生态工程及其基本原理

第四章生态工程 节能减排 拉闸限电 污染转移 污染转移 第一节生态工程及其原理 一 生态工程是指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 对已被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的和谐发展 生态工程概念突破 理论基础 生态学和系统学 技术手段 通过系统设计 调控和技术组装 操作过程 对已被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 最终目的 促进人类社会和自然环境的和谐发展 生态工程建设的目的是 遵循自然界物质循环的规律 充分发挥资源的生产潜力 防止环境污染 达到经济效益和生态效益的同步发展 与传统的工程相比 生态工程是一类少消耗 多效益 可持续的工程体系 1 你对 石油农业 是如何理解的 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 理解 a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 b优点 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 c缺点 它所产生的废弃物和有害物质的数量很庞大 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 2 石油农业的生产模式应当怎样改进 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 什么是污染物 污染物是放错地方的资源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 主要是通过实行 原则 使一个系统产生出的污染物 能够成为本系统或者另一个系统的 从而实现废弃物的资源化 而实现循环经济最重要的手段之一是 生态经济 循环经济 生产原料 生态工程 生态工程是人类学习自然生态系统 智慧 的结晶 是生态学 工程学 系统学 经济学等学科交叉而产生的新兴学科 生态工程主要由生物种群 生物群落和生态系统构成 生态工程的构建和运行主要依据是生态学的基本原理 二 生态工程所遵循的基本原理 还有诸如 物种循环再生原理 协调与平衡与原理 整体性原理 系统学与工程学原理等 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 无废弃物农业 1 物质循环再生原理生态系统中 生物借助能量的不停流动 一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质 另一方面又随时分解为原来的简单物质 即所谓 再生 重新被系统中的生产者植物所吸收利用 进行着不停顿的物质循环 无废弃物农业 通过积极种植能够固氮的豆科作物 以及收集一切可能的有机物质 包括人畜粪便 枯枝落叶 残羹剩饭 河泥 炕土 老墙土以及农产品加工过程中的废弃物等 采 用堆肥和沤肥等多种方式 把它们转变为有机肥料 施用到农田中 改善了土壤结构 培育了土壤微生物 实现了土壤养分如氮 磷 钾及微量元素的循环利用 1 物质循环再生原理地球以有限的空间和资源 长久维持着众多生物的生存 繁衍和发展 奥秘就在于物质能够在各类生态系统中 进行区域小循环和全球地质大循环 循环往复 分层分级利用 从而达到取之不尽 用之不竭的效果 理论基础 物质循环 意义 可避免环境污染及其对系统稳定和发展的影响 2 协调与平衡原理 意义 实例 生物数量不超过环境承载力 可避免系统的失衡和破坏 太湖富营养化问题农作物种植要合理密植草原不能超载放牧鱼塘要适量放养 所谓协调与平衡是指生物与环境的协调与平衡 平衡 指某环境下生物种群的数量与环境的承载力要平衡 如果生物的数量超过了环境的承载力的限度 就会引起系统的失衡和破坏 如草原上的过度放牧就是典型的例子 协调 主要指生物要适应环境 因此在建设生态工程时 不要盲目引种或栽种 协调与平衡原理 由于周边城市 工业和农田的排水中氮 磷的浓度较高 使太湖水体中的水葫芦和藻类疯长 理论基础 生物与环境的协调与平衡 西北地区年降雨量450nm 只适宜种植灌木和草的地区 却被硬性规定种植属于乔木的杨树 杨家将 因为不适应长成了 小老头 防护林变成了残败的 灰色长城 提示 抗寒 耐旱 适应性强的沙棘 耐盐碱力较强的沙枣等植物 P111资料分析问题讨论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 应选择哪些特征的树种 如果在该地区发展畜牧养殖业 你认为应该注意什么问题 提示 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 处理好生物与环境的协调与平衡 需要考虑环境承载力 环境承载力又称环境容纳量是指某种环境所能养活的生物种群的数量 3 整体性原理 进行生态工程建设时 不但要考虑到自然生态系统的规律 更重要的是 要考虑到经济和社会等系统的影响力 人类处在一个社会 经济 自然复合而成的系统中 例 林业工程建设中的问题 理论基础 社会 经济 自然复合系统 只有应用整体性原理 才能统一协调当前与长远 局部与整体 开发与环境建设之间的关系 保障生态系统平衡和稳定 新 系统学 工程学 另外 社会习惯 法律制度等也都对生态工程建设有着重要影响 实例 林业工程建设中 只有应用整体性原理 才能统一协调当前与长远 局部与整体 开发与环境建设之间的关系 保障生态系统的平衡和稳定 才能从根本上保证生态工程的整体利益 4 系统学和工程学原理 系统的结构决定功能原理生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构 通过改变和优化结构 达到改善系统功能的目的 系统整体性原理系统各组分之间要在适当的比例关系 只有这样才能顺利完成能量 物质 信息等的转换和流通 并且实现总体功能大于各部分之和的效果 即 1 1 2 理论基础 分布式优于集中式和环式 理论基础 整体功能大于部分之和 系统结构决定功能原理 若把系统的结构比作计算机网络 分析三种计算机网络结构示意图 工作的可靠性哪个高 系统结构决定功能原理 5 系统学和工程学原理 系统结构决定功能原理 高效生态系统 5 系统学和工程学原理 系统整体性原理例如 珊瑚礁之所以能够保持很高的系统生产力 得益于珊瑚虫和藻类组成的高效的植物 动物营养循环 通常情况下 失去了共生藻类的珊瑚虫会因为死亡而导致珊瑚礁逐渐 白化 失去其鲜艳的色彩 那里的生物多样性也将锐减 从而造成系统的崩溃 豆科作物和固氮菌的共生也是一例 固氮菌为豆科作物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 整体性原理和系统整体性原理的比较 整体性原理指社会 经济 自然三方面协调统一 保障整个系统的稳定与平衡 如林业建设中自然系统 社会系统与经济系统的关系问题 即种树的同时考虑经济收入 粮食 燃料等问题 系统整体性原理指整体大于部分之和 目的是保持系统有很高的生产力 具体的说指互利共生的生物体现系统整体性原理 如藻类和珊瑚虫 大豆和根瘤菌 地衣植物中藻类和真菌等 生态工程所遵循的基本原理 归纳 基本原理物质循环再生物种多样性协调与平衡整体性系统学和工程学系统的结构决定功能系统整体性目的遵循自然界物质循环的规律 充分发挥资源的生产潜力 防止环境污染 达到经济效益和生态效益的同步发展 特点少消耗 多效益 可持续发展 试分析下列事件可用何种生态工程原理来解释 1 畜牧养殖应注意牲畜量不超过草地承载量2 使用堆肥和沤肥法实现生态农业3 广东大量引种木麻黄作为行道树 一年一种叫吹绵介壳虫的害虫使木麻黄遭受严重破坏 后来从国外引进澳洲瓢虫 已持续发挥了控制害虫的作用 4 针对过度放牧的草原 一方面要减少畜牧量 进行草地承包 有效管理 另一方面要设法增加农牧民的收入途径 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 三 生态工程设计 学以致用 1 基本思路 1 食物链 网 相接 促进物质的良性循环 如稻田养鱼2 食物链 网 加环 在食物链 网 中增加一些环节 充分利用尚未利用的物质和能量 发挥生产潜力 提高生态效益和经济效益 如 改为 2 设计生态工程的依据 生态学和工程学的基本原理 3 设计生态工程的目的 合理利用自然资源 促进物质循环利用 减少资源浪费与环境污染 以满足人类的生存和发展需要 3 生态工程与传统农业模式的比较 1 生物氧化塘是一种利用藻类和细菌等生物之间的协同作用来处理污水的生态系统 生物氧化塘的作用原理 2 在氧化塘中 藻类光合作用产生的氧气和空气中的氧气 有利于好氧菌降解废水中的有机物 兼性菌和厌氧菌则通过好氧或厌氧反应 分解废水中的有机物 3 多功能生物氧化塘不仅具有污水净化的作用 还可使污水资源化 2 单一的人工林比天然混合林的稳定性低 容易遭受害虫危害 这体现了生态工程的什么原理 A 物质循环再生原理B 协调与平衡原理C 物种多样性原理D 系统整理性原理 1 实现循环经济的最重要的手段之一是 A 大力发展 石油农业 B 生态工程C 清除污染物D 禁止产出污染物 课堂练习 B C C A 5 人类设计生态工程的根本目标是 A 促进自然界良性循环的前提下 达到生态效益与经济效益的同步发展B 促进自然界良性循环的前提下 防治环境污染 提高经济效益C 防治环境污染 达到生态效益与经济效益的同步发展D 促进自然界良性循环的前提下 充分发挥资源的生产潜力 防治环境污染 达到生态效益与经济效益的同步发展 课堂练习 D 6 我国西北土地沙化和盐渍化非常严重 原因有多种 其中一个主要原因是超载放牧 导致草地退化 试分析上述事实主要违背了生态工程的什么原理 A 系统整体性原理B 协调与平衡原理C 物种多样性原理D 整体性原理 课堂练习 B 7 在进行林业工程建设时 一方面要号召农民种树 另一方面要考虑贫困地区农民的生活问题 如粮食 烧柴以及收入等问题 以上做法依据的生态工程原理是 A 系统整体性原理B 整体性原理C 系统结构决定功能原理D 以上都不是 课堂练习 B 资料分析 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 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 为什么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 资料分析 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 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 理论基础 生态系统的稳定性 意义 生物多样性程度可提高系统的抵抗力稳定性 提高系统的生产力 物质循环利用的生态工程 城市 生活垃圾进行减量化 无害化 资源化处理 将生活垃圾中有机部分 人畜的粪便等转化为优质生态复合肥 农村 发展养殖业 将农作物秸秆 过腹还田 利用禽畜粪便与作物秸秆培养食用菌后再培养蚯蚓 蚓烘残渣再作为肥料 既减少或避免了田间烧草给环境带来的污染 又增加了产值 节水和废水处理与应用的生态工程 西北干旱地区 雨水和地表水收集 农业区 节水灌溉技术 城市 工业节水系统的开发等 节水 造糖厂 糖蜜制酒精 造纸厂 废液回收钙粉 木质素 屠宰场 废血提取凝血酶 血红蛋白 废水处理与应用 山区小流域综合治理与开发的生态工程 问题 小流域水土流失问题 对策 进行综合治理 案例 甘肃陇南县 九子登科 模式 山顶戴帽子 山头实行封禁管理 营造水土保持林 保护和恢复植被 山腰系带子 半山陡坡退耕还林还草 发挥林草拦蓄作用 减少径流 坡地修台子 坡耕地以坡改梯田为突破口 建设基本农田 为调整农业产业结构提供条件 地埂锁边子 充分利用地埂种植经济作物 既获得经济效益 又