生物系统设计技术提纲

1、当前面临的生态问题: 1全球变化2环境破坏问题3生物多样性锐减生态学是研究环境与生物相互关系的一门科学。针对研究的对象不同，生态学可分为个体生态学、种群生态学、群落生态学和生态系统生态学。但无论其层次水平如何不同，都是为了研究生物与环境之间的相互关系，或者是如何从系统化的角度来研究生物与环境物流、能流及相互之间关系的一门学科。 生态学源于生物学，属宏观生物学范畴，但现代生态学向微观和宏观两个方向发展，一方面在分子、细胞等微观水平上探讨生物与环境之间的相互关系；另一方面在个体、种群、群落、生态系统等宏观层次上探讨生物与环境之间的相互关系。现在生态学研究对象和内容可从以下几个方面来理解:（一）生态

2、学是研究生物与环境、生物与生物之间相互关系的一门生物学分支学科1如按现代生物学的组织层次来划分，生态学的研究对象为：基因、细胞、器官、有机体、种群、群落、生态系统等，研究它们与环境之间的相互关系。2如按生物类群来划分，生态学的研究对象为：植物、微生物、昆虫、鱼类、鸟类、兽类等单一的生物类群，研究它们与环境之间的相互关系。（二）生态学尽管向宏观和微观两个方向发展，但其研究中心为种群、群落和生态系统，属宏观生物学范畴。1.定义 系统论的创始人是奥地利的贝塔朗菲，系统是由相互作用和相互依赖的若干个组成部分结合而成的、具有特定功能的整体。 系统必须具备的三个条件：由二个以上的组分组成；组分之间有密切的

3、联系；以整体方式完成一定的功能。 2.系统的结构特点 系统都有边界。 系统具有层次性。即系统由若干个子系统组成，系统本身也是更大系统的子系统。 构成系统的组分间有一定的量比关系。 系统的组分在空间上有一定的排列位置关系。所谓生态系统，是指生物群落与生存环境之间，以及生物群落内生物之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转化和信息传递，成为占据一定空间，具有一定结构，执行一定功能的动态平衡体。地球上有无数大大小小的生态系统，其核心是生物群落。它具有自我维持、修补和重建的能力。生态系统：就是指在一定的时空范围内，由生物因素与环境因素相互作用、相互影响所构戍的综合体，或者说，是占据一定空间的自然界

4、客观存在的实体，是生命系统与环境系统在特定空间的组合。生态系统的结构主要指构成生态系统的诸要素及其在时间、空间上的分布状况，生态系统内物质和能量流动的途径等，主要有物种结构、时空结构和营养结构三种类型。特征:1. 组织成分。它是由有生命的和无生命的两种成分组成，不仅包括植物、动物、微生物，还包括无机环境中作用于生物物质的物理化学成分，只有在生命存在的情况下，才有生态系统的存在，这是最本质与根本的一点。2. 生态系统通常与特定的空间联系，因而具有一定的自然地理特点和一定的空间结构特点。3. 生物的发展规律。生物具有生长、发育、繁殖和衰亡的特性，因而生态系统也可以区分为幼年期、成长期和成熟期等阶段

5、，表现出明显的时间变化恃征，有着自身的发展演化规律。4. 生物的营养和功能。生态系统也具有代谢作用，其活动方式是通过生产者、大型消费者和小型消费者这三大功能类群参与的物质循环和能量转化过程完成的。5. 具有复杂的动态平衡恃征。农业生态系统及特点 农业生态系统也是一个具有一般系统特征的人工系统。它是人们利用农业生物与非生物环境之间以及生物种群之间的相互作用建立，并按照人类需求进行物质生产的有机整体。其实质是人类利用农业生物来固定、转化太阳能，以获取一系列社会必须的生活和生产资料。农业生态系统是由自然生态系统演变而来，并在人类的活动影响下形成的，它是人类驯化了的自然生态系统。因此，不仅受自然生态规

6、律的支配，还受社会经济规律的调节。农业生态系统与自然生态系统一样，也由生物与环境两大部分组成，但亦有所不同。生物组分是以人工驯化、栽培的农作物、家畜、家禽等为主。在农业生态系统中的生物组分中增加了人这样一个大型消费者，同时又是环境的调控者。环境组分则是部分受到人工控制或是全部经过人工改造的环境。 l是人类强烈干预下的开放系统。2.农业生态系统中的农业生物具有较高的净生产力、较高的经济价值和较低的抗逆性。3.农业生态系统受自然生态规律和社会经挤规律的双重制约。 4.农业生态系统具有明显的地区性。农业生态系统结构水平结构：指在一定的生态区域内，各种生物种群所占面积比例、镶嵌形式、聚集方式等水平分布

7、特征垂直结构：指生物种群在垂直方向上的分布格局。在地上、地下和水域都可形成不同的垂直结构。能量流动的特征 1.能流是单向流动 2.能流是能量不断递减的过程 3.能量流动的途径和渠道是食物链食物网。提高农业初级生产力的途径 1、因地制宜，增加绿色植被覆盖，充分利用太阳辐射能，增加系统的生物量通量或能通量，增强系统的稳定性。 2、适当增加投入，保护和改善生态环境，消除或减缓限制因子的制约。 3、改善植物品质特点，选育高光效的抗逆性强的优良品种。 4、加强生态系统内部物质循环，减少养份水分制约。 5、改进耕作制度,提高复种指数,合理密植,实行间套种,提高栽培管理技术。 6、调控作物群体结构，尽早形成

8、并尽量维持最佳的群体结构。次级生产:是指异养生物的生产,也就是生态系统消费者、分解者利用初级生产量进行的同化、生长发育、繁殖后代的过程 。次级生产者:大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次级生产。次级生产在农业生态系统中的地位和作用 1.转化农副产品，提高利用价值 2.生产动物蛋白质，改善食物构成。3.促进物质循环，增强生态系统功能。 4.提高经济价值。1.调整种植业结构，建立粮 - 经 - 饲三元结构 2.培育、改良、推广优良畜禽渔品种 3.将分散经营适度集约化养殖 4.大力开发饲料，进行科学喂养 5.改善次级生产构成：发展草食动物、水产业，发展腐生食物链，利用分解能等。1.生态效率： 即

9、食物链各环节上的能量转化效率 2.生态金字塔是指由于能量每经过一个营养级时被净同化的部分都要大大少于前一个营养级，当营养级由低到高，其个体数目、生物量或所含能量就呈现类似埃及金字塔的塔形分布。3.林德曼的十分之一定律：在自然条件下，每年从任何一个营养级上能收获到的生产量，按能量计只不过是它前一个营养级生产量的十分之一左右。辅助能其实也是太阳能的一种变换形式，我们把除太阳能以外人类可以利用的能源，包括工业能、生物能、自然能等都称之为辅助能。工业能有煤、石油、天然气等；生物能有人力、畜力和沼气等；自然能有风能、水能、地热能、潮汐能等。输助能的使用主要是用于改善农业生产环境，提高作物光能利用率及能量

10、转化效率，用于灌溉、排水、施肥、耕作与农田基本建设，培育苗木、田间管理、收获和贮藏加工等。当然在辅助能的使用量与技术上必须给予足够的重视，大量使用工业能、化学能与生物能，将带来一系列的生态向题。如水土流失、资源衰竭、能源紧张、环境污染、上壤板结、地力下降、天敌减少、能效降低和过分依赖石油等问题，因此必须给予高度重视。人工辅助能对农业增产的意义 1.辅助能输入的作用是改善不良的生态环境条件，解除环境中一些限制因子的制约，促进农作物对日光能的吸收、利用和转化。 2.总的来说，随着人工辅助能投入的增加，特别是工业辅助能投入量的增加，产量明显提高。 3.工业辅助能投入的增加也带来了能源短缺、环境污染和

11、成本提高等问题。今后应优化辅助能投入，提高辅助能的利用效率。未来农业更多的是应该更多地投入科学技术和信息，替代工业辅助能的直接投入物质循环的特征 物质循环在生态系统中是时刻进行的，并与能量流动紧密结合在一起，它们把各个组分有机地结合在一起，共同构成及其复杂的能量流动 与物质循环网络系统，从而维持了生态系统的存在。 物质循环是双向流动，而能量流动则是单向的，是不可逆的。生态技术通常被认为是利用生态系统原理和生态设计原则，对系统从输入到转换关系与环节直到输出的全部过程进行合理设计，达到既合理利用贤源，获得良好的经济及社会效益，又将生产过程对环境的破坏作用降低到较低的水平。工业化农业系统 也叫机械化

12、的集约农业系统，指将工业技术的革新成果引入农业，提高农业生产力。主要措施是操作机械化、设施（温室、畜舍等）现代化，大量施用化肥及除草剂等。通过大量的工业产品的投入来维持系统的高产出，是一个能量、物质投入与输出的开放性较强的系统替代型农业系统1有机农业 有机农业是一种完全不用或者基本不用人工合成的化肥、农药、生长调节剂和家畜饲料添加剂的生产体系。它主要靠作物轮作、作物秸杆、家畜粪肥、豆科作物、绿肥、农场外的有机废弃物、含有矿物营养的岩石保持土壤肥力，尽可能采用生物防治抑制杂草和病虫危害。有机农业在降低能耗、充分利用光合产物、加强营养物质再循环、保护环境及提高农畜产品质量方面，具明显优势，但单产较

13、低。只有在人们认识到其产品的优质后，主要靠优质优价提高经济。2、自然农业 日本的福岗正延先生受我国道教思想的影响提出了自然农业。他认为人类对自然的干预太多，主张农业应与自然合作，而不是征服自然，所以应采取以下措施进行农业生产： （1）不翻耕，让植物根系、土壤动物及微生物疏松土壤。 （2）不施化肥，靠绿肥、秸杆还田及动物粪肥培肥地力。 （3）不中耕、不除草，用秸杆和种植三叶草覆盖农田，保护土壤。（4）不施农药，靠自然平衡机理控制病虫杂草。3、生物农业4、生态农业 是按照生态学原理和生态经济规律，因地制宜地设计、组装、调整和管理农业生产和农村经济的系统工程体系。也就是以生态学的原理为指导，应用农业

14、生态工程的方法及现代科技成就建立起来的具有生态合理性、经济有效性的技术集约型农业农业生态系统是一个复合系统，他包括生态系统、经济系统和农业技术系统。物质循环、能量流动、信息传递以及价值转移是该系统的基本功能，当农业生态系统的结构合理时，这些功能能够协同发挥作用，使系统处于良性循环状态，其生产力稳步、持续地提高。相反，系统处于恶性循环之中，可能生产力暂时较高，但对于系统的持续发展产生影响实现农业生态系统良性循环、持续发展的途径    1、调整农业生态系统的内部结构。    2、维持农业生态系统输入和输出的平衡。  &

15、#160; 3、增加植被的覆盖面，防止农业环境污染。    4、在生态系统中增环加链提高经济效益。 5、合理利用生态农业技术。 第二章防治环境污染，保护生态环境，一靠政策，二靠管理，三靠技术。【一】可持续发展和清洁生产技术一、可持续发展和清洁生产技术：生产的源头和生产过程1可持续设计：是指在产品整个生命周期中优先考虑产品环境属性，同时保证产品应有的基本性能、使用寿命和质量的设计，是传统产业向可持续性产业转型的一种战略性设计方法与传统的产业设计相比,可持续设计技术有两个特点： 一是设计时所考虑的时间跨度大，涉及产品整个生命周期，即从产品的概念形成、生产制造

16、、施工使用直至报废后处置环节；二是保证产品的环境属性，从根本上防止污染，节约资源和能源。与生态工程中“整体、协调、循环、再生”原理相同，可持续设计强调的是3R，即Reduce（节约）、Reuse（回用）和Recycle（循环）2清洁生产技术：清洁生产是指为了保持社会经济自然复合生态系统可持续发展，持续地提高工艺、产品及服务应用整合性及预防性的环境策略效率，减少人类及环境受到的危害。包括清洁生产过程和产品清洁化两方面内容二、产品生命周期分析传统环境保护和治理大都把焦点放在末端处理上，以产品使用后废置阶段产生的环境负荷，作为该产品对环境冲击影响的大小，而对行业废弃物之管理，亦集中于生产过程中所产生

17、的污染物，往往疏于考虑原料取得及使用后的污染条件。而LCA这种分析方法考虑了该产品或功能的整个寿命周期覆盖了产品的全部生命过程，如原料的提取和加工，制造、运输和流通，使用、重复利用和保养，再循环和最终处置等整个系统运行过程。【二】环境保护工程技术一、固体废弃物的处置技术1、海洋处置：海洋倾倒，远洋焚烧2、陆地处置：卫生土地填埋，安全土地填埋3、堆肥法：间歇堆积法，连续堆制法4、制取沼气5、焚烧法二、气态污染物治理技术1、吸收法2、吸附法3、生物法4、膜分离法三、污水处理技术1、污水处理分级：一二三级处理2、造纸工业废水处理和资源化技术：COD（指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量，以每

18、升水消耗氧的毫克数表示（mg/L）。COD值越高，表示水中有机污染物污染越重。）3、生物稳定塘（多水塘）系统及其衍生技术4、土地处理技术5、活性污泥法6、生物膜法7、厌氧消化法【三】城市废弃物处理环境生态工程技术【四】土壤污染的防止与修复技术土壤污染特点 1.土壤污染具有隐蔽性和滞后性。大气污染、水污染和废弃物污染等问题一般都比较直观，通过感官就能发现，而土壤污染则不同，它往往要通过对土壤样品、植物生态效应、植物产品质量、环境效应进行分析化验和农作物的残目检测，甚至通过研究对人畜健康状况的影响才能确定。 2.土壤污染的累积性。污染物质在大气和水体中，一般都比在土壤中更容易迁移。这使得污染物质在

19、土壤中井不像在大气和水体中那样容易扩散和稀释，而是容易在土壤中不断积累而超标，同时也使土壤污染具有很强的地域性。 3.土壤污染具有不可逆转性和长期性。污染物进入土壤环境后，便与复杂的土壤组成物质发生一系列迁移转化作用，许多污染作用为不可逆转过程，污染物最终形成难溶化合物沉积在土壤中。重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程，许多有机化学物质的污染也需要较长的时间才能降解，譬如：被某些重金属污染的土壤可能要100200年时间才能够恢复。 4.土壤污染的复杂性和难治理性。积累在污染土壤中的难降解污染物则很难靠稀释作用和自净化作用来消除，土壤污染一旦发生，仅仅依靠切断污染源的方法则往往很难恢复，

20、有时要靠换土、淋洗土壤等方法才能解决问题，其他治理技术可能见效较慢治理污染土壤通常成本较高治理周期较长。土壤污染防治和修复技术预防为主、防治结合（一）控制和消除污染源（二）增加土壤容量，提高土壤净化能力（三）土壤污染修复技术l.排土、客土改良（物理改良措施）2.控制土壤的氧化还原状况3.生物改良措施4.施加抑制剂（化学改良剂）第三章（一）农林结合原理 在发展作物种植的同时，应积极保护和发展林业。林业不仅为人类提供木材、薪炭和许多林副产品，更重要的是森林具有巨大的生态效益，它为作物种植创造了高产稳产的环境条件。 l.涵养水源，保持水土，防洪防旱。森林有庞大树冠，森林下有一层疏松的枯枝落叶层。下雨

21、时，部分雨水首先被树冠吸收，然后落到地面，接着又被枯枝落叶层吸收，最后缓慢渗人土中起了截留雨水的作用。如果土地没有森林的覆盖，则雨水直接冲击地面土壤，会引起严重水土流失。在南方多雨地区，堤岸两旁种树，还可防浪护堤，减少洪涝危害。 2.防风固沙、积雪、减少土壤风蚀。由于树干和树枝具有弹力，可大大减少风速，起到农田防风屏障的作用。冬季在林带间可以增加积雪，为来年土壤水分来源。在干旱地区，可起防风固沙、减少土壤风蚀、防止土地沙化的作用。 3.改善农田小气候。森林是单位面积生产有机质最大的生物群体，通过蒸腾作用，将所吸收大量水分散发到空气中去。据研究，森林上空的空气湿度比空旷地农田上空的空气湿度高51

22、0，有时高达20。另一方面，水变成蒸汽要消耗大量的热，因此，林内和森林上空的空气温度比无林地为低，易使水汽达到饱和状态，有利于减少干旱危害。所以林区常常云多、雾多，并可能增加降雨量。在农田营造防护林，有调节农田小气候，保障农田作物的作用。 此外，森林还可把深层土壤养分吸收积聚到土壤表层，通过吸取下层水分，在低洼地降低地下水位，在干旱地区可起生物滤水排碱的作用，防止土壤盐渍化。据分析，森林覆盖率要达30以上，并且分布均匀，才能起到良好的防护作用，目前全世界森林覆盖率为22，美、苏、加拿大等国为3335，日本、芬兰均在60以上，而我国只有13左右。发展农业生产要农林并举，农林结合，才能实现稳定高产

23、。当前，由于森林覆盖面太小，要积极造林，有的地方要退耕还林，为山青水秀、林茂粮丰创造条件。 农林结合有多种形式：按照地形、土壤不同，合理配置，宜林则林，宜农则农；营造农田防护林；利用四旁植树绿化；林粮间作，果粮间作。农林复合生态工程的主要类型 农林复合生态工程在我国的分布较广，类型较为丰富，主要有下列几种类型。 （一）农林模式 （二）农果模式 （3）林药模式 （4）农经模式 （二）农牧结合原理 农牧关系亦即植物生产与动物生产的关系。农作物生产所创造的产品，一般粮食作物只有四分之一适于人类食用。其余四分之三，则以副产品或废料的形态出观（秸秆、壳皮和根茬等）。换言之，绿色植物的有效利用系数很低。提

24、高有效利用率唯一有利的方法，就是饲养动物，发展畜牧业，把作物生产的废弃物转化为宝贵的畜禽产品肉类、乳类、脂肪、皮毛、蛋等，供人类消费。但是饲养动物只能转化作物生产的副产品的很少一部分（约四分之一）。其余绝大部分则转化为粪尿和二氧化碳，而畜粪尿则是农作物的优质有机肥料。农牧关系主要是饲料与肥料的供求关系，农业供牧业以饲料，牧业供农业以肥料，农业增产，饲料增多，可促进牧业发展，厩肥增多，又可促进农业发展，即一方增产，可促进双方增产，一方减产，也可引起他方减产。 农牧复合生志工程的主要类型以沼气为纽带的农牧复合生态工程多层次循环农牧复合生态工程以蚯蚓为接口的农牧复合生态工程 （四）农、林、牧、副、渔

25、结合的重要性 “没有林业的农业是生态不稳定的农业，没有牧业的农业是缺乏物质基础的农业”。可见，农业生产是一个系统、一个整体，农业生产各部门是相互联系、相互制约的。农、林、牧、副、渔各业相互配合发展，特别是农、林、牧相结合，乃是组成合理的农业生产结构的重要特征。作物种植业要获得农作物高产稳产，全面持续增产，必须在农业生产结构合理的基础上，才能实现。 不同地区在不同的条件下，具有不同的自然资源和社会资源，因此，其农、林、牧、副、渔业所占的比重是不同的，并有不同的结合方式。有的以农为主，有的以林为主，有的则以牧为主。可通过综合农业区划来解决这一问题其中包括耕作制度的区划。合理的耕作制度，必须有利于促

26、进农、林、牧、副、渔业协调发展第四章目前在农业生态系统中对环境与农产品的污染主要来源于以下几个方面。农药的污染化肥对环境的污染大气污染对农产品的影响废水灌溉及固体废弃物造成的污染正是由于人类在生产和生活的活动中，破坏了环境，产生了大量的排放物污染环境，造成了目前的世界环境危机。为了保护人类生存的环境，实行可持续发展，许多国家实行环境标准制度。由国家指定的认证机构确认并颁发标志和证书，以证明某一产品符合环境要求，对生态环境无公害，只有贴有环境标志的产品才能进入市场销售。1.发展无污染食品是保护环境的需要2.发展无污染食品是可持续发展的需要3.发展无污染食品是经济发展的需要无污染食品是指无有毒、有

27、害物质残留，优质，富营养类食品。它具有两个明显特征：一是安全，即要求食品少含或不含致畸、致癌、致突变的污染物质，污染物质的最高含量不能超过国家或国际上规定的标准；二是营养，即食品营养成分含量要达到一定要求。目前在国内外对无污染的食品有两种称谓，国内称之为绿色食品，国际称为有机食品，虽然两者之间在上述两条标准上的要求是完全一致的，但在细微之处仍然是有差异的。有机食品通常要达到以下3个条件才能称之为有机食品： 有机食品的原料必须来自有机农业的产品和没有污染的天然产品； 按照有机农业生产和有机食品加工标准而生产加工出来的食品； 必须经过专门的有机食品颁证组织进行质量检查，符合有机食品生产、加工标准颁

28、证的食品。有机食品的原料是由有机农业生产出来的，有机农业在西方一些发达国家是专门针对传统石油农业的弊端而提倡的一种农业生产方式：是一种完全不用人工合成的化肥、农药、生长调节剂和家畜饲料添加剂的生产体系。在这一体系中，在可能的范围内尽可能依靠作物轮作、豆科作物、绿肥、家畜禽粪肥来保持土壤肥力，通过生物或物理方法防除杂草及病虫害，以获取相应的健康的农副产品。绿色食品是无污染的安全、优质、富营养的食品。绿色食品除符合一般食品的要求外（营养、卫生标准），必须同时符合下列条件： 产品的主要原料产地经农业部绿色食品发展中心指定的环保监测部门审定，具有良好的生态环境，符合有关标准与生态标志 原料作物的生产操

29、作规程符合绿色食品的无公害控制标准 加工产品的生产及包装、储运过程符合中华人民共和国食品卫生法要求 产品外包装必须符合国家食品标签通用标准。绿色生态指数表示某一绿色食品的综合质量状况；而绿色环境指数表示原料生产地环境质量达标程度，包括水环境、大气、土壤环境指数等。绿色食品生产与农业生态工程建设发展的关系（一）绿色食品生产与农业生态工程发展的持续性二）绿色食品生产与农业生态工程建设的统一性（三）绿色食品生产与农业生态工程建设的相互依赖性绿色食品生态环境建设技术1.土壤培肥与土壤改良技术2.提高土壤有机质含量是培肥土壤的关键绿色食品生产的植保生态工程技术在绿色食品生产过程中，可采取一些方面的生态工程措施来防治病虫害。 （1）通过作物种植的时间及空间上的变化来防治或减少害虫危害（2）利用轮作、间套作等种植方式改变或限制害虫危害作物 （3）通过引入天敌来防治害虫 （4）采用耕作方式及其他栽培技术来综合控制，防治绿色食品生产过程中的害虫危害把有机食品与绿色食品混为一谈是不正确的。有机食品既不同于一般的食品，也不同于绿色食品。在有机食品生产过程中，必须完全不