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(共34张PPT)
4.3 生态工程
一、生态工程的基本原理
第4章 人与环境
在2008年北京奥运会的筹办过程中,奥林匹克森林公园是一个重要建设项目。公园所在地原来主要是普通村落和农田。2002年招标设计, 2005年开工建设, 2008年建成。
讨论
弃耕的农田在自然状态下演替为森林需要经过数十年甚至更长的时间,而利用生态工程原理进行人工造林,可以缩短建设周期,在较短时间内获得生态效益。
1.农田弃耕后，在自然状态下也可以演替为森林，为什么还要人工造林呢？
公园建设坚持“绿色奥运”的理念,充分利用了原有地貌和植被,采用了营造近自然林系统、废物资源循环利用等多项生态技术。例如，公园的水系建设采用了雨水收集、污水利用、中水净化、智能化灌溉和生态防渗等环保技术。
奥林匹克森林公园俯瞰
问题探讨
讨论
建设北京奥林匹克森林公园是涉及生态学、工程学、系统学、经济学等多学科的原理和方法的系统工程,要综合考虑诸多方面的因素,而且建设成本较高,在开工前做好整体设计可以保证工程建设的合理性与可实施性,也可以有效控制建设成本和后续维护成本,避免不必要的浪费,提高生态效益。
2.为什么要先做森林公园的整体设计再开工呢？
公园建设坚持“绿色奥运”的理念,充分利用了原有地貌和植被,采用了营造近自然林系统、废物资源循环利用等多项生态技术。例如，公园的水系建设采用了雨水收集、污水利用、中水净化、智能化灌溉和生态防渗等环保技术。
奥林匹克森林公园俯瞰
问题探讨
讨论
生态工程的建设要顺应自然,即合乎自然规律。自然的地貌和植被,是自然选择生物与环境相适应的结果,充分利用原有的地貌和植被有利于该公园的可持续发展,并且会减少人力和物力的投入。
3.公园建设为什么要充分利用原有的地貌和植被，营造近自然林系统呢？
公园建设坚持“绿色奥运”的理念,充分利用了原有地貌和植被,采用了营造近自然林系统、废物资源循环利用等多项生态技术。例如，公园的水系建设采用了雨水收集、污水利用、中水净化、智能化灌溉和生态防渗等环保技术。
奥林匹克森林公园俯瞰
问题探讨
建设中
建成后
短短几年，普通的村落和农田就脱胎换骨般地转变为令人赞叹的森林公园。它调节城市气候，丰富市民生活，也为众多动植物提供了生存的“家园”。这个例子是生态工程的生动缩影。
1.生态工程提出的背景
人口增长
人类活动
全球生态环境危机
人类可持续发展受到影响
解决环境与经济与协调发展
生态工程
导致
导致
需要
需要
一、关注生态工程建设
遵循生态学原理，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。
①概念：
指的是人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，对人工生态系统进行分析、设计和调控，或对已被破坏的生态环境进行了修复、重建，从而提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进人类社会和自然环境的和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。
原理方法
手段
结果
②目的：
③特点：
少消耗、多效益、可持续
2.生态工程
一、关注生态工程建设
生态工程以生态系统的_______、_________功能为基础, 遵循_____、_____、_____、_____等生态学基本原理。
自组织
自我调节
整体
循环
协调
自生
整体
协调
循环
自生
自我更新
自我组织
自我优化
自我维持
促进物质迁移转化
废物循环再次利用
生物环境
生物之间
协调适应
协调平衡
整体考虑
生态整体
社会经济自然整体
二、生态工程的基本原理
二、生态工程的基本原理
自组织是指不借外力自己形成有组织性的有序结构，即生态系统通过反馈作用，依照最小耗能原理，建立内部结构和生态过程，使之发展和进化。
二、生态工程的基本原理
（1）概念：
在生态系统中由_________而产生的________、_________、_________、_________和_______。
生物组分
自组织
自我优化
自我调节
自我更新
维持
（2）基础：生态系统的结构和功能
（生态系统的自我调节能力）
生物能够进行新陈代谢、再生更新
生物之间通过各种相互作用(特别是
种间关系)进行自组织
生物本身
生物之间
实现系统结构与功能协调，形成有序整体
自我维持
(3) 原因:
1.自生原理
（4）遵循该原理的具体做法或要求：
①有效选择生物组分并合理布设。
a.选择污染物净化能力较强的多种水生植物
b.通过合理的人工设计，使得这些物种形成互利共存的关系
例如，在湿地修复过程中：
适当提高生物多样性
*这是系统或工程能否形成自组织能力的基础
②要创造有益于生物组分的生长、发育、繁殖，以及它们形成互利共存关系的条件
如湿地生态工程中，移除水体中富营养化沉积物和有毒物质、增加水体溶氧量
（4）遵循该原理的具体做法或要求：
以太阳能为动力，驱动水质循环，进行生态恢复，改善水质
二、生态工程所遵循的基本原理
【资料1】
奥森水域面积小且封闭、易污染、缺少完整食物链，因此水体容易发生富营养化，产生水华。为评估奥森主湖水体生态系统的状况，提出水质净化的有效措施，研究人员借助Aquatox模型软件对公园水体生态系统进行了模拟研究。
相关数据：实验中选择了3种代表植物，通过观察这些植物的生物量变化建立模拟曲线，实验结果如下图。（水藓植物大量繁殖说明水体富营养化）
实验组模型2
（使用人工净水系统，进水口增加人工湿地）
空白对照组模型1
（自然水域，无人工净水系统）
空白对照组模型1
（自然水域）
(加入底栖动物田螺）
实验组模型2
（人工净水系统）
实验组模型3
Q1：模型3和模型2相比，哪种净水方式可持续更高？
模型3
Q2：加入田螺后生态系统稳定性提高的原因？
增加了“植物—田螺—鲤鱼”这一条食物链，加速了营养物质和能量从植物到鲤鱼的传递。
水藓和浮游植物由于田螺的摄食，生物量维持在较低的水平。
二、生态工程所遵循的基本原理
二、生态工程所遵循的基本原理
【资料2】为探究奥森主湖水体生态系统的物种配置对净水效果及可持续性的影响，研究人员将模型1中菹草置换为荷花，建立模型4。菹草和苦草都是沉水植物，而荷花是挺水植物，它与苦草、水藓的生态位不同。实验结果如图所示：
Q3：分析实验数据，与单一的沉水植物配植相比，沉水植物和挺水植物的组合配植，哪个生态系统更稳定？为什么？
挺水植物会阻挡光线进入水下，在与沉水植物的竞争中处于优势，有助于优化群落的空间结构。
【资料3】其实，在奥森建设过程中，也有一些失败的案例。
例如，建设之初，对气候因素考虑不周，种植地块选择有误，导致珙桐种植失败；
对病虫害了解不足，园区大部分海棠与桧柏种植过近，导致苹果锈病在两者间越冬和繁殖；
放养了牛蛙，牛蛙的捕食性很强，大量本地生物被其捕食。
Q4：在生态工程建设中，进行物种配置需要注意哪些问题？
在进行生态系统工程建设时，必须要考虑生物与环境、生物与生物的协调与平衡，才能实现可持续发展。
二、生态工程所遵循的基本原理
考虑 、 的协调与适应。
（1）概念：
（2）措施：
（3）实例：
生物与环境
生物与生物
①生物与环境、生物与生物之间要协调与适应
②考虑环境容纳量
引种时考虑是否适应环境
实例：过度放牧的草地
实例：灰色长城
2.协调原理
源于选择性必修2 P101“旁栏思考”：
从协调原理出发，在我国西北地区进行防护林建设，应选择哪些树种？如果在该地区发展畜牧养殖业，你认为应该注意什么问题？
　我国西部地区缺雨干旱，土壤较为贫瘠，应该选择适合当地自然环境条件的树种，如沙棘、山杏、刺槐、小叶锦鸡儿等。
在西北地区发展畜牧养殖业，应该注意牲畜数量不能超过草地的承载力(环境容纳量)。
(1)生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免出现系统结构或功能失衡。这体现了
原理。
(2)超载放牧导致草地退化，违背 原理。
(3)在人工林中增加植被层次，遵循 原理。
(4)在应用植物修复技术治理重金属污染的土壤时，需选择符合要求的植物。主要遵循了_____ 原理。
(5)在玉米田中引种大豆并引入食虫鸟，可提高抵抗力稳定性，遵循
原理。
(6)湿地建设中不同区域选择种植不同类型的植物，体现了 原理。
(7)单一人工林比天然混合林稳定性低，易爆发虫害。违背了 原理。
(8)桑树和甘蔗适应我国南方温暖的气候，遵循 原理。
(9)桑基鱼塘中生物组分通过合理布设，互利共存，遵循 原理。
自生
协调
自生
协调
协调
自生
自生
协调
自生
二、生态工程所遵循的基本原理
(1)概念：
指在生态工程中__________________，既保证__________________，
也保证________________________。
促进物质的迁移与转化
各环节物质迁移顺畅
主要物质或元素的转化率高
(2)基础：
生态系统的物质循环功能
物质储存空间的改变
物质存在形式的改变
(3)优点：
(4)实例：
实现物质多级循环利用，废弃物资源化，减少污染
无废弃物农业
思考：我国古代劳动人民创造的“无废弃物农业”有什么优势？
3.循环原理
饲料与垫料
牲畜
牲畜粪便
土壤
人粪尿
作物残留
人
人类食品
作物
沉降物
(雨、雪等)
养分吸收
人类食品
实例
我国古代 “无废弃物农业”
保证了土壤肥力
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。
3.循环原理
传统农业、现代农业和生态农业的比较
农业 类型 概念 优点 缺点
传统 农业 简单的种植业 不产生严重 的环境污染 结构简单，能量流动、物质循环水平低，经济效益低
现代 农业 利用石油等提高农作物产量的生产方式 大量使用化肥、农药和机械动力，获得较高的经济效益 过量施用化肥、农药，严重污染环境
生态 农业 运用生态学原理，建立的综合农业生态体系 通过物质多级利用，增加经济效益，净化环境 很难经得起较大经济环境和生态环境的冲击
【资料4】
奥森规划要建成一个以自然山水、植被为主的，可持续发展的生态地带。在设计时，北园以自然密林为主的生态种源地，以生态保护和生态恢复功能为主。南园为生态森林公园，以大型自然山水景观的构建为主。奥森公园建立后，奥森绿地对城市道路环境污染有很大改善。
Q5：建设奥森的主要目的是什么？奥森绿地对道路环境污染有何改善？
在设计和建设生态工程时，不仅要考虑自然生态系统的规律，还要考虑经济和社会等系统的影响力，要从整体出发考虑问题。
二、生态工程所遵循的基本原理
旁栏思考题(P100)
有人说，过度从土地索取导致土地退化，是有些古文明中断的一个重要原因，我国几千年的农业发展没有出现这一问题，这是中华文明数千年延续不断的条件之一，你认同这一观点吗？
认同。
历史上美索不达米亚、小亚细亚等地居民毁林造田，使那里成为了不毛之地，而中华文明在“天人合一”、“道法自然”等生态智慧和“仁民爱物”、“民胞物与”等生态伦理的指导下，生生不息、源远流长；
我国古代先民还依靠“无废弃物农业”保证了土壤的肥力，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，因此，几千年来，土地一直维持着生产能力。
【资料2】奥森规划要建成一个以自然山水、植被为主的，可持续发展的生态地带。在设计时，北园以自然密林为主的生态种源地，以生态保护和生态恢复功能为主。南园为生态森林公园，以大型自然山水景观的构建为主。奥森公园建立后，奥森绿地对城市道路环境污染有很大改善。
思考：建设奥森的主要目的是什么？奥森绿地对道路环境污染有何改善？
在设计和建设生态工程时，不仅要考虑自然生态系统的规律，还要考虑经济和社会等系统的影响力，要从整体出发考虑问题。
1.含义：每个生态工程都是具有多组分、复杂结构及综合功能的系统，复杂系统建设必须以整体观为指导。
2.原因：
整体原理
社会-经济-自然是一个复合系统
生态系统是一
个有机的整体
系统的整体功能
大于
各成分功能之和
需要遵循
4.整体原理
3.实施措施
①生态系统是一个有机的整体
遵从自然生态系统的规律，各组分之间要有适当的比例，不同组分之间应构成有序的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。
植物
微生物
动物
非生物因素
自然系统
3.实施措施
②社会-经济-自然是一个复合系统
人类处在一个社会—经济—自然复合而成的巨大系统中，进行生态工程建设时，不仅要考虑自然生态系统的规律，更要考虑经济和社会系统的影响力。
经济
系统
自然
系统
社会
系统
在进行林业工程建设时，一方面号召农民种树，另一方面一定要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴以及收入等问题。
往往是生活方面的因素导致农民对森林、灌丛的过量砍伐。因此，只有把生态与社会、经济结合起来，才能从根本上达到造林和护林的目的。
生产成本
消费效益
经济系统
政策
管理
科学文化
社会系统
植物
微生物
动物
非生物因素
自然系统
社会-经济-自然复合系统
社会习惯、法律制度等对生态工程建设有着重要影响。
当前与长远
局部与整体
建设与环保
整体原理
协调
二、生态工程的基本原理
任务一：分析生态工程案例中的原理和应
桑叶
鱼塘
甘蔗
糖渣
糖
蚕
蚕蛹
丝
桑树
塘泥
塘泥
蚕排泄物
鱼塘
鱼塘
讨论：1.画出食物链
桑树→蚕
甘蔗→人
甘蔗→猪→人
虽然用蚕沙喂鱼，但池塘中还可能存在如下食物链：
浮游植物→鱼
浮游植物→浮游动物→鱼
桑基鱼塘模式:人工建立的高产稳产的农业生态系统。做到蚕粪养鱼,鱼粪肥塘,塘泥肥田、肥桑,从而获得稻、鱼、蚕茧三丰收。
明清时期，我国南方长江三角洲、珠江三角洲低洼内涝积水地或河网发达地区的先民们，就探索出一种桑基鱼塘的农业生产模式:陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙喂鱼、塘泥培桑。这样可以将陆地种植与鱼塘养殖结合起来，把原本割裂的生产系统通过优化组合，有机地整合在一起。根据同样的原理，甘蔗种植也可以与养猪、养鱼结合(下图)。
①“陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙喂鱼、塘泥培桑”主要遵循了_____原理；
②“所选择的生物与生物、生物与环境达到了协调和平衡，例如桑和甘蔗适应我国南方温暖湿润气候”主要遵循了_____原理；
③“在设计桑基鱼塘时，要考虑合适的陆地与水面的配比”主要遵循了_____原理；
④“四大家鱼混养模式，通过合理布设，让各种鱼类都有生存的机会和空间”主要遵循了_____原理。
循环
协调
整体
自生
讨论：2.桑基鱼塘应用了生态工程的哪
些基本原理？
讨论：3.当桑叶价格高，卖桑叶比卖鱼更合算时，当地农民会将蚕沙用作桑树的肥料，而不是喂鱼。由此可以看出，生态工程建设除了要考虑生态学、工程学原理，还需要关注什么？
还需关注经济学原理，
要达到经济效益和生态效益的同步发展
1.(2023·山西大同高二期中)下列关于生态工程的叙述，不正确的是
A.生态工程研究的对象是社会—经济—自然复合生态系统
B.“退耕还林”“退耕还草”属于生态工程的内容
C.生态工程应遵循“整体、协调、循环、自生”的原则
D.实施生态工程的目的是环境保护
生态工程建设的目的是遵循生态学规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展，即少消耗、多效益、可持续的工程体系，D错误。
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