进入20世纪以来，各航天国家和机构相继地提出了载人登月的构想，包括美国重返月球的Artemis计划[1-3]、欧洲月球村计划[4-6]、俄罗斯月球综合探索与开发计划[7]和中国国际月球科考站计划[8]，日本、印度等国家也计划进行多项月球探测任务，谋求更多合作机会．与地球相比，地外星球表面几乎没有大气层，而且存在巨大的昼夜温差、高强度的宇宙辐射及微陨石的撞击等[9]，均会对人类在地外星球表面建立长期生存基地带来安全隐患，而地外星球的熔岩管洞内部提供了巨大的空间，相比表面高低温变化的极端环境，熔洞内部相对恒温，可有效避免外界环境中存在的宇宙辐射、陨石撞击和尘埃等的影响[10-11]．因此，地外星球熔岩管洞成为人类建设地外星球人类生存基地的首选．未来在利用地外星球熔岩管洞构建人类生存基地时，须要充分认识到航天器自身质量、飞行周期和燃料消耗造成的高额成本，不能将全部食物需求视为有效载荷[12-13]，即不能完全依靠地球资源补充，必须通过进行原位的食物生产，实现最大程度上摆脱地球的物资补给．进一步地，可在地外星球熔岩管洞基地构建密闭受控农场，通过自动化监测和管理技术的辅助，为航天员提供新鲜食物，保证人类正常养分、矿物、盐分等日常需求，减少对航空航天预制食物的依赖．另外，洞穴农场的功能除了生产农产品满足航天员食物需求外，在洞穴农场运行过程中，可由航天员完成农场部分的日常管理，这将有助于缓解航天员长期地外生活的心理负担，促进航天员的身心健康[14]．本文首先总结了当前受控生态生命保障系统的研究现状，提出了当前受控生态生命保障系统存在的局限性；然后分析了利用地外星球洞穴构建密闭受控农场的可行性和必要性，概述了构建密闭受控农场的路径与关键技术，梳理了密闭受控农场的动植物筛选思路；最后总结了基于原位资源构建洞穴密闭受控农场的优势，并提出利用地面(重庆)天然洞穴构建洞穴农场的构想，为利用地外星球洞穴构建密闭受控农场的研究提供参考．1 受控生态生命保障系统的研究现状受控生态生命保障系统(controlled ecological life support system，CELSS)是依据地球生物圈的原理，构建的由生产者、消费者和分解者构成的人工生态系统，能够可持续地供应食物、氧气和水，被认为是未来长期太空飞行任务的关键技术之一[15-16]，目前该系统的运用场景主要有地面生保系统和近地轨道生保系统．位于俄罗斯克拉诺亚尔斯克的BIOS-3，是首个将人类纳入内部物质循环的地面生保系统设施，另外有美国亚利桑那州的Biosphere-2、日本青森县的CEEF (closed ecology experiment facilities)、欧盟的MELiSSA (micro-ecological life support system alternative)、中国北京的Lunar Palace 365和中国深圳的4人180天实验．此外，最早的空间栽培装置是前苏联的“绿洲一号”(Oasis 1)，在近地轨道无人飞行了386天[17]．由美国航空航天局(NASA)研制的VEGGIE食物生产系统是首个以在微重力生产食物为目的设计的系统[18]．中国嫦娥四号月球探测器着陆器上搭载了一个由重庆大学研制的生物实验载荷(BEP)的微型生态系统，在月球背面开展人类首次生物实验[19]，培育出月球上第一片绿叶．目前世界上任务周期最长和参与人数最多的地面受控生保系统为美国Biosphere-2，即生物圈2号(见表1)[20-25]，虽然该任务以失败告终，但为后续生命保障系统的相关研究提供了大量宝贵的经验．该系统运行过程中电能消耗较高，并实现对太阳光和人工光的综合利用；在大气、水分和食物等方面达到100%的物质循环闭合度，但固废方面仅能实现部分循环利用．与地面构建受控生态生保系统相比，在地外星球基地构建受控生态生保系统时仍存在几点差异．一是地外星球表面特殊的环境特点，如低重力、高真空和宽温差等，均会影响受控生态生保系统的构建，较大的昼夜温差变化必然造成大量能源消耗．二是动植物培育区域设计，地面各个受控生态生保系统中的植物种植面积占比均较大，但在地外星球构建受控生保系统时，须要充分考虑星球表面环境条件、基地规模和能源供给条件等，而且较大面积的植物种植面积须有足够的人造光，会消耗大量能源．另外不同生保系统的动植物种类选择不尽相同，但筛选条件不仅须要具备快速适应特殊生长环境的能力，而且还须要能够提供满足航天员的营养所需．三是建筑材料，当前地面构建的受控生态生保系统主体结构多为刚性结构和玻璃结构，而在地外星球构建时仍面临较多的技术难题．10.13245/j.hust.240775.T001表1世界各国和地区主要的生命保障系统中食物生产、能源消耗和物质循环闭合度情况分析项目名称任务周期人数总面积及分区组成生物构成及其培育面积主体结构材质能源消耗物质循环闭合度Bios-3(俄罗斯)138 d3总面积126 m2，共4个区(3个气候室和1个居住舱)植物：小麦、叶类蔬菜(早期有藻类培育发生器)，种植面积63 m2由不锈钢板焊接构成(1)220 V氙灯；(2)室内控温(27~30 ℃)；(3)压力调控(内部压力略高于外部压力)(1)大气：100%；(2)水分：100%；(3)固废：部分；(4)食物补给：80%Biosphere-2 (美国)730 d8总面积12 800 m2，共7个区(集约农业区、居住区、热带雨林区、热带草原/海洋/沼泽、沙漠、两个大气扩张室)约4 000个物种，涉及动物、植物、微生物，有关食物的总培育面积2 000 m2立体钢架结构，双层玻璃窗板在能源上非闭环，允许太阳光通过玻璃结构供植物光合作用，同时外源引入电能供应技术系统操作运行(分区控温控压)(1)大气：接近100%；(2)水分：100%；(3)固废：部分；(4)食物：100%CEEF(日本)28 d2总面积4 700 m2，共3部分组成(密闭种植实验系统、动物饲养和居住实验系统及密闭岩石和水圈实验系统)植物：水稻、大豆、花生等，种植面积：150 m2；动物：羊，饲养面积22 m2钢板、玻璃和混凝土植物种植区有自然光和人工光(1)大气：100%；(2)水分：100%；(3)固废：部分；(4)食物：100%MELiSSA(欧盟)18月不详总面积不详，共5个隔间(多物种厌氧堆肥器、光异养细菌室、好氧硝化室、光合作用链和载人舱)不同植物种类的栽培面积存在差异，如小麦5 m2、大豆15 m2等；藻类不详不详不详Lunar Palace 365(中国)365 d4总面积160 m2，共3个舱(2个植物舱和1个综合舱)35种植物，包括谷物、蔬菜和浆果，种植面积120 m2金属封舱外源引入电能供应系统运行(1)大气：100%；(2)水分：100%；(3)固废：67%；(4)食物：73%4人180天实验(中国)180 d4总面积370 m2，共6个舱段(4个植物舱、1个中心舱和1个资源舱)共种植27种作物，包括3种粮食类作物、2种油料作物、18种蔬菜、2种水果和2种药用植物，种植面积260 m2刚性结构外源引入电能由电源和信息管理系统调控设施电能消耗(1)大气：100%；(2)水分：100%；(3)固废：88%；(4)食物：85%2 地外星球洞穴构建密闭受控农场的可行性和必要性2.1　地外星球洞穴构建密闭受控农场的可行性对探测数据分析，结果表明地外星球普遍存在大量的熔岩管洞．到目前为止，已经在月球上发现了300多个潜在的洞穴入口[26]，在火星上发现了1 000多个[27]．在水星、金星和木卫一等类地天体表面都有大量火山活动的痕迹，很有可能存在熔岩管及局部塌陷后形成的洞穴，但目前受限于探测数据分辨率问题，尚未证实存在洞穴[28]．此外，这些地外星球存在熔岩管道长度、高度和宽度等数据信息还未能准确掌握，但根据地球上存在最大的熔岩管洞穴韩国济州岛的万丈窟，长度可达数十千米，高度约十米，宽度为十余米，并考虑到地外星球表面重力往往小于地球重力，如月球和火星重力分别约为地球的17%和38%，可见在相同熔岩性质和火山喷发条件下，地外星球上的熔岩管规模应该更大，而且数量可能更多[9]．人类自古以来就有将洞穴作为居住地和庇护所的先例，比如在中国北方约有4 000万人居住在类洞穴中，西班牙的格拉纳达存在着欧洲最大的穴居社区[29]．地外星球洞穴为地外人类生存基地的建造提供了一个自然的、现成的基础结构，减少大量额外的基础建设投入和资源与能源的消耗，更多的是须要考虑如何将空间封闭、加固和分区．更重要的是，洞穴可以提供一个相对稳定的环境且可控，温度适宜且温差较小[30]，可大大降低能源消耗，且洞内可有效避免星球表面存在宇宙辐射[31]、陨石撞击[11]、尘埃侵袭[32]等问题．也就是说，与星球表面相比，洞穴很有可能提供一个更稳定、更宜居、更安全和更低耗能的环境空间．2.2　地外星球洞穴构建密闭受控农场的必要性未来的地外星球洞穴人类生存基地必将成为人类飞向太空后的栖息地，而可靠且充足的食物资源供给显得尤其重要，特别是新鲜食物的供应，构建洞穴密闭受控农场是保证人类在地外星球长期生活生产的最佳解决方案之一．地外洞穴基地密闭受控农场的构建不仅实现原位食物生产，为人类提供充足的新鲜食物，最大程度地降低对地球食物资源的依赖，还会影响人类在长期地外星球生活过程中的身体健康、工作效率和心理情绪等．另外，地外洞穴基地农场还能进一步与基地中生命保障系统耦合，逐渐向自给自足阶段过渡，未来甚至可以作为星际探测征途中关键物资补给场地．此外，须要充分认识到在地外星球洞穴中构建农场是一个极具挑战性的方案，除了提高相关关键技术的水平和效率之外，更应该促进各国航空航天机构之间的密切有力的合作，共同分担洞穴农场构建过程中的各项成本和任务．3 地外星球洞穴构建密闭受控农场的构建路径与关键技术3.1　密闭受控农场的构建路径地外星球洞穴农场的构建初步分为三个阶段：第一，选择合适的熔岩管洞，进行洞穴密闭处理与设施设备部署，构建基于熔岩管道的洞穴基地(见图1)，为洞穴农场的农业生产提供防护、能源和资源；第二，在洞穴密闭空间中，对熔岩管道进行合理规划，布设农场区域，完成基础设施建设，包括功能分区、环境控制设施的布局和附属基础生产设施设备等(见图2)；第三，搭建洞穴农场的中控系统，实现农场各分区的子系统监测与调控，开展以机器人自主生产作业为辅、航天员决策为主的洞穴农业生产(见图3)．10.13245/j.hust.240775.F001图1地外星球熔岩管道洞穴基地10.13245/j.hust.240775.F002图2地外星球熔岩管道洞穴密闭受控农场分区10.13245/j.hust.240775.F003图3地外星球熔岩管道洞穴密闭受控农场的中控系统航天员在执行长期的地外星球探测任务过程中，充足的营养对于维持其健康、效率和情绪至关重要，那么就须要农场提供多种食物类型，不仅包括新鲜蔬菜，还须提供必不可少的优质蛋白来源，即小型家禽和鱼类等，以满足未来航天员不同的营养和食物需求．另外，各类蔬菜的生长发育过程、家禽和鱼类的日常活动等能够在视觉、听觉、感觉和触觉等为航天员提供丰富的农业生产体验，利于促进航天员的身心健康发展．但须要认识的是，洞穴农场不能简单地复制地球上最好的温室农场模式，如何实现高效合理的农业生产来满足航天员日常食物需求，须进行较为系统的分区设计，利用最小的分区设置和最低的能源消耗来获取最大的可食用产量，比如在植物种植区还须考虑到植物的不同营养和光照需求及植物高度变化，是否可以考虑不同高度植物的间作来实现作物总产量的提高，同时还要确保农场分区的维护运行、可调整和扩展．基于此，洞穴基地农场的分区包括植物种植区、动物培育区、废弃物处理站、中控区和备用区等，其中，中控区的子关键系统包括有光照控制技术、水肥管理技术、大气控制技术、温湿度调控技术、能源供给技术、废弃物处理技术、自动化及远程控制技术和生物安全监测技术等．3.2　密闭受控农场的关键技术构建洞穴农场不仅须要创造适宜各类生物生长所需的环境条件，还须考虑到地外星球基地的资源和能源是有限的，实现系统高度集成，主要涉及能源、水源、光照、温湿度和气体调控等，在确保农场正常运行的前提下，尝试调整温室结构来适应生物的生长发育，比如根据植物不同生长阶段的株高情况来调整温室结构，或者根据动物体型来改变培养空间等，实现最大程度的环境条件优化，降低农场内部的资源和能源消耗，提升整体能源的利用效率．总的来说，农场的精确控制环境至关重要，影响农场生产的可靠性、安全性和可持续性．用于太空植物种植装置中的环境控制的关键技术有光照控制技术、水肥管理技术、大气控制技术、温湿度调控技术、能源供给技术、废弃物处理技术、自动化及远程控制技术和生物安全监测与预警技术，洞穴农场的关键技术系统如图4所示．10.13245/j.hust.240775.F004图4洞穴农场的关键技术系统3.2.1　光照控制技术光照对生物的生长发育过程是必不可少的．每一种作物都需要光照来激活光合作用，而动物的生理节律同样受到光照的影响．早期，荧光灯常被用于太空和地球上的室内农业系统的照明，但荧光灯耗能高，易受到物理和温度的损坏，还含有危险的化学物质(如汞)，损坏后须要特殊处理和处置[33]．随着LED照明技术的飞速发展，LED逐渐被认为是最高效和有前途的人工照明光源，其主要优势有高效节能、安全稳定和使用寿命长．但农场内部的光照系统对电源消耗较高，必须提高光能的利用率，比如选择轻便和高带宽的导光材料，使用光纤塑料传递自然光到洞穴农场中，成本低且可靠稳定，但受到外界太阳光照强度的影响，可尝试光纤与LED灯的对接耦合技术，提高光源的使用效率．光照控制系统须要根据生物的种类和生长阶段，进行全自动调控光照强度、周期和波长等[34]，比如为提高植物光照作用效率，可设置16 h光照和8 h黑暗处理的光周期，而且在生物生长过程中，可借助相机进行定期拍摄图像，并作可见光和红外光光谱图实时分析，关注生物生长变化情况．3.2.2　水肥管理技术水是维持生命的基本功能，不仅是生物及其细胞内代谢和信号通路的媒介，更是唯一的向植物输送营养物质的媒介．但地外星球基地中通过技术处理得到的水资源极其宝贵且有限，须要通过系统控制的方式实现合理范围内的供需关系，而对于植物所需的养分物质和动物生长必需的饲料物质等，均可以由系统内产生的各类有机废弃物进行资源化处置后产生，提高系统内物质资源的利用效率．具体地，在水分和养分储备容器内安装步进控制器，在生物不同生长阶段，通过系统监测与调控植物水分和养分供给情况，在水分和养分的输出管路终端，同时设置回收管道完成资源回收[35]；另外，还须监测溶液的酸、碱和盐浓度并自动调控．最后，对于农场内产生的废弃物资源化产品不能直接利用，包括废水和固废，仍须通过消毒等措施后才能投入使用．3.2.3　大气控制技术为确保航天员能够在农场内部完成部分农业生产任务，农场内部可模拟地球大气组成情况，大气主要由氧气、氮气和二氧化碳组成，其中，氧气的最佳体积分数为21%左右[36]．大气管理系统通过气体传感器进行监测并调控系统提供所需气体和消除有害气体，维持稳定的农场内部的大气组成和压力．比如：空气成分传感器可以监测空气的释放，并与植物的光合作用和生长周期相协调；电化学传感器可以监测分析O2体积分数变化；金属氧化物传感器监测CO2和挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)等气体体积分数的动态变化．系统内空气成分是保证生物生长和健康的关键参数[37]，地外星球多数为低重力环境，而且在密闭的洞穴环境中空气不存在对流，为避免局部气体超标积聚，威胁生物正常的生命活动，系统须调控风机进行空气对流、过滤和净化，确保系统内气体组成的监测数据的准确性，降低潜在风险．内部压力将由冗余传感器系统监测，并通过在工作压力下校准的安全超压阀(safety over-pressure value，SOV)进行干预控制，来调控农场内的气压波动．3.2.4　温湿度调控技术农场温室内的温度控制直接影响生长发育过程，如养分吸收、抗病和害虫的发展和活动[38]．温度对植物生长发育的影响往往大于其对光合作用的影响，气温通过促进叶片快速膨胀(从而使叶片变薄)来影响发育，根区温度也是控制的一个考虑因素，同样对发育和生长有影响．一般来说，根区温度越高，根的发生和发育越快(可达约30 °C)[38]．低湿度(高蒸汽压差，例如超过1~2 kPa)可能会导致气孔关闭以保存水分，从而导致植物生长减少；高湿度(低蒸气压差，例如0.3 kPa)会减少蒸腾作用，限制钙的吸收，导致某些植物物种的生理失调，并促进真菌疾病和昆虫侵染[38]，高相对湿度还利于叶菜类作物生长，这些作物通常无法忍受更干燥的环境(没有脱水)．此外，环境温度也直接影响着动物自身的热平衡和调节，过高或过低的环境温度均会造成动物的不适[39]，影响动物的生长发育、新陈代谢节律和繁殖性能．另外湿度过高会抑制动物机体的散热，易造成代谢紊乱，降低动物机体的抵抗力，引发疾病[40]；而湿度过低，会引起动物躁动不安、神经紊乱和呼吸道疾病等[41]．可见，稳定可靠的温湿度调控技术对农场的正常运行起到极其重要的作用，降低对动植物生理生化指标的影响，甚至可能对动植物造成物理损伤等．3.2.5　能源供给技术一般情况下，当宇宙飞船上生产以种植植物为食物的电能消耗每日高达1 100 kW时，才能满足一个航天员的食物需求[42]，未来在洞穴农场中开展有关的动植物生产活动必将同样须要消耗大量的能源，那么稳定可靠的能源供应显得尤为关键．目前，可用于地外洞穴基地的能源利用技术主要有光伏发电系统、温差电源系统和核反应堆电源系统．其中，光伏发电系统是大部分航天器设计中的主能源利用方式，但在日食或星球黑暗期间无法工作，可能影响基地的正常运行，必须配合其他能源供给方式．一方面可以尝试结合放射性同位素温差发电，该系统具有较强的环境适应性，在夜间仍能正常工作，且能够热电联产，但综合效率低、成本高，不适合大规模装备；另一方面，空间核反应堆电源具有功率大、寿命长、生存能力强、全天候工作等特点，未来将是深空探测任务中最理想的能源类型，但须要避免环境的污染及人员的辐射伤害，而且一些关键技术尚未完全掌握．总之，未来洞穴基地的运行须要实现多种能源系统耦合，实现能源的综合供应和利用，确保基地的稳定可靠运行．3.2.6　农业废弃物处理技术a．废水处理．废水主要包括植物营养废液、浇灌废水和动物尿液等．最常用的方法是微生物好氧与厌氧方法相结合的降解处理技术，但须要应对在空间微重力条件下的水气分离问题，可采用膜微孔技术进行反应液中的氧气供应和CO2等气体脱除，另外对于动物尿液可利用螺旋藻等微藻解决，比如利用螺旋藻进行了人体尿液处理的试验研究[43-44]，批次培养的结果表明：尿液中氮的消耗能够达到99%，而磷的消耗甚至超过99.9%，且处理12.5 g的人体合成尿液可以获得1.05 g的生物量．b．废气处理．目的是处理系统内由动植物生长代谢产生的过量痕量气体，如乙烯、一氧化碳、氧化亚氮、硫化氢等，过量的累积会影响人体健康和植物等生物的生长发育，必须将其控制在一定浓度范围内．为处理密闭培养装置中的乙烯浓度，航天员训练中心于2005年采用紫外光催化氧化技术研制成乙烯去除装置，研究表明该装置具有较强的乙烯净化能力[45]．c．产生的固废主要包括植物不可使用部分、动物粪便和废弃的固体垃圾等，可利用的技术手段有动物粪便收集技术、压缩减容技术、干燥技术、氧化技术、热解技术、生物处理技术、生物转化技术和综合处理技术．固体废物种类多样、物质形态和理化性质各不相同，且不同固废处理目标也不同，因而固废处理技术通常结合多种处理方法，单一的固体废物处理技术无法满足任务需求．如4人180天的受控生态生保系统集成试验中采用了闭环空气干燥、粉碎、高温氧化、好氧堆肥等多项固体废物处理技术[46]．3.2.7　自动化及远程控制技术为降低乘员的工作负荷，密闭受控农场将最大化采用自动化和机器人系统完成各类农业生产活动，系统中机器人具备基本的自主决策能力，必要时由人工通过遥操作完成有关指令下达完成远程控制．在植物自动化生产方面，包括植物自动化栽培、自动化植物生长监测与调控、自动化植物收获和植物不可食用部分清除等[47]．比如根据不同植物栽培条件来设置收获机器人的工作参数，具体来说收获机器人可以通过传感器来监测作物叶片绿色程度，当达到成熟条件时收获机器人自主完成收割并将收获植物运送至生物安全监测单元进行品质测试等．另外在动物自动化养殖方面，包括家禽自动化养殖、自动化家禽养殖环境监测与调控和家禽粪便自动化处理等．对家禽养殖区利用机器人传感器进行家禽活动监测识别，根据图像分析家禽生长阶段，在达到成熟期由机器人自动化捕获完成出栏．3.2.8　生物安全监测与预警技术在受控农场中生物安全监测与预警技术可用于保护生物资源和预防生物灾害，通过对植物生长情况或动物活动情况进行监测，及时发现和评估潜在风险，起到重要的预警作用．比如在植物生长过程中须要时刻关注病虫害情况，同时分析造成病虫害爆发的影响因素，为受控农场的植物病虫害防治提供重要数据支撑与预警信息．而在家禽养殖过程中须要时刻关注家禽体温情况，养殖机器人可通过电子设备完成家禽体温监测及分析，并结合其他参数指标综合分析家禽每天生长情况，确保家禽健康生长．另外生物安全监测还须要关注受控洞穴农场中动植物生产活动对地外星球的影响，以及洞穴农场生产的食物对人体健康的影响．4 密闭受控农场的动植物筛选思路密闭受控农场中植物物种筛选根据不同的需求选取植物品种，可以简要分为营养供应与需求、植物生物量和产量需求及低成本周期短三种情况．a．营养需求．为筛选最佳可种植作物，满足每天摄入能量物质碳水化合物干重400 g、蛋白质干重100 g、脂肪100 g的要求，以最小种植设备保障乘员能量营养需求为目标对作物进行优选．根据空间植物培养技术成熟度及中国居民膳食指南，主食选用小麦，蛋白质-脂肪类作物选择花生和大豆[48]．b．植物生物量和产量需求．作物品种选取生菜、西红柿、胡萝卜，原因是产量高、满足不同营养需求、来自植物不同部位，且可食比例高．根据中国居民平衡膳食的建议，人均每日须摄入新鲜蔬菜400 g，含水量约为90%．c．成本低周期短．在初始投入成本很低，非常适合初期种植生产，果蔬类的作物如生菜、油菜和白菜等均具有生长周期短、收获指数高、乘员劳动参与少等特点[49]．目前太空植物栽培种类超20多种可食用类型，包括叶类蔬菜(生菜、菠菜、大白菜、菠菜和甜菜等)、块茎或鳞茎类蔬菜(土豆、萝卜、胡萝卜、洋葱和大蒜等)、豆类蔬菜(扁豆、豌豆和黄豆等)、谷类作物(小麦、大麦和水稻等)、果实类蔬菜(番茄、黄瓜、甜椒和玉米等)，还有茎类蔬菜(韭菜等)和油料作物(亚麻等)[50]．对于密闭受控系统中的植物选择和培养，一方面要适应太空环境，比如当前已经用于太空栽培或实验的植物种类，课题组于2019年1月3日通过嫦娥四号探测器携带的生命再生生态系统实验设备[51]，研究地球棉花种子在月球1/6低重力和极低温(低于52 ℃)条件下的萌发和发育情况，结果表明月球1/6低重力可以加速种子萌发，同时提高植物对超低温的适应性；另一方面还要尽可能适应洞穴环境，比如喜阴和弱光的菌菇类等．近年来，微绿色蔬菜逐渐成为备受关注的功能性粮食作物，具有增色增味、植物营养素含量丰富、生产周期短等优点．以十字花科植物(小白菜、芥菜和萝卜等)为例，其植物生长特点有：高度较矮(7~12 cm)、快速生长(15~21 d)、易收获且营养丰富，而且在低光强和高密度条件下均表现良好[52]．还可利用洞穴环境相对封闭且温差小等特点，将受控农场中产生的不可食用植物残渣用于生产食用菌菇．此外，洞穴农场中还应该生产一些水果，比如草莓、苹果和橙子等，可通过基因工程和植物组织培养技术研发适宜太空环境生长的低矮、产量高且营养价值高的植物种类．目前空间站的航天员所摄入的肉类食物是来自地球的预制包装食品，而未来的地外星球基地必将逐步降低对地球物资补给的依赖．虽然现有的太空动物实验的目的是探索地球生物体在航天环境中的生命现象及活动规律，以支持载人航天的可持续性发展，但用于动物实验的饲养设施将为未来洞穴农场的动物养殖提供一定的参考．迄今为止，世界上公开报道的太空动物实验的动物品系涉及昆虫类[53](果蝇、酒蝇和蚕等)、软体动物类[54](蜗牛等)、两栖类[54-55](青蛙和蝾螈等)、爬行类[54，56](草原龟、海龟和壁虎等)、鱼类[54，57](斑马鱼、罗非鱼和鳉鱼等)、啮齿类[58-59](兔子、大鼠、小鼠和沙鼠等)、禽类[60](鹌鹑等)、犬类[59](雌性健康流浪犬)和灵长类[61-62](黑猩猩、恒河猴)．为满足航天员对营养物质的需求，仅仅依靠绿色植物即完全素食是不利于身体健康的，必须摄入一定量的动物性食品，保证航天员身体健康，同时又可提高系统闭合性．在未来的受控生态生保系统中，为给乘员提供较为全面的膳食营养，也须养殖动物以就地生产动物蛋白．目前一般认为，养殖不产生异味的食草鱼等水生动物是一种较为合适的选择，但也有专家建议进行蚕蛹等可食蠕虫类的养殖试验．绝大多数人的食谱中需含有肉类，比如一些昆虫、软体动物、鱼类、小型哺乳动物(兔子等)及鸟类(鹌鹑等)均应予以考虑[63]．5 基于原位资源构建洞穴密闭受控农场的优势5.1　原位能源利用地外星球洞穴内部是一个相对稳定且可控、温差小、防辐射和陨石撞击的空间．有研究结果表明，幽暗的熔岩管内部的温度为-20~30 ℃，熔岩管底部白天的温度更高[64-65]．也就是说，利用洞穴构建密闭受控农场将无须额外过多的能源消耗来调控内外温差，这将大大降低农场运行的能耗．而对于农场内部动植物生长所需的光照，除了利用人造光之外，还可以通过导光光纤将星球表面的太阳光收集散射至农场内部，通过人造光和自然光的综合利用，即可以开发一套自动控制的能源系统，白天利用太阳能充电，夜晚利用存储的能量供应系统运行，优先保证动植物生长所需的光照条件，进一步地降低洞穴密闭受控农场的能源消耗，打造低功耗、高产出、稳定可控的洞穴农场．此外，虽然洞穴具有相对稳定可控的温度，会大大降低未来受控农场的能源消耗．但须注意的是，未来洞穴基地太阳能的利用效率及方案很大程度上取决于基地建造方案，比如受到选址地点太阳光照照度、洞口大小和洞穴深度等影响．也就是说，未来洞穴农场为提高对太阳光的利用效率可以通过选择较强太阳光强度和较长光照周期等洞穴选址点，比如月球南极地区连续太阳光照时间约达到94%[47]．此外当前缺乏有关洞穴内部的太阳能利用效率的相关论证和数据支撑，这些也可考虑利用地面洞穴进行太阳能利用效率等方面相关研究，为未来洞穴基地或农场的原位能源利用提供重要理论参考和技术支撑．5.2　原位资源利用洞穴内部存在着巨大的可利用空间，形成内部特有的熔岩洞穴形貌、地质结构等，根据现有的观测数据，熔岩管洞顶部厚度可达数十米，承载能力较大，结构稳定[28]，甚至有些熔岩管宽度达数千米，可容纳一个中大型城市[65]．地外星球最为丰富的原位资源是表层风化层，即也认为是地外星球土壤，这些丰富的储量可作为农场内部的植物种植基质．但目前研究结果表明：这些星球表面土壤并不能直接用于植物种植，因为其中缺乏养分元素、有机质，呈碱性，而且没有生活活性，一些星球表面土壤可能还存在影响植物种植发芽的盐类成分．虽然月壤中碳、氢、氮和磷等元素含量较低[66]，但课题组前期研究结果表明：通过配制不同粒径组合的模拟月壤[67]，并配施液体肥料可促进植物生长，明显增加植物生物量，而且目前已经有研究利用堆肥改良月壤，结果表明可以提高月壤中养分物质，且可以满足植物生长需求[68]．另外受控农场中会产生大量的植物不可食用部分和动物粪便等物质，可将其制备成堆肥或生物炭等改良材料施入月壤中提高月壤种植性能，满足农场中植物种植需求．课题组目前正稳步推进水热炭、生物炭、藻类、苔藓和功能菌群等生物和非生物手段来改良月壤，以期提高月壤中养分元素和有机质含量，促进植物生长，获得更大生物量．另外，还可以充分利用熔岩管岩壁，研究熔岩管岩壁(岩石圈)、月壤(土壤圈)、植物(生物圈)、气体(大气圈)等四大圈层之间的互作关系，分析各圈层对农场内部稳态的调控规律和影响机制．6 展望近年来，随着人类生活水平的提高和环境意识的增强，食品安全和环境污染问题日渐突出，特别是蔬菜中的农药残留问题，另外在蔬菜生产中仍面临人工成本高、病虫害严重和产品质量与消费者认可度之间的矛盾问题．在这种背景下，都市农业逐渐成为一种创新的现代农业形式，如利用城市闲置空间、废弃物和废水等，不仅可以提高城市空间的利用效率，还能够实现循环利用废弃物中的养分物质．然而都市农业仍然存在一些不足，如温室大棚的搭建，造成前期设施设备、场地租赁和技术成本等投入成本仍然较高，而且城市区域发展容易影响场地稳定使用，下一步须要寻找能够实现更低成本投入的场地，比如天然洞穴．今后可以尝试发展洞穴农业，虽然目前洞穴资源主要以美学景观创造旅游价值，但洞穴内部是相对封闭的环境，而且温湿度条件稳定，正负粒子和二氧化碳浓度较高，这些条件均作为洞穴农业发展的优势，可被认为是天然温室．另外发展洞穴农业可以很大程度解决当地可用耕地资源紧缺问题，开展农业生产综合利用，为周边城市提供更多高品质农产品，同时带动当地经济收入，提高当地人们的生活水平．地球上洞穴农业的发展，可为未来地外星球洞穴基地农场的构建提供宝贵经验．在地外星球洞穴基地中构建洞穴农场，可实现长期的探测任务中新鲜食物的原位补给，最大程度地降低对地球食物补给的依赖．与地球相比，在地外星球构建洞穴农场会面临更多的挑战，如高真空、低重力和宽温差等．此外，构建地外星球洞穴农场不仅须要进行物种筛选和环境条件创造，还须要考虑如何实现低能耗、高闭合和可靠稳定的农场运行．可见，在地外星球洞穴构建密闭可控农场是未来地外基地长期稳定运行的关键组分，但面临的挑战同样不容小觑，仍须进行大量真实环境的仿真验证研究．以月球为例，月球表面具有低重力、宽温差、高真空、强辐射和频繁陨石等极端环境特点，这与地面环境存在较大差异，比如月面存在低重力条件，地面无法真实模拟，本课题组通过嫦娥四号携带的生命再生生态系统设备，分析了月面1/6低重力和极端低温对植物生长的影响，结果表明月面1/6低重力环境不仅可以加速棉花种子发芽，还可以提高植物对极端低温的适应性，另外与地球相似培养条件下，经历相同生长周期后，地球幼苗已经枯萎死亡，而月球幼苗仍呈绿色且直立状．基于此，同时对比分析了地球(重庆)喀斯特溶洞和地外星球熔岩管的结构特征、环境因素和隔绝条件的异同点，具体来说：a．虽然喀斯特溶洞和熔岩管的形成机制和环境不同，但它们具有一定的可比性，如具有相似的半圆形结构和长度；b．两者具有相似的环境特征，如相对稳定的温度变化和内部弱光环境；c．两者在一定程度上均能够形成一个相对的独立空间．基于这些相似性得出利用地球广泛存在的喀斯特溶洞来模拟地外星球熔岩管洞是可行的，开展有关洞穴基地建造和农场构建的研究工作，通过利用喀斯特洞穴的特殊环境条件进行仿真验证研究，为未来在地外星球建造洞穴基地和构建农场提供宝贵经验．为进一步解决构建密闭受控生态系统可能面临的问题，本课题组已选取重庆某一喀斯特溶洞，将利用该喀斯特溶洞模拟地外熔岩管洞的内部环境，并通过封闭洞穴隔绝外部环境干扰，进而开展与人工生态系统相关的研究内容，关注动植物、微生物、岩石之间的相互作用关系，探明密闭受控生态系统内部物质循环规律及机理，分析不同尺度规模的人工生态系统调控机制差异情况，后期进一步考虑动物、有人参与的人工生态系统运行规律及调控机制，为未来洞穴基地或农场构建受控生态系统提供关键基础理论支撑和有关技术、标准和方案支持．