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专题二生态工程学模型与生态工程设计1.生态工程模型的概念生态工程以复杂系统为对象，系统工程。模型是对复杂系统的简化描述，可抽象、概括问题的轮廓和主要特征。依据：等级组织原理或整合层次原理（Integrativelevelprinciple),黑箱原理(Blackboxprinciple)。描述和预测系统的行为，并非要完全知道系统以下层次的构成。在复杂的生态系统研究中，重要特征的定性解释和预言，比非重要特征的精确阐明更有价值。细胞器官个体种群群落生态系统景观生物区生物圈复杂性等级行为过程放慢分辨率下降2生态工程模型常用类型•模型类型：概念模型（文字模型）、物理模型和数学模型。•概念模型。通常将生态系统中的各个分室或每个生态过程进行划分和确定，并以符合生态生物学习惯的文字加以叙述。通常采用流程图或框图的方式表示，是建立数学模型的起点。•数学模型模拟和预测系统的动态变化过程，或有时用其来检验概念模型的缺陷。真实性即模型的数学描述翻译成概念时，是否符合所描述的生物生态学概念和原理。精确性即模型模拟、预测系统数值改变和反映系统实际数值的能力。普遍（普适）性即模型的适用范围，与模型的分辨能力和完整性有关。常用的数学模型类型：分室模型，黑箱模型。•物理模型系统动力学模型：机制，深入分析，借鉴参考。生态系统能量模型果/蔬子系统x2畜禽子系统x3土壤子系统x1f20f02f30f01f03f10f32f13f12f21基于农户、自然村的N循环模型—数学模型结构（2）数学模型①数学模型的结构分室模型状态方程的一般通式为△x=Ax+u其中，△x为库存量的变值；A为分室之间流通率；u为外部输入，或强制函数。△x1△x2△x3系统变量,即状态变量，x分室的库存量；•传递函数Transferfunctions,即函数关系，系统各个组成之间的流和相互关系。包含参数与常数。参数—函数关系中的一些定数。常数—模型中的恒定不变量。如作物从土壤中吸收的有效氮的比率，60%。•强制函数Forcingfunctions，即系统的输入，影响系统内部的流和状态，但不受系统内部流和状态的制约。•输出,模型运行的结果，系统服伺功能和应用价值的体现。②数学模型的特征分析与应用•模型的敏感性(Sensitivity)、稳定性(Stability)和反馈（Feedback)与控制（Control)。•敏感性/灵敏性分析改变模型的任意一个强制函数，即改变模型的某个输入，可以研究模型的组成和输出对输入变化的灵敏程度和依赖性。如在农业生态系统中，改变饲料的输入来研究畜牧亚系统、农作物亚系统状态和输出的变化程度。改变系统中某个组成的状态，可以研究系统组成之间的敏感性，农作物亚系统的改变对畜牧亚系统和土壤亚系统的影响等。改变某些参数，可以研究系统或亚系统对参数或方程式变化的灵敏性。如土壤硝化与反硝化，氮利用效率。在分析复杂的生态系统时，灵敏性分析常常可以揭示系统的关键组成、关键的相互作用和关键的系统输入。•控制与反馈生态系统各个组成之间的生态过程和相互作用——控制和反馈控制的体现。可以通过对数学模型控制和反馈控制的研究来了解生态系统各个组成间的相互作用。控制是一个组成对另一个组成的影响，反馈是系统组成对自身变化的回答，负反馈表示组成在增加时阻止其继续增加。(3)系统动力学模型机制，深入分析，借鉴参考。辅助变量信息流外部变量速率方程式涪陵南沱睦和村龙眼种植农业户龙眼栽培系统物质流动示意图：氮流动，水流，植物流，不施用化肥而需要的沼肥量。睦和村部分农户建有沼气池，一户3口人，沼气池10m3。平均每户养猪5头。利用沼液沼渣进行施肥，是提高物质循环的发展途径。10m3沼气池年产沼液4t、沼渣6t，110Kg沼肥含N1Kg。16.5Kg沼肥相当于15：15：15的3元素复合肥1Kg。一般龙眼年产100Kg果实需要N1.6-1.9Kg，P1.2-2.0Kg，K2.5-3.5Kg。从N元素需要量来看，该农户需要施用沼肥3226-3832Kg（有效吸收率按照45%计算）。沼肥3500Kg-=N40Kg果园土壤需N32Kg龙眼需N14.5Kg一年生枝条干重355.4KgN8.00Kg果实枯枝落叶干重85.4Kg，N0.72Kg杂草：干重336.3Kg，N2.86Kg化肥:N20Kg积水坑降水抗旱挑水灌溉销售蒸腾径流：N0.29Kg沼气池10m3沼气猪圈沼液渣6t饲料农户有效率45%涪陵南沱睦和村蚕桑生产农业户调查的农户户主为李天谷，两家8口人。•桑树种植位于滨江的河谷丘陵。桑树种植面积4.5亩，种植密度约为700株/亩，品种为福桑、嘉陵、2790。冬季桑园套种榨菜，亩产约1500Kg。建有以蚕沙为主要原料的沼气池8m3。•每亩桑园每年可供桑叶约3460Kg左右，养蚕产茧210Kg左右。每张蚕产茧40Kg，产生的蚕沙约63.8Kg,桑叶残渣332Kg。一般每3000Kg蚕沙可产沼气400~500m3，可供给8m3沼气池需要。8m3沼气池每年可产生沼液3.2t的沼渣，4.8t的沼液。桑园土壤桑树冬季：榨菜N2.86Kg枯枝落叶+杂草桑叶156t降水蒸腾径流沼气池8m3沼液渣约8000Kg含N72Kg沼气蚕沙1500Kg桑叶渣7800Kg蚕蚕茧940Kg每亩桑园桑叶养蚕产茧210Kg左右沼气400m3照明化肥N17Kg沼气厕所桑园土壤化肥含N18Kg有效率45%(4)生态系统能量模型能质和能值•H.T.Odum提出了能值（Emergy)的概念，并将生态系统中最低质量的太阳能作为基本单位，即太阳能焦。能值即生产或形成某个产品（物）所需的太阳能的数量。如lg雨水的能值为75000Sej焦。•生产或形成1J某物质所需的太阳能量就是该物质的太阳能值转换率，如生产10J的牛肉需要1000000J的太阳能，则牛肉的太阳能值转换率为100000。其单位为太阳能焦/焦,或Sej/j•由于1000000J的太阳能可光合形成1000J的植物，1000J的植物转化为10J的牛肉，并进一步转化为1J的人类组织。因此，不同营养级层次上的能量质量(简称能质)不同，营养层次越高，能质越高。人类的能质比牛肉高，牛肉的能质高于植物。•住宅区的草坪和风景绿化区域，吸收利用太阳光和雨水。太阳光使周围环境（有时称为小气候）的温度升高；阵阵微风则有助于小气候温度的下降；•住宅周围树木蒸腾的水分也能驱散一些热气。土壤的养分是草地、灌丛和树木生长所必需的。•刈草时养分随草而损失，必须施肥补充。许多居民花费不少时间料理住宅周围草地，种花、刈草、规划，周而复始地消耗能量。很多昆虫都是害虫，一类啃吃植物，另一类危害人的健康。•使用农药杀虫也危及周围环境系统的鸟类、松鼠和别的动物，在杀死昆虫的同时亦伤害了以昆虫为食料的鸟类及其他小动物，这些被毒杀的昆虫和鸟类均成为废弃物离开住宅区系统。3模型的构建(1)建模的方法•分室系统方法/黑箱途径首先将生态系统分解成不同的亚系统组成，即不同的分室，然后着重研究各分室的物质或能量状态及其变化。分室代表营养物质或能量的储存库，是分室内多种群及其复杂生态过程的外在体现和简化.分室模型所需的数据，通常通过测定分室的大小便可得到。参数的估计，也是通过不断地变换参数后，反复求解方程组，直至到合适的数值。•实验组成成分法或白箱途径该模型将注意力集中在生态系统各种生态过程和相互作用上，然后，将各个生态关系的方程或方程组组合成一个总的系统模型。机理探讨。数据来自对隔离的具体生态过程的实验研究，而野外数据仅仅用于对实验数据的检验和核实上。有很高的真实性和精确性，复杂与繁琐。在许多复杂生态系统的模型研究中，往往将分室模型和实验组成成分模型结合起来，使模型既能揭示系统的整体特征，又能了解系统内部主要生态过程的特点。（2）建模步骤•明确建模的目的和系统的边界。突出解决主要问题，同时选择模型的复杂程度。如在富营养化研究中，主要问题是藻类生长和氮、磷的循环。•数据的收集、采集和分析；•根据数据的收集状况，进行流程分析，编制流程图和概念框图。或流程—数据收集•确定流程中所需的方程式，建立模拟模型。计算后，消除编程和数据错误。•利用正确的模拟程序，进行模型的验证、敏感性分析、较正和有效性分析,并对模型和参数进行修改。•将模型模拟结果用于决策和管理。(3)建模实例农牧业生态系统参数确定土壤库存量x1：根据江苏苏锡常三市1980年、1985年土壤普查确定的土壤类型和土壤内三元素含量（全氮、全磷、全钾分别为0.143%、0.090%和1.700%），按每公顷土壤重2250t(耕作层20cm),得土壤库存中氮、碳、钾量。作物库存量:一年内的吸收量。稻麦棉油多年平均单产和整株作物体氮碳钟含星求得。为196.20、39.52和166.40kg/ha。牲畜库存星量X3：一年中输入的全部饲料和上年末牲畜存栏数,牲畜以牛、羊、猪、禽为主,与文献中折算系数相乘后得,氮、磷、钾分别为106.52、18.89和30.66kg。外界对土壤的输入：包括化肥、降水和灌溉输入。土壤库输出：包括淋洗、渗漏和氮素挥发。作物库输出：作物吸收量减去返回土壤和提供饲料的数量。4生态工程设计•技术组合：生态工程的创新性不在于组成的各单项技术，而在于因地、因类制宜的优化组合。通过组合，促进多系统内空间、时间的耦合，多层次利用，变废为宝，促进与加速物质循环与流动，恢复受污染或破坏的生态系统。•组合的方法：加环或减环,增加或改变接合点，改善或加强链网联接及各环节的协调比量，疏通物流、能流通路，联结原本平行、独立的、无或少联系的一些子系统,如鱼池、养殖场、农田等，使之成为互利共生的网络系统；•所用设备，大部分是自然界所有的，如各种动植物、微生物。也可包括一些人为设备、如沼气发酵罐、养鱼池、畜禽舍等、,或回收、转化、利用、加工一些产品、副产品、废物的工艺设备。(1)生态工程设计原则•因地因类制宜原则自然条件（如气候、地形、地貌、可供生态工程的土地及水体的类型、面积和体积,植被的状况等）,空间异质性，布局。多样性选择。经济条件（可能的投资、物力、产品的市场及其潜力等）,社会状况(如体制、文化、有关的方针政策、社会习惯等)技术水平。如沼气池。山地公园的水体景观选址、设计。•生态学原则适当输入辅助能。再生循环原则生物多样性原则，景观生态原理与群落学原理。环境的时间节律与生物的机能节律原则物种选择的多功能性与适应性种间协调与资源利用最大化—优化物种组成与结构人工加快演替周期•经济效益原则商品生产物种多功能性野生适宜植物的替换，生态习性相同；投入产出分析。景观、生态、园艺。(2)生态工程设计路线•拟定目标•背景调查。自然资源条件，社会经济条件，生态环境条件。•模型分析与模拟。构建合适的数学模型。通过模型的运算，找出关键组分和关键因子，找出系统各组分间的物质和能量的流通规律以及流通率变化对系统的潜在压力和影响效应，找出组分的灵敏性与反馈作用的强度和效应等等。结合定性研究，评价和分析系统的整体行为特征和发展趋势•工程可行性评价。(3)常用技术路线•建立互利共生网络。如前述的鱼鸭混养，稻田养鱼，稻田养蟹，基塘系统（桑基鱼塘、草基鱼塘、菜基鱼塘、果基鱼塘、林牧复合生态系统、林农复合生态系统等）。•延长食物链。产业链。生产环与增益环：所加入的环，可使非经济产品或废物（或部分用非经济产品与废物）直接生产出为人利用的经济产品,例如利用有机废物(如畜禽粪便,棉耔壳,木糖醇渣等)培养出食用菌,利用无毒的有机废水,采用无土栽培的方法,水培蔬菜或花卉。复合环：林业，蜜蜂，传粉加工环：减耗环：水土保持技术，棉田+油菜，针叶林改造；(4)生态工程设计案例①洪泽湖环境管理生态工程设计洪泽湖区是我国历史上水、旱、蝗三大自然灾害频繁发生的重灾区，解决洪泽湖区蝗害必须与水旱灾害同时考虑。以解决水旱工程设置为前提，稳定水旱面积的变化，把过去时涝时旱适合飞蝗繁殖的不稳定地带，改造成适合种植水旱作物的农田，杜绝飞蝗繁殖，以历年用于药杀飞蝗的费用，变为生产投资，提高当地人民生活水平，进一步发展水产，农业，芦苇及进而有计划地完成洪泽水产区的生态环境管