生态工程学1-2014.3

生态工程学 研究生课程讨论,刺槐+银合欢+多花木蓝 刺槐+多花木蓝,专题1 生态工程学的概念与原理 专题2 生态工程模型与生态工程设计 专题3 生态恢复生态工程 湿地的生态恢复，河道驳岸生态工程，矿区 废弃地的生态恢复，道路边坡的生态恢复 专题4 环保与污染物处理利用的生态工程 专题5 农林复合生态工程 专题6 立体绿化,参考书目 生态工程学，钦佩、安树青、颜京松，南京大学出版社，1998，2002 林业生态工程学，王礼先等，林业出版社，2000 实用生态工程学，盛连喜等，高等教育出版社，2005 水生态工程，蔡守华，水利出版社，2010,专题一 生态工程学的概念与原理,生态工程ecological engineering，ecoengineering 1.1 定义 （1）早起阶段 1960s，分别由美国生态学家H.T.Odum及我国生态学家马世骏提出的。 马世骏：运用物种共生与物质循环再生原理，发挥资源的生产潜力，防止污染，采用分层多级系统的可持续发展能力的整合工程技术并在系统范围内同步获取高的经济、生态和社会效益。,H . T . Odum（1963年） 提出生态工程一词。 定义为：“为了控制生态系统，人类应用来自自然的能源作为辅助能对环境的控制”。 内涵：“人类利用少量的辅助能对环境进行管理,来控制以自然资源为基础的生态系统”，管理自然就是生态工程，它是对传统工程的一个补充，是自然生态系统的一个侧面。 1980s逐渐完善。,(2) 快速发展阶段 欧洲的 Uhlmann(1983)、Straskraba(1984，1985 ) 与 Gnauck(1985)提出生态工艺技术(ecotechnology,林镇洋等生态工法，2002)，将它作为生态工程的同义词。 定义：在环境管理方面，根据对生态学的深入了解，花最小代价的措施，对环境的损害又是最小的一些技术。或，基于生态学知识，利用技术手段管理生态系统，以减少管理费用，并减轻管理活动对环境的干扰。,马世骏(1984) ：自然-社会-经济复合生态系统。 定义：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。 目标：在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。 体系：可以是纵向的层次结构，也可以发展为几个纵向工艺链索横向联系而成的网状工程系统。,美国 Mitsch (1988) 、丹麦Jorgensen (1989 ) ： “为了人类社会及其自然环境二者的利益而对人类社会及其自然环境进行设计” ， “提供了保护自然环境，同时又解决难以处理的环境污染问题的途径”。 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且能持续的生态系统设计。它包括开发、设计、建立和维持新的生态系统，以期达到诸如污水处理（水质改善）、地面矿渣及废弃物的回收、海岸带保护等，同时还包括生态恢复、生态更新、生物控制等目的（ Mitsch 1993) 。,奥德姆兄弟(H.T.Odum,B.odum):为了使生态系统自我设计达到最大，而对有利于环境的技术进行研究和实践。 欧美学者认为生态工程就是生态技术。我国学者：生态技术仅仅是生态工程的一个环节，生态工程是多技术系统。,1.2 生态工程的产生 (1) 背景 1960年代以来，全球生态危机表现为人口激增、资源破坏、能源短缺、环境污染，等。 我国传统的生态工程的实践：“轮、套种制度”、 “垄稻沟鱼”、 “桑基鱼塘”等等就是相当成熟的生态工程模式。,马世骏，1954年研究防治蝗虫灾害时，即提出调整生态系统结构、改善生态系统功能的生态工程设想、规划与措施。 1979年，生态系统工程。连接多系统的循环关系,及时有效地把人类和动物的废物运回土壤，把工业废物分别加以分解或再生。 1987年，马世骏主编中国的农业生态工程。 1989年， 马世骏及颜京松、仲崇信等与美国Mitsch，和丹麦 Jorgensen主编第一本生态工程专著Ecological Engineering, 成为标志。,(2) 学科及理论发展 生态系统多层次结构：-个体、种群、群落、生态系统。 基础型学科分支：生态学基础、植物生态学、系统生态学 应用生态学分支：景观生态学、环境生态学、恢复生态学、湿地生态学、生态系统服务、等。 相关工程学科：水土保持、林业生态工程、土壤修复、生态农业等； 其他：系统控制论、自组织理论与技术，计算机技术。,1.3 生态工程的应用 (1) 环保生态工程 1960年代起，试图运用生态工艺来达到污染治理、环境保护的目的。 研究、分析生态系统组成成分及机制，并在此基础上建立定量揭示系统的物流、能流和行为特征的动态模型与优化控制模型。 美国1992年提出的生产过程中废物产生与排放减量 （Reduction)、废物回收（Recovery)、废弃物回用（Reuse)及再循环(Recycle )的环保 4 个R策略。,生态工艺技术： 加环（生产环、增益环、减耗环、复合环和加工环），联结本为相对独立与平行的一些生态系统为共生网络； 调整内部结构充分利用空间、时间、营养生态位，多层分级利用物质、能量，充分发挥物质生产潜力,减少废物,根据自然、经济(特别是市场)情况，因地制宜地促进良性循环受破坏的生态系统的恢复和重建等。,(2) 水环境生态工程 美国在从属于不同水文周期的湿地，建立了利用香蒲等去除重金属，并进行复垦(Brown 1991) 。以蒲草为主的湿地处理煤矿含硫化铁酸性废水(Fennessy 1989)。德国建立了以芦苇为主的湿地处理废水的生态工程（1991)。 瑞典的 Stensund学院应用室内水生生物的生态工程，处理净化生活污水 (1991)，应用伊乐藻和刚毛藻植物为主的人工生态系统去除过多的氮、磷（1993)。 荷兰调控湖泊中生物种类结构（食物链网上一些环节）比例的方法防治富营养化。 匈牙利应用中国传统的综合养鱼经验，用污水养鱼生态工程来处理污水。,湖北鸭儿湖治理有机磷和有机氯农药污染的生态工程, 苏州外城河葑门支塘污水资源化生态工程，些酒厂、缫丝厂的废水处理和利用生态工程,防治太湖局部水体饮用水源蓝藻爆发的生态工程。 以凤眼莲为主的污水处理与利用生态工程。 污水灌溉、调控污水养鱼生态工程。 华东师范大学引进并筛选了光合细菌，研究揭示多种光合细菌的生活、繁殖条件及其动态，并试用其处理上海市居民粪便及一些工厂的有机废水。,(3) 中国农业生态工程 传统农业积累了丰富的精湛技术和优良经验。如轮种、套种制度，“桑基鱼塘”，有机肥还田，多层分级利用物质，再生循环维持地力，等。 朴素的生态工程，如云南红河哈尼族高山稻田景观。 现代循环农业。如一些家畜（或家禽）养殖场所产生的粪便，配合沼气发酵，沼液无土栽培饲料或蔬菜，沼渣再制混合饲料或肥料等。桑(果)-蚕沼气沼肥循环系统，等。 污水自净与利用生态系统，充分利用污水中的有机成分作为营养源，既净化了污水，又利用了资源，如污灌和污水养鱼技术。,桑基鱼塘,(4) 城市生态恢复-保护与修复再生 南京大学自60年代初，引种、研究并利用大米草、互花米草，人工建造海滩盐沼植被。 道路边坡植被护坡 废弃地生态恢复：棕地、矿山、裸露山体等。包括土壤、植被、废弃物处理与利用等生态工程技术。 水体与湿地生态恢复或修复： 河流、湖泊、湿地、滨水岸带与消落带植被恢复，生态浮床技术。 生态恢复是目前生态工程应用与发展的重点。,(5) 城市生态景观的营建 屋顶绿化、植物景观墙、林荫停车场 雨水收集、利用、灌溉，绿地调洪蓄水； 生物滞留过滤系统 节水、节材、节能技术应用。 应用案例：上海世博园、北京奥利匹克公园、上海辰山植物园、南湖公园，等。,1.4 生态工程的特点 (1)IEES 生态学家与工程设计者的桥梁， 提供一种人与自然环境和谐共存的世界观或实践途径，提供可持续的绿色解决方案， 节约投资与维护成本， 土地利用与保护相结合， 多学科参与的平台。,（2） 生态工程、环境工程、传统工程的区别,环境工程： 目标很明确，就是利用一系列科学原理，去净化或防治环境污染。 如水环境工程“曝气池法“、 “氧化塘法“、 “砂滤法“、 “活性污泥法“等。,传统工程：工业文明。,传统技术企业和高新技术企业在运营过程中，往往对环境造成污染。 高新技术产业。特点是高投入、高产出、短周期和高经济效益。 清洁技术，也称零排放技术应运而生。即在原有的工厂运作过程的基础上，加配污染物处理系统，如污水处理系统、大气二氧化硫处理系统等。投入高、耗能大，其应用受到一定的限制。,生态工程(技术)： 生态思潮-生态伦理，可持续发展，生态文明观。 产业生态学：又一次产业革命的基础，是利用生态系统原理和生态设计原则，如物质多层次分级利用原理等，从工厂使用的原料开始，系统全面地对工厂的运作过程进行合理设计，做到既有可观的经济效益和社会效益，又将其对环境的破坏作用维持在最小的水平，甚至根本杜绝对环境的破坏。,生态工程学的原理 2.1 核心原理 整体 协调 自生 再生循环,(1) 整体性原理 整体论和还原论 水体生态系统组分、分室、物质与能量流动分析。当一个系统内结构间、功能间及结构与功能间协调时，其整体效应往往大于组成该系统的各种成分的效应的简单加和。 社会-经济-自然复合生态系统 复合生态系统是一种特殊的人工生态系统，兼有自然和社会两方面的复杂属性。人类在经济活动中，以其特有的智慧，利用强大的科学手段，管理和改造自然，使自然为人类服务。另一方面，一切改造和管理自然的活动，都受到自然界的反馈约束和调节，不能违背自然生态系统的基本规律。 生态工程以整体观为指导，在系统水平上来研究，整体调控为处理手段。,(2) 协调与平衡原理 发育成熟的自然生态系统在一定时期内均具有相对稳定而协调的内部结构和功能。结构：生物成分及非生物成分的种类及其数量与密度、空间和时间的分布与搭配、相互间的比量，以及各种不同成分间相互联系、相互作用的内容和方式。相对稳定性。 结构是完成功能的框架和渠道，直接决定与制约组成各要素间的物质迁移、交换、转化、积累、释放和能流的方向、方式与数量。 生态系统的功能是接受物质、能量、信息,并按时间程序产生物质、能量、信息。由输入转化为输出的机制。,我国许多水草型湖泊变为藻型湖湖泊。 过量利用，如滥捞水草作为肥料、饲料或过量放流草鱼、螃蟹等草食性动物，使水草量减少，破坏了原有水草与其它成分如营养盐，及以水草为饵料的水生动物的合适协调比量，削弱原来水体中通过水草迁移、转化、积累及输出氮、磷等营养元素的通道（营养链）及量比。 水体中浮游植物的量增加，降低水的透明度， 原可供沉水植物生长繁衍的湖底层，光通量减少，已不能满足绝大多数种类的沉水植物的光合作用需要，沉水植物减少，甚至消失。 浮游植物生产量和现存量进一步增加，湖水透明度进一步降低，如此恶性循环，加速了富营养化过程。,结构与功能相协调。 例如在一些受污水体中，不一定要截污分流，来控制外来污染物的量，可以调控受污水体内部结构，如种植或养殖一些水生动植物，增加或扩大一些有机质及营养盐在该生态系统中迁移、转化、积累和输出的环节、途径和数量，提高了该水体自净能力及环境容量。不仅可以净化与改善水质，改善了生物多样性，而且化害为利，增产了青饲料及鱼鸭等产品和产量。,(3) 自生与自组织原理 自生原理 Self-Resiliency： 自我组织、 自我优化Self-optimum、 自我调节、 自我再生 Self-regerenation、 自我繁殖 自我设计Self-design。 自生作用是以生物为的生态系统与机械系统的主要区别之一。能维护系统的相对稳定以及可持续发展。, 自我设计与自组织原理 自然生态系统的自我设计能力是生态工程或生态技术中最主要的基本原理之一。 通过设计，能很好地适应对周围环境，同时系统也能经过操作，使周围的理化环境变得更为适宜。 如植物群落的演替，顶级群落。物种多样化、结构最优化、功能完善化，生境中生化。 植物叶镶嵌、枝条输水系统的最优化设计、蜂巢结构。 仿生工程学。,