生態(tài)工程的基本原理

知識回顧 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 物質(zhì)循環(huán) 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 種間關(guān)系 環(huán)境容納量等 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)小結(jié) 非生物的物質(zhì)和能量 生產(chǎn)者 主要是各種綠色植物將無機(jī)物合成有機(jī)物將太陽光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 消費(fèi)者 主要是各種動物直接或間接消費(fèi)生產(chǎn)者制造的有機(jī)物 分多個等級 分解者 主要是細(xì)菌 真菌等腐生生物將有機(jī)物分解為無機(jī)物供生產(chǎn)者再次利用 生物群落 營養(yǎng)結(jié)構(gòu) 食物鏈 吃與被吃關(guān)系 食物網(wǎng) 多條食物鏈交錯連接 物質(zhì) 水 空氣 礦物質(zhì)等能量 陽光 熱能 生態(tài)系統(tǒng)的成分 能量流動的起點(diǎn) 從生產(chǎn)者固定太陽能開始流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能能量流動的數(shù)量是生產(chǎn)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(diǎn)逐級遞減傳遞率為10 20 設(shè)法調(diào)整能量流動關(guān)系研究的目的使能量流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?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(jié)構(gòu)越復(fù)雜 生態(tài)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)能力越強(qiáng) 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(fù)力穩(wěn)定性存在相反關(guān)系 抵抗力穩(wěn)定性與恢復(fù)力穩(wěn)定性的關(guān)系 例 生態(tài)學(xué)家高斯的實(shí)驗(yàn) 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(shù)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(xiàn)象 2 競爭 兩種或兩種以上生物相互爭奪資源和空間等現(xiàn)象 競爭的結(jié)果常表現(xiàn)為相互抑制 有時(shí)表現(xiàn)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(nèi)或體表 攝取寄主的養(yǎng)分以維持生活的現(xiàn)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(dú)立存活 種間關(guān)系小結(jié) 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(nèi)涵 SustainableDevelopment 經(jīng)濟(jì)發(fā)展不僅要滿足當(dāng)代人的需要 還要不危害后代人發(fā)展能力 美國生態(tài)學(xué)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(shù)為基礎(chǔ) 解決人類社會環(huán)境問題的一門工程分支科學(xué) 它所需的人類工程技術(shù)僅僅起輔助作用 而不是起主要作用 或 人類應(yīng)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(jié)成伙伴關(guān)系 H T 奧德姆的學(xué)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(jìn)行的一種生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 我國著名生態(tài)學(xué)家馬世駿先生1979年首先倡導(dǎo)生態(tài)工程 他對生態(tài)工程下的定義是 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)再生的原理 結(jié)合系統(tǒng)工程的最優(yōu)化方法 設(shè)計(jì)的分層多級利用物質(zhì)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng) 生態(tài)工程的目標(biāo)就是在促進(jìn)自然界良性循環(huán)的前提下 充分發(fā)揮物質(zhì)的生產(chǎn)潛力 防止環(huán)境污染 達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益同步發(fā)展 它可以是縱向的層次結(jié)構(gòu) 也可以發(fā)展為由幾個縱向工藝鏈索橫連而成的網(wǎng)狀工程系統(tǒng) 人類應(yīng)用生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)學(xué)等學(xué)科的基本原理和方法 通過系統(tǒng)設(shè)計(jì) 調(diào)控和技術(shù)組裝 對已破壞的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù) 重建 對造成環(huán)境污染和破壞的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式進(jìn)行改善 并提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力 從而促進(jìn)人類社會和自然環(huán)境和諧發(fā)展 注意 1 學(xué)科知識 2 技術(shù)手段 3 最終目的 生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)學(xué) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 調(diào)控和技術(shù)組裝 促進(jìn)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(guān)注生態(tài)工程建設(shè) 資料分析一 1 導(dǎo)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(dǎo)致的溫度升高 氣候異常有關(guān) 解決長江洪水泛濫的措施有 以生物措施為主 結(jié)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(jìn)行生態(tài)工程建設(shè)時(shí) 要考慮到怎樣解決農(nóng)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(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入 2 洪災(zāi)的發(fā)生反映出經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式存在什么問題 傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式不注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù) 沒有考慮生態(tài)成本 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以巨大的生態(tài)環(huán)境破壞為代價(jià) 關(guān)注生態(tài)工程建設(shè) 1 什么是石油農(nóng)業(yè) 石油農(nóng)業(yè) 是以美國為代表的高投入 高產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化模式 這一模式之所以被稱為 石油農(nóng)業(yè) 是因?yàn)樗罅康厥褂靡允彤a(chǎn)品為動力的農(nóng)業(yè)機(jī)械 大量使用以石油制品為原料的化肥 農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品 機(jī)械化和化學(xué)化是這一農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化模式的共同特點(diǎn) 具有高產(chǎn) 高效 省力 省時(shí) 不施糞肥 經(jīng)濟(jì)效益大等特點(diǎn) 無論對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)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(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)發(fā)展史上均起過重要作用 石油農(nóng)業(yè) 大量使用化肥 農(nóng)藥和機(jī)械的生產(chǎn)方式 因?qū)κ偷饶茉从懈叨鹊囊蕾囆远妹?它把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)這一復(fù)雜的生物過程 變成了簡單的機(jī)械過程和化學(xué)過程 由于其投入高 產(chǎn)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(shí)它所產(chǎn)生的廢棄物和有害物質(zhì)的數(shù)量也很龐大 大大削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)生產(chǎn)力 并造成日益嚴(yán)重的農(nóng)產(chǎn)品污染和環(huán)境污染等問題 1 你對 石油農(nóng)業(yè) 是如何理解的 資料分析二 關(guān)注生態(tài)工程建設(shè) 2 如何辯證的看待 石油農(nóng)業(yè) 1 從耕種模式上看 實(shí)施單種栽培 基本上不實(shí)施輪作制 2 物種單一 缺乏多樣性 3 農(nóng)牧基本分離 4 非常依賴化學(xué)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(shù) 就能夠進(jìn)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(fèi) 例如 對廢污水中的重金屬或氮 磷等養(yǎng)分就可以進(jìn)行回收再利用 因此說污染物是放錯了地方?jīng)]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(shù) 能夠使垃圾中的能量流向?qū)θ祟愑幸娴牟糠?在不同的國家有不同的改進(jìn)措施 例如 在我國 人多地少 應(yīng)該大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè) 實(shí)施的具體措施包括 可以根據(jù)田間作物的需要適量施用高效 低毒 低殘留的農(nóng)藥 多施有機(jī)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(jìn)行再利用 實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的多級利用 等等 一方面要不斷提高土地的產(chǎn)出水平 另一方面要減少農(nóng)業(yè)活動對環(huán)境的污染 促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展 4 石油農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式應(yīng)當(dāng)怎樣改進(jìn) 特點(diǎn) 以機(jī)械化 水利化 化學(xué)化和電氣化來進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 直接和間接依賴石化能源 農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率大大提高 土地生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)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(nóng)業(yè) 問題 高輸入 高能耗 加劇世界能源危機(jī) 機(jī)械化耕作與不合理的種植導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤流失 化肥和農(nóng)藥用量上升 但大部分進(jìn)入了環(huán)境 引起嚴(yán)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(chǎn)品種廣泛取代了各地農(nóng)畜品種的多樣性 使后者的基因快速滅絕 石油農(nóng)業(yè) 危 中有 機(jī) 傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模式正在毀壞和消耗地球贈給我們的自然資本 為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須符合生態(tài)學(xué)規(guī)律 走生態(tài)經(jīng)濟(jì)之路 遵循的主要原則 實(shí)現(xiàn)的重要手段 人教P108 關(guān)于生態(tài)經(jīng)濟(jì) 三 生態(tài)工程所遵循的基本原理 1 物質(zhì)循環(huán)再生原理 無廢棄物農(nóng)業(yè)是我國古代傳統(tǒng)農(nóng)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(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)利用的 物質(zhì)以什么形式循環(huán) 思考 這個一個生態(tài)系統(tǒng)嗎 生產(chǎn)者 消費(fèi)者 分解者分別是什么 沒有物質(zhì)循環(huán)的系統(tǒng) 就會產(chǎn)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(zhì)循環(huán)再生原理 試補(bǔ)充一個結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)能量的充分利用 傳統(tǒng) 原料 產(chǎn)品 廢料現(xiàn)在 原料 產(chǎn)品 原料 產(chǎn)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(hù)林的遼寧西部建設(shè)中 種植純樟子松林 生物多樣性低 食物鏈短而單調(diào) 缺少松毛蟲的天敵 使得偶然滋生的松毛蟲肆虐一時(shí) 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(fù)雜 所以可以較長時(shí)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(diào) 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(dǎo)致了樹林的毀壞 珊瑚礁區(qū)的生物多樣性高 食物鏈復(fù)雜 不同的生物占據(jù)了不同的時(shí)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(shí)例 你能得出怎樣的結(jié)論 你認(rèn)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(jìn)行防護(hù)林建設(shè)時(shí) 應(yīng)選擇哪些樹種 喜陽 抗寒 耐旱 耐鹽堿 適應(yīng)性強(qiáng) 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(yīng)使許多地方的楊樹長成半死不活的 小老頭 狀 結(jié)果防護(hù)林成了殘敗的 灰色長城 僅僅滿足協(xié)調(diào)適應(yīng)就可以嗎 摩洛哥會爬樹的山羊 牲畜數(shù)量不能超過環(huán)境的承載量才能維持平衡 3 協(xié)調(diào)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(diào)與平衡原理出發(fā) 想一想 在我國西北地區(qū)進(jìn)行防護(hù)林建設(shè)時(shí) 應(yīng)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(rèn)為應(yīng)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(yīng)該注意牲畜數(shù)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(yīng)該實(shí)行草地承包 調(diào)動個人的管理積極性 減少過度放牧現(xiàn)象 另外 可以在有條件的地方 人工種植牧草 增加牧草產(chǎn)量 4 整體性原理 整體指社會 經(jīng)濟(jì) 自然復(fù)合成的巨大系統(tǒng) 例 林業(yè)工程建設(shè)中的問題 一方面號召農(nóng)民種樹 另一方面要考慮農(nóng)民的生活問題 5 系統(tǒng)學(xué)和工程學(xué)原理 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能原理 運(yùn)用 改善和優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 例 ?；~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(shí)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(shí)間 2 輪種 1 降低蟲害2 恢復(fù)或提高土壤肥力 在一定年限內(nèi) 同一塊土地上輪流種植不同的作物 思考 1 農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)中有哪些方式可以降低蟲害 輪種 農(nóng)藥 天敵 轉(zhuǎn)基因作物 2 哪種方式可以保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境 豆科植物的作用 間作 幾種作物同時(shí)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(dāng)把它們分開時(shí) 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(zhì)和能量交換型生態(tài)工程 試分析?；~塘的物質(zhì)和能量流動途徑 ?；~塘系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的流動是相互聯(lián)系的 能量的流動包含在物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)循環(huán)再生原理 物種多樣性原理 協(xié)調(diào)與平衡原理 整體性原理 系統(tǒng)學(xué)和工程學(xué)原理 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能原理 2 系統(tǒng)整體性原理 小結(jié) 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(nóng)業(yè)模式圖 回答下列問題 1 此農(nóng)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?jiān)鼮槭裁纯梢蕴岣呤卟说漠a(chǎn)量 3 現(xiàn)在菜農(nóng)遇到了陰雨連綿天氣 為增加蔬菜的產(chǎn)量 你能提出合理化建議嗎 4 為了生產(chǎn)無公害的蔬菜 可以還可使用哪些栽培技術(shù) 農(nóng)作物 沼氣池里的殘?jiān)胸S富的礦物質(zhì) 能提高農(nóng)作產(chǎn)量 白天適當(dāng)提高溫度 夜晚適當(dāng)降低溫度 其它答案合理也可 可以利用組織培養(yǎng)技術(shù)或無土栽培技術(shù) 鞏固練習(xí) 1 分析說明魚和蛙在該生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)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(fèi)者 加速生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)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(jī)物轉(zhuǎn)化為可以直接利用的農(nóng)副產(chǎn)品 有利于實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)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(jī)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(qiáng)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(chǎn) 稻田乙需要經(jīng)常使用農(nóng)藥 而甲則不需要 原因是 7 一般地說 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低 廢棄農(nóng)田上會發(fā)生群落演替 該演替的類型是 太陽