哥倫比亞大學第二生物圈中心的研究項目林光輝（柯淵譯）美國哥倫比亞大學第二生物圈中心研究人員通訊處：32540S.BiosphereRoadP.O.Box689Oracle,AZ85623E-mail：glin@bio2.edu一、前言第二生物圈是一座巨大的人工生態系統封閉式溫室，包括珊瑚礁，熱帶雨林，海岸荒漠，熱帶稀樹干草原等其它熱帶亞熱帶生態系統。這個1.25公頃的復合系統包含有十七萬立方米的大氣，一百五十萬升的淡水，三百八十萬升的海水和一萬七千立方米的土壤。第二生物圈建於1989-1990年，花費一億五千萬美元。原初的任務是實驗人類是否能在一個物質封閉，能量充足的結構內長期自我生存。在完成兩次的人類封閉實驗（第一次從1991年9月-1993年9月，8個人；第二次從1994年3月-1994年9月，7個人。）後，第二生物圈的主人決定徹底改變第二生物圈的用途，並請哥倫比亞大學的科學家們指導他們如何更好地使用第二生物圈。哥倫比亞大學在1996年1月1日正式接管第二生物圈，負責開展科學研究，教育和公共科普活動。在這篇文章裡，我們首先描述第二生物圈的主要實驗生態系統，然後列舉三個現有的研究項目來說明第二生物圈獨特的研究潛力。每個研究項目都有兩個目標：既要證明第二生物圈是個可靠的研究設施又要產生新的研究成果。珊瑚礁鈣化實驗是在一個兩千五百立方米的人造海洋裡進行，前後已進行兩年有餘，有關海洋炭離子鈣化的短期實驗結果已被接受在GlobleBiogeochemicalCycles上發表。在兩個重要的陸地生態系統即熱帶雨林和農用人工林上進行的有關二氧化碳濃度和氣候變化效應的實驗結果也已在幾種國際學報上發表了。二、第二生物圈內實驗生態系統第二生物圈位於美國亞歷山那州南部，海拔一千兩百米，北緯32.5度。第二生物圈內部的實驗生態系統感受到溫帶地區的光熱條件。玻璃和支撐系統過濾掉相當一部份的太陽能輻射。幾乎所有的紫外線均被玻璃吸收掉，光合有效輻射也被減少20-50%。然而由於亞歷桑那州天空大多時間晴朗無雲，第二生物圈內植被樹冠層所接收到的太陽輻射和自然熱帶，亞熱帶地區的生態系統相類似。第二生物圈的設計者在農田中採用有機碳合量較高的土壤，使整個大溫室一直處在高二氧化碳濃度的環境。第二生物圈的加熱，冷卻和電供應均由座落在大溫室之外的能源中心提供。野生生態系統（熱帶雨林，海岸荒漠，沼澤地，稀樹干草原，刺灌叢林）內水分自我循環，其主要過程有冷卻（主要在空氣調節器上的冷卻管上發生），人工降雨或灌溉（通過噴灌系統），蒸發和土壤排水。第二生物圈內部的壓力由兩個體積可變的氣壓調節室（即「人工肺」）調節，使之與外面氣壓相近。第二生物圈內部安裝有一系列的精密儀器（如二氧化碳分析儀，溫度計，濕度計，測光儀）。所有實驗生態系統的環境盡可能和它們模擬的自然生態系統相逼近。所有數據收集和交流均採用自動化設計和設備。（一）農用人工林實驗生態系統農用人工林實驗生態系統佔地兩千平方米，含有大氣體積三萬八千立方米，土壤體積兩千立方米左右。九個空氣回流出口裝置把整個系統分為南北兩邊。最近對這個系統的改進把它分割成三個自我獨立的生長室，使每個部份具有自己的二氧化碳控制系統，環境控制系統，儀器探頭系統（溫度計，相對濕度計，測光儀，土壤濕度計）和稀有氣體檢測系統。土壤厚度為一米左右，容易操作，在第二生物圈發育了八年之久，並種過多種作物。土壤取樣分析結果表明其土壤含有2-3%的有機碳，其碳：氮（C:N）比為12，和高營養的農田土壤相近。農用林實驗生態系統的土壤排水性能好，每次灌溉三十分鐘後均有水從土壤底層排出。目前，農用林實驗生態系統種有兩百株左右的美國三角葉楊（Populusdeltoides）雜交品種，是美國東南地區的一種主要紙漿樹種。（二）熱帶雨林實驗生態系統熱帶雨林實驗生態系統位於第二生物圈的北端，模擬世界各地熱帶濕潤雨林的生態環境。其相對溫度總是維持在85%以上（大多時候是90%左右）。整個實驗生態系統可分為五個小生境區：(1)低地熱帶雨林，位於東邊，為許多大樹佔據；(2)姜屬植物帶，種有大量速生單子葉植物如姜屬植物，香蕉，鶴望蘭屬植物等，起著遮擋陽光的作用；(3)竹林帶，種有密集的竹類植物，防止海洋生態系...
