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生物地球化學是一門研究影響自然環境組成的化學、物理、地質和生物過程的科學。生物地球化學所研究的自然環境包括生物圈、冰雪圈、水圈、土壤圈、大氣層和岩石圈。具體來說，它主要研究化學元素在地球內的循環，比如碳循環和氮循環，同時研究這些元素和生命之間在地球上的相互作用和結合。這門科學側重於研究由生物活動引起的或影響生物活動的化學循環，尤其側重碳循環、氮循環、硫循環和磷循環[1]。生物地球化學是一門系統科學並與系統生態學密切相關。
生物地球化學是由俄國科學家弗拉基米爾·維爾納茨基創立的。他在 1926 年出版的《生物圈》中描述了地球作為一個「活着的」整體的運作過程[2]。維爾納茨基分出了三個圈（每個圈類似於一個相空間）。他認為每個圈都有自己的演化規律並且較高級的圈可以改變和影響較低級的圈：
- 非生物圈：所有沒有生命的能量和物質過程；
- 生物圈：在非生物圈內的生命過程；
- 人類圈或智力圈：人類認知的過程。
美國湖沼學家和地球化學家喬治·伊夫林·哈欽森在概述這一新領域的範圍和原則上作出了貢獻。較近期來說，生物地球化學的基本元素又被英國科學家和作家詹姆斯·洛夫洛克在蓋亞假說中重申並被帶入大眾視野。洛夫洛克強調了生命過程如何通過反饋機制調節地球以保持地球仍適合其居住的概念。
世界上許多大學和機構都有生物地球化學的研究組。因為生物地球化學是一門跨學科性很強的科學，研究組直接所屬的學科包括很多門：大氣科學、生物、生態學、環境化學、地質學、海洋學、化學以及土壤科學。一般來說，這些學科被歸類於地球科學和環境科學兩大學科。
許多科研人員研究碳、氮、硫、氧、磷這些元素以及它們穩定同位素的生物地球化學循環。同時也有人研究稀有元素和放射性同位素的循環。研究這些循環可以被應用於探尋礦物和石油，也可以用於修復環境污染。
當前生物地球化學的重要研究領域包括：
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