生態(tài)工程學1-2014年.3

生態(tài)工程學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)工程學的概念與原理專題2生態(tài)工程模型與生態(tài)工程設計專題3生態(tài)恢復生態(tài)工程

濕地的生態(tài)恢復，河道駁岸生態(tài)工程，礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復，道路邊坡的生態(tài)恢復專題4環(huán)保與污染物處理利用的生態(tài)工程專題5農林復合生態(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，欽佩、安樹青、顏京松，南京大學出版社，1998，2002林業(yè)生態(tài)工程學，王禮先等，林業(yè)出版社，2000實用生態(tài)工程學，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)學家H.T.Odum及我國生態(tài)學家馬世駿提出的。馬世駿：運用物種共生與物質循環(huán)再生原理，發(fā)揮資源的生產潛力，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并在系統(tǒng)范圍內同步獲取高的經濟、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)，人類應用來自自然的能源作為輔助能對環(huán)境的控制”。內涵：“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(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，根據對生態(tài)學的深入了解，花最小代價的措施，對環(huán)境的損害又是最小的一些技術?；?，基于生態(tài)學知識，利用技術手段管理生態(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-經濟復合生態(tài)系統(tǒng)。定義：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)再生原理，結構與功能協(xié)調原則，結合系統(tǒng)分析的最優(yōu)化方法，設計的促進分層多級利用物質的生產工藝系統(tǒng)。目標：在促進自然界良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產潛力，防治環(huán)境污染，達到經濟效益與生態(tài)效益同步發(fā)展。體系：可以是縱向的層次結構，也可以發(fā)展為幾個縱向工藝鏈索橫向聯系而成的網狀工程系統(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)設計。它包括開發(fā)、設計、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、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)自我設計達到最大，而對有利于環(huán)境的技術進行研究和實踐。歐美學者認為生態(tài)工程就是生態(tài)技術。我國學者：生態(tài)技術僅僅是生態(tài)工程的一個環(huán)節(jié)，生態(tài)工程是多技術系統(tǒng)。第十五頁，共56頁。1.2生態(tài)工程的產生

(1)背景

1960年代以來，全球生態(tài)危機表現為人口激增、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”、“桑基魚塘”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年研究防治蝗蟲災害時，即提出調整生態(tài)系統(tǒng)結構、改善生態(tài)系統(tǒng)功能的生態(tài)工程設想、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)學科及理論發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)多層次結構：-個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)?；A型學科分支：生態(tài)學基礎、植物生態(tài)學、系統(tǒng)生態(tài)學應用生態(tài)學分支：景觀生態(tài)學、環(huán)境生態(tài)學、恢復生態(tài)學、濕地生態(tài)學、生態(tài)系統(tǒng)服務、等。相關工程學科：水土保持、林業(yè)生態(tài)工程、土壤修復、生態(tài)農業(yè)等；其他：系統(tǒng)控制論、自組織理論與技術，計算機技術。

第十八頁，共56頁。1.3生態(tài)工程的應用

(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年提出的生產過程中廢物產生與排放減量（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：加環(huán)（生產環(huán)、增益環(huán)、減耗環(huán)、復合環(huán)和加工環(huán)），聯結本為相對獨立與平行的一些生態(tài)系統(tǒng)為共生網絡；調整內部結構充分利用空間、時間、營養(yǎng)生態(tài)位，多層分級利用物質、能量，充分發(fā)揮物質生產潛力,減少廢物,根據自然、經濟(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學院應用室內水生生物的生態(tài)工程，處理凈化生活污水(1991)，應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)。荷蘭調控湖泊中生物種類結構（食物鏈網上一些環(huán)節(jié)）比例的方法防治富營養(yǎng)化。匈牙利應用中國傳統(tǒng)的綜合養(yǎng)魚經驗，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、調控污水養(yǎng)魚生態(tài)工程。華東師范大學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)中國農業(yè)生態(tài)工程傳統(tǒng)農業(yè)積累了豐富的精湛技術和優(yōu)良經驗。如輪種、套種制度，“桑基魚塘”，有機肥還田，多層分級利用物質，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代循環(huán)農業(yè)。如一些家畜（或家禽）養(yǎng)殖場所產生的糞便，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。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-保護與修復再生南京大學自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：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。水體與濕地生態(tài)恢復或修復：河流、湖泊、濕地、濱水岸帶與消落帶植被恢復，生態(tài)浮床技術。生態(tài)恢復是目前生態(tài)工程應用與發(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，綠地調洪蓄水；生物滯留過濾系統(tǒng)節(jié)水、節(jié)材、節(jié)能技術應用。應用案例：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)學家與工程設計者的橋梁，提供一種人與自然環(huán)境和諧共存的世界觀或實踐途徑，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合，多學科參與的平臺。

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)基本原理工程學環(huán)境科學生態(tài)學基本能源化石能化石能太陽能費用高高較低設計特點人為人為人類輔助下的自組織控制結構任意污染源有機體自然關系破壞再污染協(xié)調、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)技術企業(yè)和高新技術企業(yè)在運營過程中，往往對環(huán)境造成污染。高新技術產業(yè)。特點是高投入、高產出、短周期和高經濟效益。清潔技術，也稱零排放技術應運而生。即在原有的工廠運作過程的基礎上，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，其應用受到一定的限制。第三十六頁，共56頁。生態(tài)工程(技術)：生態(tài)思潮-生態(tài)倫理，可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)文明觀。產業(yè)生態(tài)學：又一次產業(yè)革命的基礎，是利用生態(tài)系統(tǒng)原理和生態(tài)設計原則，如物質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計，做到既有可觀的經濟效益和社會效益，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)工程學的原理2.1核心原理整體協(xié)調自生再生循環(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、物質與能量流動分析。當一個系統(tǒng)內結構間、功能間及結構與功能間協(xié)調時，其整體效應往往大于組成該系統(tǒng)的各種成分的效應的簡單加和。社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)復合生態(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雜屬性。人類在經濟活動中，以其特有的智慧，利用強大的科學手段，管理和改造自然，使自然為人類服務。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，在系統(tǒng)水平上來研究，整體調控為處理手段。第四十頁，共56頁。(2)協(xié)調與平衡原理發(fā)育成熟的自然生態(tài)系統(tǒng)在一定時期內均具有相對穩(wěn)定而協(xié)調的內部結構和功能。結構：生物成分及非生物成分的種類及其數量與密度、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系、相互作用的內容和方式。相對穩(wěn)定性。結構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遷移、交換、轉化、積累、釋放和能流的方向、方式與數量。生態(tài)系統(tǒng)的功能是接受物質、能量、信息,并按時間程序產生物質、能量、信息。由輸入轉化為輸出的機制。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)調比量，削弱原來水體中通過水草遷移、轉化、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。浮游植物生產量和現存量進一步增加，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。

結構與功能相協(xié)調。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，可以調控受污水體內部結構，如種植或養(yǎng)殖一些水生動植物，增加或擴大一些有機質及營養(yǎng)鹽在該生態(tài)系統(tǒng)中遷移、轉化、積累和輸出的環(huán)節(jié)、途徑和數量，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，改善了生物多樣性，而且化害為利，增產了青飼料及魚鴨等產品和產量。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、自我調節(jié)、自我再生Self-regerenation、自我繁殖自我設計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自我設計與自組織原理自然生態(tài)系統(tǒng)的自我設計能力是生態(tài)工程或生態(tài)技術中最主要的基本原理之一。通過設計，能很好地適應對周圍環(huán)境，同時系統(tǒng)也能經過操作，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、結構最優(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)化設計、蜂巢結構。仿生工程學。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。自組織或自我設計，是系統(tǒng)不藉外力自己形成具有充分組織性的有序結構。即生態(tài)系統(tǒng)通過反饋作用，依照最小耗能原理，建立內部結構和生態(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)之間關系升級的過程。Odum：生態(tài)工程的本質就是生態(tài)系統(tǒng)的自組織。人類干預僅是提供系統(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，積極性干預。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)整體的結構與功能。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節(jié)。環(huán)境容納量，邏輯斯蒂增長方程，最適生產量。如，蘇州外城河中培養(yǎng)鳳眼蓮凈化和利用污水時，應用這一原則，采取分區(qū)分批輪收辦法，人為調控種群密度，根據鳳眼蓮的周轉期為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)。年畝產量高達60t