第1章生态工程绪论

生态工程学修课班级：90801主讲老师：杨忆新邮箱：[e-mail]密码：123456主要参考书目：《生态工程—原理及应用》白晓慧，高等教育出版社《实用生态工程学》盛连喜，高等教育出版社《生态工程》李季，化学工业出版社授课时间：8周（32学时）课程性质：考查考试形式：平时成绩：作业；出勤最终成绩=平时成绩Х30%+考试成绩Х70%本课程内容安排：第1章绪论（2学时）第2章生态工程原理（2学时）第3章生态工程规划与评价（2学时）第4章生态工程设计与监理（2学时）第5章农业生态工程（4学时）第6章产业生态工程（4学时）第7章环境生态工程（4学时）第8章林业生态工程（4学时）第9章景观生态工程（4学时）第10章城市生态工程（4学时）第一章绪论1.1生态工程的概念及学科背景1.2国内外生态工程特征比较1.3生态工程研究与实践进展1.1生态工程的概念及学科背景生态工程是在20世纪60年代全球生态危机爆发以来，人们寻求解决对策的宏观背景下应运而生的。一、生态工程的产生背景全球性的生态危机人口激增能源短缺粮食不足环境污染资源破坏农业生产施用化肥、农药污染水体杀死益鸟、益虫及土壤生物工业污染八大公害事件印度博帕尔甲基异氰酸毒气泄漏事故前苏联切尔诺贝利核泄漏事故••••••生态危机西方发达国家环境污染发展中国家人口增长、资源破坏、生产不足和环境污染早在1962年，美国已经有生态学家发现工业生产的杀虫剂和农药会污染水体，杀死害虫的同时也杀死鸟类和益虫，并会通过食物链，使有机化合物的毒性在人体内以数十、上百倍的富集，使人致癌而死。由B.Ward和R.Dubos主编的《只有一个地球》：“在这个太空中，只有一个地球在独自养育着全部生命体系。地球的整个体系由一个巨大的能量来赋予活力。这种能量通过最精密的调节而供给了人类。尽管地球是不易控制的，捉摸不定的，也是难以预测的，但是它最大限度地滋养着、激发着和丰富着万物。”1989年，A.Tofflar《第三次浪潮》:“征服自然的战役，已经到了一个转折点，生物圈已经不容许工业化再继续侵袭了。”生态工程的目的就是通过对复合生态系统的管理，以解决工业化过程带来的产业发展与资源消耗、人口增长与环境退化、社会发展与生态恶化的矛盾。投入的能量和物质最小对资源利用最合理社会产品更丰富风险最小而综合效益最高同时，通过生态工程的设计手段，把本来矛盾的事物，转化为相互协调、彼此促进，不断向良性方向发展的事物，使人类社会、经济生产和生态环境实现可持续发展。首先，上世纪三四十年代以来，生态学研究的整个领域都取得了重大进展。生态工程导源于生态学，它是应用生态学的一个分支学科。这一时期应用生态学的多分支也迅速发展，例如农业生态学、城市生态学，并取得了许多重要成就，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。生态工程系统论控制论协同论信息论自然科学数学、物理学、化学、生理学、毒理学、技术科学农学、土壤学、水产学、畜牧学、林学、环保工程学、运筹学、计算科学人文科学社会学、经济学1989年，由我国马世骏和颜京松、仲崇信等教授参与，美国MitschW.J.和丹麦JorgensenS.E.主编，多国学者参编的世界上第一本生态工程专著《EcologicalEngineering》，成为生态工程学作为一门新兴学科诞生的起点。二、生态工程的定义美国学者H.T.Odum首先于1962年提出生态工程这个概念。“为了控制生态系统，人类应用来自自然的能源作为辅助能对环境的控制”。1989年出版的《EcologicalEngineering》，MitschW.J.等众多学者定义生态工程为：“人类社会利用自然环境所进行的有益于两者的设计”。“为了人类社会及其自然环境的利益，而对人类社会及自然环境加以综合的而且能持续的生态系统设计。它包括开发、设计、建立和维持新的生态系统等一系列工程，如污水处理、地面矿渣及废弃物的回收利用、海岸带保护等，以期达到生态恢复、生态更新、生物控制的目的”。1993年Mitsch把原定义进行修改1984年，我国马世骏教授定义生态工程生态工程物种共生与物质循环再生原理结构与功能协调原则系统分析的最优化方法促进分层多级利用物质的生产工艺系统目标：就是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，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。三、生态工程的技术特点：1、实现可再生资源的持续利用2、因时因地制宜采取多种技术措施3、自然调节与人工调节相结合4、专业化与多种经营相结合5、产品无污染、安全性与高效益四、生态工程与工程的关系五、生态工程的学科分支与分类按区域分类：山地、水体、湿地、滩涂、草原、盐碱地、沙漠、过渡带及环境脆弱带生态工程。按产业类型分类：农业、林业、畜牧业与水产、景观、环境及城市生态工程。按工程目的分类：生态保护、生态恢复、污水处理及固体废物处理生态工程。1.2国内外生态工程特征比较就生态工程的实际应用来说，我国已有数千年的历史。基于我国是世界上最大的农业国，有数千年的精耕细作的农作传统和经验。轮种、套种制度因时因地合理搭配种群农渔、农畜、桑渔、林牧等综合生产多层分级利用物质有机肥还田，再生循环维持地力水稻鱼微生物提供荫蔽条件枯叶腐烂，促进繁衍提供饵料疏松土壤，增加溶解氧，促进活跃加速分解土壤养分，供水稻吸收鱼消灭害虫和杂草，鱼粪施肥中国古典哲学，阴阳五行说相生相克、阴阳调度，损其有余，益其不足天人合一整体、协调、自生、再生良性循环项目欧美中国背景经济发达及科学技术发达，生态危机主要表现在环境污染经济及科学技术正在发展中，生态危机表现在人口众多、资源破坏、能源不足、食物不充裕和环境污染多方面理论基础生态学原理及生态控制论为主，综合多门自然基础学科生态学原理及生态控制论为主，综合多门自然和应用技术学科及社会学科对象以自然生态系统为主，或重建生态系统以社会-经济-自然复合生态系统为主目的环境保护为主，偶兼顾经济效益经济、生态、环境和社会的综合效益设计原理生态系统的自我设计为主，辅以人为干预按预期经济、生态和社会的目的及规律，人为干预为主能源太阳能为主，辅以化石燃料或电能及很少人力太阳能为主，辅以人力及较少化石燃料或电耗再生循环可采用绝对需要商品生产通常无农、林、渔、畜、禽产品及一些轻工原料生物多样性单纯复杂价值美化环境，自然资源保护，少或无市场价值高产、优质、低耗、高效生产商品，废物充分利用，环境保护国外农业生态工程研究进展20世纪30年代起，大型农业机械的出现，化学工业的飞速发展，以及农业生物技术，使西方发达国家的农业劳动生产率大大提高，农畜产品也大幅度增加。集约化农业的问题：（1）能耗高；（2）加剧了土地资源的衰竭；（3）大量化学物质的投入造成土壤、水体和农产品的严重污染。为了解决这些问题，西方发达国家发展了多种形式的替代农业，其中包括综合农业、再生农业、有机农业、持久农业、生物农业、生物动力农业和自然农业等类型。在美国，主要以从事有机农业的研究和开发为特色。西欧各国侧重于生物农业和生物动力农业。其中畜牧业占很大比重，有专业奶牛场、畜牧场、综合农场等。亚洲国家也开展了生态农场的研究和建设。例如菲律宾的马雅农场，泰国的蜀农场，都是实行立体种养与资源循环利用的典型。日本致力于自然农业的研究。强调让土壤动物在适宜条件下生长，使土壤肥沃，生产力提高。在美国，污水处理生态工程已有多处。如在佛罗里达种植柏树培养深林湿地，用来处理污水中的营养盐，可使污水中的有机质、营养盐和金属元素去除50%。在俄亥俄州，应用蒲草为主的湿地生态系统处理煤矿所排含有FeS酸性废水，使废水中铁含量减少了50-60%。在马塞诸塞州，于沼泽及盐滩上建立生态工程，处理陆上废水，防止海洋的富营养化。在丹麦，1972~1976年对防止Glums湖富营养化的生态工程进行了研究，建立了生态模型，结果去除了进湖污水中90-98%的磷，1976~1981年对模型进行改进和修正。在瑞典，应用机械法、生物法和化学法3个步骤处理污水，已有80%的生活污水受到处理。还有利用污水作为肥料、农田灌溉处理污水，使波罗的海内海“赤潮”大为减少。另建温室培养多种水生植物净化污水。在荷兰，自70年代起，已通过增加直接摄食藻类及在阳光和营养方面有竞争力的生物种类，来防止水体富营养化。另在一些居民区建立了若干生活污水处理小型生态工程。德国也自70年代起应用芦苇占优势的湿地来净化污水。爱沙尼亚利用种植水生维管束植物的湿地来净化污水。匈牙利自1972年起即开始应用中国传统的综合养鱼经验，用污水养鱼生态工程来处理污水。中国生态工程的独特理论和经验，已受到西方许多学者的青睐。西方生态工程的研究、理论和方法的贮备可指导生态工程的应用，特别在定量化、数字模型化及系统组分及其机制的分析等方面尤为突出。中西方应继续加强交流相互学习，取长补短！1.3生态工程研究与实践进展一、生态工程研究进展1、数学模型及新技术应用2、生态工程设计原理的充实与扩展3、多尺度作用的研究二、生态工程实践进展我国五大防护林生态工程：三北（华北、东北、西北）防护林体系、太行山绿化工程、海岸带防护林体系、长江中上游防护林体系和农田林网防护林体系等，对减少径流泥沙，拦洪消减洪峰，防风固沙，改善保护区内农田小气候，促进农业增产及多种经营，已开始显示良好效益。环保生态工程是我国生态工程研究中发展较快的另一个领域。我国长期以来已有许多自发的废物利用、再生、循环的传统经验。马世骏教授早在50年代即首先提出调控湿地生态系统的结构与功能，控制水位及苇子等改变蝗虫孽生地，来防止蝗虫灾害。60年代调控污水养鱼开始较大规模的发展。70年代中国科学院武汉水生生物研究所等单位对有机磷和有机氮严重污染的鸭儿湖进行了防治生态工程。80年代初，中国科学院南京地理所等单位又从生态系统水平研究了以凤眼莲为主的污水处理与利用生态工程。不仅治理了苏州、丹阳、山东、安徽等地的一些河道、湖泊和沟渠的有机污染，还增产了大量青饲料，推动了当地养殖业的发展。中国科学院沈阳应用生态研究所等单位，从50年代起，持续几十年研究了污水灌溉生态系统，并不断研究解决污灌中存在的问题。华东师范大学引进并筛选了光合细菌，研究揭示了多种光合细菌的生活、繁殖条件及其动态，并试用其处理上海市居民粪便及一些工厂的有机废水。南京大学自60年代初，引种、研究并利用大米草、互花米草，人工建造海滩盐沼植被，调控海滩生态系统结构，保滩护堤，并分层多级的利用开发米草生物量，取得良好的生态、经济和社会效益。我国环保生态工程具有的特点：以整体观为指导，目的是多目标的，即同步取得生态、经济和社会效益以调控生态系统内部结构与功能为主，来提高生态系统的自净能力与环境容量通过分层多级利用，使污染物质资源化，变废为宝。我国环保生态工程可粗略地划分为5类：无（或少）废工艺系统，主要用于内环境治理，在一些工厂或工业城市中的废物再生和利用系统。分层多级利用废物生态工程，使生态系统中的每一级生产中的废物变为另一级生产过程的原料，使所有废物均被充分利用。复合生态系统内的废物循环、再生系统。污水自净与利用生态系统，充分利用污水中的有机成分作为营养源，即净化了污水，又利用了其中的营养元素和水资源。城乡（或工、农、牧、副、渔）结合生态工程，在一定区域内，应用不同生态工程分层多级利用废物，实现3个效益。课后习题1、生态工程的内涵与技术特点。2、生态工程与环境工程有何区别？