生物地球化學循環是地球系統科學的核心，整合生態學、大氣化學、海洋學、地質學的多元素動態。
Box Model 與 Mass Balance
每個 pool P_i 的動態：dP_i/dt = Σ_j (F_{ji} − F_{ij})，F 為通量。穩態下 ΣF = 0。Residence time τ_i = P_i / Σ_j F_{ij}。
多元素耦合模型（C-N-P-S-water）已成為 Earth System Model（CMIP6）的標準組件。
Vernadsky 的生物圈概念
V.I. Vernadsky（1926, The Biosphere）首提「biogeochemistry」——生物作為地球化學的主要驅動力。大氣 O₂ 的存在是生命活動的直接結果（Lovelock Gaia 假說的起點）。
碳循環的多時間尺度
- 快速循環（年）：光合-呼吸-海洋氣體交換
- 中期循環（千-萬年）：土壤有機質、海洋混合
- 慢速循環（百萬年）：岩石風化、碳酸鹽沉積、火山釋出
Walker 等（1981）提出「矽酸鹽風化反饋」（silicate weathering feedback）：溫度上升→風化加速→大氣 CO₂ 下降→氣候冷卻。此為地質時間尺度的氣候穩定機制，解釋地球過去數十億年氣候相對穩定。
氮循環的微生物控制
每個轉化步驟由特定微生物類群執行：
- 固氮（N₂ → NH₃）：nifH gene，Rhizobium、Cyanobacteria
- 硝化（NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻）：amoA、nxrA，Nitrosomonas、Nitrobacter
- 脫硝（NO₃⁻ → NO → N₂O → N₂）：narG、nirK/S、nosZ，兼性厭氧細菌
- 厭氧氨氧化 Anammox（NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂）：hzsA，Planctomycetes（Mulder 1995 發現）
Anammox 的發現重寫海洋 N 循環——全球海洋 N 移除中 Anammox 貢獻 30-50%（Kuypers et al. 2003, Nature 422:608）。
人類擾動的量化
Galloway & Cowling（2002, Ambio 31:64）提出：工業時代 N 活化速率在 1850-2000 間上升 10 倍。磷：化肥製造每年 20 Tg P，相當於陸地自然風化速率的 3 倍。
Cascade 效應
N 增加不只造成一個問題：Galloway 等（2003, BioScience 53:341）的 N-cascade 框架——一個 N 原子在生態系中可依次造成 O₃ 形成（空氣汙染）、森林酸化、湖泊優養化、N₂O 溫室效應，然後才被移除。
沉積物記錄
湖泊與海洋沉積物含有過去元素循環的時間序列。Greenland 冰芯 CO₂ 記錄顯示過去 80 萬年的氣候-CO₂ 同步（EPICA Project, Lüthi et al. 2008, Nature 453:379）。海底鑽探的碳同位素記錄揭示 PETM（Paleocene-Eocene Thermal Maximum）碳釋放事件——55 Ma 前 >3000 PgC 在 <10,000 年釋放，作為當代 CO₂ 排放的地質類比。
海洋 C pump
海洋碳 sink 由三 pump 組成：
- Solubility pump：冷水溶解 CO₂、下沉
- Biological pump：浮游植物固定 C、部分沉降至深海
- Carbonate pump：浮游鈣質生物形成 CaCO₃
Sabine 等（2004, Science 305:367）估計工業時代海洋吸收 ~30% 人為 CO₂，但造成 pH 下降 0.1（酸化）。
Stoichiometric Couplings
元素循環並非獨立。C 固定需 N 與 P；N 固定需 Mo、Fe；浮游生物的 Redfield C:N:P:Fe 受區域條件調節。Martin（1990, Paleoceanography 5:1）的「iron hypothesis」——南極海域 Fe 限制生物生產力，驅動冰期 CO₂ 下降——已有 12 次中尺度 Fe 添加實驗（如 IronEx, SOFeX）部分驗證。
台灣研究
- 中研院環變中心溪頭、蓮華池、福山碳通量塔（FLUXNET 成員）
- 臺大海洋所黑潮碳循環觀測
- 中研院地科所同位素地化研究
文獻
Schlesinger WH, Bernhardt ES. 2020. Biogeochemistry (4th ed). Academic Press.
Galloway JN, Cowling EB. 2002. Ambio 31:64-71.
Friedlingstein P et al. 2022. Global Carbon Budget 2022. Earth Syst Sci Data.
Mulder A et al. 1995. FEMS Microbiol Ecol 16:177-184.
Sabine CL et al. 2004. Science 305:367-371.