生態(tài)工程的基本原理

知識回顧 生態(tài)系統(tǒng)的結構 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 物質循環(huán) 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 種間關系 環(huán)境容納量等 生態(tài)系統(tǒng)的結構小結 非生物的物質和能量 生產者 主要是各種綠色植物將無機物合成有機物將太陽光能轉化為化學能 消費者 主要是各種動物直接或間接消費生產者制造的有機物 分多個等級 分解者 主要是細菌 真菌等腐生生物將有機物分解為無機物供生產者再次利用 生物群落 營養(yǎng)結構 食物鏈 吃與被吃關系 食物網 多條食物鏈交錯連接 物質 水 空氣 礦物質等能量 陽光 熱能 生態(tài)系統(tǒng)的成分 能量流動的起點 從生產者固定太陽能開始流經生態(tài)系統(tǒng)的總能能量流動的數量是生產者所固定的全部太陽能生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的途徑 太陽能 第一營養(yǎng)級 第二營能量流動養(yǎng)級 第五營養(yǎng)級單向流動不循環(huán)能量流動的特點逐級遞減傳遞率為10 20 設法調整能量流動關系研究的目的使能量流向對人類最有益的部分 碳的循環(huán)過程 3 氮循環(huán) 比較上圖兩個生態(tài)系統(tǒng) 哪個抵抗力穩(wěn)定性要更高 為什么 案例 物種越豐富 群落結構越復雜 生態(tài)系統(tǒng)的自動調節(jié)能力越強 生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性越高 對一個生態(tài)系統(tǒng)來說 抵抗力穩(wěn)定性與恢復力穩(wěn)定性存在相反關系 抵抗力穩(wěn)定性與恢復力穩(wěn)定性的關系 例 生態(tài)學家高斯的實驗 K值 在環(huán)境條件不受破壞的情況下 一定空間中能所能維持的種群最大數量稱為環(huán)境容納量 又稱 值 1 捕食 一種生物以另一種生物為食的現象 2 競爭 兩種或兩種以上生物相互爭奪資源和空間等現象 競爭的結果常表現為相互抑制 有時表現為一方占優(yōu)勢 另一方處于劣勢 甚至滅亡 3 寄生 一種生物 寄生者 寄居于另一種生物 寄主 的體內或體表 攝取寄主的養(yǎng)分以維持生活的現象 4 互利共生 兩種生物共同生活在一起 相互依存 彼此有利 分開至少一方不能獨立存活 種間關系小結 生態(tài)工程的基本原理 一 生態(tài)工程的興起 可持續(xù)發(fā)展 的內涵 SustainableDevelopment 經濟發(fā)展不僅要滿足當代人的需要 還要不危害后代人發(fā)展能力 美國生態(tài)學家H T 奧德姆于1962年首先提出 生態(tài)工程 概念 Abranchofengineeringandfieldofscienceinwhichsolutionstosociety senvironmentalproblemswouldbegroundedinthetechnologyavailablefromnaturalsystemssothatthehumanengineeringrequiredwouldbesupplementaryratherthanprimary overhead 即以從自然系統(tǒng)獲得的技術為基礎 解決人類社會環(huán)境問題的一門工程分支科學 它所需的人類工程技術僅僅起輔助作用 而不是起主要作用 或 人類應用主要來自自然的能源作為輔助能對環(huán)境的控制 或 對自然的管理就是生態(tài)工程 更好的措施是與自然結成伙伴關系 H T 奧德姆的學生米奇 W J Mitsch 繼承其思想 于1989年編了世界上第一本生態(tài)工程專著 EcologicalEngineering AnIntroductiontoEcotechnology 并于1992年主編創(chuàng)辦了 生態(tài)工程 雜志 他對生態(tài)工程的定義是 Ecologicalengineeringhasbeendefinedasthedesignofecosystemsforthemutualbenefitofhumansandnature 即生態(tài)工程是為了人類和自然的相互利益而進行的一種生態(tài)系統(tǒng)設計 我國著名生態(tài)學家馬世駿先生1979年首先倡導生態(tài)工程 他對生態(tài)工程下的定義是 生態(tài)工程是應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質循環(huán)再生的原理 結合系統(tǒng)工程的最優(yōu)化方法 設計的分層多級利用物質的生產工藝系統(tǒng) 生態(tài)工程的目標就是在促進自然界良性循環(huán)的前提下 充分發(fā)揮物質的生產潛力 防止環(huán)境污染 達到經濟效益與生態(tài)效益同步發(fā)展 它可以是縱向的層次結構 也可以發(fā)展為由幾個縱向工藝鏈索橫連而成的網狀工程系統(tǒng) 人類應用生態(tài)學和系統(tǒng)學等學科的基本原理和方法 通過系統(tǒng)設計 調控和技術組裝 對已破壞的生態(tài)環(huán)境進行修復 重建 對造成環(huán)境污染和破壞的傳統(tǒng)生產方式進行改善 并提高生態(tài)系統(tǒng)的生產力 從而促進人類社會和自然環(huán)境和諧發(fā)展 注意 1 學科知識 2 技術手段 3 最終目的 生態(tài)學和系統(tǒng)學 系統(tǒng)設計 調控和技術組裝 促進人類社會和自然環(huán)境的和諧發(fā)展 二 生態(tài)工程的概念 三 生態(tài)工程的基本原理 一 關注生態(tài)工程建設 資料分析一 1 導致1998年長江洪水泛濫的主要原因是什么 根本原因 長江上游亂砍濫伐森林 水源涵養(yǎng)和水土保持功能急劇降低 造成大量泥沙淤積河道 中游圍湖造田 亂占河道 造成具有蓄洪作用的湖泊面積急劇減少 直接原因 1998年度的罕見降雨 但這也與全球溫室氣體排放量增加而導致的溫度升高 氣候異常有關 解決長江洪水泛濫的措施有 以生物措施為主 結合工程措施 提高森林覆蓋率 退耕還湖 和改革不合理耕作方式等 在進行生態(tài)工程建設時 要考慮到怎樣解決農村 尤其是湖區(qū)或山區(qū)的遷出人員 的能源來源問題以及如何提高農民的經濟收入 2 洪災的發(fā)生反映出經濟發(fā)展模式存在什么問題 傳統(tǒng)的經濟發(fā)展模式不注重生態(tài)環(huán)境的保護 沒有考慮生態(tài)成本 經濟的發(fā)展以巨大的生態(tài)環(huán)境破壞為代價 關注生態(tài)工程建設 1 什么是石油農業(yè) 石油農業(yè) 是以美國為代表的高投入 高產出的農業(yè)現代化模式 這一模式之所以被稱為 石油農業(yè) 是因為它大量地使用以石油產品為動力的農業(yè)機械 大量使用以石油制品為原料的化肥 農藥等農用化學品 機械化和化學化是這一農業(yè)現代化模式的共同特點 具有高產 高效 省力 省時 不施糞肥 經濟效益大等特點 無論對提高農業(yè)生產效率和農產品產量 解決因人口激增而引起的世界糧食需求矛盾尖銳等問題 或在經濟發(fā)達國家的農業(yè)發(fā)展史上均起過重要作用 石油農業(yè) 大量使用化肥 農藥和機械的生產方式 因對石油等能源有高度的依賴性而得名 它把農業(yè)生產這一復雜的生物過程 變成了簡單的機械過程和化學過程 由于其投入高 產出也高 對糧食安全保障和提高人民生活水平起到了巨大的作用 但同時它所產生的廢棄物和有害物質的數量也很龐大 大大削弱了農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)生產力 并造成日益嚴重的農產品污染和環(huán)境污染等問題 1 你對 石油農業(yè) 是如何理解的 資料分析二 關注生態(tài)工程建設 2 如何辯證的看待 石油農業(yè) 1 從耕種模式上看 實施單種栽培 基本上不實施輪作制 2 物種單一 缺乏多樣性 3 農牧基本分離 4 非常依賴化學能的高投入 5 能源利用率低 給環(huán)境帶來了很大的危害 對環(huán)境造成危害的污染物 采用一定的措施和技術 就能夠進行回收和循環(huán)利用 這樣不但能夠減少環(huán)境污染 而且提高了資源的利用效率 減少了資源的浪費 例如 對廢污水中的重金屬或氮 磷等養(yǎng)分就可以進行回收再利用 因此說污染物是放錯了地方沒有被利用的資源 3 如何理解 污染物是放錯地方的資源 這句話 討論垃圾處理 1 哪些是可回收的 哪些是不可回收的 2 可回收垃圾的再利用 3 不可回收垃圾有什么用途 有人說 垃圾是放錯地方的資源 你是如何理解這句話 采用一定的措施和技術 能夠使垃圾中的能量流向對人類有益的部分 在不同的國家有不同的改進措施 例如 在我國 人多地少 應該大力發(fā)展生態(tài)農業(yè) 實施的具體措施包括 可以根據田間作物的需要適量施用高效 低毒 低殘留的農藥 多施有機肥 提高作物對水 肥等資源的利用效率 對作物秸稈和畜禽糞便進行再利用 實現物質的多級利用 等等 一方面要不斷提高土地的產出水平 另一方面要減少農業(yè)活動對環(huán)境的污染 促進社會的可持續(xù)發(fā)展 4 石油農業(yè)的生產模式應當怎樣改進 特點 以機械化 水利化 化學化和電氣化來進行農業(yè)生產 直接和間接依賴石化能源 農業(yè)勞動生產率大大提高 土地生產率和農產品商品率提高 比如在美國 1 的人種糧養(yǎng)活著全國其余的人 石油農業(yè) 問題 高輸入 高能耗 加劇世界能源危機 機械化耕作與不合理的種植導致嚴重的土壤流失 化肥和農藥用量上升 但大部分進入了環(huán)境 引起嚴重環(huán)境污染 單一種植 使生態(tài)失衡 引發(fā)大規(guī)模病蟲害 秸稈等廢棄物利用率低 人工創(chuàng)造的高產品種廣泛取代了各地農畜品種的多樣性 使后者的基因快速滅絕 石油農業(yè) 危 中有 機 傳統(tǒng)經濟模式正在毀壞和消耗地球贈給我們的自然資本 為了實現可持續(xù)發(fā)展 經濟發(fā)展必須符合生態(tài)學規(guī)律 走生態(tài)經濟之路 遵循的主要原則 實現的重要手段 人教P108 關于生態(tài)經濟 三 生態(tài)工程所遵循的基本原理 1 物質循環(huán)再生原理 無廢棄物農業(yè)是我國古代傳統(tǒng)農業(yè)的輝煌成就之一 也是生態(tài)工程最早和最生動的一種模式 1 2 土壤肥力幾千年沒有耗竭的原理是什么 3 該生態(tài)系統(tǒng)怎樣實現物質循環(huán)利用的 物質以什么形式循環(huán) 思考 這個一個生態(tài)系統(tǒng)嗎 生產者 消費者 分解者分別是什么 沒有物質循環(huán)的系統(tǒng) 就會產生廢棄物 造成環(huán)境污染 并最終影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展 物質循環(huán)再生原理 試補充一個結構或一種生態(tài)系統(tǒng)成分 以充分利用能量 添加沼氣池 把人畜糞便 作物殘留送入沼氣池 沼氣作燃料 沼渣作肥料 實現能量的充分利用 傳統(tǒng) 原料 產品 廢料現在 原料 產品 原料 產品 2 物種多樣性原理 物種越豐富 生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性越高 資料分析討論 1 為什么樟子松林的松毛蟲會肆虐 幾十億株楊樹會毀于一旦 而珊瑚礁區(qū)卻能夠在養(yǎng)分稀少的深海中 保持著很高的生物多樣性 三北防護林的遼寧西部建設中 種植純樟子松林 生物多樣性低 食物鏈短而單調 缺少松毛蟲的天敵 使得偶然滋生的松毛蟲肆虐一時 造成樟子松林奄奄一息 成為鳥獸了無蹤影的不毛之地 珊瑚礁區(qū)的生物多樣性高 食物鏈復雜 所以可以較長時間維持穩(wěn)態(tài) 純樟子松林 楊樹林的生物多樣性低 食物鏈短而單調 缺少松毛蟲 天牛的天敵 而成片單一的林木又為其提供了豐富的食物來源 因而會導致了樹林的毀壞 珊瑚礁區(qū)的生物多樣性高 食物鏈復雜 不同的生物占據了不同的時間位 空間位和資源位 因而充分利用了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境 例如 氮 磷等養(yǎng)分就能夠在該區(qū)生物體間充分地循環(huán)利用而很少流出系統(tǒng)外 2 從上面正面和反面的實例 你能得出怎樣的結論 你認為生物多樣性的破壞有人為因素嗎 只有保持生態(tài)系統(tǒng)較高的生物多樣性 才能保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡 生物多樣性的破壞有人為因素 而且往往作用巨大 想一想 在我國西北地區(qū)進行防護林建設時 應選擇哪些樹種 喜陽 抗寒 耐旱 耐鹽堿 適應性強 我國西北一些地區(qū)年降雨量小于450mm 是只適宜種植灌木和草的地區(qū) 但卻被硬性規(guī)定種植屬于高大喬木的楊樹 生態(tài)的不適應使許多地方的楊樹長成半死不活的 小老頭 狀 結果防護林成了殘敗的 灰色長城 僅僅滿足協(xié)調適應就可以嗎 摩洛哥會爬樹的山羊 牲畜數量不能超過環(huán)境的承載量才能維持平衡 3 協(xié)調與平衡原理 需要考慮環(huán)境承載力即環(huán)境容納量 資料分析 1 從協(xié)調與平衡原理出發(fā) 想一想 在我國西北地區(qū)進行防護林建設時 應選擇哪些樹種 如果在該地區(qū)發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè) 你認為應該注意什么問題 幾種西北地區(qū)特別適宜樹種的介紹 1 沙棘 俗稱 酸柳 酸刺 黑刺 2 山杏 主要指西伯利亞杏 3 刺槐 4 錦雞兒 又稱擰條 5 杜梨 6 沙棗 7 合歡 8 臭椿 西北畜牧養(yǎng)殖應該注意牲畜數量不能超過草地的承載量 針對公共草地的過度放牧問題 應該實行草地承包 調動個人的管理積極性 減少過度放牧現象 另外 可以在有條件的地方 人工種植牧草 增加牧草產量 4 整體性原理 整體指社會 經濟 自然復合成的巨大系統(tǒng) 例 林業(yè)工程建設中的問題 一方面號召農民種樹 另一方面要考慮農民的生活問題 5 系統(tǒng)學和工程學原理 1 系統(tǒng)的結構決定功能原理 運用 改善和優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的結構 例 桑基魚塘模式 2 系統(tǒng)整體性原理 豆科作物和固氮菌的共生 你能舉出系統(tǒng)整體功能大于部分之和的例子嗎 提前種植玉米 提前種植玉米 提前種植玉米 套種 在不同時期 同一塊土地上種植幾種莊稼 延長了單位面積的光合作用時間 2 輪種 1 降低蟲害2 恢復或提高土壤肥力 在一定年限內 同一塊土地上輪流種植不同的作物 思考 1 農村生態(tài)系統(tǒng)中有哪些方式可以降低蟲害 輪種 農藥 天敵 轉基因作物 2 哪種方式可以保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境 豆科植物的作用 間作 幾種作物同時在一塊土地上播種 增加了光合作用面積 充分利用光能等 系統(tǒng)整體性原理 固氮菌為豆科作物提供氮素 而豆科作物為其提供能量和其他營養(yǎng) 兩者的共生使豆科作物能夠在氮素缺乏的土地上生長 當把它們分開時 兩者的生長都要受到損害 思考與探究 3 ?；~塘分布在我國長江三角洲 珠江三角洲一帶的水鄉(xiāng) 是一種典型的水陸物質和能量交換型生態(tài)工程 試分析桑基魚塘的物質和能量流動途徑 ?；~塘系統(tǒng)中物質和能量的流動是相互聯系的 能量的流動包含在物質的循環(huán)利用過程中 隨著食物鏈的延伸逐級遞減 我國北方 冬天氣溫低 蔬菜不能生長 家畜生長緩慢甚至停止 沼氣池也不能正常產氣 系統(tǒng)整體性原理 日光溫室 豬禽舍 系統(tǒng)整體性原理 四位一體 總體功能大于各部分之和 物質循環(huán)再生原理 物種多樣性原理 協(xié)調與平衡原理 整體性原理 系統(tǒng)學和工程學原理 1 系統(tǒng)的結構決定功能原理 2 系統(tǒng)整體性原理 小結 生態(tài)工程的原理 日光溫室 豬禽舍 例題 閱讀以下資料和我國北方 四位一體 生態(tài)農業(yè)模式圖 回答下列問題 1 此農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中起決定作用的是 2 使用沼氣池里的殘渣為什么可以提高蔬菜的產量 3 現在菜農遇到了陰雨連綿天氣 為增加蔬菜的產量 你能提出合理化建議嗎 4 為了生產無公害的蔬菜 可以還可使用哪些栽培技術 農作物 沼氣池里的殘渣含有豐富的礦物質 能提高農作產量 白天適當提高溫度 夜晚適當降低溫度 其它答案合理也可 可以利用組織培養(yǎng)技術或無土栽培技術 鞏固練習 1 分析說明魚和蛙在該生態(tài)系統(tǒng)中物質和能量流動中的積極作用是什么 2 分析說明稻一魚一蛙共生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)優(yōu)勢 魚 蛙是消費者 加速生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán) 在原有食物鏈中引入新的環(huán)節(jié) 將人們不能直接利用的有機物轉化為可以直接利用的農副產品 有利于實現對物質和能量的多級利用 并減輕了環(huán)境污染 3 上述兩個生態(tài)系統(tǒng)中各種生物所需的有機物都依賴于 生命活動所需的能量追根到底都來自 4 甲和乙相比 抵抗力穩(wěn)定性較強的是 原因是 5 從能量流動的角度看 建立甲生態(tài)系統(tǒng)的目的是 6 為了使稻獲得高產 稻田乙需要經常使用農藥 而甲則不需要 原因是 7 一般地說 農田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低 廢棄農田上會發(fā)生群落演替 該演替的類型是 太陽