本课程是面向大气科学、环境学、生物地学、生态学、地理学等学科的研究生基础课，旨在帮助可能在未来从事涉及气候、环境问题的科学研究、高等教育、公益事业的研究生准备基础知识，掌握基本理论，了解实验技术，学习模型方法，启发学科交叉创新思维。

William H. Schlesinger, and Emily S. Bernhardt，2013. Biogeochemistry: An Analysis of Global Change (The 3rd Edition)，Academic Press/Elsevier，Amsterdam, Boston, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo.

第一部分：生物地球化学概论（李长生主讲）
第一章 生物地球化学简史（1-2学时）
简要介绍生物地球化学的创立、发展历程、基本定义和研究范畴。
第二章 人类健康与生物地球化学（5-6学时) 
以中国克山病的病因探究历程为例，介绍生物地球化学基本概念——场、流、量、群的科学内涵与现实意义，生物地球化学对人类健康的自然影响机理，以及人为调控的原理、途径与方法。
第三章 生命元素及其丰度（9-10学时) 
从宇宙和地球化学元素组成及其丰度的形成说起，讲述地球环境的生物地球化学演化，生命起源，地质历史时期的生物与环境相互作用，以及现实中的生命元素丰度效应。
第四章 生命元素耦合与能量传递（13-14学时)
介绍生命元素耦合在能量传递中的作用机理，重要生命元素耦合对生物乃至地球系统的影响，以及地球环境管控的可能元素耦合途径。
第五章 生命元素的生物地球化学循环（17-18学时）
介绍水和主要生命元素（碳、氮、氧、硫，以及部分金属元素）的全球生物地球化学循环。
第六章 生物地球化学场（21-22学时）
以地质历史时期的主要物种灭绝事件为例，介绍地球生命元素迁移的主要驱动力因素和生物地球化学场的基本要素，阐述灾难事件如何通过生物地球化学场影响地球生态系统阐述环境变化如何通过生物地球化学场影响元素的生物地球化学行为，从而改变地球生态系统的状态。

第二部分：碳氮循环过程（郑循华主讲）
第七章 碳循环过程（3-4学时）
介绍全球（包括陆地和海洋）的碳循环基本过程，库流结构和关系特征，及关键驱动因素。
第八章 含碳气体的循环
介绍二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、羰基硫(COS)、挥发性有机碳化合物（VOCs）、氟利昂、氢氟碳化合物、全氟碳化合物的循环过程。
第一节 二氧化碳（7-8学时）
介绍CO2气体的基本性质，大气浓度的时空分布特征及变化趋势，大气浓度变化的主要驱动因素，源汇过程与强度，以及关于大气CO2的未来研究方向。
第二节 甲烷（11-12学时）
介绍CH4气体的基本性质，大气浓度的时空分布特征及变化趋势，大气浓度变化的主要驱动因素，源汇过程与强度，以及关于大气CH4的未来研究方向。
第三节 其他含碳气体（15-16学时）
介绍其他含碳气体（包括CO、COS、自然源VOCs和人为源VOCs）的基本性质，大气浓度特征，源汇，气候环境效应，以及关于这些气体的未来研究方向。
第九章 氮循环过程（19-20学时）
介绍全球（包括自然和人为）的氮循环基本过程，库流结构和关系特征，及关键驱动因素。
第十章 含氮气体的循环及其他关键过程
介绍氧化亚氮（N2O）、氮氧化物（NOx = NO + NO2）、氨（NH3）、氮气（N2）的循环过程，库流结构和库流关系特征，关键驱动因素和气候环境效应。
第一节 氧化亚氮（23-24学时）
介绍N2O气体的基本性质，大气浓度的时空分布特征及变化趋势，大气浓度变化的主要驱动因素，自然、人为源汇过程及强度，气候环境效应，以及关于大气N2O的未来研究方向。
第二节 氮氧化物（27-28学时）
介绍NOx气体的基本性质，大气浓度，自然、人为源汇过程及强度，气候环境效应，以及关于大气NOx的未来研究方向。
第三节 氨（31-32学时）
介绍NH3气的基本性质，大气浓度，自然、人为源汇过程及强度，气候环境效应，以及关于大气NH3的未来研究方向。
第四节 径流氮流失（35-36学时）
介绍径流氮流失的基本过程，自然、人为影响，气候环境效应，以及关于径流氮流失的未来研究方向。
第五节 大气氮沉降（39-40学时）
介绍大气氮沉降的基本过程，自然、人为影响，气候环境效应，以及关于大气氮沉降的未来研究方向。
第六节 生态系统对氮循环变化的反馈效应（43-44学时）
介绍氮循环变化对生态系统碳氮循环过程的影响，生态系统氮循环对气候、环境和人为活动变化的响应，以及关于生态系统反馈效应的未来研究方向。

第三部分：碳氮生物地球循环过程的测量（郑循华主讲）
第十一章 碳库和氮库的测量（47-48学时）
介绍不同考察对象（陆地、海洋、森林、草地、农田、湿地、城市）和不同空间尺度（全球、区域、景观、生态系统）的碳库和氮库测量方法。
第十二章 碳氮气体地气交换通量的地基直接测量（51-52学时）
介绍不同考察对象（陆地、海洋、森林、草地、农田、湿地、城市）碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NOx、NH3、VOCs）地气交换通量的地基测量方法，包括静态暗箱法、静态透明箱法、微气象学方法（如涡相关法等）等。
第十三章 含碳气体流通量的卫星遥感反演（53-54学时）
介绍不同碳氮气体（CO2、CH4、N2O、NOx等）区域通量的卫星遥感反演方法的原理、应用及其研究进展。

第四部分：碳氮生物地球化学循环过程的模拟（李长生主讲）
第十四章 DNDC模拟碳氮循环的理论基础（25-26学时）
介绍DNDC模型遵循的碳氮生物地球化学场理论：生态驱动力（气候、土壤性质、植物生长、人类活动）调节环境因子（重力、辐射、温度、土壤湿度、氧化还原电位、酸碱度、反应底物浓度），环境因子影响核心过程中的碳氮生物地球化学反应（溶解/结晶、化合/分解、氧化/还原、吸附/解吸、络合/解络、同化/异化）和物质机械运动，生物地球化学反应和物质机械运动最终决定碳氮元素不同形态之间的转化和空间迁移过程。
第十五章 微生物驱动温室气体排放的DNDC模拟方法（29-30学时）
介绍DNDC对微生物驱动的温室气体（CO2、CH4、N2O）产生过程的模拟方法，即微生物驱动的碳氮转化和温室气体产生过程，其实是一系列酶促氧化还原化学反应，严格遵循化学反应速率响应温度变化的阿雷尼乌斯动力学和响应反应底物浓度变化的米氏动力学，以及决定氧化还原反应条件的能斯特方程。
第十六章 植物生长的DNDC模拟方法（33-34学时）
介绍植物生长的DNDC模拟主要包括对四个过程的定量描述与关键参数的定义和赋值。四个过程分别是将光能转化为化学能的光合作用过程，光合固定的化学能分配到不同植物器官中储存的过程，释放化学能的呼吸作用，以及植物衰老和凋落物形成过程（释放营养元素关键步骤）。关键参数包括最大产量、生物量在不同器官中的分配系数、各器官的碳氮比、需水量、积温和生物固氮系数。
第十七章 土壤物理环境的DNDC模拟方法（37-38学时）
介绍DNDC土壤温度和湿度对这两个关键物理环境状态变量的模拟，涉及的关键土壤性质参数包括土壤热容、土壤导热率、土壤质地、容重、有机质含量、酸碱度以及取决于质地的水力学参数（饱和含水量、田间持水量、萎蔫含水量、饱和导水率），土壤水分传导的模拟遵循达西定律（饱和条件）和基于湿度梯度的简化水分传导方程，水分蒸散的模拟遵循Penman-Monteith方程。
第十八章 DNDC模型的不确定性（41-42学时）
介绍模型不确定性的基本来源包括科学过程（反映在模型结构和参数取值上）的不确定性和驱动变量（输入）的不确定性，以及对不同来源不确定性的评估方法。
第十九章 区域/流域碳氮循环的DNDC模拟方法（45-46学时）
介绍DNDC输入变量（气候因子、土壤参数、植物参数、管理变量） 的空间化通用数据格式，及其应用示范。
第二十章 地球系统模型中碳氮循环与其他过程的耦合（49-50学时）
介绍基于地球系统模型模拟研究碳氮循环响应和反馈其他地球物理过程（包括如气候等）变化的必要性，耦合模型的当前研究进展和未来发展方向。
第五部分：模型模拟实践（李长生主讲）
实践课堂一：地块尺度碳氮循环过程模拟（55-56学时）
介绍如何使用DNDC模型进行地块尺度碳氮循环过程逐日变化的模拟，并布置课后模拟作业。
实践课堂二：区域尺度碳氮循环过程模拟（57-58学时）
介绍如何使用DNDC模型进行地块尺度碳氮循环过程逐日变化的模拟，并布置课后模拟作业。
实践课堂三：地块和区域尺度模拟实践报告与讨论（59-60学时）
分组报告并讨论地块尺度和区域尺度的作业完成情况。

周广胜（编著），2003. 全球碳循环，气象出版社. 
朱兆良，邢光熹（编著），2013. 氮循环：攸关农业生产、环境保护与人类健康(修订版), 清华大学出版社，暨南大学出版社.
Mark A. Sutton, Clare M. Howard, Jan Willem Erisman, Gilles Billen, Albert Bleeker, Peringe Grennfelt, Hans van Grinsven, Bruna Grizzetti (Eds), 2011. The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives. Cambridge University Press, Cambridge, New York, Melbourne, Madrid, Cape Town,Singapore, São Paulo, Delhi, Tokyo, Mexico City. 
Ernst-Detlef Schulze, Martin Heimann, Sandy Harrison, Elisabeth Holland, Jonathan Lloyd, Iain Colin Pretice, and David Schimel,2001. Global Biogeochemical Cycles in the Climate System. Academic Press Inc., San Diego, San Francisco, New York, Boston, London, Sydney, Tokyo. 
IPCC, 2014. Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report (AR5), Climate Change 2013: The Physical Science Basis. www.ipcc.ch/report/ar5/