美国生物圈2-号及其研究

美国生物圈2号及其研究

郭双生/孙金镖

生物圈2号的外观图

区域面积(m2) 体积(m3) 土壤(m3) 水分(m3) 大气(m3) 集约农业区2000 38000 2720 60 35220 居住区1000 11000 2 1 10997

热带雨林2000 35000 6000 100 28900 热带草原/海洋/沼泽250049000 40003400 41600 沙漠1400 22000 4000 400 17600 “西肺”1800 15000 0 0 15000

“南肺”1800 15750 0 750 15000 注:上述两“肺”的体积仅为其完全膨胀的50%

美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的生物圈2号是一座微型人工生态循环系统,因把地球本身称作生物圈1号而得此名。它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起,并与几家财团联手出资,委托空间生物圈风险投资公司承建,历时8年,耗资15亿美元。

1991年9月26日4男4女共8名科研人员首次进驻生物圈2号,1993年6月26日走出 ,停留共计21个月,在各自的研究领域内均积累了丰富的科学数据和实践经验。来自英国、墨西哥、尼泊尔、南斯拉夫和美国等5国的4男3女共7位实验人员在对首批结果进行评估并改进技术后,于1994年3月6日二次进驻,工作10个月后于1995年1月走出。他们在这期间对大气、水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究。生物圈2号是世界上最大的闭式人工生态系统。它使人类首次能够在整体水平上研究生态学,从而开辟了了解目前地球生物圈全球范围生态变化过程的新途径。更为重要的是, 它将作为首例永久性生物再生式生保系统的地面模拟装置而有可能应用于人类未来的地外星球定居和宇宙载人探险。

一、概况

占地128公顷的生物圈2号的地上部分为涂有粉剂的立体钢架构型,配有双层玻璃窗板;地面部分为焊接不锈钢板,并用钢垫密封。总体积约为180000m３。其内部主要由7种

生态群落区和两个大气扩张室(也称作“肺”)组成。此外,还设有能量中心和冷却塔等设施。其外观及有关结构参数如表1和图1所示。

为了减轻立体结构的负荷,生物圈2号的内部压力略高于周围大气压。众所周知,温度改变必然导致压力变化,而这种伸缩中的压力变化足以破坏玻璃窗板(计算值极易超过kPa ）。为了解决这一矛盾,没有像通常那样采取抵抗压力的措施,而是为该圈装配了两个称为“ 肺”的体积可变室，以使大气在恒压下胀缩。两“肺”就如同巨大活塞通过密封膜连接在气缸上一样,上下垂直运动距离约达15m。活塞重量产生相对于周围大气压力的内部正压。正压具有两大优点:不论什么地方有泄漏,内部大气就会向外扩散从而保证排除外界污染；活塞的持续下滑则表明某处出现泄漏。两“肺”的体积占到该圈密闭体积的30%。

除上述设施外,其内部还包括分析、医疗、兽医、监控、维修、锻炼、影视等室,分布在不同部位。

与地球生物圈类同,生物圈2号在物质上闭环,通过工程手段禁止它与外界大气和地下土壤进行物质变换。在能量上开环,允许太阳光通过玻璃结构供植物进行光合作用,同时引入电能供技术系统操作运转。在信息上也同样开环,通过计算机系统、电话、摄像、电视与外界进行数据信息交换,并通过电视可以与外界工作人员及亲属进行面对面的交谈,还可放映电影和收看商业电视节目。电能及热控能源从外界通过气密装置输送进来,当进行能量转移时,不允许内外流体进行任何形式的交换或混合。

生物群落温度(°C) 最高最低大气成分压力(kPa) 百分比(%) 总重量(kg) 热带雨林35 13 O 2 1810 2051 31800

热带草原/ 38 13 N２ 6751 7651 103775

海洋/沼泽CO 2 003 003 67

沙漠43 2 H２O 178 202 1761

集约农业区30 13 Ar 081 092 1782

居住区35 15 总量8824 10000 139185

生物圈2号的“神经系统”是一个完整的计算机数据采集和控制系统,它是从位于居住区的指挥室辐射出的微处理机网络系统。这一内部“神经系统”通过信息通路与外界附近的“飞行控制”楼内的计算中心相联通。该楼作为分析中心而成为生物圈1号和2号间获取分析数据及通讯的主要窗口。居住区内的指挥室通过遍布圈内的5000 多个传感器(每15分钟记录一次并读入无限增长数据库)能够有效地控制所有主要的操作参数 ,如温度、湿度、光强、水流量、pH值、CO２浓度、土壤湿度、仪器运作状态等,并能进行数据传感器及所有报警装置的状态显示。每件装置均有手动控制开关以防“神经系统”任何部位的失灵。尽管整个圈内为热带气候,但由于不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相对独立的温度。由于生物圈2号位于海拔1200m的沙漠上,其外围大气压不是标准压力1013 kPa，而仅约为882kPa,因此,其内压只能略高,即为8824kPa。详细情况见表2。利用机械系统模拟地球自然环境,例如制造海洋波浪、潮汐、溪流、瀑布以及按照季节要求控制风、雨、湿度等,并控制盐分梯度及营养循环速度和进行海水淡化。

二、生态群落

生物圈2号有5个野生生物群落(热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠)和两个人工生物群落(集约农业区和居住区)。它们以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板,分别由美英生物和生态学家设计而成。

圈内共有约4000个物种,其中动物(包括浮游、软体、节肢、昆虫、鱼类、两栖、爬行、

鸟类、哺乳等)、植物(包括浮游、苔藓、蕨类、裸子和被子等)约3000种,微生物(包括细菌、粘菌、真菌、微藻等)约1000种,它们分别来自澳大利亚、非洲、南美、北美等地。

该系统既有高大的树木(如红树),也有矮小的灌木草丛植物,错落有致、憩静秀美。各个野生生物群落中的生境并不一致,它们分别有4、6、4、4、6种生境,如海洋有海滩、浅咸水湖、珊瑚礁和海水等4种类型。生物群落间均有相对独立的生态区将它们互相隔开,例如,热带草原和沙漠间有一簇灌木丛而相对隔离。为了保护各个群落不受环境胁迫,在其周围种植了耐性强的植物,例如,热带雨林的三周围是浓密的姜科植物，从而保护内部树种免遭侧面强光照射,而与海洋的界面间种有竹子来抵御盐分渗入。

为了尽量贴近自然环境,该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间,通过一定的人工处理再利用。例如,实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。

生物圈2号中选择植物的标准主要考虑动物消费者的生命保障、分类多样性、物理参数、植物的可利用程度和美学价值。为了适应达尔文的自然选择过程,植物种类开始时比系统能支撑的要多一些,这样可以补偿物种的遗失或灭绝，并最终促进系统的持续稳定。

三、研究范围与主要结果

首批8名科学家在21个月的密闭人工生态环境中按照各自的研究范围进行了广泛、细致、深入的观察、记录、分析,研究项目包括生物地球化学、土壤、水、海洋、“全球”生物量、农业、遗传、生理、营养、医学、心理以及技术和工程学等内容。本文仅就几个较为重要的研究结果概括如下:

1大气动力学与大气泄漏

在微小的闭式生态系统中生物地球化学循环速率显著加大,这是由于它缺乏地球生物圈所具有的巨大贮存作用以及有机体与无机物的比率大大增加的缘故。即使在生物圈2号这样大的装置中,大气CO２的平均滞留时间仅为1～４天,而地球生物圈中则约为3年。

生物圈2号中浓度为1500ppm的大气CO２(约为地球大气CO２浓度的4倍),约相当于100kg的碳,这一数量与圈内的生物量和土壤中的有机碳相比大大降低,分别为100∶1 和5000∶1,而地球中的相应比例分别为1∶17和2∶1。

生物圈2号中CO2的波动范围为700～800ppm/d,一般为500～600ppm/d,有时会更低,这与季节、昼夜循环和天气变化导致的光合作用和呼吸作用的动态消长有直接关系。当光强(光合成光通量,PPF)达到一年的最低值时(168mol·m－２ｄ－１）,CO２的平均浓度为2466ppm;相反,当PPF达到最高值时(537mol·m－２ｄ－１）,CO２浓度则达到一年中的最低值1060ppm。

为了缓冲这一系统在第一年冬季低光照时的高CO２浓度水平,利用一套CO２循环系统首先将它通过化学反应形成CaCO３,如需要时把后者加热到950°C便可释放CO２进入大气。4个月间[DK10]约有53880mol(相当于9450ppm)的CO２通过定期使用这一物化系统以CaCO３的形式沉积下来。这一沉淀可以间接说明约1%大气O２的下降(通过有机碳氧化和随后的CaCO３分离)。相反,1991年12月用来补偿大气泄漏的10%外部大气的加入影响较小,CO２浓度暂时下降了200ppm,即为每天正常变化的1/3。

CO２的浓度升高可导致海水酸度增加。为了避免此现象发生,在海水中分期加入碳酸钠和碳酸氢钠,这样可以保持pH值在7.7以上。

表3, 生物圈2号一年内总的农业生产量(kg)

蔬菜: 菜豆8甜菜叶273甜菜根308胡椒13胡萝卜88辣椒63甘蓝83黄瓜17茄子155羽衣甘蓝11生菜90洋葱107 Bok choy12雪豆1

南瓜籽8西葫芦287 Swiss Chard58甘薯叶64番茄288冬瓜261 粮食: 水稻196高粱131小麦113淀粉类蔬菜白薯198甘薯1335