Biological Nitrogen Fixation, Sustainable Agriculture and the Enviroment pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Wang Y.

出品人:

页数:442

译者:

出版时间:1899-12-31

价格:USD 209.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781402035692

丛书系列:

图书标签:

• 氮固定
• 生物固氮
• 农业可持续性
• 环境科学
• 土壤微生物
• 植物营养
• 生态农业
• 环境影响
• 农业生态学
• 生物技术

生物固氮、可持续农业与环境：生态系统中的氮循环与未来农业的挑战 图书简介 本书深入探讨了氮元素在地球生态系统中的关键作用，特别聚焦于生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）这一自然界中将大气中惰性氮气转化为生物可利用形态的核心过程。同时，本书将生物固氮的机制、生态重要性置于更宏大的背景之下，即可持续农业的发展需求与全球环境变化的严峻挑战之中。 本书旨在为生态学家、农学家、土壤科学家、环境工程师以及政策制定者提供一个全面且深入的知识框架。我们不仅回顾了生物固氮现象的基础科学，更重要的是，分析了如何将这些基于自然的解决方案有效地融入现代农业系统，以期在保障全球粮食安全的同时，显著降低对化石燃料依赖型人工合成氮肥的依赖，从而减轻环境负荷。 第一部分：氮的生态循环与生物固氮的科学基础 第一章：氮——生命的基石与环境的矛盾体 氮是构成蛋白质、核酸和叶绿素的必需元素，但地球大气中约78%的氮气（N₂）由于其高稳定性的三键结构，对绝大多数生物而言是惰性的。本章首先勾勒出全球氮循环的全貌，强调了从N₂到可用氮（如NH₄⁺、NO₃⁻）的转化链条中的关键瓶颈。我们将详细分析人为活动（尤其是哈伯-博世法合成氨）如何极大地干扰了这一自然平衡，导致了氮沉降、水体富营养化以及温室气体（如一氧化二氮，N₂O）排放的增加，突显了寻找可持续替代方案的迫切性。 第二章：固氮酶复合物的精妙工程 生物固氮的核心在于固氮酶（Nitrogenase）这一复杂的多金属酶体系。本章将系统地解析固氮酶的结构、组成（包括铁硫簇和钼-铁辅基）及其催化机制。我们将深入研究固氮反应对氧气的极端敏感性，并详细阐述不同微生物（细菌和古菌）为应对此挑战而进化出的独特生理和形态适应策略，例如异形细胞的形成、呼吸区（respiratory protection）的建立等。本章还将探讨影响固氮酶活性的关键环境因素，如温度、pH值和可利用的能量（ATP）与还原力（电子供体）。 第三章：固氮微生物的多样性与生态位 生物固氮不是单一物种的专属能力，而是一个由高度多样化的微生物群落执行的生态过程。本章将按照系统发生学和生态位将固氮微生物进行分类： 1. 共生固氮者： 重点分析豆科植物与根瘤菌（Rhizobia）之间的分子信号对话（如Chitin 诱导、Nod因子信号传导），这是农业固氮研究的经典范例。我们将探讨共生关系的演化、功能基因的水平转移以及共生固氮效率的影响因子。 2. 非共生固氮者： 介绍生活在土壤、水体甚至植物叶际的自由生活固氮菌（如固氮螺菌 Azotobacter、蓝细菌 Cyanobacteria）。讨论它们在不同生态系统（如稻田、热带雨林）中对环境氮素的贡献量级。 3. 共生固氮者（非豆科）： 关注如桤木与胶 শাখার木（Frankia）的共生体系，以及蕨类植物与蓝细菌的联合体，展示固氮过程在非传统农作物中的潜力。 第二部分：生物固氮在可持续农业中的应用与优化 第四章：提升农田生态系统中的固氮效率 可持续农业要求最大化利用土壤中现有的生物固氮潜力，同时减少外部投入。本章聚焦于田间管理策略： 1. 土壤健康与微生物群落管理： 分析土壤有机质、土壤结构、微生物生物多样性如何影响固氮菌的生存和活性。讨论免耕、覆盖作物种植等耕作方式对固氮菌群落的影响。 2. 接种技术与生物固氮增强剂： 评估商业化根瘤菌接种剂的使用效率和局限性。介绍新型的生物技术工具，如利用基因组学筛选高效率的固氮株系，以及开发能够更有效地与宿主建立共生关系的“超级固氮菌”。 3. 非豆科作物的固氮潜力挖掘： 探讨将固氮能力转移至主要粮食作物（如玉米、小麦、水稻）的挑战与前沿研究方向，包括根际工程、靶向基因编辑（如CRISPR-Cas9）对固氮相关基因的修饰，以期实现“作物自身固氮”。 第五章：生物固氮与环境协同效应 本书强调，生物固氮的优势不仅在于提供氮源，更在于其对环境的良性影响。本章探讨生物固氮如何促进环境可持续性： 1. 减少温室气体排放： 通过替代部分化肥使用，生物固氮显著降低了土壤硝化和反硝化过程产生的N₂O（一种强效温室气体）排放。 2. 改善土壤质量与水质： 固氮过程是缓慢、持续的氮释放机制，避免了化肥过度施用导致的淋失和地下水硝酸盐污染。同时，共生固氮过程常伴随着根系分泌物和菌根真菌的活动，有助于土壤团聚体的形成和碳封存。 3. 生物固氮在有机农业中的核心地位： 分析在严格限制或禁用合成投入品的有机农业体系中，优化生物固氮是实现高产和生态平衡的关键杠杆。 第三部分：挑战、前沿技术与未来展望 第六章：限制生物固氮的生物学与环境障碍 尽管潜力巨大，生物固氮的效率在许多农业环境中仍然低于理论最大值。本章深入剖析主要的限制因素： 1. 氧气敏感性与能量消耗： 固氮过程对ATP的需求巨大（固氮一个N₂分子需要消耗约16个ATP），这使得固氮菌在碳源受限的环境中活性降低。 2. 环境胁迫： 分析高温、干旱、土壤酸化、重金属污染以及高浓度的外源性无机氮（抑制剂效应）对固氮菌种群数量和固氮酶活性的抑制机制。 3. 宿主-菌株兼容性与竞争： 探讨在复杂的土壤微生物群落中，优良的固氮菌株如何克服本土菌群的竞争压力，成功建立有效的共生关系。 第七章：前沿技术驱动的生物固氮改良 本书聚焦于利用现代生物技术来克服现有障碍，实现生物固氮的突破： 1. 基因组学与宏基因组学： 利用高通量测序技术解析固氮菌群落的结构、功能潜力以及它们在不同环境下的适应性。 2. 系统生物学与代谢工程： 尝试通过基因编辑技术，在非固氮生物（如模式植物）中导入固氮基因簇，或优化现有固氮微生物的代谢途径，以增强其对氧气和能量的耐受性，并提高N₂的转化效率。 3. 合成生物学构建新型固氮系统： 展望设计出能在常压常温下高效运行的、人工合成的固氮系统（可能是非天然的酶或微生物细胞工厂）的可能性及其伦理挑战。 结论：构建一个氮素循环更平衡的未来 本书总结了生物固氮在应对21世纪全球粮食安全与环境压力双重挑战中的不可替代性。实现可持续农业的转型，需要跨学科的合作，将深入的生态学理解与前沿的生物技术创新相结合，将氮素管理从“高投入”的线性模式，转变为尊重和优化自然循环的“循环”模式。本书呼吁全球科研界和政策制定者加大对基于自然的、生物固氮解决方案的投资力度，以确保地球生态系统的长期健康与人类福祉。

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这本厚重的著作，初翻时便给人一种沉甸甸的学术重量感。它似乎致力于构建一个宏大而精密的知识体系，聚焦于那些看不见却至关重要的生物过程。我本期待能在其中找到关于如何优化特定农作物根瘤菌的细节操作指南，或是关于不同土壤类型对固氮酶活性的实时监测数据。然而，书中对这些具体实践的着墨似乎比较克制。它更像是一部理论基石的奠定之作，深入探讨了从分子生物学层面到生态系统尺度的氮素循环的内在机制。作者似乎将大量的篇幅用于铺陈基础理论，例如光合作用与固氮过程的能量耦合，或是固氮微生物群落结构在不同环境压力下的动态变化。这对于希望快速掌握实用技术的读者来说，或许会感到有些“望山跑死马”——理论的深度令人敬佩，但距离田间地头的直接应用，似乎还隔着一层理论的迷雾。如果能有更多关于不同气候带下，这些生物过程的适应性策略的案例分析，而不是纯粹的机制阐释，阅读体验可能会更加丰富和贴合实际需求。

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在深度探究氮素的生物化学奥秘方面，这本书无疑达到了一个极高的水准，它的深度足以让任何领域专家感到满意。但从“环境影响”和“农业应用”的交汇点来看，我总觉得它在连接“科学发现”与“实际部署”的桥梁上，还留有未竟之功。例如，在讨论气候变化对固氮速率的潜在反馈机制时，分析得非常透彻，但对于如何设计出能够在区域气候模型中有效运行的、基于生物固氮的未来农业情景，书中的论述显得较为保守和概括。它更擅长于解释“为什么会这样”，而不是积极地描绘“我们可以如何做得更好”的具体路线图。对于渴望获得即时、可操作的政策建议或技术蓝图的读者而言，这本书提供的是深刻的洞察力，而非直接的工具箱，这需要读者做好心理准备，认识到这是一部构建知识大厦的指南，而非快速收割成果的地图。

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这本书的语言风格，用一个词来形容，就是“冷峻的史诗感”。它以一种近乎史诗般的笔触，描绘了地球生命赖以生存的这一关键元素的千年旅程。然而，这种宏大叙事下的代价，是牺牲了对个体案例的生动刻画。我希望能从中捕捉到更多“人”的故事——那些在田间地头，面对着氮素缺乏的挑战，依靠智慧和观察力进行调整的农民或技术人员的经验总结。书中对现代工业化农业中氮肥应用的弊端进行了深刻的批判，但对于那些在资源极度匮乏地区，生物固氮技术尚未成熟时，人类如何通过朴素的农业实践来维持土地肥力的鲜活案例，则显得笔墨不多。这种对人类能动性和地方知识的相对忽视，让这本书在探讨“可持续性”时，少了一份源自生活土壤的温度和韧性。

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阅读这本书的过程，更像是一次穿越时空的对话，与那些致力于理解生命基本驱动力的先驱者进行心领神会的交流。它的叙事风格极其严谨，逻辑链条环环相扣，每一个论点都建立在扎实的数据和引文之上，仿佛在搭建一座需要精确计算才能屹立不倒的学术大厦。我特别注意到作者在探讨“可持续性”这个主题时，倾向于采用一种宏观的、历史性的视角，而非仅仅关注眼前的产量提升。他们似乎在提醒读者，氮循环的稳定性和生态系统的韧性，远比短期内的化肥替代更为重要。尽管如此，对于那些关注政策制定和农业经济模型的读者来说，书中对这些社会经济层面的影响分析显得有些过于学术化和抽象。我期待能看到更多关于全球粮食安全体系中，生物固氮潜力如何被量化并纳入国家级农业规划的深度讨论，而不是将这些复杂的现实问题，仅仅作为理论推导的背景板。这种对“实践转化”的谨慎态度，使得本书更偏向于科研前沿的学术报告，而非面向决策者的行动蓝图。

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这本书的体量和内容的密度，无疑对读者的背景知识提出了较高的要求。我发现自己不得不频繁地停下来，查阅一些交叉学科（如生物地球化学或高级微生物遗传学）的概念，才能完全跟上作者的思路。它似乎是为已经深耕此领域多年的研究人员量身定做的“圣经”，旨在系统性地整合和校准现有的知识框架。然而，对于那些刚从传统农业科学转向环境科学的学生或从业者而言，这种高强度的信息输入可能会带来一定的挫败感。例如，在讨论固氮效率的遗传调控网络时，书中使用了大量复杂的基因注释和信号通路图谱，虽然精确，却缺乏一个清晰的、逐步引导的教学路径。我感觉如果能增加一些图示化的流程图来简化这些复杂网络的理解，或者设置一些“延伸阅读”的模块来区分核心概念和前沿探索，这本书的受众面会更广，也更具教学价值。

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