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第一章绪论
第一节生态工程的概念和意义
■生态是指生物与其生存环境之间的相互关系，研究这种关系的
学问就是生态学。
■工程是指人类设计的、具有一定结构和功能（即达到一定目的）
的工艺系统。
■生态工程（ecologicalengineering）:
H.T.Odum（1962）：
“人运用少量辅助能而对那种以自然能为主的系统进行的环境控
布!
］。
^Environmentalmanipulationbymanusingsmall
amountsofsupplementaryenergytocontrolsystemsinwhichthemainenergydrivesarestillcomingfromnaturalsources,,
■1988、1989年美国Mitsch,WJ.提出的生态工程概念是：
“为了人类社会和其自然环境两方面利益而对人类社会和自然环境的设计
■Uhlmann,D.（1983）,Straskraba,M.（1984,1985）、Straskraba和Cnauck,A.H.（1985）又提出了生态工艺一词，并定义为“在深入了解生态学基础上，在措施上花最小代价，对环境最少的损伤，是对生态系统管理技术的运用。
”
早在1954年，马世骏在研究防治蝗虫灾害时，即从生态学理论出发，提出调整生态系统结构、控制水位及苇子面积等，改变蝗虫的滋生地，改善生态系统结构和功能的生态工程设想、规划与措施。
实践结果生态效益和经济效益十分显著。
1979年，马世骏在中国环境科学学会作了《环境理论的发展和意义》的学术报告，在总结了他几十年生态学研究的基础上，进一步形成了生态工程思想。
他说：
由于工业发展过程中，出现的环境受干扰和迫切需要采取的保护政策，促使人们不得不在社会一经济一生态一一资源物质系统之间，考虑多方面依赖的特点，从而近来在社会科学和自然科学之间产生了新的杂交科学前沿，即社会一一经济一一自然生态系统的结合，它是处理当前国际上五大社会问题的重要理论依据。
1984年，马世骏给生态工程下的定义：
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，结合系统工程的最优化方法，设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。
■生态工程是遵循生态学的基本原理，应用生态系统中物种共生和物质循环再生的原理，结合系统工程的最优化方法，设计的分层多级利用物质和能量的生产工艺系统（马世骏,1984）»
■目标是在促进良性循环的前提下，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到生态效益与经济效益的同步发展。
■生态工程的原理是生态系统的“整体、协调、再生、循环”，是生态学的原理在资源管理、环境保护和工农业生产中的应用。
生态工程内涵
工程：
工程范围的界定、工程目标的明确、环境辨识与评价、工程造价概预算、工程效益预评估等项基本内容。
生态：
生物种群引进、品比与适宜种群选择、人工生物群落结构组合、环境的调控建造、生物与环境节律的匹配、人工食物链的“加环”与“解链”、产品“加工环”的选择。
生态工程和环境工程的比较
工程类型
环境工程
生态工程
基本单元
自然系统
生态系统
基本理论
环境科学
生态学
基本能源
化石能
太阳能
基本费用
大量
合理
设计特点
人为
人类辅助下的自组织
控制结构
污染源
有机体
与自然关系
再污染
协调、无污染
生物多样性
改变
保持或增加
生态工程与其他工程比较
表1-1生态技术与生物技术的比较
特征
生杰技术
生物技术
基本单元
生态系统
细胞
基本原理
生态学
遗传学、细胞生物学
调控
促进功能、组织
遗传结构
M划
人类辅助下自持
人类加划
生物多样性
保护
改变
维持和开发成本
合理
巨大
能源基础
太阳能
化石燃烧
传统环境保护工程、清洁生产工程用生态工程比较
工程类别
传统环境保护工程
清洁生产工程
生态工程
对象
局部环境一染物律放点
工艺流程一术链
生态系统.特别是社会-经济-自然复合生态系统
目标
单一，污染物减量.达标排放
单一，污染物产生最少化，等排放
多H标,优化功能.同步获得生态环境'经济和社会效益
方向
环境影响
工艺过程
生态功能
模式
先污染后末端治理
富环保于生产中
寓环保于生产和消费中,从源到汇再从汇到源，良性循环
设计原则
人为的恢复
部分模拟自然
按自然设计
策略
补救污染
防止污染
能力建设
结构
链式、刚性
链式、刚性
网状、自适应性
规模
单.一化、大型化
单一化，组合化
多样化、组合化
系统耦合
纵向，部门内
纵向，部门内
纵向、横向和区域、部门内及外
物流途径
开放式，向环境排放
半开放式，产品输出、废物在内部转
化、再生
组合式，从源到汇再从汇到源良性循环
主要过程
物理的
人一机器
人+自然
功能
处理三废达标
产品♦三废处理
产品+生态服务♦社会服务
能源
化石燃料及电为主
化石燃料及电为主
太阳能、风能等白然能及可再生能源为主
人类介入
从外部
友好参与
天人调谐
稳定性
对外部依枚性高
对外部依赖性高
抗外部干扰性强
代价
高
可耐受
合理
可持续能力
低
适当
高
历史
30多年
10多年
3000多年
循环
可接受
合于需要
绝对需要
共生
很少
可采取
强烈地需要
环境效益
局部，当前
局部，当前
整体，长远
经济效益
投入运转带高，无苴接孜入
增产节约.有直接收入
投入及运转费低.多层分级利用增加收入
衰1.1生态工程、环境工程和生物工程区别
特征
生态工程
环境工程
生物工程
组织水平
生态系统水平
环境系统水平
细胞水平
理论原理
生态学
环境学
遗传学、细胞生物学
控制内容
力学功能（水、气、太
废水、废气、废渣、噪
盖传结构、密码
阳能、生物）
声
设计
自我设计加人类设计
人类设计
人类设计
维持和发展费用
合理而便宜
较贵
昂贵
生物多样性
保护
保护
变化
、生态工程产生的时代背景
社会需求
上世纪60年代以来全球生态危机的爆发和人们寻求解决对策以及资源环境保护的宏观形势条件下应运而生
发达国家
■高度的工业化和强烈集约型的农业经营带来的环境污.
染"无废物"、“无污染"（Zero-discharge）
■经济负担重、污染转移
发展中国家
■人口增长，资源破坏、生产不足和环境污染共同组成的“综合症”。
■低耗、高效、无或少废物生产的适用技术。
科学理论和方法论基础
・系统论、控制论、信息论、协同论、耗散结构理论、突变论及混沌现象、自组织理论等；
■农田生态学、农业生态学、城市生态学、区域生态学等；
-系统分析方法和计算机技术，以及生态学、生物学、农学、土壤学等学科领域
新技术、新方法的发展，为生态工程学的研究和实践提供方法论和技术的基础。
生态工程的产生有着历史的背景与实际的需要，在理论上、方法上和技术上都已有了一定的基础。
生态工程的意义
1.生态工程与我国的农业持续发展
＞通过资源合理开发及物质循环利用，发展资源节约型农业；
＞充分利用我国传统农业之精华和我国劳动力充分之优势，遵循生态学原理与生态工程技术，发展劳动密集型与技术密集型相结合的农业是可以实现农业生产合理、低投入而高效地持续发展的。
＞所有这些战略、技术和生态工程的思想与技术正相吻合，因此，可以认为农业生态工程建设是适于我国农业持续发展的战略方向与技术路线的。
2.生态工程与我国生态环境保护与治理
/“环境”是一定空间与时间内，多种成分相互作用的多维结构，只有依靠多方面的有效的环境管理，方能造成比较健康的环境和科学地利用自然资源。
/生态工程原理和技术，为缓解与恢复恶化的生态环境提供了有效的途径。
我国举世瞩目的“三北”防护林体系建设、环境自净工程、污染环境修复工程等均是例子
3.生态工程与我国工业与城市发展
■根据社会——经济一自然三系统的循环关系，“模拟自然生态系统长期维持链环结构的功能过程”的生态工程机理研究可望在缓解这些城市及工业发展矛盾中积极发挥“有效管理"及“化害为利，化废为宝”的重要作用。
例如城市污水处理生态工程,工业废水余热利用的温室农业生态工程，农牧产品加工业的副产品及废弃物的利用等等。
■此外生态工程技术可用于城市的总体规划和生态经济小区规划中，如城市绿地、公园、林木的规划等。
生态工程为工业和农业的可持续发展作出了重大贡献，加强生态工程研究将使21世纪的整个生物学科与农业产生重大突破。
人工生态系统是人类社会经济系统的一个重要组成部分，基本都是属于自然经济社会复合系统范畴。
它们的结构和功能，不单纯决定于自然环境的诸多因素，更重要的是还要受到社会经济环境的强烈制约。
比如：
我们大家常吃的山楂，本来是一个营养丰富、价值比较高的水果。
年代初期开始，我国兴起了一阵山楂热，造成了山楂园的盲目发展，全国很多地方都种上了山楂树。
由于没有考虑到国内外市场的需求，造成了产品过剩，山楂从原来的到2元/kg（最高4-52元/kg）,降到到0.1元/kg；农民只好把山楂树刨掉。
诸如此例林业、农业、养殖业等较多......。
图2-1社会-自然-经济夏合生态系统生态关系（改自马世骏1984）
此外，生态工程对基础科学研究也有着重要意义。
从复杂系统的观点来看，世界上最复杂的系统有三种：
生物体、人脑和自然生态系统。
围绕对这三类系统的研究形成了当代科学的几个重要的前沿学科和领域。
生命科学同时涉及了对生物体和人脑的研究。
人工智能研究试图在揭示人脑奥秘的基础上进行大脑结构功能模拟设计。
生态系统研究虽远不象前两学科那样在基础研究中占有重要地位，但它的确已引起越来越多的基础科学研究者的重视。
如果说仿生学是对生命体的模拟研究，人工智能是对人脑的模拟研究，那么，生态工程发展正如H.T.Odoum所说是使人类生存与竞争中与其环境变为伙伴的设计。
亦即对精巧微妙的、人类赖以生存的生态环境及生态系统的模拟和创造。
从这个意义上说，生态工程学就像仿生学，人工智能那样应看作为重要基础学科之一，而对它的研究可视为提供人类生存条件及提高生存质量做出重要贡献的战略思想。
第二节
生态工程的主要类型和特征
1、物质能量的多层分级利用系统
2、水陆交换的物质循环系统
回收、输山②
5、多功能林、农、牧、渔生产系统
太阳能
生态工程基本类型
主要领域
生态工程特点
土壤生物工程
为保障土壤和控制流失，使用生长快的灌木树种
生物修复
复合微生物与养分以强化有害化学品的生物降解
植物修复
超积累植物在重金属和其他污染物吸收中的应用
改良受扰土地
植物、动物与微生物群落定植，恢复生态价值
堆肥工程
机械及微生物系统分解有机固体废弃物，产生土壤调节剂
生态毒理
通过微宇宙系统评价有毒物的影响
食物生产
通过设施及品种，如温室、水产等集约
化生产食物
湿地调节
人工湿地对受损湿地的调节与恢复
废水处理
湿地和其它水生系统在退化城镇、工业
房永XzSfflrhiXlIw田
生态工程的特征
1.以生态学理论为指导，以活的生物为主体，强调利用生物与生物的共生功能、生物物质的循环再生功能、食物链以及生物与环境之间的相互适应原理，来进行多层次、多方向的生产工艺设计。
使生物与生物、生物与环境间相互协调、和谐统一，共同进化与发展，投资少、耗能低，生产、经济效益显著。
2.利用生态系统的反馈控制和稳态机制等稳定性特点，生态工程重视培育和利用生态系统自我修复、自我调节功能。
利用生物群落结构合理调整和搭配，实现系统的自我净化和自身平衡。
在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥物质生产潜力的同时，防止环境污染,达到资源利用和环境保护协调一致。
3.生态工程强调经济效益和生态效益的高度统一。
既要考虑眼前生产和生活的需要，使生产者和消费者在经济上和精神上都满意；也要考虑到长远的生态效益，保护资源、保护环境，让子孙后代有个舒适的安身立命场所。
4.生态工程尤其是农业生态工程是在石化农业逐渐走入死胡同的形势下提出来的，目的是为了克服石化农业的种种弊端。
因此，农业生态工程既要努力挖掘和利用我国传统农业生产中那些生产上可行、生态上合理的技术和方法，更要尽可能地研究和利用现代化的农业技术和方法。
在现代科学的指导下，充分发挥传统技术的作用，使传统技术和现代科学很好地结合起来。
既要生产出足够的产品来满足不断增长的人口需要，又要不破坏资源和环境，生产绿色（无公害）食品以保证人类健康的需要。
5.生态工程包括生态工程系统（体系）和生态工程技术两个方面。
前者可以是纵向的层次结构，也可以发展为由几个纵向工艺链索横连而成的网状工程系统；后者则是这个系统中的某个环节即某个具体的工艺技术。
第三节
生态工程的发展历史及现状
国外生态工程的发展
生态工程一词自H.T.Odum提出后，即在北美和欧洲得到了广泛应用。
H.T.Odum在生态工程领域一直率先推动生态学理论的实践和适应，他开展了许多主要的生态系统设计试验，如在德州PortAransas（H.T.Odum,etal.,1963）,北卡州的Morehead城（H.T.Odum,1985,1989）和佛罗里达州的Gainesville（EwelandH.T.Odum,1993）开展的试验，后两个试验包含了利用湿地处理生活污水的内容。
1989年由WJ.Mitsch和S.E.Jorgensen编写的生态工程一生态技术介绍出版,其后于1992年开始发行生态工程刊物
国外生态工程发展
近十几年来，西方生态工程正在从研究走向应用。
>如在美国加洲南部河口区湿地，建立了利用湿生植物香蒲等去除重金属，改善水质,并进行复垦的生态工（Brown,1991）；
>在丹麦格雷姆斯湖（Glums）建立了防治富营养化的生态工程（Jorgenson,1993）,
>德国建立了以芦苇为主的湿地处理废水的生态丁（Etnier,1991）,
>美国1992年提出的环保4R（reduction,recovery,reuseandrecycle）策略正在逐步实施。
总的来说，西方生态工程研究及实践范围较窄，重点集中于环保生态工程，农业生态工程的应用也局限于持续农业、有机农业的试验与推广。
我国生态工程的发展历史及现状
我们的祖先很早就开创出一条独有■的发展农业生产的途径，自觉不自觉地采用了某些生态丁程原理和技术，产生了古代农业生态丁程最早的雏型。
（一）古代农业生态工程雏型
■食物链原理
“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃滋泥（水中微小生物）”；“螳螂捕蝉，黄雀在后……”我国生态工程的发展历史及现状系统联系原理
阴阳说、五行论、
■治水工程
都江堰水利枢纽工程
■土地多样化利用
多样化的梯田、南方架田、水旱轮作等
■复合农业
农渔结合、农牧结合、农林结合等
生态工程应用范围涉及农业、环保、林业、养殖等各个领域，遍布各类型区。
目前国家有组织的农业生态工程试点县、乡、村或农场有2万多个；
国家五大防护林生态工程覆盖面积占国土10%;
城市及村镇各类污水处理生态工程试点300余处；
生态工程领域发表文章：
4000余篇；
我国农业生态工程研究特点
■研究对象以农业生态系统为主，内容更广泛，综合性更强，与西方国家生产专业化特点不同。
■我国的农业生态工程研究目标注重生产效益、经济效益和生态效益的结合。
■注重传统农业技术和现代技术的结合。
■政府重视、政策导向、广泛开展。
■生态工程包括生态工程系统（体系）和生态工程技术两个方面。
前者是指对一个特定区域整体的农业生态工程设计和建设而言；而生态农业技术则是对某个具体的工艺设计而言，如间套作技术等。
农业生态工程研究发展趋势
■研究广度、深度更加扩大与加深。
如综合养殖生态工程、节水农业生态工程、污水灌溉生态工程、设施农业生态工程、混林农业生态工程、土壤管理生态工程、农业废弃物资源化再生循环利用生态工程、农村能源生态工程、大型畜牧场粪便处理环境治理工程以及水土流失地区小流域治理工程等；
■研究内容将向着规范化和可操作性的方向发展。
迄今我国的农业生态工程研究主要着重在两个方面：
第一，对农民自发建立的生态工程类型、模式和效益的调查与分析；第二，村（厂场）、乡、县三级农业生态工程的设计与规划；
■由国家有关部门组织更多的专业研究单位和机构，以及进行不同部门、机构的大协作，进行多学科综合研究。
■涉及的不仅是农村的大农业部分，而且与非农业生产的第二、三产业密切结合，在农业生态工程基础上发展成农村生态工程。
环境保护生态工程特点及趋势
环境保护生态工程类型：
■无（或少）废工艺系统（如工厂废热源的再利用，工业废物的净化等）
■分层多级利用废物生态工程
■复合生态系统内的废物循环、再生系统（如桑基鱼塘生态工程）
■污水自净与利用生态工程（污灌、污水养鱼）
■城乡结合生态工程（如城市粪便/垃圾一沼气一农田或鱼塘；食品厂废物一饲料一农田）
环境保护生态工程的发展
■植物修复，如应用凤眼莲富集回收电影胶片厂废水中的银；
■废物资源化利用，如上海崇明岛东风农场实施以奶牛场为主的废物分层多级利用生态工程；
■污染湖泊及水体生物修复生态工程，如中科院南京地理研究所等单位实施凤眼莲为主的污水处理与利用生态工程；
■应用微生物技术对畜禽粪便、生活垃圾除臭的研究
其他方面生态工程的研究
■除上述之外，还在再生能源开发、防护林的重大建设工程等方面进行了研究与实践。
例如在森林资源的管理和防护林营造方面，我国的林业生态工程研究和建设也已取得了重大成就，其中最引人注目的是“三北”防护林研究与建设这一大型生态工程项目。
是世界最大的生态工程项目之一。
林业部还在我国一些地区开展了县级生态林业工程建设，特别是长江中上游防护林工程。
■生态工程的思想和方法也被用于大型工程项目的研究和建设之中。
正在建设中的长江三峡工程涉及范围广泛，建成后将对长江及其沿岸的生态环境和社会经济发展造成重大而长远的影响，因此三峡工程已经不再是一个单纯水利工程、电力工程或建筑工程，而是一项巨大的生态工程综合体，对它的设计和建设必须充分考虑到其生态后果。
因此将生态工程的思想和方法引入到三峡工程的设计和建设中去是十分必要的。
■综上所述，我国的生态工程研究状况与趋势是：
历史较短，成效显著，涉及面广，注重综合；效益前景也越来越广阔，工程规模将越来越大。
国内外生态工程的特点比较
国外
国内
哲学思想的差异
世界万物都是上帝创造的，上帝可以改变一切，创造一切。
天道与人道一脉相承的体系，
社会经济背景的差异
先污染后治理
先污染后治理
基础理论与
设计的差异
主要是以环境科学与生态学为
主要理论依据；设计原理和技术路线单一。
基本局限自然科学范畴，
以恢复生态系统自组织能力为主。
借鉴国外的经验；
我国比较复杂，不仅仅运用自然科学，而且运用经济学、系统论等科学理论。
对象与目的差异
针对自然生态系统的保护和环境污染治理，内容单纯、规模较小，目的偏于污染治理和环境保护
针对我国社会经济发展的现实与生态环境的现状了进行的的综合性工程。
范围广泛、内容复杂；包含“社会-经济-自然”负荷生态系统全部内容和庞大的系统工程
表12中国和西方生态工程比较
项n
-美
中国
背景
经济及科学技术发达，生态危机主要表现
经济及科学技术正在发展中，生态危机表
在环境污染
现在人口众多、资源破坏、能源不足，食物不充裕和环境污染多方面
理论基础
生态学原理及生态控制论为主，综合多门
生态学原理及生态控制论为主，综合多门
自然基础学科
自然和应用技术学科及社会学科
对象
以自然生态系统为主.或重建宝态系统
以社会-经济然复合生态系统为主
H的
环境保护为主，偶赧顾经济效益
经济、生态、环境和社会的综合效益
设计原理
生态系统的自我设计为主.辅以人为干预
按预期经济、生态和社会的目的及规律.人为干预为主
技术路线
主要调控强制函散
主要通过生态工艺调控系统内结构功能
能源
太阳能为主.辅以化石燃料或电能及很少
太阳能为主.辅以人力及校少化石燃料或
人力
电耗
再生循环
可采用
绝对需要
商品生产
通常无
农、林、渔、备禽产品及-些轻r原料
生物多样性
单纯
复杂
价值
美化环境.白然资源保护•少或无市场价值
高产、优质、低耗、高效生产商品,废物充分
利用，环境保护
第四节
我国生态工程的发展战略
我国生态工程研究发展战略的基本原则
■必须紧密为工农业生产和国民经济建设服务
＞生态农业、无公害（绿色、有机）农业
＞生态工业、生态产业
＞城市及农村环境保护与污染治理
＞区域、流域生态建设
生态工程研究发展战略的基本原则
1.应加强理论性的研究
不同微、中宇宙或生态系的结构；生态系统及复杂系统的诊断分析方法；能值（EMERGY）
及其它生态工程语言；工程设计原则及原理
2.应在吸取国外经验教训的同时，突出我国的特色和先进性
传统技术（间作、农牧结合）；综合、统一；多样化
我国发展生态工程研究的基本对策
■制定发展规划，加强组织管理；设立重大项目，组织协作攻关；培养人才；开展国际交流
生态工程领域中急需研究的重要课题
■生态工程模式调查及分类研究
探求不同地区最佳类型及其相应的配套技术。
如稻田养鱼、基塘种养，多熟制立体农业,以及人工草地生态工程等。
■生态工程模式化、规范化的可行性研究
主要探讨它与可持续性农业的关系及现代化技术的高度渗透。
■综合评价方法及指标体系的研究
从微观与宏现两个层次探索与评价农业生态工程及环保生态工程的评价方法，目的是引导与促进农民由自发建立的生态工程向定量化、规范化与工程完善化方向发展。
■生态环境恶化的生物对策性生态工程研究
包括草灌，防护林生态工程与环境综合建设工程的研究。
生态工程领域中急需研究的重要课题
■农业废弃物资源化工程研究
通过农村再生饲料工程、再生能源工程（沼气工程）与生物资源再利用工程的多种技术，提高可再生资源利用率。
■城市工矿地区的大量工业有机污水，有机垃圾的生物多功能净化与资源化工程的研究：
包括污水处理净化工程，土地处理净化工程，食品加工厂与大型畜禽养殖场的废弃物资源化工程，以及污水厌氧与耗氧相结合的能源环保工程等。
■大型农牧场的“种一养一加”良性循环生态工程的研究
■国家重大生态工程项目建设的长期生态问题预测及其模拟试验研究
■合理开发国土资源的立体景观生态工程设计及技术的研究。
如一个流域，一个山体,一个大景观单元的生态工程设计需与整个国土合理整治开发结合起来。
■我国生态工程建设创新及其发展预测的研究。
如某些农业生态工程，环保生态工程等也许是这一时期生态工程建设的突破点，其依据及其发展预测需通过信息系统等手段加以研究。
第二章
生态工程基本原
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