环境生态学导论课件

第五章生态工程第五章生态工程第一节

生态工程概述在20世纪60年代全球生态危机爆发和人们寻求解决对策并对资源环境进行保护的背景下产生。一、生态工程产生的背景第一节生态工程概述在20世纪60年代全球生态危机60年代以来，全球生态危机表现为人口激增、资源破坏、能源短缺、环境污染和粮食供应不足等。60年代末、70年代初，人们对改善环境的技术深信不疑，认为可以通过实现无废物目标来解决问题。种种原因使得运用常规方法不能实现无污染目标。60年代以来，全球生态危机表现为人口激增、资源破坏、能源短缺生态工程提供了一种实现低耗、高效、无或少废生产的发展战略。人们试图运用生态系统的某些功能，如利用生物净化功能以实现降低污染和保护资源的目标——产生了生态工程。生态工程提供了一种实现低耗、高效、无或少废生产的发展战二、生态工程的定义1962年,美国生态学家H.T.Odum,“人类通过运用少量的辅助能而对以自然能为主的系统进行的环境控制”1971年,指出生态工程是人对自然的管理。1983年，他修订此定义为设计和实施经济与自然的工艺技术。二、生态工程的定义1962年,美国生态学家H.T.Odum我国著名生态学家马世骏强调生态工程是生态学的原理在资源管理、环境保护和工农业生产中的应用，其原理是生态系统的整体、协调、再生和循环。我国著名生态学家马世骏强调生态工程是生态学的原理在资源管理、马世骏教授，1984年生态工程：应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结构与功能协调原则，结合系统工程的最优化方法，设计的分层和多级利用物质的生产工艺系统。生态工程的目标：在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。马世骏教授，1984年环境生态学导论课件沙棘生态工程建设沙棘生态工程建设三、生态工程与其它学科的关系生态工程的主要理论、概念和方法与系统论、控制论、信息论、协同论、耗散结构论、突变论、自组织论等相渗透，以整体观和系统观为指导，对以分析为主的传统生态学进行综合，吸收了物理、化学、生理学、毒理学和数学等自然科学的理论、方法和成就，是一门多学科交叉渗透的新兴边缘学科。三、生态工程与其它学科的关系生态工程的主要理论、概念和方法与生态工程对基本生态学的理论建设及验证有极大的贡献。理论生态学和应用生态学都是生态工程基础，生态工程反过来将生态学理论和管理实践反馈给理论和应用生态学。生态工程对基本生态学的理论建设及验证有极大的贡献。理论生态学进化理论生态系统理论种群生态学等等资源管理生态影响评价生态监控生态风险评价生态毒理学等等生态工程设计、恢复生态系统理论生态学应用生态学图5－1生态工程与理论生态学及应用生态学的关系进化理论生态系统理论种群生态学等等资源管理生态影响评价生态监四、生态工程与其它相近领域的对比⒈环境工程（environmentalengineering）1960年被提出，并得到了丰富的发展和建设，主要侧重于运用有关科学原理解决污染问题，其内涵通常涉及对能源和资源的集约使用和由此引起的环境污染。四、生态工程与其它相近领域的对比⒈环境工程（environ环境工程中的一些技术虽然使用的是生态工程的方法，但环境工程领域的研究并不以设计生态系统为目标。环境工程中的一些技术虽然使用的是生态工程的方法，但环境工程领⒉生物工程（biotechnology）生态工程与生物工程完全不同。生物工程通常是指运用遗传学原理，生产出有特定功能的生物新品系或有机体，它与生态工程所使用的手段、原理、设计方法都不相同。⒉生物工程（biotechnology）生态工程与生物工程生物工程不能成为解决世界环境问题的主要因素，而生态工程可能会通过地球上现有的物种，种群和生态系统，解决生物工程的局限性。生物工程不能成为解决世界环境问题的主要因素，而生态工程⒊恢复生态学（restorationecology）恢复生态学研究如何帮助恢复和管理地区的生态学的完整性，包括保证其中的生物多样性、各种生态过程和结构、历史和区域的一致性及可持续的文化活动在一定的范围内的变化。⒊恢复生态学（restorationecology）恢复恢复生态学缺乏两个生态工程的基本标准，即可以识别生态系统的自我设计能力和同时以理论和实践经验作为进行设计的基础。区域的生态恢复研究通常只是针对生态系统的某一成分，如恢复或移植植被制止土壤流失，保护野生动物，进行合理的土地利用等。恢复生态学缺乏两个生态工程的基本标准，即可以识别生态第二节生态工程使用的有关原理和遵循的原则生态工程应用生态学及生态系统理论中的基本原理来设计生态系统，并遵循一系列与能量流动及物质循环有关的原则来管理生态系统。第二节生态工程使用的有关原理和遵循的原则生态工程应⑴能量和物质在生态系统中既不会消失，也不会被创造，只会发生形式上的改变。遵循的有关原理：⑴能量和物质在生态系统中既不会消失，也不会被创造，只会发生⑵

生态系统储藏着可以识别不同对象和特征的信息，这些信息储藏在生态系统的各种物理、化学和生物本质内。例如，一棵树从雨水中获得信息，通过改变树叶的大小（生长）和其它可见或不可见的特征，作为对这一信息的回应。⑵生态系统储藏着可以识别不同对象和特征的信息，这些信息储⑶生态系统具有耗散的结构，即能量和物质不断从高级水平向低级水平退化，从有组织形式向无组织形式转化，系统内熵值不断增大。⑶生态系统具有耗散的结构，即能量和物质不断从高级水平向低⑷生态系统是一个能量、物质和信息开放的系统，要保持稳定必须有不断的能量输入。⑸生态系统可以成长。⑷生态系统是一个能量、物质和信息开放的系统，要保持稳定必⑹

生态系统是一个综合的反馈系统，生态系统内的生物和非生物元素彼此互相影响。⑺生态系统具有稳态结构。⑻生态系统具有自我调节和组织的能力。⑹生态系统是一个综合的反馈系统，生态系统内的生物和非生物....结束1953年朝鲜战争结束后，南北朝鲜以北纬38°为停火线，沿线两侧500多平方公里为非军事区，这里的地表经过战争的浩劫，几乎没有生物存在。40多年来，由于基本没有人类的活动，这里恢复了完全的自然状态。河水清澈、森林繁盛、物种繁多，还发现了14种被认为早已在朝鲜半岛灭绝的动物，包括东北虎和棕熊。美国科学家评论说：“全世界只有在这个地方，由于3000年以来的农耕文明突然终止，原始物种可以在没有人类干扰的情况下自由发展，这个地区的生态恢复情况大大超过了人类所有的生态建设所能达到的水平。”....结束1953年朝鲜战争结束后，南北朝鲜以北纬38

生态工程与其它工程措施不同的基本原则：1）生态工程的建设应用生态系统及自然界的自我设计和组织能力。通过使用生物物种、群落，甚至小型的生态系统，然后依赖生态系统的自我设计能力，完成一个生态系统的建设是生态工程有别于其它工程的特征之一。其它的工程措施往往需要添加设施或设备来转移或去除污染物质，而这些设施设备并不能由生态系统所控制。

生态工程与其它工程措施不同的基本原则：1）生态工程的建2）生态工程是进行基础生态学研究的工具。3）生态工程的建设特别强调将生态系统作为一个整体考虑，而不是其中的若干物种或成分。2）生态工程是进行基础生态学研究的工具。35）生态工程选择能满足人类的生态系统，以及那些适应于现存的人类需要的生态系统，来设计新的生态系统。4）生态系统是以太阳能为支持的一个自我发展的系统。生态工程的方法是一项保护生态和环境，使人类与自然和谐相处,共同持续发展的战略。5）生态工程选择能满足人类的生态系统，以及那些一、农业生态工程的研究第三节国内外生态工程研究及发展⒈国外农业生态工程的研究一、农业生态工程的研究第三节国内外生态工程研究及20世纪30、40年代起，以开发廉价化石能源及使用工业技术装备为特征的集约化农业逐步发展，并在60年代达到鼎盛。20世纪30、40年代起，以开发廉价化石能源及使用工业技术装⑴常规农业能量消耗过高,能量投入的边际效益过低。在石油价格大规模上涨阶段问题直接表现为农田能量产投比值下降,农业成本过高而经济效益下降。70年代后，常规农业中的一些问题开始暴露：⑴常规农业能量消耗过高,能量投入的边际效益过低。70年代⑵

土壤资源发生衰竭，特别是出现严重的水土流失、风蚀和地下水过量开采等。⑶

常规农业使得动、植物品种单一，结构单调，加重了病虫害和杂草的发生与蔓延。⑵土壤资源发生衰竭，特别是出现严重的水土流失、风蚀和地下⑷大量化学物质的投入造成土壤、水体和农产品污染严重。这些问题不但影响到农业生产条件的维持能力，还威胁到农产品持续供应的可能。⑷大量化学物质的投入造成土壤、水体和农产品污染严重。⑴有利于保持水土，提高土壤肥力及生产力的耕作制度及施肥方式。主要有将豆科牧草和豆科作物引入作物轮作体系，利用覆盖植物保持休闲期的地面覆盖和注意等高种植，以及进行浅耕等。替代农业的一系列技术措施包括⑴有利于保持水土，提高土壤肥力及生产力的耕作制度及施肥方⑵

对病虫害及田间杂草进行综合防治，以及利用作物分泌化学物质来控制杂草等。⑵对病虫害及田间杂草进行综合防治，以及利用作物分泌化学物⑶其它措施：选育新的潜力大的作物品种和适于当地生态环境的家畜品种，农牧综合经营或与水产养殖相结合，开发生物能源，发展节能技术，以及充实或扩大某些生物学作用等。⑶其它措施：选育新的潜力大的作物品种和适于当地生态环境的我国的农业生态工程研究有如下几个特点①研究对象广泛，系统综合我国的农业普遍实行综合经营，除了一般种植用菌业、畜牧外，还包括水产养殖，有机废物资源化养殖，果林与作物的间作和某些手工业和加工业在内。⒉中国农业生态工程的研究我国的农业生态工程研究有如下几个特点①研究对象广泛，系统综合②中国的农业生态工程的研究目标注重生态效益和经济效益的结合，强调提高经济效益必须建立在提高生态效益的基础上，及农业生产与环境保护同步发展。②中国的农业生态工程的研究目标注重生态效益和经济效益的结合，③注重传统农业技术和现代技术相结合。当代的生物技术、生态技术、化学技术、机械技术，以及软科学技术在生态工程建设中与传统技术结合运用，不但易于被农民接受，而且适合中国农业生产条件复杂与劳动力资源丰富的特点。③注重传统农业技术和现代技术相结合。当代的生物技术、生态技术④中国农业生态工程的研究中还存在理论研究跟不上实践发展的问题和要求。④中国农业生态工程的研究中还存在理论研究跟不上实践发展的问题目前中国农业生态工程研究主要有以下几个发展趋势①农业生态工程建设的范围和研究的广度、深度更加扩大并加深，其中，水体立体养殖生态工程、节水农业生态工程、污水灌溉生态工程、保护地蔬菜生态工程、混林农业生态工程、土壤处理系统生态工程、农业废弃物资源化再生循环利用生态工程、大型畜牧场粪便处理环境治理工程以及水土流失地区小流域治理工程等方兴未艾。目前中国农业生态工程研究主要有以下几个发展趋势①农业生态工程②研究内容向着规范化和区域化的方向发展。我国的农业生态工程研究主要着重于两个方面：第一，对农民自发建立的生态工程类型、模式和效益的调查与分析；第二，村、乡、县三级农业生态工程的设计与规划。②研究内容向着规范化和区域化的方向发展。我国的农业生态工程研③农业生态工程研究和建设将更紧密地与农村的综合开发、环境建设与经济发展相结合。③农业生态工程研究和建设将更紧密地与农村的综合开发、环境建设农村综合发展型生态工程应用了什么原理？为了解决什么问题？讨论4幅农村综合发展型生态工程应用了什么原理？讨论4幅....结束

....结束“四位一体”农业生态工程模式“四位一体”农业生态工程模式二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程1.环境保护生态工程的特点1)具有整体观以整个生态系统或复合生态系统为研究对象，通过多目标和全面规划一个区域，同步取得生态环境、经济和社会效益。二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程1.环境保护生态工程2）通过调控生态系统内部的结构和功能，来提高生态系统的自净能力和环境容量。4）运用生态工程原理治理环境，不产生或少产生使污染物从一种介质转移到另一介质的问题。3）通过分层多级利用，将污染物资源化，变废为宝。2）通过调控生态系统内部的结构和功能，来提高生态系统的自净能2.国外环境保护生态工程的研究国外在环境保护及污染物控制防治领域生态工程的研究和应用有很多，特别是对污水处理与湖泊、海湾的富营养化防治更为突出。2.国外环境保护生态工程的研究国外在环境保护及污染物控制防治美国的污水处理生态工程1968年开始，在北卡罗来纳州的摩洛赫得市研究应用河口区的池塘污水处理生态工程，特别是处理城市污水与海水混合水。20世纪70年代在佛罗里达州的Garimsville处试验和调查了种植柏树并使之成林的湿地，来处理水中的营养盐，使之循环并保护湿地的生态工程，结果去除了进入湿地污水中50%以上的有机质、营养盐和金属元素。美国的污水处理生态工程在防止湖泊等水体富营养化方面，20世纪80年代初在伊利湖北部的河湖接合部和老妇河河口地区的湿地上，建立了生态工程试验基地。麻塞诸塞州建立了沼泽及盐滩的生态工程，处理陆上所来废水，防止海洋的富营养化。在防止湖泊等水体富营养化方面，丹麦自1972～1976年开始研究并试用Glums湖富营养化防治的生态工程，建立了生态模型，结果去除了进入湖中污水内90～98%的磷。丹麦自1972～1976年开始研究并试用Glums湖富营养化在瑞典，污水处理的生态工程受到极大重视，包括利用污水作为肥料，用农田灌溉处理净化污水，建立许多温室，养殖多种水生植物，净化污水。在瑞典，污水处理的生态工程受到极大重视，包括利用污水作为肥料荷兰在20世纪70年代起就已经开始试验和调控一些小型湖泊生态系统的结构，增加直接摄食藻类和与藻类在阳光和营养方面有竞争的生物种类，以防治水体的富营养化。另在一些居民区建立了若干生活污水处理生态工程，设置一些垂直分布的充气和厌气土壤滤器纵向组合，并建立了营养盐流动的数学模型。荷兰在20世纪70年代起就已经开始试验和调控一些小型湖泊生态3.我国环境保护生态工程的研究1）无（或少）废工艺系统主要用于内环境的治理，例如在一些工厂和工业城市中的废物再生和利用系统，将废热源再利用，及工厂废水的净化再循环，达到无污染或少污染。3.我国环境保护生态工程的研究1）无（或少）废工艺系统主要用2）分层多级利用废物生态工程使生产过程中的每一级生产过程的废物都变为另一级生产过程的原料，且各环节比例合适，使所有废物均被充分利用。如一些家畜饲养场所产生的粪便，配合沼气发酵、沼液无土栽培青绿饲料和蔬菜，沼渣再制混合饲料等几项生产项目和工艺组合。2）分层多级利用废物生态工程使生产过程中的每一级生产过程的废3）复合生态系统内的废物循环和再生系统，例如桑基鱼塘式的生态工程。3）复合生态系统内的废物循环和再生系统，例如桑基鱼塘式的生态4）污水自净与利用生态工程例如污水灌溉是利用土壤生态系统的自净能力既净化了生活污水，又利用了其中的营养元素作为肥料，在干旱、半干旱地区，对缓解缺水矛盾有重要意义。另外，利用生活污水养鱼，使污水中的营养盐和有机物作为饵料肥料，促进了水产品的增产并处理净化了污水。4）污水自净与利用生态工程例如污水灌溉是利用土壤生态系统的自5）城乡结合的生态工程在一定区域内，应用不同生产系统分层多级利用废物，如城市