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雪域天府——再造一个生态圈 精选

已有 7856 次阅读 2018-5-21 08:55 |个人分类:下一次革命|系统分类:科研笔记| 现代农业, 人工生态圈, 社会发展

 

人类需要不断开拓生存空间

最后一个冰期在12000年前结束,地球正式进入人类时代。人类在非常短的地质时期内,不断开拓,进取,发展,迅速扩散到全球,占领了几乎所有的宜居地区。大开拓导致了人类社会的大发展,大跨越。但是,单一模式的大开发也引起了地球环境的巨大变化。土地退化,资源匮乏,污染,极端天气增加,全球气候变化,等等,正在成为全人类面临的紧迫问题。

我们应该怎么办?是保守,自律,还是继续开拓?其实,即使从远古蛮荒时期开始算,甚至远在人类出现以前,可利用的资源永远不够,环境永远承受着巨大压力。人类社会还在发展,人口还在增加,整体生活水平还在提高。我们需要更多的粮食和生存空间,需要更好的环境和生态。我们必须继续开拓,但要注意保护地球原始的生态环境。

首先,我们应该开发自然条件恶劣的地区,比如沙漠和荒原,自然条件下,这些地方生态贫瘠,开发不会对地球的整体生态环境产生大的影响。其次,我们应该尽量封闭开发,让我们建立的环境与自然环境隔离,将对自然环境的影响降到最小。第三,开发的成本不要太高,尽量被动地利用天然资源,降低总的能源和材料消耗。

还有什么地方可以开拓?

让我们飞上天空,俯视地球,看看有多少荒原可以开拓?

我们先来看两张图。图1是全球初级生长量(Primary Production)分布图,也就是全球自养生物,主要是通过光合作用合成有机物的产量分布图。由于自养生物处于食物链的底端,初级生长量的多少一般也决定了本地区生物质的总量,或者生物多样性。

                                             

图1 全球初级生长量分布图(NASA)

 

我们先不看海洋,只看陆地。可以看出,植被发育良好的地区包括热带雨林,及北半球亚热带,温带与寒带的森林。这些资源中,被人类占用的部分可以看图2。

图2 人类占用的净初级生长量(NASA, Nature 2004)。上图是每年
的占用量,单位是克碳每年。下图是人类占用量占本地生产量的比例。

 

图2的下半部分是人类占用初级生产量占本地总生产量的比例。颜色最深的紫色表示占用量为本地生产量的2到400倍。可以看出,人类占用陆地全部初级生产量的比例已经非常大。所有的人口稠密地区,如东亚,南亚,欧洲,美国东部,都有大量的紫色区域。这些区域的本地资源完全无法供养区内人口。占比低的地区,基本都是无人区,也就是不适合人类生存的热带雨林,沙漠,极地冰原等(除阿拉伯半岛)。

在适当的技术支持下,北非,西亚,澳洲的沙漠地区是可以开发的。简单的做法就是利用海水降温增湿,目前已经有成功的案例,如Charlie Paton的海水温室计划(Seawater Greenhouse)。这些地区大规模开发可以让地球人口增加一倍。

中国还有可战略开发的土地吗?

我们再来看看中国。图3是中国的总初级生产量分布图。可以明显看出,为什么中国人口集中在东南部。东南部的土地资源矛盾已经非常突出,西北部却极端贫瘠。中国的粮食自给率连年下降,目前已降至约80%。那么还有什么地方可以战略开发呢?东北已经开发,西北自然条件太恶劣,非常缺水,冬季苦寒,另有沙尘,大风危害,开发成本高。中国版图上唯一一块可以开发的处女地就是青藏高原了。前面我已撰文说明(《农业发展千年大计》),如果采用人工环境,青藏高原具有许多得天独厚的优势,比如可再生能源丰富,光照充足,温度适宜,季节温差小,昼夜温差大,没有破坏性自然灾害,水资源丰富,土地资源丰富,等等。

图3 中国总初级生产量分布图,单位是克碳每年每平方米
取自X. Li et al. Ecological Modelling 261–262 (2013) 80–92

 

那么,开发青藏高原会不会破坏本地自然环境呢?首先我们要知道,青藏高原,特别是高海拔地区,自然生态极度贫瘠。图4截自百度地图,是青藏高原的卫星图。

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图4 青藏高原的卫星图

也可以看看青藏高原的总初级生产量分布图(图5)。高海拔地区的自然初级生产量极低,甚至不到南部雨林地区(藏南非实控区)的百分之一。即使气候比较温和的中部,也只有南部或东南沿海的十分之一左右。

tibetgpp.jpg

图5 青藏高原的总初级生长量分布,单位是克碳每年每平方米。
取自M. Ma, 等, International Journal of Digital Earth, 2017.

 

我们知道,在人工环境下,如果折合成初级生产量,可以达到10000克碳每年每平方米左右,是热带雨林的四五倍,西藏本地自然初级生产量的一百倍到一千倍。如果我们保留具有一定自然生长量,也就是一定本地生态的地区不开发,或者只开发其中的贫瘠区域,可以最大限度地保留本地自然生态,但仍然有面积巨大的绝对贫瘠区域可以开发。

人工环境打造理想生态圈

青藏高原自然环境恶劣,主要是海拔高,气温低,无霜期短,有些地区不存在无霜期,依靠光合作用的自养生物无法生存。但在存在充足光照的条件下,人工改变环境非常简单。高原条件下,普通结构的温室也可以有效提高气温40到50℃。即使在最冷的冬天,也可以很容易维持植物生长需要的温度和光照条件。因为高原地区的冬季几乎没有阴天,白天可以升温并蓄热,维持夜间不霜冻,夜间的低温又可以有效保持植物养分。而在夏天,青藏高原不存在高温。在青藏高原,仅利用低成本的被动控温,温室就可以常年维持植物的最佳生长条件。在实现被动型人工环境的条件下,青藏高原几乎是理想的天府之国。

种植发展起来后,养殖业顺理成章。

根据我们的计算,在人工环境条件下,西藏每一亩土地可以生产十亩东部自然环境下土地的产量。但东部因为自然环境(夏天温度太高,有破坏性自然灾害)的原因,不适合发展被动型人工环境农业,而主动型人工环境农业成本太高。

由于人工环境可以控制所有的环境要素,种植业和养殖业的发展没有限制,无论是热带作物,温带作物,还是潮湿,干旱需求,都可以满足。因此人工环境下,可以打造各种各样不同的生态圈,培养不同的生物群落。

如果结合可再生能源开发,利用青藏高原十分之一的自然生态极端贫瘠国土(大约相当于青藏高原总面积的二十分之一,约12万平方公里,含辅助设施和城镇用地),可以完全满足全国的能源需求和种植养殖业需求。

种植养殖产业发展起来之后,城市,休闲,观光的发展自然而然。

青藏高原发展的缺点在于基础设施还不够完善,人才缺乏,高原缺氧不适合长时间户外工作。但西藏的基础设施正在不断完善,川藏铁路将很快通车。牧民定居和社区化,人才培养等,也取得了长足的进步。

高原缺氧在人工环境中可以解决。

随着技术的进步,由于温室环境温和,发展以机器人为主的精细自动化目前看来并不存在原则性的障碍。

由于可再生能源丰富,大规模工程施工可以考虑电气化。

前期只需要在目前的农业开发区逐步完善规划的技术和种植模式。

人工生态圈案例

美国生物圈2号

位于美国亚利桑那州图森市北部,是一个人造封闭生态系统。占地1.3万平方米,大约有8层楼高,是密封钢架结构玻璃建筑。该地区日照充足,海拔较高(1100米),类似西藏,但西藏特点更突出。该项目是为了验证完全封闭的生态圈,成本较高。西藏建设生态圈并不需要完全封闭,可以降低成本和有效利用环境。

生物圈2号中建有多个生态群落,包括海洋,热带草原,海岸浓雾沙漠,热带雨林等。


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生物圈2号外部

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生物圈2号的海洋

 

英国的伊甸园项目

位于英国康沃尔郡,是英国的最受欢迎的旅游景点之一。伊甸园计划由多个巨大温室组成,养殖了大量植物,每个温室模仿一个生物群落,包括热带雨林环境,地中海环境等。

英国纬度高,冬季漫长,但在人工环境下,仍然可以形成各种类型的生物群落。

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英国伊甸园计划外景

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伊甸园计划的热带生物群落


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