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专题5生态工程※生态工程的概念生态工程是指人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，通过系统设计、调控和技术组装，对已被破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善、并提高生态系统的生产力，从而促进人类社会和自然环境的和谐发展。﹡产生：是人类学习自然生态系统“智慧”的结晶，是生态学、工程学、系统学、经济学等学科交叉而产生的新兴学科。﹡目的：遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。﹡特征：与传统的工程相比，生态工程是一类低消耗、多效益、可持续的工程体系。※生态工程提出的原因传统的经济模式正在毁坏水、大气、土壤和生物资源，消耗地球增给我们的自然资本。为了实现可持续发展，经济发展必须符合生态学规律，走生态经济之路。生态经济主要是通过实行“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一就是生态工程。一、生态工程的基本原理（一）物质循环再生原理1、解释：地球以有限的空间和资源，长久维持着众多生物的生存、繁衍和发展，奥秘就在于物质实现了循环往复、分层分级利用，从而达到取之不尽，用之不竭的效果。而在没有物质循环的系统，就会产生废弃物，造成环境污染，并最终影响到系统的稳定和发展。2、举例：“无废弃物农业”“无废弃物农业”（如右图）是我国古代传统农业的辉煌成就之一，也是生态工程最早、最生动的一种模式。土壤肥力是一切农业生产特别是种植业的基础，我们的祖先之所以维持土壤肥力几千年，其中的诀窍就在于实现了物质的循环利用。（二）物种多样性原理1、解释：一般而言，物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。农业和林业生产为追求最大产量，常常忽略生物多样性而连年种植单一品种，这往往会造成病虫害增加，环境恶化。生物多样性程度高，可以为各类生物的生存提供多样的机会和条件。众多的生物通过食物链关系互相依存，就可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力。既使某个物种由于某种原因而死亡，也会有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡。2、举例：人工单一樟子松林常常会遭到松林松毛虫的肆虐，一种小小的杨树天牛曾经将几十亿株杨树毁于一旦；而珊瑚礁区存在于养分稀少的深海中，但其中的生物种类却非常多，保持着很高的稳定性。（三）协调与平衡原理1、解释：在进行生态工程建设时，生物与环境的协调与平衡也是需要考虑的问题之一。处理好生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力。环境承载力（又称环境容纳量）是指某种环境所能养活的生物种群的数量，如果生物的数量超过了环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。2、举例：我国西北一些地区年降雨量小于450mm，是只适宜种植灌木和草的地区，但却被硬性规定种植属于乔木的杨树，以致到处都是“杨家将”。生态的不适应使许多地方的杨树长成半死不活的“小老头”远不如当地树种那样有较高的生态适应性，结果防护林成了残败的“灰色长城”。（四）整体性原理1、解释：人类是处在一个社会-经济-自然复合成的巨大系统中。进行生态工程建设时，不但要考虑自然生态系统的规律，更重要的是，还要考虑到经济和社会等系统的影响力。此外，社会习惯、法律制度等也都对生态工程建设有着重要影响。2、举例：在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面一定要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食烧柴等以及收入等问题。否则随时会出现“前面造林，后面砍林”的现象。（五）系统学和工程学原理1、系统的结构决定功能原理（1）解释：生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。例如：把生态系统比作计算机网络（如右图），在计算机台数和功能相同的情况下，右图中在采用分布式的结构，网络工作的可靠性最高。（2）举例：我国南方水网地区的桑基鱼塘模式，就是把单个生产系统通过优化组合，有机地整合在一起，成为一个新的高效生态系统，大大提高了系统生产力。2、系统整体性原理（1）解释：系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现总体功能大于各部分之和的效果，即“1+12”。（2）举例：珊瑚礁之所以能够保持很高的系统生产力，得益于珊瑚虫和藻类组成的高效的植物-动物营养循环。通常情况下，失去了共生藻类的珊瑚虫会因为死亡而导致珊瑚礁逐渐“白化”，失去其鲜艳的色彩，那里的生物多样性也将锐减，从而造成系统的崩溃。（六）、生态工程的类型：根据性质和设计目标的不同，生态工程可分为不同的类型。例如，农业生态工程、林业生态工程、治污生态工程、生态恢复工程等。【总结】项目理论基础意义实例物质循环再生原理物质循环可避免环境污染及其对系统稳定和发展无废弃物农业物种多样性原理生态系统的稳定性生物多样性程度高，可提高系统的抵抗力稳定性“三北”防护林建设中的单纯林问题，珊瑚礁生态系统的生物多样性问题协调与平衡原理生物与环境的协调与平衡可避免系统的失衡和破坏太湖富营养化问题整体性原理社会、经济、自然复合系统统一协调各种关系，保障系统的平衡与稳定林业建设中自然系统与社会、经济系统的关系问题系统学和工程学原理系统的结构决定功能原理：分布式优于集中式和环式改变和优化系统的结构以改善功能桑基鱼塘系统整体性原理：整体大于部分保持很高的系统生产力珊瑚礁藻类和珊瑚虫的关系【答案和提示】（一）思考与探究3.桑基鱼塘分布在我国长江三角洲、珠江三角洲一带的水乡，是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程。试分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径。提示：桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的，能量的流动包含在物质的循环利用过程中，随着食物链的延伸逐级递减。能量的多级利用和物质的循环利用：桑叶用于喂蚕，蚕可以生产蚕丝；桑树的凋落物和蚕沙（粪）落到鱼塘中，作为鱼的饲料，经过鱼塘内的食物链过程，可以促进鱼的生长；甘蔗可以榨糖，糖渣用来喂猪，猪的排泄物也进入鱼塘；鱼的排泄物及其他未被利用的有机物和底泥经过微生物的分解，又可以作为桑和甘蔗的有机肥料。桑基鱼塘巧妙地利用了很难利用的大片低湿地，发展了多种经营，为农民创造了多种收入的门路，完全符合“无废弃农业”的要求。桑基鱼塘系统物质、能量流动示意图见图5-1。图5-1桑基鱼塘系统物质循环和能量流动示意图（二）正文中讨论题【“关注生态工程建设”资料分析1】1.导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么？提示：根本原因：长江上游乱砍滥伐森林，水源涵养和水土保持功能急剧降低，造成大量泥沙淤积河道；中游围湖造田、乱占河道，造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减少。直接原因：1998年度的罕见降雨。但这也与全球温室气体排放量增加而导致的温度升高、气候异常有关。解决长江洪水泛滥的措施有：我国政府提出的“积极营造长江中上游水源涵养林和水土保持林”计划，即以生物措施为主，结合工程措施，提高森林覆盖率；“退耕还湖”和改革不合理耕作方式等。在进行生态工程建设时，要考虑到怎样解决农村（尤其是湖区或山区的迁出人员）的能源来源问题以及如何提高农民的经济收入。2.洪灾的发生反映出经济发展模式存在什么问题？提示：传统的经济发展模式不注重生态环境的保护，没有考虑生态成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。【“关注生态工程建设”资料分析2】1.你对“石油农业”是如何理解的？提示：“石油农业”大量使用化肥、农药和机械的生产方式，因对石油等能源有高度的依赖性而得名。它把农业生产这一复杂的生物过程，变成了简单的机械过程和化学过程。由于其投入高，产出也高，对粮食安全保障和提高人民生活水平起到了巨大的作用，但同时它所产生的废弃物和有害物质的数量也很庞大，大大削弱了农业生态系统的稳定性和持续生产力，并造成日益严重的农产品污染和环境污染等问题。2.你能举出一些农业生产活动对人体健康以及环境造成危害的实例吗？提示：除日常生活中能够发现的实例外，农业活动对环境和人类健康造成危害的实例中，世界上影响较大的有蓝婴病。1973年，美国内布拉斯加州首次出现幼儿高铁血红蛋白症（蓝婴病）。其原因是饮用水中硝酸盐含量超过10mg/L，这时过多的硝酸盐会与红细胞中的血色素结合，形成高铁血红蛋白。高铁血红蛋白不能为细胞和组织运输足够的氧。患儿的临床症状是在口、手或脚等部位出现时断时续的蓝色或淡紫色，呼吸困难、腹泻、呕吐、抽搐，严重的会失去知觉，甚至死亡。硝酸盐来源于点源污染，如下水道、畜禽养殖场等，或非点源污染，如对农田、公园、草地等的施肥。3.如何理解“污染物是放错地方的资源”这句话？提示：对环境造成危害的污染物，采用一定的措施和技术，就能够进行回收和循环利用，这样不但能够减少环境污染，而且提高了资源的利用效率，减少了资源的浪费。例如，对废污水中的重金属或氮、磷等养分就可以进行回收再利用。因此说污染物是放错了地方没有被利用的资源。4.石油农业的生产模式应当怎样改进？提示：在不同的国家有不同的改进措施。例如，在我国，人多地少，应该大力发展生态农业。实施的具体措施包括：可以根据田间作物的需要适量施用高效、低毒、低残留的农药，多施有机肥，提高作物对水、肥等资源的利用效率，对作物秸秆和畜禽粪便进行再利用，实现物质的多级利用，等等。一方面要不断提高土地的产出水平；另一方面要减少农业活动对环境的污染，促进社会的可持续发展。【“物种多样性原理”资料分析】1.为什么樟子松林的松毛虫会肆虐，几十亿株杨树会毁于一旦？而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性？提示：纯樟子松林、杨树林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少松毛虫、天牛的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致了树林的毁坏。珊瑚礁区的生物多样性高，食物链复杂，不同的生物占据了不同的时间位、空间位和资源位，因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境。例如，氮、磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外。2.从上面正面和反面的实例，你能得出怎样的结论？你认为生物多样性的破坏有人为因素吗？提示：只有保持生态系统较高的生物多样性，才能保证生态系统的稳定和平衡。生物多样性的破坏有人为因素，而且往往作用巨大。【“协调与平衡原理”资料分析】“西部大开发”是国家为振兴西部而提出的宏观决策，其中很重要的一项内容就是生态工程建设。从协调与平衡原理出发，想一想，在我国西北地区进行防护林建设时，应选择哪些树种？如果在该地区发展畜牧养殖业，你认为应该注意什么问题？提示：几种西北地区特别适宜树种的介绍（1）沙棘，俗称“酸柳”、“酸刺”、“黑刺”，属于胡颓子科，为落叶乔木或灌木。植株表面具有棘刺，叶呈条形或条状被针形，两端趋尖，背面密被淡白色鳞片，叶柄极短。沙棘花先于枝叶开放，雌雄异株；果实为肉质花被筒包围，近于球形，直径5～10mm。沙棘喜阳，粗壮的枝干抗风沙。沙棘叶、皮、果实及种子在医药上有着广泛的应用价值。沙棘的嫩枝、嫩叶是牛、羊的精饲料，被誉为“铁杆牧草”。沙棘果维生素含量极高，营养保健价值高，有利于增加种植者的收入。沙棘是半干旱黄土高原迅速绿化荒山、保持水土、调节生态平衡和促进农林牧业发展的良好树种。内蒙古鄂尔多斯等地区，实施沙棘生态工程，大面积种植沙棘，有效地控制了沟道水土流失，每年可减少流入黄河泥沙2100万吨。（2）山杏，主要指西伯利亚杏，它抗寒、耐旱，适应性强，是我国北方最普遍的果树之一，是绿化荒山、水土保持、防治风沙的先锋树种。山杏果仁营养丰富，含有大量维生素、微量元素和人体必需的氨基酸，是加工饮料的优质原料。（3）刺槐，属落叶乔木，适应性强，在年降水量200mm左右、年平均气温不低于3℃的地区都能生长。它不仅生长快，且耐盐碱，有涵养水源和保持水土的作用。刺槐泌蜜丰富，蜜质优良，是主要蜜源植物之一。刺槐不仅可改善生态环境，还可用于发展畜牧业。（4）锦鸡儿（又称拧条），豆科，多年生落叶灌木，根系发达，具根瘤，高1.5～3m；耐干旱和寒冷，喜生沙地或半固定的沙丘上，不怕沙压和风蚀。此种植物广泛分布于我国东北、内