生態(tài)工程學(xué)1-2014年.3

生態(tài)工程學(xué)1-2014年.3第一頁，共56頁。第二頁，共56頁。第三頁，共56頁。第四頁，共56頁。刺槐+銀合歡+多花木藍刺槐+多花木藍第五頁，共56頁。第六頁，共56頁。專題1生態(tài)工程學(xué)的概念與原理專題2生態(tài)工程模型與生態(tài)工程設(shè)計專題3生態(tài)恢復(fù)生態(tài)工程

濕地的生態(tài)恢復(fù)，河道駁岸生態(tài)工程，礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)，道路邊坡的生態(tài)恢復(fù)專題4環(huán)保與污染物處理利用的生態(tài)工程專題5農(nóng)林復(fù)合生態(tài)工程專題6立體綠化第七頁，共56頁。參考書目生態(tài)工程學(xué)，欽佩、安樹青、顏京松，南京大學(xué)出版社，1998，2002林業(yè)生態(tài)工程學(xué)，王禮先等，林業(yè)出版社，2000實用生態(tài)工程學(xué)，盛連喜等，高等教育出版社，2005水生態(tài)工程，蔡守華，水利出版社，2010第八頁，共56頁。專題一生態(tài)工程學(xué)的概念與原理第九頁，共56頁。生態(tài)工程ecologicalengineering，ecoengineering1.1定義（1）早起階段1960s，分別由美國生態(tài)學(xué)家H.T.Odum及我國生態(tài)學(xué)家馬世駿提出的。馬世駿：運用物種共生與物質(zhì)循環(huán)再生原理，發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止污染，采用分層多級系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力的整合工程技術(shù)并在系統(tǒng)范圍內(nèi)同步獲取高的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益。第十頁，共56頁。H.T.Odum（1963年）

提出生態(tài)工程一詞。定義為：“為了控制生態(tài)系統(tǒng)，人類應(yīng)用來自自然的能源作為輔助能對環(huán)境的控制”。內(nèi)涵：“人類利用少量的輔助能對環(huán)境進行管理,來控制以自然資源為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)”，管理自然就是生態(tài)工程，它是對傳統(tǒng)工程的一個補充，是自然生態(tài)系統(tǒng)的一個側(cè)面。1980s逐漸完善。第十一頁，共56頁。(2)快速發(fā)展階段歐洲的Uhlmann(1983)、Straskraba(1984，1985)與Gnauck(1985)提出生態(tài)工藝技術(shù)(ecotechnology,林鎮(zhèn)洋等生態(tài)工法，2002)，將它作為生態(tài)工程的同義詞。定義：在環(huán)境管理方面，根據(jù)對生態(tài)學(xué)的深入了解，花最小代價的措施，對環(huán)境的損害又是最小的一些技術(shù)?；?，基于生態(tài)學(xué)知識，利用技術(shù)手段管理生態(tài)系統(tǒng)，以減少管理費用，并減輕管理活動對環(huán)境的干擾。第十二頁，共56頁。馬世駿(1984)：自然-社會-經(jīng)濟復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。定義：生態(tài)工程是應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，結(jié)合系統(tǒng)分析的最優(yōu)化方法，設(shè)計的促進分層多級利用物質(zhì)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。目標：在促進自然界良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防治環(huán)境污染，達到經(jīng)濟效益與生態(tài)效益同步發(fā)展。體系：可以是縱向的層次結(jié)構(gòu)，也可以發(fā)展為幾個縱向工藝鏈索橫向聯(lián)系而成的網(wǎng)狀工程系統(tǒng)。第十三頁，共56頁。美國Mitsch(1988)、丹麥Jorgensen(1989)：

“為了人類社會及其自然環(huán)境二者的利益而對人類社會及其自然環(huán)境進行設(shè)計”，“提供了保護自然環(huán)境，同時又解決難以處理的環(huán)境污染問題的途徑”。為了人類社會及其自然環(huán)境的利益，而對人類社會及其自然環(huán)境加以綜合的且能持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計。它包括開發(fā)、設(shè)計、建立和維持新的生態(tài)系統(tǒng)，以期達到諸如污水處理（水質(zhì)改善）、地面礦渣及廢棄物的回收、海岸帶保護等，同時還包括生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)更新、生物控制等目的（Mitsch1993)。第十四頁，共56頁。奧德姆兄弟(H.T.Odum,B.odum):為了使生態(tài)系統(tǒng)自我設(shè)計達到最大，而對有利于環(huán)境的技術(shù)進行研究和實踐。歐美學(xué)者認為生態(tài)工程就是生態(tài)技術(shù)。我國學(xué)者：生態(tài)技術(shù)僅僅是生態(tài)工程的一個環(huán)節(jié)，生態(tài)工程是多技術(shù)系統(tǒng)。第十五頁，共56頁。1.2生態(tài)工程的產(chǎn)生

(1)背景

1960年代以來，全球生態(tài)危機表現(xiàn)為人口激增、資源破壞、能源短缺、環(huán)境污染，等。

我國傳統(tǒng)的生態(tài)工程的實踐：“輪、套種制度”、“壟稻溝魚”、“?；~塘”等等就是相當成熟的生態(tài)工程模式。

第十六頁，共56頁。馬世駿，1954年研究防治蝗蟲災(zāi)害時，即提出調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)系統(tǒng)功能的生態(tài)工程設(shè)想、規(guī)劃與措施。1979年，生態(tài)系統(tǒng)工程。連接多系統(tǒng)的循環(huán)關(guān)系,及時有效地把人類和動物的廢物運回土壤，把工業(yè)廢物分別加以分解或再生。1987年，馬世駿主編《中國的農(nóng)業(yè)生態(tài)工程》。1989年，馬世駿及顏京松、仲崇信等與美國Mitsch，和丹麥Jorgensen主編第一本生態(tài)工程專著《EcologicalEngineering》,成為標志。第十七頁，共56頁。(2)學(xué)科及理論發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)多層次結(jié)構(gòu)：-個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)?；A(chǔ)型學(xué)科分支：生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)、植物生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)生態(tài)學(xué)應(yīng)用生態(tài)學(xué)分支：景觀生態(tài)學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、濕地生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、等。相關(guān)工程學(xué)科：水土保持、林業(yè)生態(tài)工程、土壤修復(fù)、生態(tài)農(nóng)業(yè)等；其他：系統(tǒng)控制論、自組織理論與技術(shù)，計算機技術(shù)。

第十八頁，共56頁。1.3生態(tài)工程的應(yīng)用

(1)環(huán)保生態(tài)工程1960年代起，試圖運用生態(tài)工藝來達到污染治理、環(huán)境保護的目的。研究、分析生態(tài)系統(tǒng)組成成分及機制，并在此基礎(chǔ)上建立定量揭示系統(tǒng)的物流、能流和行為特征的動態(tài)模型與優(yōu)化控制模型。美國1992年提出的生產(chǎn)過程中廢物產(chǎn)生與排放減量（Reduction)、廢物回收（Recovery)、廢棄物回用（Reuse)及再循環(huán)(Recycle)的環(huán)保4個R策略。第十九頁，共56頁。生態(tài)工藝技術(shù)：加環(huán)（生產(chǎn)環(huán)、增益環(huán)、減耗環(huán)、復(fù)合環(huán)和加工環(huán)），聯(lián)結(jié)本為相對獨立與平行的一些生態(tài)系統(tǒng)為共生網(wǎng)絡(luò)；調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)充分利用空間、時間、營養(yǎng)生態(tài)位，多層分級利用物質(zhì)、能量，充分發(fā)揮物質(zhì)生產(chǎn)潛力,減少廢物,根據(jù)自然、經(jīng)濟(特別是市場)情況，因地制宜地促進良性循環(huán)受破壞的生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建等。第二十頁，共56頁。(2)水環(huán)境生態(tài)工程美國在從屬于不同水文周期的濕地，建立了利用香蒲等去除重金屬，并進行復(fù)墾(Brown1991)。以蒲草為主的濕地處理煤礦含硫化鐵酸性廢水(Fennessy1989)。德國建立了以蘆葦為主的濕地處理廢水的生態(tài)工程（1991)。瑞典的Stensund學(xué)院應(yīng)用室內(nèi)水生生物的生態(tài)工程，處理凈化生活污水(1991)，應(yīng)用伊樂藻和剛毛藻植物為主的人工生態(tài)系統(tǒng)去除過多的氮、磷（1993)。荷蘭調(diào)控湖泊中生物種類結(jié)構(gòu)（食物鏈網(wǎng)上一些環(huán)節(jié)）比例的方法防治富營養(yǎng)化。匈牙利應(yīng)用中國傳統(tǒng)的綜合養(yǎng)魚經(jīng)驗，用污水養(yǎng)魚生態(tài)工程來處理污水。第二十一頁，共56頁。湖北鴨兒湖治理有機磷和有機氯農(nóng)藥污染的生態(tài)工程,蘇州外城河葑門支塘污水資源化生態(tài)工程，—些酒廠、繅絲廠的廢水處理和利用生態(tài)工程,防治太湖局部水體飲用水源藍藻爆發(fā)的生態(tài)工程。以鳳眼蓮為主的污水處理與利用生態(tài)工程。污水灌溉、調(diào)控污水養(yǎng)魚生態(tài)工程。華東師范大學(xué)引進并篩選了光合細菌，研究揭示多種光合細菌的生活、繁殖條件及其動態(tài)，并試用其處理上海市居民糞便及一些工廠的有機廢水。第二十二頁，共56頁。第二十三頁，共56頁。第二十四頁，共56頁。第二十五頁，共56頁。(3)中國農(nóng)業(yè)生態(tài)工程傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)積累了豐富的精湛技術(shù)和優(yōu)良經(jīng)驗。如輪種、套種制度，“桑基魚塘”，有機肥還田，多層分級利用物質(zhì)，再生循環(huán)維持地力，等。樸素的生態(tài)工程，如云南紅河哈尼族高山稻田景觀?，F(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)。如一些家畜（或家禽）養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的糞便，配合沼氣發(fā)酵，沼液無土栽培飼料或蔬菜，沼渣再制混合飼料或肥料等。桑(果)-蠶—沼氣—沼肥循環(huán)系統(tǒng)，等。污水自凈與利用生態(tài)系統(tǒng)，充分利用污水中的有機成分作為營養(yǎng)源，既凈化了污水，又利用了資源，如污灌和污水養(yǎng)魚技術(shù)。第二十六頁，共56頁。第二十七頁，共56頁。?；~塘第二十八頁，共56頁。第二十九頁，共56頁。第三十頁，共56頁。(4)城市生態(tài)恢復(fù)-保護與修復(fù)再生南京大學(xué)自60年代初，引種、研究并利用大米草、互花米草，人工建造海灘鹽沼植被。道路邊坡植被護坡廢棄地生態(tài)恢復(fù)：棕地、礦山、裸露山體等。包括土壤、植被、廢棄物處理與利用等生態(tài)工程技術(shù)。水體與濕地生態(tài)恢復(fù)或修復(fù)：河流、湖泊、濕地、濱水岸帶與消落帶植被恢復(fù)，生態(tài)浮床技術(shù)。生態(tài)恢復(fù)是目前生態(tài)工程應(yīng)用與發(fā)展的重點。第三十一頁，共56頁。(5)城市生態(tài)景觀的營建

屋頂綠化、植物景觀墻、林蔭停車場雨水收集、利用、灌溉，綠地調(diào)洪蓄水；生物滯留過濾系統(tǒng)節(jié)水、節(jié)材、節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。應(yīng)用案例：上海世博園、北京奧利匹克公園、上海辰山植物園、南湖公園，等。

第三十二頁，共56頁。1.4生態(tài)工程的特點(1)IEES生態(tài)學(xué)家與工程設(shè)計者的橋梁，提供一種人與自然環(huán)境和諧共存的世界觀或?qū)嵺`途徑，提供可持續(xù)的綠色解決方案，節(jié)約投資與維護成本，土地利用與保護相結(jié)合，多學(xué)科參與的平臺。

第三十三頁，共56頁。（2）生態(tài)工程、環(huán)境工程、傳統(tǒng)工程的區(qū)別

工程類型傳統(tǒng)工程環(huán)境工程生態(tài)工程基本單元自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)自然系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)基本原理工程學(xué)環(huán)境科學(xué)生態(tài)學(xué)基本能源化石能化石能太陽能費用高高較低設(shè)計特點人為人為人類輔助下的自組織控制結(jié)構(gòu)任意污染源有機體自然關(guān)系破壞再污染協(xié)調(diào)、無污染生物多樣性減少改變保持、增加第三十四頁，共56頁。環(huán)境工程：

目標很明確，就是利用一系列科學(xué)原理，去凈化或防治環(huán)境污染。

如水環(huán)境工程"曝氣池法"、"氧化塘法"、"砂濾法"、"活性污泥法"等。傳統(tǒng)工程：工業(yè)文明。第三十五頁，共56頁。傳統(tǒng)技術(shù)企業(yè)和高新技術(shù)企業(yè)在運營過程中，往往對環(huán)境造成污染。高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。特點是高投入、高產(chǎn)出、短周期和高經(jīng)濟效益。清潔技術(shù)，也稱零排放技術(shù)應(yīng)運而生。即在原有的工廠運作過程的基礎(chǔ)上，加配污染物處理系統(tǒng)，如污水處理系統(tǒng)、大氣二氧化硫處理系統(tǒng)等。投入高、耗能大，其應(yīng)用受到一定的限制。第三十六頁，共56頁。生態(tài)工程(技術(shù))：生態(tài)思潮-生態(tài)倫理，可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)文明觀。產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)：又一次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)，是利用生態(tài)系統(tǒng)原理和生態(tài)設(shè)計原則，如物質(zhì)多層次分級利用原理等，從工廠使用的原料開始，系統(tǒng)全面地對工廠的運作過程進行合理設(shè)計，做到既有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，又將其對環(huán)境的破壞作用維持在最小的水平，甚至根本杜絕對環(huán)境的破壞。第三十七頁，共56頁。第三十八頁，共56頁。生態(tài)工程學(xué)的原理2.1核心原理整體協(xié)調(diào)自生再生循環(huán)第三十九頁，共56頁。(1)整體性原理整體論和還原論

水體生態(tài)系統(tǒng)組分、分室、物質(zhì)與能量流動分析。當一個系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)間、功能間及結(jié)構(gòu)與功能間協(xié)調(diào)時，其整體效應(yīng)往往大于組成該系統(tǒng)的各種成分的效應(yīng)的簡單加和。社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是一種特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)，兼有自然和社會兩方面的復(fù)雜屬性。人類在經(jīng)濟活動中，以其特有的智慧，利用強大的科學(xué)手段，管理和改造自然，使自然為人類服務(wù)。另一方面，一切改造和管理自然的活動，都受到自然界的反饋約束和調(diào)節(jié)，不能違背自然生態(tài)系統(tǒng)的基本規(guī)律。生態(tài)工程以整體觀為指導(dǎo)，在系統(tǒng)水平上來研究，整體調(diào)控為處理手段。第四十頁，共56頁。(2)協(xié)調(diào)與平衡原理發(fā)育成熟的自然生態(tài)系統(tǒng)在一定時期內(nèi)均具有相對穩(wěn)定而協(xié)調(diào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。結(jié)構(gòu)：生物成分及非生物成分的種類及其數(shù)量與密度、空間和時間的分布與搭配、相互間的比量，以及各種不同成分間相互聯(lián)系、相互作用的內(nèi)容和方式。相對穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)是完成功能的框架和渠道，直接決定與制約組成各要素間的物質(zhì)遷移、交換、轉(zhuǎn)化、積累、釋放和能流的方向、方式與數(shù)量。生態(tài)系統(tǒng)的功能是接受物質(zhì)、能量、信息,并按時間程序產(chǎn)生物質(zhì)、能量、信息。由輸入轉(zhuǎn)化為輸出的機制。第四十一頁，共56頁。我國許多水草型湖泊變?yōu)樵逍秃?。過量利用，如濫撈水草作為肥料、飼料或過量放流草魚、螃蟹等草食性動物，使水草量減少，破壞了原有水草與其它成分如營養(yǎng)鹽，及以水草為餌料的水生動物的合適協(xié)調(diào)比量，削弱原來水體中通過水草遷移、轉(zhuǎn)化、積累及輸出氮、磷等營養(yǎng)元素的通道（營養(yǎng)鏈）及量比。水體中浮游植物的量增加，降低水的透明度，

原可供沉水植物生長繁衍的湖底層，光通量減少，已不能滿足絕大多數(shù)種類的沉水植物的光合作用需要，沉水植物減少，甚至消失。浮游植物生產(chǎn)量和現(xiàn)存量進一步增加，湖水透明度進一步降低，如此惡性循環(huán)，加速了富營養(yǎng)化過程。第四十二頁，共56頁。

結(jié)構(gòu)與功能相協(xié)調(diào)。例如在一些受污水體中，不一定要截污分流，來控制外來污染物的量，可以調(diào)控受污水體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如種植或養(yǎng)殖一些水生動植物，增加或擴大一些有機質(zhì)及營養(yǎng)鹽在該生態(tài)系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化、積累和輸出的環(huán)節(jié)、途徑和數(shù)量，提高了該水體自凈能力及環(huán)境容量。不僅可以凈化與改善水質(zhì)，改善了生物多樣性，而且化害為利，增產(chǎn)了青飼料及魚鴨等產(chǎn)品和產(chǎn)量。第四十三頁，共56頁。(3)自生與自組織原理

自生原理Self-Resiliency：自我組織、自我優(yōu)化Self-optimum、自我調(diào)節(jié)、自我再生Self-regerenation、自我繁殖自我設(shè)計Self-design。自生作用是以生物為的生態(tài)系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的主要區(qū)別之一。能維護系統(tǒng)的相對穩(wěn)定以及可持續(xù)發(fā)展。

第四十四頁，共56頁。①自我設(shè)計與自組織原理自然生態(tài)系統(tǒng)的自我設(shè)計能力是生態(tài)工程或生態(tài)技術(shù)中最主要的基本原理之一。通過設(shè)計，能很好地適應(yīng)對周圍環(huán)境，同時系統(tǒng)也能經(jīng)過操作，使周圍的理化環(huán)境變得更為適宜。如植物群落的演替，頂級群落。物種多樣化、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化、功能完善化，生境中生化。植物葉鑲嵌、枝條輸水系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計、蜂巢結(jié)構(gòu)。仿生工程學(xué)。第四十五頁，共56頁。第四十六頁，共56頁。第四十七頁，共56頁。第四十八頁，共56頁。第四十九頁，共56頁。自組織或自我設(shè)計，是系統(tǒng)不藉外力自己形成具有充分組織性的有序結(jié)構(gòu)。即生態(tài)系統(tǒng)通過反饋作用，依照最小耗能原理，建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程，使之發(fā)展和進化的行為。自組織理論。自我優(yōu)化是具有自組織能力的生態(tài)系統(tǒng)，在發(fā)育過程中，向能耗最小、功率最大、資源分配最佳方向進化的過程。自組織系統(tǒng)的主要特征：第一，它們是開放系統(tǒng)。第二，它們是由大量子系統(tǒng)所組成的宏觀系統(tǒng)。第三，都有自己演變的歷史。自組織過程就是子系統(tǒng)之間關(guān)系升級的過程。Odum：生態(tài)工程的本質(zhì)就是生態(tài)系統(tǒng)的自組織。人類干預(yù)僅是提供系統(tǒng)一些組分間匹配的機會，其他過程則由自然通過選擇和協(xié)同進化來完成。如消落帶植被恢復(fù)，積極性干預(yù)。人們在一定時期對自組織過程的干涉或管理必須保證其演替的方向。第五十頁，共56頁。②自我維持原理：太陽能③自我調(diào)節(jié)：自組織的穩(wěn)態(tài)機制，其目的在于完善生態(tài)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)與功能。在一個穩(wěn)態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)中負反饋常較正反饋占優(yōu)勢。同種生物種群間密度的自我調(diào)節(jié)。環(huán)境容納量，邏輯斯蒂增長方程，最適生產(chǎn)量。如，蘇州外城河中培養(yǎng)鳳眼蓮凈化和利用污水時，應(yīng)用這一原則，采取分區(qū)分批輪收辦法，人為調(diào)控種群密度，根據(jù)鳳眼蓮的周轉(zhuǎn)期為7天，將鳳眼蓮種植區(qū)分為7塊，每日輪收一塊，每塊收取一半，使其種群密度保持在1/2K的狀態(tài)。年畝產(chǎn)量高達60t