第1章 生态工程导论ppt课件.ppt

生态工程学,刘晓东 顾莉,实用生态工程学,主要章节内容,基本理论、方法,不同类型复合生态系统,不同尺度,作业、练习的安排与要求内容：根据授课内容，选择相应的习题或讨论内容，加深对授课内容的理解。成绩评定平时成绩（30%，包括作业、课堂讨论、到课率），期末考试（70%）,11/23/2022,3,11/23/2022,4,参考书：1. 盛连喜，许嘉巍，刘惠清编著 实用生态工程学 高等教育出版社. 2005 2. Patrick C. Kangas. Ecological Engineering: Principles and Practice. Lewts Publishers. 2003.3.钦佩、安树青、颜京松编著，生态工程学（教育部推荐研究生教学用书）. 南京大学出版社，2008 （第3版）.,第一章 生态工程导论,第一节 生态工程的定义一、定义二、关于生态工程定义的讨论三、生态工程、环境工程和生物工程的比较第二节 生态工程产生的背景一、人口激增二、自然资源严重破坏三、能源短缺四、环境污染五、食物供应严重不足第三节 国内外生态工程的发展与现状一、国外生态工程研究进展二、我国生态工程的研究与发展第四节 生态工程的应用前景一、生态工程与可持续发展二、生态工程与生物多样性保护三、生态工程与农林牧业建设四、生态工程与城市生态建设,5,教学目的和要求,掌握生态工程的内涵、研究的基本内容和目的，正确理解生态工程与环境工程及生物工程的区别。了解生态工程产生的背景及应用前景，对生态问题的出现，及生态工程产生的背景有一定理解。正确认识生态工程是生态学理论在实践中的应用与发展，是解决现存人与环境间关系的矛盾的重要途径。,6,第一节 生态工程的定义,一、定义 由人类用少量的能源对环境进行熟练操纵，以控制那些主要是由自然能源驱动的系统。H.T. Odum (1962) 生态工程属于自组织的应用系统领域，是对自然的管理，是同自然合作良好的术语。 H.T. Odum (1983),11/23/2022,7,生态工程学是一门新的科学，其发展历史较短，始于20世纪后半叶。,Howard T. Odum奥德姆 (19242002),11/23/2022,8,Ecological Engineering: an introduction to eco-technology于1989正式出版，标志生态工程学正式成为一门学科。W. J. Mitsch (1989) 人类社会同自然环境合作进行的对双方都有利的设计。W. J. Mitsch (1989) 为了人类社会及其自然环境的利益， 而对人类社会及其自然环境加以综合的， 而且能持续的生态系统设计， 以期达到生态恢复、生态更新、生物控制等目的。 W. J. Mitsch (1993),William J.Mitsch威廉J 密茨(1947 ),11/23/2022,9,1954年研究防治蝗虫灾害时提出“生态工程”一词，即通过调整生态系统的结构、控制水位等改变蝗虫的滋生地。模拟生态系统原理而建成的生产工艺体系即生态工程。马世骏（1983）生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统分析的最优化方法设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统。马世骏（1984）,马世骏(19151991),主要章节内容,基本理论、方法，与相对单一的生态系统,复合生态系统,不同尺度,11/23/2022,11,盛连喜（2000）综合以上不同学者的定义将生态工程学定义如下：生态工程学: 应用自然生态系统原理，通过同自然环境合作， 进行的对人类社会和自然环境双方都有利的复合生态系统设计的科学。,11/23/2022,12,生态系统,庭院生态工程,二、关于生态工程定义的讨论实质：用生态系统的原理为人类社会服务,传统的庭院生态系统不完整，食物链缺乏、资源利用率低，沼气池和食用菌栽培技术的引入完善了庭院生态系统，提高了资源的利用效率,江苏条子泥匡围工程生态重构,草坪种植前的情况,施入盐碱地草坪建植专用的改良剂,人工浇水,铺草坪,草坪种植后的表现情况,挖沟排水,盐分测定,加入泥炭,适当修剪,覆盖麦秆,浇水,初步效果,该示范工程的成功实施既可以保存原有的湿地生物多样性，并使原有的物种不至于丧失殆尽，又能构建新的湿地系统，并加快生态功能的形成，为沿海滩涂的生态型围垦提供典型案例。,句容市赤山湖国家湿地公园建设建设内容滨岸湿地生态修复与保护，营造生物的重要栖息地人工湿地建设恢复赤山湖滞洪区湖滨带景观保护、修复建设科研中心、建设野生动物救护站、环境监测站,超级油轮原油泄露净化生态工程,超级油轮Bxxon Valdez号4.2104m3的原油在5h内被泄漏到美国阿拉斯加海岸，影响遍及1450km的海岸。,由于常规的净化方法已不起作用，Bxxon公司和环保局随后就开始了著名的“阿拉斯加研究计划”，主要采用生物修复技术来消除溢油的污染，这是到目前为止规模最大的现场生物修复工程。工程实施过程中在一些受污染的海滩有控制地添加两种亲油的微生物营养成分，海滩沉积物表面和次表面的异养菌和石油降解菌的数量增加了1个2个数量级，石油污染物的降解速度提高了2倍3倍，使净化过程加快了近两个月。,11/23/2022,19,三、生态工程、环境工程和生物工程的比较（续）,第二节 生态工程产生的背景,一、人口激增二、自然资源严重破坏三、能源短缺四、环境污染五、食物供应严重不足,11/23/2022,20,11/23/2022,21,人口激增，对资源、环境的需求增加,环境问题是实质是“人的问题”,唐代（618-907）,汉代（前202-220）,史前时期,清代（1612-1911）,石羊河流域演化过程,生态系统退化,人类活动取用水增加，水循环通量减少，从水生湿地生态系统逐渐转变为荒漠生态系统,石羊河流域生态格局演变,生态系统退化,11/23/2022,24,一、生态问题出现 20世纪60年代以来，全球经济进入快速增长阶段。经济的迅猛发展、技术的革新使人们的生活水平大大提高， 但其负面影响也越来越严重。 发达国家主要表现： 工业化和高度集约化的农业经营所带来的种种环境污染和过量耗费不可更新资源（如石油）问题； 发展中国家则表现为：人口的快速增长、资源的过度开发、损毁和低效利用，以及由此而引起的环境污染问题。,“生态足迹”,11/23/2022,25,1952年英国伦敦烟雾事件,1953年1956年发生在日本熊本县水俣市的公害事件,1952年12月5日9日发生在伦敦的一次严重大气污染事件。这次事件造成多达12000人因为空气污染而丧生，并推动了英国环境保护立法的进程。,1953年发现首例，症状初始是口齿不清、步态不稳、面部痴呆；进而耳聋眼瞎、全身麻木；最后神经失常、身体弯弓、高叫而死。由于摄入甲基汞而引起发病。累计中毒患者283人，其中60人死亡。,11/23/2022,26,50年代初期洛杉矶光化学烟雾事件,似曾相识,光化学烟雾是大量碳氢化合物在阳光作用下，与空气中其他成份起化学作用而产生的。这种烟雾中含有臭氧、氧化氮、乙醛和其他氧化剂，滞留市区久久不散。 在1952年12月的一次光化学烟雾事件中，洛杉矶市65岁以上的老人死亡400多人。1955年9月，由于大气污染和高温，短短两天之内，65岁以上的老人死亡400余人。,11/23/2022,27,.我们不要过于得意我们对自然界的胜利。对于我们的每一次胜利，自然界都报复了我们。每一次的这种胜利， 第一步我们确实达到预期的结果， 但第二步和第三步却有了完全不同的意想不到的结果，常常正好把第一个结果的意义又取消了。.因此我们必须时刻记住： 我们统治自然界， 决不象征服者统治异民族一样，相反地，我们同我们的肉、 血和头脑一起是属于自然界， 存在于自然界，我们对自然的整个支配， 仅仅是因为我们有别于其他一切动物，能够正确认识和运用自然规律而己。（恩格斯： 自然辩证法， 146页， 人民出版社，1957),恩格斯,11/23/2022,28,第一次浪潮，是指农业和手工业生产水平阶段。（以观察和猜测的方式认识自然现象，解释能力较弱）第二次浪潮，是指以纵向发展速度为特征的大工业革命阶段。（以光学、物理学、化学等手段认识自然，孤立的观点）第三次浪潮，是指以横向交织学科为特征的阶段。（学科交叉的看问题）,二、第二次浪潮的思维对人类与自然关系的影响对第二次浪潮的思维的反思,11/23/2022,29,第二次浪潮的思维是工业革命的产物，它强调分门别类地认识事物。 这在工业化的初期应该是一个进步过程，但到后期，这种分散的、孤立的只要部分不要整体的认识事物的方法， 却带来了明显的片面性。第二次浪潮的思维，在人和自然的关系上，是“改造论”占支配地位（人定胜天）。在这种思维的支配下， 部门分割非常突出。只顾发展生产，不管环境好坏，把本来人和自然协调的关系转变为人和自然对立的关系。,二、第二次浪潮的思维对人类与自然关系的影响,第二次浪潮的思维的缺点,11/23/2022,30,三、人们在觉醒 全球性环境污染在很大程度上是由发达国家造成的，而限制生产就意味着部分剥夺了发展中国家经济发展的权利，让发展中国家负担全球污染的成本是极不公平的。那么，到底该怎么办呢？答案只有一个： 坚持可持续发展,经济发展不仅要满足当代人的需要，还要不危害后代人的发展能力布特兰夫人，1987，我们共同的未来,11/23/2022,31,米勒（Paul Hermann Mller） 1939， 确认DDT有杀虫力,人们在觉醒DDT的案例,卡逊（Rachel Carson） 1962，寂静的春天,1969， 美国国家环境保护署（U.S. EPA）成立。1972年禁用DDT,从70年代后滴滴涕逐渐被世界各国明令禁止生产和使用。滴滴涕还成为中国环境保护事业的催生婆。,11/23/2022,32,由于人类的活动，现在地球表面几乎没有发现未受到人类影响的区域,11/23/2022,33,地球没有 “净土”,11/23/2022,34,DDT与蚁酸在哲学意义上没有本质不同问题出现在哪里？,11/23/2022,35,1972年，联合国第一次人类环境大会的非官方报告：只有一个地球出版。指出认识生物圈与技术圈相互依存的重要性；指出生态和社会经济的相互依赖性；跳出了第二次浪潮的思维的局限性，既看到部分又看到了整体。,Barbara Ward(1914-1981),人们在觉醒,11/23/2022,36,D. H. Meadows(1941-2001),增长的极限1972年版本中的基础模型,人们在觉醒,悲观论者,人口增长自然资源消耗粮食生产工业生产,11/23/2022,37,人们在觉醒,乐观派,资源没有尽头， 恶化只是暂时现象；过去不是资源的资源可变成资源；特定时段和技术条件下，资源是有限的；必须依靠科学技术，合理利用自然资源。,J. L. Simon(1932-1999),11/23/2022,38,人们在觉醒,其他观点：1980年，R.J.本奈特（Bannet）和R.J.乔利（Chorley）合著的环境系统论述了共生的现象（symbiosis），共生可使人类社会与自然环境都互相有利。1980年，A.托夫勒（Tofflar）在第三次浪潮中指出：“过去十年间，地球生物圈出现了根本性的、潜在的危险变化.它迫使我们去重新考虑人对自然的依赖问题使我们产生了新的观点，强调人与自然和睦相处，改变以往的对抗状态”。1983年，A.P.A.吴英克（Vink）指出：“同自然合作比同自然对立较为有利并常常是更为有效”。,第三节 国内外生态工程的发展与现状,一、国外生态工程研究进展,11/23/2022,39,生态工程一词自H.T. Odum 提出后，即在北美和欧洲得到了广泛应用。 H.T. Odum在生态工程领域一直率先推动生态学理论的实践，他开展了许多主要的生态系统设计试验，如利用湿地处理生活污水的等内容。 1989年由W.J. Mitsch和 S.E. Jorgensen编写的生态工程生态技术介绍出版，其后于1992年开始发行生态工程刊物。,11/23/2022,40,近十几年来，西方生态工程正在从研究走向应用。 如在美国加洲南部河口区湿地，利用湿生植物香蒲等去除重金属，改善水质，并进行土地复垦（Brown,1991）；在丹麦格雷姆斯湖(Glums)建立了防治富营养化的生态工程(Jorgenson,1993)德国建立了以芦苇为主的湿地处理废水的生态工程(Etnier,1991)美国1992年提出的环保“R”(reduction, recovery, reuse and recycle)策略正在逐步实施。,11/23/2022,41,各国应用特点：荷兰从生态系统到生态设计，反映了生态系统研究向更实用的方向迈进。捷克： 制定生态法规，对生态规划极为重视法国和日本： 以城市生态为重点美国： 自然生态系统的恢复，如森林生态恢复、湿地生态恢复、草地生态恢复,总的来说，西方生态工程研究及实践范围较窄，重点集中于环保生态工程，农业生态工程的应用，也局限于持续农业、有机农业的试验与推广。,11/23/2022,42,二、我国生态工程的研究与发展,我们的祖先很早就开创出一条独有的发展农业生产的途径，自觉不自觉地采用了某些生态工程原理和技术，产生了古代农业生态工程最早的雏型。,（一）古代农业生态工程雏型食物链原理 “大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃滋泥（水中微小生物）”；“螳螂捕蝉，黄雀在后” 系统联系原理 阴阳说、五行论,11/23/2022,43,治水工程 都江堰水利枢纽工程 土地多样化利用 多样化的梯田、南方架田、水旱轮作等复合农业 农渔结合、农牧结合、农林结合等,11/23/2022,44,生态工程应用范围涉及农业、环保、林业、养殖等各个领域，遍布各类型区。目前国家有组织的农业生态工程试点县、乡、村或农场有2万多个；国家五大防护林生态工程覆盖面积占国土10；城市及村镇各类污水处理生态工程试点300余处；生态工程领域发表文章：4000余篇；,（二）我国现代生态工程的发展,11/23/2022,45,生态工程研究合理利用自然资源（案例）华北和西北的枣粮间作、板栗粮食间作、胡桃粮食间作；南方的杉农间作、桐粮间作；复种、套种等。,间作可提高土地利用率，可增加对阳光的截取与吸收，减少光能的浪费；同时，两种作物间作还可产生互补作用（豆科和禾本科）。,是我国珠江三角洲地区，为充分利用土地而创造的一种挖深鱼塘，垫高基田，塘基植桑，塘内养鱼的高效人工生态系统。桑基鱼塘是池中养鱼、池埂种桑的一种综合养鱼方式。,桑基鱼塘（蔗基、果基）,桑树通过光合作用生成有机物质桑叶，桑叶饲蚕，生产出蚕蛹及蚕丝（加工工艺中的物质转化），桑树的脱落物蚕沙施用到鱼塘,经过鱼塘内另一食物链过程,转化为鱼。鱼的排泄物及其未被利用的有机物沉积于塘底，经底栖生物分解后可成为桑树的肥料，返回桑基。这种交互补偿水陆物质的方式,广泛适用于沼泽及低湿地区,桑基鱼塘水陆交互模式,11/23/2022,48,桑基鱼塘系统物质循环和能量流动示意图,桑基鱼塘是我国珠江三角洲地区，为充分利用土地而创造的一种挖深鱼塘，垫高基田，塘基植桑（蔗），塘内养鱼的高效人工生态系统。,公元9世纪就开始的传统农业生产方式。浙江青田稻鱼共生系统在2005年入选成为首批全球重要农业文化遗产之一。,青田稻鱼共生系统,距今已有上千年历史，最早源于溪水灌溉稻田，后来渐渐形成了在田中种植一季稻、放养一批鱼、饲养一群鸭的农业生产方式，让世代侗乡人丰衣足食。该系统在2011年入选全球重要农业文化遗产。,从江侗乡稻鱼鸭系统,位于云南省红河州，总面积达82万亩，拥有1300多年的开垦历史。该系统在2010年入选全球重要农业文化遗产，此外还在2013年入选了世界文化遗产。,云南哈尼稻作梯田系统,江苏兴化垛田传统农业系统，在沼泽地上垒起垛田，形成了独特的土地利用方式，于2014年入选全球重要农业文化遗产。,江苏兴化垛田传统农业系统,11/23/2022,53,国内外生态工程的特点比较,第四节 生态工程的应用前景,一、生态工程与可持续发展1987，世界环境与发展委员会（WCED）在我们共同的未来中提出“可持续发展是既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。”1992，联合国环境与发展大会（UNCED） , 里约宣言、21世纪议程、 森林问题原则声明。1994中国21世纪议程、中国环境保护21世纪议程1995 中国林业21世纪议程1996中国海洋21世纪议程1999 中国农业21世纪议程,11/23/2022,54,11/23/2022,55,二、生态工程与生物多样性保护,保护珍稀濒危生物珍惜、濒危生物的灭绝主要与生态习性、生态环境的改变及人类干扰有关。 应用生态系统原理使生物的生态习性和自然环境匹配，才能获得成功。,11/23/2022,56,恢复和重建重要生态系统,长白山红松针阔混交林,目前，许多地带性植被已不多见，如温带湿润地区与大气候相适应的地带性植被红松阔叶混交林，由于人类过量采伐、采育失调，原始的混交林所剩无几。但只要区域大气候条件仍适合红松针阔混交林生长，采用生态工程的技术就可使其恢复或得以重建。,例如：吉林省蛟河老爷老爷岭山地，1940s 曾经被择伐殆尽，由于海拔较高1200m，山势陡峭，人为干扰较少，经过60多年的恢复，已呈现出原始林的林相。,11/23/2022,57,保护植物群落多样性绿色植物是生态系统的第一性生产者，是生态系统中能力和物质循环的枢纽植物多样性保护是是动物多样性保护的前提如何实现：改变植被的水平结构与垂直结构提高其对大气降水的及太阳能的转化率,11/23/2022,58,三、生态工程与农林牧业建设,现代农业面临的挑战：成本迅速上升而利润递减微生物群落结构发生改变农田面源污染严重食品安全受到挑战,11/23/2022,59,生态农业： “从系统思想出发，按照生态学原理，经济学原理和生态经济原理，运用现代科学技术成果和现代管理手段以及传统农业的有效经验建立起来， 以期获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化农业发展模式。 简单地说，就是遵循生态经济学规律，进行经营和管理的集约化农业体系。”叶佛吉， 生态农业农业的未来,11/23/2022,60,生态农业,物质循环利用能量高效利用减少人工能源输入，增加对太阳能的利用,11/23/2022,61,生态林业：应用较晚，但前景广阔全世界森林面积减少，尤其是俄罗斯、加拿大的亚寒带森林面积急剧减少，热带亚热带森林以惊人速度减少和退化。人工林种群单一，林相简单。对光利用率低、水分保持能力差，且对病虫害抵抗能力差，一旦遭受侵袭，经济和生态损失相当严重设计农、林、牧结合模式，将农业生产、林业建设和牧业发展相结合。,农田防护林,林牧结合,11/23/2022,62,四、生态工程与城市生态建设,城市生态问题： 交通拥挤、环境污染、住房紧张等问题城市作为社会经济自然复合生态系统，运用系统科学的方法，从整体上规划设计和解决如下问题：人口与资源工业化与环境保护生产与生活城市与郊区,11/23/2022,63,收集雨水，减少对地下水的开采,绿色屋顶，减少空调的使用,使用太阳能，减少化石能源,11/23/2022,64,思考题：1. 何为生态工程学？生态工程学的研究对是什么？2. 生态工程和生物工程、环境工程有何本的区别？3. 生态工程学是在什么背景下发展起来的？4. 怎样理解生态工程学和生态学之间的联系？5. 在生物多样性保护中生态工程有何应用值？6. 研究生态工程学有何理论意义与实践意？7. 举例说明生态工程在城市生态建设中的作用？,谢谢,11/23/2022,65,