环境生态学导论课件.ppt

1、 第一节第一节 生态工程概述生态工程概述在在2020世纪世纪6060年代全球生态危机爆发年代全球生态危机爆发和人们寻求解决对策并对资源环境进行和人们寻求解决对策并对资源环境进行保护的背景下产生。保护的背景下产生。6060年代以来，全球生态危机表现为人口年代以来，全球生态危机表现为人口激增、资源破坏、能源短缺、环境污染和粮激增、资源破坏、能源短缺、环境污染和粮食供应不足等。食供应不足等。60年代末、年代末、70年代初，人们对改善环境年代初，人们对改善环境的技术深信不疑，认为可以通过实现无废物的技术深信不疑，认为可以通过实现无废物目标来解决问题。目标来解决问题。种种原因使得运用常规方法不能实现无污

2、种种原因使得运用常规方法不能实现无污染目标。染目标。生态工程提供了一种实现低耗、生态工程提供了一种实现低耗、高效、无或少废生产的发展战略。高效、无或少废生产的发展战略。人们试图运用生态系统的某些功能，如人们试图运用生态系统的某些功能，如利用生物净化功能以实现降低污染和保护资利用生物净化功能以实现降低污染和保护资源的目标源的目标产生了生态工程。产生了生态工程。19621962年年,美国生态学家美国生态学家H.T.OdumH.T.Odum,“人类通过运用少量的辅助能而对以自然人类通过运用少量的辅助能而对以自然能为主的系统进行的环境控制能为主的系统进行的环境控制”19711971年年,指出生态工程是

3、人对自然的指出生态工程是人对自然的管理。管理。19831983年，他修订此定义为设计和实施年，他修订此定义为设计和实施经济与自然的工艺技术。经济与自然的工艺技术。我国著名生态学家马世骏我国著名生态学家马世骏强调生态工强调生态工程是生态学的原理在资源管理、环境保护程是生态学的原理在资源管理、环境保护和工农业生产中的应用，和工农业生产中的应用，其原理是生态系其原理是生态系统的整体、协调、再生和循环统的整体、协调、再生和循环。马世骏教授，马世骏教授，19841984年年生态工程生态工程：应用生态系统中物种共生与：应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结构与功能协调原则，物质循环再生原理、结构与功

4、能协调原则，结合系统工程的最优化方法，设计的分层和结合系统工程的最优化方法，设计的分层和多级利用物质的生产工艺系统。多级利用物质的生产工艺系统。生态工程的目标：在促进自然界良性循生态工程的目标：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，防环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益与生态效益同步止环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。发展。沙棘生态工程建设沙棘生态工程建设生态工程的主要理论、概念和方法与系统论、生态工程的主要理论、概念和方法与系统论、控制论、信息论、协同论、耗散结构论、突变控制论、信息论、协同论、耗散结构论、突变论、自组织论等相渗透，以整体观和

5、系统观为论、自组织论等相渗透，以整体观和系统观为指导，对以分析为主的传统生态学进行综合，指导，对以分析为主的传统生态学进行综合，吸收了物理、化学、生理学、毒理学和数学等吸收了物理、化学、生理学、毒理学和数学等自然科学的理论、方法和成就，是一门多学科自然科学的理论、方法和成就，是一门多学科交叉渗透的新兴边缘学科。交叉渗透的新兴边缘学科。生态工程对基本生态学的理论建设及生态工程对基本生态学的理论建设及验证有极大的贡献。理论生态学和应用生验证有极大的贡献。理论生态学和应用生态学都是生态工程基础，生态工程反过来态学都是生态工程基础，生态工程反过来将生态学理论和管理实践反馈给理论和应将生态学理论和管理实

6、践反馈给理论和应用生态学。用生态学。进 化 理 论生态系统理论种 群 生 态 学等等资源管理生态影响评价生 态 监 控生态风险评价生态毒理学等等生态工程设计、恢复生态系统理论生态学应 用 生 态 学 环境工程（环境工程（environmental engineeringenvironmental engineering）19601960年被提出，并得到了丰富的发年被提出，并得到了丰富的发展和建设，主要侧重于运用有关科学原展和建设，主要侧重于运用有关科学原理理解决污染问题解决污染问题，其内涵通常涉及对，其内涵通常涉及对能能源和资源的集约使用源和资源的集约使用和由此引起的和由此引起的环境环境污染污

7、染。环境工程中的一些技术虽然使用的是环境工程中的一些技术虽然使用的是生态工程的方法，但环境工程领域的研究生态工程的方法，但环境工程领域的研究并不以设计生态系统为目标并不以设计生态系统为目标。生物工程（生物工程（biotechnologybiotechnology）生态工程与生物工程完全不同。生物生态工程与生物工程完全不同。生物工程通常是指运用遗传学原理，生产出有工程通常是指运用遗传学原理，生产出有特定功能的生物新品系或有机体，它与生特定功能的生物新品系或有机体，它与生态工程所使用的手段、原理、设计方法都态工程所使用的手段、原理、设计方法都不相同。不相同。生物工程不能成为解决世界环境问题的主生物

8、工程不能成为解决世界环境问题的主要因素，而生态工程可能会通过地球上现有要因素，而生态工程可能会通过地球上现有的物种，种群和生态系统，解决生物工程的的物种，种群和生态系统，解决生物工程的局限性。局限性。恢复生态学（恢复生态学（restoration ecologyrestoration ecology）恢复生态学研究如何帮助恢复和管理恢复生态学研究如何帮助恢复和管理地区的生态学的完整性，包括保证其中的地区的生态学的完整性，包括保证其中的生物多样性生物多样性 、各种生态过程和结构、历史、各种生态过程和结构、历史和区域的一致性及可持续的文化活动在一和区域的一致性及可持续的文化活动在一定的范围内的变化

9、。定的范围内的变化。恢复生态学缺乏两个生态工程的基本标准，恢复生态学缺乏两个生态工程的基本标准，即可以识别生态系统的自我设计能力和同时以即可以识别生态系统的自我设计能力和同时以理论和实践经验作为进行设计的基础。理论和实践经验作为进行设计的基础。区域的生态恢复研究通常只是针对生态系区域的生态恢复研究通常只是针对生态系统的某一成分，如恢复或移植植被制止土壤流统的某一成分，如恢复或移植植被制止土壤流失，保护野生动物，进行合理的土地利用等。失，保护野生动物，进行合理的土地利用等。第二节第二节 生态工程使用的有关原理生态工程使用的有关原理 和遵循的原则和遵循的原则生态工程应用生态学及生态系统理论生态工程

10、应用生态学及生态系统理论中的基本原理来设计生态系统，并遵循一系中的基本原理来设计生态系统，并遵循一系列与能量流动及物质循环有关的原则来管理列与能量流动及物质循环有关的原则来管理生态系统。生态系统。能量和物质在生态系统中既不能量和物质在生态系统中既不会消失，也不会被创造，只会发生形式会消失，也不会被创造，只会发生形式上的改变。上的改变。遵循的有关原理：遵循的有关原理：生态系统储藏着可以识别不同对生态系统储藏着可以识别不同对象和特征的信息，这些信息储藏在生态系象和特征的信息，这些信息储藏在生态系统的各种物理、化学和生物本质内。统的各种物理、化学和生物本质内。例如，一棵树从雨水中获得信息，通例如，一

11、棵树从雨水中获得信息，通过改变树叶的大小（生长）和其它可见或过改变树叶的大小（生长）和其它可见或不可见的特征，作为对这一信息的回应。不可见的特征，作为对这一信息的回应。生态系统具有耗散的结构，即生态系统具有耗散的结构，即能量和物质不断从高级水平向低级水能量和物质不断从高级水平向低级水平退化，从有组织形式向无组织形式平退化，从有组织形式向无组织形式转化，系统内熵值不断增大。转化，系统内熵值不断增大。生态系统是一个能量、物质和生态系统是一个能量、物质和信息开放的系统，要保持稳定必须有不断信息开放的系统，要保持稳定必须有不断的能量输入的能量输入。生态系统可以成长。生态系统可以成长。生态系统是一个综合

12、的反馈系生态系统是一个综合的反馈系统，生态系统内的生物和非生物元素彼统，生态系统内的生物和非生物元素彼此互相影响。此互相影响。生态系统具有稳态结构。生态系统具有稳态结构。生态系统具有自我调节和组织的能力。生态系统具有自我调节和组织的能力。.结束1953年朝鲜战争结束后，南北朝鲜以北纬38为停火线，沿线两侧500多平方公里为非军事区，这里的地表经过战争的浩劫，几乎没有生物存在。40多年来，由于基本没有人类的活动，这里恢复了完全的自然状态。河水清澈、森林繁盛、物种繁多，还发现了14种被认为早已在朝鲜半岛灭绝的动物，包括东北虎和棕熊。美国科学家评论说：“全世界只有在这个地方，由于3000年以来的农耕

13、文明突然终止，原始物种可以在没有人类干扰的情况下自由发展，这个地区的生态恢复情况大大超过了人类所有的生态建设所能达到的水平。”生态工程与其它工程措施不同的基本原则：生态工程与其它工程措施不同的基本原则：生态工程的建设应用生态系统及自然生态工程的建设应用生态系统及自然界的自我设计和组织能力。界的自我设计和组织能力。通过使用生物物种、群落，甚至小型的生态系统，然后依赖生态系统的自我设计能力，完成一个生态系统的建设是生态工程有别于其它工程的特征之一。其它的工程措施往往需要添加设施或设备来转移或去除污染物质，而这些设施设备并不能由生态系统所控制。生态工程是进行基础生态学研生态工程是进行基础生态学研 究

14、的工具。究的工具。生态工程的建设特别强调将生生态工程的建设特别强调将生态系统作为一个整体考虑，而不是态系统作为一个整体考虑，而不是其中的若干物种或成分。其中的若干物种或成分。生态工程选择能满足人类的生态系统，以生态工程选择能满足人类的生态系统，以及那些适应于现存的人类需要的生态系统，来设及那些适应于现存的人类需要的生态系统，来设计新的生态系统。计新的生态系统。生态系统是以太阳能为支持的一个自我发生态系统是以太阳能为支持的一个自我发展的系统。展的系统。生态工程的方法是一项保护生态和环境，使人类与自然和谐相处,共同持续发展的战略。第三节第三节 国内外生态工程研究及发展国内外生态工程研究及发展 国外

15、农业生态工程的研究国外农业生态工程的研究2020世纪世纪3030、4040年代起，年代起，以开发廉价化石以开发廉价化石能源及使用工业技术装备为特征的集约化农能源及使用工业技术装备为特征的集约化农业逐步发展，并在业逐步发展，并在60年代达到鼎盛。年代达到鼎盛。常规农业能量消耗过高常规农业能量消耗过高,能量投入的边能量投入的边际效益过低。际效益过低。在石油价格大规模上涨阶段问题直接表现为在石油价格大规模上涨阶段问题直接表现为农田能量产投比值下降农田能量产投比值下降,农业成本过高而经济效农业成本过高而经济效益下降。益下降。70年代后，常规农业中的一些问题开始暴露：年代后，常规农业中的一些问题开始暴露

16、：土壤资源发生衰竭，特别是出土壤资源发生衰竭，特别是出现严重的水土流失、风蚀和地下水过量现严重的水土流失、风蚀和地下水过量开采等。开采等。常规农业使得动、植物品种单常规农业使得动、植物品种单一，结构单调，加重了病虫害和杂草的一，结构单调，加重了病虫害和杂草的发生与蔓延。发生与蔓延。大量化学物质的投入造成土壤、大量化学物质的投入造成土壤、水体和农产品污染严重。水体和农产品污染严重。这些问题不但影响到农业生产条件这些问题不但影响到农业生产条件的维持能力，还威胁到农产品持续供应的维持能力，还威胁到农产品持续供应的可能。的可能。有利于保持水土，提高土壤肥力及有利于保持水土，提高土壤肥力及生产力的耕作制

17、度及施肥方式。生产力的耕作制度及施肥方式。主要有将豆科牧草和豆科作物引入作物主要有将豆科牧草和豆科作物引入作物轮作体系，利用覆盖植物保持休闲期的地面轮作体系，利用覆盖植物保持休闲期的地面覆盖和注意等高种植，以及进行浅耕等。覆盖和注意等高种植，以及进行浅耕等。替代农业的一系列技术措施包括替代农业的一系列技术措施包括 对病虫害及田间杂草进行综对病虫害及田间杂草进行综合防治，以及利用作物分泌化学物质合防治，以及利用作物分泌化学物质来控制杂草等。来控制杂草等。其它措施其它措施：选育新的潜力大的作物：选育新的潜力大的作物品种和适于当地生态环境的家畜品种，农牧品种和适于当地生态环境的家畜品种，农牧综合经营

18、或与水产养殖相结合，开发生物能综合经营或与水产养殖相结合，开发生物能源，发展节能技术，以及充实或扩大某些生源，发展节能技术，以及充实或扩大某些生物学作用等。物学作用等。我国的农业生态工程研究有如下几个特点我国的农业生态工程研究有如下几个特点我国的农业普遍实行综合经营，除了一我国的农业普遍实行综合经营，除了一般种植用菌业、畜牧外，还包括水产养殖，般种植用菌业、畜牧外，还包括水产养殖，有机废物资源化养殖，果林与作物的间作有机废物资源化养殖，果林与作物的间作和某些手工业和加工业在内。和某些手工业和加工业在内。中国农业生态工程的研究中国农业生态工程的研究当代的生物技术、生态技术、化学技术、当代的生物技

19、术、生态技术、化学技术、机械技术，以及软科学技术在生态工程建设机械技术，以及软科学技术在生态工程建设中与传统技术结合运用，不但易于被农民接中与传统技术结合运用，不但易于被农民接受，而且适合中国农业生产条件复杂与劳动受，而且适合中国农业生产条件复杂与劳动力资源丰富的特点。力资源丰富的特点。目前中国农业生态工程研究主要有以下几个发展趋势目前中国农业生态工程研究主要有以下几个发展趋势其中，水体立体养殖生其中，水体立体养殖生态工程、节水农业生态工程、污水灌溉生态工态工程、节水农业生态工程、污水灌溉生态工程、保护地蔬菜生态工程、混林农业生态工程、程、保护地蔬菜生态工程、混林农业生态工程、土壤处理系统生态

20、工程、农业废弃物资源化再土壤处理系统生态工程、农业废弃物资源化再生循环利用生态工程、大型畜牧场粪便处理环生循环利用生态工程、大型畜牧场粪便处理环境治理工程以及水土流失地区小流域治理工程境治理工程以及水土流失地区小流域治理工程等方兴未艾。等方兴未艾。我国的农业生态工程研究主要着我国的农业生态工程研究主要着重于两个方面：第一，对农民自发建立的重于两个方面：第一，对农民自发建立的生态工程类型、模式和效益的调查与分析；生态工程类型、模式和效益的调查与分析；第二，村、乡、县三级农业生态工程的设第二，村、乡、县三级农业生态工程的设计与规划。计与规划。农村综合发展型生态工程农村综合发展型生态工程 应用了什么

21、原理？应用了什么原理？为了解决什么问题？为了解决什么问题？讨论4幅.结束 “四位一体”农业生态工程模式1.1.环境保护生态工程的特点环境保护生态工程的特点1)1)具有整体观具有整体观以整个生态系统或复合生态系统为研究以整个生态系统或复合生态系统为研究对象，通过多目标和全面规划一个区域，同对象，通过多目标和全面规划一个区域，同步取得生态环境、经济和社会效益。步取得生态环境、经济和社会效益。2 2）通过调控生态系统内部的结构和功能，）通过调控生态系统内部的结构和功能，来提高生态系统的自净能力和环境容量。来提高生态系统的自净能力和环境容量。4）运用生态工程原理治理环境，不产生或运用生态工程原理治理环

22、境，不产生或少产生使污染物从一种介质转移到另一介少产生使污染物从一种介质转移到另一介质的问题。质的问题。3）通过分层多级利用，将污染物资源化，）通过分层多级利用，将污染物资源化，变废为宝。变废为宝。2.2.国外环境保护生态工程的研究国外环境保护生态工程的研究国外在环境保护及污染物控制防治领国外在环境保护及污染物控制防治领域生态工程的研究和应用有很多，特别是域生态工程的研究和应用有很多，特别是对污水处理与湖泊、海湾的富营养化防治对污水处理与湖泊、海湾的富营养化防治更为突出。更为突出。美国的污水处理生态工程美国的污水处理生态工程19681968年开始，在北卡罗来纳州的摩洛赫年开始，在北卡罗来纳州的

23、摩洛赫得市研究应用河口区的池塘污水处理生态工得市研究应用河口区的池塘污水处理生态工程，特别是处理城市污水与海水混合水。程，特别是处理城市污水与海水混合水。2 02 0 世 纪世 纪 7 07 0 年 代 在 佛 罗 里 达 州 的年 代 在 佛 罗 里 达 州 的GarimsvilleGarimsville处试验和调查了种植柏树并使处试验和调查了种植柏树并使之成林的湿地，来处理水中的营养盐，使之之成林的湿地，来处理水中的营养盐，使之循环并保护湿地的生态工程，结果去除了进循环并保护湿地的生态工程，结果去除了进入湿地污水中入湿地污水中50%50%以上的有机质、营养盐和以上的有机质、营养盐和金属元素

24、。金属元素。在防止湖泊等水体富营养化方面，在防止湖泊等水体富营养化方面，2020世纪世纪8080年代初在伊利湖北部的河湖接合年代初在伊利湖北部的河湖接合部和老妇河河口地区的湿地上，建立了生态工部和老妇河河口地区的湿地上，建立了生态工程试验基地。程试验基地。麻塞诸塞州建立了沼泽及盐滩的生态工程，麻塞诸塞州建立了沼泽及盐滩的生态工程，处理陆上所来废水，防止海洋的富营养化。处理陆上所来废水，防止海洋的富营养化。丹麦丹麦自自1972197219761976年开始研究并试用年开始研究并试用GlumsGlums湖富营养化防治的生态工程，建立湖富营养化防治的生态工程，建立了生态模型，结果去除了进入湖中污水内

25、了生态模型，结果去除了进入湖中污水内909098%98%的磷。的磷。在在瑞典瑞典，污水处理的生态工程受到极，污水处理的生态工程受到极大重视，包括利用污水作为肥料，用农田大重视，包括利用污水作为肥料，用农田灌溉处理净化污水，建立许多温室，养殖灌溉处理净化污水，建立许多温室，养殖多种水生植物，净化污水。多种水生植物，净化污水。荷兰荷兰在在2020世纪世纪7070年代起就已经开始试年代起就已经开始试验和调控一些小型湖泊生态系统的结构，验和调控一些小型湖泊生态系统的结构，增加直接摄食藻类和与藻类在阳光和营养增加直接摄食藻类和与藻类在阳光和营养方面有竞争的生物种类，以防治水体的富方面有竞争的生物种类，以

26、防治水体的富营养化。另在一些居民区建立了若干生活营养化。另在一些居民区建立了若干生活污水处理生态工程，设置一些垂直分布的污水处理生态工程，设置一些垂直分布的充气和厌气土壤滤器纵向组合，并建立了充气和厌气土壤滤器纵向组合，并建立了营养盐流动的数学模型。营养盐流动的数学模型。3.3.我国环境保护生态工程的研究我国环境保护生态工程的研究1 1）无（或少）废工艺系统）无（或少）废工艺系统主要用于内环境的治理，例如在一主要用于内环境的治理，例如在一些工厂和工业城市中的废物再生和利用些工厂和工业城市中的废物再生和利用系统，将废热源再利用，及工厂废水的系统，将废热源再利用，及工厂废水的净化再循环，达到无污染

27、或少污染。净化再循环，达到无污染或少污染。2 2）分层多级利用废物生态工程）分层多级利用废物生态工程使生产过程中的每一级生产过程的废使生产过程中的每一级生产过程的废物都变为另一级生产过程的原料，且各环物都变为另一级生产过程的原料，且各环节比例合适，使所有废物均被充分利用。节比例合适，使所有废物均被充分利用。如一些家畜饲养场所产生的粪便，配如一些家畜饲养场所产生的粪便，配合沼气发酵、沼液无土栽培青绿饲料和蔬合沼气发酵、沼液无土栽培青绿饲料和蔬菜，沼渣再制混合饲料等几项生产项目和菜，沼渣再制混合饲料等几项生产项目和工艺组合。工艺组合。3 3）复合生态系统内的废物循环和再）复合生态系统内的废物循环和

28、再生系统，例如桑基鱼塘式的生态工程。生系统，例如桑基鱼塘式的生态工程。4 4）污水自净与利用生态工程）污水自净与利用生态工程例如污水灌溉是利用土壤生态系统的例如污水灌溉是利用土壤生态系统的自净能力既净化了生活污水，又利用了其自净能力既净化了生活污水，又利用了其中的营养元素作为肥料，在干旱、半干旱中的营养元素作为肥料，在干旱、半干旱地区，对缓解缺水矛盾有重要意义。另外，地区，对缓解缺水矛盾有重要意义。另外，利用生活污水养鱼，使污水中的营养盐和利用生活污水养鱼，使污水中的营养盐和有机物作为饵料肥料，促进了水产品的增有机物作为饵料肥料，促进了水产品的增产并处理净化了污水。产并处理净化了污水。5 5）

29、城乡结合的生态工程）城乡结合的生态工程在一定区域内，应用不同生产系统分层在一定区域内，应用不同生产系统分层多级利用废物，如城市粪便、垃圾、家禽家多级利用废物，如城市粪便、垃圾、家禽家畜饲养场粪便等制作沼气，再用作农田肥料畜饲养场粪便等制作沼气，再用作农田肥料或鱼塘养鱼饲料或肥料；一些食品及轻工工或鱼塘养鱼饲料或肥料；一些食品及轻工工厂废物用作畜牧、水产养殖饲料，其废物再厂废物用作畜牧、水产养殖饲料，其废物再用作农田肥料；以及一些废旧物资的回收、用作农田肥料；以及一些废旧物资的回收、再生与利用。再生与利用。.特殊之处.1.生态工程规划与设计的流程生态工程规划与设计的流程 第四节第四节 生态工程的

30、规划与评价生态工程的规划与评价生态调控生态调控 生态调查生态调查系统诊断综合评价系统诊断综合评价生态分区及生态工程设计生态分区及生态工程设计配套技术配套技术 根据生态调查、系统诊断及综合评价的结果，进行生态分区，在生态分区的基础上进行生态工程的设计。2.生态分区与生态工程设计生态分区与生态工程设计 生态分区是根据自然地理条件、区域生态经济关系及农业生态经济系统结构功能的类似性和差异性，把整个区域划分为不同类型的生态区域。现有的区划方法有经验法、指标法、类型法、叠置法、聚类分析法等，根据分区的原则与指标，运用定性和定量相结合的方法，进行生态分区，并画出生态分区图。对生态工程进行综合评价对于生态工程的规划与对生态工程进行综合评价对于生态工程的规划与设计有着十分重要的意义，综合评价能使规划更设计有着十分重要的意义，综合评价能使规划更加合理化并有利于不同生态工程的横向比较。加合理化并有利于不同生态工程的横向比较。3.生态工程的评价生态工程的评价 生态工程的评价指标针对不同类型的生态工程有许多不同的评价指标，这些指标的性状不一，不同的指标之间很难进行直接的比较。生态工程的评价指标构成评价指标体系，指标体系一般分为三层，第一层为综合效益，第二层为经济效益、生态效益、社会效益，第三层为各种具体指标。