物地球化学的基本概念、原理、研究工作的发展史及其在农业生产、资源节约、环境规划和生态环境保护方面的重要性；详细介绍大气圈、岩石圈养、水圈和生物圈之间的耦合关系；围绕农业领域，介绍以氮磷钾三大元素为重点的生物地球化学循环；介绍生物特征元素如碳和硫的生物地球化学循环；介绍生物体在全球尺度的地球化学循环中主要功能；介绍代表性的复杂交互系统（如湿地生态系统）中的地球化学过程。

 

二、教学目标及任务

本课程以全球生态系统为架构介绍生物地球化学的基本内容、重要性与发展动态，明确生物体的生态功能，熟悉主要生物元素和土壤元素的循环过程，了解生物对地球化学环境变化的反应和调节机制，了解生物地球化学循环对环境及农产品品质的影响，了解研究生物地球化学的经典实验和新方法。重点掌握氮、磷、钾、硫、碳的生物化学循环过程；生物和地球科学领域的主要因子在全球尺度变化下的响应；掌握微观尺度和宏观尺度研究生物地球化学的新技术、新方法。

 

三、学时分配

教学课时分配

章节	章节内容	讲课	实验	实践	合计
第一章	绪论 (Introduction)	2
第二章	生命和地球的起源 (Origins of life and the Earth)	5
第三章	大气圈生物地球化学 （Biogeochemistry  in atmosphere）	6
第四章	岩石圈生物地球化学 (Biogeochemistry in lithosphere)	6
第五章	生物圈生物地球化学 (Biogeochemistry in biosphere)	6
第六章	湿地生态系统 (Wetland ecosystem)	3
第七章	陆地水系统 (Inland waters)	3
第八章	海洋生物地球化学 (Biogeochemistry in oceans)	2
第九章	全球水循环 （Global  water cycle）	2
第十章	全球碳循环 （Global  carbon cycle）	2
第十一章	全球硫和重金属循环 （Global  cycle of S and heavy metals）	2
第十二章	全球氮磷钾循环 （Global  cycle of N, P, and Kof ecological environment）	4
第十三章	生物地球化学循环研究方法 （Analytical  techniques in biogeochemistry）	2
	课堂交流、讨论、总结	1
	考试	2

 

四、教学内容及教学要求

 

第一章：绪论

(Introduction)

第一节生物地球化学的发展史（History and biogeochemistry）

习题要点：生物地球化学研究对象的变迁？

第二节元素、太阳系、地球的起源（Origins of elements, solar system, and Earth）

习题要点：地球具有哪些适合生物生产的特征？

第三节大气、海洋、生物的起源（Origins of atmosphere, oceans, and life）

习题要点：生物起源的步骤和进化方向。

本章教学要求：了解生物地球化学的发展史和研究前沿，生物地球化学的范畴，生物地球化学及其相关学说和概念的含义；理解生物地球化学的基本原理与主要的研究方法；掌握生物起源的过程，必需的生态环境条件和主要影响因子。

本章重点、难点：必需营养元素的概念，生物地球化学研究的范畴，生物地球化学的研究方法。

 

第二章 生命和地球的起源

(Origins of life and the Earth)

第一节新陈代谢路径的进化 (Evolution of metabolic pathways)

习题要点：新陈代谢的进化方向异同。

第二节行星历史的比较：地球、火星、和金星（Comparative Planetary History：Earth, Mars, and Venus）

习题要点：为什么火星和金星没有生命的进化？

第三节生命和地球的协同进化(Cooperated evolution of life and Earth)

习题要点：何谓协同进化？

本章教学要求：理解生命演变中新陈代谢的进化特征，明确地球在太阳系中具有生命特征的唯一性，了解生物和地球的协同进化，初步掌握判别生物进化中的地球化学机制的方法。

本章重点、难点：新陈代谢和协同进化的概念。

 

第三章 大气圈生物地球化学

(Biogeochemistry in atmosphere)

第一节大气组成(Atmospheric composition)

习题要点：气体和溶胶的概念。

第二节对流层和平流层中的生物地球化学反应 (Biogeochemical reactions in the

troposphere and stratosphere)

习题要点：对流层和平流层的概念以及其中的反应类型。

第三节大气沉降(Atmospheric deposition)

习题要点：大气沉降的害处和益处。

第四节大气和全球气候模型

(Models of the atmosphere and global climate)

习题要点：如何建立全球尺度的模型。

本章教学要求：了解大气圈的构成，如平流层以及对流层等，明确大气的主要化学组成，每一个大气层中常见的生物地球化学反应过程已经特征，理解氮、氧、硫等常见大气元素的反应特，掌握气候模型建立的一般方法。

本章重点、难点：大气不同分层的特征、各类生物地球化学过程的异同点、气候模型的全球尺度建模方法。

 

第四章岩石圈生物地球化学

 (Biogeochemistry in lithosphere)

第一节岩石分化(Rock weathering)

习题要点：化学分化和次生矿物的概念。

第二节土壤化学反应 (Soil chemical reactions)

习题要点：土壤常见理化性质。

第三节土壤利用 (Soil development)

习题要点：森林、草地、和沙漠的利用。

第四节分化速率(Weathering rates)

习题要点：化学分化和物理分化的异同。

本章教学要求：了解岩石分化过程中矿物的变迁，了解土壤CEC、pH、缓冲能力等常见理化参数，理解并掌握不同生态系统中土壤利用方式的区别和利弊，了解物理分化和化学分化的特征以及各自在生物地球循环中的重要性，综合所学知识熟练基本的土壤理化参数测定方法。

本章重点、难点：不同理化参数之间的关系，不同生态系统中土壤利用的限定因素，熟悉物理分化和化学分化的速率特征。

 

第五章生物圈生物地球化学

(Biogeochemistry in biosphere)

第一节光合作用和呼吸(Photosynthesis and respiration)

习题要点：光合作用和呼吸如何驱动生物地球化学循环。

第二节全球尺度的主要作物和生物量的估算 (Global estimates of net primary production and    biomass)

习题要点：估算限定地区的生物量。

第三节土壤有机质和全球变化 (Soil organic matter and global change)

习题要点：有机质如何影响全球变化？

第四节人类活动对陆地地球化学循环的影响(Human impacts on terrestrial biogeochemistry)

习题要点：了解酸雨、二氧化碳排放等人类造成的污染。

本章教学要求：了解植物光合作用和呼吸对生物地球化学循环的重要性，理解并掌握估算全球尺度生物量和产出的方法，了解土壤有机质的种类以及循环过程，综合所学知识熟练掌握人类活动是如何影响生物地球循环的各个方面的。

本章重点、难点：光合作用和呼吸的驱动力，全球尺度各个参数的估算方法，人类活动的辩证认识。

 

 

第六章湿地生态系统

 (Wetland ecosystem)

第一节湿地生态系统的种类(Types of wetlands)

习题要点：不同湿地系统的水文、土壤、和植物。

第二节湿地系统中的有机质(Organic matter storage in wetlands)

习题要点：为何湿地系统保存有丰富的有机质？

第三节饱和沉积物中的微生物代谢 (Microbial metabolism in saturatedsediments)

习题要点：微生物的种类和各自的代谢特征。

第四节湿地系统和全球变化(Wetlands and global change)

习题要点：湿地如何影响全球变化。

本章教学要求：了解湿地系统中的植物、土壤、和微生物，了解湿地系统的水文和地理特征，熟悉和掌握湿地常见微生物的新陈代谢分别，综合所学知识指出湿地系统对全球变化影响。

本章重点、难点：湿地中微生物的种群特征、湿地系统水文条件变化，湿地系统在全球变化中的角色。

 

第七章陆地水系统

(Inland waters)

第一节湖泊(Lakes)

习题要点：湖泊生态系统的特征。

第二节河流(Rivers)

习题要点：河流生态系统的特征。

第三节河口(Estuaries)

习题要点：三角洲生态系统的特征。

第四节人类活动对陆地水系统的影响(Human impacts on inland waters)

习题要点：人类活动改变水系统循环的方式。

本章教学要求：了解湖泊、河流、和河口生态系统的异同，了解水在生物地球化学循环中的重要性，掌握陆地水系统循环的相互关系，了解人类活动对水系统的影响，如大坝建设、水污染、地下水利用等。

本章重点、难点：不同水体的生物地球化学特征，人类活动对水系统影响的尺度，水系统的恢复性和不可恢复性。

 

第八章海洋生物地球化学

 (Biogeochemistry in oceans)

第一节海水构成(The composition of seawater)

习题要点：海水的主要组成元素。

第二节海底沉积的成岩作用(Sediment diagenesis)

习题要点：海底沉积物何如成岩。

第三节生物泵：海洋中碳循环模型(The biological pump: A model of carbon cycling in the ocean)

习题要点：生物泵的概念。

第四节海洋营养循环(Nutrient cycling in the ocean)

习题要点：海洋中营养元素的驱动力。

第五节海底喷发口的生物地球化学特征(Biogeochemistry of hydrothermal vent communities)

习题要点：喷发口的微生物构成。

第六节海底沉积物的生物地球化学记录(The sedimentary record of biogeochemistry)

习题要点：沉积物如何记录化学反应过程？

习题要点：影响微量元素肥料有效性的土壤因素，合理施用微量元素肥料的原则。

本章教学要求：了解海水的构成，了解海底沉积物的沉积过程以及成岩过程，理解并掌握生物泵的概念以及碳循环模型，了解海洋和陆地系统之间的营养交流，了解海底喷发口的生物地球化学循环特别是微生物的作用，掌握海底沉积物的地球化学证据的获得和解释。

本章重点、难点：生物泵的概念，海水和陆地系统的交互，海底沉积物的历史证据记录。

 

第九章全球水循环

（Global water cycle）

第一节水文循环模型(Models of the hydrologic cycle)

习题要点：如何建立水文模型？

第二节水循环的历史(The history of the water cycle)

习题要点：不同时间尺度下水文循环的变化

第三节水循环和全球变化(The water cycle and climate change)

习题要点：水循环如何影响全球变化。

本章教学要求：了解水文模型的应用范围以及如何建立不同水体的水文模型，了解从几十年到几亿年中的水循环变化，掌握水循环影响全球变化的方式。

本章重点、难点：水文模型的参数，全球变化中水循环的各个重要方面。

 

第十章全球碳循环

（Global carbon cycle）

第一节碳循环对温度的影响(Temporal perspectives of the carbon cycle)

习题要点：温室气体影响温度变化的机制

第二节甲烷气体(Atmospheric methane)

习题要点：甲烷气体的主要来源和影响

第三节一氧化碳(Carbon monoxide)

习题要点：一氧化碳气体的主要来源和影响。

第四节合成：碳和氧的关联(Synthesis: Linking the carbon and oxygen cycles)

习题要点：碳循环和氧循环之间的联系纽带。

本章教学要求：了解影响全球变化的温室气体，了解甲烷气体从农田以及工业排放的量和影响范围，熟悉并且掌握主要碳氧化合物的生态效应。

本章重点、难点：温室气体的排放量对全球变化的量化影响，碳氧化合物的相互转变。

第十一章全球硫和重金属循环

（Global cycle of S and heavy metals）

第一节全球硫循环 (The global sulfur cycle)

习题要点：温度对硫循环的影响。

第二节全球水银循环(The global mercury cycle)

习题要点：水银的迁移路径。

第三节全球铅和镉的循环(The global Pb and Cd cycle)

习题要点：铅和镉的环境危害。

本章教学要求：了解硫的循环过程，特别是温度对其的影响，明确主要的含硫有机质以及硫在生物体内的作用，了解水银、铅、和镉的主要环境危害以及循环特征。

本章重点、难点：硫、水银、铅、和镉的各种常见化学形态。

 

第十二章全球氮磷钾循环

（Global cycle of N, P, and Kof ecological environment）

第一节全球氮循环(The global nitrogen cycle)

习题要点：陆地和海洋中氮循环的区别。

第二节全球磷循环(The global phosphorus cycle)

习题要点：生物体内体外的磷元素交换特征。

第三节全球钾循环(The global potassium cycle)

习题要点：农业系统中钾元素（钾肥）的主要来源。

本章教学要求：了解氮磷钾在土壤-植物-大气连续系统中的循环，明确其对生物的重要性以及循环过程中的主要限制因子。

本章重点、难点：氮磷钾三种循环在生物体内体外，陆地和海洋，大气和陆地之间的循环过程。

 

第十三章生物地球化学循环研究方法

（Analytical techniques in biogeochemistry）

第一节微观研究方法(Micro-scale analytical techniques)

习题要点：化学组成分析方法的种类和各自的优势。

第二节宏观研究方法(Micro-scale analytical techniques)

习题要点：建模技术、GIS、和野外调查各自的优势。

本章教学要求：了解常规的化学测试手段（XRF，ICP，EMP，光谱分析等），理解主要

分析技术的基本原理。了解大尺度的模型建立技术，GIS，以及野外采样调查方法。

本章重点、难点：如何有效的综合微观和宏观分析技术各自的优势。

 

五、考核方式及要求

平时课堂考勤占10%、2次小测验10%，期中考试30%，期末笔试50%。

 

六、推荐教材及教学参考书

教材：

《生物地球化学》，第2版，上下册，陆景陵、胡霭堂主编。中国农业大学出版社。2002年

参考书：

1.《Biogeochemistry》3rd Edition, Edited by William H. Schlesinger& Emily S. Bernhardt. Academic Press (Elsevier). 2013.

 

大纲修订人：李真

大纲审定人：李荣

修订日期：2015年x月x日