我对生物地球化学产生兴趣，是在上大学时。1959年，我考入位于北京的中国科学技术大学，就读于地球化学系。之所以选择地球化学，与我在中学时期读过的一本书有关，这是苏联科学家费尔斯曼（A.E.Ферсман， 1883—1945)写的《趣味地球化学》。在此书中，作者表述了一个思想： 地球上一切物质都是由一百多种化学元素组成的； 知道了这些元素的性质，就可以解释万物的行为，甚至包括生命的起源。这是一个多么诱人的思想！但大学前三年的课程令人感到沉闷。虽然老师们说地球化学包含着认识地球演化的一般性方法论，但课堂上讲的全是矿物和岩石，没有人提及植物或动物，更不用说人类了。我问专业老师何铸文，为什么没有人用地球化学方法来研究生物呢？他反问我： “研究矿物岩石可以给国家寻找矿产资源，研究生物元素组成有什么用处呢？”我第一次意识到，进行科学研究不能只靠兴趣，还要为它找到实际的用途。1962年夏，事情发生了一些变化。

按照学校规定，在三年级结束时，所有学生都要确定专业方向，为毕业论文选题。为了让同学们了解地球化学的最新进展，系里请来了中国科学院地质研究所的研究员司幼东（稀有元素矿物地球化学家，1920—1968）做讲演。司幼东此前不久从苏联留学归来，曾在莫斯科地质勘探学院获得副博士学位，回国后从事稀有元素地球化学研究。在演讲中，他讲述了苏联地球化学的发展及分支学科，详细介绍了矿物地球化学、岩石地球化学、海洋地球化学、有机地球化学、同位素地球化学等前沿领域。最后，他提到一个新的地球化学分支，叫做“生物地球化学”； 在苏联，生物地球化学家们研究远东地区家畜中的一些奇怪疾病，发现这些疾病与当地土壤中某些化学元素含量异常有关。司幼东的这一番话使我忽然想起童年时的一段经历。

我的家乡在中国西北黄土高原南边的西安。20世纪40年代的西安十分落后，市区与农村仅一城墙之隔。在我上学的路旁有一所医院。清晨，医院门口总有一些病人在等待挂号，他们大多来自农村。我常常看到一些长着畸形腿脚或粗大脖子的病人，模样凄惨又骇人。我问父亲为什么他们会得这些怪病，父亲说，这是由于当地的“水土不好”； 至于水土为什么会有好坏之分，我父亲也不知道。幼时的印象随着年龄增长逐渐淡去； 但当我在中国科技大学的教室里听到司幼东研究员关于苏联生物地球化学疾病的介绍时，童年的印象又突然闪现出来，于是我心中有了一个念头： “我幼时见到的是不是也是生物地球化学疾病呢？”

演讲一结束，我直奔学校图书馆。在那里，我查到了中国地方病的资料。当我看到克山病、大骨节病、甲状腺肿的地理分布图时，心跳砰砰，因为这些疾病都显示出明显的地带性分布。我联络了同学刘世庆去见系主任黎彤（岩石地球化学家），希望他能允许我们选择“生物地球化学”这一专业方向。但我们的申请未被批准，理由是“没有指导教师”。在失望之余，我转而选择了盐湖地球化学研究。根据资料，在中国西北的荒漠中有许多盐湖，由于当地特殊的气象和地质条件，这些湖泊中聚集了多种化学元素，其中包括锂（Li）和硼（B），它们都是发展火箭工业的重要原料，也是我们毕业论文研究的选题对象。我选择这项研究，是猜想在盐湖周围可能有一个特异的地球化学场，它既然能使元素在湖水富集，也可能会影响当地生物的种群和化学组成。

1963年和1964年，我在青海柴达木盆地的大柴旦盐湖区度过了两年时光。除了遵照导师张彭熹（盐湖地球化学家，1931—）的要求采集湖水、土壤和岩石样品外，我还擅自采集了许多湖边野生植物。对这些植物样品的化学分析显示出非常有趣的结果，即湖边一些植物对稀有元素有高度的富集作用。其中最令人感兴趣的是海韭菜和几种蓼科植物对元素锂的富集。当时中国在用化学方法从盐湖水中提取锂，成本甚高。由于我的数据显示出湖滨植物体内锂含量是湖水的数千倍，我在论文中建议通过在盐湖地区人工种植富锂植物来提高工业炼锂的效率。可能是由于这篇毕业论文有些新颖内容吧，我于1964年从中国科学技术大学顺利毕业，同年考入中国科学院研究生院。

1964年夏末，我到中国科学院地质研究所与导师第一次见面。导师涂光炽（稀有元素地球化学家，1920—2007）20世纪50年代在美国明尼苏达大学地质系获博士学位回国，后又被送到苏联学习并获得副博士学位。他的专长是矿床地质，他希望我能研究硫化矿床氧化带的地球化学。在与涂先生的这次见面中，我表示更想用地球化学方法来研究与现代生物有关的问题。出乎我的意料，涂先生同意了我的要求，并将他从国外带回的几本有关生物地球化学的书籍送给我。但导师的好意并未使我的学业一帆风顺。1966年，“文化大革命”期间，研究生制度被废除，全国的研究生被取消了学籍。我被分配在新成立的中国科学院地球化学研究所作为一名初级研究人员。在“文化大革命”期间，科学研究几乎陷于停顿。我与遭遇同样命运的同学洪业汤（环境地球化学家），给当时负责中国科学技术工作的聂荣臻（时任国务院副总理兼科学技术委员会主任，1899—1992）写了一封信，阐述了生物地球化学的科学意义和地方病对广大贫下中农的严重危害，建议以地方病研究为任务来带动中国生物地球化学的学科发展。这个建议得到了支持，我们的信被批转到了中国科学院，这使我们得以组织起一支8人的“克山病战斗队”，并于1968年奔赴病区开始了有关的生物地球化学研究。克山病研究在1972年结束，此后，我转入城市污染研究，后来又在酸雨和温室气体领域工作了二十多年。

我虽长期在生物地球化学领域内工作，但一直侧重应用研究，并未对这门学科的理论认真思考过。1990年的一件事使我开始思考生物地球化学的学科范畴问题。当时我在为美国环境保护局总部的全球气候变化处（Division of Global Climate Change, Office of Policy, Planning and Evaluation, US EPA)工作，领导一个农业温室气体模型发展小组。在业务上，我们与环保局设在佐治亚州爱森斯的大气环境研究所（EPA’s National Exposure Research Laboratory in Athens, Georgia）有些联系。这年夏天，我应邀到该所作学术报告。当我走向报告厅的时候，看到走廊布告栏前有一群人在看我的演讲告示，其中一个人大声喊道： “I never know what biogeochemistry is. I’d like to see what a biogeochemist does today.” (我从来就不知道生物地球化学是个什么东西，今天倒要看看一个生物地球化学家究竟在干什么。) 由于当天的报告内容局限在土壤温室气体的问题上，我没有机会与这位仁兄探讨他非正式提出的关于生物地球化学定义的问题，但他的质疑确实使我反省。虽然我们经常把“生物地球化学”这个名词挂在嘴边，但对“生物地球化学究竟是个什么东西”的问题，似乎并没有一个清晰的答案。以后，我查阅了几本以生物地球化学为主题的教科书和专著（如Schlesinger, 1997； Bashkin, 2002； Jacobson et al,2003），也没有看到对生物地球化学的明确定义，这真令人诧异。

生态环境问题出现在当代人类生活的各个方面。从气候变化到水质污染，从农业可持续发展到城市规划，几乎所有生态环境问题都涉及生物学、地学和化学的综合作用。因此，研究者们使用“生物地球化学”这一名词泛指自己的研究工作是无可非议的。但从科学发展的角度来看，人们需要对一个学科的范畴进行比较严谨的定义，以厘清它和其他学科的关系，从而确定它对人类认识发展的特定贡献。在我看来，一个学科要能自立于科学之林，它需有自己特定的研究对象、基础理论及研究方法。那么，对于如此脍炙人口的“生物地球化学”，它的基础理论和方法论有什么独特之处呢？这些年来，我一直在思考这一问题。

2009年，清华大学成立了“地球系统科学研究中心”，致力于全球性的生态环境问题研究。2010年，该中心的主任宫鹏教授建议我来给他的研究生们开一门课，介绍生物地球化学这门学科，并为学生们编写一本相关的教材。“中国许多学生在学习生物地球化学，但我们还没有自己的教科书。”他说。宫鹏教授知道我自20世纪60年代以来一直在中国和美国从事与生物地球化学有关的研究，他希望这本教科书不仅能介绍生物地球化学的科学概念，也能展示这门学科在解决现代生态环境问题方面的应用价值。2011年9月，我应邀来到清华大学，与喻朝庆教授共同开始为这个中心的研究生们讲授生物地球化学。

我最初对讲授这门课程并不信心十足，因为这毕竟是一个涉及地学、生物学和化学的边缘领域； 化学，特别是化学热力学，构成了生物地球化学的基础。我了解到，选课的学生们有着很不相同的专业背景，并不是每个学生都修过大学的化学课程。我不能确定我是否有能力将这些跨越多种学科，甚至带有一些自然哲学色彩的知识有条理地传授给学生。本着宁缺毋滥的精神，我在授课中尽量从最简单的科学道理讲起，再逐渐将这些原理与实际的生态环境问题结合起来。在第一学期结束的时候，我高兴地发现，学生们喜欢这门课，他们对授课内容的接受程度超过了我的预期。这给了我许多鼓励和启发，使我觉得应该用同样的指导思想来写这本教科书。当前有大量的学生和研究者在从事与生物地球化学有关的工作，他们迫切要求增进对这一学科的全面了解。如果一本生物地球化学教科书能从最基本的科学知识出发，既简明扼要地阐述这个学科的原理和方法，又能结合一些人们关心的生态环境实际问题，就会提高这本书的可读性。在本书的写作过程中，我做了这样的努力。

另外，在讲课中我还发现，学生们对于能够通过亲自操作一个模型来理解生物地球化学原理感到满意。特别是当学生们应用模型为一些实际的生态环境问题找出答案时，他们对掌握这门学科的信心大大加强。为此，在本书中，我用了后半部的章节来介绍一个生物地球化学模型。试图通过对这个典型模型的剖析，使学生们了解如何把握生态系统的复杂性，并将分散在物理、化学和生物学中的基础知识汇总成一个相互关联的整体，使复杂的生态环境问题条理化。这个在本教科书中引用的模型叫做“DNDC”，这是一个目前在中国和世界范围内应用较多的生物地球化学计算机模拟模型。这个模型通过对碳、氮和水在生态系统中的耦合与循环，模拟植物生长、土壤固碳、微生物活动、温室气体排放、营养元素淋失等基本生物地球化学过程。这些过程都是关系到农业及地球资源环境可持续发展的核心问题。在过去的二十几年中，我一直有幸在全球范围内协调这一模型的发展和应用。通过这项模型研究，我认识到当代计算技术在开拓生物地球化学概念并将其付诸应用方面的巨大潜力。新的计算手段实现了生态学家们长期以来想做而做不到的事，即模拟生态系统中物理、化学和生物过程间的交互作用。这种来自计算技术的助力正在把生物地球化学研究推向一个新的前沿，即将错综复杂的生态环境问题转化成为一种可操作和可检验的虚拟数字系统。我相信这是生态环境研究的未来方向，也希望能够通过授课把这一火种传递到下一代研究者的手中。

在大量观测数据和计算机模拟技术支撑下，生物地球化学正在迅速拓展它的基础理论和方法论，以协助人类去应对日益复杂和严重的生态环境问题。人们期望能从生物地球化学中发展出一个统一的方法论，以应对形形色色的生态环境问题。达到这一目标也许需要几代人的努力，但我们现在已经启程。这本教科书也是向着这一目标探索的一部分。

在过去的三年中，无论是在新罕布什尔大学（University of New Hampshire）或清华大学，日常科研和教学仍是我的主业，写书的时间多放在业余。在晚上、周末或度假时写作，并不总是一件十分轻松愉快的事； 我妻子吕瑞兰对这种持续三年的非正常情况表现的理解和支持，大大缓解了我的困境。本书还在初稿阶段，就得到我的学生和朋友们的关心，吕瑞林、李敏生、邓佳、赵子健及清华大学的师生们认真阅读了初稿，并提出许多修改建议，使本书的内容和文字都大为改善。我的大学同学刘世庆和蒋志毕生从事地球化学和分析化学研究，他们对书稿中地球化学部分的校阅和修改，使有关论述更加准确。美国得克萨斯大学西南医学中心（University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas）的李小华和日本大分大学医学部的李康生多年从事分子生物学和微生物学研究和教学，他们对本书的生物化学部分进行了认真修改，并增加了一些新的内容。中国农业科学院的高懋芳提供了她所收集的自1992年以来世界各地发表的476篇有关DNDC模型的文章，其中包括许多我过去从未读过的中文文献，为我在本书中综述这个模型提供了极大帮助。俄罗斯科学家布拉高达茨基（Artem Blagodatsky）在莫斯科为我收集了俄罗斯和苏联时期的生物地球化学研究资料，使我得以评价在世界生物地球化学发展史中曾经占有重要地位的俄罗斯科学家们的贡献。将这本书由粗糙的书稿转为精致的出版格式的过程是由清华大学地球系统研究中心办公室的丛娜完成的，她的细心校正和图件修改为这本书的面世做出了很大贡献。清华大学教育基金会为本书提供了资金。在此，我对来自各方面的支持深表感谢。

著者

2015年8月