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1、1,第二章,生态工程设计基本原理,2,第一节 生态工程设计基本原理,3,生态工程是在生态学原理的指导下，对生态系统进行设计和建设的生产工艺体系和技术，目的是使经济效益和生态效益实现高度的统一，使农业、工业、城市及区域经济得到稳定、持续的发展。,生态工程是人类学习自然生态系统“智慧”的结晶，是生态学、工程学、系统学、经济学等学科交叉而产生的新兴学科。生态工程主要由生物种群、生物群落和生态系统构成。生态工程的构建和运行主要依据是生态学的基本原理。,4,物质循环再生原理是根据生态系统物质循环原理，多类型、多途径、多层次地通过初级生产、次级生产加工、分解等完全代谢过程，完成物质在生态系统中的循环。,农
2、业生态系统中的物质循环，通常指生命活动必需的元素或无机化合物在农业生态系统中的循环流动。,生态工程的原理,物质循环再生原理,5,地球以有限的空间和资源，长久维持着众多生物的生存、繁衍和发展，奥秘就在于物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达到取之不尽，用之不竭的效果。,生态工程的原理,物质循环再生原理,6,生态工程的原理,物质循环再生原理,组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，都不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程。这就是生态系统的物质循环。,7,生态工程的原理,物质循环再生原理,原理含义：,生态系统中，生物借助能
3、量的不停流动，一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质，另一方面又随时分解为原来的的简单物质，即所谓“再生”，重新被系统中的生产者植物所吸收利用，进行着不停顿的物质循环，循环往复，分层分级利用。,8,碳循环,9,碳在大气圈和生物群落中的存在形式？,CO2如何从无机环境进入生物群落？,在生物群落中以有机物形式存在的碳如何沿着食物链传给下一个营养级？,生物群落中的碳以什么途径回归大气圈？,大气中CO2的含量为什么持续增加？,CO2、有机物,绿色植物光合作用,通过捕食关系,主要是呼吸作用,大量燃烧煤和石油等化石燃料,生态工程的原理,物质循环再生原理,10,生产者通过光合作用固定太阳能,生产者固定的
4、太阳能的总量,1.能量流动的起点,2.流经生态系统的总能量,3.能量流动的途径(渠道),4.能量的散失,食物链和食物网,主要是通过呼吸作用,5.能量流动的特点及传递效率,单向流动，逐级递减；传递效率一般为10%,生态工程的原理,物质循环再生原理,生态系统的能量流动过程及特点,11,物质循环与能量流动的关系,能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的合成和分解等过程；物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（食物网）流动；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。,生态工程的原理,物质循环再生原理,12,物质循环再生原理案例,无废弃物农业：我国古代传统农业的辉煌成就之一，也是
5、生态工程最早和最生动的一种模式。,无废弃物农业-通过积极种植能够固氮的豆科作物，以及收集一切可能的有机物质，包括人畜粪便、枯枝落叶、残羹剩饭、河泥、炕土、老墙土以及农产品加工过程中的废弃物等，采用堆肥和沤肥等多种方式，把它们转变为有机肥料，施用到农田中，改善了土壤结构；培育了土壤微生物；实现了土壤养分如氮、磷、钾及微量元素的循环利用。,13,没有物质循环的系统，就会产生废物，造成环境污染，并最终影响系统的稳定和发展。物质循环再生原理:要求我们在生态工程设计和建设时要使大多的物质循环再生,以减少污染。意义：避免环境污染及其对系统稳定和发展的影响。,生态工程的原理,物质循环再生原理,14,生态工程
6、的原理,物种多样性原理,理论基础：生态系统稳定性,生态系统所具有的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力。,.两种稳定性区别,.比较两种稳定性,抵抗力稳定性：抵抗干扰，保持原状恢复力稳定性：遭到破坏，恢复原状,自动调节能力,15,物种多样性是物种水平的生物多样性，是用一个区域的物种种类的丰富程度和分布特征来衡量的。,物种的丰富度是指一个群落或生境中物种数目的多寡。,物种的均匀度指一个群落或生境中全部物种所有个体数目的分布状况，反映了各物种个体数目分布的均匀程度。,生态工程的原理,物种多样性原理,什么是物种多样性？,16,我国是世界上物种多样性最丰富的国家之一,地球表面的动植物、微生物的总数达到
7、500万-3000万种，已经记录的大约有140万-170万。我国已经记录的物种总数达29万种。拥有高等植物3万余种，脊椎动物6347种，均居世界首位；还有昆虫15万种，更重要的是，高等植物中有17300多个特有种，脊椎动物有677个特有种。我国是世界上物种多样性最丰富的国家之一。,17,特有物种：,古老物种：,18,生态工程的原理,物种多样性原理,(1).三北防护林建设中单纯林问题：纯樟子松林、杨树林的松毛虫会肆虐，几十亿株树木会毁于一旦？,资料分析,19,纯樟子松林、杨树林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少松毛虫、天牛的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致了树林的毁
8、坏。,20,生态工程的原理,物种多样性原理,资料分析,（2）为什么珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性？,珊瑚礁区的生物多样性高，食物链复杂，不同的生物占据了不同的时间位、空间位和资源位，因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境。例如，氮、磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外。,21,生态工程的原理,物种多样性原理,生物多样性程度高，可以为各类生物的生存提高多种机会和条件。众多的生物通过食物链关系相互依存，就可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力。物种越丰富，生态系统抵抗力和稳定性就越高。意义：避免系统结构或功能失衡。,22,生态工程
9、的原理,协调与平衡原理,理论基础：生物与环境协调与平衡,指生物与环境协调与平衡，需要考虑环境承载力，即指某种环境所能养活的生物种群的数量。如果生物的数量超过了环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。,23,生态工程的原理,协调与平衡原理,协调-强调生物要和环境相适应平衡-是种群数量与环境的负载能力要平衡,协调与平衡原理要求我们在生态工程设计和建设时要考虑:生物要和环境相适应，种群数量与环境的负载能力要平衡；重视开发利用本地生物资源，科学引进外来物种。,意义：避免系统的失衡和破坏,24,资料分析,生态工程的原理,协调与平衡原理,（1）太湖的富营养化问题,由于周边城市、工业和农田的排水中氮、磷
10、的浓度较高，使太湖水体中的水葫芦和藻类疯长,种群数量与环境的负载能力不平衡,25,水葫芦，原产于委内瑞拉，大约于20世纪30年代作为畜禽饲料被引入我国，并曾作为观赏和净化水质植物推广种植。由于无性繁殖速度很快，其疯狂蔓延使很多水生生物处于灭绝的边缘。被专家称作患上了“生态癌症”，我国每年要花费上千万元用于打捞水葫芦。,生态工程的原理,协调与平衡原理,26,资料分析,生态工程的原理,协调与平衡原理,（1）西北一些地区的防护林建设：选种杨树。,每种生物都有自己所能适应的环境，且生物与周围的环境相互适应，相互制约，这是长期自然选择的结果。我国西北一些地区降雨量小于450mm，是只适宜种植灌木和草的地
11、区，却被硬性规定种植属于乔木的杨树，以至于到处都是“杨家将”。生态的不适应使许多地方的杨树长成半死不活的“小老头”状，远不如当地树种那样有较高的生态适应性，结果防护林成了残败的“灰色长城”。所以，西部防护林建设应选种抗旱、耐寒、根系发达、适应性强的树种或者当地树种，这些树种能够适应当地的生态环境。,27,整体性原理,生态工程的原理,理论基础：社会-经济-自然的复合系统,自然生态系统是通过生物与环境、生物与生物之间的协同进化而形成的一个不可分割的有机整体。人类处在一个社会、经济、自然复合而成的系统中。,28,只有应用整体性原理,才能统一协调当前与长远、局部与整体、开发与环境建设之间的关系，保障生
12、态系统平衡和稳定。意义：统一协调各种关系，保障系统的平衡与稳定,整体性原理,生态工程的原理,29,进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生态系统的规律，更重要的是，要考虑到经济和社会等系统的影响力。只有把生态与经济结合起来，才能最终达到可持续发展的目的。另外，社会习惯、法律制度等也都对生态工程建设有着重要影响。,整体性原理,生态工程的原理,30,生物共生原理,如：稻田养鱼；农林间作。,生态工程的原理,31,稻田养鱼,生物共生原理,稻 田,杂草、浮游植物,32,生态工程的原理,系统学和工程学的原理,理论基础：分布式优于集中式和环式,理论基础：整体功能大于部分之和,33,系统的结构决定功能原理 生态
13、工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。系统整体性原理 系统各组分之间要在适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现总体功能大于各部分之和的效果，即“1+12”。从而保持系统很高的生产力。,生态工程的原理,系统学和工程学的原理,34,目前，一些发达国家的生态工程建设主要依据生态系统的自我调节理论，达到了以回归自然为主，人为调控为辅的程度。而在我国的生态工程建设中，人为调控仍起着较大的作用，强调按预期目标，因地制宜地调整复合生态系统的结构和功能；调控生态系统内形成互利共生网络；多层次分级利用物质、能量、空间、时间；促进
14、系统的良性循环，以达到经济、生态和社会效益的统一。生态工程的设计还必须遵循社会发展和经济运行的基本规律，运用系统工程的理论和方法来指导生态工程的实施和管理。,35,试分析下列事件可用何种生态工程原理来解释,1.畜牧养殖应注意牲畜量不超过草地承载量2.使用堆肥和沤肥法实现生态农业3.广东大量引种木麻黄作为行道树，一种叫吹绵介壳虫的害虫使木麻黄遭受严重破坏，后来从国外引进澳洲瓢虫，已持续发挥了控制害虫的作用。4.针对过度放牧的草原，一方面要减少畜牧量，进行草地承包，有效管理。另一方面要设法增加农牧民的收入途径。,物质循环再生原理,物种多样性原理,协调与平衡原理,整体性原理,36,第二节 生态工程设
15、计思路,37,影响现代生态思想的核心是：,生态设计思路,人是生态系统的一部分，人类只有建立对生态系统全面正确的认识，才能实现对现有生态系统的合理利用、保护和管理。,正是在全球环境普遍退化急需治理和管理的背景下，生态学才逐渐开始了由思想到实践，由理论走向设计的过渡，生态设计也由此产生发展，并逐步渗透于建筑、文化、区域开发等领域中。,38,生态设计思路,Doug(1994),生态设计(Ecological planning)就是通过一系列的假设、行动，从而最大限度地与周围文化空间环境相适应的变革过程。,这里的社会变革指创造一种社会公平与生态持续的人类社会，而这一过程实际是强调适应环境的过程，旨在通
16、过对现有城市乡村的变革实现生物区域(Bioregion)或生态村(eco-villages)、生态城(eco-city)的重建。,39,Lindsay(1987),生态设计思路,生态设计指在现有设计基础上，对环境信息、环境管理作较为理想的，综合的设计与调整。,对生态系统结构功能的分析；对系统变化中各要素(土地、水等)之现有利用情形及其潜力作出判断；任何外界影响下可能损益的判断；综合历史变化及环境损益于一体对资源进行合理调整以满足所有期望；调整意见不同的利益主体间的需求。,40,生态设计思路,Richard(1994),从设计角度认为一个好的设计不应仅仅是对空间的美学、结构、机械、电讯等的堆砌，
17、而应体现为一个整体，生态与人类协调的整体。,强调人与自然间的协调，人为设计与自然设计间的统一。,41,生态设计原则,应遵从其所处生态系统的要求，不可超越该生态系统的极限；生态设计之前应对研究之生态系统作详细的分析和评价，对生态系统历史演化机制作必要的了解；充分发挥和再现自然生态系统和谐特征；以生态系统的共同发展为主旨，并首先考虑当地居民的生存与福利，不可以牺牲当地之利益为代价。能保证该系统健康持续发展的系统。,42,生态工程设计的步骤,生态工程的对象十分广泛，一切致力于与环境协调、与生态系统保持和谐的工程均可纳入生态工程的范畴。通常生态工程涉及的领域主要集中在自然生态系统植被恢复与生态建设、退
18、化生态系统恢复与治理、生态农业、环境污染治理等方面。,43,生态工程设计的步骤,生态工程的目标,充分实现生态系统自设计和经济系统人为设计的高度统一,充分考虑生态系统的结构、功能及其特点，尊重其的基本演替与变化规律，使人类活动控制在自然生态系统允许的阈限范围内；通过发挥现代技术与人类长期积累下的经验和智慧，创新性地再造新的生态系统、恢复已有的良好生态系统和对退化的生态系统进行修复，实现系统价值的增殖和长期稳定发展。,44,生态工程设计的步骤,生态工程设计的一般步骤,系统边界确定。生态系统分析。生态过程影响驱动因子及响应。系统工程目标设定及工程方案构建。生态工程方案的论证与修订。生态工程方案实施。
19、工程运行记录及反馈。工程验收。,45,案例,成都都江堰水利工程,都江堰水利工程在四川都江堰市城西，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。2200多年来，至今仍然连续使用，仍发挥巨大效益。,都江堰建于公元前256年，是战国时期秦国蜀郡太守李冰率众修建的，采取“引水灌田，分洪减灾”的办法，凿开与虎头山相连的离堆，在离堆上游修筑了分水堤和湃水坝，把岷江分为内江和外江两支，并筑有水门调节两江水量，修成了具有防洪、灌溉、航运多种效益的综合水利工程。,46,47,案例,成都都江堰水利工程主体工程,都江堰渠首枢纽主要由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大主体工程构成。科学地解决了江水自动
20、分流、自动排沙、控制进水量等问题，消除了水患，使川西平原实现了“水旱从人”。,“鱼嘴”是都江堰的分水工程，因其形如鱼嘴而得名，位于岷江江心，把岷江分成内外二江。西边叫外江，俗称“金马河”，是岷江正流，主要用于排洪；东边沿山脚的叫内江，是人工引水渠道，主要用于灌溉。,鱼嘴分水堤,48,案例,成都都江堰水利工程主体工程,宝瓶口起“节制闸”作用，能自动控制内江进水量，是前山(今名灌口山、玉垒山)伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，是人工凿成控制内江进水的咽喉，因它形似瓶口而功能奇持，故名宝瓶口。留在宝瓶口右边的山丘，因与其山体相离，故名离堆。离堆在开凿宝瓶口以前，是前山虎头岩的一部分。由于宝瓶口自然景观
21、瑰丽，有“离堆锁峡”之称，属历史上著名的“灌阳十景”之一。,宝瓶口,宝瓶口,49,案例,“泄洪道”具有泄洪排砂的显著功能，故又叫它“飞沙堰”。飞沙堰的作用主要是当内江的水量超过宝瓶口流量上限时，多余的水便从飞沙堰自行溢出；如遇特大洪水的非常情况，还会自行溃堤，让大量江水回归岷江正流。另一作用是“飞沙”，岷江从万 山丛中急驰而来，挟着大量泥沙，石块，如果让它们顺内江而下，就会淤塞宝瓶口和灌区。飞沙堰将上游带来的泥沙和卵石，甚至重大千斤的巨石，抛入外江，确保内江通畅。古时飞沙堰，是用竹笼卵石堆砌的临时工程；如今已改用混凝土浇铸，以保一劳永逸的功效。,成都都江堰水利工程主体工程,飞沙堰,50,都江堰
22、全景,51,52,谢谢！,53,系统整体性原理指的是，系统是由若干要素组成的具有一定新功能的有机整体，各个作为系统子单元的要素一旦组成系统整体，就具有独立要素所不具有的性质和功能，形成了新的系统的质的规定性，从而表现出整体的性质和功能不等于各个要素的性质和功能的简单加和。即“系统整体功能大于部分功能之和”。,系统整体性,生态工程的原理,54,系统整体性,生态工程的原理,整体性原理与系统整体性原理的区别,整体性原理强调的是自然、经济与社会一体的，主要是涉及到跟经济有关的系统整体性原理强调的是整体与部分的关系，没有涉及到经济,如农民种树既要考虑经生态效益，还得考虑温饱问题 经济效益,如珊瑚虫和微生
23、物共生，如果两者分开了都不能生存下去。,55,系统结构决定功能原理,若把系统的结构比作计算机网络，分析三种计算机网络结构示意图：,工作的可靠性哪个高？,56,系统结构决定功能原理,57,系统学和工程学原理,系统结构决定功能原理,高效生态系统,58,生态工程之沼气工程,59,生态工程之沼气工程,60,系统学和工程学原理,系统整体性原理例如：珊瑚礁之所以能够保持很高的系统生产力，得益于珊瑚虫和藻类组成的高效的植物动物营养循环。通常情况下，失去了共生藻类的珊瑚虫会因为死亡而导致珊瑚礁逐渐“白化”，失去其鲜艳的色彩，那里的生物多样性也将锐减，从而造成系统的崩溃。,61,固氮菌为豆科作物提供氮素，而豆科作物为其提供能量和其他营养，两者的共生使豆科作物能够在氮素缺乏的土地上生长；当把它们分开时，两者的生长都要受到损害。,豆科作物和固氮菌的共生,
