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生物圈2号（Biosphere 2）是美国建于亚利桑那州
图森市
以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，为了与生物圈1号（地球本身）区分而得此名，它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起，是
爱德华·P·巴斯
及其他人员主持建造的人造
封闭生态系统
。并与几家财团联手出资，主要投资者为美国石油大王洛克菲勒委托空间生物圈风险投资公司承建，历时8年，几乎完全密封，占地12 000平方米，容积达141 600立方米，由80 000根白漆钢梁和6 000块玻璃组成，耗资1 .5亿美元。建造地址为亚利桑那州图森市大沙漠。
- 中文名
- 生物圈2号
- 外文名
- Biosphere 2
- 面 积
- 1.3万平方米
- 建造于
- 1987年到1989年之间
- 营业时间
- 每日营业 09:00–16:00
- 地 址
- 美国亚利桑那州 图森市 以北沙漠中
简介
播报
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生物圈2号
简述
播报
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占地
生物圈2号占地1.28公顷。
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180000m
3
。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。其有关结构参数如下表所示：
表1：生物圈2号内各个组成部分及结构参数一览表
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区域
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面积（m
2
;）
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体积（m
3
;）
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土壤（m
3
;）
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水分（m
3
;）
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大气（m
3
;）
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集约农业区
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2000
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38000
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2720
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60
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35220
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居住区
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1000
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11000
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2
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1
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10997
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热带雨林
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2000
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6000
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6000
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100
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28900
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热带草原/海洋/沼泽
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2500？
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49000
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4000？
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3400
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41600
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沙漠
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1400
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22000
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4000
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400
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17600
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“西肺”
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1800
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15000
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0
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0
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15000
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“南肺”
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1800
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15750
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0
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750
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15000
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注：上述两“肺”的体积仅为其完全膨胀的50%
内部压力
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。
物质上闭环
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。
内部环境
播报
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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。
数量
圈内共有约4000个物种，其中动物（包括：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。
野生生物群落
该系统内既有高大的树木（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。
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比例配制而成。
生物圈Ⅱ号
实验研究
播报
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首次进驻
生物圈2号厨房
二次进驻
生物圈2号内部
神经系统
生物圈2号内部
实验地点
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101.3 kPa，而仅约为88.2kPa，因此，其内压只能略高，即为88.24kPa。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。
2005年的生物圈2号内部
实验失败
2015年的生物圈2号内部
实验结论
2017年的生物圈2号内部
范围
播报
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生物圈Ⅱ号
动力学与泄露
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CO
2
（
二氧化碳
）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CO
2
（约为地球大气CO
2
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∶1和2∶1。生物圈2号中CO
2
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（16.8mol·m
-2
d
-1
），CO
2
的平均浓度为2466ppm；相反，当PPF达到最高值时（53.7 mol·m
-2
d
-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CO
2
浓度水平，利用一套CO
2
循环系统首 先将它通过化学反应形成CaCO
3
，如需要时把后者加热到950°C便可释放CO
2
进入大气 。4个月间约有53880mol（相当于9450ppm）的CO
2
通过定期使用这一物化系统以CaCO
3
（
碳酸钙
）的形式沉积下来。这一沉淀可以间接说明约1%大气O
2
的下降（通过有机碳氧化和随后的CaCO
3
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，CO
2
浓度暂时下降了200ppm，即为每天正常变化的1/3。CO
2
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2：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9 洋葱107 小白菜12 雪豆1 南瓜籽8 西葫芦287
瑞士
甜菜58 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
：
高脂肪豆类
：
花生24 大豆14
低脂肪豆类
：
蚕豆63 蚕豆15
水果
：
苹果1香蕉1024无花果39番石榴41金柑4 柠檬10酸橙4 柑桔6番木瓜639
动物产品
：
山羊奶407山羊肉8 猪肉35 鱼10 蛋6 鸡肉8
总计6630
氧气动力学令人困惑不解。1991年9月到1992年6月间，生物圈2号中氧浓度从20.5 1%下降到16.95%，到1993年1月中旬时则为14.5%。基于医学忠告，1992年6月后的几个星期在圈内不断输入纯氧，使其浓度回到19%。氧气浓度下降主要发生在密闭后的前4个月，此时为18%，1 9 92年4月以后，O
2
浓度则以每月0.25%的线性水平下降。O
2
浓度下降的真正原因并不十分清楚，利用几种方法的
氧气
动力学研究仍在进行，包括研究圈内氧同位素的分布。
生物圈2号气密性非常高。根据泄漏率和压力间的关系推知，年泄漏率为6%，而根据标记微量气体（SF6）逐渐稀释的测量结果证明，年泄漏率不超过10%。在最初的4个月中（19 91年9～12月），大气泄漏约10%，相应的外界气体于1991年末一次性注入。其它闭 式人工生态系统（如
肯尼迪航天中心
制造的
生物量
生产舱）每天的泄漏率就在1%～10%之间 。
废物处理
生物圈2号中的
农业系统
必须满足3个主要要求，即无污染、集约型和可持续性。空 间生物圈
风险投资公司
和其农业区的主要顾问
亚利桑那大学
环境研究实验室，起初试验
水培
和气培的种植技术，最后由于种种原因而不得不转向以土壤为基础的农艺技术。原因之一就 是水培必须依赖于化学
营养液
的输入，而这在空间是难以解决的。另外一个原因是如果没有能力 做 堆肥或利用植物/微生物系统进行废水再生，那么促使动物和人的废物及作物不可食
生物量
部 分等循环利用的相关问题就更难以解决。此外，堆肥或沼泽废水处理系统较湿氧化或焚化等
物理系统
更省能。
食物生产
集约农业区共有50种150个品种，每轮种植约30种，主要有粮食、蔬菜、水果，此外还有饲养动 物和鱼（稻田中养殖），动物饲料包括苜蓿、象草、水风信子及各种农作物（利用其不可食生物量）。密闭后建立的农业系统平均提供8人80%的营养需要，包括谷物、豆类和蔬菜，但密闭后的前几 个月需食用密闭前种植的食物（其余20%的营养需要）。由于圈内缺乏紫外线辐射，因此，必须 补充维生素B
12
和
维生素D
。肉类很少，蛋每人每周平均一个。前10个月的平均食物 热量卡值限制在2000Cal/d（1Cal合4.18J），后来增加到2200Cal/d。食用前，食物均进行了称重和记录。农业区内不使用杀虫剂，而是利用有益昆虫和喷雾器（如肥皂水和硫磺、芽孢杆菌）来控制病 虫害的发生。废物循环是把动物废物和植物不可食生物量做成堆肥，并利用水生植物咸水湖 系统进行“进驻人员”废水处理。利用“土壤床反应堆”降低微量气体的积累。使用大气水分冷凝系统提供饮用水。
种群的动态变化
野生区域内的植物生长旺盛，前9个月生物量就增加了60%～75%。在
热带雨林
，树冠庞大茂密，相连成荫，因而抑制了小型植物，尤其是肉质植物的生长。沙漠中的
多年生草本植物
生长迅速，这也证明干旱条件下沙土有利于多年生草本的生长。
野生种数量起初有所下降，其中植物不到10%，陆地动物和昆虫不到30%，海洋种约为10%~20%。当
食物网
更为一体化且株冠成熟后，物种遗失的数量则减慢，且许多动植物在此时期 均有不同程度的繁殖。自从建立了生态系统后，人就作为主要捕食者来控制杂草和病虫害发 生并保持生物多样性。如果没有人的直接干预，在生物圈2号的初期运转期间，生物多样性必然会下降。
各类试验
生物圈2号中生产的食物基本上能满足“每日推荐饮食配额”（RDA）的需要，但没有什么剩余。进驻人员自从密闭后体重减轻了约10%~20%，这是对新环境初时不适应的 结果。1992年4月后，体重不再下降，有人甚至还胖了一些。这种低脂肪、低热量、富营养的食物可以显著降低胆固醇（从
平均值
约195降到125）、血压、白细胞数量和血糖含量。以前对小鼠的试验也有类似结果，并证实因此而可以延缓衰老、增加寿命。
失败
播报
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氧气未能顺利循环是导致生物圈二号失败的重要原因。由于细菌在土壤中大量分解有机质的过程中，耗费了大量的氧气；而细菌所释放出的
二氧化碳
经过化学作用，被生物圈二号的混凝土墙所吸收，又打破了循环，致使氧气含量下降，不足以维持研究者的生命。此外生物圈二号中降雨失控、多数动物灭绝、为植物传播花粉的昆虫全部死亡、还有黑蚂蚁爬满建筑物等也是生物圈二号失败的原因。
评价
播报
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操作性数据
大量证据表明，火星土壤和月球表土经过一定的生物和化学技术处理后可以用作潜在的植物栽培基质，这样就使得生物再生式生命保障系统在空间居住地的应用比需要地球资源的装置要经济得多。但是在生物再生式生命保障系统中很少有以土壤为基础的技术实验。生物圈2号是第一个建成并运作的以土壤为基础的生物再生式生命保障系统。因此，有关其操作性能的数据对应用于空间的类似系统是非常有用的。
科学史上的意义
生物圈2号无论从规模、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，受到国际上的普遍关注与赞赏。但近年来也遭到某些公众的严厉批评 。
引起公众非议主要是由于主客观两方面的原因：（1）商业投资造成游人络驿不绝，给人一种缺少科学严肃性的印象；（2）遇到严重的阴雨天气和病虫害，造成欠收，开始时曾出现大气泄漏；（3）人们对他们的科学试验活动了解不多；（4）理论和实践经验不足；（5）行政管理不善，导致可以做的而没有去做。
种类关系失调
这个实验为什么会失败呢？科学家对此做出了总结：除了二氧化碳多、氧气少、水循环失调等原因以外，生物种类关系的失调也是重要的原因。
原来，设计者虽然在“生物圈II号”内模拟了多种生态系统，但引进的生物却主要是生产者，动物、真菌和细菌的种类和数量都较少。传粉的昆虫死去了，有些植物就只开花不结果了。由于动物的种类和数量减少了，植物很少被动物取食，加之缺少细菌和真菌的分解，导致枯枝落叶大量堆积，物质循环不能正常进行。
环境资源与人
比例严重偏小
恐怕还有比例不对的原因，在真的生物圈中平均每人所对应的大气、水、植物等是那么的广阔，而二号呢?环境资源与人的比例严重偏小，就那点大气、水、植物等，哪怕就是生活一个人也已严重不够了，更何况是几个人。
二氧化碳
多、氧气少是结果而非原因，二氧化碳多、氧气少是因为植物相对太少了，不足以将人和植物自身产生的那么多二氧化碳转化并释放氧气。氧气的消耗速度高于产生速度，而二氧化碳的产生高于消耗。
