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主讲老师：
§4-3 生态工程（一）
高中生物选择性必修二
问题探讨
讨论
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。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。
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？
提示：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。
奥林匹克森林公园俯瞰
问题探讨
讨论
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。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。
2. 为什么要先做森林公园的整体设计再开工呢？
提示：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。
奥林匹克森林公园俯瞰
问题探讨
讨论
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。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。
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？
提示：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。
奥林匹克森林公园俯瞰
一、生态工程的基本原理
人类经济发展带来的环境问题
20世纪60年代以来，全球经济进入了快速增长阶段，人们生活水平提高、人口迅速增长，人类也随之更多地从自然中索取。
毁林种地，围湖造田，大量使用化肥、农药等农业生产方式，以及工业的迅猛发展，正在大量消耗自然资源。这样的生产方式，已经严重影响了人类的可持续发展。
解决方法
为了实现可持续发展，经济发展必须符合生态学规律，改变“人类能征服自然”的错误观念，旨在解决环境与经济发展协调问题的一门新学科——生态工程应运而生并迅速发展。
基本原理和方法：人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法。
操作内容：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修复、重建。
目的：提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进人类社会与自然环境和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。
生态工程的定义
生态工程
建设目的
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。
特 点
与传统的工程相比，生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。
学科范畴
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、经济学等学科交又而产生的应用学科。
生态工程
工程基础
生态工程以生态系统的自组织、自我调节功能为基础。
工程原理
遵循着整体、协调、循环、自生等生态学基本原理。
生态工程
遵循的基本原理
自生
理论基础
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，实现系统结构与功能协调，形成有序的整体。
含 义
由生物组分而产生的自组织、自我优化、自我调节、自我更新和维持就是系统的自生。
自生
要 求
遵循自生原理，需要在生态工程中有效选择生物组分并合理布设。
例如湿地修复中净化能力较强的多种水生植物的选择以及物种间互利共存关系的形成。一般而言，应尽量提高生物多样性程度，利用种群之间互利共存关系，构建复合的群落，这样即便某个种群消亡，其他种群也能弥补上来，从而有助于生态系统维持自生能力。
维持系统自生，需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。
例如湿地生态工程中降低水体污染物，增加水体溶氧量，改善水生生物的生存环境。
循环
理论基础
生态系统的物质循环利用
含 义
是指在生态工程中促进系统的物质迁移与转化，既保证各个环节的物质迁移顺畅，也保证主要物质或元素的转化率较高。
要 求
通过系统设计实现不断循环，使前一环节产生的废物尽可能地被后一环节利用，减少整个生产环节“废物”的产生。
循环
举 例
我国古代先民正是依靠“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。几千年来土地一直维持着生产能力。
牲畜粪便
土壤
养分吸收
作物
沉降物
(雨、雪等)
饮料与垫料
人类
食品
人
人类
食品
作物残留
人粪尿
牲畜
无废弃物农业
协调
理论基础
生物与环境、生物与生物间的关系
含 义
生态工程建设要考虑生物与环境、生物与生物的协调与适应。
要 求
处理好生物与环境、生物与生物的协调与平衡。
需要考虑环境容纳量。如果生物的数量超过环境承载力限度，就会引起系统的失衡和破坏。
协调
举 例
我国西北一些地区年降水量小于450毫米，只适宜种植灌木和草本植物，但曾被硬性规定种植乔木类的杨树，由于环境不利于杨树的生长，这里许多杨树长得十分矮小，枯枝很多，半死不活，远不如当地树种那样有较高的生态适应性，导致一些地区种植的防护林成了残败的灰色长城。
整体
理论基础
社会、经济、自然是一个复合的系统。
含 义
几乎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，这样的复杂系统建设必须以整体观为指导。
整体
要 求
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。
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等系统的影响力。
生产
成本
消费
效益
经济系统
植物
动物
微生物
非生物因素
自然系统
管理
科学文化
政策
社会系统
社会—经济—自然复合生态系统
整体
举 例
在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，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。
说明：社会习惯、法律制度等对生态工程建设有着重要影响。
整体
意 义
只有应用整体原理，才能统一协调当前与长远、局部与整体、开发建设与环境保护之间的关系，保障生态系统的平衡和稳定。
在生态工程建设中，应该如何应用上述生态工程的原理呢？
思考
Thinking
【思考·讨论】分析生态工程案例中的原理和应用
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、养鱼结合在一起。
糖
糖渣
鱼塘
鱼塘
鱼塘
塘泥
塘泥
甘蔗
蚕排泄物
桑树
桑叶
丝
蚕蛹
蚕
【思考·讨论】分析生态工程案例中的原理和应用
　　在设计桑基鱼塘时，要考虑合适的陆地与水面的配比，需要考虑栽种作物与养殖动物的关系。例如，地基和鱼塘的面积比例是“三比七”或“四比六”，即大部分采取“三基七水”或“四基六水”的比例。
　　池塘养鱼，也应综合考虑不同鱼种的关系，根据淡水鱼在自然环境中的混合生长状态，实行以四大家鱼为主的多鱼种混养模式，让鳙鱼、鲢鱼、草鱼、鲮鱼、鲤鱼、鲫鱼等各种鱼类都有生存的机会和空间。
　　运转良好的桑基鱼塘，可以做到物质的循环再生利用。种桑养蚕，蚕沙（蚕粪便）本是废弃物，如果不经处理直接堆放在室外，不但会腐烂变质污染环境，而且可能通过鸟、昆虫的携带造成交叉感染，导致家蚕疫病大爆发。桑基鱼塘将蚕沙由废弃物变成了渔业生产的饲料。
【思考·讨论】分析生态工程案例中的原理和应用
讨论
尝试画出桑基鱼塘中的食物链。
提示：
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。
糖
糖渣
鱼塘
鱼塘
鱼塘
塘泥
塘泥
甘蔗
蚕排泄物
桑树
桑叶
丝
蚕蛹
蚕
【思考·讨论】分析生态工程案例中的原理和应用
讨论
桑基鱼塘应用了生态工程的哪些基本原理？
提示：
自生：桑基鱼塘中的生物组分通过合理布设，互利共存，实现了系统结构与功能的协调，形成了可以自我维持的有序的整体。
循环：“陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙喂鱼、塘泥培桑”这样的农业生产模式维持着高效的物质循环。
协调：所选择的生物与生物，生物与环境达到了协调和平衡，例如，桑树和甘蔗适应我国南方温暖湿润的气候；四大家鱼混养充分利用了群落的空间结构；桑叶饲蚕，利用了种间关系，但养殖的蚕的数量没有多到危及桑的存活；等等。
整体：桑基鱼塘在设计时，陆地与水面配比合理，各组分的搭配与比例适当，结构有序，形成了一个不可分割的整体；桑基鱼塘将原本割裂的生产系统优化组合，能够发展多种经营，为农民创收，是结构优化的“社会—经济—自然复合系统”。
【思考·讨论】分析生态工程案例中的原理和应用
讨论
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？
还需要关注经济学原理，要达到经济效益和生态效益的同步发展。
生态工程
生态工程需要根据工程的目的，以及当地自然、社会和经济的情况，从系统的不同角度综合考虑问题：
考虑生态学原理
考虑经济和社会的实际状况
通过系统学、工程学的设计，在充分利用自然的基础上，考虑节省投资和维护成本，提供务实、可持续的解决方案。
注意事项

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