模拟生态系统的建立研究

模拟生态系统的建立研究

1 背景及意义

生态系统指由生物群落与无机环境构成的统一整体。生态系统的范围可大可小，相互交错，最大的生态系统是生物圈；最为复杂的生态系统是热带雨林生态系统，人类主要生活在以城市和农田为主的人工生态系统中。但是，伴随着人类社会的发展，孕育着几十亿人类的最大的一个生态系统正遭受着严重的破坏，面对着碳循环的失衡、能源资源的减少、人口的密度的快速增长等等的生态问题，人类亟需在地球以外寻找另一个更适合人类生存可代替生物圈的生态系统，于是人类开始在外太空上探寻生命的足迹，寻找成为可能的第二个生物圈或可以建立生态系统的地方。因此，对生态系统的研究一直是科学领域中的重要内容，而模拟生态系统的建立是其中一种有效的方法。模拟生态系统即人为设计建造的具有生态系统水平的生态学实验研究单元，大小、形式多样，用以研究生态系统中各种重要成分之间相互作用与重要生态学过程。在当今的严峻的生态环境问题下，通过模拟生态系统的建立研究，有利于了解生物圈的运作机理，为未来人类重建生物圈或在外星球建立生态系统提供实验数据及理论支持，帮助人类扩大生存空间，创造新型生活环境。

2 模拟生态系统的研究进展

2.1“生物圈2号”的建立

60年代，奥当姆利用土壤和具有自组织倾向的动植物的生物特性进行了室温生长的系列实验。在70年代后期，美国环境保护局环境研究室建立了一个陆地模拟生态系统。1984年，空间生物圈风险投资公司斥资1.5亿在亚利桑那州图森以市北沙漠中建立一座微型人工生态系统——生物圈2号。“生物圈2号”是第一个建造的微型生物圈，而且具有相对复杂的物种组成，与外界严格隔绝，虽然最终无法达到预期效果，但无论从规模、技术难度和复杂程度，以及所取得的效果来看，均堪称人类科学史上的一大杰作。因此，对“生物圈2号”的深入研究能够更好地理解认识研究模拟生态系统的建立，有助于人类探索地外星球生活的环境。

2.2 “生物圈2号”的发展

“生物圈2号”为配有玻璃窗板的立体钢架构型，允许太阳光通过透明玻璃进入，供植物进行光合作用，维持能量源源不断的输入；地面部分为焊接不锈钢板，用钢垫密封，通过密封状态，禁止它与地下土壤和外界大气进行物质交换，维持生态系统内的物质恒定；同时，通过电脑、电话、摄像等途径与外界进行数据交换，维持生态系统内外必要的信息交换。这样，通过一系列的工程手段使得“生物圈2号”与外界维持着能量与信息的传输，物质的隔绝恒定，与地球生物圈类同，能够在系统内进行能量的流动、物质的循环。

“生物圈2号”总体积约为180000m³，内部主要由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）和两个大气扩张室（也称作“肺”）组成。圈内包括有动物、植物、微生物共约4000个物种。

其有关结构参数如下表所示：

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 6000 6000 100 28900

热带草原/海

洋/沼泽

2500？49000 4000？3400 41600

沙漠1400 22000 4000 400 17600 “西肺”1800 15000 0 0 15000 “南肺”1800 15750 0 750 15000 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，通过信息通路与外界附近的计算中心相联通。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。通过“神经系统”，实时记录和监测生物圈2号的环境参数，是模拟生态系统的核心内容，用于研究生态系统中群落演替和无机环境变化，有利于研究新生态系统的建立。

在“生物圈2号”的模拟生态系统实验中，研究发现：生物圈2号的大气中比例，氧气和二氧化碳无法达到平衡；圈内混凝土建筑物影响到正常的碳循环；大多数动植物的不能正常生长、繁殖，物种灭绝速度过快，超出正常水平。经过广泛讨论，研究人员宣布，历时八年规模巨大的微型生态系统“生物圈2号”实验失败。但是，作为第一个结构相对完整的模拟生物圈，从建立到发展到衰退，为模拟生态建立研究提供了宝贵经验与可靠数据。

2.3 “生物圈2号”的大气循环分析

因为模拟生态系统有限的贮存能力，使得“生物圈2号”的缓冲能力严重不足；同时系统中有机物与无机物的比例要远远高于地球生物圈的比例。这样的结果是生态系统中生物地球化学循环速率显著加大，圈内大气二氧化碳的平均滞留时间只有1~4天，而地球生物圈约为3年。为了保持生态系统中二氧化碳的正常含量，使用的方法包括二氧化碳循环化学系统（CO2→CaCO3→CO2）和海水缓冲剂（碳酸钠和碳酸氢钠）以及系统生物自身的生化反应调整。

“生物圈2号”的模拟生态系统实验中，氧气的含量的变化至今仍让人疑惑。1991年到1992年，生物圈2号中氧浓度从20.5 1%下降到16.95%。在1992年6月后在圈内输入纯氧后，其浓度已经回升到19%。氧气浓度在密闭后的前4个月下降十分明显，到1992年1月底时氧气为18%，1 9 92年4月以后，氧气浓度则以每月0.25%的线性水平下降，到1993年时降为14.5%。

3 系统气体监测与维衡方法

3.1 CO2的监测控制

在“生物圈2号”的实验中，失败的原因之一是二氧化碳的在无机环境与生物群落之间的生物圈循环未能自动达到平衡状态。生物圈中碳循环的平衡是十分重要的，它不仅影响植物进行光合作用，导致作物产量下降；同时，当大气二氧化碳含量升高时，海水的酸度会增加，使得海洋珊瑚礁生态系统的减少和毁灭；此外，如果二氧化碳含量过高，模拟生态系统也会像地球生物圈一样出现“温室效应”。因此，对模拟生态系统中二氧化碳的实时监控是研究建立模拟生态系统的重要手段。

用于测量大气二氧化碳的常见方法有：体积测量法、滴定法及红外线吸收法。红外线吸收法是检测大气二氧化碳含量的有效方法，利用二氧化碳在4.3um的红外区有一个吸收峰，而在此波长下，氧、氮、水蒸气等其它大气气体都没有明显的吸收的光学原理。红外线吸收法二氧化碳分析仪利用4.3um波长作为测量光束，3.9um波长作为参比光束，采用单光路、时间双光束的检测方法，达到双光路的目的。仪器内装有电磁泵和传感仪器，能够自动将系统内气体吸入吸收池进行检测，同时向计算机传出数据。

为了维持模拟生态系统二氧化碳的平衡，需要引进二氧化碳再循环系统。利用氢氧化钙为前驱物的钙基材料的固态吸收剂和以特定填料的碱液吸收剂吸收大气中二氧化碳，再通过高温加热炉和酸液添加，释放固态吸收剂和碱液吸收剂中的二氧化碳，循环再生，已达到模拟生态系统中二氧化碳的含量平衡。