第22卷第6期2002年6月生 态 学 报ACT A ECOLOGICA SINICA V o l.22,N o.6Jun.,2002生态恢复工程系统集成原理的一些理论分析胡 聃1,奚增均2
(1.中国科学院生态环境研究中心系统生态开放实验室,北京 100085;2.安徽省芜湖市繁昌县林业局,繁昌 241200)基金项目:国家自然科学基金资助项目(30070145);中日国际合作资助项目
收稿日期:2001-12-10;修订日期:2002-11-20
作者简介:胡 聃(1963～),男,湖北人,博士,副研究员。主要从事城市生态、生态经济以及人类主导介入下生态恢复工程的集成化理论与技术方法研究。
摘要:生态恢复是不同层次上退化生态系统的选择性再生与再发展过程,它包括人类主导作用下的生态系统恢复和自然主导下的生态恢复,它具有自然性、经济性、人文性和选择性。以生态经济原理为基础,首先提出了生态系统退化度与恢复度理论上存在的反-S 型关系,讨论了在统一矢量价值标尺下恢复演进过程的数学描述与恢复的判定准则。作者进一步讨论了生态恢复工程的一些系统集成原理,包括系统集成的技术流程、基本原则的关联组合体系、恢复技术的组装与集成体系、生态恢复模式的分类系统及其在生态集成管理体系下以成本约束、效益约束、尺度约束为核心的模式集成系统、生态恢复系统目标-模式(速度与路径)-成本/效益/效率的价值耦合链的建立。
关键词:生态恢复工程;系统集成原理;理论分析
A Theoretical Approach to Integration Principles of Ecological Restoration Engineering
HU Dan 1,XI Zeng -Jun 2 (1.T he K e y L aboratory o f Systems E cology of Chinese A cademy of S cience s ,Researc h Cente r f or Eco -Env ironmental S ciences ,B eij ing 100085,China ;2.T he B ureau of Forestry of Fanchang County ,A nhui P rov inc e 241200,China ).Acta Ecologica Sinica ,2002,22(6):866～877.
Abstract :Eco lo gical resto ra tio n is a pro cess of selective reg enerat ion and r edev elo pment o f deg raded e-co systems at multiple scales (degr aded natural ecosy st em s and /o r human ecosystems ),w hich has tw o es-sential t ypes:human-do minated vs natur al-do minated eco systems r est or atio n.
Ba sed on t he pr inciples o f eco lo gical eco no mics,t he aut ho rs in this paper discuss the fo llo wing issues on the principles of integ r atio n fo r eco lo gica l r estor atio n eng ineer ing :
Firstly ,the aut ho r s present an inv erse -S ty pe r elat ions bet ween deg ree o f eco sy stems degr adatio n and deg r ee of eco systems r estor ation,which sho ws that to the mor e ex tent the ecosystems deg rade,and the less the degr aded ecosystem s can r esto r e.
T o effectiv ely describe quant itatively an o ver all pr o cess o f eco lo gical resto ra tio n ,a scale of v ecto r v al-ue to g auge the pro gr ess o f deg raded eco sy stems resto ration is pr esent ed and a mathemat ical ex pressio n o f an eco lo gical r estor atio n pr og ress with such an identica l scale o f vector value is est ablished.Fr om t his mathematical fo rm ula,the r est or atio n pr og ress of deg r aded eco systems depends upo n its initial po sition or state to start its r est or atio n ,the speed or period of r est or atio n ,the constr aints of costs ,benefits ,efficien-cies and scales fro m phy sical,bio lo gical,chemical and human dimensio ns.T he o ver all vector v alue of e-co systems r est or atio n co nsist s o f thr ee co mpo nents:t he v alue o f r estor ed eco sy stems co mpo sition,that o f resto r ed ecosy st ems'str uct ur es and that o f r esto r ed ecosystem s'funct ions.T he final endpo ints wher e the pro cess o f r estor atio n can arr iv e a t m ay be identified as 4types :(1)the lev el o f ho mog eneity :deg ra ded e-co systems may get to t he po sitio n wher e it has t he same /similar composit ions,str ucture and functions as befor e it s deg radation;(2)t he lev el of ho mot ype:degr aded eco systems may g et to the po sitio n wher e it
has the sam e /similar str uct ur e a nd functio ns but the differ ent co mpo sitio ns fr om befo r e it s degr adat ion ;
(3)t he lev el o f iso -funct ionality :degr aded eco sy stems ma y get to t he position wher e it has the same /simi-lar eco lo gical funct ions but the different co mpo sitions and str uct ur es fro m befor e its degr adatio n;(4)the level of het ero geneit y :deg raded ecosystem s may get to the positio n wher e it has differ ent compo sitio ns ,structur es and functions fro m befo r e its deg r adation .Based o n the quantita tiv e for mula o f the pr og ress o f ecosystems'r est or atio n,a set o f deter minant criter ions for the success of ecosy st ems'r estor ation ar e also discussed,which include a 4co mponents as r est or ed ecosystems'capacities of self -maintenance,ecolog ical integ rity ,self -reg ulation and self -or g anizat ion .T he for mer 3co mpo nents may be integ ra ted as the capaci-ty o f resto red ecosystem s'health ,and the last o ne as the capacity of self -developments .
Ecolog ical resto ration is a kind o f eco log ical int egr ated eng ineering ,its pr ocedur e includes:investiga-tio ns and diagnosis o f deg raded ecosy st ems,multiple ecolog ical feasibility analyses o f deg raded eco sy stems resto r atio n ,integ r ated planning and design of r estor ation engineer ing ,integr ated implementatio n o f resto r atio n eng ineering ,po st -r est or atio n evalua tion and ecolog ical integr ation management sy stem;o ne empha sized po int is that the ecolo gical int egr atio n manag ement system should be essential to the ov erall pro cess of r estor ation engineer ing.
Ecolog ical resto ration should be ro ot ed in some essential principles ,for definite o bjectiv es of ecolog i-ca l r estor atio n,these principles sho uld be gr ouped,and be furt her integ ra ted o r co mbined.Fr om t his point o f view,a gr ouping sy stem of these principles are presented as follo ws:
(1)T empo r al r elat ed g ro up:eco-niche principle,mesial effect pr inciple,hierar chy principle,succes-sional series principle ,so cial equity pr inciple et c .;
(2)Spatial r elated g r oup:edg e effect principle,eco-niche principle,mesial effect principle,hier ar chy principle,successio nal series pr inciple,etc.;
(3)St ructural related gr o up:key eco log ical fa ct or s (ther e are so me ecolog ical factor s that dominat e the ecolog ical resto rat ion pro cess ),eco -niche pr inciple ,edg e effect pr inciple ,mesial effect pr inciple ,suc-cessio nal ser ies pr inciple ,hier archy pr inciple,etc.;
(4)F unctio nal r elated gr oup:restr ictio n &t olerance pr inciple,mesial effect pr inciple,eco-niche prin-ciple ,population density dependent and inter species interaction pr inciple ,multi -uses and r ecycling &re-gener atio n pr inciple ,ecolog ical secur ity principle ,eco lo gical flow chains &ecolog ical netwo r ks pr inciple ,cost-benefit pr inciple,eco lo gical cultura l pr inciple ,human hea lth principle,eco lo g ical aesthetical pr inciple,social equit y principle etc.;
T he abo ve g ro ups o f pr inciples can be fur ther co mbined int o an int egr ated pr inciple sy stem .In addi-tio n ,special att ention sho uld be paid to the principle of mesial a ffect .T his effect indicates t he multiplicity or uncer tainty of t empo ral ,spatial and quantitat ive m idpo ints(o r mesial part s)o f co mponents,str uct ur es and funct ions within eco systems,w hich a lw ays have much g r eater v ariability ,adaptation and cr eativ ity than the ot her points o r par ts to ecosy st ems'der elo pment .
Ba sed on cur rent dev elo pment o f r est or atio n technolog ies ,the autho rs discuss the integr ated technolo-gy system for ecolog ical resto rat ion.T his sy st em consists o f 5par ts:(1)integ rat ed t echnolog ies fo r de-tecting ,diag nosing ,r epo r ting ,for ecasting of ecosy st ems chang es (degr adat ion o r resto ration);(2)inte-gr ated techno lo gies fo r the re -or ganization or assembly o f deg r aded ecosystems at differ ent scales ;(3)in-tegr ated techno lo gies fo r the eco lo gica l economic v alues r estor ation o f deg raded ecosystem s ;(4)int egr ated techno log ies for the eco lo gical infor mation netw or k re-or ganization o f deg raded ecosystem s;(5)int egr ated techno log ies for t he manag ement sy stem o f deg raded ecosy stems r estor ation.T hese techno lo gies ar e inter-lo cked and t og ether fo rm a natur e -human integ rated technolog y system fo r eco lo gica l r estor atio n .
8676期胡 聃等:生态恢复工程系统集成原理的一些理论分析
Fr o m t he anthr opog enic pr inciple ,eco lo gical resto ra tio n can be divided into 4cat ego ries o f m odel :natural resto ra tio n,lo w human-assisted resto rat ion,medium human-assisted resto ration and hig h human-assisted resto ration.Different mo dels usually affect o r determine the ex tent to w hich deg raded eco sy stems may finally r estor e ,pathway s ,speed and o ver all co sts ,benefits and efficiencies of resto rat ion .In addi-tio n ,human -invo lv ed t he tempor al and spatial sequences o f differ ent species 's colo nizat ion into the succes-sional pr ocess of resto rat ion are the key to t he va lidit y of resto ration models.In the implementatio n o f eco-lo gica l resto ra tio n engineer ing ,the use of single m odel oft en have little validity ,and integ ra ted uses o f mult iple mo dels are mo re effective fo r achiev ing t he o bjectiv es of r estor atio n .So the integ rat ion o f differ-ent mo dels w it h the suppo r t o f eco lo gica l integ rat ion management system focusing o n the constraint s o f cost,benefits and scales time,space and quantity t o achieve the definit e r estor ation o bjectiv es is g reat ly sig nificant for ecolog ical resto ration engineer ing.
O ver all ,t here is a mutua l coupling of value am ong the objectives ,mo dels and co st s /benefits /efficien-cies of r est or atio n,w hich fo rm s an endpo int-mo del-co st s/benefits/efficiencies coupling chain of value.T he integ rat ed endpoints o f r estor atio n affect the models of resto ra tio n that depend on the pathw ays and speeds of r esto ration,and t he latter deter mines the costs,benefits and efficiencies o f r est or atio n.If t he endpo ints ar e different ,the co st s ,benefits and ef ficiencies o f r est or atio n appear quite differently .F or 4t ypes of end-po ints of r estor ation,their co sts o f resto rat ion ar e respect ively :the lev el o f homo geneity is the most,the level of ho moty pe is the less,and the lev el of iso -funct ionality is much less,and the lev el o f heter og eneity depends o n it s concrete pro cess o f r esto ration but less t han the level of ho mog eneity .An impor tant po int is that t he rat io of the natur al vs ar tificial costs /benefits /efficiencies is significant for r est or atio n ,so ,fo r a fix ed endpoint o f r est or atio n,to effectiv ely reg ulate or optimize this ra tio by an efficient wa y o f tr ansfo r-matio ns bet ween natur al and ar tificial costs/benefit s/efficiencies under eco lo gical integr atio n manag ement system is necessar y for impro ving resto ra tio n implementation .
Key words :eco log ical r estor ation engineer ing ;principles o f integ rat ion ;theor etical appr oaches
文章编号:1000-0933(2002)06-0866-12 中图分类号:Q147,X171.4 文献标识码:A
生态恢复是现代生态学研究的热点问题,它可被定义为研究不同方式的内源和外源作用格局下特定生态系统(如自然生态系统、人类生态系统)受损或退化的机理,探究生态系统选择性恢复或再建的规律,及其方法和技术的学科。它不仅仅包含对自然的生物多样性、生态结构和生态功能的选择性恢复,也包括对一定地域和时间尺度上人类的心理生态、社会生态、文化生态、经济生态的组成多样性、结构与功能过程的选择性恢复与重建。而且,生态恢复无论对自然还是人类生态系统常常要考虑其等级层次性,它包含了从分子、细胞、组织、器官、生物个体、种群、生态系统、景观、区域,乃至全球等不同尺度上的选择性恢复[1～5]。目前,生态恢复正逐渐成为人类扼制各种自然或人为生态破坏,保护我们地球家园的重要方法和技术手段[1～8]。
人类面临的退化生态系统类型有二,一类是人类活动主导作用下形成的,另一类是自然因素主导作用下产生的。因此,对退化生态系统的恢复也包含两层基本含义,一是人类主导下的恢复演替,二是自然主导下的次生演替恢复。完全可以回复到退化生态系统原始状态的过程,通常称为复原(Restor ation )[7～10];恢复到与原初状态有差异、并具有一定结构和生态功能的过程,通常称为修复(Rehabilita tio n )[2,4,7,8];而以人类生存和发展需求为目标的恢复过程,则称为复垦(Reclam atio n)[1,6～9,11,14,15]。至今,国内外在该领域已作了大量的实验研究和一定的理论探索[1,3～7,9,11～17],但就生态恢复系统集成的一些重要问题,尚没有展开系统而广泛的探讨,本文正是基于此,从理论上就其中的部分论题进行讨论。
1 生态退化度与生态恢复度
复原(R est or atio n)在当今科学技术水平下常常是难以实现的,因此,生态恢复实际上是一种选择性恢868 生 态 学 报22卷
复或有限恢复,选择性恢复意味着在一定的自然条件和人类活动条件下,不同层次的退化生态系统可回复到原初参照状况的实际水平;在此意义上看,退化生态系统存在一个可恢复度的问题。可恢复度是理论上可恢复到的状态(包括组成、结构和功能)与实际状态之间差异的定性或定量表述,即将生态系统理论上可以恢复到的原始状况或水平作为上限基准,则实际恢复所达到的系统组成、结构和功能状况与上限基准的比较称之为可恢复度,在存在统一的度量标尺的前提下,它经标准化处理后可以是模数在0～1之间的标量或矢量。同样,人们可以把未破坏或未退化的生态系统状况作为参考标准或上限基准,生态系统组成、结构和功能的实际退化量值与退化前的参考状况值的比较称之为退化度,退化度与可恢复度概念在描述生态恢复状况方面是互为补充的。一般而言,如果退化度越大(退化度可以用物种、养分等物质、能量或信息的损失率,或者是生态系统组成、结构、功能价值的减少率等来表示),则可恢复度就可能越小或可恢复难度越大。各种人类、生物、理化因素通过影响或改变生态恢复过程中的物质、能量和信息的流通方式、数量和流通速度来影响恢复的方式、路径、强度、速度以及成本效益和效率,从而影响生态系统的可恢复度。
图1 理论上假定的可恢复度与退化度之间的负相关关系Fig.1 Theorectically assum ed negative relation s be-tw een th e degree of restoration and the degree of degra-dation
图中,L 1,L 2,L 3等表示一定受损或退化程度的不同生态系统类型或者是处于不同退化水平上的同一生态系统类型的R -D 关系,L 1,L 2,L 3indicate that there are different R -D relations among varied ecos ystems w ith
different degree of degradation or w hen the s ame type of ecosystems goes back fr om d iffer ent levels of degra-
dation
从经验来看,可恢复度与退化度之间似乎呈现一
种反-S 曲线关系,图1表述了这种理论上的假定关系。
2 生态恢复演进过程的描述与判定体系
生态恢复是一种动态的、异质化的过程,它具有不
确定性。恢复的最终状态除依赖于其初始状况(最终退
化状况)外,还取决于恢复过程中人类、生物和非生物
因素的约束。一般来讲,对恢复过程演进的描述至少需
要如下几个参数:恢复时间或速度、恢复初始位置或状
态(因退化或损失达到的生态系统状态)、恢复过程中
物理、化学、生物和人类约束条件(如天文、气候、水文、
土壤、地质、生物、人类活动等)的变化。理论上,可以从生态系统恢复过程3方面的变化来表述:生物组成和非生物组分的多样性与丰富性、生态系统结构、生态系统功能,这里的生态系统概念中通常含人类组分。如果
将生态系统恢复进程所达到的当前状态用生态系统价
值矢量V R 来定义,它分别由V D (组分多样性与丰富性
价值矢量)、V S (结构价值矢量)和V F (功能价值矢量)所组成,而生态恢复过程中各种约束的总成本表示为价值矢量V C (自然约束成本V CN 和人类社会、经济、文化和意识等的约束成本V CR ),则不同时空层次上的生
态恢复演进表达式为:
V R = ∫K k =k 0
∫T t =t 0 (V D (k ,t )+V S (k ,t )+V F (k ,t )-V C (k ,t )d k d t
约束于 V C (k ,t )≤ , 的各分量值 ∈(∞,0), V C (k ,t )=V CR (k ,t )+V CN (k ,t )
其中, 是恢复过程中由组成、结构、功能及外部约束的相互耦合产生的不确定性因素对V R 价值矢量的作用系数,T 是恢复的时期周期; 是价值矢量的归一化因子;t 0是恢复初始状态的时间点;K 是恢复可达的三维地域空间,k 0是恢复初始状态的空间位置。对特定的生态恢复模式而言, 是一个常矢量,当 的全部分量值等于∞或0,恢复是完全理想化的,现实上是不可达的;而当 的部分分量值等于∞或0时,恢复的最终状态是局部可达的;而当 的各分量值都介于(∞,0)之间时,恢复所期望的最终状态是现实可达的; 的各分量值越小,生态系统的可恢复度就越高,反之,越低。上式中V R 对时间t 的微分可以描述生态恢复的速度,而对空间k 的微分可以描述生态恢复路径或恢复方式。
8696期胡 聃等:生态恢复工程系统集成原理的一些理论分析
对退化生态系统恢复好坏的判定常常是复杂的,它通常依赖于恢复过程的自然条件和人类的价值目标;人们难以找到一套唯一的恢复标准或指标去衡量不同类型退化生态系统的恢复状况。基于上面恢复演进的表达式,需要对生态系统价值矢量V R 确立一个价值目标期望值,这一目标期望值即是在满足当前自然生态和人类生态的约束条件下所期望达到的恢复水平,该水平即是我们对恢复成败作出判定的准则或依据。从理论上看,判定准则体系由生态系统的组成多样性(生物和非生物组成)、生态结构和生态功能以及这三者在不同时空尺度上的耦合来体现。可以转化为4个方面的生态系统能力[18]来表示:
(1)自维持能力 系统存在和发展的理化基质条件的稳定性;物质、能量与信息的基础代谢水平及养分储留的稳定性;组成、结构和功能(如种内、种间相互作用)及其相互耦合机制的稳定性;人类心理、个体、社会、文化、经济等的继承性及其与系统中其它生物、非生物要素之间联通性的稳定;对系统内外源不确定性的转移(化)与利用能力。
(2)生态整合能力 大气、地质、辐射、土壤、水文等理化因子的多样性及其关联性;乡土与外来生物物种的丰富度和合理比例;生物、非生物、人类在物质、能量、信息意义上的网络结构与功能过程在不同时空尺度上的融通性(如食物网,物质、能量的多层次利用、循环与再生,信息的多样性、合成、反馈、环路传导与转换,对不确定性的捕获、处理与利用);生物生态与人类心理、生理、文化、社会、经济生态之间相互作用的多样性与联通性。
(3)自调节能力 系统组分大小(生物量)、密度和生态流过程的正负变化的均衡性;对人类污染等胁迫的缓冲、消解与转换(化)能力;对环境压力或内外源灾害(如生物病虫害)的耐受、抵抗、正向转化能力。
(4)自组织能力 结构和功能的自我完善、成熟与创新;初级和次级生产力;受内源或外源性负向作用后的回复能力;自然生态系统对人类的生态服务功能增长以及人类对自然生态的保护、培育与管理;人类生态系统社会、经济、文化、心理等的自发展能力。
上述前3个方面都关联到生态恢复演进的一个重要方向,即生态系统健康的恢复与维持能力,第4方面关系到生态系统内在的发展能力。一个退化的自然或人类生态系统,如果在恢复过程中具备了这几种基本能力,那么,它就是一种好的或成功的生态恢复,而不仅仅在于它是否与退化前的状态一样。上面这4个方面为评价一个退化生态系统恢复状况的好坏提供了参考准则,对不同退化性质的生态系统、恢复的初始与过程条件和恢复的期望目标,可以确定相应标准体系对恢复作出明确或准确判定。
从恢复的最终目标来看,它们常常表现为4种形式: 同质状态,即生态系统的组成要素(非生物组分和生物物种类型、数量)、结构和功能可以恢复到与退化前原初状态相同或相似的水平; 同型状态,即生态系统的结构和功能恢复到与退化前原初状态相同或相似的水平,而组成可以与原初状态不同; 同功状态,即生态系统功能恢复到与退化前原初状态相同或相似的水平,而其组成、结构可以发生变化;!异质状态,即生态系统的组成、结构和功能在其恢复过程中都发生变化,最终所达到的状态与退化前的原初状态本质上不同。
以上4个方面涵盖了在引言中提到的修复、复垦、复原等目标状态,但较后者更为清晰和明确,其中,同质状态类似或等同于复原,尽管它理论上成立,但在可操作性上存在巨大困难,而复垦是形式!中的一种。以上4种恢复的最终状态从形式 到形式!,其可恢复度可能逐渐升高或增大,但恢复后的生态系统在其组成价值、结构价值和功效(能)价值方面一般存在很大差异。
3 生态恢复工程的系统集成原理
3.1 生态恢复工程系统集成的技术流程
生态恢复工程是应用生态学、景观生态学与生态工程原理,结合其它自然、社会学科的知识和现代生物、信息技术手段,对多时空尺度上具有特定自然或人类效益的生态因子与生物因子多样性、结构和功能过程进行整合性规划设计和集成性工程实施,以最大限度地再建特定的自然生态系统、人工生态系统和人类生态系统。规划设计的核心内容包括了: 生物物理因子、结构与功能(通常含人类因素及其社会、经济、文化结构和功能)之间的联络性和融通性; 生态组织与功能的不确定性利用; 生态系统构造与功能运行的经济性和人文性。恢复对象则包括了自然和人文方面从分子、个体、种群、群落、局域的生态系统(含景870 生 态 学 报22卷
观)、生态区域乃至全球等不同空间尺度。工程实质是: 生态系统(通常含人类组分)构成的分异性与结构、功能完整性的有机协调; 生态系统不确定性的诊断、转移、转换与利用; 生态系统恢复的自然-人类集成化管理。
生态恢复工程系统集成的技术流程包括退化生态系统状况调查与诊断、生态恢复系统可行性分析、生态恢复集成规划与设计、生态恢复工程的集成实施、生态恢复工程后评估、生态集成管理体系等(如图2)
。
图2 生态恢复工程系统集成的技术流程图
Fig.2 T he integrated pr ocedu re of ecological restoration en gineering
(1)Integrated s urveys and diagnoses for degraded ecos ystem s T he dynamics of degraded ecosys tems :the extent,category,degree(com ponents ,structu re and function s),process ,speed and tendency of degradation;Driving forces:hu -man/natur al factor s of disturbances ,the key dis turbing factors for degradation ,properties of the factors(the frequ ency,inten sity and spatial pattern of dis turbing factors ).
(2)M ultiple ecological feasib ility an alys es for the r estoration of degraded ecosystems Objectives of res toration;Es -tablishm ent of criteria,indicators and evaluation m ethods of res tor ation;Ecolog ical requirements of restoration s uch as matrix,w ater,nutrients,clim ate,s olar and oth er rad iation,sources of sp ecies,other related b iota and their temp or al &spatial p attern ;Ecological economic,s ocial,cultu ral impacts &ris k an alysis of engin eering,tech nology,management;Ecological uncertainty analys is;Determination of technological alternatives and ecological-economic-social compatibility 8716期胡 聃等:生态恢复工程系统集成原理的一些理论分析
an alysis ;Hu man guarantees for restoration such as policy ,public ecological education &participation ,law s ® ula-tion s,cultur al inh eritance &innovation,managerial institutional innovation,etc.
(3)Integrated planning and d esig n for degraded ecos ystems restoration C om bination s of fundamen tal principles ;M atrix preparation ;Lim itations and availab ility of physical -chemical factors ;Selection and manipulation of species ;Iden -tification of restoration model(paths ,sp eed an d time of res toration);Determ ination of s cales of restoration;Efficiencies ,cos ts and benefits of res tor ation;T echnolog ical in tegration &optimization for ecosys tems ass embly(food w ebs ,mass re-cycling &en ergy regeneration );Class ification an d integration of models of restoration ;Objective -model -cos t /benefit /ef-ficien cies coupling ch ain s of valu e;System ris ks reduction and transformation s;trans feren ce,conversion an d availability of ecological uncertainty;Prediction of trends of restoration.
(4)Th e integ rated implemen tation of ecosys tems res toration en gineering T echnological p roced ural integration for ecosystems'mass ,energy and information res toration (procedural s tructural and fun ctional configur ation for tem poral an d spatial heterogen eity and connections of restored ecos ystems'mass ,energy and information );Integration of man -power ,intelligen ce ,finance and mas s input (raw materials ,equipm ents .etc .);Ecological tes ting ,ch eck ing and ex amin -ing for restoration success.
(5)Post-evaluation of ecos ystem s restoration engineering implemen tation Cost/benefit analysis after restoration ;Social,cultu ral,psychological impacts after res tor ation;En vironmen tal,biotic and ecological impacts or effects after restoration;Establis hment of integrated management model after restoration.
(6)Th e ecosystems restoration integrated managem ent sys tem Plans ,organizin g ,trainin g ,monitoring ,sim ulat-ing,predicting,s upervising and pu blic participation s upported by 3S-aided eco-restoration integr ated management infor-mation sys tems (compar ed w ith control or s tandard ecos ystem s).
3.2 生态恢复工程基本原则的关联组合体系
生态恢复工程的实施包含众多的基本原则[1,4,5,7～10,13]。其中常用的如关键因子原则、生态位原则、限制性与耐受性原则、种群密度制约与种间关系原则、边缘效应原则、生态演替的阶段性原则、等级层次性等景观生态原则、生态流链与生态网络原则、多级与循环再生利用原则、生态安全原则、人类经济性(成本-效益-效率)原则、社会公平原则、生态伦理等生态文化原则、心理美学原则、人类健康原则等等。从理论上看,这些原则的总数难以计数,其作用或各有不同或有一定程度的交叉,不同的退化生态系统类型、不同的恢复时空尺度范围和不同的恢复目标,其所需要的原则集合也各不相同,各原则之间的相对独立性和关联性也不一样,因此,需要对它们进行合理的归组和综合,即:消除原则之间的重叠性,保持它们之间的相对分立性,挖掘原则之间固有的关联性,将基本原则的分立性与关联性结合起来,形成一个从单一原则到关联原则组到原则体系的集成系统,这样有利于恢复工程的运作与管理。
从生态系统原理出发,可以从这些基本原则的4个关联特征对它们进行关联分组:
(1)时间关联组 该组原则为生态系统恢复的时序性提供指导,常用的原则如生态位原则、等级层次性原则、中权效应原则、生态演替(阶段性)原则等。
(2)空间关联组 该组原则为生态系统恢复的空间关系提供指导,常用的原则如生态位原则、中权效应原则、等级层次性原则、生态演替(阶段性)原则、边缘效应原则等。
(3)构造关联组 该组原则为生态系统恢复的构成、结构的形成和维持提供指导,常用原则如关键因子原则、生态位原则、中权效应原则、边缘效应原则、生态演替阶段性原则、等级层次性等景观生态原则。
(4)功效(性质)关联组 该组原则为生态系统恢复的功效目标的实现提供指导,常用的原则如生态位原则、限制性与耐受性原则、中权效应原则、种群密度制约与种间关系原则、多级与循环再生利用原则、边缘效应原则、生态安全原则、生态流链与生态网络原则、人类经济性(成本-效益-效率)原则、生态文化原则、社会公平原则、心理美学原则、人类健康原则等。
在以上4类原则关联组的基础上,可以进一步将它们综合成针对特定退化生态系统对象和生态恢复目标的原则集成体系。值得注意的是,在基本原则中,有一项原则应受到重视,其被称为中权效应(或称中缘效应)原则。此原则提出的依据是:对一定时空条件下的生态系统,其在组分、结构和功能上都具有层次872 生 态 学 报22卷
结构关系(如一定的营养级水平),居中水平的组分、结构或功能过程必然同它所处水平之上和之下水平的组分、结构或功能过程发生作用(垂直作用);同样,它也同其前后左右邻近组分、结构或功能过程发生作用(水平作用),并常常趋于比生态系统的其它部分更多样、更敏感或具有更大的变化弹性;另一方面,在一定条件下它又可以有更大的适应性和创造性而倾向于影响或作用于该生态系统的其它组分、结构或功能过程,从而使它在该生态系统中具有更大的二重性或不确定性。这种中位组分、结构或功能过程的作用效应即被称为中权效应,这一效应对生态恢复工程具有特殊的生态意义。具有中权效应的生态系统组分、结构或功能过程与具有边缘效应的组分、结构或功能过程是不同的,前者对生态系统内而言;而后者虽也具有不确定性,但相对生态系统边界区域同外部其它生态系统或系统边界之间的相互作用而言。一般地讲,生态系统中权区域与边缘区域都具有相对于其它部分更强的自组织潜力或变化敏感性。它们所产生的效应是生态系统所具有的互为补充的2种基本效应。
4 生态恢复的技术集成体系
技术是生态恢复的基础,而且,不同的技术是在不同层次(非生物因子、生物物种个体、种群、群落、生态系统、景观、区域乃至全球生态系统)起作用。一般地,人们将恢复技术分为物理技术、化学技术、生物技术和生态技术等等,针对的是恢复过程中特定的物理问题(如辐射、风、水文、土壤团粒结构、温、湿、基质、地形、地质、节水、灌溉等)、化学问题(如污染物或废弃物处理及利用、土壤化学结构与过程、富养化、土壤肥力、酸化、盐渍化、盐碱化等极端环境改良等)、生物问题(如采种、选种、育种育苗、种质改良等)、生态技术(从不同层次上看,如种群调节或群落配置、生态行为控制、生态系统结构与功能组装、生态系统演替调节、景观斑块-廊道-格局-过程构建与优化、生态区域建设、地球生态系统建设等);从恢复实施途径来看,可以分为勘查与诊断技术(结合卫星定位、遥感和地理信息系统的3S 技术)、规划与设计技术、生态管理技术(恢复过程及恢复前后管理:恢复评价技术、基于3S 技术的监测、监控、模拟、预测-预报-预警等);从恢复的人类利益原则来看,则包括了保护技术(如生境、生物多样性保护)、废弃物处理及资源化技术、各类资源利用技术等等,总之,恢复技术可以从不同角度来划分、开发和使用,其主要取决于退化生态系统的背景状况和拟要恢复的目标与时空范围。从以上讨论可以看到,国内外生态恢复技术的发展日趋多样化,并有效地提高了生态恢复的工程效率和效益,但目前仍然面临许多问题,主要表现在: 对不同空间尺度上的生态系统(含景观)、区域的退化风险的探测、跟踪和指示技术发展不够; 多项恢复技术的系统耦合与集成(如现代高新技术与传统生态技术的整合)技术发展仍然还很薄弱; 生态恢复的系统管理技术发展不足;!退化生态系统信息网络的恢复技术发展不够。因此,从更全面和系统集成的层面上来重新理解生态恢复技术,得到一个新的生态恢复技术体系的框架,这一框架可以分为五大技术集成体系: 生态系统变化(退化、稳定和恢复)的实时探测、诊断、发布与预测集成技术,这类技术通过遥感、传感、(人的)知感的三感融合技术,结合信号传输网(如因特网)、视频-语音网和计算机网的三网技术、卫星定位和地理信息系统技术来探测、诊断、报告和预警不同层次上生态系统变化和退化态势及其风险大小; 不同层次的退化生态系统重构或重组集成技术,它包括了基于一定恢复目标的生态系统组分(生物因子和非生物因子)的引入或培育技术,生态系统结构的构建与优化技术,生态系统功能的创建、耦联与转换技术以及生态系统的时间和空间配置技术等四大技术所组合形成的集成技术,其中,生态系统时空配置是该集成技术有效性的关键; 退化生态系统生态-经济价值恢复的集成技术,它包括了由生态系统价值测度与评价、生态系统恢复的成本减(少)化(转),生态系统恢复的效益增质与增值三大类技术整合形成的生态价值集成技术,生态系统恢复过程中和恢复后的生态资本存量价值和生态服务功能价值的(类型)增加和(数量)增长是该集成技术有效性的重要体现;!退化生态系统信息网络重构与延展的集成技术,它是在人、生物和非生物之间构造生态信息联络与反馈调节平衡通道,促进生态系统整体自我调节与控制能力、自组织能力形成的综合技术,这是生态系统恢复技术发展中最为缓慢的一部分,也是技术性最强,操作性最难的一部分,它常常包含有文化生态信息、个体及群体行为生态信息、人及生物的心理生态信息、人及生物的社会生态信息等的传输、叠加、转换、耦联形成的生态信息网络;?退化生态系统恢复管理的系统集成技术,它包括了由生态系统恢复过程中和恢复后不确定性(风险和机会)的缓冲、化解、化转和利用技术;生态系统恢复的组成、结8736期胡 聃等:生态恢复工程系统集成原理的一些理论分析
构、功能的监测、监控、模拟、预测、预警技术;生态系统恢复的人的心理、行为、文化、健康的监管、调理与保育技术;生态恢复的价值构造与价值的累积、转换、调转、耦联技术等整合形成的生态管理集成技术。总之,生态系统恢复的整合技术体系是一个生物、非生物和人类的技术因素交互耦联起来的人类-自然集成技术系统,这一技术系统虽具有它的不确定性、复杂性和动态性,但也具有其可理解性、可控制性和可操作性,是生态恢复必不可少的支持系统。
5 生态恢复模式的分类及其集成体系
在不同时空尺度上,生态恢复应采取不同的技术模式(包括对恢复过程的管理),而不同模式所能达到的恢复目标、效率和效益是不同的[12,14]。从人类原则来考虑,生态恢复一般可划分为如下几种模式: 自然恢复(也称之为非人工干预恢复),在没有任何人为的抚育恢复或其他活动的影响,让退化生态系统自我恢复。 低人工干预恢复,通过人工建立一定的理化环境条件,或人工辅助引进一些关键物种源,适“机”地促进生态系统结构和功能的形成,在一定程度上诱导、增强退化生态系统恢复潜力,从而使其主要依赖于其固有演替潜力完成生态系统恢复。 适度人工干预恢复,依据生态系统演替状况和一定的人类价值目标,以一定频率、强度和不同方式的正向干预来调节、修复、补偿、重建其原有的演替能力,生态系统可以沿原有或其他演替路径演化,能够形成一定的生态系统结构或(和)功能。!高度人工干预恢复,依据人类自身的价值目标需要,在频率、强度和方式上,强烈干预和控制其演替,最终形成人类所期望的生态系统结构和功能,并具有一定人类效益。
以上关于恢复模式的分类是基于人类对恢复过程介入的方式、强度等方面来考虑的,在恢复实践中,常常面临的不是对上述单一模式的使用,而是需要根据恢复的特定自然或(和)人类目标,对不同模式进行系统性复合和集成性实施,这正好体现了生态恢复工程的实质所在。采用系统目标复成法则来考虑不同模式的整合,所谓生态恢复的系统目标复成法则就是根据恢复的系统目标(常常不是单一的或多个目标的并行分立实现,而是多个分异目标的有机化和整合化,目标的分异化和有机化是该系统目标不可缺少的组成部分),通过以成本约束、效益约束、尺度约束等3方面为核心的生态集成管理体系对不同恢复模式进行复合,并进行集成性实施,最终达到恢复的系统目标,即本文第2节中提出的4种最终目标形式的耦合,或人类-自然双重目标的耦合。
3个约束的生态含义是: 成本约束,通过不同恢复模式的联合或耦合,形成自然成本与人类成本的优化分配结构,使自然的边际成本与人类边际成本平衡,最终约束到恢复总成本最小化方向上来。 效益约束,通过不同恢复模式的结合与整合,建立自然效益与人类效益的优化分配结构,使自然的边际效益与人类边际效益平衡,最终约束到恢复总效益最大化和总效率最适化的方向上来。 尺度约束,通过不同恢复模式的耦联和组装,建立自然的恢复时间成本(通过自然过程恢复自然-人类总体生态价值的总时间投入量)与人类的恢复时间成本(通过人类的相关过程恢复自然-人类总体生态价值的总时间投入)的优化配比结构,使二者达到平衡,最终约束到恢复的总时间成本(生态价值恢复的总时间投入)最小化的方向上来。
通过以上生态集成管理体系下的模式复合与集成实施,可以为生态恢复目标的实现提供机制和组织保障。值得注意的是,在不同的恢复模式中,生物物种进入和人的介入的时空顺序(进入时间和空间分布)是非常重要的,它常常影响着恢复所能达到的最终生态系统结构和功能状态,尤其影响恢复的路径、恢复速度和恢复成本。生物物种的进入方式很多,一些常见的方式如:按自然演替顺序进入(完全依照自然生态演替过程,从低等生物物种到高等生物物种的顺序进入);中后期种先入(通过人工的介入,使生态系统的中期种或顶极物种优先进入,然后主要通过自然演替顺序来促进其它中低等生物物种的进入和多样性的形成);单种/少种先锋种先入(根据退化区域的自然生态条件,引入适当的耐贫、耐旱等适应性强的先锋种,形成一定的单种或少种生态系统);当然,还有其它的进入方式。由于生态系统恢复的时空开放性,物种的进入常常不是单种拓入的过程,而是多种进入过程,因此,在一定时空条件下进入的物种组合方式及其与人的介入的协调就成为影响生态恢复模式形成的重要因素,同一时空域上进入的物种组合有利于形成生态结构和功能流过程的基本环节或链,不同时空域上进入的物种组合有利于形成生态系统的基本生态结构网络,进一步促进一定的生态系统功能网络的发育。
874 生 态 学 报22卷
6 生态恢复的系统目标-模式-成本/效益/效率的价值耦合链
一定的恢复目标决定着生态恢复的模式,而恢复模式又取决于恢复的路径和速度,进一步决定着恢复的投入成本、效率和所获得的不同效益。因此,对特定的退化生态系统恢复,其目标(可以划分为第2节中所讨论的4类最终状态)、模式、成本、效率或生态、文化、社会、经济效益和效率之间存在着必然的耦联关系,
最终导致了生态恢复的价值耦合链的形成。
图3 不同生态恢复目标的总成本差异的简化对比Fig.3 A simplified d escriptions on dis parity of costs for differen t ecological restoration endpoints I .异质恢复Restoring to the state of h eterogeneity (Reclamation ):degraded ecosystems m ay get to the po-s ition wh ere it has differen t compositions ,structures and functions from before its degradation,in the mean-time,hum an cultural,s ocial and economic p os itive ef-fects are emph as ized ;II .同功恢复Res torin g to th e s tate of is o-fun ctionality:degraded ecosystems may get to th e position w here it has the s ame or s imilar ecological fun ctions bu t the differen t compositions and structures from b efore its degradation;III.同型恢复Res torin g to th e state of h omotype :degraded ecosystems may get to th e position w here it h as the s am e or similar structure and fun ctions b ut th e differ ent com positions from before its degradation ;IV.异质恢复Restoring to the state of homogen eity (Restoration ):degraded ecos ystems may get to th e pos ition w here it has the same or sim ilar com-pos ition s ,structure and fun ctions as before its degrada-tion
表1给出从特征指标、可恢复度、恢复成本/效益等方面对不同模式进行了比较。可以看到,对一定恢复目标的退化生态系统而言,采用不同模式,即不同恢复速度、路径,最终导致的可恢复度也差别很大,其中,人工干预与否和干预程度、方式是影响恢复目标的重要因素。
从一定恢复目标(仍然以最终要达到的4类系统组成、结构和功能状态来描述)下的恢复总成本/总效益关系来看(图3),同质状态恢复的总成本相对最大,同型状态恢复的总成本相对较小,而同功状态恢复的总成本相对更小;异质状态恢复的总成本依赖于具体的恢复背景,它们或介于同质状态与同功状态之间,或比同功状态的恢复总成本更低。对含人类目标的不同恢复模式而言,人类、生物、理化因素或其中一部分因素的联合作用会使物质、能量和信息的流通在人类过程与自然过程之间呈现特定的分配(异)格局,这一分配格局在恢复总成本-总效益结构中体现为自然投入成本(或自然效益)和人类投入成本(或人类效益)的配比方式和数量,不同的配比方式和数量,反映了不同模式或模式复合的价值链构成与结构特征,它决定着生态恢复的生态效率(表1)。
在生态恢复工程中,很关键的问题就是在一定的系统恢复目标下,如何根据具体的生物物理和人类活动条件来调节和优化恢复价值耦合链中自然-人类投
入成本(或效益)比例或自然的成本-效益比与人类的
成本-效益比的平衡结构,以找到相对优化(最优常常
是不可达的)的恢复模式或模式复合类型(表1),实现
最适生态效率。一般地,尽可能降低人类成本,提高人
类效益;或者,将人类成本(或自然效益)按一定比率
(依赖于恢复所要达到的人类目标和自然目标的复合
结构)转换为自然成本(或人类效益)是恢复效率规划
设计所应考虑的重要内容。一般地,一个可持续的系统
恢复目标不是使人类效益达到最大(或人类成本达到
最小)而自然效益达到最小(或自然成本达到最大),而
是通过建立一定组成、结构和功能的生态系统来使自
然的成本-效益配比结构与人类的成本-效益配比结构
达到生态系统恢复规律所自然要求的合理水平,这即
是最适生态效率。仅仅企图寻求人类效益的最优(或人
类成本最小)而弱化自然效益(或增加自然成本)的恢
复过程常常是不可持续的,也难以最终成功。
7 结语
生态恢复是解决当前全球自然生态、经济生态和
人文生态退化的基本手段。目前,对自然生态恢复的研
究与应用已取得巨大进展,已形成了较为完整的方法
和技术体系,而经济生态、人文生态恢复的研究相对缓
慢,而且,自然生态恢复的成功实践对理论、原则、模式
和技术的系统化、集成化有着紧迫的需求,并孕育着巨
大的研究和应用前景,尤其是在不同系统恢复目标下的模式集成、信息集成、技术集成以及生态集成管理体8756期胡 聃等:生态恢复工程系统集成原理的一些理论分析
系将成为未来生态恢复研究的重要方向。本研究正是围绕生态恢复的概念综合、退化与恢复的耦联关系、恢复演进过程的描述与判定、恢复原则、模式、技术的分类与集成、恢复的系统目标-模式-成本/效益/效率价值耦合链等生态恢复工程中系统集成的前沿问题作了理论上的初步探讨。
表1 特定系统恢复目标下不同生态恢复模式的比较(1)
Table 1 A comparison of different ecological res toration models under specific integrated obj ectives
自然恢复
Natural restoration 低干预恢复Restoration with low human intervention 适度干预恢复Res toration with
moderate human
intervention
高度干预恢复Restoration w ith h igh human intervention I.恢复模式的特征指标1.1恢复时间(速度)很长(100～1000a)Very long 长久(50～100a)
Long
较短(20～50a)S hort 短(5～20a)Very sh ort 1.2恢复路径物种组合阵列(含人类)多样而复杂Divers ified &com plicated 方式多样
Diversified
或多样或简单Divers ified or s imple 相对较简约Relatively sim ple 结构连结多等级层次链网Hierarchical ch ain s or w ebs 多等级层次链网
Hierarch ical chains
or w ebs
简单或多级链网S imple or Hierar chical chains or nebs 相对简单链网Relatively sim ple chains or nebs 信息积累-复合与功能耦联-整合连续与离散的交互协同耦合与转换Continuou s &discrete interactively syn ergiz ing,coupling and convers ion
连续与离散的交互协
同耦合与转换
Continuous &dis crete
interactively
synergizing ,coup ling
and con version 离散主导的交互协同耦合与转换Discrete-dom inated interactively s ynergiz ing,couplin g and conversion 或连续或离散的耦合与转换Continuous or discrete interactively synergizing,coupling and conversion II.经济成本
自然-人类比高或很高High or
ver y High /低或无
low or z ero
中等或较高M oderate or h igher /高或较高Higher or much higher 高或较高High or mu ch high er/低或较高low or h igher 高或很高High or very high /低或无low or zero 成本-效益比(2)低或较高Low or
high er
低或较低L ow or much lower 较低或较高Low er or h igher 低或高Low or high III.可恢复度不确定Uncertain
中等M oderate 较高Higher 较高Higher IV.恢复效益/效率4.1自然效益(效率)高或很高High or
ver y hig h
高或较高Hig h or higher 一般或较低M oderate or low er 相对低或很低Low er or much low er 4.2人类效益(效率)生态服务功能低或高Low or high
一般或较高M oderate or h igher 较高或很高Higher or mu ch high er 低或高Low or high 经济产出
低或高Low or high 一般或较高M oderate or h igher 高或较高High or h igher 较高或很高Higher or much h igher 人文功效(文化、社会
与心理效果)多样的效果Divers ified effective-ness 多样的效果Diversified effective-n es s 或多或少的效果Less or more divers ified ef-fectiveness
特化的效果Specific effectiveness
*(1)本表以同一退化生态系统、景观或生态区域为基准来做比较.(2)这里,成本指自然成本与人类成本的总和,而效益也是指自然效益与人类效益的总和.I.Key indicators of restoration m odels : 1.1T ime(s peed)of recovery; 1.2Pathw ays of recovery:Hum an-in volved tem poral &s patial combinations of biotic s pecies ;Structu ral configuration;Integration &coupling of ecological fu nctions and accumulation &emerg ence of ecological inform ation.II.Econom ic cos t(Natural to hu -man ratio);Ratio of C os t-benefits;III.Degree of recovery.IV.Benefits and efficiencies of r ecovery:4.1Natural benefits (efficiencies );4.2Human benefits (efficiencies ):Ecolog ical s ervices ;Economic outpu t ;Cultu ral efficacy .
876 生 态 学 报22卷
生态恢复工程不仅具有自然性,它更具经济性、人文性和选择性,恢复在系统意义上是一种“天人互用”的生态自设计与自组织过程,这是其概念的综合性内涵。选择性是退化生态系统完全回复到原初状态的不可能性或有限性在工程实施中的体现。对生态恢复过程的描述和成败判定是一个复杂的问题,本文提出了按矢量生态价值的统一尺度来描述恢复进程的方案,采用矢量价值是基于生态系统恢复的不同类价值不具有简单的数量可加性。用自维持能力、生态整合能力、自调节能力和自组织能力等4个生态系统能力及其耦合来作为恢复成败的判定标准,生态恢复的最终目标是实现自然价值与人类价值的总体(非线性总和)最大化和生态效率的最适化。
生态恢复工程的核心问题是系统集成与整合,它的含义是在一定系统恢复目标下通过生态集成管理体系对分立的基本原理、模式、信息、技术进行系统复合和集成化工程实施,以实现恢复成本、效益和尺度的优化和效率的适化;其中,生态集成管理体系是保障生态恢复目标实现的机制性条件。
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第三章生态系统基本理论 ［教学目标］了解生态学的概念，掌握生态系统的结构和功能，理解生态平衡的重要性。 ［教学重点］生态系统 ［教学难点］生态平衡与生态破坏 ［教学时数］4 本章重点 1.生态学概念 2.生态系统的组分 3.生态系统分类 4.食物网 5.生态危机 第一节生态系统的基本概念 一、生态学概念 1.生态学的概念 生态学(ecology) 一词源于希腊文“oikos”，表示住所和栖息地,原意是研究生物栖息环境的学科。 1866年，德国的动物学家黑格尔（haeckel）首次为生态学下了定义：生态学是研究有机体与其周围环境——包括非生物环境和生物环境相互关系(interaction)的科学。后来，一些著名生态学家也对生态学进行了定义。1966年，smith认认为生态学是研究有机体与生活之地相互关系的科学，所以又可把生态学称为环境生物学(evironmental biology)。著名美国生态学家E·odum(1956)提出的定义是：生态学是研究生态系统的结构和功能的科学。我国著名生态学家马世骏先生认为，生态学是研究生命系统和环境系统相互关系的科学。 生态学的不同定义代表了生态学的不同发展阶段，强调了不同的基础生态学分支和领域。生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的重要分科之一。初期主要研究植物，后来逐渐涉及动物和人类。随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透，赋予它新的内容和动力，使其成为多学科、较活跃的科学领域之一。目前，生态学家普遍认为，生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。
2.生态学基本原理---生态学三定律 美国环境学家小米勒(G．T．Miller，Jr．)提出的生态学三定律是： 生态学第一定律：我们的任何行动都不是孤立的，对自然界的任何侵犯都具有无数效应，其中许多效应是不可逆的。该定律为哈定（g·hardin）所提出，可称为多效应原理。 生态学第二定律：每一种事物无不与其他事物相互联系和相互交融。此定律可称为相互联系定律。 生态学第三定律：我们生产的任何物质均不应该对地球上自然的生物地球化学循环有任何干扰。此定律或可称之为勿干扰原理。 3.生态学的研究对象 生物学科的两大发展方向：微观——分子生物学；宏观——生态学。 生态学是研究生物与环境、生物和生物之间相互关系的一门生物学基础分支学科。生态学的研究是活的生物在自然界中与环境的相互作用和生物之间的相互作用。 20世纪50年代以后，欧洲工业化大生产迅速发展，带来了一系列严重后果：环境污染（三废）、自然资源的破坏、能源危机、人口膨胀带来的粮食不足等问题。——全球性的事态激化，称为“全球性生态灾难”——才重视生态学。 目前，生物多样性保护，可持续发展和全球气候变化已成为全球关注的三大生态学问题。1992年6月，世界环境与发展大会在巴西里约热内卢召开，178个国家，包括118位国家首脑参加，讨论人类生存环境与社会发展有关的一系列重大生态学战略性问题，生态学的作用已不言而喻。这次大会推动了全球生态学的进一步发展。 二、生态系统 1.生态系统的概念 种群（Population）：一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群。 生物群落（Community）：在一定自然区域的环境条件下，许多不同种的生物相互依存，构成了有着密切关系的群体，称为生物群落。 随着环境条件的千差万别，地球上出现了各种各样的生物群落（森林、草原、荒漠等等）。而特定的生物群落又维持了相应的环境条件。一旦生物群落发生变化，也会影响到环境条件的变化。因此，人们把生物群落与其周围非生物环境的综合体，称为生态系统（Ecosystem），也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。 生态系统（Ecosystem）：指一定范围内，各生物成分和非生物成分之间，通过能量流动和物质循环而相互作用、相互依存所形成的一个统一整体。或是一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位。
专题5 生态工程 5.1 生态工程的基本原理 『课标解读』 1、知识方面 简述生态工程的概念，关注生态工程的建设。 简述生态工程的原理，举例说出各原理的内容。 2、情感态度与价值观方面 关注生态工程建设。初步形成物质循环利用、协调与平衡、多样性、局部与整体相统一的观点，树立可持续发展的观念。 3、能力方面 尝试运用生态工程原理，分析生态环境问题及解决对策。 『网络构建』 生态工程建设目的：遵循自然界的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止，达到和的同步发展。（少消耗、多效益、） 生态经济：主要是通过实行“”原则，使一个系统产生出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一是。 1）原理：物质能在生态系统中循环往复， 2）原理：物种繁多复杂的生态系统具有较高的 生态工程原理 3）原理：生态系统的生物数量不能超过（环境容纳量）的限度 4）原理：生态系统建设要考虑自然、、的整体影响 5）原理系统的结构决定原理：要通过改善和优化系统结构改善功能 系统整体性原理：系统各组分间要有适当的，使得能量、 物质、信息等的转换和流通顺利完成，并实现总 体功能大于各部分的效果，即“1+1>2”答案： 物质循环环境污染经济效益生态效益可持续循环经济生产原料生态工程物质循环再生分层分级利用物种多样性抵抗力稳定性协调与平衡环境承载力整体性经济社会系统学和工程学功能比例关系之和『重难点归纳』 一、分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径。 桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的，能量的流动包含在物质的循环利用过程中，随着食物链的延伸逐级递减。能量的多级利用和物质的循环利用：桑叶喂蚕，蚕产蚕丝；桑树的凋落物和蚕粪落到鱼塘中，作为鱼饲 料，经过鱼塘内的食物链过程，可促进鱼生 长；甘蔗可榨糖，糖渣喂猪，猪的排泄物进 入鱼塘；鱼的排泄物及其他未被利用的有机 物和底泥经微生物的分解，又可作为桑和甘 蔗的有机肥料。桑基鱼塘巧妙地利用了很难 利用的大片低湿地，发展了多种经营，为农 民创造了多种收入的门路，完全符合“无废 弃农业”的要求。
第1节生态工程及其原理 编制：王曼 审核：张统省 校对：王曼 【学习目标】 1．说出生态工程的概念 2．概述生态工程依据的原理 【自学质疑】 一、生态工程 生态工程是指人类应用_______________等学科的基本原理，通过系统设计、调控和技术组装，对已被破坏的生 态环境进行__________，对造成________________的传统生产方式进行改善，并提高生态系 统的生产力， 从而促进____________________的和谐发展。 生态工程建设的特点：_____________________ 的工程体系。 生态工程建设目的：遵循自然界 的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止 ，达到 和 的同步发展。 生态经济：主要是通过实行“ ”原则，使一个系统产生出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统 的 ，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一是 。 1） 原理：物质能在生态系统中循环往复， 2） 原理：物种繁多复杂的生态系统具有较高的 生态工程原理 3） 原理：生态系统的生物数量不能超过 （环境容纳量）的限度 4） 原理：生态系统建设要考虑自然、 、 的整体影响 5） 原理 系统的结构决定 原理：通过改善和优化系统结构改善功能 系统整体性原理：系统各组分间要有适当的 ，使得能量、物质、信息等的转换和流通顺利完成，并实现总体功能大于各部分 的效果，即“1+1>2” 生态工程的五大原理：特别提醒： 生态工程的建设应遵循以上五个原理，但不同的生态系效益 少消耗、多效益、可持续 循环经济 生产原料 生态工程 物质循环再生 分层分级利用 物种多样性 抵抗力稳定性 协调与平衡 环境承载力 整体性 经济 社会 系统学和工程学 功能 比例关系 之和 探究反思： 1.生态工程产生的时代背景及理论基础和技术保障是什么？ 2.当人为向生态系统中加入新物种，增加物种的数量，生态系统的稳定性一定会提高吗？ 3. 解决城市环境污染的主要措施是什么？ 4. 传统经济与生态经济是怎么回事？ 5.你对“石油农业”是如何理解的？ 【矫正反馈】 １.碳在无机环境与生物群落之间循环的形式是（ ） A.二氧化碳 B.碳酸盐 C.有机碳 D.碳元素 2.实现可持续发展，需要下列哪项措施（ ） A.从现在起，严禁砍伐森林 B.大量开采矿产资源，发展工业生产，提高综合国力 C.保护与人类共存的各种生物 D.各国独立处理酸雨、气候变暖等环境问题 3. 生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡。这体现了生态工程的什么原理 A ．协调与平衡原理 B ．物种多样性原理 C ．物质循环再生原理 D ．整体性原理 4.豆科植物和固氮菌互利共生，当把它们分开时，两者的生长都要受到损害，这体现了生态工程的什么原理 A ．系统结构功能的原理 B ．整体性原理：社会-经济-自然复合体 C ．系统整体性原理：1+1>2 D ．协调与平衡原理 5. 某草原牧区，在进行草场建设时，既注重不同牧草种类的搭配种植，又对单位面积内的放牧量做了一定控制。这种做法体现了 ( ) A ．实行“循环经济”的原则 B ．低消耗，多效益原则 C ．遵循物种多样性和协调与平衡原理 D ．建立自然——社会——经济复合系统 6.小流域治理模式应用了生态工程的多种生态工程原理，下面哪项不包括其中（ ） A.整体性原理 B.协调与平衡原理 C.工程学原理 D.物质循环再生原理 7. 某些地区出现“前面造林，后面砍林”的现象，是因为发展中哪一原理失调造成的（ ） A.协调与平衡原理 B.整体性原理 C.系统结构决定功能原理 D.系统整体性原理 8.我国西北土地沙化和盐渍化非常严重，原因有多种，其中一个主要原因是超载放牧导致草地退化。试分析上述事实主要违背了生态工程的什么原理 （ ） A ．系统整体性原理 B ．协调与平衡原理 C ．物种多样性原理 D ．整体性原理 9. 如图是“无废弃物农业”物质和能量流动图，该图所体现的主要生态工程原理是（ ） A ．物种多样性原理 B ．整体性原理 C ．物质循环再生原理 D ．协调与平衡原理 10．“1+1>2”是生态工程基本原理中的哪一个 （ ）D A ．物种多样性原理 B ．整体性原理 C ．协调与平衡原理 D ．系统学与工程学原理 11．下列结构示意图能体现系统学和工程学原理的是 （ ）D
5.1《生态工程的基本原理》教案 周航 ★新课标要求 1．简述生态工程的概念，关注生态工程的建设。 2．简述生态工程的原理，举例说出各原理的内容。 3．尝试运用生态工程原理，分析生态环境问题及解决对策。 ★教学重点 生态工程的基本原理。 ★教学难点 生态工程的系统学和工程学原理。。 ★教学过程 （一）引入新课 [课件]展示专题题图：（见课本第105页） [问题]你觉得本专题题图有什么寓意？ [学生]干裂的土地，赤红的荒山；幼苗的上方是蔚蓝的地球。地球似乎化作一滴甘露，滋润着幼苗和大地；幼苗又可寓意生态工程，虽然柔弱，但却顽强地支撑着地球；地球和幼苗组合和谐，象征着希望。通过师生共同分析以引起同学的思考，引导学生进入本专题的学习。[阅读]生态工程的概念：人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，通过系统设计、调控和技术组装，对已破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，并提高生态系统的生产力，从而促进人类社会和自然环境和谐发展。 [点拨]（1）涉及的学科包括生态学和系统学；（2）运用到的技术手段或方法有系统设计、调控和技术组装；（3）最终目的是促进人类社会和自然环境和谐发展。 [阅读]《科技探索之路──生态工程的兴起》给学生呈现了生态工程的兴起过程。 [归纳]（1）经济的不当发展对环境的破坏；（2）解决经济发展与环境问题的根本原则是循环经济；（3）实现循环经济的重要手段之一是生态工程。 （二）进行新课 [阅读]本节内容。思考并讨论以下问题： （1）阅读课本内容，在必修本生态系统及其稳定性的学习后，你对生态工程的应用前景肯定吗？ （2）生态工程建设的目的是什么？
生态工程的基本原理 『课标解读』 1、知识方面 简述生态工程的概念，关注生态工程的建设。 简述生态工程的原理，举例说出各原理的内容。 2、情感态度与价值观方面 关注生态工程建设。初步形成物质循环利用、协调与平衡、多样性、局部与整体相统一的观点，树立可持续发展的观念。 3、能力方面 尝试运用生态工程原理，分析生态环境问题及解决对策。 『网络构建』 生态工程建设目的：遵循自然界的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止，达 到和的同步发展。 （少消耗、多效益、）生态经济：主要是通过实行“”原则，使一个系统产生出的污染物，能够成为本系统或者另一个 系统的，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一是。 1）原理：物质能在生态系统中循环往复， 2）原理：物种繁多复杂的生态系统具有较高的生态工程原理 3）原理：生态系统的生物数量不能超过（环境容纳量）的限度 4）原理：生态系统建设要考虑自然、、的整体影响 5）原理系统的结构决定原理：要通过改善和优化系统结构改善功能 系统整体性原理：系统各组分间要有适当的，使得能量、 物质、信息等的转换和流通顺利完成，并实现总 体功能大于各部分的效果，即“1+1>2” 答案： 物质循环环境污染经济效益生态效益可持续循环经济生产原料生态工程物质循环再生分层分级利用物种多样性抵抗力稳定性协调与平衡环境承载力整体性经济社会系统学和工程学功能比例关系之和 『重难点归纳』 一、分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径。
桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的，能量的流动包含在物质的循环利用过程中，随着食物链的延伸逐级递 减。能量的多级利用和物质的循环利 用：桑叶喂蚕，蚕产蚕丝；桑树的凋 落物和蚕粪落到鱼塘中，作为鱼饲料， 经过鱼塘内的食物链过程，可促进鱼 生长；甘蔗可榨糖，糖渣喂猪，猪的 排泄物进入鱼塘；鱼的排泄物及其他 未被利用的有机物和底泥经微生物的 分解，又可作为桑和甘蔗的有机肥料。 桑基鱼塘巧妙地利用了很难利用的大 片低湿地，发展了多种经营，为农民 创造了多种收入的门路，完全符合“无废弃农业”的要求。 二、导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么？ 根本原因：长江上游乱砍滥伐森林，水源涵养和水土保持功能急剧降低，造成大量泥沙淤积河道；中游围湖造田、乱占河道，造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减少。直接原因：1998年度的罕见降雨。但这也与全球温室气体排放量增加而导致的温度升高、气候异常有关。解决长江洪水泛滥的措施有：我国政府提出的“积极营造长江中上游水源涵养林和水土保持林”计划，即以生物措施为主，结合工程措施，提高森林覆盖率；“退耕还湖”和改革不合理耕作方式等。在进行生态工程建设时，要考虑到怎样解决农村（尤其是湖区或山区的迁出人员）的能源来源问题以及如何提高农民的经济收入。 三、何谓“石油农业”？“石油农业”的生产模式应当怎样改进？ “石油农业”大量使用化肥、农药和机械的生产方式，因对石油等能源有高度的依赖性而得名。它把农业生产这一复杂的生物过程，变成了简单的机械过程和化学过程。由于其投入高，产出也高，对粮食安全保障和提高人民生活水平起到了巨大的作用，但同时它所产生的废弃物和有害物质的数量也很庞大，大大削弱了农业生态系统的稳定性和持续生产力，并造成日益严重的农产品污染和环境污染等问题。“石油农业”的生产模式在不同的国家有不同的改进措施。例如，在我国，人多地少，应该大力发展生态农业。实施的具体措施包括：可以根据田间作物的需要适量施用高效、低毒、低残留的农药，多施有机肥，提高作物对水、肥等资源的利用效率，对作物秸秆和畜禽粪便进行再利用，实现物质的多级利用，等等。一方面要不断提高土地的产出水平；另一方面要减少农业活动对环境的污染，促进社会的可持续发展。 四、如何理解“污染物是放错地方的资源”？ 对环境造成危害的污染物，采用一定的措施和技术，就能够进行回收和循环利用，这样不但能够减少环境污染，而且提高了资源的利用效率，减少了资源的浪费。例
生态工程及其原理 1?下列生态工程案例与最主要运用的基本原理对应正确的是（） A.“无废弃物农业”——物质循环再生原理 B.“前面造林，后面砍林”一一整体性原理 C.“桑基鱼塘”一一物种多样性原理 D.“太湖富营养化”一一协调与平衡原理 【答案】A 【解析】 试题分析：无废弃物农业使物质能在生态系统中循环往复，分层分级利用，遵循了物质 循环再生原理，A正确；“前面造林，后面砍林”是没有利用整体性原理的后果，B错误; 桑基鱼塘生态系统体现了系统的结构决定功能原理，C错误；”太湖富营养化”是违反 了协调与平衡原理的结果，D错误。 考点：本题主要考查生态工程依据的生态学原理相关知识，意在考查考生能理解所学知 识的要点，把握知识间的内在联系的能力。 2?根据系统学和工程学原理，下列结构示意图表示的系统工作最可靠的是 【答案】D 【解析】 试题分析：据图分析，系统工作最可靠的是最复杂的，所以D正确。 考点：本题考查生态工程的内容，意在考查考生对所学知识的理解并把握知识间的内在联系。 3.下列关于湿地生态恢复工程的叙述，不正确的是（） A.该工程采用工程和生物措施相结合的方法 B.要建立缓冲带，以尽量减少人类的干扰 C.对湿地的恢复，注意退耕还湿地或建立自然保护区就能奏效 D.湿地的恢复除利用生物工程手段外，还要依靠自然演替机制恢复其生态功能 【答案】C 【解析】 试题分析：湿地生态恢复工程就是采用工程和生物措施相结合的方法，如退耕还湿地、建立自然保护区，废水处理、点源和非点源污染控制、土地处理工程，以及植物物种的引进种植等，使受到干扰的湿地得以恢复。在湿地的周围，还应建立缓冲带，以尽量减少人类的干扰，使湿地依靠自然演替等机制恢复其生态功能。故选Co 考点：本题考查生态工程的实例等相关知识，意在考查考生能理解所学知识的要点，把握知识间的内在联系的能力。 4.在帮助农民发展经济的同时，一定要注意一些实际问题，如“香蕉不宜在北方地区 栽种”、“苹果树不宜在热带地区栽种”，这主要体现了生态工程的什么原理 A.整体性原理 B.协调与平衡原理 C.物种多样性原理 D.物质循环再生原理 【答案】B 【解析】 试题分析：“香蕉不宜在北方地区栽种”、“苹果树不宜在热带地区栽种”，说明这些生物不适应当地生态环境，这主要体现了生态工程中生物与环境之间要遵循协调与平衡原理，选B。 考点：生态工程的原理
【优化设计】2018-2019学年高中生物 5.1生态工程的基本原理课时演练·促提升 A.生态工程是生态学与系统工程学的结合 B.生态工程追求经济与生态的双赢 C.生态工程是无消耗、多效益的工程 D.生态工程促进人类社会和自然环境的和谐发展 解析:生态工程遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,消除环境污染,达到经济效益和生态效益同步发展,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。 答案:C 2.下列关于生态工程的说法,正确的是() A.系统学和工程学是生态学的一个分支 B.生态工程主要运用了系统学中的系统结构决定功能的原理 C.生态工程的整体性原理主要指生物与环境之间是不可分割的 D.物种多样性原理要求引种的生物种类越多越好 解析:系统学和工程学不是生态学的分支,而是独立的一门科学;生态工程的整体性原理是指自然生态系统是通过生物与环境、生物与生物之间的协同进化而形成的一个不可分割的有机整体;外来物种可能导致当地生态平衡遭到破坏。 答案:B 3.下列有关生产或经济的叙述,不正确的是() A.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,走生态经济之路 B.“无废弃物农业”所采用的肥料一般是采用人畜粪便、枯枝落叶、残羹剩饭、河泥等通过堆肥和沤肥等方式转变成的有机肥,也可适量地使用化肥 C.众多的生物通过食物链关系相互依存,就可以在有限的资源条件下,产生或容纳更多的生物量,提高系统生产力 D.珊瑚礁之所以能够保持很高的系统生产力,得益于珊瑚虫和藻类组成的高效的植物—动物营养循环
解析:“无废弃物农业”不包括使用化肥。 答案:B 4.实现循环经济的最重要手段之一是() A.大力发展“石油农业” B.消除污染物 C.禁止产出污染物 D.生态工程 解析:石油农业会产生大量的污染物,禁止产出或者消除污染物是不会实现循环经济的,只有实施生态工程把污染物作为另一个系统的原料再被利用,才会实现循环经济。 答案:D 5.下列哪一项措施最可能与人类的可持续发展原则不相符?() A.森林的采伐量小于生长量 B.人工鱼塘生产者的能量小于消费者的能量 C.农田从收获中输出的氮素多于补充的氮素 D.农田施用的无机氮多于生物固定的氮素 解析:森林的采伐量小于生长量,是人们合理利用森林资源的一个基本要求,不影响森林生态系统的生存及稳定。农田施用化肥,人工鱼塘喂养鱼饲料属于正常现象。农田输出的氮素多于补充的氮素会影响农田的土壤肥力,导致土壤缺氮,影响再生产与可持续发展。 答案:C 6.下列有关生态工程的原理和实例中,错误的是() 选 项有关实例 相关的生态工程原 理 A无废弃物农业遵循物质循环再生原理 B 在人工林中增加植被的 层次 遵循物种多样性原 理 C 水体富营养化引起大面 积水华 违反协调与平衡原 理 D前面造林,后面砍林违反系统学和工程
NO.16生态工程及其原理（二） 编写：张莉审核：王路平 班级姓名 【学习目标】1、理解并识记生态工程原理的理论基础、内容、意义及事例； 2、学会分析具体事例中的生态工程原理。（重难点）。 【使用说明】认真阅读学案自主学习部分并记忆，有疑问的用红笔画出，各小组对有疑问的内容进行讨论； 【自主学习】 一、
【课堂检测】 1．单一的人工林比天然混合林的稳定性低，容易遭受害虫危害，这体现了生态工程的什么原理（） A．物质循环再生原理 B．协调与平衡原理 C．物种多样性原理 D．系统整理性原理 2．城市生活垃圾要做到分类、回收、利用，实现废物资源化利用。与该做法关系最密切的生态工程原理是（） A．物种多样性原理 B．整体性原理 C．物质循环再生原理 D．系统学原理 3．协调与平衡原理主要指（） A．生物与环境的适应及环境对生物的承载力B．系统各组分之间要有适当的比例关系 C．自然系统、经济系统、社会系统协调统一 D．物质循环和能量流动协调统一 4．我国西北土地沙化和盐渍化非常严重，原因有多种，其中一个主要原因是超载放牧，导致草地退化。 试分析上述事实主要违背了生态工程的什么原理（） A．系统整体性原理 B．协调与平衡原理 C．物种多样性原理 D．整体性原理 5．在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面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。以上做法依据的生态工程原理是（） A．系统整体性原理 B．整体性原理 C．系统结构决定功能原理 D．以上都不是
【课后作业】 6．南京古泉生态农场是生态农业的典范。该农场将养猪、养鱼、沼气 工程、养鸭、种植农作物、养蘑菇、种桑养蚕、种植果树等多个生产 过程合理地有机结合起来，成为一种高效良性的循环，生态效益达到 了良性发展。请就此生态农场的特点，完成下列问题： （1）该生态农场充分体现了生态工程基本原理中 的、和原理。 （2）该系统工程的核心之一是沼气池，沼气的制作如图所示。在 图中标出箭头，表示生产过程中的物质循环。 （3）如果将图中“无机物——农田”这一环节去掉，对生态农业系统有何影响？ 。 （4）在该生态农场中存在如图所示的物质循环过程，据图分析不符合生态工程原理的叙述是。 A、物质经过多级利用，实现了良性循环 B、每一级生产环节都获得产品，提高了生态经济效益 C、由于食物链延长，能量逐级损耗，系统总能量利用率降低 D、由于各级产物都可以利用，减少了废物和污染 （5）据生态工程中的物种多样性这一原理，有人认为生态农业建设中，应使食物链和营养级越长越多越好。请你结合所学有关生态工程原理，分析该结论是否正确，为什么？。
一、名词解释 生态工程：模拟自然生态的整体、协同、循环、自生原理，并运用系统工程方法去分析、设计、规划和调控人工生态系统的结构要素、工艺流程、信息反馈关系及控制机构，疏通物质、能量、信息流通渠道，开拓未被有效利用的生态位，使人与自然双双受益的系统工程技术。 环境容量：是指某一环境区域内对人类活动造成影响的最大容纳量。大气、水、土地、动植物等都有承受污染物的最高限值,就环境污染而言,污染物存在的数量超过最大容纳量,这一环境的生态平衡和正常功能就会遭到破坏。 概念模型：是对真实世界中问题域内的事物的描述，不是对软件设计的描述。概念的描述包括：记号、内涵、外延，其中记号和内涵（视图）是其最具实际意义的。 十分之一定律：生物量从绿色植物向食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级上转移时，有稳定的数量级比例关系，通常后一级生物量只等于或者小于前一级生物量的１／１０。而其余9/10由于呼吸，排泄，消费者采食时的选择性等被消耗掉。林德曼把生态系统中能量的不同利用者之间存在的这种必然的定量关系，叫做“十分之一定律”。 种植业生态工程:是一种生态经济优化的农业技术体系，它既是当代全球经济与生态系统可持续发展要求的必然产物，也是解决我国农村人口、资源、环境需求与经济发展矛盾的一种带有方向性的途径。 系统：指由一群有相互联系、相互作用的个体组成，根据预先编排好的规则工作，能完成个别元件不能单独完成的工作的群体。系统分为自然系统与人为系统两大类。 二、简答题 1、简述生态工程、环境工程和生物工程的区别？ 答：第一，从理论原理来说，生态工程的理论原理是生态学，环境工程是环境学，生物工程是遗传学和细胞生物学。第二，从组织水平来说，生态工程是生态系统水平，环境工程是环境系统水平，生物工程是细胞水平。第三，从控制内容来说，生态工程是力学功能（水气、太阳能、生物），环境工程是对废水、废气、废渣、噪声的控制，而生物工程的控制内容主要包括：遗传结构和密码。第四，从生物多样性来说，生态工程是自我设计加人类设计对生物多样性的保护，环境工程是人类设计对生物多样性的保护，生物工程则是人类设计对生物多样化的改变，增加生物多样性。 2、简述生态工程学的核心原理（涉及到具体原理）？ 答：生态工程的基本原理（1）物质循环再生原理，理论基础：物质循环，意义：可避免环境污染及其对系统稳定性和发展的影响（2）物种多样性原理，理论基础：生态系统的抵抗力稳定性，意义：生物多样性程度可提高系统的抵抗力稳定性，提高系统的生产力（3）协调与平衡原理，理论基础：生物与环境的协调与平衡，意义：生物数量不超过环境承载力，可避免系统的失衡和破坏（4）整体性原理，理论基础：社会—经济—自然复合系统意义：统一协调各种关系，保障系统的平衡与稳定（5）系统学与工程学原理，理论基础：系统的结构决定功能原理：分布式优于集中式和环式，意义：改善和优化系统的结构以改善功能，理论基础：系统整体性原理：整体大于部分。意义：保持系统很高的生产力。 3、简述生态工程的生物学原理？ 答：生态工程系统中，生物学原理在于物质循环再生，物种多样性，物种协调。物种多样性是指地球上动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。物种多样性包括两个方面，其一是指一定区域内的物种丰富程度，可称为区域物种多样性；其二是指生态学方面的物种分布的均匀程度。在群落生态学的研究中，常需了解物种之间是怎样联系的，即种
生态城市与人居环境关键技术设计 课程作业1 案例分析 姓名：卢程 班级：1334501 学号：1133450116 提交时间：2016年10月8日
基于生态示范的乡村公共空间修复 ——广州莲麻村生态雨水花园设计 一、背景介绍 广州莲麻村生态雨水花园位于广州市从化区莲麻村村委会附近，包括村委会前已经硬化的场坝及南侧的空地，基地面积670m2。项目于2015年7—8月开始设计，整体于11月竣工。接手项目时，村委会前场坝空间局促单调。缺少活动及休憩设施；南侧空地原为废弃鱼塘，由于地势低洼，周围多个雨水口汇集于此，造成常年积水加之垃圾倾倒遍地无人清理，成为影响周围环境和村民生活质量的问题地块。 莲麻村近年实施雨水工程和管线铺设，但由于沿用建设城市的惯性思路，地面过度硬化，农村区域又缺少人员及时管理维护，每逢雨季，地表径流大面积滞留，无法及时存蓄下渗到周边的自然土壤。在推进现代化市政设施建设同时，设计中忽视必要的生态措施，使自然生态的乡村水循环系统遭到破坏，依靠排水管道的雨洪管理方式不能完全“代谢”；由于硬质化造成地表水土流失、局域本底环境改变、本地植物凋零等生态问题。 二、项目概述 设计以水为切入点。针对场地问题，试图塑造亲切闲逸的邻水活动空间，重拾岭南乡村以水叙事的传统，探索乡村公共活动与生态景观的融合。 生态雨水花园设计将雨水对抗变为和谐共生，充分利用广州地区降雨充沛、气候湿润的特点，形成雨季旱季差异性景观，将环境教育、生态示范与景观结合。 三、主要特点分析 1）通过打破场地边界，将鱼塘与村委会广场连接为一体，破除村委会的行政化印象，提升村委广场的亲和力；增加滨水活动及亲水空间，将原本局促的车行道转弯予以拓展，提高舒适度；植入景观构筑，改变原有视线焦点，将人的活动引入场地，丰富场地的空间形态。 2）运用海绵效应，就地化解矛盾。将雨水就地蓄留、就地消化旱涝问题，即通过简单的挖方和填方，解决低洼地的积水问题。形成了洼地与高岗地相结合的“海绵”系统。将雨
优秀设计案例分析 下面通过分析北京土人景观规划设计研究院对河南正弘九郡别墅区所做的规划及景观设计的实例，较为具体的理解上述关于居住区环境景观设计的方法和观点。 1.区域位置及场地分析 该别墅区位于郑州市北部黄河桥南新区的中北部，西部隔桂圆北街与黄河迎宾馆（河南省省委第三招待所）相邻，南临迎宾路。其东部为黄山路，北部为金光路。其中，迎宾路直通三所，也是该别墅区人流车流的主要通道，迎宾路上的行道树—梧桐—高大整齐，给人以非常深刻的印象。 该别墅区的最大优势是与黄河迎宾馆比邻而居。黄河迎宾馆的历史非常悠久，是国家领导人来郑州时的下榻处。同时，黄河迎宾馆也是集宾馆、会议接待、休闲度假为一体的综合性设施。迎宾馆的康体休闲设施齐全，包括高尔夫练习场和小型高尔夫球场、游泳池和网球场等等，现在已经对公众开放，成为郑州市市民周末休闲度假的最好去处。此外，迎宾馆内环境非常优美，尤其以由五十余年树龄的梧桐树最为引人注目。 另外，别墅区周围还有华士达学校（私立学校）、迎宾花园（已建成别墅区）、大河龙城（建设中的别墅区）等。 场地现状为河南省野生动物保护中心，建有动物笼舍和管理用房。整个场地地形平整，内有一个人工水池，水源为地下水。场地内的大部分地区为苗圃，其中，有成片的竹林，还有银杏、雪松、玉兰、广玉兰等，苗木种类和数量较多，树龄十年左右，可以移植（场地东部的大杨树除外），利用价值很高。其它部分为农田。此外，场地中部有一个长廊，覆盖其上的葡萄长势良好，有保留价值。场地中部偏东的地方有一个机井，可以考虑作为未来别墅区景观用水的水源。 基于上述分析介绍，该规划认为，现状场地中，临迎宾路的用地商业开发价值较高，适合做公共建筑用地（商业服务性建筑和会所）；西部用地与三所的关系比较密切，又有水池可以利用，是景观价值较高的地区，可以作为别墅（尤其是高档别墅）用地；场地中部现状为大面积苗圃和竹林，在规划中要给予充分考虑。 2.总体规划的四大特色设计在线.中国 （1）中央生态景观核 将原有湖面改造并延伸，形成别墅区的中央景观核。中央景观核是一个由乔木、灌木、各种水生植物构成的湿地景观区，也是整个社区的一个生态的、可持续的自然景观核。 （2）人车完全分流的交通系统 别墅区采用环路加尽端路的系统，将别墅区的车行和人行完全分开，实现行车的快捷，又保证了行人的安全和私密。 （3）景观设计体现中国传统的人居环境 由中央景观轴衍生出指状绿地，打破了以往住宅区中大片绿地的做法，将绿地水体引入别墅
《生态工程的基本原理》教学设计 许昌高级中学朱巧云 【教材分析】 1.1 教材地位《生态工程》是必修模块“稳态与环境”知识的延伸和应用，“生态工程的基本原理”是本节的核心知识。建设生态文明是国家未来发展的总趋势，高中生担负着祖国未来建设的重任，掌握“生态工程的基本原理”等学科基础知识，及早形成生态文明的观念，对祖国未来建设有重要意义。 1.2 重点、难点分析生态工程的基本原理及在具体情境中综合运用生态工程原理、分析生态环境问题及提出解决对策是教学的重点；系统学和工程学原理比较抽象，是本节的一个教学难点。 【教学目标】 1.1 知识目标简述生态工程的原理，举例说出各原理的内容 1.2 能力目标1）尝试运用生态工程的原理，分析生态环境问题及提出解决对策。 1.3 情感目标1）初步形成物质循环利用、物种多样性、协调与平衡、局部与整体相统一的观点，树立可持续发展的观念。2）关注我国人民在生态工程建设方面的成就，增强学生的民族自豪感。 【教学策略】 生态工程的基本原理，包括生态学、系统学和工程学的原理。前四个原理的理论基础与必修3模块中生态系统的结构、生态系统的物质循环、能量流动和信息传递、生态系统的稳定性、种间关系、环境容纳量等内容关系密切，学生已具备一定的认知基础，在此基础上充分利用教材提供的图文信息课外收集整合的有关资料，采用案例教学模式，让学生
在案例分析中体会和理解基本原理，然后再用基本原理尝试分析讨论对案例问题的解决。在突破“系统学和工程学原理”这个教学难点时，设法找到学生已有的知识与新知识的联系，通过类比，完成由具体事例向抽象理论的转化，实现感性认识向理性认识的飞跃。 【教学流程】 第一阶段：导入新课 同学们，我们许昌位于河南省中部，属于淮河流域沙颍河水系，近几十年来淮河流域的水质不断恶化，有一首民谣是这样说的：“五十年代淘米洗菜，六十年代洗衣灌溉，七十年代水质败坏，八十年代鱼虾绝代，九十年代身心受害。”这首民谣可以说真实地反映了淮河水质遭受污染的情况。 不仅如此，全球范围内也出现了严重的生态环境问题：温室效应导致的冰川融化、海平面上升；土地荒漠化带来的沙尘天气；各种环境污染导致生物多样性锐减，许多物种正濒临灭绝；同时我们人类的生存也面临着巨大的威胁，对生态环境进行修复和重建已经到了刻不容缓的地步！在这种背景下，一种新的生物工程技术诞生了，这就是生态工程。 第二阶段：学习新课 一、生态工程概念 理论基础：生态学和系统学等学科的基本原理 技术手段：系统设计、调控和技术组装 操作流程：对已被破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，并提高生态系统的生产力。 最终目的：促进人类社会和自然环境的和谐发展。 [过渡]生态工程是一项前景非常广阔的生物技术,那么在设计生态工程时,应该注意哪些问题呢?本节课我们重点学习生态系统的基本原理。
国内外著名景观设计案例分析 华夏园林网2010-02-25 浏览量5588 化腐朽为神奇: 中山岐江公园的场地与材料再生于再用 中山岐江公园在粤中造船厂旧址上建设，占地11公顷，从1953年到1999年，走过了由发展壮大到消亡的简短却可歌可泣的历程。本案例以产业旧址历史地段的再利用为主旨,对产业旧址及构筑物和机器的采用了多种利用方式,在此基础上了新的设计形式,并由此引 发对生态设计概念的理解（俞孔坚,2001; 俞孔坚庞伟,2002,2003; Pudua,2003）。 (1) 保留：尊重没有设计师的设计 良好的景观不是职业设计师的凭空创造，它们经历时间而发展，创造良好而富有含意的环境的上策是保留过去的遗留。作为一个有近半个世纪历史的旧船厂遗址，过去留下的东西很多：从自然元素上讲，场地上有水体，有许多古榕树和发育良好的地带性植物群落，以及与之互相适应的生境和土壤条件。从人文元素上讲，场地上有多个不同时代船坞、厂房、水塔、烟囱、龙门吊、铁轨、变压器及各种机器，甚至水边的护岸，厂房墙壁上的“抓革命，促生产”的语录。正是这些“东西”渲染了场所的氛围。 公园设计组对所有这些“东西”，以及整个场地，都逐一进行测量，编号和拍摄，研究其保留的可能性：包括自然系统和元素的保留，水体和部分驳岸都基本保留原来形式，全部古树都保留在场地中，为了保留江边十多株古榕，同时要满足水利防洪对过水断面的要求，而开设支渠，形成榕树岛；构筑物的保留和再利用：两个分别反映不同时代的钢结构和水泥框架船坞被原地保留，一个红砖烟囱和两个水塔，也就地保留，并结合中在场地设计之中。机器的保留和再利用：大型的龙门吊和变压器，许多机器被结合在场地设计之中，成为丰富场所体验的重要景观元素。 (2) 改变：再利用 原有场地的“设计”必竟只反映过去人的工作和生活，以及当时的审美和价值取向，从艺术性来将，还需加以提炼，与现代人的欲望和功能需求有一定距离。所以，有必要对原有形式和场地进行改变或修饰。通过增与减的设计，在原有“设计”基础上产生新的形式，其目的是能更艺术化地再现原址的生活和工作情景，更戏剧化地讲述场地的故事，和更诗化地揭示场所的精神。同时，更充分地满足现代人的需求和欲望。岐江公园中几个典型的加法和减法设计包括：旧水塔的利用和改造;烟囱与龙门吊的再利用,船坞的再利用,机器肢体的再利用。 除了大量机器经艺术和工艺修饰而被完整地保留外，大部分机器都选取部分机体保留，并结合在一定的场景之中。一方面是为了儿童的安全考虑，另一方面则试图使其更具有经提炼和抽象后的艺术效果。 (3) 再生设计 原场地内的材料,包括钢材、乡土物种等，都可以通过加工和在设计，而体现为一种新的景观、满足新的功能。经过再生设计后的钢被用做铺地材料，乡土野草成为美丽的景观元素。甚至场地的社会主义和集体主义精神也通过诸如“红盒子”的设计，而再现。 岐江公园注释了一个完整的生态设计概念：设计师的首要任务是阅读场地，保留“没有设计师的设计”，因为那是时间的作品，是自然过程和历史的积淀。 中山岐江公园 3.2 雨洪利用与野草之美：浙江台州永宁公园的生态化设计 这是一个关于河流生态恢复与重建的案例。把一个以防洪为单一目的的硬化河道，用最经济的途径，恢复重建为充满生机的现代生态与文化游憩地(俞孔坚等，2005)。永宁江公
１１生态学原理 (主编宗浩副主编蒋光藻刘智慧编著马丹炜刘智慧陈自勉宗浩蒋光藻３电子科技大学出版社ＦＫ）４０ｍｍ ０”生态学原理（Ｚ４主编４Ｋ宗浩４副主编４Ｋ蒋光藻刘智慧４编著(以姓氏笔划为序)４Ｋ马丹炜刘智慧陈自勉宗浩蒋光藻）６ｍｍ４ＳＳ电子科技大学出版社 ３［川］ＷＢ新登字号ＤＷ４责任编辑Ｋ×××３ｍｍ Ｋ２７内容提要”ＳＳ 全书为7章。包括生物与环境、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学、系统生态学和应用生态学。本书由作者多年来总结生态学教学和科研的经验,并收集国内外生态学发展的资料编写而成。以阐明生态学原理为主,图文并茂。适用于作生命科学各专业普通生态学教材。也可作为环境科学专业、环境工程专业,农业相关专业的生态学基础教材,还可供生态学、环境保护、公共卫生、及农林牧副渔有关工作者参考。Ｋ３６ｍｍ ＦＬ（１，２ＬＬ（４”生态学原理主编Ｋ宗浩副主编Ｋ蒋光藻刘智慧编著Ｋ马丹炜刘智慧陈自勉宗浩蒋光藻”ＳＳ电子科技大学出版社出版(成都建设北路二段四号)邮编:610054电子科技大学印刷厂印刷开本 787×1092 1/16印张 25.75字数 62.7万字版次 1996年8月第一版印次 1996年8月第一次印刷印册 1000册ISBN ××××××定价:元）ＦＬ） ２前言Ｋ 生态学的理论和应用,由于其与世界的环境保护,资源的合理开发、利用和保护,乃至人类本身在地球上的持续生存有着最密切的关系。生态学近年来发展异常迅速,新的理论、新的方法、新的研究领域快速涌现出来。生态科学在即将走进21世纪时,它已经从一个描述性的科学,进入了一个定量或半定量的严密学科和实验学科。本书在长期使用的讲义的基础上修改、充实新的内容编写而成。本书第一次尝试把系统生态学作为一章。以往的生态学教材都仅作为附录或简介。我们认为“系统生态学的出现,使生态学领域出现了革命”(E. Odum, 1977)。因此,在生态学的教科书中应该有它的位置。此外,目前本科生对阅读生态学杂志和学报有一定困难,应该对他们进行系统生态学的基础教育。 本书在绪论后按生物与环境、种群、群落生态系统、系统生态学和应用生态学的顺序介绍生态学基本原理。全书提纲由宗浩起草,经编写组审查,和听取有关专家的意见,反复修改编写而成。全书第三章种群生态学、第五章生态系统生态学、第六章系统生态学由宗浩编写,第一章绪论、第七章应用生态学的第一,二节由刘智慧编写,第七章第三节由蒋光藻编写,第二章生物与环境由陈自勉编写,第四章群落生态学由马丹炜编写。最后全书由宗浩统稿。在编写过程中,错误和不妥之处在所难免,敬请有关专家和广大读者批评指正。本书从构思到编写过程都得到钟章成教授的关心和指导,在此表示感谢。郑鸽同志为本书绘制了主要的图、表,并进行了部分编辑和校对,在此也表示谢意。（ＺＳＳ宗浩1996年3月） ２目录 第一章绪论。[CM(10mm](1)[CM)] 第一节生态学的概念。[CM(10mm](1)[CM)] 第二节生态学的历史发展。[CM(10mm](2)[CM)] 第三节生态学的分支及其在现代科学体系中的地位。[CM(10mm](6)[CM)] 第四节生态学的研究内容。[CM(10mm](7)[CM)] 第五节生态学的发展趋势和前沿课题。[CM(10mm](8)[CM)] 第二章生物与环境。[CM(10mm](10)[CM)] 第一节生态因子的分类及作用特点Ｋ。[CM(10mm](10)[CM)] 一、环境与生态因子。[CM(10mm](10)[CM)] 二、生态因子的分类。[CM(10mm](10)[CM)]
选修三 专题5 5.1 生态工程的基本原理 一、学习目标 1.简述生态工程的概念，关注生态工程的建设。 2.简述生态工程的原理，举例说出各原理的内容。 3.尝试运用生态工程原理，分析生态环境问题及解决对策。 二、教学建议 1.课时数：本节教学建议用2课时。 2.课时侧重点： 生态工程的基本原理。 3.教学策略 新课的引入可采取三种方法。一种方法是：充分地利用题图进行课堂讨论，思考这个电脑合成作品的寓意。认真阅读引言，分析“地球需要我们细心的呵护”的含义，从而引出主题。另一种方法是：教师利用自己收集的资料或课本中提供的信息，如利用第二节的“思考与探究”第1题的资料分析内容，讨论如何使受损环境修复，从而引出生态工程这一主题。第三种方法是：让学生说出当地生态环境中存在的问题，并提出解决这些问题的方法，再进一步引出生态工程的概念。 《科技探索之路──生态工程的兴起》，从人们的认识发展变化的角度写出了在可持续发展背景下提出的生态工程的含义。建议布置学生课外阅读，并搜集有关可持续发展观提出的背景资料，布置展板，进行学习交流。在课堂教学时，教师可利用查阅的资料，从可持续发展提出的背景入手，组织学生讨论教材中的漫画。还可以模拟历史上的关于“增长极限”的讨论，在课堂上举行小型辩论会。让学生自己归纳出为什么提出可持续发展和生态工程。可持续发展的最初定义来自《我们共同的未来》一书，中文翻译可能有些拗口，学生可以和原文对比学习，理解这一定义。此外，教师应该给学生推荐一些课外参考书。 《关注生态工程的建设》的教学，建议从资料分析中总结出建设生态工程的意义。可以用教材提供的两则资料分析讨论问题。一则是1998年长江发生的特大洪水灾害问题，首先，通过分析图“被洪水淹没的大地”，让学生感受环境问题的紧迫性，再通过搜集长江沿岸湖泊面积减少的资料和有关长江成为悬河的资料（最好是图片），引入对问题的分析讨论。课前（或课后）可布置学生搜集资料，了解最近几年来，我国采取了哪些治理措施防治洪灾，从而提出生态工程是恢复被破坏的生态环境的重要途径。另一则是分析目前我国农业上存在的一些环境污染的问题，对这一问题，可采取与上述同样的方法进行教学。通过对这两则资料的分析、讨论，让学生理解进行生态工程建设的必要性，理解通过生态工程实现“生态经济”和“循环经济”这一思路。另一种教学方式是教师或学生可搜集本地区的资料，从本地区发生的事件或其他热点实例入手，认识进行生态工程建设的必要性。 这部分教材着力阐述了可持续发展的实践中必须推行“生态经济”和“循环经济”这一思想，但没有给这两个词一个严格的定义，主要是因为学生从媒体中可以接触到这些词，从字面上也能够理解其含义。L.R.布朗的一段话，寓意深刻，希望教师能阅读一些有关的参考书，与学生共同交流对这段话的理解和认识。 生态系统的基本原理，包括生态学、系统学和工程学的原理。由于前四个原理的理论基础是必修模块中学习过的内容，建议在教学时，用案例引出对原理的学习，再利用原理分析讨论对案例问题的解决。例如，从植树造林中出现的不注意多样性的问题，引出对物种多样性原理的学习，在此基础上再阅读珊瑚礁生态系统的多样性特点，以此为鉴，鼓励学生为当地植树造林设计生态工程。物质循环再生原理引用的实例是我国古代“无废弃物农业”，