第2章_生态工程学原理

第二章生态工程学原理张靖[e-mail]目录第一节自组织原理第二节共生原理第三节正负反馈调节原理第四节正常立地理论第五节局部控制与全局调节原理第六节生态结构与生态功能相互作用的原理第七节生产功能与保护功能耦合的原理第八节物质与能量多层利用及循环原理第九节仿生原理教学目的和要求掌握生态工程学的基本原理。自组织原理、共生原理、正负反馈调节原理等。正确认识生态工程基本原理在生态工程学中的应用前景。3第一节自组织原理一、组织与自组织组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。它分为两类：他组织和自组织。如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。二、生态系统是自组织系统产生原因：生物与周围环境达到相互适应状态，这是长时间内生物与其环境通过物质、能量交换相互影响、相互作用的结果。生态系统的自组织，是生态系统这一开放系统，通过与外界进行物质及能量交换，自发调整生物与环境及生物与生物的关系，建立起相互联系、相互依赖并能完成特定功能的有序结构，且具有不断向前发展和进化的自然过程和行为。生态系统在光、热、水、气等因素作用下，生物个体和种群抢占和适应各种生态位，组成了生物群落和食物链网络，是一个叠加在周围环境之上适应环境的生态系统，这也就是自然生态系统的自我设计。三、生态系统的自我设计自我设计的生态系统仿效自然原型进行设计，保证生物与自然环境的适应，结合经济要求，设计一个理想的既符合自然界自组织原则、又能为社会生产更多物质财富的生态工程建设方案。四、自组织原理在生态工程中的应用建立增加减少越多越好第二节共生原理共生:是指两种不同生物之间所形成的紧密互利关系。一、人类社会的发展实质为与自然界的共生关系1.从共生关系到对抗关系人类同自然的关系，从石器时代到农业社会，是一种相互适应和共同进化的关系。工业化的第二次浪潮思维，不论是工业系统还是农业技术系统都是以征服自然和改造自然为“己任”，把原有的人和自然的共生关系，改变成一种对抗关系。2.从对抗回归到共生关系目前，资源遭受破坏，环境严重污染，人类因食物、水和空气的污染而中毒，说明人类的生存环境越来越不适合人类的生存。人类觉醒认识到，21世纪应该是人类与自然新的共生时代。“共生”是生物与生物之间、不同系统之间的合作共存、互惠互利关系。•动物吸收氧气呼出二氧化碳，而植物通过叶绿体的光合作用吸收二氧化碳放出氧气，组成植物界与动物界在全球范围内的互利共生关系。•豆科植物与根瘤菌的共生，赤杨属植物与放线菌的共生，蜜蜂与豆科、猕猴桃科植物的共生都是十分有意义的互利共生关系。人类与自然界的共生是指人类社会与自然界之间的互利共存关系。“由于对长时间、大范围的环境干涉策略的无能，促使人们通过‘共生’来控制人类－环境系统”——R.J.本耐特（Bonnet）和R.J.乔利（Chorley），《环境系统》实际上，人类社会和自然环境的关系中，有许多本来是“对抗”的事情，都可以按仿“自然原型”的原理，使其转化为“共生”的关系，实现“双赢”。城市废物——蚯蚓、农牧争地二、人类认识到共生关系的重要性这就是利用“共生”原理来控制人类环境系统，将人类与环境的“对抗”关系，通过生态工程转化为“共生”关系。三、从“对抗”到“共生”——毛乌素沙地恢复•地处北方农牧交错带，毛乌素沙地腹地，是我国中、东部平原重要的生态屏障；•属温带极端大陆性季风气候，年降雨量为300-400mm，降雨量年际变化大。乌审旗风光乌审旗沙漠化时空变化1977-2007年乌审旗沙漠化面积变化单位(km2)流动沙地面积大幅减少从“对抗”到“共生”（1）从传统的轮牧到禁牧、休牧（2）以地养地，开辟部分地，种植玉米（3）种植沙柳等防风固沙（4）……注这张图不是乌审旗照片，只做对比说明第三节正负反馈调节原理一、因果关系系统内相互联系的组成部分之间，总是具有因果关系的。为了解系统的部分与整体之间及部分与部分之间的关系，可将复杂的整体通过因果关系加以分解，借以简化。因果关系图二、反馈关系反馈：在系统中，把输出反过来馈送给输入，就称反馈。反馈是原因和结果的逆向联系。•原因影响结果，结果又影响原因。•原因与结果通过信息流组成一个闭合的反馈系统，称之为因果反馈环。正反馈：当因果反馈环中的一个变量发生变化，通过环中各组分间依次发生的连锁反应，使变量的变化增强，最后使系统远离初始状态。负反馈：当因果反馈环中一个变量发生变化，通过环中各组分间依次发生的连锁反应，使变量的变化减弱，最后引起变化趋于稳定。正反馈环图负反馈环图正负反馈环的耦合•当负反馈环自我调节作用强于正反馈环的自我强化作用时，系统就呈现出趋于稳定的行为；•当正反馈环的自我强化作用胜于负反馈环的自我调节作用时，系统就出现无限增长或急剧衰减的行为。正负反馈耦合图一个生态系统，或一个自然系统，甚至一个社会系统，常常不是由一个反馈环组成，而是几个甚至十几个正负反馈环相互连接构成复杂的相互关系网。三、反馈调节通过正反馈环的自我增强作用和负反馈环的自我调节作用的加强和减弱，可以控制系统的变动方向和发展趋势，这就是反馈调节。增强负反馈环的作用图沙地治沙问题，如何减少土地沙化？新建林网第四节正常立地理论正常立地也称标准立地，是指在生态序列处于正常位置的立地。正常位置，是那些能反映大气候的水、热条件的平坦部位，在这样的部位上才能发育与大气候相适应的土壤和生长与大气候相一致的植被。受地形的影响，立地也发生分异，除了那些发育有与大气候条件相一致的土壤和植被的正常立地外，还有一系列与大气候条件不相适应的非正常立地。大青沟国家级自然保护区，古代残遗森林植物群落近正常立地在地形垂直分化系列中处于正常立地附近的位置，但与正常立地有一定偏离：比正常立地稍热，或稍冷；比正常立地稍湿，或稍干。由于地方气候的差异，引起土壤亚类或土种的变化及植物群落与正常立地有所偏离。标准立地理论对生态工程有着重要作用：•认识了标准立地，就有可能通过人类与自然界合作共同创造与自然规律相符合的新自然环境、新的生态系统。•“仿效自然”设计出与当地大气候条件相适应的速生丰产的生物群落和肥沃持久的人工土壤的新生态系统。对生态工程的意义：第五节局部控制与全局调节原理一、整体与部分整个生物圈是一个多级层次系统的有序整体，每一个高级层次系统都是由具有自己特征的低级层次系统所组成。细胞组成有机体，有机体组成种群，不同种群组成生物群落，生物群落与周围环境一起组成生态系统，生态系统又与景观生态系统一起组成总人类生态系统。自然区域也具有等级二、生物圈的等级组织原理1.生态系统等级树整个生物圈是一个多重的等级组织，从生物个体到种群，从生物种群到生物群落，从生物群落到生态系统，从不同等级的生态系统到整个生物圈组成一个多级有序整体。2.局地等级生态系统的局地等级有生态元、生态段和生态链。（1）生态元：生态元是生态系统的最小单元，它是地球表层在垂直方向和水平方向上都一致的地段。（2）生态段：生态段是不同的生态元有规律的结合体。由生态元结合成生态段是受地形形态制约的。（3）生态链：生态链是一些在地域分布上和发生上有生态联系的生态段的有规律的组合，每一个生态链都有自己的一系列相互更替并有物质与能量联系的生态段。分水岭（生态链）由多个生态段组成生态元：生物群落生态段：多个生态元生态链：有关联的生物段3.地域等级（1）景观：“综合了地理生物圈和智慧圈中的人为事物和人类生存空间的总空间和可见实体”。——C.特罗尔（Troll）（2）生态地带：生态地带是在标准立地上发育有与大气候的水、热条件相适应的生物群落及生态系统的总和，它具有随大气候条件的变化而呈带状分布的特点。中国生态地带分区•由于生物圈是物质和能量流、信息流联系的多重等级组织，对低等级的局部干扰，通过逐级的连锁反应，就可以使整个生物圈受到影响。•想解决这种全球性的环境问题，从全球入手是无法解决的。因为到目前为止，人们对大范围的自然控制仍然是无能为力的。但可以从低等级的局部控制以求在全局上得到调节。为什么需要“局部控制与全局调节原理”?第六节生态结构与生态功能相互作用的原理生态结构是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。一、生态系统的结构“生态元—生态段—生态链—景观—地带—带—生物圈”通过能流、物流、物种流和信息流组成了一级比一级高的等级结构。在生态元中主要以物流和能流的联系为主；生态段与生态链除能流、物流外，还有物种流在不同的异质性单元之间的流动。等级越高其联系越差，结合力也越弱。1.生态系统的垂直结构生态系统在垂直方向上组成物质形态不同、性质各异但又互相联系的“千层饼”构型，如生态系统中的乔木层、灌木层、草本层及地下层。2.生态系统的水平结构生态系统在水平方向上的分布格局以及各部分之间的相互关系，组成了水平结构（山前洪积扇）。3.信息反馈结构是生态系统各种反馈环的组成和各反馈环之间的相互联系性质（食物链）。4.时间结构在时间轴上生态系统随时间的节律变化而构成的一系列状态的组合，如萌发、出叶、开花、结果、成熟、落叶等。二、生态功能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。包括：生态系统的供给功能（粮食、木材）生态系统的处置功能（废物、废水）生态系统的抵制功能（环境灾害）生态系统的保存功能（水、能量）几种功能的相互关系：供给功能、保存功能、处置功能与抵制功能既相互排斥又相互补充，以维持系统的运行及发展。当供给功能降低时，加强保存功能就能增加系统的整体功能；抵制功能降低时，加强处置功能也可将污染物处理掉。第七节生产功能与保护功能耦合的原理一个生态系统既要生产，又要保护自身的稳定性和周围的环境，以便持久地利用自然，就必须将生产功能与保护功能结合起来。主要是根据不同的立地类型。恢复我国东北丘陵区以红松为主的针阔叶混交林在丘陵的顶部，利用丘陵顶部残存的次生针阔叶混交林，建成具有较高生产力的保护性生态系统。在丘陵的斜坡部分建设缓冲型的生态系统：营造长白落叶松、紫椴及胡枝子、紫穗槐为主的乔灌结合的针阔叶混交林。丘陵间的谷地，在斜坡有林木植被保护的条件下，建成具有生产功能的生态系统。种植美国籽粒苋，茎叶作饲料，种子作人类的高蛋白食品，经济效益远远高于其他作物。第八节物质与能量多层利用及循环原理生物圈的奇怪现象：生物圈是一个最有效率的超级工厂，它每年转化2×1011t的碳和有机质，生产1×1011t的氧气，转化几百万吨的重金属，不仅不发生原料的短缺，也没因废物处理问题而引起环境破坏。其中的奥妙：就在于物质与能量转化及多层分级利用。一个组分的“废物”，正是下一组分的原料，一个组分固定的太阳能，可以转化为下一组分的躯体质量。这种多级的能量转换和物质循环模式，是目前任何人工生态系统都无法比拟的。碳循环生态系统能量流动第九节仿生原理仿生是模仿自然界中生物与生物之间的关系行为。一、仿植物的相生相克行为相生相克现象是一种植物通过向环境释放化学物质，影响周围其他植物的现象。释放的大部分克生化合物都对他种植物起作用，克生化合物具有选择性、专一性的特点。应充分利用克生化合物的选择性、专一性特点，研究农作物间、作物与杂草间的相生相克关系，并在农业生态工程中模仿这种行为，以最小的经济投入，获得最大的生态、经济产出。应用：利用植物间的克生效应抑制杂草的生长。苇状羊茅分泌的次生物质对油菜生长有影响，它的初提物抑制莱豆、绿豆的发芽飞生长；人工合成相生相克化合物，制作新型除莠剂。黄瓜、向日葵和大豆的某些品系，能削弱周围杂草的生长。二、仿动物的利他行为所谓利他行为是指那些靠牺牲自身生存和生殖而增加其他个体生存机会和生殖成功率的现象。“亲缘利他”，即有血缘关系的生物个体为自己的亲属提供帮助或作出