美国生物圈号及其

美国生物圈2号及其研究图1〓生物圈2号的外观图表1〓〖WB〗圈内各个组成部分及结构参数一览表声区域亲面积录金(m曾2御)常体积笼压(m斤3冤)伶土壤姐跃(m改3爱)忠水分奋旨(m伟3咏)德大气怠局(m勾3瞎)伞集约水农业琴区臂20踩00跟38怒00饼0午27瑞20浮60输35址22鲁0设居住颗区纱10指00吓11芬00师0氧2退1宫10煌99睡7取热带尘雨林邻20没00腊35烂00提0屠60相00鄙10逢0兴28悉90多0贿热带狐草原摊/海屈洋/丙沼泽际25谱00洋狮49行00刷0苦40伐00添舌34奥00巴41君60钟0甚沙漠劫14使00妥22恶00配0亏40扫00加40屠0肝17抽60沉0霉“西株肺”停18伟00役15休00寇0岸0眠0考15辟00割0木“南隐肺”香18委00吓15哨75病0哲0饮75对0滑15强00筝0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、、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。表2〓圈内大气温度、压力及重量范围老生物饮群落州温度洽(°哗C)宅最高页最低步大气粥成分卷压力外各(k纪Pa优)洞百分编比桶互(%其)窑总重助量禽鸦(k押g)丝热带胜雨林独35光13丢O渔2夹18纯10简20驳51棵31冈80胃0怕热带蛮草原烟38煮13迹N饭２向67碑51恨76坦51宪10傲37妇75忘海洋陕/沼话泽知CO类2置0茫03厅0脱03扒67验沙漠臂43主2扒H缘２叨O扰1榆78证2舞02雹17吵61诱集约锯农业春区论30阻13的Ar宇0逗81纷0耻92欢17坡82锦居住庸区搬35棵15庭总量乔88云24妻10蛛0计00名13辜91薯85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1013kPa，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。喉为了订尽量旷贴近鸡自然绒环境秘,该笔圈中呼的土缠壤、姓草皮江、海聪水、粉淡水挪均取灶自外磨界的毯不同傻地理棕区间呢,通逢过一发定的如人工糠处理识再利橡用。森例如阁,实狐验用木的海翅水是障将运检进来泼的海碰水和敲淡水潜按照侍适当赖比例蓄配制徒而成商的。辉生物阳圈2黑号中受选择泊植物利的标淘准主框要考恼虑动肾物消乱费者掀的生涂命保浸障、姻分类卖多样眼性、月物理四参数真、植健物的角可利诚用程幻度和驴美学早价值渐。为辫了适备应达合尔文缝的自牙然选矛择过价程,您植物淡种类款开始话时比益系统糟能支络撑的篮要多灭一些你,这宁样可声以补握偿物烂种的变遗失阿或灭淋绝，豆并最腾终促芬进系役统的贸持续骡稳定载。嘉三、逝研究披范围蒙与主民要结汉果能首批胖8名惰科学者家在徒21棵个月懒的密痰闭人识工生华态环市境中趣按照裁各自兄的研验究范虑围进够行了万广泛命、细谅致、毯深入贤的观堪察、芹记录族、分胞析,找研究援项目云包括龄生物帆地球细化学臣、土停壤、芽水、削海洋亭、“品全球坟”生估物量膊、农盗业、卸遗传吴、生鹅理、脆营养娇、医欺学、织心理盆以及刊技术许和工隶程学甜等内党容。滨本文辨仅就果几个喘较为谦重要仇的研截究结胳果概棚括如浅下:哈1大农气动仇力学臂与大桐气泄遣漏星在微华小的存闭式龄生态虏系统倚中生忆物地家球化刻学循膊环速活率显笛著加遭大,载这是泡由于嫁它缺衔乏地毅球生任物圈掠所具疮有的忆巨大彩贮存帝作用飞以及边有机洋体与僵无机狐物的另比率裹大大绢增加私的缘周故。宗即使稠在生始物圈殖2号臣这样哲大的蹈装置苦中,并大气撤CO贞2辉的平磁均滞惨留时抄间仅跳为1伸～４箩天,夸而地胃球生框物圈腹中则分约为绞3年家。钢生物蹦圈2环号中球浓度假为1脂50控0p秤pm黑的大宅气红CO窑2缓(约肚为地晚球大聚气蜜CO加2果浓度乒的4录倍)垦,约薄相当堂于牵10拌0k莲g统的碳肥,这同一数骑量与酷圈内缝的生猫物量培和土工壤中光的有觉机碳削相比强大大昨降低音,分扑别为仿10怕0∶改1和程50机00护∶1倡,而揉地球铺中的抄相应吼比例罚分别各为1颤∶1柏和2投∶1讽。轧生物眼圈2槐号中叶CO普2厨的波企动范雷围为哈70托0～近80芽0友pp党m/趴d,舰一般辉为5赢00忘～陆60啦0p步pm税/d胞,有住时会户更低损,这护与季医节、亭昼夜梦循环困和天误气变灿化导没致的终光合很作用织和呼柄吸作坛用的拥动态氏消长锡有直晒接关植系。枯当光灶强(削光合恶成光宇通量盟,P丙PF桶)达叼到一叶年的岭最低成值时物(1怨6汽8m魔ol适·歌m岭-2停d公-1排环）,古CO丑2策的平被均浓予度为凝24肥66惑pp啊m;蔬相反跪,当欺PP卖F达埋到最移高值舌时(锡53宗7m初ol芦·晒m昂-2怎d拣-1鸟度）,讲CO崭2渡浓度罚则达既到一悦年中杜的最爱低值仅10识60码pp祸m。梁为了猴缓冲框这一脏系统近在第浸一年底冬季历低光纠照时他的高乏CO脱2野浓度队水平梯,利拍用一糊套妥CO划2问循环炒系统粗首先协将它顽通过哑化学膊反应兄形成净Ca缠CO联３,束如需胞要时绸把后意者加用热到钓95流0°呢C天便可践释放夏CO稍2代进入奶大气锈。4知个月诵间[供DK葡10典]宴兽约有想53鼻88慎0m裕ol论(相辰当于覆94泛50南pp螺m)割弄的级CO摆2甩通过钉定期组使用昨这一捧物化脂系统凡以C土aC尼O妨3档的形抵式沉黑积下残来。折这一恼沉淀肢可以情间接避说明挎约1罗%大蓝气帆O送2遍的下枝降(臂通过瓦有机蜓碳氧辆化和纠随后陵的C奏aC秤O湿3款分离嘉)。向相反让,1羞99问1年劫12惑月用六来补物偿大日气泄捉漏的懒10拖%外利部大著气的踏加入罪影响离较小轻,貌CO马2卖浓度唐暂时逼下降卵了2设00芳pp塑m,忠即为橡每天明正常迫变化甚的1津/3最。戴CO谢2诸的浓姐度升亏高可罩导致悦海水劣酸度咸增加贝。为宅了避冈免此谈现象茎发生饲,在密海水悔中分泊期加油入碳软酸钠糕和碳坚酸氢解钠,倒这样沃可以所保持革pH筹值在逃7具7自以上千。庆表3崇,生月物圈巴2号挠一年尼内总极的农举业生柱产量举(k放g)程蔬菜盈毙菜豆白8馅柏甜菜获叶2行73岸倡甜菜林根3祥08苗庭胡椒拼13召凑胡萝箱卜8拥8远蛇辣椒向63抹虽甘蓝劣83控轧黄瓜厉17席感茄子屡15会5裹类羽衣取甘蓝觉11捡呆生菜刘90盐绳洋葱后10老7樱悟Bo携kc庸ho存y1急2深鸟雪豆肺1途是南瓜稳籽8此犯西葫朵芦2析87碧友Sw卖is范sC哪ha盐rd蹦58施扑甘薯消叶6稻4蓄道番茄顷28鞋8描桨冬瓜努26怪1粮酒食水思稻1致96汉学高粱潮13非1宜延小麦故11烈3懒信淀粉帮类蔬东菜白送薯1姿98挡蜓甘薯始13图35纲林Ma苗la还ng貌a8笛4甚喉薯蓣惑20稳疮高脂圾肪豆紧类钻泼花生奏24屋棚大豆有14摘熔低脂张肪豆塘类蚕净豆6腹3微热豌豆这15帆水果鹿苹果钱1朱艰香蕉亡10但24腹比无花浮果3好9闪位番石尚榴4研1纷覆金柑暖4昏广柠檬国10能秃酸橙勿4霉墓柑桔往6振却番木帜瓜6酱39机焦动物铜产品乔吵山羊丽奶4独07嚷繁山羊俯肉8超民猪肉锁35滑四鱼1援0表睛蛋6田绳鸡肉棉8飞店总计镰66妙30旷氧气据动力吊学令怎人困币惑不听解。挨19宫91汤年9浙月到少19罚92错年6胳月间平,生蕉物圈摩2号究中氧烛浓度佩从2陶0泰51偶%鲁下降光到1绘6喂95民%,槐到1补99安3年刃1月户中旬呢时则堤为1让4辰5%饱。基穴于医尚学忠识告,惊19盼92政年6泪月后砌的几绩个星鸟期在步圈内难不断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