第8章生态工程

§8生态工程§8－1生态工程概述§8－2生态工程使用的有关原理和

遵循的原则§5－3国内外生态工程研究及发展§8－1生态工程概述一、生态工程产生的背景二、生态工程的定义三、生态工程与其它学科的关系四、生态工程与其它相近领域的对比全球生态危机表现：人口激增、资源破坏、能源短缺、环境污染和粮食供应不足等西方发达国家面临的主要是由于高度的工业化和强烈集约型的农业经营带来的环境污染问题。发展中国家所面临的不单纯是环境污染问题，而是一种由于人口增长、资源破坏、生产不足和环境污染共同构成的综合症。§8－1生态工程概述一、生态工程产生的背景历史背景和现实需求在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的。60年代末人们认为可通过实现无废物（zerodischarge）目标来解决问题。治理环境污染的人力、财力和物力是有限的部分环境净化技术很可能将污染物从一种介质转移到另一种介质中去运用生态系统的某些功能如生物净化功能以实现降低污染和保护资源的目标，产生了发达国家的生态工程研究。生态工程提供了一种实现低耗、高效、无或少废生产适用技术的发展战略。§8－1生态工程概述二、生态工程的定义H.T.Odum(1962)：首次使用生态工程(ecologicalengineering)，定义为“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”；H.T.Odum(1971)：又指出生态工程即是人对自然的管理；H.T.Odum(1983)：修订此定义为设计和实施经济与自然的工艺技术。Strascraba（1993）和Strascraba&Gnauck（1985)：还提出生态工艺(ecological

technology

或ecotechnology)，定义为在深入了解生态学原理的基础上，通过最少代价和对环境的最少损伤，将管理技术应用到生态系统中。在国外70年代初，也有两方面的研究与生态工程的研究有关，一是替代农业研究，一是环境工程研究，但这些研究并未明确使用生态工程的名词。§8－1生态工程概述二、生态工程的定义马世骏：在70年代末对生态工程提出了较完善的概念；对生态工程理论及在工业发展中的实践意义作了阐述：由于工业发展过程中，出现的环境受干扰并迫切需要采取保护政策，促使我们不得不在社会、经济、自然生态系统及资源物质系统之间，寻找多方相互依赖的特点，从而近年来在社会科学与自然科学之间产生了新的交叉学科前沿，这样的社会、经济、自然生态系统的结合，是当前国际上处理社会问题的重要理论依据。实例：工业城市生态学是近年来开展的典型社会、经济、自然生态系统，在此复合系统中，包括复杂的物质能量代谢系统及地质化学循环系统，并密切地与废物管理、营养物质循环和区域性食物供应系统相联系，通过连接三个系统的循环关系，可以及时有效地将人类和动物的废物返回到土壤，把工业废物加以分解或再生，它所依据的机理就是模拟自然生态系统长期持续环链结构的功能运作过程，可称之为生态系统工程（马世骏，1979）。§8－1生态工程概述二、生态工程的定义马世骏（1984）：对生态工程做了较详细和明确的定义，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。他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。§8－1生态工程概述三、生态工程与其它学科的关系生态工程产生的学科背景：应用生态学的分支科学之一；传统生态学的研究在20世纪30、40年代取得很多重大进展，特别是生态系统概念的提出和生态系统生态学的建立，使系统信息学的思想在生态学的研究中发展，同时各分支科学进一步横向互相渗透，传统的经典科学得到了全新的更新和改造，焕发出新的生命力；应用生态学的各个分支，如农业生态学、城市生态学、区域生态学等在这一时期迅速发展，并取得许多重要进展，这些为生态工程概念的完善和生态工程学的建立奠定了科学基础；系统科学的发展特别是系统工程学在各个领域中的广泛应用，为生态工程的研究提供了理论和方法基础。在以上历史背景下，作为一个独特的研究领域，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，成为一门多学科交叉渗透的新兴边缘学科。§8－1生态工程概述三、生态工程与其它学科的关系生态工程与理论生态学及应用生态学的关系：理论生态学和应用生态学都是生态工程基础，但并不能完全定义它；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。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§8－1生态工程概述四、生态工程与其它相近领域的对比环境工程：早在1960年就被提出，并得到了丰富的发展和建设；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。实例：建立各种反应池（tanks），除尘器（scrubber），过滤器（filters），化学沉淀池等装置消减污染物质。对比：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，生态工程与环境工程目前还有一定距离，在未来的发展中将会结成密切的伙伴关系。生物工程：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；发展有一定的可比性，生态工程现在的发展程度与20年前生物工程的发展有相似之处；许多学者和环境管理人员相信，生物工程并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，解决生物工程所经历的局限性，从而得到更深刻的注意。§8－1生态工程概述四、生态工程与其它相近领域的对比恢复生态学：生态恢复：是一个修补人类对生态系统造成的损害，恢复生态系统原有的多样性和动态平衡的过程。恢复生态学的研究内容：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。恢复生态学最早基于生物工程的概念，将各种植物的使用作为工程材料。对比：恢复生态学与生态工程有密切关系，不同主题的恢复生态学有设计生态系统的目标，但与生态工程相比，它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。实例：一个地区的完全生态恢复得以重建的范例几乎没有，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。§8－2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，并有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。原理：

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；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；实例：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。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。生态系统可以成长。由于物质和能量的输入，生态系统的成长是一个熵减的过程。熵值的增加和减少使得生态系统有一个稳定的成长过程，并达到动态平衡的阶段。§8－2生态工程使用的有关原理和遵循的原则原理：生态系统是一个能量、物质和信息开放的系统，生态系统之所以能不断发挥功能，是因为有不断的能量输入，及地壳物质进入生态系统。因而，生态系统易于受到外来输入的攻击。实例：一个湖泊生态系统需要有恒定的来自太阳辐射能的输入来抵制由于对外开放造成的系统营养的损失。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。生态系统具有稳态结构。生态系统具有自我调节和组织的能力。§8－2生态工程使用的有关原理和遵循的原则遵循的原则：生态工程的建设有应用生态系统和自然界的自我设计和组织能力。当一些变化发生时，自然系统中的物种发生重组或替代，一些被选择，另一些被淘汰，食物链重新被组织起来，最终一个适应变化环境的新系统出现了。人类通过提供与环境相适应的生物物种参与生态系统的自我设计，然后由具有自组织能力的自然系统最终发展并完善新系统，使之达到稳定。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与其它工程的特征之一。实例：套种的农业生态系统便是通过人为手段加速生态系统的自组织过程。生态工程是进行基础生态学研究的工具。理解一个系统是如何运作的最好办法是亲自组装这一系统，生态工程基于已知的生态学原理，建设一个新的生态系统，这一独特的手段使得我们可以在工程建设过程中充分理解和验证有关的生态学原理。§8－2生态工程使用的有关原理和遵循的原则遵循的原则：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，需要综合一系列的生物学、生态学、系统科学、物理、化学等相关学科原理，使用建模、边际分析等方法来理解并处理设计生态系统中所遇到的问题。生态系统是以太阳能为支持的一个自我发展的系统。系统在萌生之后，几乎全部依靠太阳能，通过自我设计和组织的能力来发展。生态工程在解决环境问题中，积极保护不可再生能源。现代的环境技术大多依赖于不可更新的化石能源，而生态工程在设计和建设的开始时，需要使用部分的不可更新能源，然后赖于太阳能系统能量，如同自然生态系统一样的发展。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生态系统的人类需要,来设计新的生态系统。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。§8－3国内外生态工程研究及发展一、农业生态工程的研究国外农业生态工程的研究：常规农业：定义：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。起源于20世纪30、40年代，随着大型农业机械出现，化学工业的发展，农业生物技术也促使农业新品种不断涌现，在60年代达到鼎盛。进入70年代后，常规农业中的一些问题开始暴露：常规农业能量消耗过高,能量投入的边效益过低，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；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；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；大量化学物质的投入造成土壤、水体和农产品污染严重，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。§8－3国内外生态工程研究及发展一、农业生态工程的研究国外农业生态工程的研究：替代农业：替代农业试图将常规的石油农业和现代的农业生态技术结合起来，建立自身的技术体系。西欧各国的替代农业研究：着重于生物农业和生物动力农业，其中畜牧业占很大比重，主要由科学家和农场主结合进行。亚洲国家：也开展了生态农业的研究和建设，例如菲律宾的马雅农场，泰国的蜀农场，是实行立体种植和资源循环利用的代表。替代农业的技术措施：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。其中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。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。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。§8－3国内外生态工程研究及发展一、农业生态工程的研究中国农业生态工程的研究：农业生态工程：是我国生态工程研究中开展的最为普遍的，通过生态系统中各生物物种充分利用空间和资源的生物群落的共生原理，多种成分互相协调和促进的功能原理，以及物质和能量多层次、多途径利用和转化等原理的有效运用，建立能合理利用自然资源，保持生态稳定和持续高效功能的农业生态系统。研究的特点：研究对象广泛，系统综合，这与西方国家的生产和专业化不同。我国的农业无论是农户还是农场都普遍实行综合经营，因而农业生态工程研究的对象往往是各种产业的综合体。实例：我国南方的农业生态工程试点都是以农户或农村为单位，进行农田与庭院相结合的生态农业的建设，包括稻麦轮作、稻田养鱼、水产品立体养殖、畜禽养殖、食用菌养殖、再生饲料工程、再生能源工程等方面，构成了一个有多层次结构和网络状食物链的复合生态系统。§8－3国内外生态工程研究及发展一、农业生态工程的研究中国农业生态工程的研究：研究的特点：我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。注重传统农业技术和现代技术相结合。我国传统农业中的许多技术符合生态学原理，在今天的农业生产实践中仍然行之有效，例如稻田养鱼、桑基鱼塘等仍广泛地为我国南方地区所使用。当代的生物技术、化学技术、以及软科学技术在生态工程建设中常常与传统技术结合运用，不但易于被农民接受，而且适合我国农业生产条件复杂与劳动力资源丰富的特点。研究中还存在理论研究跟不上实践发展的问题和要求。我国农业生态工程模式在全国范围内种类繁多，形式多样，而且随着时间的推移不断有推陈出新，出现生产力水平更高的生态工程模式，对此缺乏全面的总结和进一步的理论概括；我国的生态工程研究目前难以象其它工程那样根据可靠参数具体设计出令人满意的定量化和规范化的方案来。§8－3国内外生态工程研究及发展一、农业生态工程的研究中国农业生态工程的研究：研究的发展趋势：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；研究内容向着规范化和区域化的方向发展；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；村、乡、县三级农业生态工程的设计与规划。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。目前农业生态工程涉及的仅是农村的大农业部分，随着农村产业分化，非农业比重将不断上升，农村产业的综合发展将对农业和非农业两种经济同样起到促进作用。农业生态工程的广泛和迅速发展与非农生产的第二、第三产业密切结合，并使得有可能在农业生态工程基础上发展成农村生态工程。我国的农业生态工程研究涉及的将不只是农业本身，而几乎是农村生态系统的各个方面，研究内容更加综合化，并与管理系统密切结合。§8－3国内外生态工程研究及发展二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程环境保护生态工程的特点：环境保护生态工程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，因而具有整体观；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，而各种外部因素，如控制污染源、输入物质与能源量等，仅仅是工程设计的条件，并不过分限制工厂和生活区的排污量，从而避免激化生产与环境保护的矛盾。环境保护生态工程是通过分层多级利用，将污染物质资源化，从而变废为宝。生产与净化相结合，不仅可以处理三废，同时在生产上也能增产节约。投资和运转费用低廉，同时经济效益显著。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。§8－3国内外生态工程研究及发展二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程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的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。典型生态工程：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。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，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。在俄亥俄州研究和应用了种植蒲草为主的湿地生态系统用以处理煤矿所排含有硫化铁酸性废水的生态工程,处理后的废水的含铁量减少了50～60%，电导率和pH值均得到上升。自1982年起，对伊利诺州的LakeCountry以及芝加哥以北地区河流及湿地的保护和恢复，以及湿地对环境、经济和社会的效益，并为此进行了程序设计，建立了技术和管理项目以及生态数学模型。§8－3国内外生态工程研究及发展二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程国外环境保护生态工程的研究：典型生态工程：美国的防止湖泊等水体富营养化生态工程：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，测试这些河湖交界湿地生态系统对陆地上与其下游湖泊间化学和水文的缓冲及净化作用，探索如何最有效设计其沿湖湿地，并结合湿地上的水文、化学及生态过程等一系列资料建立数学模型为设计服务。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，通过有机质矿化、沉积物的吸着、动植物的生产及消耗、化学物质的沉淀、挥发性物质转移至大气和与卤族元素的化合反应等，减少入海污染质。丹麦的环境保护生态工程：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，1976～1981年又对该模型进行了修正和改进。§8－3国内外生态工程研究及发展二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程国外环境保护生态工程的研究：典型生态工程：瑞典的污水处理生态工程：为防治自20世纪60年代形成并日渐突出的湖泊和沿岸水体的富营养化问题，各城市分别应用机械、生物和化学三个步骤来处理污水，在20世纪80年代就为此类工程投资约5亿多美元，其中涉及到的污水处理生态工程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。荷兰的环境保护生态工程：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。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。§8－3国内外生态工程研究及发展二、环境保护和污染物处理与利用的生态工程我国环境保护生态工程的研究：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。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