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(共44张PPT)
第4章 人与环境
第3节 生态工程
第1课时 生态工程的基本原理
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奥林匹克森林公园是一个重要建设项目。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。
导入新课
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？
2.为什么要先做森林公园的整体设计再开工呢？
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？
讨论
环节一：关注生态工程建设
环节一：关注生态工程建设
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。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。
环节一：关注生态工程建设
环节一：关注生态工程建设
生态工程是指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，促进人类社会与自然环境和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。
环节一：关注生态工程建设
理论基础：生态学和系统学等学科的基本原理和方法。
操作过程：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。
任务：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。
环节一：关注生态工程建设
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。
优点：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。
环节一：关注生态工程建设
奥林匹克森林公园主湖水域面积小且封闭，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。为评估奥林匹克森林公园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模型对公园水体生态系统进行了模拟研究。
环节一：关注生态工程建设
设计思路：设置空白对照组（模型1：自然水域，无人工净水系统）和实验组（使用人工净水系统，进水口增加人工湿地、加入底栖动物田螺、将沉水植物菹草置换为挺水植物荷花，构建模型2、3、4），其他变量一致。模拟期限设定为5年（即5个植物生长期）。
相关数据：本研究中，以高等植物每年的长势作为判断生态系统稳定性高低和人工净水措施可持续性的指标。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。
环节一：关注生态工程建设
模型1实验结果如图1、2。
环节一：关注生态工程建设
注：田螺以有机碎屑、浮游生物、苔藓类植物为食，也是鲤鱼的食物之一。
模型2、3、4实验结果如图3。
环节一：关注生态工程建设
（1）比较图1和图2，分析2017年沉水植物的存在抑制了浮游植物的生长的依据。
（2）根据实验结果推测，净水措施按可持续性从高到低如何排序？
（3）请从生态系统营养结构的角度分析，增加底栖动物有效提升主湖自净能力的原因。
讨论
环节一：关注生态工程建设
奥林匹克森林公园已经成为北京市的“绿肺”和生态屏障，展现“人与自然和谐相处”的中华文明。由于集多种功能于一身，同时承担着诸多社会活动，奥林匹克森林公园无法通过独立的自我调节维持整个生态系统的稳定，仍需不断通过补充物质和能量、移除废物等人工措施加以维持，因此奥林匹克森林公园并不是典型的生态工程。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
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应用学科。生态工程以生态系统的自组织、自我调节功能为基础，遵循着整体、协调、循环、自生等生态学基本原理。通过生态工程，对人工生态系统进行分析、设计和调控，可实现生态系统的结构平衡、功能平衡和收支平衡。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
环节二：生态工程所遵循的基本原理
自生：由生物组分产生的自组织、自我优化、自我调节、自我更新和维持。
理论基础：生态系统的结构与功能（生态系统具有自我调节能力）。个体水平上生物能够进行新陈代谢、再生更新等，系统水平上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的协调，形成有序的整体。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
环节二：生态工程所遵循的基本原理
应用太阳能水生态修复系统改善湖水水质。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
自生的实施措施：①有效选择生物组分并合理布设（尽量提高生物多样性程度）；②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。
为什么提高生物多样性程度，有助于生态系统维持自生能力？
使物种之间形成互利共存的关系应考虑哪些因素？
思考
环节二：生态工程所遵循的基本原理
循环：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。
理论基础：生态系统的物质循环功能。
应用原则：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。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
农民积极种植能够固氮的豆科作物，提高土壤的肥力。他们还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、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。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
土壤的肥力是一切农业生产特别是种植业的基础，当今大多数国家的土壤肥力，都严重依赖化学肥料，而在古代是根本没有化肥投入的。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，因此，几千年来，土地一直维持着生产能力。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
环节二：生态工程所遵循的基本原理
协调：在进行生态工程建设时，要考虑生物与环境、生物与生物的协调与适应。
实例1 海棠与柏树一起种植容易患锈病，番茄和黄瓜一起种植会互相抑制对方的生长，迷迭香可以帮助甘蓝、豆类、胡萝卜和鼠尾草驱避胡萝卜蝇、墨西哥豆瓢虫和卷心菜毛虫。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
实例2 我国西北一些地区年降水量小于450 mm，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”。
实例3 广东地区的鱼塘多是三五亩的小塘口，池塘租金很高。如果池塘没有高产，收入连塘租都搞不定，所以广东地区的池塘通常放养密度很大。江苏盐城一些地方，水面丰富，一个池塘可能是几百亩，放养密度明显低于广东地区。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
整体原理：系统建设以整体观为指导，进行生态工程建设时，不仅要遵从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。
理论基础：
（1）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。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
（2）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。
（3）社会习惯、法律制度等也对生态工程建设有着重要影响。
环节二：生态工程所遵循的基本原理
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。
社会—经济—自然复合系统
环节二：生态工程所遵循的基本原理
环节二：生态工程所遵循的基本原理
无论是历经千年的“无废弃物农业”，还是像奥林匹克森林公园这样的现代化生态工程，其设计和建设都必须遵循自生、循环、协调、整体的生态学原理。只有遵循自然规律，保护生态环境，我们才能源源不断地从中汲取资源，实现可持续发展，才能真正践行“绿水青山就是金山银山”的理念。
环节三：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。
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
环节三：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、青鱼、草鱼、鲢鱼、鲤鱼、鲫鱼、鲮鱼等各种鱼类都有生存的机会和空间。
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
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。
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
1.尝试画出桑基鱼塘中的食物链。
2.桑基鱼塘应用了生态工程的哪些基本原理？
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？
讨论
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
1.生态工程基本原理的判断方法
（1）强调物质循环、废物利用、减轻环境污染。
→循环原理
（2）体现物种多、营养关系复杂，涉及结构、功能、系统组分的比例关系。
→自生原理
（3）强调生物与环境的协调与平衡，涉及环境承载力。
→协调原理
（4）涉及自然、经济和社会，如林业生态工程建设。
→整体原理
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
2.生态工程设计的常用方法——食物链（网）的“相接”与“加环”
（1）生态工程设计的常用方法之一是食物链（网）的“相接”。例如，鱼与水稻属于不同生态系统的食物链（网），但在稻田养鱼的农业生态工程中，人为地将一些草食性鱼、滤食性鱼和杂食性鱼的鱼苗放养在稻田中，使稻田生态系统的结构有所改变，物质循环和能量流动更为合理。
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
2.生态工程设计的常用方法——食物链（网）的“相接”与“加环”
（2）生态工程设计的常用方法之二是食物链（网）的“加环”。“加环”可为未被利用的能量找到出路。例如，用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇等，其残余物用来培养食用菌，栽培食用菌后的残余物再用来养殖蛆蛹，蛆蛹粪再作为优良有机肥还田等。
环节三：分析生态工程案例中的原理和应用
生态工程建设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。因此，不但要考虑生态学原理，而且要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。
1.人工防护林具有防风、固沙及保护农田等作用，对维护区域生态系统稳定具有重要意义。下列叙述正确的是 （ ）
A.防护林通过自组织、自我调节可实现自身结构与功能的协调
B.防护林建设应选择本地种，遵循生态工程的循环原理
C.防护林建成后，若失去人类的维护，将会发生初生演替
D.防护林的防风、固沙及保护农田的作用体现了生物多样性的直接价值
课堂练习
A
2.为推动洪湖水环境治理，近年来对洪湖实施湖区拆除养殖围网的措施，下列相关叙述错误的是 （ ）
A.从围网养殖到拆除围网，洪湖生物群落发生的演替属于次生演替
B.围网养殖增加了水体中氮、磷等营养元素的含量，加速了水体的富营养化进程
C.富营养化的水体中藻类大量繁殖，藻的种类和数量增加
D.拆除养殖围网后鼓励渔民发展生态养殖，符合生态工程中的整体原理
课堂练习
C
谢谢观看
Thank you

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