生態工程學劉曉東顧莉實用生態工程學導論原理設計方法種植業林業養殖業農林牧復合生態經濟系統荒蕪土地恢復與重建庭院城市濕地土地微觀區域主要章節內容基本理論、方法不同類型復合生態系統不同尺度作業、練習的安排與要求內容：根據授課內容，選擇相應的習題或討論內容，加深對授課內容的理解。成績評定平時成績（30%，包括作業、課堂討論、到課率），期末考試（70%）3/30/202533/30/20254參考書：1.盛連喜，許嘉巍，劉惠清編著．實用生態工程學．高等教育出版社.2005．

2.PatrickC.Kangas.EcologicalEngineering:PrinciplesandPractice.LewtsPublishers.2003.3.欽佩、安樹青、顏京松編著，生態工程學（教育部推薦研究生教學用書）.南京大學出版社，2008（第3版）.第一章生態工程導論第一節生態工程的定義一、定義二、關于生態工程定義的討論三、生態工程、環境工程和生物工程的比較第二節生態工程產生的背景一、人口激增二、自然資源嚴重破壞三、能源短缺四、環境污染五、食物供應嚴重不足第三節國內外生態工程的發展與現狀一、國外生態工程研究進展二、我國生態工程的研究與發展第四節生態工程的應用前景一、生態工程與可持續發展二、生態工程與生物多樣性保護三、生態工程與農林牧業建設四、生態工程與城市生態建設5教學目的和要求掌握生態工程的內涵、研究的基本內容和目的，正確理解生態工程與環境工程及生物工程的區別。了解生態工程產生的背景及應用前景，對生態問題的出現，及生態工程產生的背景有一定理解。正確認識生態工程是生態學理論在實踐中的應用與發展，是解決現存人與環境間關系的矛盾的重要途徑。6第一節生態工程的定義一、定義

由人類用少量的能源對環境進行熟練操縱，以控制那些主要是由自然能源驅動的系統。——H.T.Odum(1962)

生態工程屬于自組織的應用系統領域，是對自然的管理，是同自然合作良好的術語。——H.T.Odum(1983)3/30/20257生態工程學是一門新的科學，其發展歷史較短，始于20世紀后半葉。HowardT.Odum奧德姆

(1924–2002)3/30/20258《EcologicalEngineering:anintroductiontoeco-technology》于1989正式出版，標志生態工程學正式成為一門學科。——W.J.Mitsch(1989)人類社會同自然環境合作進行的對雙方都有利的設計。——W.J.Mitsch(1989)為了人類社會及其自然環境的利益，而對人類社會及其自然環境加以綜合的，而且能持續的生態系統設計，以期達到生態恢復、生態更新、生物控制等目的。——W.J.Mitsch(1993)WilliamJ.

Mitsch威廉·J·密茨(1947–)3/30/202591954年研究防治蝗蟲災害時提出“生態工程”一詞，即通過調整生態系統的結構、控制水位等改變蝗蟲的滋生地。模擬生態系統原理而建成的生產工藝體系即生態工程。——馬世駿（1983）生態工程是應用生態系統中物種共生與物質循環再生原理，結構與功能協調原則，結合系統分析的最優化方法設計的促進分層多級利用物質的生產工藝系統。——馬世駿（1984）馬世駿(1915–1991)導論原理設計方法種植業林業養殖業農林牧復合生態經濟系統荒蕪土地恢復與重建庭院城市濕地土地微觀區域主要章節內容基本理論、方法，與相對單一的生態系統復合生態系統不同尺度3/30/202511盛連喜（2000）綜合以上不同學者的定義將生態工程學定義如下：生態工程學:應用自然生態系統原理，通過同自然環境合作，進行的對人類社會和自然環境雙方都有利的復合生態系統設計的科學。3/30/202512生態系統庭院生態工程二、關于生態工程定義的討論實質：用生態系統的原理為人類社會服務傳統的庭院生態系統不完整，食物鏈缺乏、資源利用率低，沼氣池和食用菌栽培技術的引入完善了庭院生態系統，提高了資源的利用效率江蘇條子泥匡圍工程生態重構草坪種植前的情況施入鹽堿地草坪建植專用的改良劑人工澆水鋪草坪草坪種植后的表現情況挖溝排水鹽分測定加入泥炭適當修剪覆蓋麥稈澆水初步效果該示范工程的成功實施既可以保存原有的濕地生物多樣性，并使原有的物種不至于喪失殆盡，又能構建新的濕地系統，并加快生態功能的形成，為沿海灘涂的生態型圍墾提供典型案例。句容市赤山湖國家濕地公園建設建設內容濱岸濕地生態修復與保護，營造生物的重要棲息地人工濕地建設恢復赤山湖滯洪區湖濱帶景觀保護、修復建設科研中心、建設野生動物救護站、環境監測站濕地保育區生態恢復區科普宣教區合理利用區管理服務區總面積1300hm2超級油輪原油泄露凈化生態工程超級油輪BxxonValdez號4.2×104m3的原油在5h內被泄漏到美國阿拉斯加海岸，影響遍及1450km的海岸。由于常規的凈化方法已不起作用，Bxxon公司和環保局隨后就開始了著名的“阿拉斯加研究計劃”，主要采用生物修復技術來消除溢油的污染，這是到目前為止規模最大的現場生物修復工程。工程實施過程中在一些受污染的海灘有控制地添加兩種親油的微生物營養成分，海灘沉積物表面和次表面的異養菌和石油降解菌的數量增加了1個～2個數量級，石油污染物的降解速度提高了2倍～3倍，使凈化過程加快了近兩個月。3/30/202519特征生態工程環境工程生物工程組織水平生態系統水平環境系統水平細胞水平理論原理生態學環境學遺傳學、細胞生物學控制內容力學功能（水、氣、太陽能、生物）廢水、廢氣、廢渣、噪聲遺傳結構、密碼設計自我設計+人類設計人類設計人類設計維持和發展費用合理而便宜較貴昂貴生物多樣性保護保護變化三、生態工程、環境工程和生物工程的比較（續）第二節生態工程產生的背景一、人口激增二、自然資源嚴重破壞三、能源短缺四、環境污染五、食物供應嚴重不足3/30/2025203/30/202521人口激增，對資源、環境的需求增加環境問題是實質是“人的問題”唐代（618-907）漢代（前202-220）史前時期清代（1612-1911）石羊河流域演化過程生態系統退化潴野澤1.6萬km2,深25m史前無人東海、西海4000km2數萬人(漢)柳林湖、白亭海1000km220-40萬人(唐)青土湖100km2100萬人(清)200多萬人人類活動取用水增加，水循環通量減少，從水生濕地生態系統逐漸轉變為荒漠生態系統石羊河流域生態格局演變生態系統退化3/30/202524一、生態問題出現20世紀60年代以來，全球經濟進入快速增長階段。經濟的迅猛發展、技術的革新使人們的生活水平大大提高，但其負面影響也越來越嚴重。

發達國家主要表現：工業化和高度集約化的農業經營所帶來的種種環境污染和過量耗費不可更新資源（如石油）問題；

發展中國家則表現為：人口的快速增長、資源的過度開發、損毀和低效利用，以及由此而引起的環境污染問題。“生態足跡”3/30/2025251952年英國倫敦煙霧事件1953年～1956年發生在日本熊本縣水俁市的公害事件1952年12月5日－9日發生在倫敦的一次嚴重大氣污染事件。這次事件造成多達12000人因為空氣污染而喪生，并推動了英國環境保護立法的進程。1953年發現首例，癥狀初始是口齒不清、步態不穩、面部癡呆；進而耳聾眼瞎、全身麻木；最后神經失常、身體彎弓、高叫而死。由于攝入甲基汞而引起發病。累計中毒患者283人，其中60人死亡。3/30/20252650年代初期洛杉磯光化學煙霧事件似曾相識光化學煙霧是大量碳氫化合物在陽光作用下，與空氣中其他成份起化學作用而產生的。這種煙霧中含有臭氧、氧化氮、乙醛和其他氧化劑，滯留市區久久不散。在1952年12月的一次光化學煙霧事件中，洛杉磯市65歲以上的老人死亡400多人。1955年9月，由于大氣污染和高溫，短短兩天之內，65歲以上的老人死亡400余人。3/30/202527......我們不要過于得意我們對自然界的勝利。對于我們的每一次勝利，自然界都報復了我們。每一次的這種勝利，第一步我們確實達到預期的結果，但第二步和第三步卻有了完全不同的意想不到的結果，常常正好把第一個結果的意義又取消了。......因此我們必須時刻記住：我們統治自然界，

決不象征服者統治異民族一樣，相反地，我們同我們的肉、血和頭腦一起是屬于自然界，存在于自然界，我們對自然的整個支配，僅僅是因為我們有別于其他一切動物，能夠正確認識和運用自然規律而己。——（恩格斯：自然辯證法，146頁，人民出版社，1957)恩格斯3/30/202528第一次浪潮，是指農業和手工業生產水平階段。（以觀察和猜測的方式認識自然現象，解釋能力較弱）第二次浪潮，是指以縱向發展速度為特征的大工業革命階段。（以光學、物理學、化學等手段認識自然，孤立的觀點）第三次浪潮，是指以橫向交織學科為特征的階段。（學科交叉的看問題）二、第二次浪潮的思維對人類與自然關系的影響——對第二次浪潮的思維的反思3/30/202529第二次浪潮的思維是工業革命的產物，它強調分門別類地認識事物。這在工業化的初期應該是一個進步過程，但到后期，這種分散的、孤立的只要部分不要整體的認識事物的方法，卻帶來了明顯的片面性。第二次浪潮的思維，在人和自然的關系上，是“改造論”占支配地位（人定勝天）。在這種思維的支配下，部門分割非常突出。只顧發展生產，不管環境好壞，把本來人和自然協調的關系轉變為人和自然對立的關系。二、第二次浪潮的思維對人類與自然關系的影響第二次浪潮的思維的缺點3/30/202530三、人們在覺醒

全球性環境污染在很大程度上是由發達國家造成的，而限制生產就意味著部分剝奪了發展中國家經濟發展的權利，讓發展中國家負擔全球污染的成本是極不公平的。那么，到底該怎么辦呢？答案只有一個：堅持可持續發展經濟發展不僅要滿足當代人的需要，還要不危害后代人的發展能力——布特蘭夫人，1987，《我們共同的未來》3/30/202531米勒（PaulHermannMüller）1939，確認DDT有殺蟲力人們在覺醒——DDT的案例卡遜（RachelCarson）1962，寂靜的春天1969，美國國家環境保護署（U.S.EPA）成立。1972年禁用DDT從70年代后滴滴涕逐漸被世界各國明令禁止生產和使用。滴滴涕還成為中國環境保護事業的催生婆。3/30/202532由于人類的活動，現在地球表面幾乎沒有發現未受到人類影響的區域3/30/202533地球沒有“凈土”3/30/202534DDT與蟻酸在哲學意義上沒有本質不同問題出現在哪里？3/30/2025351972年，聯合國第一次人類環境大會的非官方報告：《只有一個地球》出版。指出認識生物圈與技術圈相互依存的重要性；指出生態和社會經濟的相互依賴性；跳出了第二次浪潮的思維的局限性，既看到部分又看到了整體。BarbaraWard(1914-1981)人們在覺醒3/30/202536D.H.Meadows(1941-2001)《增長的極限》1972年版本中的基礎模型人們在覺醒悲觀論者人口增長自然資源消耗糧食生產工業生產3/30/202537人們在覺醒樂觀派資源沒有盡頭，惡化只是暫時現象；過去不是資源的資源可變成資源；特定時段和技術條件下，資源是有限的；必須依靠科學技術，合理利用自然資源。J.L.Simon(1932-1999)3/30/202538人們在覺醒其他觀點：1980年，R.J.本奈特（Bannet）和R.J.喬利（Chorley）合著的《環境系統》論述了共生的現象（symbiosis），共生可使人類社會與自然環境都互相有利。1980年，A.托夫勒（Tofflar）在《第三次浪潮》中指出：“過去十年間，地球生物圈出現了根本性的、潛在的危險變化……….它迫使我們去重新考慮人對自然的依賴問題……使我們產生了新的觀點，強調人與自然和睦相處，改變以往的對抗狀態”。1983年，A.P.A.吳英克（Vink）指出：“同自然合作比同自然對立較為有利并常常是更為有效”。……第三節國內外生態工程的發展與現狀一、國外生態工程研究進展3/30/202539生態工程一詞自H.T.Odum提出后，即在北美和歐洲得到了廣泛應用。H.T.Odum在生態工程領域一直率先推動生態學理論的實踐，他開展了許多主要的生態系統設計試驗，如利用濕地處理生活污水的等內容。

1989年由W.J.Mitsch和S.E.Jorgensen編寫的生態工程—生態技術介紹出版，其后于1992年開始發行生態工程刊物。3/30/202540近十幾年來，西方生態工程正在從研究走向應用。

如在美國加洲南部河口區濕地，利用濕生植物香蒲等去除重金屬，改善水質，并進行土地復墾（Brown,1991）；在丹麥格雷姆斯湖(Glums)建立了防治富營養化的生態工程(Jorgenson,1993)德國建立了以蘆葦為主的濕地處理廢水的生態工程(Etnier,1991)美國1992年提出的環保“４R”(reduction,recovery,reuseandrecycle)策略正在逐步實施。3/30/202541各國應用特點：荷蘭《從生態系統到生態設計》，反映了生態系統研究向更實用的方向邁進。捷克：制定生態法規，對生態規劃極為重視法國和日本：以城市生態為重點美國：自然生態系統的恢復，如森林生態恢復、濕地生態恢復、草地生態恢復……

總的來說，西方生態工程研究及實踐范圍較窄，重點集中于環保生態工程，農業生態工程的應用，也局限于持續農業、有機農業的試驗與推廣。3/30/202542二、我國生態工程的研究與發展

我們的祖先很早就開創出一條獨有的發展農業生產的途徑，自覺不自覺地采用了某些生態工程原理和技術，產生了古代農業生態工程最早的雛型。（一）古代農業生態工程雛型食物鏈原理

“大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃滋泥（水中微小生物）”；“螳螂捕蟬，黃雀在后……”

系統聯系原理

陰陽說、五行論……3/30/202543治水工程

都江堰水利樞紐工程土地多樣化利用

多樣化的梯田、南方架田、水旱輪作等復合農業

農漁結合、農牧結合、農林結合等3/30/202544生態工程應用范圍涉及農業、環保、林業、養殖等各個領域，遍布各類型區。目前國家有組織的農業生態工程試點縣、鄉、村或農場有2萬多個；國家五大防護林生態工程覆蓋面積占國土10％；城市及村鎮各類污水處理生態工程試點300余處；生態工程領域發表文章：4000余篇；（二）我國現代生態工程的發展3/30/202545生態工程研究——合理利用自然資源（案例）華北和西北的棗糧間作、板栗糧食間作、胡桃糧食間作；南方的杉農間作、桐糧間作；復種、套種等。間作可提高土地利用率，可增加對陽光的截取與吸收，減少光能的浪費；同時，兩種作物間作還可產生互補作用（豆科和禾本科）。是我國珠江三角洲地區，為充分利用土地而創造的一種挖深魚塘，墊高基田，塘基植桑，塘內養魚的高效人工生態系統。桑基魚塘是池中養魚、池埂種桑的一種綜合養魚方式。桑基魚塘（蔗基、果基）桑樹通過光合作用生成有機物質桑葉，桑葉飼蠶，生產出蠶蛹及蠶絲（加工工藝中的物質轉化），桑樹的脫落物蠶沙施用到魚塘,經過魚塘內另一食物鏈過程,轉化為魚。魚的排泄物及其未被利用的有機物沉積于塘底，經底棲生物分解后可成為桑樹的肥料，返回桑基。這種交互補償水陸物質的方式,廣泛適用于沼澤及低濕地區桑基魚塘水陸交互模式3/30/202548桑基魚塘系統物質循環和能量流動示意圖桑基魚塘是我國珠江三角洲地區，為充分利用土地而創造的一種挖深魚塘，墊高基田，塘基植桑（蔗），塘內養魚的高效人工生態系統。公元9世紀就開始的傳統農業生產方式。浙江青田稻魚共生系統在2005年入選成為首批全球重要農業文化遺產之一。青田稻魚共生系統距今已有上千年歷史，最早源于溪水灌溉稻田，后來漸漸形成了在田中種植一季稻、放養一批魚、飼養一群鴨的農業生產方式，讓世代侗鄉人豐衣足食。該系統在2011年入選全球重要農業文化遺產。從江侗鄉稻魚鴨系統位于云南省紅河州，總面積達82萬畝，擁有1300多年的開墾歷史。該系統在2010年入選全球重要農業文化遺產，此外還在2013年入選了世界文化遺產。云南哈尼稻作梯田系統江蘇興化垛田傳統農業系統，在沼澤地上壘起垛田，形成了獨特的土地利用方式，于2014年入選全球重要農業文化遺產。江蘇興化垛田傳統農業系統3/30/202553

國外國內哲學思想的差異世界萬物都是上帝創造的，上帝可以改變一切，創造一切。天道與人道一脈相承的體系，社會經濟背景的差異先污染后治理先污染后治理基礎理論與設計的差異主要是以環境科學與生態學為主要理論依據；設計原理和技術路線單一。基本局限自然科學范疇，以恢復生態系統自組織能力為主。借鑒國外的經驗；我國比較復雜，不僅僅運用自然科學，而且運用經濟學、系統論等科學理論。對象與目的差異針對自然生態系統的保護和環境污染治理，內容單純、規模較小，目的偏于污染治理和環境保護針對我國社會經濟發展的現實與生態環境的現狀了進行的的綜合性工程。范圍廣泛、內容復雜；包含“社會-經濟-自然”負荷生態系統全部內容和龐大的系統工程國內外生態工程的特點比較第四節生態工程的應用前景一、生態工程與可持續發展1987，世界環境與發展委員會（WCED）在《我們共同的未來》中提出“可持續發展是既滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的發展。”1992，聯合國環境與發展大會（UNCED）,《里約宣言》、《21世紀議程》、《森林問題原則聲明》。1994《中國21世紀議程》、《中國環境保護21世紀議程》1995《中國林業21世紀議程》1996《中國海洋21世紀議程》1999《中國農業21世紀議程》3/30/2025543/30/202555二、生態工程與生物多樣性保護保護珍稀瀕危生物珍惜、瀕危生物的滅絕主要與生態習性、生態環境的改變及人類干擾有關。

應用生態系統原理使生物的生態習性和自然環境匹配，才能獲得成功。3/30/202556恢復和重建重要生態系統長白山紅松針闊混交林目前，許多地帶性植被已不多見，如溫帶濕潤地區與大氣候相適應的地帶性植被——紅松闊葉混交林，由于人類過量采伐、采育失調，原始的混交林所剩無幾。但只要區域大氣候條件仍適合紅松針闊混交林生長，采用生態工程的技術就可使其恢復或得以重建。例如：吉林省蛟河老爺老爺嶺山地，1940s曾經被擇伐殆盡，由于海拔較高1200m，山勢陡峭，人為干擾較少，經過60多年的恢復，已呈現出原始林的林相。3/30/202557保護植物群落多樣性綠色植物是生態系統的第一性生產者，是生態系統中能力和物質循環的樞紐植物多樣性保護是是動物多樣性保護的前提如何實現：改變植被的水平結構與垂直結構提高其對大氣降水的及太陽能的轉化率3/30/202558三、生態工程與農林牧業建設現代農業面臨的挑戰：成本迅速上升而利潤遞減微生物群落結構發生改變農田面源污染嚴重食品安全受到挑戰3/30/202559生態農業：

“從系統思想出發，按照生態學原理，經濟學原理和生態經濟原理，運用現代科學技術成果和現代管理手段以及傳統農業的有效經驗建立起來，以期獲得較高的經濟效益、生態效益和社會效益的現代化農業發展模式。

簡單地說，就是遵循生態經濟學規律，進行經營和管理的集約化農業體系。”——葉佛吉，《生態農業——農業的未來》3/30/202560生態農業物質循環利用能量高效利用減少人工能源輸入，增加對太陽能的利用3/30/202561生態林業：應用較晚，但前景廣闊全世界森林面積減少，尤其是俄羅斯、加拿大的亞寒帶森林面積急劇減少，熱帶亞熱帶森林以驚人速度減少和退化。人工林種群單一，林相簡單。對光利用率低、水分保持能力差，且對病蟲害抵抗能力差，一旦遭受侵襲，經濟和生態損失相當嚴重設計農、林、牧結合模式，將農業生產、林業建設和牧業發展相結合。農田防護林林牧結合3/30/2