环境生态学导论五章-生态工程课件.pptx
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- 环境 生态学 导论 生态工程 课件
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1、 生态工程的产生有着历史背景和现实需求,它是在20世纪60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保护的背景下产生的。60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、环境污染和粮食供应不足等,这些人类面临的共同问题在不同国家和地区表现不尽相同。西方发达国家面临的主要是由于高度的工业化和强烈集约型的农业经营带来的环境污染问题。在60年代末、70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(zerodischarge)目标来解决问题。然而,治理环境污染的人力、财力和物力是有限的,在发展中国家更是如此,此外,某种环境净化技术很可能将污染物从一种介质转移到另
2、一种介质中去,因而,种种原因使得运用常规方法不能实现无污染目标。于是人们试图运用生态系统的某些功能,如生物净化功能以实现降低污染和保护资源的目标,这样产生了发达国家的生态工程研究。在发展中国家所面临的不单纯是环境污染问题,而是一种由于人口增长、资源破坏、生产不足和环境污染共同构成的综合症。这些国家不但需要保护资源和环境,更迫切地需要以有限的资源生产出足够的产品,供养日益增长的人口。现实条件使得这些国家必须立足于本地资源和条件去寻求适合于自己的发展途径和技术,生态工程正提供了这样一种实现低耗、高效、无或少废生产适用技术的发展战略。生态工程(ecological engineering)于1962
3、年由美国生态学家H.T.Odum首先使用,他定义为“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”,1971年他又指出生态工程即是人对自然的管理,1983年,他修订此定义为设计和实施经济与自然的工艺技术(Odum,1963,1971)。此 外,国 外 不 少 人 还 提 出 生 态 工 艺(ecological technology 或ecotechnology),定义为在深入了解生态学原理的基础上,通过最少代价和对环境的最少损伤,将管理技术应用到生态系统中(Strascraba,1993;Strascraba&Gnauck,1985)。尽管在60年代初就出现了生态工程的名词,
4、在国外70年代初,也有两方面的研究与生态工程的研究有关,一是替代农业研究,一是环境工程研究,但这些研究并未明确使用生态工程的名词。我国著名生态学家马世骏在70年代末对生态工程提出了较完善的概念,对生态工程理论及在工业发展中的实践意义作了阐述:由于工业发展过程中,出现的环境受干扰并迫切需要采取保护政策,促使我们不得不在社会、经济、自然生态系统及资源物质系统之间,寻找多方相互依赖的特点,从而近年来在社会科学与自然科学之间产生了新的交叉学科前沿,这样的社会、经济、自然生态系统的结合,是当前国际上处理社会问题的重要理论依据;例如工业城市生态学是近年来开展的典型社例如工业城市生态学是近年来开展的典型社会
5、、经济、自然生态系统,在此复合系统中,包会、经济、自然生态系统,在此复合系统中,包括复杂的物质能量代谢系统及地质化学循环系统,括复杂的物质能量代谢系统及地质化学循环系统,并密切地与废物管理、营养物质循环和区域性食并密切地与废物管理、营养物质循环和区域性食物供应系统相联系,通过连接三个系统的循环关物供应系统相联系,通过连接三个系统的循环关系,可以及时有效地将人类和动物的废物返回到系,可以及时有效地将人类和动物的废物返回到土壤,把工业废物加以分解或再生,它所依据的土壤,把工业废物加以分解或再生,它所依据的机理就是模拟自然生态系统长期持续环链结构的机理就是模拟自然生态系统长期持续环链结构的功能运作过
6、程,可以称之为生态系统工程(马世功能运作过程,可以称之为生态系统工程(马世骏,骏,19791979)。)。他强调生态工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,其原理是生态系统的整体、协调、再生和循环。按照马世骏教授1984年对生态工程的较详细和明确的定义,生态工程是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,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。生态工程的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,防止环境污染,达到经济效益与生态效益同步发展。生态工程是一门正在形成中的科学,是应用生态学的分支科学之一。传统生态学
7、的研究在20世纪30、40年代取得很多重大进展,特别是生态系统概念的提出和生态系统生态学的建立,使系统信息学的思想在生态学的研究中发展,同时各分支科学进一步横向互相渗透,传统的经典科学得到了全新的更新和改造,焕发出新的生命力。应用生态学的各个分支,如农业生态学、城市生态学、区域生态学等在这一时期迅速发展,并取得许多重要进展,这些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。同时,系统科学的发展特别是系统工程学在各个领域中的广泛应用,为生态工程的研究提供了理论和方法基础。在这样的历史背景下,作为一个独特的研究领域,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
8、、突变论、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,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,成为一门多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验证有极大的贡献。图51对理论生态学、应用生态学及生态工程之间关系做出简单示意。理论生态学和应用生态学都是生态工程基础,但并不能完全定义它,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
9、境工程(environmental engineeringenvironmental engineering)环境工程早在1960年就被提出,并得到了丰富的发展和建设,主要侧重于运用有关科学原理解决污染问题,其内涵通常涉及对能源和资源的集约使用和由此引起的环境污染,例如建立各种反应池(tanks),除尘器(scrubber),过滤器(filters),化学沉淀池等装置消减污染物质。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并不以设计生态系统为目标,生态工程与环境工程目前还有一定距离,在未来的发展中将会结成密切的伙伴关系。生物工程(生物工程(biotechnologyb
10、iotechnology)生态工程的另一个同义词是生态工艺,但这与生物工程(biotechnology)是完全不同的。生物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,它与生态工程所使用的手段、原理、设计方法都不相同。但这两门学科的发展有一定的可比性,生态工程现在的发展程度与20年前生物工程的发展有相似之处。生物工程出现之前,由于分子生物学的发展,奠定了生物工程所使用的原理和技术;现在,生态工程以生态学为基础理论,通过运用和发展生态系统水平上的各项工具,发展本领域。尽管生物工程的研究取得了巨大和可观的进展,但许多学者和环境管理人员相信,它并不能成为解决世界环境问题的主要因素
11、。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,解决生物工程所经历的局限性,从而得到更深刻的注意。恢复生态学(恢复生态学(restoration ecologyrestoration ecology)生态恢复是一个修补人类对生态系统造成的损害,恢复生态系统原有的多样性和动态平衡的过程。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,包括保证其中的生物多样性、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定的范围内的变化。在欧洲,恢复生态学最早基于生物工程的概念,将各种植物的使用作为工程材料。恢复生态学与生态工程有密切关系,不同主题的恢复生态学有设计生态系统的目标,
12、但与生态工程相比,它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,和同时以理论和实践经验作为进行设计的基础。一个地区的完全生态恢复得以重建的范例几乎没有,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失,保护野生动物,进行合理的土地利用等。生态工程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,并有遵循一系列与能量流动及物质循环有关的原则来管理生态系统。生态系统的有关理论以在前几章节中已作了阐述,为深入理解如何建设一项生态工程,现简要归纳如下:能量和物质在生态系统中既不会消失,也不会被创造,只会发生形式上的改变。生态系统储藏着可以识别不同对象和
13、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,例如,一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转化,系统内熵值不断增大。生态系统是一个能量、物质和信息开放的系统,生态系统之所以能够不断发挥功能,是因为有不断的能量输入,及地壳物质进入生态系统。因而,生态系统易于受到外来输入的攻击,例如,一个湖泊生态系统需要有恒定的来自太阳辐射能的输入来抵制由于对外开放造成的系统营养的损失。生态系统可以成长。由于物质和能量的输入,生态系统的成长是一个熵
14、减的过程。熵值的增加和减少使得生态系统有一个稳定的成长过程,并达到动态平衡的阶段。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此互相影响。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。生态工程遵循生态学和生态系统的有关原理,有与其它工程措施不同基本的原则。,生态工程的建设有应用生态系统和自然界的自我设计和组织能力。当一些变化发生时,自然系统中的物种发生重组或替代,一些被选择,另一些被淘汰,食物链重新被组织起来,最终一个适应变化环境的新系统出现了。人类通过提供与环境相适应的生物物种参与生态系统的自我设计,然后由具有自组织能力的自然系统最终发展并完善新系统,使之达到稳定,
15、例如,一个套种的农业生态系统便是通过人为手段加速生态系统的自组织过程。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与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究的工具。理解一个系统是如何运作的最好办法是亲自组装这一系统,生态工程基于已知的生态学原理,建设一个新的生态系统,这一独特的手段使得我们可以在工程建设过程中充分理解和验证有关的生态学原理。,生态工程的建设特别强调将生态系统作为一个整体考虑,而不是其中的若干物种或成分,需要综
16、合一系列的生物学、生态学、系统科学、物理、化学等相关学科原理,使用建模、边际分析等方法来理解并处理设计生态系统中所遇到的问题。,生态系统是以太阳能为支持的一个自我发展的系统。系统在萌生之后,几乎全部依靠太阳能,通过自我设计和组织的能力来发展。现代的环境技术大多依赖于不可更新的化石能源,而生态工程在设计和建设的开始时,需要使用部分的不可更新能源,然后赖于太阳能系统能量,如同自然生态系统一样的发展。因而,生态工程在解决环境问题中,积极保护不可再生能源。,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生态系统的人类需要,来设计新的生态系统。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
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