生态工程导论

生态工程学刘晓东顾莉实用生态工程学导论原理设计方法种植业林业养殖业农林牧复合生态经济系统荒芜土地恢复与重建庭院城市湿地土地微观区域主要章节内容基本理论、方法不同类型复合生态系统不同尺度作业、练习的安排与要求内容：根据授课内容，选择相应的习题或讨论内容，加深对授课内容的理解。成绩评定平时成绩（30%，包括作业、课堂讨论、到课率），期末考试（70%）1/3/202331/3/20234参考书：1.盛连喜，许嘉巍，刘惠清编著．实用生态工程学．高等教育出版社.2005．

2.PatrickC.Kangas.EcologicalEngineering:PrinciplesandPractice.LewtsPublishers.2003.3.钦佩、安树青、颜京松编著，生态工程学（教育部推荐研究生教学用书）.南京大学出版社，2008（第3版）.第一章生态工程导论第一节生态工程的定义一、定义二、关于生态工程定义的讨论三、生态工程、环境工程和生物工程的比较第二节生态工程产生的背景一、人口激增二、自然资源严重破坏三、能源短缺四、环境污染五、食物供应严重不足第三节国内外生态工程的发展与现状一、国外生态工程研究进展二、我国生态工程的研究与发展第四节生态工程的应用前景一、生态工程与可持续发展二、生态工程与生物多样性保护三、生态工程与农林牧业建设四、生态工程与城市生态建设5教学目的和要求掌握生态工程的内涵、研究的基本内容和目的，正确理解生态工程与环境工程及生物工程的区别。了解生态工程产生的背景及应用前景，对生态问题的出现，及生态工程产生的背景有一定理解。正确认识生态工程是生态学理论在实践中的应用与发展，是解决现存人与环境间关系的矛盾的重要途径。6第一节生态工程的定义一、定义

由人类用少量的能源对环境进行熟练操纵，以控制那些主要是由自然能源驱动的系统。——H.T.Odum(1962)

生态工程属于自组织的应用系统领域，是对自然的管理，是同自然合作良好的术语。——H.T.Odum(1983)1/3/20237生态工程学是一门新的科学，其发展历史较短，始于20世纪后半叶。HowardT.Odum奥德姆

(1924–2002)1/3/20238《EcologicalEngineering:anintroductiontoeco-technology》于1989正式出版，标志生态工程学正式成为一门学科。——W.J.Mitsch(1989)人类社会同自然环境合作进行的对双方都有利的设计。——W.J.Mitsch(1989)为了人类社会及其自然环境的利益，而对人类社会及其自然环境加以综合的，而且能持续的生态系统设计，以期达到生态恢复、生态更新、生物控制等目的。——W.J.Mitsch(1993)WilliamJ.

Mitsch威廉·J·密茨(1947–)1/3/202391954年研究防治蝗虫灾害时提出“生态工程”一词，即通过调整生态系统的结构、控制水位等改变蝗虫的滋生地。模拟生态系统原理而建成的生产工艺体系即生态工程。——马世骏（1983）生态工程是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。——马世骏（1984）马世骏(1915–1991)导论原理设计方法种植业林业养殖业农林牧复合生态经济系统荒芜土地恢复与重建庭院城市湿地土地微观区域主要章节内容基本理论、方法，与相对单一的生态系统复合生态系统不同尺度12/25/202211盛连喜（（2000）综合以以上不同同学者的的定义将将生态工工程学定定义如下下：生态工程程学:应用自然然生态系统统原理，通过同同自然环环境合作作，进进行的对对人类社会会和自然环境境双方都有有利的复复合生态态系统设设计的科科学。12/25/202212生态系统统庭院生态态工程二、关于于生态工工程定义义的讨论论实质：用生态系系统的原原理为人人类社会会服务传统的庭庭院生态态系统不不完整，，食物链缺缺乏、资资源利用用率低，沼气池池和食用用菌栽培培技术的的引入完完善了庭庭院生态态系统，，提高了资资源的利利用效率率江苏条子子泥匡围围工程生生态重构构草坪种植植前的情情况施入盐碱碱地草坪坪建植专专用的改改良剂人工浇水水铺草坪草坪种植植后的表表现情况况挖沟排水水盐分测定定加入泥炭炭适当修剪剪覆盖麦秆秆浇水初步效果果该示范工工程的成成功实施施既可以以保存原原有的湿湿地生物物多样性性，并使使原有的的物种不不至于丧丧失殆尽尽，又能能构建新新的湿地地系统，，并加快快生态功功能的形形成，为为沿海滩滩涂的生生态型围围垦提供供典型案案例。句容市赤赤山湖国国家湿地地公园建建设建设内容容滨岸湿地地生态修修复与保保护，营营造生物物的重要要栖息地地人工湿地地建设恢复赤山山湖滞洪洪区湖滨带景景观保护护、修复复建设科研研中心、、建设野野生动物物救护站站、环境境监测站站湿地保育区生态恢复区科普宣教区合理利用区管理服务区总面积1300hm2超级油轮轮原油泄泄露净化化生态工工程超级油轮轮BxxonValdez号4.2××104m3的原油在在5h内被泄漏漏到美国国阿拉斯斯加海岸岸，影响响遍及1450km的海岸。。由于常规规的净化化方法已已不起作作用，Bxxon公司和环环保局随随后就开开始了著著名的““阿拉斯斯加研究究计划””，主要要采用生生物修复复技术来来消除溢溢油的污污染，这这是到目目前为止止规模最最大的现现场生物物修复工工程。工工程实施施过程中中在一些些受污染染的海滩滩有控制制地添加加两种亲亲油的微微生物营营养成分分，海滩沉积积物表面面和次表表面的异异养菌和和石油降降解菌的的数量增增加了1个～2个数量级级，石油油污染物物的降解解速度提提高了2倍～3倍，使净净化过程程加快了了近两个个月。12/25/202219特征生态工程环境工程生物工程组织水平生态系统水平环境系统水平细胞水平理论原理生态学环境学遗传学、细胞生物学控制内容力学功能（水、气、太阳能、生物）废水、废气、废渣、噪声遗传结构、密码设计自我设计+人类设计人类设计人类设计维持和发展费用合理而便宜较贵昂贵生物多样性保护保护变化三、生态态工程、、环境工工程和生生物工程程的比较较（续）第二节生生态工工程产生生的背景景一、人口口激增二、自然然资源严严重破坏坏三、能源源短缺四、环境境污染五、食物物供应严严重不足足12/25/20222012/25/202221人口激增增，对资源、、环境的需需求增加加环境问题题是实质质是“人的问题题”唐代（618-907）汉代（前202-220）史前时期清代（1612-1911）石羊河流流域演化化过程生态系统统退化潴野泽1.6万km2,深25m史前无人东海、西海4000km2数万人(汉)柳林湖、白亭海1000km220-40万人(唐)青土湖100km2100万人(清)200多万人人类活动动取用水水增加，，水循环环通量减减少，从从水生湿湿地生态态系统逐逐渐转变变为荒漠漠生态系系统石羊河流流域生态态格局演演变生态系统统退化12/25/202224一、生态态问题出出现20世纪60年代以来来，全球球经济进进入快速速增长阶阶段。经经济的迅迅猛发展展、技术术的革新新使人们们的生活活水平大大大提高高，但但其负面面影响也也越来越越严重。。发达国家家主要表表现：工业化和和高度集集约化的的农业经经营所带带来的种种种环境境污染和和过量耗耗费不可可更新资资源（如如石油））问题；；发展中国国家则表表现为：：人口的快快速增长长、资源源的过度度开发、、损毁和和低效利利用，以以及由此此而引起起的环境境污染问问题。“生态足迹迹”12/25/2022251952年英国国伦敦敦烟雾雾事件件1953年～1956年发生生在日日本熊熊本县县水俣俣市的的公害害事件件1952年12月5日－9日发生生在伦伦敦的的一次次严重重大气气污染染事件件。这这次事事件造造成多多达12000人因为为空气气污染染而丧丧生，，并推推动了了英国国环境境保护护立法法的进进程。。1953年发现现首例例，症症状初初始是是口齿齿不清清、步步态不不稳、、面部部痴呆呆；进进而耳耳聋眼眼瞎、、全身身麻木木；最最后神神经失失常、、身体体弯弓弓、高高叫而而死。。由于于摄入入甲基基汞而而引起起发病病。累累计中中毒患患者283人，其其中60人死亡亡。12/25/20222650年代初初期洛洛杉矶矶光化化学烟烟雾事事件似曾相相识光化学学烟雾雾是大大量碳碳氢化化合物物在阳阳光作作用下下，与与空气气中其其他成成份起起化学学作用用而产产生的的。这这种烟烟雾中中含有有臭氧氧、氧氧化氮氮、乙乙醛和和其他他氧化化剂，，滞留留市区区久久久不散散。在1952年12月的一一次光光化学学烟雾雾事件件中，，洛杉杉矶市市65岁以上上的老老人死死亡400多人。。1955年9月，由由于大大气污污染和和高温温，短短短两两天之之内，，65岁以上上的老老人死死亡400余人。。12/25/202227......我们不不要过过于得得意我我们对对自然然界的的胜利利。对对于我我们的的每一一次胜胜利，，自然然界都都报复复了我我们。。每一次次的这这种胜胜利，，第第一步步我们们确实实达到到预期期的结结果，，但但第二二步和和第三三步却却有了了完全全不同同的意意想不不到的的结果果，常常常正正好把把第一一个结结果的的意义义又取取消了了。......因此我我们必必须时时刻记记住：：我们统统治自自然界界，决不象象征服服者统统治异异民族族一样样，相相反地地，我我们同同我们们的肉肉、血血和和头脑脑一起起是属属于自自然界界，存存在于于自然然界，，我们们对自自然的的整个个支配配，仅仅仅仅是因因为我我们有有别于于其他他一切切动物物，能能够正正确认认识和和运用用自然然规律律而己己。——（恩格格斯：：自自然辩辩证法法，146页，人人民民出版版社，，1957)恩格斯斯12/25/202228第一次次浪潮潮，是是指农业和和手工工业生生产水水平阶阶段。（以以观察察和猜猜测的的方式式认识识自然然现象象，解解释能能力较较弱））第二次次浪潮潮，是是指以纵向向发展展速度度为特特征的的大工工业革革命阶阶段。（以以光学学、物物理学学、化化学等等手段段认识识自然然，孤孤立的的观点点）第三次次浪潮潮，是是指以横向向交织织学科科为特特征的的阶段段。（学学科交交叉的的看问问题））二、第第二次次浪潮潮的思思维对对人类类与自自然关关系的的影响——对第二二次浪浪潮的的思维维的反反思12/25/202229第二次次浪潮潮的思思维是是工业业革命命的产产物，，它强调调分门门别类类地认认识事事物。这在工工业化化的初初期应应该是是一个个进步步过程程，但但到后后期，，这种种分散散的、、孤立立的只只要部部分不不要整整体的的认识识事物物的方方法，，却却带来来了明明显的的片面面性。。第二次次浪潮潮的思思维，，在人人和自自然的的关系系上，，是“改造造论””占支配配地位位（人人定胜胜天））。在这种种思维维的支支配下下，部部门门分割割非常常突出出。只顾发发展生生产，，不管管环境境好坏坏，把本本来人人和自自然协调的的关系系转变为为人和和自然然对立的的关系系。二、第第二次次浪潮潮的思思维对对人类类与自自然关关系的的影响第二次次浪潮潮的思思维的的缺点点12/25/202230三、人人们在在觉醒醒全球性性环境境污染染在很很大程程度上上是由由发达达国家家造成成的，，而限限制生生产就就意味味着部部分剥剥夺了了发展展中国国家经经济发发展的的权利利，让让发展展中国国家负负担全全球污污染的的成本本是极极不公公平的的。那么，，到底底该怎怎么办办呢？？答案只只有一一个：坚坚持可持续续发展展经济发发展不不仅要要满足足当代代人的的需要要，还还要不不危害害后代代人的的发展展能力力——布特兰兰夫人人，1987，《我们共共同的的未来来》12/25/202231米勒（PaulHermannMüller）1939，确确认DDT有杀虫虫力人们在觉醒醒——DDT的案例卡逊（RachelCarson）1962，寂寂静的春天天1969，，美国国国家环境保））成立。1972年年禁用DDT从70年代后滴滴滴涕逐渐被被世界各国国明令禁止止生产和使使用。滴滴滴涕还成为为中国环境境保护事业业的催生婆婆。12/25/202232由于人类的的活动，现现在地球表表面几乎没没有发现未未受到人类类影响的区区域12/25/202233地球没有““净土””12/25/202234DDT与蚁酸在哲哲学意义上上没有本质质不同问题出现在在哪里？12/25/2022351972年，，联联合合国国第第一一次次人人类类环环境境大大会会的的非非官官方方报报告告：：《只有有一一个个地地球球》出版版。。指出出认认识识生生物物圈圈与与技技术术圈圈相相互互依依存存的的重重要要性性；；指出出生生态态和和社社会会经经济济的的相相互互依依赖赖性性；；跳出出了了第第二二次次浪浪潮潮的的思思维维的的局局限限性性，既既看看到到部部分分又又看看到到了了整整体体。。BarbaraWard(1914-1981)人们们在在觉觉醒醒12/25/202236D.H.Meadows(1941-2001)《增长长的的极极限限》1972年版版本本中中的的基基础础模模型型人们们在在觉觉醒醒悲观观论论者者人口口增增长长自然然资资源源消消耗耗粮食食生生产产工业业生生产产12/25/202237人们们在在觉觉醒醒乐观观派派资源源没没有有尽尽头头，，恶恶化化只只是是暂暂时时现现象象；；过去去不不是是资资源源的的资资源源可可变变成成资资源源；；特定定时时段段和和技技术术条条件件下下，，资资源源是是有有限限的的；；必须须依依靠靠科科学学技技术术，，合合理理利利用用自自然然资资源源。。J.L.Simon(1932-1999)12/25/202238人们们在在觉觉醒醒其他他观观点点：：1980年，，R.J.本奈奈特特（（Bannet）和和R.J.乔利利（（Chorley）合合著著的的《环境境系系统统》论述述了了共生生的现现象象（（symbiosis），，共生生可可使使人人类类社社会会与与自自然然环环境境都都互互相相有有利利。1980年，，A.托夫夫勒勒（（Tofflar）在在《第三三次次浪浪潮潮》中指指出出：：““过过去去十十年年间间，，地地球球生生物物圈圈出出现现了了根根本本性性的的、、潜潜在在的的危危险险变变化化…………….它迫迫使使我我们们去去重重新新考考虑虑人人对对自自然然的的依依赖赖问问题题………使我我们们产产生生了了新新的的观观点点，，强调调人人与与自自然然和和睦睦相相处处，，改改变变以以往往的的对对抗抗状状态态”。。1983年，，A.P.A.吴英英克克（（Vink）指指出出：：““同自自然然合合作作比比同同自自然然对对立立较较为为有有利利并并常常常常是是更更为为有有效效”。……第三节国内内外生态工程程的发展与现现状一、国外生态态工程研究进进展12/25/202239生态工程一词词自提出后，即在北美和欧欧洲得到了广广泛应用。在生态工程领领域一直率先先推动生态学学理论的实践践，他开展了了许多主要的的生态系统设设计试验，如如利用湿地处处理生活污水水的等内容。1989年由和编写的生态工工程—生态技术介绍绍出版，其后后于1992年开始发行生生态工程刊物物。12/25/202240近十几年来，，西方生态工程程正在从研究究走向应用。如在美国加洲洲南部河口区区湿地，利用用湿生植物香香蒲等去除重重金属，改善善水质，并进进行土地复垦（Brown,1991）；在丹麦格雷姆姆斯湖(Glums)建立了防治富富营养化的生生态工程(Jorgenson,1993)德国建立了以以芦苇为主的的湿地处理废废水的生态工工程(Etnier,1991)美国1992年提出的环保保“４R”(reduction,recovery,reuseandrecycle)策略正在逐步步实施。12/25/202241各国应用特点点：荷兰《从生态态系统到生态态设计》，反反映了生态系系统研究向更更实用的方向向迈进。捷克：制定定生态法规，，对生态规划划极为重视法国和日本：：以城市生生态为重点美国：自然然生态系统的的恢复，如森森林生态恢复复、湿地生态态恢复、草地地生态恢复……总的来说，西西方生态工程程研究及实践践范围较窄，，重点集中于于环保生态工工程，农业生生态工程的应应用，也局限于持续续农业、有机机农业的试验验与推广。12/25/202242二、我国生态态工程的研究究与发展我们的祖先很很早就开创出出一条独有的的发展农业生生产的途径，，自觉不自觉觉地采用了某某些生态工程程原理和技术术，产生了古古代农业生态态工程最早的的雏型。（一）古代农农业生态工程程雏型食物链原理“大鱼吃小鱼鱼，小鱼吃虾虾米，虾米吃吃滋泥（水中中微小生物））”；“螳螂螂捕蝉，黄雀雀在后……””系统联系原理理阴阳说、五行行论……12/25/202243治水工程都江堰水利枢枢纽工程土地多样化利利用多样化的梯田田、南方架田田、水旱轮作作等复合农业农渔结合、农农牧结合、农农林结合等12/25/202244生态工工程应应用范范围涉涉及农农业、、环保保、林林业、、养殖殖等各各个领领域，，遍布布各类类型区区。目前国国家有有组织织的农农业生生态工工程试试点县县、乡乡、村村或农农场有有2万多个个；国家五五大防防护林林生态态工程程覆盖盖面积积占国国土10％；城市及及村镇镇各类类污水水处理理生态态工程程试点点300余处；；生态工工程领领域发发表文文章：：4000余篇；；（二）我国现现代生生态工工程的的发展展12/25/202245生态工工程研研究——合理利利用自自然资资源（（案例例）华北和和西北北的枣枣粮间间作、、板栗栗粮食食间作作、胡胡桃粮粮食间间作；；南方的的杉农农间作作、桐桐粮间间作；；复种、、套种种等。。间作可可提高土土地利利用率率，可增加对对阳光光的截截取与与吸收收，减少少光能能的浪浪费；；同时时，两两种作作物间间作还还可产生互互补作作用（豆科科和禾禾本科科）。。是我国国珠江江三角角洲地地区，，为充充分利利用土土地而而创造造的一一种挖挖深鱼鱼塘，，垫高高基田田，塘塘基植植桑，，塘内内养鱼鱼的高高效人人工生生态系系统。。桑基基鱼塘塘是池池中养养鱼、、池埂埂种桑桑的一一种综综合养养鱼方方式。。桑基鱼鱼塘（（蔗基基、果果基））桑树通通过光光合作作用生生成有有机物物质桑桑叶，，桑叶叶饲蚕蚕，生生产出出蚕蛹蛹及蚕蚕丝（（加工工工艺艺中的的物质质转化化），，桑树树的脱脱落物物蚕沙沙施用用到鱼鱼塘,经过鱼鱼塘内内另一一食物物链过过程,转化为为鱼。。鱼的的排泄泄物及及其未未被利利用的的有机机物沉沉积于于塘底底，经经底栖栖生物物分解解后可可成为为桑树树的肥肥料，，返回回桑基基。这这种交交互补补偿水水陆物物质的的方式式,广泛适适用于于沼泽泽及低低湿地地区桑基鱼鱼塘水陆交交互模式12/25/202248桑基鱼鱼塘系系统物物质循循环和和能量量流动动示意意图桑基鱼鱼塘是是我国国珠江江三角角洲地地区，，为充充分利利用土土地而而创造造的一一种挖挖深鱼鱼塘，，垫高高基田田，塘塘基植植桑（（蔗）），塘塘内养养鱼的的高效效人工工生态态系统统。公元9世纪就就开始始的传传统农农业生生产方方式。。浙江江青田田稻鱼鱼共生生系统统在2005年入选选成为为首批批全球球重要要农业业文化化遗产产之一一。青田稻稻鱼共共生系系统距今已已有上上千年年历史史，最最早源源于溪溪水灌灌溉稻稻田，，后来来渐渐渐形成成了在在田中中种植植一季季稻、、放养养一批批鱼、、饲养养一群群鸭的的农业业生产产方式式，让让世代代侗乡乡人丰丰衣足足食。。该系系统在在2011年入选选全球球重要要农业业文化化遗产产。从江侗侗乡稻稻鱼鸭鸭系统统位于云云南省省红河河州，，总面面积达达82万亩，，拥有有1300多年的的开垦垦历史史。该该系统统在2010年入选选全球球重要要农业业文化化遗产产，此此外还还在2013年入选选了世世界文文化遗遗产。。云南哈哈尼稻稻作梯梯田系系统江苏兴兴化垛垛田传传统农农业系系统，，在沼沼泽地地上垒垒起垛垛田，，形成成了独独特的的土地地利用用方式式，于于2014年入选选全球球重要要农业业文化化遗产产。江苏兴兴化垛垛田传传统农农业系系统12/25/202253

国外国内哲学思想的差异世界万物都是上帝创造的，上帝可以改变一切，创造一切。天道与人道一脉相承的体系，社会经济背景的差异先污染后治理先污染后治理基础理论与设计的差异主要是以环境科学与生态学为主要理论依据；设计原理和技术路线单一。基本局限自然科学范畴，以恢复生态系统自组织能力为主。借鉴国外的经验；我国比较复杂，不仅仅运用自然科学，而且运用经济学、系统论等科学理论。对象与目的差异针对自然生态系统的保护和环境污染治理，内容单纯、规模较小，目的偏于污染治理和环境保护针对我国社会经济发展的现实与生态环境的现状了进行的的综合性工程。范围广泛、内容复杂；包含“社会-经济-自然”负荷生态系统全部内容和庞大的系统工程国内外外生态态工程程的特特点比比较第四节节生生态态工程程的应应用前前景一、生生态工工程与与可持持续发发展1987，，世界界环境境与发发展委委员会会（WCED））在《《我们们共同同的未未来》》中提提出““可持持续发发展是是既满满足当当代人人的需需要，，又不不对后后代人人满足足其需需要的的能力力构成成危害害的发发展。。”1992，，联合合国环环境与与发展展大会会（UNCED）,《《里约约宣言言》、、《21世世纪议议程》》、《《森森林问问题原原则声声明》》。1994《《中国国21世纪纪议程程》、、《中中国环环境保保护21世世纪议议程》》1995《《中中国林林业21世世纪议议程》》1996《《中国国海洋洋21世纪纪议程程》1999《《中中国农农业21世世纪议议程》》12/25/20225412/25/202255二、生态态工程与与生物多多样性保保护保护珍稀稀濒危生生物珍惜、濒濒危生物物的灭绝绝主要与与生态习习性、生生态环境境的改变变及人类类干扰有有关。应用生态态系统原原理使生生物的生生态习性性和自然然环境匹匹配，才才能获得得成功。。12/25/202256恢复和重重建重要要生态系系统长白山红红松针阔阔混交林林目前，许许多地带带性植被被已不多多见，如如温带湿湿润地区区与大气气候相适适应的地地带性植植被——红松阔叶叶混交林林，由于于人类过过量采伐伐、采育育失调，，原始的的混交林林所剩无无几。但但只要区区域大气气候条件件仍适合合红松针针阔混交交林生长长，采用用生态工工程的技技术就可可使其恢恢复或得得以重建建。例如：吉吉林省蛟蛟河老爷爷老爷岭岭山地，，1940s曾经被择择伐殆尽尽，由于于海拔较较高1200m，山势陡陡峭，人人为干扰扰较少，，经过60多年的恢恢复，已已呈现出出原始林林的林相相。12/25/202257保护植物物群落多多样性绿色植物物是生态态系统的的