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生态工程学ScienceofEcologicalEngineering第一章生态工程的概念生态工程的定义（生态系统、生物多样性）生态系统：在一定空间范围内，各生物成分（包括人类在内）和非生物成分（环境中物理和化学因子）通过能量流动和物质循环而相互作用、相互依存所形成的一个功能单位。构成系统的条件：由若干要素所组成要素之间要相互联系，相互作用，相互制约要素之间通过相互作用，产生跟各个组成成分不同的新功能生物多样性：生物多样性是不同层次、不同等级水平的各种生命系统、生物类群、生命与非生命复合体以及与此相关的各种生态过程的综合，包括植物、动物、微生物和它们所拥有的基因、所形成的群落和所产生的各类生态现象。生态工程的概念：为了人类社会及其自然环境的利益，而对人类社会及其自然环境加以综合的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，以期达到诸如污水处理（水质改善）、地面矿渣及废弃物的回收、海岸带保护等，同时还包括生态恢复、生态更新、生物控制等目的。生态工程与环境工程、生物工程的区别：特征环境工程生物工程生态工程组织水平环境系统细胞水平生态系统理论原理环境科学遗传学、细胞生物学生态学系统能量来源化石能化石能太阳能维持发展费用较贵昂贵合理（便宜）设计特点人为人为人类辅助下的自组织控制结构污染源遗传结构有机体与自然关系再污染干扰协调生物多样性改变改变保持或增加生态工程学研究背景：未来学家托天勒的“三次浪潮论”认为，人类社会的发展，迄今经历了和经历着三次浪潮：第一次浪潮是农业革命（维持生存），第二次浪潮是工业革命（人定胜天），第三次浪潮是目前正经历着的信息革命中国和西方生态工程比较：生态工程学应用前景—生态工程是社会经济与环境可持续发展的重要工具；生态工程作用于生态系统水平，对生物多样性保护（珍稀濒危生物的保护、重要生态系统的回复和重建、植物群落多样性保护）具有积极意义；生态工程可以通过对农业生产的设计与管理，实现生态农业可持续发展的目标；生态工程技术和方法造林，可设计各种农、林、牧结合的模式，将农业生产、林业建设和牧业发展相结合促进生态系统的全面发展；生态工程是解决城市生态系统所面临问题的有效方法与技术。第二章生态工程的原理生态工程学的核心原理（1）整体性原理整体论和还原论原理——整体观为指导，在系统水平上来研究；对各成分的性质及与其它成分相互关系了解越多，对系统的整体性质就能更好的了解；一个生态系统的成分是通过协同进化成为一个统一的不可分割的有机整体。社会-经济-自然复合生态系统——一个生态系统的成分是通过协同进化成为一个统一的不可分割的有机整体，其中每一个成分直接或间接地受其它一些成分和过程的影响，反过来也影响其它的成分，它们是多种成分综合作用的效应，是两种或两种以上不同成分的合力，或相互激发与加强的结果，是多种成分的因果（剩余）体现。（2）协调与平衡原理欧美中国背景生态危机单纯（污染）生态危机复杂理论基础自然基础学科综合涉及应用和社会学科对象自然（重建）生态系统社会-经济-自然复合生态系统目的环保为主，经济次要综合效益设计原理人为干预辅助人为干预为主生物多样性单纯复杂价值价值趋向单一价值趋向兼顾协调原理：内稳态机制（系统控制自身的体内环境使其保持相对稳定，是进化发展过程中形成的一种更进步的机制，它或多或少能够减少生物对外界条件的依赖性。）平衡原理：生态系统在一定时期内，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。（特点：动态平衡、相对平衡、整体平衡）（3）自组织原理自然界的有机生物体与其周围环境通过彼此间的相互作用，逐渐淘汰与环境不相适应的生物有机体（进化论），也不断改变着周围环境，使之更适合某些生物的生存和发展，最后达到生物与生物及生物与环境之间的协调状态（共生原理），反应了生物与环境的对立与统一关系，这种关系代表着合乎自然规律的合理状态。（4）正负反馈调节原理正反馈：蝴蝶效应负反馈：环境容量阈值内（5）正常立地理论在生态序列处于正常位置的立地。（6）局部控制与全局调节原理不存在绝对的部分与绝对的整体（7）生态结构与生态功能相互作用的原理生态结构：生态系统各组成部分的组织形态及各组成部分之间的相互联系、相互作用方式，或生态系统各生态元的分布格局及各生态元之间的相互作用方式。生态功能：是指有特定生态结构的生态系统通过生态流在与内部及外部相互联系中表现出来的作用。（8）生产功能与保护功能耦合的原理即生产又保护，可持续发展（9）物质与能量多层利用及循环原理物质循环，能量流动（10）仿生原理仿植物：苇状羊茅抑制油菜；黄瓜、向日葵、大豆抑制杂草；豆科植物促进植物生长仿动物：纯粹利他行为生态工程学的生物学原理1、物种共生原理A生物B生物相互关系有利有利互惠共生、协作有利无利、无害偏利共生无利、无害有害他感有利有害捕食、寄生、草食有害有害竞争2、生态位原理*生态位：生态系统中各种生态因子都有明显的变化梯度，这种变化梯度中能被某种生物占据利用或适应的部分称之为生态位。植物多层次布局、生态位多层次利用——完整稳定的复合生态系3、食物链原理用人工食物链和环节取代自然食物链和环节，提高生态系统的社会服务功能（经济效益）（1）天敌放养与招引（2）长周期人工生态系统中引入适生种群（3）副产品产业发展4、物种多样性原理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。5、耗散结构原理一定条件下，当系统处于非平衡态时，它能够产生维持有序性的自组织。生态工程的目的是建造一个有序的生态系统结构，通过自组织和抗干扰能力实现。6、物种耐性原理-限制因子原理最小因子定律：植物的生长状况取决于那些处于最少量状态的元素。Shelford耐性定律：生物的存在与繁殖，要依赖于某种综合环境因子的存在，只要其中一项因子的量（或质）不足或过多超过了某种生物的耐性限度，则使该物种不能生存甚至灭绝。（考虑因子之间的代偿作用）7、环境因子的综合性原理自然界中每个因子都对生物产生重要影响，而同时，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。生态工程学的工程学原理1、结构的有序性原理不但要考虑生物之间的和谐有序，还要考虑环境与生物的相关关系。2、系统的整体性原理结构决定功能3、功能的综合性原理减少各组分之间的拮抗功能第三章种植业生态工程种植业生态工程的特点（1）模拟自然生态系统，参照西方现代种植业；（2）充分利用太阳能，减少化石能源投入，提高生产力；（3）多重利用，减少污染，有机物“还田”（4）生产“绿色”食品；（5）强调整体功能，不局限于单一作物产量或单一产业产值的提高。有机食品：是指生产环境未受到污染，生产活动有利于建立和恢复生态系统良性循环，在原料的生产和加工过程中既不使用农药、化肥、生长激素等化学合成物质，也不采用转基因技术及其产品，不采用其它不符合有机农业原则的技术与材料，通过有机食品认证，使用有机食品标志的，可供饮食的，符合国际或国家有机食品标准的农产品及其加工产品。绿色食品：是无污染、安全、优质的营养类食品的通称。是绿色技术的一个重要内容，也是绿色企业的最终目的之一。绿色食品要求食品中不能含有对人体健康有毒害的物质。农药残留量、重金属含量、有机污染物和细菌含量必须低于一定的标准。但绿色食品允许在生产中使用一定量的对人体健康无害的人工合成化学物质。种植业生态工程的原则1.近期效益与远期效益结合（长短作物）2.时间结构与空间结构相结合（轮作）3.物质和生物多层次利用（因地制宜）4.扬长避短分步建设（突破口）5.注重种间关系（相生相克）6.充分发挥边缘效应（间作互利）种植业生态工程设计主要模式（P.89）：（1）复种模式（2）间作模式（3）套种模式（4）农林生态工程模式（农林间作）（5）农村的燃料、饲料、肥料工程（沼气）（6）以种植业为中心的生物链工程设计（有机物循环还田）种植业生态工程中几种实用技术介绍1、沼气的厌氧发酵技术沼气：天然有机质在厌氧环境条件下通过厌氧微生物的分解发酵作用产生的一种混合可燃性气体。沼气发酵的基本条件：（1）严格的厌氧环境（CH4和CO2）；（2）充足和适宜的发酵原料（P.95表4.5，主要指标C/N）；（3）适当的水分；（4）适宜的发酵温度（夏季、冬季区别）；（5）适宜的酸碱度（P.95表4.4，可自行调节）。其它相关技术：（1）沼肥养鱼；（2）沼渣液肥田；（3）沼液防治果树蚜虫、红蜘蛛等虫害；（4）沼液浸种。2、秸秆的氨化技术工业氨化（注氨水）；简易氨化（土法氨气浸熏）3、蚯蚓养殖技术蚯蚓喜温暖、喜潮湿、不喜盐；改土造肥；优质肥料；处理垃圾；药用（地龙）。第四章林业生态工程一、林业生态工程概述1、林业工程发展背景（1）人口增长对森林资源的压力（薪材短缺，资源危机）；（2）贫困和环境危机（发展中国家资源锐减，发达国家酸雨严重）。2、林业生态工程的发展（1）生态失衡的基本原因资源利用的不可持续性（2）生态失衡的主要标志生态系统的稳定状态削弱或消失。3、林业生态工程与传统绿化的主要区别（1）森林是森林生态系统的简称；（2）人工林要兼顾社会、经济、生态效益；（3）林业生产技术水平要符合国情；（4）根据演替阶段种植不同树种；（5）注意种间关系的协调，最终恢复生态系统服务功能。我国林业面临的主要挑战：由于人口多和经济快高速发展所造成的巨大和快速增长的需求与有限供给量之间的差距(以世界森林资源量的4.7%难以满足23%人口的需求）；保护和利用之间的矛盾；林地的生产力太低解决途径：六大林业生态工程1.天然林保护工程2.退更还林、还草工程3.三北防护林和长江防护林工程4.野生生物保护及自然保护区建设工程5.重点地区工业用材林基地建设工程六大林业重点工程的总目标：到2010年时,初步建立起乔灌草搭配、点线面协调、带网片结合,具有多种功能与用途的森林生态网络和林业两大体系框架,重点地区的生态环境得到明显改善,与国民经济发展和人民生活改善要求相适应的木材及林产品生产能力基本形成。现代林业产业的基本内涵（1）以最少的林地资源，最大地满足社会、经济发展的需求（2）高度集约化经营林业产业的现代化过程，就是不断提高林业生产集约化程度的过程。即：通过高投入的资金和密集的高技术，实施集约经营，以缩短森林生长周期，提高森林生产量和产出率以及资源的综合利用水平。（3）高度信息化衡量林业发展状况的主要指标：森林覆被率林地生产率林业增加值的增长率科技贡献率森林分类经营（Classifiedforestmanagement)定义:根据社会对森林生态和经济的两大需求，按照森林多种功能主导利用原则，相应地将森林、林木和林区划为不同森林类别，分别按各自特点与规律运营的一种经营管理体制和经营模式。(生态)公益林（non-commercialforest）：以维护和创造优良生态环境、保持生态平衡和保护生物多样性等满足人类社会的生态需求和可持续发展为主体功能，主要是提供公益性、社会性产品或服务的森林、林木和林地。包括防护林和特种林。只能进行抚育和更新。商品林（commercialforest）：以生产木(竹)材和提供其他林特产品，获得最大经济产出为主要目的，满足人类社会的经济需求为主体功能的森林、林木和林地。包括用材林、经济林和薪炭林。可进行主伐解决我国林业发展问题的出路（1）明确发展思路：发展人工林，使其成为高度集约化经营的木材和林副产品的生产基地。保护天然近熟和成熟林，使其成为物种的基因库；改造次生林，使其成为高生产力的近自然林；（2）稳定对林业的投入，继续实施并不断优化正在进行的国家林业生态工程。（3）提高林业工作的科学技术水平。（4）狠抓营林，将林业发展推进到一个以营林为主，集约经营森林，大幅度提高森林生产力为主要任务的发展阶段人工用材林的重要性——发展人工林和保护天然林，是林业可持续发展不可分割的两个方面。世界许多国家把营造工业用材林作为解决木材供需矛盾的重要途径。新西兰用占森林面积的13.8%的人工林,满足了94%的木材需求；智利用占森林面积的9%的人工林,满足了全国91%的木材需求。美国也非常重视工