第六章生态工程

1、生态工程的定义实例 美国H.T.Odum首先提出了生态工程这一名词，并定义为: “ “为了控制生态系统，人类应用来自自然的能源为了控制生态系统，人类应用来自自然的能源作为辅助能对环境的控制作为辅助能对环境的控制”；“人类利用少量的辅助能对环境进行管理，来控制人类利用少量的辅助能对环境进行管理，来控制以自然资源为基础的生态系统以自然资源为基础的生态系统”；“管理自然就是生态工程，它是对传统工程的一个管理自然就是生态工程，它是对传统工程的一个补充，是自然生态系统的一个侧面补充，是自然生态系统的一个侧面” ” 。 欧洲的lmann(1983)、Straskraba(1984,1985)与 Gnamc

2、k(1985)提出生态工艺技术，将它作为生态工程的同义语，并定义为： “在环境管理方面，根据对生态学的深入了解，化最小代价的措施，对环境的损害又是最小的一些技术”或“基于生态学知识，利用技术手段管理生态系统，以减少管理费用，并减轻管理活动对环境的干扰”。 美国Mitsch (1988)以及他与丹麦Jorgensen(1989)联合将生态工程定义为： “为了人类社会及其自然环境二者的利益而对人类社会及其自然环境进行设计”，“它提供了保护自然环境，同时又解决难以处理的环境污染问题的途径”。 我国著名生态学家马世骏(1984)为生态工程下的定义为 ：“生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原

3、理，结构与功能协调原则，结合系统分析的最优化方法，设计的促进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，充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。 米草米草米草米草米米草草E E茎茎叶叶A A0. 05 元/ 千克3 元/ 千克6 元/ 千克7. 35 元/ 千克8. 7 元/ 千克米草效益递增A AC CA AB BB BB BA AD DC C整体性原理协调与平衡原理自生原理生态位原理限制因子原理食物链原理一一 整体性原理整体性原理 1 整体论和还原论整体论和还原论 还原论认为宇宙是一个机械系统，能在一个决定性的还原论认为宇

4、宙是一个机械系统，能在一个决定性的力力的作用下被还原为基本单位或基本粒子，只要进行要素分的作用下被还原为基本单位或基本粒子，只要进行要素分析、定量表述，便可了解整个系统，最终解决问题。析、定量表述，便可了解整个系统，最终解决问题。 而整体论强调复杂系统的整体性和关联性。强调系统是而整体论强调复杂系统的整体性和关联性。强调系统是由相互作用和相互联系的若干组成部分结合而成的具有特由相互作用和相互联系的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体，其基本的特性就是集合性，表现在系统各定功能的整体，其基本的特性就是集合性，表现在系统各组分间相互联系、依赖、作用、制约的不可分割的整体，组分间相互联系、依赖、

5、作用、制约的不可分割的整体，整体的作用和效应要比各部门之和来的大。整体的作用和效应要比各部门之和来的大。 2 社会经济自然复合生态系统社会经济自然复合生态系统 生态工程研究处理的对象是作为有机整生态工程研究处理的对象是作为有机整体的体的 社会经济自然复合生态系统，或由社会经济自然复合生态系统，或由异质异质 性生态系统组成的、更高层次的景观系性生态系统组成的、更高层次的景观系统。统。 这一系统是以人的行为为主导，自然这一系统是以人的行为为主导，自然环境环境 为依托，资源流动为命脉，社会体制为依托，资源流动为命脉，社会体制为经为经 络的半人工生态系统。其结构可以分络的半人工生态系统。其结构可以分成

6、为成为 3个主要集合个主要集合 自然社会 经济经济 亚系统 生态系统 经济亚系统 生态系统 空乏的世界和充盈的世界 A 空乏的世界 B 充盈的世界 二 协调与平衡原理 生态系统长期演化与发展的结果，使任一稳态的生态系统在一定时期内均具有相对稳定而协调的内部结构与功能。三 自生原理 自生原理包括自我组织、自我设计、自我调节、自我维持、自我优化和自我再生等系列机制。自生作用是以生物为主要和最活跃组成成分的生态系统与机械系统的主要区别之一。生态系统的自生作用有利于维护系统相对稳定的机构和功能及其可持续发展。 四四 生态位原理生态位原理 生态位是生态学研究中广泛使用的名称，又称生态龛或小生境(Nich

7、e)，通常是指生物种群所占据的基本生活单位、对于生物个体与其种群来说，生态位是指其生存所必须的或可被其利用的各种生态因子或关系的集合。每一种生物在多维的生态空间中都有其理想的生态位，而每一种环境因素都给生物提供了现实的生态位。这种理想生态位与现实生态位之差一方面迫使生物去寻求、占领和竞争良好的生态位。另一方面也迫使生物不断地适应环境，调节自己的理想生态位，并通过自然选择，实现生物与环境的世代平衡。在农业生态系统中，由于其是半人工或人工的生态系统，人为的干扰控制使其物种单一性，从而产生了较多的空白生态位。 因此在农业生态工程设计及技术应用中，如能合理运用生态位原理，把适宜而有经济价值的物种引入系

8、统中，填充空白的生态位而阻止一些有害的杂草、病虫、有害鸟兽的侵袭，就可以形成一个具有多样化物种及种群稳定的生态系统。充分利用高层次空间生态位，使有限的光、气、热、水、肥资源得到合理利用，最大限度地减少资源的浪费。增加生物量与产量，如稻田养鱼就是把鱼引入稻田中，鱼可以吃掉水稻生长发育过程中所发生的一些害虫，为稻田施肥，而水稻则为鱼类生长提供一定的饵料，从而取得互惠互利的效果。 五 限制因子原理 生物的生长发育离不开环境，并适应环境的变化，但生态环境中的生态因子如果超过生物的适应范围时，对生物有一定的限制作用，只有当生物与其居住环境条件高度相适应时，生物才能最大限度地利用环境方面的优越条件，并表现

9、出最大的增产潜力。 1 最小因子定律 2 耐性定律 六 食物链原理 在自然生态系统中，由生产者、消费者、分解者所构成的食物链，从生态学原理看，它是一条能量转化链，物质传递链，也是一条价值增值链。绿色植物被草食动物所食，草食动物被肉食动物吃掉，植物和动物残体又可为小动物和低等动物分解，以这种吃与被吃而形成了食物链关系，但是食物链并非单一的简单的一种关系，如水稻蝗虫鸟类这样，而是形成了一种复杂的食物链网。 林德曼著名的十分之一定律说明，能量从一个营养级向下一个营养级转化的比率只有十分之一，因此自然界的食物链很少有长达4个营养级之上。 106 105 104 103 102 自组织系统中的能量传递

10、生态调查系统诊断生态区划与生态工程设计生态工程的评价一 生态调查 生态调查是生态工程规划与设计的基础工作，是对环境的识别。只有在识别环境的基础上，才有可能建立合理的结构。生态调查主要是对某一系统或区域内生态环境状况及社会经济状况的调查，主要内容为： 1. 气候资源；2. 水资源；3. 土地资源调查；4. 生物资源；5. 社会经济资源。 在生态调查中，传统的生态学数据收集方法仍然是有效的和必不可少的，但是在大尺度范围（规模较大的区域）进行调查研究，3S技术做出了很大的贡献。3S技术是地理信息系统 (GIS)、全球定位系统(GPS) 和遥感 (RS) 三者的总称。二二 系统诊断系统诊断 在生态调查

11、的基础上，对生态系统进行系统诊断，也是生态工程规划与设计的基础性工作，其主要内容为： 摸清环境系统所包含的资源数量、质量，及其时空分布特性，作出定性和定量的分析和评价，确定资源的开发利用价值和合理利用限度；分析环境对系统的限制、约束的因素和程度，特别是不利影响和障碍因子及其作用的大小，确定约束的临界值或极值等；预测环境的发展变化，特别是人类活动对于环境产生的积极和消极影响，如对环境污染及破坏的分析和趋势预测，寻求趋利避害、利用和保护相结合的环境政策和对策；找出造成系统现实状态、功能和理想状态、功能之间差距及其原因，提出要解决的关键问题和问题的范围，初步提出系统的发展方向和目标。三 生态区划与生

12、态工程设计 根据生态调查、系统诊断及综合评价的结果，进行生态区划，在生态分区的基础上进行生态工程的设计。 生态区划是根据自然地理条件、区域生态经济关系及农业生态经济系统结构功能的类似性和差异性，把整个区域划分为不同类型的生态区域。 现有的区划方法有经验法、指标法、类型法、叠置法、聚类分析法等，根据分区的原则与指标，运用定性和定量相结合的方法，进行生态分区，并画出生态区划图。 中国盐城大丰沿海互花米草滩的围堤养殖示意图中国盐城大丰沿海互花米草滩的围堤养殖示意图 1. 海堤 2. 互花米草滩 3. 围堤 4. 鱼、虾等 东东 四 生态工程的评价 由于生态系统是一个复合系统，生态工程的设计必须具备多

13、个方面的功能和效益，这里就有一个如何对生态工程进行综合评价的问题。 对生态工程进行综合评价对于生态工程的规划与设计有着十分重要的意义，综合评价能使规划更加合理化并有利于不同生态工程的横向比较。 1 生态工程的评价指标体系 针对不同类型的生态工程有许多不同的评价指标，这些指标的性状不一，不同的指标之间很难进行直接的比较。 生态工程的评价指标构成评价指标体系，指标体系一般分为三层，第一层为综合效益，第二层为经济效益、生态效益、社会效益，第三层为各种具体指标。生态健康复合体系生态健康复合体系A1 一级体系 环境环境B B1 1 绿化系统C1 水环境系统C2 气环境系统C3 声环境系统C4 光环境系统

14、C5 热环境系统C6 二级体系 住宅住宅B2 能源系统C7 结构系统C8 室内设施C9 附属设施C10 物业管理物业管理B3 服务功能C11 废弃物管理系统C12 管理功能C13 社会文化社会文化B4 硬件设施C14 文化生活C15 文明程度C16 三级体系 城镇生态健康小区指标体系示意图城镇生态健康小区指标体系示意图表表 南京市龙江小区（阳光广场）生态健康小区指标体系一、二、三级指标数值南京市龙江小区（阳光广场）生态健康小区指标体系一、二、三级指标数值指标指标 数值数值 A A 0.550.55 指标指标 数值数值 B B1 1 B B2 2 B B3 3 B B4 4 0.48 0.480

15、.48 0.48 0.69 0.61 0.69 0.61 指标指标 数值数值 C C1 1 C C2 2 C C3 3 C C4 4 C C5 5 C C6 6 C C7 7 C C8 8 0.54 0.50 0.500.54 0.50 0.50 0.21 0.68 0.21 0.68 0.75 0.50 0.60 0.75 0.50 0.60 指标指标 数值数值 C C9 9 C C10 10 C C11 11 C C12 12 C C13 13 C C14 14 C C15 15 C C1616 0.50 0.25 0.75 0.68 0.63 0.50 0.25 0.75 0.68 0.

16、63 0.64 0.60 0.600.64 0.60 0.60 注: 由本体系评分获总分达80以上者，即A为0.8，便可称为生健康小区；A为0.60.8者，与生态健康标准有一定差距；A为0.50.6者，与生态健康标准有相当差距；A为0.5以下者，为生态健康水平低下。 表中A、B、C的含义与图1各级指标按顺序一一对应。 2 2 生态工程的系统分析生态工程的系统分析 生态工程评价的方法有多种，如经验评估法、单项指标评价法、综合分级评分法、多指标综合评价法，每一种方法都有各自的缺点和优点，有些方法简单易行，但主观性较大，有些方法较为严密，但计算时较为复杂。现在较为先进的为能值分析法（Emergy A

17、nalysis）。19701981199120532011(c)(b)(a)012345619401960198020002020204020602080 年太 阳 能 值 (E16 Sej/yr) 实 际 曲 线20 年 恢 复60 年 恢 复未 完 全 恢 复三种恢复手段能值随时间变化图 李文华先生等提出准确的中文表述为：“农林(牧)复合经营系统是指在同一土地管理单元之上，人为地把多年生木本植物(如乔木、灌木、棕榈、竹类等)与其他栽培植物(如农作物、药用植物、经济植物以及真菌等)和动物，在空间上或按一定的时序安排在一起而进行管理的土地利用和经营系统的综合。 在农林(牧)复合经营系统中，在不

18、同的组分间应具有生态学和经济学上的联系。” 农林(牧)复合经营系统符合生态工程的性质特征，因而也可以定名为农林牧复合生态工程。1.1 生物成分必须与环境条件相适应，要因地制宜地进行经营类型的选择和系统的辅助设计。 1.2各生物成分之间，不是孤立的，是互相联系、互相作用的，在引入物种时要谨慎从事，要考虑到该物种对其他物种和整个系统的影响。 1.3 必须保证物流与能流的通畅，通过提高第一性生产力和提高生态效率(能量转化率)来提高整个系统的生产力；又通过多层级地利用物质和能量，减少外流浪费，提高系统的综合效益。 为了反映农林牧复合经营的效率，Mead和Willey80年代提出用“土地等效率”或称“土

19、地利用当量法” 来表示。一个农林牧复合经营系统的土地等效率(LER)是其各个组分的土地等效率之和)。计算式为： 当LER1.0时，表示该复合系统具较高的效率；当LER1.0 时，表示系统效率较低；当LER=1.0时，表示该系统效率与单种时相当。增产与增值原则；打破单一经营，保证生态系统自身的稳定和持续发展；合理有效地人工调控(如桑基鱼塘中鱼环的增加，农牧系统中粪肥先生产沼气再做肥料将生产转化链拉长等)。 供求法则；在提高系统物种多样性的同时，顺应市场供求形成的价格导向，进行不同作物品种的不同时空配置，力争向市场提供丰富多样、适销对路的产品。 充分利用自然资源和劳动力资源；如桐农间作，利用泡桐秋

20、冬的落叶及初夏的开花生叶与小麦基本不争光；合理安排农业劳力(季节性)和农村劳力(多种就业)，以提高系统的效益和农民的经济收入。 长效与短效相结合；农林牧复合经营中，农业项目一般周期较短，畜牧业相差较大，从几个月到23年，林业则较长，但若干年后年年会有效益；应长短结合，以短养长地安排多种经营项目，优先发展“短平快”的项目，也积极安排中长期项目，以利于经济综合健康发展。 风险最小原则；农林牧受自然生态环境影响很大，合理配置可以减少灾害带来的损失；另外市场价格和需求对农林牧生产结构影响也很大，因地制宜发展多元化经营，作到产业多样化，产品多样化，结构系列化，分散市场风险，提高系统的竞争性。 发展资源节约型和技术密集型系统；发展立体种植结构(空间上和时间上)，使当地的光、热