索诺拉沙漠：探访全球最高大的仙人掌

金文驰

人们常常把沙漠与不毛之地联系起来，然而位于美国西南部和墨西哥北部的索诺拉沙漠却是2000多种植物的家园，这里拥有全球沙漠中最高的植物多样性。

约60种哺乳动物、350种鸟类、100多种爬行动物、20种两栖动物和30种鱼类也以此为家。这一生物多样性高地被世界自然基金会认定为全球200个重要生态区之一。

索诺拉沙漠总面积约33.1万平方千米，覆盖了美国西南部和墨西哥北部。人们似乎总爱把沙漠和黄沙漫漫、寸草不生的不毛之地联系起来，不过索诺拉沙漠却是2000多种植物的家园，全球体型最高大的仙人掌科植物巨人柱便是这一沙漠的特有种。索诺拉沙漠拥有全球沙漠中最高的植物多样性，约60种哺乳动物、350种鸟类、100多种爬行动物、20种两栖动物和30种鱼类也以这里为家。这一生物多样性高地也被世界自然基金会认定为全球200个重要生态区（Global 200）之一。

在美国西南的亚利桑那州南部，自然、建筑和科学等都在索诺拉沙漠中绽放出异彩。这里有全球密度最大的巨人柱群落之一，有美国最精美的西班牙殖民时期建筑——被誉为“沙漠白鸽”的圣泽维尔北团大教堂。高中生物教科书中科幻色彩极浓的生物圈2号也坐落于此，人类在这里迈出了尝试在模拟太空封闭环境中生存的第一步。

巨人柱：美国西南部的象征

隆冬时节，我与友人来到亚利桑那州南部的图森，迎接我们的是一派明媚的春光。图森的年平均气温高达21.6℃，几近中国广州的水平，而年平均降水量仅有303毫米，不及兰州，此地气候的干热程度可见一斑。巨人柱国家公园（Saguaro National Park）由位于图森东郊的林孔山区和西郊的图森山区构成，两区相距约50千米，公园总面积370平方千米，共有约160万株巨人柱。

图森山区拥有全球密度最大的巨人柱种群之一，公路在图森山山脚的缓坡上延伸，我们被巨人柱的阵列包围了。它们中的大多数高9米左右，少数能达15米以上，我站在一棵高度并不起眼的巨人柱跟前，才发现还不及它的腰高。它们直指苍穹，鹤立鸡群般屹立在低矮的沙漠植被之上，尽显王者风范。放眼远望，看似单调的巨人柱竟构成了一片森林，一根根茎干挨挨挤挤，如沙漠中的绿浪奔来眼底。这是巨人柱的海洋，这是巨人柱的王国。巨人柱茎干直径在30-75厘米间，其上除密布灰色尖刺外，还有多条突起的纵楞。许多巨人柱的主茎上生有多条“手臂”，让它们有了几分人的形象，这一让人一见难忘的外形早已让它成为美国西南部的象征。

巨人柱寿命可长达200岁，但长到40-75岁时才会开花结果，并长出第一条“手臂”。每年的四五月份，巨人柱的茎顶便会密集绽放出众多（可达50朵以上）白色花朵，上百枚浅黄色雄蕊缀满花粉，等待着传粉者。每朵花的直径在8厘米左右，飘散出成熟的蜜瓜香味，这也是亚利桑那州的州花。当果实成熟后，果皮开裂，露出朱红色的果肉，其中嵌着许多细小的种子，色彩和质地与同属仙人掌科的红心火龙果相仿。

巨人柱隶属于仙人掌科巨人柱属，属名Carnegiea是从了美国“钢铁大王”卡内基的姓氏。巨人柱属仅含巨人柱一种，这样的属被称为“单种属”，往往具有独特的分类学地位，但巨人柱属的确立并没有太多科学依据，拍马屁的成分更多。20世纪20年代，得知卡内基将要访问位于图森的沙漠实验室（Desert Laboratory，为卡内基大力资助以研究植物如何适应干热环境的研究机构）后，纽约的两位植物学家便以卡内基的姓新建了巨人柱属，希望能以此为沙漠实验室赢得更多捐款。卡内基知道事情真相后，很是气愤，但这一因拍马屁而生的属名还是沿用至今。

别看巨人柱虎背熊腰，其实也有脆弱的一面。它们生长缓慢，种子萌发8年后，幼苗的高度仅2厘米左右，一头牛便能在不经意间让它们粉身碎骨。此外，巨人柱对低温很敏感，零下低温如果持续时间稍长，也会置它们于死地。因此巨人柱都分布在海拔1400米以下、零下低温持续时间不超过36小时的区域内。

巨人柱种子萌发后两个月，茎干直径仅3-5毫米，仅约1%的幼苗能挺过生命中的头一年。烈日、干旱、高温和冬季的霜冻对幼苗的生存都是极大的威胁，因此它们选择了“大树底下好乘凉”的生存策略。沙漠和有刺灌丛中少有乔木，高度可达10米的多花扁轴木和不及1米高的沙漠豚草便成了巨人柱幼苗最喜爱的“保姆植物”，约九成的幼苗都生长在它们的阴影中。“保姆植物”的好处是显而易见的，一方面它们遮挡了烈日的炙烤，炎夏时节的土壤温度在阳光下可达60℃，而在多花扁轴木的树荫下仅有40℃；另一方面它们在冬季有利于减轻霜冻对巨人柱幼苗的伤害。天下没有免费的午餐，“保姆植物”的庇护也是有代价的。研究表明，由于沙漠豚草的遮挡，巨人柱幼苗用以光合作用的有效太阳辐射减少了77%。此外，巨人柱幼苗和“保姆植物”可能還要对水分展开争夺。在严酷的生存环境中，巨人柱幼苗“明智”地为生存作出了妥协。

幼年的巨人柱需要其他植物的庇护，当它们成年后便能为许多动物提供居所。白翅哀鸽、红尾鵟和黑头美洲鹫等鸟类在巨人柱的“手臂”基部用枝桠建巢产卵育幼。仰赖巨人柱浑身利刺、主茎通直，这些鸟儿不用担心响尾蛇等天敌的偷袭。只要稍加留意，便能发现不少巨人柱中部以上分布着直径约5厘米的洞，它们可不是巨人柱病变留下的疤痕，而是吉拉啄木鸟和黄扑翅鴷这两种啄木鸟啄出的洞状巢穴。两种啄木鸟中，吉拉啄木鸟体型较小，通常在巨人柱中部啄洞（此处木肋间距较大）；黄扑翅鴷体型大，体长近30厘米，能啄穿木肋，因此常在木肋较密的巨人柱上部啄洞。两种啄木鸟用过的洞状巢穴也不会空置，它们往往会被全球体重最轻的鸱鸮科鸟类娇鸺鹠（体重约40克）等

利用。

四五月间，巨人柱的茎顶挤满了白色花朵。花朵在晚上开放，24小时内便会凋谢。动物分成白班和夜班两拨，纷纷赶来享用这花蜜盛宴，同时在不知不觉间帮巨人柱完成传粉任务。上白班的主要是蜂类和包括白翅哀鸽在内的鸟类；上夜班的主力则是蛾类和小长鼻蝠。到六月底七月初，正是一年中最干热的时节，巨人柱的果实如救星般成熟了，每枚果实平均含水19.4克、干物质6.6克，是众多动物的重要口粮。当果实还未掉落时，白翅哀鸽等鸟类便抢占先机在茎顶饕餮起来。在一项于6月开展的为期10天的调查中，巨人柱果实占了13种鸟类食物的40%-70%。当果实掉落地面后，前来享用的动物就更多了，各类昆虫、爬行动物、啮齿动物、偶蹄动物甚至食肉目动物都难挡这水分和热量的双重诱惑。巨人柱死亡后，依旧能发挥重要的生态作用。其腐败组织往往会被蝇类和鞘翅目昆虫等蛀食，一些蜥蜴则以这些昆虫为食。

原住民保留地的“沙漠白鸽”

从图森市中心驱车南行，约一刻钟光景我们便进入圣泽维尔原住民保留地，居住于此的是托霍弄奥奥德汉（Tohono O'odham）人。这一带地势平坦开阔，远远地就看到圣泽维尔北团大教堂（Mission San Xavier del Bac）白色的身影。来到大教堂前的广场上，了无纤云的天空蓝得发紫，将大教堂正立面的两座八角形白色钟楼映衬得分外醒目，难怪这座教堂还有“沙漠白鸽”的美誉。两座钟楼间是大教堂的正门和赭石色立面，可以看出这是一栋巴洛克风格的建筑。

圣泽维尔北团大教堂是一座天主教教堂，它的历史可以一直追溯到17世紀末。那时美国尚未立国，包括亚利桑那州在内的美国西南部还是西班牙帝国“新西班牙”殖民地的一部分。伴随殖民势力在新西班牙扩张的，便是天主教这一非本土宗教。神父尤西比奥·基诺（Eusebio Kino）于1692年在此设立教堂，一来是设立西班牙人据点，二来可以“教化”此地的原住民。

我们现在所见的圣泽维尔北团大教堂始建于1783年，它可能是在此修建的第三或第四座教堂。虽然这座大教堂的结构和装饰几乎全为欧式风格，但劳力全是托霍弄奥奥德汉人，原材料也是就地取材：墙体用烧制后的泥砖砌成，大门则是用本土沙漠植物豆科牧豆树属的木材雕成。1797年，大教堂落成。经过11年的独立战争后，1821年墨西哥从新西班牙独立，成为共和国，大教堂也随之从西班牙转入墨西哥名下。而在1846-1848年的美墨战争中，墨西哥战败，割让约230万平方千米的土地（大教堂所在的亚利桑那州也包括在内）给美国。虽然几度“易手”，但大教堂依旧巍然屹立，如今的它是亚利桑那州现存最古老的欧式

建筑。

如果从空中俯瞰，可以看出大教堂的平面为十字架形。在这一十字架“横”“竖”交接处，耸立着一个高大的穹顶，3个较小的穹顶则依偎在它的周围。虽然大教堂外观总体较为简洁，但走入内部，则是另外一番景象。祭坛的左右和后方各有一小室，它们被神像、壁画、木雕、石膏装饰等装点得繁复而绚烂。其中最令人惊叹的要算祭坛后方的小室，从地面到穹顶，这一小室的后墙可谓金碧辉煌，明显被分为上下两部分，上部正中的神龛中供奉的是圣母玛利亚的雕塑，下部正中则是圣泽维尔的雕塑。只见圣泽维尔头戴黑冠帽，上身着白袍，下身全黑，右手持十字架。这一雕塑可能购于1763年，那时这座大教堂还没有开建。值得一提的是，和大教堂同时代修建的“新西班牙”教堂中，装饰元素或多或少都借用了原住民的文化元素，但圣泽维尔北团大教堂中几乎没有此类元素。

在美国的西班牙殖民时期建筑中，这座大教堂是最精美的一座，也是美国“国家历史地标”，大致相当于我国的重点文物保护单位。尤为难得的是，在经历两个多世纪的风雨、地震和时局动荡后，如今的大教堂依旧是托霍弄奥奥德汉人的社区教堂。大教堂堪称一部颇接地气的史书，虽然建筑本身不大，但它折射出美洲、西班牙、墨西哥和美国的众多重要历史事件和欧洲文化对美洲的深远影响。

地球生态系统是“生物圈1号”，它是生物圈2号

从图森市驱车北行，半小时后便来到一列山脉的脚下，壮观而颇具科幻感的生物圈2号（Biosphere 2）便矗立于此。这一庞大的建筑群自1987年动工，历时4年完工。6600扇双层玻璃窗将1.27公顷的土地罩了起来，容积超过20万立方米，建筑最高点高达27.7米。整个生物圈2号被设计成一个物质上封闭的系统，废物和水在生物圈2号内可以被完全回收利用。但在能量和信息上，生物圈2号则是一个开放系统，太阳能可以透过玻璃进入系统中，电力也接入为空调等供能，这里还有电话等通讯设备，可与外界保持联系。

修建生物圈2号的目的之一，就是为了证明人类能在小尺度上复制可自我维持的地球生态系统，进而为太空空间站乃至在火星等星球上定居等提供技术支持。在这一建筑群中，不仅有人类居住区和2500平方米的集约农业区，还有一个“荒野区”。刚建成的“荒野区”真可算得上一个微缩的地球：1900平方米的热带雨林中除有300多种热带植物外，还有山岩和瀑布；850平方米的海洋中生长着珊瑚，还有一个椰影摇曳的小海滩；450平方米的红树林湿地、1300平方米的稀树草原和1400平方米的沙漠都汇聚到了一个玻璃屋顶下。因为模拟了“生物圈1号”——地球生态系统，因此它便有了“生物圈2号”一名。

热带雨林是生物圈2号中面积最大、高度最高的一个生态系统。进入热带雨林温室，潮热程度之高大出我的意料。这里植物极为繁茂，无数气生根从上方垂下，宛如丝帘。由于植被太过茂盛，雨林中的光线很是昏暗。从无数枝桠根茎的缝隙中，好不容易看到了整个温室中心的一座人造假山，山上有一道小瀑布叠落。这一热带雨林是按美洲雨林来构建的，植物自然绝大多数都是原产热带美洲的物种。这座人造假山则是参考了委内瑞拉境内的圭亚那高原的砂岩山体，进而在这一微缩热带雨林中造出一小片更加微缩的云雾林。在夏季，生物圈2号外的沙漠骄阳似火，密闭的热带雨林温室中温度更高，当年还需启动庞大的空调系统降温。如今的热带雨林温室中已不再使用空调降温，因此年均气温比真实的热带雨林高出5℃-10℃，这片微缩雨林因此成为研究热带雨林响应气候变化的现成实验室。

走出热带雨林，凭栏俯瞰，一方矩形的海洋出现在峭壁之下。这一微缩海洋的容积为2650立方米，一端深，一端则是一小片砾石海滩。微波荡漾，浅水中的石块历历可见，却看不到什么醒目的海洋生物。起初，这片海洋是以加勒比海的热带珊瑚礁生态系统为蓝本建设的，海水是由一辆辆运牛奶的卡车从太平洋运来，沙粒来自巴哈马，各种珊瑚、海星、海胆、甲壳动物和鱼类等动物来自加勒比地区。热带海洋终年温暖，这片海洋的水温也全年保持在23℃-25.5℃间，因此耗电量颇大，以至于这方小小的海洋曾是生物圈2号中耗能最大的生态系统。维持一个海洋生态系统并不轻松。一小群章鱼藏在珊瑚中混进了这片海洋，它们陆续吃掉了许多其他海洋生物。而藻类的扩增也是一个令人头疼的难题，最终藻类鹊巢鸠占，珊瑚悉数死亡。如今，这片海洋中依旧有鱼类生存，不过它们的数量和种类都不能和最初的时候相比。虽然这片海洋仍是一个自给自足（无需人类投喂食物）的生态系统，但它的生物多样性较低，生态功能也颇为有限。这片海洋的尺度介于常规实验室和真实海洋之间，因此比实验室条件更接近真实海洋，但又远比真实海洋容易控制各种环境条件。科学家们研究这片海洋后，得出了大气二氧化碳浓度升高会造成海洋酸化现象的重要结论。

生物圈2号共进行了两次人类定居实验。在实验中，数人在封闭的生物圈2号中种植作物、饲养家禽家畜，希望能过上自给自足的生活，他们呼吸所需的氧气则来自圈内植物的光合作用。在这两次定居实验中，尤以第一次实验持续时间最长（1991年9月26日-1993年9月26日），影响最为深远。在这次实验中，4男4女共8人入住生物圈2号。在实验的第一年中，农产品产量并不高，8人体重明显下降。但在实验的第二年，农产品产量增加，8人体重有所回升。在两年实验期间，生物圈2号产出的食物占8人食物总消耗的83%，剩下的17%则来自应急储备食品。在实验期间，生物圈2号中二氧化碳浓度不仅每天波动较大，且季节波动也颇为剧烈。氧气含量从实验开始时的20.9%稳步下降，16个月后氧气含量降至14.5%，相当于海拔4000米处的平均氧气含量。此外，生物圈2号中绝大多数脊椎动物和传粉昆虫等也相继死亡。

在第一次定居实验结束后，人们对生物圈2号进行了大量改进。1994年3月6日，第二次定居实验拉开帷幕，这一次实验预期将持续10个月，共7人进驻。在这次实验中，7人实现了100%的食物自给率。不过由于多种变动、破坏和阻力，这次定居实验只进行了6个月便匆匆收场。

虽然两次定居实验的失败让我们知道了人类的渺小，我们尚不能完全复制赖以生存的“生物圈1号”。但依托生物圈2号这一独特的科学工程，人类对“生物圈1号”的了解还在进一步加深。

责任编辑/王苒