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第二章生态工程学原理1.生态工程学的核心原理；2.生态工程学的生物学原理；3.生态工程学的工程学原理；生态学和工程学，整体论科学与还原技术的有机结合是生态工程建设的关键。运用生态控制论原理去促进资源的综合利用，环境的综合整治及人的综合发展是生态工程的核心。生态工程原理是实施生态工程的重要理论基础。由于生态工程学涉及生态学、生物学、工程学、环境科学、经济和社会等领域，原理众多。针对生态工程的原理，Jorgensen和Mitsch(1989)已总结了13项;国际生态工程主席Heeb博士(1996)则总结出50多项。我国学者(马世骏1986、颜京松1986、Ma＆Yanl989，Yaneta11992)在系统生态学理论的基础上，吸收了中国传统哲学中有益的部分，根据我国朴素的生态工程实践经验，把生态工程原理总结为整体、协调、自生、再生循环等基本原理，对生态工程的原理作了精辟的论述和提炼。1.生态工程学核心原理1.1.整体性原理生态工程主要是按生态系统内部相关性和外部相关性，来研究作为一个有机整体的生态系统或社会－经济－自然复合生态系统的区域环境。内部相关性：任何一个生态系统都是由生物系统和环境系统组成的，系统成分相互联系、相互制约、相互作用，形成有机整体。外部相关性：生态系统属于开放型或半开放型系统，其与系统外的周围环境存在物质、能量、信息的交换。生态工程是以整体观为指导，在系统水平上研究，整体调控为处理手段。社会—经济—自然复合生态系统(SENCE)生态工程研究与处理的对象是作为有机整体的社会—经济—自然复合生态系统。在研究、设计及建立一个生态工程过程中，必须在整体观指导下统筹兼顾。一个生态系统，或社会—经济—自然复合生态系统，在自然和经济发展中往往有多种功能，但其中各种功能的主次和大小常因地、因时而异。应按自然、经济和社会的情况和要求，确定其主次功能，在保障与发挥主功能的同时，兼顾其它功能。统一协调与维护当前与长远、局部与整体、开发利用与环境和自然资源之间的和谐关系，以保障生态平衡和生态系统的相对稳定性。防止片面追求当前的局部利益，牺牲了整体和长远利益，兴利却伴随着废利或增害，产生了一些不利于持续发展的问题与后果。如污水稳定塘系统主要功能是净化污水，不是灌溉和水产养殖。1.2.协调与平衡原理协调原理由于生态系统长期演化与发展的结果，在自然界中任一稳态(Homeostatic)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和功能。比如草型湖泊向藻型湖泊的变迁。结构和功能的关系生态系统的结构是组成该系统生物及非生物成分的种类及其数量与密度、空间和时间的分布与搭配、相互间的比量，以及各种不同成分间相互联系、相互作用的内容和方式。结构有其相对的稳定性、绝对的波动性、变异性和有限的自我调节性。结构是完成功能的框架和渠道，直接决定与制约组成各要素间的物质迁移、交换、转化、积累、释放和能流的方向、方式与数量，决定功能及其大小。功能是维持结构的存在及发展的基础明确维护生态系统结构与功能的协调性是生态工程的重要原则。平衡原理生态系统在一定时期内，各组分通过相生相克、转化、补偿、反馈等相互作用，结构与功能达到协调，而处于相对稳定态。此稳定态是一种生态平衡。比如湖泊水生态结构平衡；生物与生物之间、生物与环境之间、环境各组分之间，保持相对稳定的合理结构，及彼此间的协调比例关系，维护与保障物质的正常循环畅通。如健康的草型湖泊。功能平衡；由植物、动物、微生物等所组成的生产—分解—转化的代谢过程和生态系统与外部环境、生物圈之间物质交换及循环关系保持正常运行。收支平衡；生态系统是一开放系统，它不断地与外部环境进行物质和能量的交换．并有趋向输入与输出平衡的趋势，如收支失衡就将引起该生态系统中资源萧条和生态衰竭或生态停滞。比如：环境容量、过度放牧、过度捕捞等。1.3.自生原理自生原理(Self—Resiliency)包括自我组织(Self—organization)、自我优化(SeIf—optimum)、自我调节(Self-regulation)、自我再生(Self—regerennation)、自我繁殖(Self—reproduction)和自我设计(self—design)等一系列机制。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能维护系统相对稳定的结构和功能及动态的稳态以及可持续发展。自我设计和自组织原理自然生态系统的自我设计能力是生态工程或生态技术中最主要的基本原理之一。通过设计，能很好地适应对系统施加影响的周围环境，同时系统也能经过操作，使周围的理化环境变得更为适宜。如污水稳定塘系统，树叶排列，沧海桑田等。自组织或自我设计，是系统不藉外力自己形成具有充分组织性的有序结构，也即生态系统通过反馈作用，依照最小耗能原理，建立内部结构和生态过程，使之发展和进化的行为，这一理论即为自组织理论。自组织系统有3个主要待征：第一:它们是不断向环境交换物质和能量的开放系统。第二:它们都是由大量子系统(或微观单元)所组成的宏观系统。第三:它们都有自己演变的历史。Odum(1989)认为生态工程的本质就是生态系统的自组织。生态工程是保障生态系统自组织能力最大发挥的人工设计与管理系统？自我维持原理生态系统是直接或间接地依赖太阳能的系统，因而是一个自我维持系统。一旦一个系统被设汁并开始运作，它就能不断地自我维持，其间仅靠适量的外界投入。自我调节当生态系统中某个层次结构中某一成分改变，或外界的输出发生一定变化，系统本身主要通过反馈机制，自动调节内部结构(质和量)及相应功能，维护生态系统的相对稳定性和有序性。自我调节能在有利的条件和时期加速生态系统的发展，同时在不利时也可避免受害，得到最大限度的自我保护．即它们对环境变化有强的适应能力。生态系统自我调节主要表现：1）同种生物种群间密度的自我调节种群不可能在一个有限空间内长期地、持续地呈几何级数增长、随着种群增长及密度增加，对有限空间及其资源和其它生存繁衍的必需条件在种内竞争也将增加，必然影响种群增长率，当它达到在一个生态系统内环境条件允许的最大种群密度值，即环境容量(Environmentalcarrycapacity)时，种群不再增长。而当超过环境容纳量时，种群增长将成为负值，密度将下降。这一规律应是人工林种植密度，湖泊、池塘放养鱼量和冬夏草场放牧牲畜头数等必需遵循的原则。种群密度在1/2环境容纳量(K)时的生产量是最高的。培养凤眼莲净化与利用污水工程。2）异种生物种群之间数量调节在不同种动物与动物之间，植物与植物之间，以及植物、动物和微生物三者之间普遍存在异种生物种群之间数量调节。有食物链联结的类群或需要相似生态环境的类群，在它们的关系中存在相生相克作用，如互利共生、他感作用、竞争排斥等，因而存在着合理的数量比例问题。例如，富营养化湖中利用放养肉食性鱼类，降低食浮游动物鱼类生长，从而控制浮游藻类的生长。3）生物与环境之间的相互适应调节生物要经常从所在的生境中摄取需要的养分，生境则需对其输出的物质进行补偿，二者之间进行物质输出与输入的供需适应性调节。比如水体自净过程。1.4.循环再生原理物质循环和再生原理(Circulationprinciple)人类能以有限的空间和资源持续地长久维持众多生命的生存、繁衍与发展，其奥妙就在于物质在各类生态系统中，生态系统间的小循环和在生物圈中的生物地球化学大循环。在物质循环中，每一个环节是给予者，也是受纳者，循环是往复循环，周而复始，无底也无源的。因此，物质在循环中似乎是取之不尽，用之不竭的。（光合作用和营养循环）多层次分级利用原理(Multileveluseprinciple)多层次分级利用是自然生态系统中各个成分长期的协同进化与互利共生的结果，也是自然生态系统自我维持与持续发展的方式。在生态工程中应当遵循、模拟和应用这一原理和模式，同步兼收生态环境、经济及社会效益。一种成分的输出物是另一物质的原料。2.生态工程学的生物学原理2.1.生物间互利共生机制原理在生态工程中如何选择匹配好这种关系，发挥生物种群间互利共生或偏利共生机制，使生物复合群体‘共存共荣”，是人工生态系统建造的一个重要关键。如树木花粉与蜜蜂；灰喜鹊与树木的关系等。2.2.生态位原理生态位也有译成“生态龛“或“小生境”，它是指“生态系统中各种生态因子都具有明显的变化梯度，这种变化梯度中能被某种生物占据利用或适应的部分称为其生态位”。在生态工程设计、调控过程中，合理运用生态位原理，可以构成一个具有多样化种群的稳定而高效的生态系统。在生态工程设计中还应当考虑到由于植物多层次布局的同时．又可产生众多的可为动物(包括马、兽、昆虫等)、低等生物(真菌、地衣等)生存和生活的适宜生态位，从而形成一个完整稳定的复合生态系统。“乔、灌、草”，“果—菇”工程等。通过生态位的建造与利用，使各种生物之间巧妙配合，使得有限的自然资源和社会资源，能够最大限度地充分利用．从而获得系统较高的“生产力”。2.3.食物链原理食物链与食物网是重要的生态学原理。它主要指地球上的绿色植物通过叶绿素使太阳能转化为化学能贮存于植株之中，所以．称其谓“生产者”。绿色植物被草食动物所食，草食动物被肉食动物吃掉，这些动物中有的吃草，有的吃其它动物以维持其生命活动。植物和动物残体又可为小动物和低等动物分解。以这种吃与被吃形成的关系称之为食物链关系。人工食物链取代自然食物链；在林业生态工程中应用：天敌放养和招引；总之，食物链原理是生态工程要遵循的重要原理，也是过去利用建设一直忽视的巨大空白区．加强食物链原理在利用上的应用研究与实践是十分重要的。2.4.物种多样性原理复杂生态系统是最稳定的，它的主要特征之一就是生物组成种类繁多而均衡，食物网纵横交织。其中一个种群偶然增加与减少，其它种群就可以及时抑制补偿，从而保证系统具有很强的自组织能力。相反，处于演替初级阶段或人工生态系统的生物种类单一，其稳定性就很差。2.5.物种耐性原理一种生物的生存、生长和繁衍需要适宜的环境因子，环境因子在量上的不足和过量都会使该生物不能生存或生长、繁殖受到限制，以致被排挤而消退。换句话说、每种生物有一个生态需求上的最大量和最小量，两量之间的幅度，为该种生物的耐性限度。2.6.景观生态原理景观生态学是近年来发展起来的一个新的生态学分支，它以整个景观为研究对象，并着重研究景观中自然资源和环境的异质性。景观是由相互作用的斑块或生态系统组成的，并以相似的形式重复出现，具有高度空间异质性的区域。它分生态系统和地貌类型两个侧面。2.7.耗散结构原理耗散结构理论指出，一个开放系统，它的有序性来自非平衡态，也就是说，在一定的条件下、当系统处于某种非平衡态时，它能够产生维持有序性的自组织、不断和系统外进行物质与能量的交换。该系统尽管不断产生熵，但能向环境输出熵，使系统保留熵值呈减少的趋势，即维持其有序性。而当外力干扰超过一定限度时，系统就能从一个状态向新的有序状态变化。生态工程的目的是建造一个有序的生态系统结构，通过系统的自组织和抗干扰能力实现其有序性。2.8.限制因子原理一种生物的生存和繁荣，必须得到其生长和繁殖需要的各种基本物质，在“稳定状态”下，当某种基本物质的可利用量小于或接近所需的临界最小量时，该基本物质便成为限制因子。2.9.环境因子的综合性原理自然界中众多环境因子都有自己的特殊作用，每个因子都对生物产生重要影响，而同众多相互关联和相互作用的因子构成了一个复杂的环境体系。3.生态工程学的工程学原理人工生态系统的建造和调控是生态工程的主要目的。3.1.结构的有序性原理一个系统既然是一个有机整体，它本身必须具备自然或人为划定的明显边界，边界内的功能具有明显的相对独立性。3.2.系统的整体性原理作为一个稳定高效的系统必然是一个和谐的整体，各组分之间必须有适当的比例关系和明显的功能的分工与协调，只有这样才能使系统顺利完成能量、物质、信息、价值的转换和流通。我们常讲的“结构决定功能”就是这个道理。因此，当系统中某个组分发生量的变化后，必然影响