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1、5 生态工程,5.2 生态工程的实例 和发展前景,20世纪70年代以来，我国生态工程的理论和实践都取得长足进展。在某些研究领域已处于国际领先的地位，在实践上已应用于农业生产、环境保护、城镇建设等许多方面，取得了世人瞩目的成就。,一、生态工程的实例,实例一农村综合发展型生态工程,问题,在我国13亿人口中，有9亿多人口生活在农村，人多地少是突出的矛盾。怎样才能实现物质的多级循环利用，在资源有限的条件下有较多的产出，取得经济效益、社会效益和生态效益的全面提高呢？,对策,建立农村综合发展型生态工程,根据当地实际情况，因地制宜得进行,案例,北京郊区的窦店村就是这个方面的一个典型。,作物秸秆用来生产食用菌
2、;饲料喂养畜禽;人、粪尿作为原料生产沼气;沼液用于水产养殖业;沼渣为有机农产品“无公害蔬菜”施肥和喂养畜禽。,讨论,1、在这一案例中，主要运用了哪些生态工程的基本原理？,2、这一生态系统的结构和功能有哪些特点？有哪些值得借鉴的做法？,实例二小流域综合治理生态工程,问题,小流域是指河流各级支流的集水区域。这些区域往往是水土流失比较严重的地方。因此小流域治理具有十分重要的意义。,对策,小流域治理模式是我国农民和技术人员的创举，它是应用生态工程的整体原理、协调与平衡原理，以及工程学原理，通过保土蓄水、耕作措施、林 草措施等工程和生物措施，层层设防来控制土壤侵蚀的。,案例,甘肃陇南地区“九子登科”的治
3、理模式：,山项戴帽子（封山育林），山腰系带子（还林还草，减少径流），坡地修台子（梯田等高种植作物），地埂锁边子（种植作物保护地埂），荒地荒沟栽苗子（营造薪柴林），山脚种果子（种植果园），沟底穿靴子（各种拦截坝、堤，拦蓄泥等），见缝插针钉扣子（利用零星地种植林果），秋田盖罩子（覆盖地膜等保土耕作措施）。,讨论,“综合”表现在它一改以前的单纯造林和蓄水、减沙等工程模式，同时考虑到了生态效益和经济效益：不但注重通过还林、还草、筑坝等措施达到蓄水、降低土壤侵蚀的生态效果；还考虑如何提高人们的生活水平。例如，不但种植农作物，还同时种植经济作物来提高人们的收入；考虑到了种植薪柴林解决人们的燃料来源问题。各
4、种措施的结果是建立一个稳定、持久、高效的生态系统。,1、小流域的综合治理，“综合”表现在哪些方面？,在下题分析中解答经济效益与生态效益的统一问题。这种模式在其他小流域不能照搬，还是要因地制宜地进行生态工程建设，不同气候带、不同自然条件和不同经济发展水平的地区，其生态工程的模式应各具特色。,2、从这一案例看，当地是怎么做到经济效益与生态效益相统一的？这一模式在其他小流域能够照搬吗？,山顶土壤条件、气候条件恶劣，不宜蓄水，交通不便，改造成本高，适宜封山，依靠自然恢复力来恢复植被；山腰、荒地等土壤，虽然水分条件较好，但是仍不适宜种植农作物，对于这样的地方可以自然恢复，也可以人为种植适宜的林木、草或果
5、树等，加快植被恢复速度，这样既能降低土壤侵蚀，又能创造一定的经济效益；对沟底而言，应建设堤坝系统，它可以蓄水和淤积土地，还能够减少山体的崩塌和滑坡，保证人民的生命财产安全；对坡地和山脚农田来说，土壤、水分条件良好，交通也较方便，土地生产力高，适宜种植农作物来解决人们的粮食和收入等问题，但是在坡地上要水平梯田种植，以减少水土流失。根据不同的地形采取不同的措施，既要考虑到生态效益，又要考虑到人们的生活和收入问题，这体现了生态工程协调与平衡、因地制宜的原理和思想。,3、为什么要针对不同的地形采取不同的措施？这体现了生态工程的什么原理？,实例三大区域生态系统恢复工程,问题,据统计，1999年我国有沙漠
6、化土地2.67X106Km2,其中由于人类农事活动的不当而引起的荒漠化面积就有9X105Km2。造成荒漠化的因素及其影响力的大小依次为：过度樵采（32%），过度放牧（30%），盲目开垦（27%），不合理利用水资源（9.6%），其他（1.4%）。,对策,为了控制荒漠化的发展和水土流失，改善生态环境，提高人民的生活水平，我国实施了一系列森林或草原植被恢复的生态工程、水土保持的生态工程等。,案例,退耕还林还草工程从1999年开始在四川省、陕西省、甘肃省试点进行，到2000年扩大到25省区至2002年底，累计退耕还林5.9X106hm2。“三北防护林”总体规划用73年时间（19782050）完成，东起
7、黑龙江省宾县，西至新疆乌孜别里山口，横跨13个省551个县，总面积4.069X108hm2。工程完成后三北地区森林面积可增加到6.057X107hm2，覆盖率提高到15%，林木蓄积量达4.3X109hm3，生态效益累计可达13000多亿元。该工程1987年被联合国授予“全球500佳”之一，被誉为“世界生态工程之最”。,讨论,三北防护林跨越中国13个省、直辖市、自治区，对我国具有重要的意义：生态环境的质量关系到这一地区人民的生产和生活问题，对维护社会稳定具有重要意义；更重要的是，这一地区的生态环境关系到下游地区人民的生产、生活和经济发展，如黄河上游的水土流失容易导致下游地区的洪水泛滥，而危害巨大
8、的沙尘暴的发生也与这一地区的土地沙漠化关系密切；同时这里自然矿产资源丰富，对我国的经济发展和国家安全具有重要战略意义。这一地区区域广阔，气候、自然条件复杂，总体经济发展水平较低等情况也决定了这个工程需要较长的时间，非一朝一夕之功。,1、国家为什么投入巨大的人力和物力兴建三北防护林工程？这一工程为什么需要如此漫长的时间？,首先应考虑树种的生态适应性问题，种植适宜品种，宜林则林，宜灌则灌，宜草则草；其次要考虑树种的多样性，保证防护林体系的稳定性；不同地区应根据当地情况采取不同的策略，如条件恶劣的地区应该结合自然恢复力，而农区的防护林中农田防护林网可能占较大比重。,2、这一工程横跨多个省区，根据协调
9、与平衡原理和生物多样性原理，不同地区在造林设计上应当注意什么问题？,实例四湿地生态恢复工程,问题,在经济发展过程中，人们对湿地进行排水和围垦，已经破坏了地球上80%的湿地资源。湿地的缩小会导致局部气候变劣、地下水位下降、生物多样性降低、迁飞鸟类绝迹等，因此，湿地生态系统恢复工程已成为我国生态工程中的一项重要任务。,对策,湿地生态系统恢复工程是采用工程和生物措施相结合的方法，以及植物物种的引进种植等，使受到干扰的湿地得以恢复。还应建立缓冲带，以尽量减少人类的干扰，使湿地领先自然演替等机制恢 复其生态功能。,案例,鄱阳湖的吞吐水量可以占到长江总水量的15%，是很重要的一类湿地。但由于人类的围湖造田
10、，使其面积从上个世纪50年代的5100Km2缩小到90年代的3900km2。鄱阳湖面积的缩小，使长江的蓄洪能力缩减了4.5X109m3，湖区洪灾频繁发生。最严重的一次是1998年，数十万公顷的良田被淹没，150多万人家园被毁。为此，党中央提出了“平堤行洪、退田还湖、移民建镇”的方针，共迁移农民22万户，使长江流域的湖泊水面又恢复到建国初期的水平。,讨论,主要原因：我国历来人多地少，在“以粮为纲”的年代，围湖造田，种植农作物，以生产更多的粮食；片面强调经济发展，没有认识到湖泊的巨大生态调节功能也是重要原因。,1、当初人们为什么要围湖造田？,保护环境，减少水土流失和水污染。例如,减少工厂、生活污水
11、往水体中的排放，农田中减少化肥和农药的施用量等。,2、地处湖区上游的人们对湿地恢复生态工程负有什么责任？,实例五矿区废弃地生态恢复工程,问题,矿藏开采后往往会造成土体、土壤和植被，乃至整个地区生态系统的破坏。矿区极端恶劣的土地条件，又会阻碍植被的生长。尤其是规模巨大的采矿业，不仅会对土地景观造成巨大的影响，还可能产生严重的重金属污染。,对策,为加速恢复矿区生态环境，人们采用的措施包括人工制造表土、多层覆盖、特殊隔离、土壤侵蚀控制、植被恢复工程。,案例,我国赤峰市元宝山矿区生态恢复工程：自20世纪60年代以来，该矿区建立了大中小型煤矿20余个，为此共挤占耕地5500hm2，并造成了大量排土场、塌
12、陷地和闲置地等类型的废弃地。该地区在生态恢复改造工程中，采取了诸如围栏、排石整地、植树造林、种草等措施，仅用了3年多的时间，就建立了草 地750hm2年产优质牧草4000t以上，还建立了3处加工能力为8t的饮料工厂及一处饲养场，进行肉牛的养殖和粪肥的利用。,讨论,矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长，因此代之以适应性强，耐旱的灌木、草和树。,1、在这一案例中，恢复植被的措施是植树和种草，为什么不是种植农作物？,首先要考虑到牧草的产量，以草定畜；从外地调运饲料要考虑饲养成本；更重要的是要考虑到土地对粪肥的承载力,以及对粪肥的加工或利用情况，要保持在承载力范围以内，以免养殖规模过大，粪肥数量巨大而
13、造成新的污染。,2、怎样合理地筹划养殖肉牛的数量？,实例六城市环境生态工程,问题,随着我国城市化进程的加快，能流、物流和人流的增加，一方面促进了城市的繁荣，另一方面，也带来了严重的环境污染等问题。,对策和案例,对城市的环境的治理要把整个城市作为一个巨大的生态系统来考虑，即用生态工程的方法对城市环境进行综合治理。首先在城市规划和布局方面，要进行城市生态分区，合理颁布工业区、居住区、生态绿地等;其次是推广“环境友好技术”和低污染清洁生产工艺，以减少污染的产出;采用中种手段治理污染，进行废弃物的资源化利用;同时要建立健全法制进行监督。,讨论,减少污染的措施：制定法律法规，禁止市区内鸣笛，禁止使用含铅
14、汽油，鼓励使用电力、天然气等无污染能源的新型汽车，以及对其的研究和应用等。,1、汽车尾气是城市大气污染的主要来源之一，汽车噪声又是城市噪声污染的主要来源。你认为应当限制城市居民购买汽车吗？为什么？如果不限制，应当采取什么措施来减少由汽车造成的污染？,减少或禁止工厂的污水排放；进行污水净化回收利用；实行雨水和污水分流。,2、城市的水污染问题应当采取哪些措施来解决？每一个城市居民应当在这方面承担什么责任和义务？,在肯定生态工程的作用，特别是对恢复和重建受损生态环境的重要作用的同时，不要忘记大自然固有的强大的生态恢复力量;更不能误认为只要有了生态工程，就可以走发达国家“先污染、破坏，后治理”的老路。
15、,二、生态工程发展的前景,（一）“生物圈2号”生态工程的实验及启示,多年来，人类梦寐以求地憧憬着冲出地球，向宇宙进军，在地球外寻找“诺亚方舟”。“生物圈2号”就是在人们的这种求索中诞生的。其目的是制造一个人工模拟的生命支持系统，以验证人类在离开地球的情况下，利用人工生态工程，仅仅依靠太阳能，能否维持生存。,1、“生物圈2号”生态工程的结构组成,它的地上部分为立体钢架构型，配有双层玻璃窗，底部以厚水泥层完全与外界隔离。内部主要由7种模拟生态群落区和两个大气扩张室“肺”组成。生物群落包括5个野生生物群落（热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠）和2个人工生物群落（集约农业区和居住区），约有生物400
16、0种。,2、“生物圈2号”与外界的联系和能量供给,“生物圈2号”虽然在物质上与外界完全隔绝，全可以通过电力传输、电信和计算机同外界联系。能量的供给则只有通过植物吸收的太阳能。,3、“生物圈2号”的物质循环途径,“生物圈2号”的物质循环途径是：农田区的作物秸秆作为附近动物饲养场的饲料，产出的肉、蛋、奶以及作物产品供应人类。死亡植株及动物与人的排泄物经分解者进行分解，然后，返还到农田中给植物提供营养。生活废水经处理后进行循环利用。氧气由植物光合作用提供，呼吸产生的二氧化碳由植物吸收。,主要原因是温度失调，以及“大气和海洋”比例与地球相差甚远，土壤呼吸释放的CO2超过了植物和海洋的固定能力，导致空气
17、中CO2的含量猛增;O2量减少，不足以维持人及动物的生存，19种脊椎动物死亡;除蟑螂、蟋蟀、蚂蚁外，其余昆虫也全部死亡;靠昆虫传粉廷续后代的植物也灭绝了。,4、“生物圈2号”失败的原因,“生物圈2号”的失败使我们认识到与自然和谐共处的重要性，深化了我们对自然规律的认识，即自然界给人类提供的生命支持服务是无价之宝。“生物圈2号”工程是人类在认识自然界的道路上迈出的一小步，人类探索自然、模拟自然的试验将在它的基础上继续进行下去。,5、“生物圈2号”的意义,三、对我国生态工程发展前景的分析与展望,我国目前面临的生态危机，已经不单纯是环境污染问题，而是与人口激增、环境与资源破坏、能源短缺等问题结合在一
18、起的“并发症”。作为解决途径之一的生态工程，需要走有中国特色的道路，即不但要重视对生态环境的保护，更要注重与经济、社会效益的结合。,目前我国的生态工程还有一些不足之处，如缺乏定量化模型的指导，难以象近年来西方出现的“精确农业”那样，设计出标准化、易操作的生态工程样板。此外，设计缺乏高科技含量，生态系统的调控缺乏及时准确的监测技术支持，缺乏理论性指导等。,1、分析朝鲜三八线的资料（具体资料见教材），说明它所蕴涵的意义。,生态工程的恢复作用是有限的，不能认为只要有了生态工程，就可以先污染，后治理。人类迄今尚没有能力完全模拟出自然的生态系统。自然生态系统发展到今天已经过几十亿年的进化，每平方公里每年
19、的无形服务价值高达6.4万美元，而为了达到同样的效果，用人工制造和模拟的办法，人类至少要花费10亿美元还不尽如人意。另一方面，自然生态系统具有相当的自我恢复能力，我们在生态工程建设中应该积极利用自然生态系统的这种能力，以节省投资。,2、在我国北方地区，由于冬 天气温很低，会导致农作物不 能生长，家畜生长缓慢，甚至 停止，沼气池不能正常产气；而农民要解决蔬菜的不间断生产问题。很显然，大量使用造价昂贵、并用燃料加热的玻璃温室是不符合我国国情的。你能用所学知识，设计一种生态工程，来较好地解决上述问题吗？请在画出其物质和能量结构图的基础上，说明你所依据的生态工程原理。提示：（可参照右图的“四位一体”）
20、,教材中“四位一体”的图所示为近年来出现在我国北方农区的一种生态工程类型，它较好地解决了习题中所述问题。“四位”指沼气池、猪禽舍、厕所及日光温室四部分，是庭院经济与生态农业相结合的一种生产模式。它的运行原理为：日光温室的增温效应可使蔬菜等作物在冬天也能正常生长；同时也使猪禽免受严寒而快速生长；温室内的植物为动物提供氧气，同时吸收二氧化碳；人、猪、禽的粪尿及蔬菜废弃物和秸秆等物质投入沼气池产气，同时温室的高温也提高了沼气在冬天的产气稳定性；沼液和沼渣又是蔬菜的良好肥料，有助于减少蔬菜的病虫害，提高蔬菜的产量和质量。“四位一体”充分应用了物质循环和生物多样性等原理，提高了单位土地面积的产出，同时减
21、少了环境污染，大大提高了农业的综合效益。,扩展知识一 你知道美国的罗斯福工程吗？,19世纪中叶，美国鼓励向半干旱的西部大草原移民开荒，认为这是既发展西部又解决就业问题的聪明之举。18601890年间，90 000 km2不宜作为农田的天然草原被开垦。但由于农作物的地面覆盖远没有草地来得有效，加上过度垦、牧造成土地大面积沙化，从而提供了沙尘源。从20世纪30年代起，沙尘暴渐成气候。1934年5月12日，一场巨大的风暴席卷了美国东部与加拿大西部的辽阔土地。风暴从美国西部土地破坏最严重的干旱地区刮起，形成一个东西长2 400 km，南北宽1 500 km，高3.2 km的巨大的移动尘土带，空气中含沙
22、量达40 t/km3，向东部横扫过去，直达首都华盛顿。风暴持续了3天，掠过了美国2/3的大地，约3108 t土壤被刮走。风过之处，水井、溪流干涸，牛羊死亡，冬小麦严重减产，人们背井离乡。这就是震惊世界的“黑风暴”（Dust Bowl）事件。类似事件后来又发生过若干起。1934年起罗斯福总统紧急实施“大草原各州林业工程”，即“罗斯福工程”。工程规划沿西经100度线种植一条纵贯美国的防护林带，南北长约1 850 km，东西宽160 km，建设范围约1 851.5104 hm2。用了约8年时间（19351942年），营造林带总长28 962 km，面积约105 hm2。到20世纪80年代中期，人工营
23、造的防护林带总长16104 km，面积约65104 hm2。在开展造林工程的同时，美国成立了土壤保持局，鼓励各州采取土壤保持措施，如农田免耕、覆盖、休耕、粮草轮作、退耕还草等措施；同时把新垦地上的几十万居民举家迁往西海岸。这些系统的生态治理措施，使得美国后来基本上控制了黑风暴。这是人类应用生态工程改造环境的一个良好案例。,扩展知识二 最近这些年来我国北方沙尘暴问题日益严重的主要原因是什么？,沙尘暴的形成及其大小，直接取决于风力、气温、降水及与其相关的土壤表层状况。气候异常、高空气流运动、气温升高是造成沙尘暴的主要原因；降水稀少导致表层土壤干燥、疏松；植被破坏、沙化土地不断扩展是沙尘暴频繁发生的
24、重要原因，而这与人类的毁林毁草开荒、过度放牧、滥樵滥采等破坏活动密切相关；同时城市建设中工地裸露也是扬沙浮尘天气的原因之一。,扩展知识三 有什么新方法处理农作物的秸秆？,秸秆还田、青贮饲料、沼气发酵和秸秆汽化等。秸秆汽化技术是近年来发展的一项较新的秸秆利用技术。秸秆经过汽化后，生成可燃气体（相当于发生炉煤气），用于农村居民的炊事及采暖，也可生产电力。这种技术比秸秆在作为燃料使用时的热效率大大提高，可以更有效地利用，并减少了环境污染。,扩展知识四 薪炭林种植的树种有什么特点？,薪炭林具有生长稳定、速生、高产、发芽率高、热值高等特性，包括天然林和人工林。发展以生产燃料为主要目的薪炭林是我国森林发展
25、的重要方面。发展薪炭林，不仅关系着我国林业建设成效，也是缓解我国薪材供求矛盾和农村能源短缺的重要措施，对于改善林种树种结构，增强森林适应社会和抗御自然灾害能力，维护和改善生态环境，促进秸秆、畜粪还田和农村经济发展都具有重大战略作用。,扩展知识五 生物净化生态工程如何用于解决水体的富营养化？,包括养殖场、屠宰场废水在内的高浓度有机废水，虽然经过厌氧处理（沼气发酵），可以有效的降低生物耗氧量和化学耗氧量（COD），但是沼液中大量的氮、磷养分并未脱去。如果集中排入水体，仍然可能导致富营养化。这种情况与由于面源污染和城市污水引起的富营养化是一样的。关键是如何能有效地脱出过多的氮、磷等，以至脱去水中的重
26、金属。原中国水稻所科技人员创造了用浮床种植特殊的水生、半水生植物的办法，较好的解决了这个问题，所定期采收的绿色植物体有的可以直接用做饲料，或加工成绿肥，有的甚至在大量干燥处理后进行金属的熔炼，提取铜、锌、汞等金属。目前国内外都有类似的试验。该技术一般在12年内就能使水体内原来的劣类标准净化达到类标准，并能使沉水植物和底栖生物等水生生物得到自然恢复，使水生态系统逐步达到稳定状态。,扩展知识六 什么是“精确农业”？,精确农业（precision agriculture，PA），或称精细农业、精准农业，是大约20年前在美国明尼苏达大学的土壤学者倡导下开始探索的环境保护型农业的通称。作为基于信息高科技的集约农业，PA将遥感、地理信息系统、全球定位系统等技术与作物生长模型、作物土壤养分动态等农学技术，以及传感技术、电脑控制喷洒施肥装置等农业机械技术结合起来，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，进行因地（土地空间分布）制宜地精确施肥和用药，做到增产、节肥（药）、节水和减少农业化学品对环境的污染，同时实现生产率的提高和可持续发展。,多谢使用,
