哥伦比亚大学第二生物圈中心的
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
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一、前言
第二生物圈是一座庞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，我們第一描述第二生物圈的要紧實驗生態系統，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同意在Globle Biogeochemical Cycles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取掉，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，其要紧過程有冷卻（要紧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，使之與别处氣壓相近。第二生物圈內部安裝有一系列的周密儀器（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靠近。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操纵系統，環境操纵系統，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。土壤取樣分析結果说明其土壤含有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（Populus deltoides）雜交品種，是美國東南地區的一種要紧紙漿樹種。
（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，防止海洋生態系統傳來的鹽份進入熱帶雨林實驗生態系統；(4)淹沒森林區，位於南端，模擬巴西亞馬遜河流域季節性水淹生境；(5)雲霧林區，模擬高山雲霧熱帶雨林生境。起初引進的植物種類達
300多種，大多為濕熱帶地區與當地居民生活息息相關的物種。在現存不到100種植物中，要紧建群有三葉蝶豆（Clitoria racemosa），吉貝（Ceiba pentandra），香蕉（Musa spp.），桄榔（Arenga pinnata），麒麟葉（Epipremnum pinnatum），白粉藤（Cissus sicyoides）等。熱帶雨林實驗生態系統的土壤利用亞歷山那州當地的材料合制而成，其土壤質地從沙性粉土到黏性粉土。從土壤剖面來看，上層表土一样一米左右厚，下面為二至三米的沙碩土壤底層。目前，這個實驗生態系統用一隔離薄膜與其它部份分開來，並裝備有全新的二氧化碳操纵系統和大氣流通系統。
（三）海岸荒漠實驗生態系統
海岸荒漠實驗生態系統佔地一千五百平方米，模擬具有典型冬濕夏旱氣候特徵的海岸生態系統。土壤的建筑也是模擬洪涝地區典型土壤類型，從未成熟的沙丘到含有黏土，碳酸鈣和鹽份累積的土壤剖面。其中，干鹽湖區（Playa）模擬具有明顯鹽鹼化的季節性淹沒生境，現在已被濱藜屬植物（Atriplex spp.）佔領。一個碗形塘（Tinaja）建立在人工岩石上以支持那些能够忍耐季節性洪涝的淡水水生植物。在最初的兩年關閉時期（1991-1993年），過多的雨水和相對較低的蒸發導致了大量C4草本植物如大黍（Panicum maximum）入侵。1994年開始，該系統被轉化為地中海灌木林生態系統，但最近的治理使之更
像洪涝地區的荒漠生態系統。由於治理目標和氣候的變化，加上傳粉昆虫的消逝，植物種類在過去幾年裡已有大量的喪失。
（四）稀樹干草原實驗生態系統
第二生物圈內的稀樹干草原實驗生態系統起著幾種不同的功能。最重要的作用是在熱帶雨林和海岸荒漠兩個反差专门大生態系統之間起到水文過渡帶的作用，其目的是探究如何在熱帶生態系統中通過改變水文條件而調節大氣化學組成。第二生物圈內的稀樹干草原模擬熱帶地區稀樹干草原的生態系統過程和生物多樣性。系統內的植被均由可食植物組成，包括為叢
猴（Galagos）提供的金合歡樹，為織布鳥（Finches）提供種子的草本植物，為叢猴和鳥類提供果實的樹種。稀樹干草原上端部份要紧是金合歡樹為主，配合稀疏的樹冠層下草本植物。其中常見草本植物有須姜草（Andropogon gayanus），大黍，雀稗（Paspalum guenoarum），狗尾草（Setaria poiretiana）和臂形草（Brachiaria mutica）。稀樹干草原下端部份要紧為臂形草所佔領。稀樹干草原中也設有幾個死水窪地（Billabongs），以模擬定期淹沒的干濕交換生境。這些死水窪地上一样長有臂形草和虎尾草（Chloris gayana），並有藤本植物如紅豆（Vigna inteola）等穿插其中。
（五）珊瑚礁實驗生態系統
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