生态工程的基本原理

知识回顾 生态系统的结构 生态系统的能量流动 物质循环 生态系统的稳定性 种间关系 环境容纳量等 生态系统的结构小结 非生物的物质和能量 生产者 主要是各种绿色植物将无机物合成有机物将太阳光能转化为化学能 消费者 主要是各种动物直接或间接消费生产者制造的有机物 分多个等级 分解者 主要是细菌 真菌等腐生生物将有机物分解为无机物供生产者再次利用 生物群落 营养结构 食物链 吃与被吃关系 食物网 多条食物链交错连接 物质 水 空气 矿物质等能量 阳光 热能 生态系统的成分 能量流动的起点 从生产者固定太阳能开始流经生态系统的总能能量流动的数量是生产者所固定的全部太阳能生态系统的能量流动的途径 太阳能 第一营养级 第二营能量流动养级 第五营养级单向流动不循环能量流动的特点逐级递减传递率为10 20 设法调整能量流动关系研究的目的使能量流向对人类最有益的部分 碳的循环过程 3 氮循环 比较上图两个生态系统 哪个抵抗力稳定性要更高 为什么 案例 物种越丰富 群落结构越复杂 生态系统的自动调节能力越强 生态系统的抵抗力稳定性越高 对一个生态系统来说 抵抗力稳定性与恢复力稳定性存在相反关系 抵抗力稳定性与恢复力稳定性的关系 例 生态学家高斯的实验 K值 在环境条件不受破坏的情况下 一定空间中能所能维持的种群最大数量称为环境容纳量 又称 值 1 捕食 一种生物以另一种生物为食的现象 2 竞争 两种或两种以上生物相互争夺资源和空间等现象 竞争的结果常表现为相互抑制 有时表现为一方占优势 另一方处于劣势 甚至灭亡 3 寄生 一种生物 寄生者 寄居于另一种生物 寄主 的体内或体表 摄取寄主的养分以维持生活的现象 4 互利共生 两种生物共同生活在一起 相互依存 彼此有利 分开至少一方不能独立存活 种间关系小结 生态工程的基本原理 一 生态工程的兴起 可持续发展 的内涵 SustainableDevelopment 经济发展不仅要满足当代人的需要 还要不危害后代人发展能力 美国生态学家H T 奥德姆于1962年首先提出 生态工程 概念 Abranchofengineeringandfieldofscienceinwhichsolutionstosociety senvironmentalproblemswouldbegroundedinthetechnologyavailablefromnaturalsystemssothatthehumanengineeringrequiredwouldbesupplementaryratherthanprimary overhead 即以从自然系统获得的技术为基础 解决人类社会环境问题的一门工程分支科学 它所需的人类工程技术仅仅起辅助作用 而不是起主要作用 或 人类应用主要来自自然的能源作为辅助能对环境的控制 或 对自然的管理就是生态工程 更好的措施是与自然结成伙伴关系 H T 奥德姆的学生米奇 W J Mitsch 继承其思想 于1989年编了世界上第一本生态工程专著 EcologicalEngineering AnIntroductiontoEcotechnology 并于1992年主编创办了 生态工程 杂志 他对生态工程的定义是 Ecologicalengineeringhasbeendefinedasthedesignofecosystemsforthemutualbenefitofhumansandnature 即生态工程是为了人类和自然的相互利益而进行的一种生态系统设计 我国著名生态学家马世骏先生1979年首先倡导生态工程 他对生态工程下的定义是 生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生的原理 结合系统工程的最优化方法 设计的分层多级利用物质的生产工艺系统 生态工程的目标就是在促进自然界良性循环的前提下 充分发挥物质的生产潜力 防止环境污染 达到经济效益与生态效益同步发展 它可以是纵向的层次结构 也可以发展为由几个纵向工艺链索横连而成的网状工程系统 人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法 通过系统设计 调控和技术组装 对已破坏的生态环境进行修复 重建 对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善 并提高生态系统的生产力 从而促进人类社会和自然环境和谐发展 注意 1 学科知识 2 技术手段 3 最终目的 生态学和系统学 系统设计 调控和技术组装 促进人类社会和自然环境的和谐发展 二 生态工程的概念 三 生态工程的基本原理 一 关注生态工程建设 资料分析一 1 导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么 根本原因 长江上游乱砍滥伐森林 水源涵养和水土保持功能急剧降低 造成大量泥沙淤积河道 中游围湖造田 乱占河道 造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减少 直接原因 1998年度的罕见降雨 但这也与全球温室气体排放量增加而导致的温度升高 气候异常有关 解决长江洪水泛滥的措施有 以生物措施为主 结合工程措施 提高森林覆盖率 退耕还湖 和改革不合理耕作方式等 在进行生态工程建设时 要考虑到怎样解决农村 尤其是湖区或山区的迁出人员 的能源来源问题以及如何提高农民的经济收入 2 洪灾的发生反映出经济发展模式存在什么问题 传统的经济发展模式不注重生态环境的保护 没有考虑生态成本 经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价 关注生态工程建设 1 什么是石油农业 石油农业 是以美国为代表的高投入 高产出的农业现代化模式 这一模式之所以被称为 石油农业 是因为它大量地使用以石油产品为动力的农业机械 大量使用以石油制品为原料的化肥 农药等农用化学品 机械化和化学化是这一农业现代化模式的共同特点 具有高产 高效 省力 省时 不施粪肥 经济效益大等特点 无论对提高农业生产效率和农产品产量 解决因人口激增而引起的世界粮食需求矛盾尖锐等问题 或在经济发达国家的农业发展史上均起过重要作用 石油农业 大量使用化肥 农药和机械的生产方式 因对石油等能源有高度的依赖性而得名 它把农业生产这一复杂的生物过程 变成了简单的机械过程和化学过程 由于其投入高 产出也高 对粮食安全保障和提高人民生活水平起到了巨大的作用 但同时它所产生的废弃物和有害物质的数量也很庞大 大大削弱了农业生态系统的稳定性和持续生产力 并造成日益严重的农产品污染和环境污染等问题 1 你对 石油农业 是如何理解的 资料分析二 关注生态工程建设 2 如何辩证的看待 石油农业 1 从耕种模式上看 实施单种栽培 基本上不实施轮作制 2 物种单一 缺乏多样性 3 农牧基本分离 4 非常依赖化学能的高投入 5 能源利用率低 给环境带来了很大的危害 对环境造成危害的污染物 采用一定的措施和技术 就能够进行回收和循环利用 这样不但能够减少环境污染 而且提高了资源的利用效率 减少了资源的浪费 例如 对废污水中的重金属或氮 磷等养分就可以进行回收再利用 因此说污染物是放错了地方没有被利用的资源 3 如何理解 污染物是放错地方的资源 这句话 讨论垃圾处理 1 哪些是可回收的 哪些是不可回收的 2 可回收垃圾的再利用 3 不可回收垃圾有什么用途 有人说 垃圾是放错地方的资源 你是如何理解这句话 采用一定的措施和技术 能够使垃圾中的能量流向对人类有益的部分 在不同的国家有不同的改进措施 例如 在我国 人多地少 应该大力发展生态农业 实施的具体措施包括 可以根据田间作物的需要适量施用高效 低毒 低残留的农药 多施有机肥 提高作物对水 肥等资源的利用效率 对作物秸秆和畜禽粪便进行再利用 实现物质的多级利用 等等 一方面要不断提高土地的产出水平 另一方面要减少农业活动对环境的污染 促进社会的可持续发展 4 石油农业的生产模式应当怎样改进 特点 以机械化 水利化 化学化和电气化来进行农业生产 直接和间接依赖石化能源 农业劳动生产率大大提高 土地生产率和农产品商品率提高 比如在美国 1 的人种粮养活着全国其余的人 石油农业 问题 高输入 高能耗 加剧世界能源危机 机械化耕作与不合理的种植导致严重的土壤流失 化肥和农药用量上升 但大部分进入了环境 引起严重环境污染 单一种植 使生态失衡 引发大规模病虫害 秸秆等废弃物利用率低 人工创造的高产品种广泛取代了各地农畜品种的多样性 使后者的基因快速灭绝 石油农业 危 中有 机 传统经济模式正在毁坏和消耗地球赠给我们的自然资本 为了实现可持续发展 经济发展必须符合生态学规律 走生态经济之路 遵循的主要原则 实现的重要手段 人教P108 关于生态经济 三 生态工程所遵循的基本原理 1 物质循环再生原理 无废弃物农业是我国古代传统农业的辉煌成就之一 也是生态工程最早和最生动的一种模式 1 2 土壤肥力几千年没有耗竭的原理是什么 3 该生态系统怎样实现物质循环利用的 物质以什么形式循环 思考 这个一个生态系统吗 生产者 消费者 分解者分别是什么 没有物质循环的系统 就会产生废弃物 造成环境污染 并最终影响到系统的稳定和发展 物质循环再生原理 试补充一个结构或一种生态系统成分 以充分利用能量 添加沼气池 把人畜粪便 作物残留送入沼气池 沼气作燃料 沼渣作肥料 实现能量的充分利用 传统 原料 产品 废料现在 原料 产品 原料 产品 2 物种多样性原理 物种越丰富 生态系统的抵抗力稳定性越高 资料分析讨论 1 为什么樟子松林的松毛虫会肆虐 几十亿株杨树会毁于一旦 而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中 保持着很高的生物多样性 三北防护林的辽宁西部建设中 种植纯樟子松林 生物多样性低 食物链短而单调 缺少松毛虫的天敌 使得偶然滋生的松毛虫肆虐一时 造成樟子松林奄奄一息 成为鸟兽了无踪影的不毛之地 珊瑚礁区的生物多样性高 食物链复杂 所以可以较长时间维持稳态 纯樟子松林 杨树林的生物多样性低 食物链短而单调 缺少松毛虫 天牛的天敌 而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源 因而会导致了树林的毁坏 珊瑚礁区的生物多样性高 食物链复杂 不同的生物占据了不同的时间位 空间位和资源位 因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境 例如 氮 磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外 2 从上面正面和反面的实例 你能得出怎样的结论 你认为生物多样性的破坏有人为因素吗 只有保持生态系统较高的生物多样性 才能保证生态系统的稳定和平衡 生物多样性的破坏有人为因素 而且往往作用巨大 想一想 在我国西北地区进行防护林建设时 应选择哪些树种 喜阳 抗寒 耐旱 耐盐碱 适应性强 我国西北一些地区年降雨量小于450mm 是只适宜种植灌木和草的地区 但却被硬性规定种植属于高大乔木的杨树 生态的不适应使许多地方的杨树长成半死不活的 小老头 状 结果防护林成了残败的 灰色长城 仅仅满足协调适应就可以吗 摩洛哥会爬树的山羊 牲畜数量不能超过环境的承载量才能维持平衡 3 协调与平衡原理 需要考虑环境承载力即环境容纳量 资料分析 1 从协调与平衡原理出发 想一想 在我国西北地区进行防护林建设时 应选择哪些树种 如果在该地区发展畜牧养殖业 你认为应该注意什么问题 几种西北地区特别适宜树种的介绍 1 沙棘 俗称 酸柳 酸刺 黑刺 2 山杏 主要指西伯利亚杏 3 刺槐 4 锦鸡儿 又称拧条 5 杜梨 6 沙枣 7 合欢 8 臭椿 西北畜牧养殖应该注意牲畜数量不能超过草地的承载量 针对公共草地的过度放牧问题 应该实行草地承包 调动个人的管理积极性 减少过度放牧现象 另外 可以在有条件的地方 人工种植牧草 增加牧草产量 4 整体性原理 整体指社会 经济 自然复合成的巨大系统 例 林业工程建设中的问题 一方面号召农民种树 另一方面要考虑农民的生活问题 5 系统学和工程学原理 1 系统的结构决定功能原理 运用 改善和优化生态系统的结构 例 桑基鱼塘模式 2 系统整体性原理 豆科作物和固氮菌的共生 你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗 提前种植玉米 提前种植玉米 提前种植玉米 套种 在不同时期 同一块土地上种植几种庄稼 延长了单位面积的光合作用时间 2 轮种 1 降低虫害2 恢复或提高土壤肥力 在一定年限内 同一块土地上轮流种植不同的作物 思考 1 农村生态系统中有哪些方式可以降低虫害 轮种 农药 天敌 转基因作物 2 哪种方式可以保护农业生态环境 豆科植物的作用 间作 几种作物同时在一块土地上播种 增加了光合作用面积 充分利用光能等 系统整体性原理 固氮菌为豆科作物提供氮素 而豆科作物为其提供能量和其他营养 两者的共生使豆科作物能够在氮素缺乏的土地上生长 当把它们分开时 两者的生长都要受到损害 思考与探究 3 桑基鱼塘分布在我国长江三角洲 珠江三角洲一带的水乡 是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程 试分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径 桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的 能量的流动包含在物质的循环利用过程中 随着食物链的延伸逐级递减 我国北方 冬天气温低 蔬菜不能生长 家畜生长缓慢甚至停止 沼气池也不能正常产气 系统整体性原理 日光温室 猪禽舍 系统整体性原理 四位一体 总体功能大于各部分之和 物质循环再生原理 物种多样性原理 协调与平衡原理 整体性原理 系统学和工程学原理 1 系统的结构决定功能原理 2 系统整体性原理 小结 生态工程的原理 日光温室 猪禽舍 例题 阅读以下资料和我国北方 四位一体 生态农业模式图 回答下列问题 1 此农业生态系统中起决定作用的是 2 使用沼气池里的残渣为什么可以提高蔬菜的产量 3 现在菜农遇到了阴雨连绵天气 为增加蔬菜的产量 你能提出合理化建议吗 4 为了生产无公害的蔬菜 可以还可使用哪些栽培技术 农作物 沼气池里的残渣含有丰富的矿物质 能提高农作产量 白天适当提高温度 夜晚适当降低温度 其它答案合理也可 可以利用组织培养技术或无土栽培技术 巩固练习 1 分析说明鱼和蛙在该生态系统中物质和能量流动中的积极作用是什么 2 分析说明稻一鱼一蛙共生生态系统的生态优势 鱼 蛙是消费者 加速生态系统的物质循环 在原有食物链中引入新的环节 将人们不能直接利用的有机物转化为可以直接利用的农副产品 有利于实现对物质和能量的多级利用 并减轻了环境污染 3 上述两个生态系统中各种生物所需的有机物都依赖于 生命活动所需的能量追根到底都来自 4 甲和乙相比 抵抗力稳定性较强的是 原因是 5 从能量流动的角度看 建立甲生态系统的目的是 6 为了使稻获得高产 稻田乙需要经常使用农药 而甲则不需要 原因是 7 一般地说 农田生态系统的稳定性较低 废弃农田上会发生群落演替 该演替的类型是 太阳