生态经济系统的结构和功能.ppt

第三章 生态经济系统的结构和功能,教学目的和要求： 通过本章学习，使学生了解生态经济系统的概念、生态经济系统结构的特征、生态经济系统的功能，掌握生态经济系统的基本结构组成、生态系统的垂直结构和食物链、生态经济系统的物流循环，认识生态经济系统的基本矛盾。 教学重点和难点： 生态经济系统的基本结构和功能；生态经济系统的基本矛盾。,第一节 生态经济系统基本概念,一、生态经济系统的概念 生态经济系统是由生态系统和经济系统通过技术中介以及人类劳动过程所构成的物质循环、能量转化、价值增殖和信息传递的结构单元和复合系统。 生态经济系统具有独立的特征、结构和机能，有其自身运动（物质运转、能量转换、信息传递、价值转移）的规律性。,生态系统和经济系统的耦合，是通过它们之间的物质、能量、信息的交换进行的，此外还存在着价值流沿交换链的循环与转换。 耦合在物理学上是指，两个或两个以上的体系或两种运动形式之间，通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象,生态系统和经济系统相“交织”、耦合的必然性在于： 经济活动必须在一定的空间进行，并依赖生态资源的供给。而凡是人类活动可以达到的生态系统，一般地也不是纯粹的自然生态系统，而是被纳入人类经济活动的范围，并打上人类劳动的印记。因此，在其中不仅有自然力的投入，而且有劳动力的投入，由劳动力和自然力的结合来共同创造财富，在进行自然再生产的同时进行着经济的再生产。因而，我们通常所见到的经济系统和生态系统，实际上大多数都已经是复合的生态经济系统。,生态系统和经济系统不能自动耦合，必须通过人类活动实现的，尤其是人类的劳动过程，通过技术中介使它们相互偶合为整体。 人类的一切经济活动总是一定的生态系统中进行的，必定会影响、改变生态系统；生态系统的状况又反过来影响人类活动和经济系统。,二、生态经济系统的特性,1.生态经济系统的融合性 生态经济系统的融合性，体现在生态经济系统的再生产是自然再生产、经济再生产和人类自身再生产，这三个再生产过程的相互交织。 经济系统是以人为主体，人的再生产需要消耗一定的物质资源，以一定的经济条件为支撑；人总是在一定的生态环境中活动，影响或改变生态系统的运行。保证人的再生产，就必须投身于经济活动中去，这就使人的再生产和经济再生产交织在一起。经济运动是在生态环境中进行的，又使这两种运动交织在一起。,2.生态经济系统的协调有序性,首先，生态系统的有序性是生态经济系统有序性的基础。如果我们不知四季的变化，如何安排农时。 其次，生态系统的有序性和经济系统的有序性必须相互协调，并融合为统一的生态经济系统有序性。生态系统的有序性是整个运动有序性的基础，经济系统的有序性又影响生态系统的有序性。制度是经济系统有序性的保障条件，违法乱纪，必然导致经济系统的无序化，譬如乱砍乱伐、肆意排放废弃物，必将影响生态系统的有序性。,3.生态经济系统的动态演替性,无论生态系统还是经济系统都不是一成不变的。经济系统的演替，大的是人类社会生产方式的演替；小到一个企业的发展变化，由一个小作坊发展到现代大公司。 生态系统的演替，地球从一个荒漠的星球发展到今天；小到一缸清水，慢慢长出绿藻、昆虫，由一个简单的生态系统逐渐发展为更为复杂的生态系统。 生态经济系统的演替，是生态系统和经济系统交织在一起的演替，大体经历了原始型生态经济系统演替（生产力水平极低，商品经济不发达条件下）、掠夺型生态经济系统演替（突出表现在工业革命以来）、协调型生态经济系统演替（今后社会发展方向）。,三、生态经济系统的分类,1农村生态经济系统 它又包括种植业生态经济系统、林业生态经济系统、畜牧业生态经济系统、渔业生态经济系统。其中种植业生态经济系统是农村生态经济系统的基础，它的最主要特点是利用绿色农作物的光合作用，将太阳能转化为化学潜能和将无机物转化为有机物。,2城市生态经济系统 城市生态经济系统是个典型的经济-生态有机系统，包括工业经济生产系统、高密度的人口消费系统和维护城市生态平衡的分解还原系统三个亚系统。其中经济生产系统是城市存在的经济基础。城市生态经济系统是人工生态系统，它并不能独立存在。,3城郊生态经济系统 它的最大特征是以城市为主要服务对象建立起来的农村生态经济系统。,4流域生态经济系统 其范围根据研究的范围而定，可以是小流域，也可以是大流域，包括上述三种生态经济系统的综合性生态经济系统，如长江三角洲地区。,第二节 生态经济系统结构,一、生态系统结构 1.生态与生态系统 生态是指生物与其赖以生存的环境在一定空间的统一，它反映生物与环境之间相互关系的功能。 这个概念可以从两方面来理解：从静态上看，生态是生物与其所处的生存环境状态的一种表征；从动态上看，生物可随着其生存条件的变化而发生变异，并以此反作用于环境。尤其动态理解具有更大的现实意义。静态是揭示生物与其所处环境的状况；动态则进一步揭示其发展变化。,生态学在创立之初，只是为研究生物有机体与其生活场所之间相互关系的科学。但到了今天，生态学无论从内涵还是外延都有了变化。 最重要的变化是：随着人类活动强度的激增和范围日趋广阔，人与自然界的协调关系出现了问题，怎样使人与自然、人类在发展经济和保护自身生态环境之间得到协调和持续发展，这促使生态学的研究内容和任务扩展到人类社会、渗入到人类的经济活动，并成为当代各国政府指导有关发展和建设决策的理论依据。 生态学的定义为：研究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律性的科学；其目的是指导人与生物圈（即自然、资源与环境）的协调发展。,随着对生物与环境关系研究的深入，系统论成为研究生态学的一种重要方法，即把生物与环境作为一个系统来研究。 所谓系统就是在一定空间内以一定规律结合起来的、相互作用和制约的全部因素所构成的具有特定结构和功能的整体。,Tansley提出生态系统的概念，他指出：“所谓生态系统，包括整个生物群落及其所在的环境物理化学因素（通常所说的气候土壤因素），它是一个自然系统的整体。因为它是一个以特定的生物群落及其所在的环境为基础的。这样一个生态系统的组成部分生物与非生物、生物群落与生存环境，可以看作是处在相互作用中的因素。而在成熟的生态系统中，这些因素接近于平衡状态，整个系统通过这些因素的相互作用而得以维持。”,人在生态系统中具有特殊的生态位。 一方面人从的自然属性看，只是生态系统中食物链上的一个环节，仅仅是生态系统的消费者。 另一方面从人的社会属性看，人又是生态系统的调控者。尤其在人工生态系统中，人作为调控者的作用特别重要。这就需要进一步认识生态系统的结构。,2. 生态系统的合成和结构,生态系统的组成包括两大部分和四项基本成分。 两大部分是生命系统和环境系统。 生命系统是动物、植物、微生物等各种生命有机体的集合。 环境系统是光、热、水、土以及各种无机和有机元素的集合。,四项基本成分是：非生物环境、生产者、消费者、还原者。 非生物环境包括太阳辐射能、温度等气候因子及其他物理因素；碳、氧、水及矿质盐类等无机物质；蛋白质、碳水化合物、脂类及腐殖质等有机物质。 生产者，生态系统中的生产者主要是指自养的绿色植物。它们在生态系统中的作用是进行第一性生产，通过光合作用使环境中的无机物合成为有机物质，把太阳光能转化为化学潜能。 消费者，生态系统中的消费者指动物，它们以其他生物为食物，自己不能直接从太阳光能中获取养分。 还原者，主要是指细菌、真菌等微生物，也包括某些腐食性动物。以及某些原生动物。,生态系统的结构,生态系统的结构主要有生态系统的形成结构和生态系统的营养结构。 生态系统的形成结构，是指构成生态系统的各个组成成分的的种类、数量、空间配置和时间变化等。 生态系统的营养结构是研究生态系统的结构时主要研究的对象。它是指生态系统各个成分之间，以营养联系为纽带，建立起一种营养关系，把生物和生物，以及生物与环境紧密地联接起来，构成以生产者、消费者、还原者为中心的三大功能类群。,食物链是指生态系统营养结构中形成一种以食物为中心的链索关系。 食物链上的每一环节叫营养级。 一个生态系统中有许多食物链，多条食物链相互交织、连结在一起形成复杂的食物网。 在食物网中，按营养级顺序排列，形成食物链金字塔。 十分之一定律。,图l-17 食物金字塔，在连续营养级上的生物量的图解表示法很像金字塔。大型食肉动物存活是森林生态系统的健康标志,3.生态系统的功能,生态系统的两大基本功能，就是能量流动和物质循环。 这两大功能是在营养结构的基础上进行，它们是密切相关，不可分割地构成一个统一的生态系统的功能单位。譬如以能量流动来说，鸡从谷物、昆虫等获得能量，其中一部分通过自身的运动，以机械能、化学能等形式施放能量，另一部分能量以鸡蛋、鸡肉等形式为其他生物利用。以物质循环来说，鸡从环境中获得各种植物和动物为其营养物，再以排泄物等形式回到环境中。 食物链就是生态系统能流和物流的输送渠道。,能量流动,在生态系统的食物链中，总是不断地由较低的营养级向更高的营养级转化。在这能量流动过程中，大量的能量被损耗了。 根据林德曼的“百分之十定律”，由低一级营养级向高一级营养级转化过程中，只有10%的能量被同化，其余的90%为呼吸所消耗。因此，能量总是逐级减少的。营养级不超过四级。,整个地球的初级生产量是动物和人口增长不可超越的最大限度。据计算，地球的年初级生产量总共为172109公吨有机物质（干重），折合热量5.161017大卡。按1973年的40亿1千9百万人口，那么年食物消费量，占初级生产量的0.57%-0.84%。（有机物质：2.931015；热量：4.401015） 地球上的三大食物生产基地 农田，年初级生产量2.731016大卡，其中50%不能食用，30%因虫害、霉烂损失以及种子，只有20%可供人类食用。但不能食用部分中有四分之一可通过喂养家畜家禽转化为肉、蛋、奶，按10%的转化率计算，可得动物性食物3.421014大卡。除掉经济作物，农田一年所生产的食物量是5.231015大卡。草原，年初级生产量1.621016大卡，人类可得3.291014大卡。海洋，年初级生产量是1.651017大卡（主要是浮游植物），但人类利用的海洋食物，大都位于食物链的较高位置。而海洋的能量转化率实际只有8%，再加上其他因素（捕捞效率大约只有5%），人类实际每年从海洋得到的食物3.401013大卡。这三项之和为5.591015。据联合国粮农组织调查世界食物生产量为5.001015大卡。,青藏草原 亚马逊雨林 食物金字塔的意义,铁路穿越前：种群生物量足够维持繁衍 10,000吨草，1,000吨(200,000只)羊，100吨(1,000只)狼 高速公路穿越后：种群生物量繁衍艰难 5,000吨草，500吨（100,000只)羊，50吨(500只)狼 5,000吨草，500吨（100,000只)羊，50吨(500只)狼,能量流动过程中的耗散,从第一营养级转移到第二营养级的过程中，能量的耗散是第二营养级上的生物量减少的原因 被吃掉和被消化的生物量在消费者体内被分解，释放出肌肉活动和其他功能所需要的能量。能量以身体废热的形式消散出来 返回到环境中的无机物，CO2 一部分被吃掉的生物量并未消化，粪便 第一营养级上的许多生物量没有被吃掉,物质循环 物质和能量同时在食物链中运转。与能量不同的是，物质运转是循环的，它可以以不同形式存在，但不会减少。 物质不灭定律。 信息传递 在能量流动、物质循环过程中，也伴随着大量的信息传递。包括物理信息、化学信息、营养信息、行为信息等。 信息传递是一种普遍联系的特殊形式。,二、技术系统结构,技术是指劳动的知识要素、物质要素与信息要素的有机组合系统。 狭义的技术指各种工艺、操作方法和劳动技能。广义的技术还要包括物质手段和信息手段。 技术系统可以按不同标准分类，从技术开发使用角度分类：原理开拓型、结构综合型、功能移植型、局部改良型。,三、经济系统结构,经济系统在生态经济学中应用的概念有三种： 一是社会再生产过程中生产、分配、交换和消费的有机整体； 二是国民经济各部门构成的有机整体； 三是社会生产关系和生产力相互作用构成的有机整体。 由此经济系统的结构形式有经济要素结构形式，产业结构形式，经济体制结构形式。,第三节 生态经济系统的功能,一、生态经济系统功能原理 1物质的无限循环原理 水的无限循环 水的循环大体经过三条渠道： 农业生产过程：自然水开发农业生产生态系统； 生产-消费过程：自然水农副产品消费生物生理、生化过程水生态系统； 工业生产过程：自然水生态系统开发工业生产部门环节其他部门生态系统； 生活用水过程：生态系统开发净化居民生活用水生态系统。,水资源的无限循环中，潜伏着三大危机： 一是农业用水占总用水量的80%，但灌溉方式落后，不仅水资源利用率低，而且往往产生次生盐碱化。（排灌与滴灌） 二是工业用水的废水已被严重污染。 三是地下水过量开采导致地面下沉。,气态无限循环 各种气体都在循环过程中。主要涉及到动植物呼吸、自然环境现象（火山爆发、雷电）、海洋逸出与溶解、碳酸盐溶解与沉淀、生产过程的燃烧等。哪个环节都应是可逆的对应过程，才能维持其平衡。其中通过生物的无限循环是最重要的。 气态无限循环潜伏的危机： 主要二氧化碳比例上升，原因有植被减少，使二氧化碳和氧气之间出现不平衡；大量化石燃料的燃烧既消耗了氧气，也增加了二氧化碳。 根据无限循环的原理，这些危机是可克服的，即增加可逆过程和对应生产环节，如增加植被覆盖，控制燃烧活动。,碳的无限循环 碳是构成生物体的主要元素，在无机环境中以二氧化碳和碳酸盐形式存在。其中大气中的二氧化碳，每年约有200300亿吨通过光合作用固定在生物有机体内，生产者和消费者又通过呼吸作用把二氧化碳排放到大气中，其残体和排泄物被分解后被释放到大气中。但也有一小部分经过一个极长的时间形成煤、石油等化石燃料。 碳的无限循环的问题是，大量化石燃料被利用，使固定的碳大量施放，引起大气中碳含量的增加。,矿物循环 矿物回归生态循环的时间是以地质年代计的，而经济开发利用的速度远快于回归速度，二者不具有可比性。于是产生的问题，一方面是矿物资源消耗殆尽，另一方面是废渣（固体废物）的增加。 物质循环的不可逆原理 矿物利用速度和回归速度的不可比，被称为相对不可逆。而一些金属和非金属被氧化、燃烧后不可能回归原来的状态，称为绝对不可逆。,2.能量的定向转化原理,熵值最小原理 熵，本义为一物理名词,用温度除热量所得的商,标志热量转化为功的程度。它也在科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度，某些物质系统状态可能出现的程度。 在技术和经济过程中，熵值愈大，可用来做功的能量愈少。同一部分能量在一个连续的转化环节中，熵值呈递增趋势，能量利用递减。 熵值最小原理，意为在经济活动过程中，要提高每一环节的转化效率，节约使用能量。,价值流增殖的无限复利过程 它是指一件产品经过多层次加工生产后，每经过一才加工都会增加其价值。 能流衰减与价值流增殖的协调 根据熵值最小原理，能量在生产过程中衰减，但价值却在增殖。这样一种背离的运动，因此要寻找二者结合的最佳点。,3. 价值增殖,经济财富的劳动控制 生态系统的自然物流和能流不能满足人类需求，必须通过人的劳动，改变自然生产系统，使之转化为效率更高的生态经济系统，实现这一转变的关键是人类自身的劳动。据对农业生态经济系统的分析，在技术控制下太阳能转化为牧草的能量利用率可由0.3%提高到2.2%，牧草转化为牛奶的能量利用率可由0.0624%提高到0.0767%。,生态经济价值的形态 生态经济价值增殖形态是广义价值，包括劳动价值、经济价值（用货币计量的市场价值）、社会价值（和生态价值、景观价值相联系而又可以用货币单位计量的价值）和文化价值（它是生态系统的改善和建设所显示的不可计量的价值。如珍稀动物、濒危物种的保护、增加数量）、生态景观价值（自然生态景观、人造景观及历史名胜古迹等用以满足人们精神产品需求时产生的环境欣赏价值）等。,价值增殖形态 加环增殖 在生态经济利用链中，增加某一个或几个转化效率高的环节，提高生态资源的利用率，使它比原来生产的产品数量更多、品质更优、使用价值也更高，从而使利用链整体增殖。如生态农业的一些做法，就是属于这种加环增殖。桑基鱼塘；休闲农场。 现在提倡的循环经济，也是属于加环增殖。这种做法，使既有资源得到更充分的利用，大幅度减少废弃物，而增加了产品数量。从经济上表示，就是成本降低，产出增加。,减环增殖 通过减少自然力为主的食物链的环节，以取得高价值产出的做法。一般来讲，简化一个环节，其产量可提高10倍。如利用技术手段，直接从植物中获取动物性食物。人造奶油。或者将人不可食用的植物，经过加工成可食用的食物。 差异度增殖 利用不同区域在需求上的差异，通过商品流通来增加价值。但这种方法不改变形态本身，即不增加物质财富。,4. 生态经济信息控制功能原理,生态信息及其应用 生态信息是关于生物、环境以及它们之间关系和联系的情报与知识的总称。任何生物都要不断从外部环境及其它生物的变化中获得信息，以便及时调整自身的行为，否则就将被淘汰。看到猛兽躲避，看到猎物捕食，变色龙。 同样，人类也可以自觉地利用生态信息控制原理来满足人们的需要。如利用暖棚促进作物生长；气象、地震预报等。,社会经济信息控制,宏观调控。 防范调整。现在我们讨论的生态经济问题，就是一种社会经济信息，发出生态环境恶化已经很严重了，要求人们做出反馈。 反馈调节。石油价格上升，促使人们加速发展节能技术、开发替代产品、勘探新的油田。 复制调节。即一些成功方法、技术、发展模式的仿效。,二、生态经济亚系统功能原理,生态经济亚系统是指生态系统和经济系统之间的物质、能量、信息的交流及其相互作用。 亚系统功能的相互关联： 生态系统的物流、能流、信息流是自然属性，之所以能转化为经济系统的物流、能流、信息流，并又产生价值流，决定于四大要素：,1人类的劳动过程,劳动过程产生的价值流控制了自然物流产品流商流消费物流新形态的自然物流的转化过程以及自然能流产品态能流商流消费能流正熵流。 其中虚线箭头代表无效能量的耗散过程。 如果我们用某种产品生产的劳动过程来描述这一过程。人类为了获得所需要的粮食，利用土地等自然资源生产粮食，并进入市场，最后达到消费者手中。粮食消费后，一部分已能量的形式消耗，另一部分以废弃物的形式再回到自然界，经微生物的作用，再次成为作物生长的养分进入产品,2 技术控制与传导过程,价值流推动技术能物流（经济能物流）去置换自然能物流。这里价值流反映的是运动的动力和方向。为了更有效率地利用资源来生产产品，技术就成了一个重要的手段。 强化功能 提高资源的利用效率。把一些本来不能利用或利用很低的资源，用来满足人类的需要。野生稻、畜牧业。 替代功能 利用技术补充自然能量的不足。水电替代热电、机械替代人力。 开发功能 技术扩大资源利用范围。低品位矿藏、运河。,3 信息控制过程,经济系统的信息约束、协调人类的劳动效率、规模、速度和质量。 一切运动都离不开信息的引导和控制。经济学的基本问题：生产什么，生产多少，怎样生产，为谁生产，什么时候生产等，都需要信息的指引。 过去人类的经济活动片面受经济信息的控制，忽略了生态信息的重要性，导致生态环境的极大破坏，促使人们在从事经济活动时，更要重视生态信息的约束。,4 负熵流的吸收过程,任何运动都必然引起熵增，即能量的耗散。因此，要保持运动持续下去，必须输入负熵流，即低级形态的化学潜能。 一个生态系统的持续，必须有新的能量的输入（从这个意义上讲，太阳能是生命之源）；人必须摄人食物。经济系统中，资金在增殖、货币在积累，而产品在不断消耗，不可避免导致商品与资金之间差额的不断扩大，引起通货膨胀。因此，经济系统同样要不断输入负熵流生产，产品，维持人类生存和经济持续发展。而一切生产活动都需要能量的输入。,地球生态系统的能量来自于太阳能。根据热力学第一定律，能量守恒，在能量转化过程中，能量既不会增加，也不会消失，只是能量形式的变化。根据热力学第二定律，在能量转换过程中，能量总是由高能位向低能位、由集中到分散进行，并总会有一部分成为无用能而散失。太阳能光合作用有机物（植物；动物）无机物。,二、自然物流与经济物流之间的循环,1 自然物流向经济物流的转化 自然物流向经济物流转化的自然过程： 如水和二氧化碳通过农作物自动转化为经济产品，即作物的自然生长过程。 自然物流通过劳动向经济物流转化 ，也就是经过人类的劳动，把自然资源转为人类需要的产品： 如在采集业和捕捞业中的转化，采集果实和狩猎、捕鱼； 在农业中的转化，作物栽培和养殖业； 在工业和采掘业中的转化，开矿并加工成产品。,2 经济物流向自然物流的回归,农业经济物流向自然物流的回归 物理、化学环境的改善转化为自然物质力量。翻耕土地可以改良土壤的质地；沤肥。 工业经济物流向自然物流的回归 三废向自然界的排放。 生产和生活消费物流向自然物流的回归 城市垃圾 回归过程中的环境质量损益效应 经济物流向自然物流的回归，本身是物质循环的一种形式。回归的物流量不能超过环境负荷，否则就是环境污染。,三、生态能流向经济能流转化,自然能流转化为就能流，主要出现在经济能源的生产过程中。其主要方式： 直接获取现成的自然能源 通过种植业生产将太阳能转化为经济潜能流 现代能源生产把地下埋藏的化石能源开掘出来转化为经济能源 负熵流：对于经济系统来说，所有的自然能流都是负熵流，中断这一过程，经济系统将是一个死的结构。在所有的自然物流中，植物潜能是其负熵流，而太阳能又是植物的负熵流。,经济能流不可能再回复到原来的自然能流状态，这是由能流转化中所具有的不可逆性所决定的。 但是，经济能流，无论生物能、化学能、物理能或机械能等，在其传递利用中，总会有一部分能量转化为热能而耗散在环境之中，这种现象称作经济能流向自然能流的转化。这种转化实际上是经济能流在利用中的一种损失熵。 任何形式的经济能流都以熵的方式向自然界传导。因此能源的利用率是不可能达到百分之百。当然，我国在能源利用方面的潜力很大，发达国家达到50%，而我国还不到30%。,第四节 生态经济系统的基本矛盾,一生态经济基本矛盾的含义及其主要表现形式 1生态经济基本矛盾 人类社会不断增长的需求与生态系统更新能力有限，以及由此产生的结构性、功能性的不适