第3章_生态工程设计的方法

及景观的稳定性要求。
在程序编写中，采用人机对话的人机交互系统，立足于斑块自 然属性和潜力，通过人为修正，逐步使设计方案满足于景观尺 度上的经济与生态要求。 系统程序由FoxBASE＋系统与PC ARC/INFO、DYNAMO、
F77等软件组成。
生态建设方案设计流程图
第三节 稳定性分析与控制方法
利用系统动力学仿真模型设计生态工程建设方案
（1）因果关系分析：郭家沟村的粮食需求是经济对土地提 出的最基本要求。
存在的问题：单纯依靠经 济效益较好的河谷平地上 的种植业已无法满足其粮 食生产的需求，于是迫使 人们开垦山地，建立低经 济效益的种植业，粮食作 物产量产值波动较大。
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解决办法： • 提高现有粮食的单产量 • 在山地引进牧草种植业 ，减少饲养业对粮食的 消耗，促进畜牧业的发 展
1.案例分析
吉林省西部处于温带农牧交错带，其多数地区存在着不同 程度的沙化和碱化现象，沙化常与风蚀相伴生，而碱化则 多发生在低洼地和易涝地。
吉 林 省 西 部 地 区
2.指标选取及指标体系的建立
科学依据：
生态系统是人与自然综合作用的产物。任何一种生态系统的形成、 演变都要受此两种作用的支配，生态系统的稳定与否也受这种作用 制约。 三个指标： 地形和地貌：地形过“分配效应”改变物质和能量的分布状况 人类对生态系统的利用水平：其在很大程度上影响生态系统生 物量的多少，用于评价生态系统稳定性 土壤退化：直接反映土壤肥力的重要指标。土壤退化程度直接 关系到生态系统稳定程度的高低
二、景观稳定性分析
1.斑块的稳定性评价 景观及生态系统作为远离平衡态的功能藕合系统，其稳定性 依赖于内部存在着的消除偏差的负反馈，而对稳定性的破坏， 则既可来自于超过景观及生态系统稳定性阂值的强干扰，又 可以是景观及生态系统中具有增强偏差功能的正反馈。
以生态建设为目的景观稳定性评价，应包括三个主要部分， 即斑块的稳定性分析、干扰在景观中传播能力分析和景观整 体的稳定性分析。
应用
仿效演替过程 促进演替过程
二、仿效演替过程 人类可以仿效生态系统的演替过程对被 破坏的景观进行恢复和重建。
案例：鄂尔多斯市准格尔旗东部的黑岱沟露天煤矿排土场复耕 存在的问题： • 黑岱沟露天煤矿属黄 土高原地区，是我国 水土流失最严重的地 区之一。 • 露天煤矿的开采，既 造成很多劣地，也加 剧了水土流失。
（2）调整系统结构，在生态保护系统安全的 条件下发展生产：设计生态廊道，建造防风 固沙林或水土保持林，构筑合理的生态结构。 （3）建立生态系统网络监测体系：采用遥感 技术进行生态系统的宏观监测。
根据生态节点，划分生态功能区
3.促进生态演替的案例
秦岭山地横贯中国中部地区，是东亚地区生 物多样性最丰富的地区之一。
以生态演替原理为指导，对黑岱沟露天煤矿排土场的土地 复耕取得了良好的生态效益、经济效益和社会效益。
①初期阶段：以速生先锋植物为主迅速恢复植被，有效控 制水土流失。 ②中期阶段：建立具有持续改善排土场生态环境的地带性 或持续性植被。 ③后期阶段：着眼于矿区生态环境的综合治理和土地开发 利用的经济效益，把复耕土地规划为农业、牧业、林业、 养殖业等用地。
三、促进演替过程
生态演替的主要原因是生物之间及生物与 环境之间关系的变化 原理： 要促进正向的生态演替，就必须改变植物 的种类和数量、水分条件、土壤状况及人类活 动的强度。
1.处于逆向演替阶段生态系统的恢复
实质： 应根据地带性规律、生态演替及生态位原
理选择适宜的先锋植物，构建种群和生态系统，实
施生物与生境同步恢复的策略，逐步将生态系统恢
（1）评价指标：选取地形、土地覆盖和土壤退化这三项 指标评价吉林省西部生态系统的稳定性，其中土地覆盖现
状可以反映人类对生态系统的利用水平。
（2）评价结果：用公式法对稳定度进行评价
用上式得出各生态类型（对水域不作稳定程度划分）的综合评价得分将 66个生态类型的总得分从大到小排列，作总隶属直方频率图，找出突变 点，并确定生态系统类型的稳定等级和等级分数值隶属区间。
第二节 区域尺度上的生态工程 设计稳定性
区域尺度上的生态工程建设设计包括两部分：
一是将自然与经济作为一个整体，研究生态建 设对经济的影响和经济发展对土地利用的要求； 二是将斑块尺度的设计与景观的整体功能及经 济要求结合在一起，最终完成区域尺度的生态 工程建设设计，即宏观与微观的结合。
案例——吉林省东部湿润区的郭家沟衬
复到与大气候和地貌条件相协调的水平。
促进正向演替过程的基本步骤： （1）调整社会经济结构，减少人为干扰：调整 人口政策、消费水平和产业结构等。 （2）协调生态系统和周围环境的关系，促进正 向演替：在人工调控的基础上，充分发挥生态系 统的自我调节和自我组织能力。 （3）引进物种，建立稳定的生态系统：选择适 宜植物，通过补播、补植增加地表生物的多样性。
2.处于正向演替阶段的生态系统的保护
目前处于正向演替阶段的生态系统，面对 日益沉重的人口压力及随之而来的对自然资源 需求的持续增长，其稳定发展也将受到越来越 大的威胁，因此，必须加强对其的保护措施。
具体保护措施：
（1）划分生态功能区：根据生态系统结构和 生态过程的特点、人类活动对生态服务功能 的影响及可能产生的生态风险，科学合理地 划分生态功能区，实施突出重点、分区保护 的措施。
它是中国南北自然环境的天然分界线，也是 中国中部生态安全的天然屏障。 对自然资源开发利用的不合理，使这一区域 的生态服务功能下降，生物多样性降低。
为促进正向演替，仿效生态正向模式实施对秦 岭山地的保护，主要措施如下： （1）划分生态功能区：秦岭山地现已列入 国家级特殊生态功能保护区建设试点，按国 家要求，必须制定保护区的规划，而且任何 活动都要服从于该规划。
一、外来种的影响及引进原则
1.外来种的影响
外来种是原生生态系统中没有的物种，它借 助人类活动，穿越空间障碍成功定居并能繁衍。 外来种的引人是柄“双刃剑”，它既可能给生 态系统带来效益，也可能带来灾害。
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第三章 生态工程设计 的方法
张靖 大连民族学院 环境与资源学院 zhangjing@dlnu.edu.cn
目录
第一节 斑块尺度上的生态工程设计
第二节 区域尺度上的生态工程设计稳定性
第三节 稳定性分析与控制方法 第四节 生态演替促进法 第五节 外来种的引进与控制方法 第六节 生态恢复方法
第七节 结构调整的方法
第八节 功能完善的方法 第九节 物质循环与能量转化的调整方法
第一节 斑块尺度上的生态工程设 计
斑块尺度的生态设计应根据各斑块类型的潜力评 价，寻求自然原型中的适宜部分。其评价标准是
生态系统的基本功能是否令人满意，如生态系统
保存功能的大小。 美国生态学家Shugart和West于1977年提出了林 隙模型（FORET模型），由于该模型的理论基础 为立地理论。
二、外来种的引进与控制
1.外来种引进的技术
（1）种源选择和选种育种：引种时要对不同种 源做对比试验，以获取最佳种源。
（2）引种植物试验：引进外来种，必须通过试 验，否则，可能会造成严重的生态问题。
（3）引进植物的栽培：适宜的人工培育措施是 引种最终成功的基本保证。 （4）建立引种技术档案：物种引种驯化是一项 长期、复杂的科学试验，需从引种之初就建立技 术档案，长期积累资料以作为分析引种成败和推 广成果的科学依据。
一、生态类型的稳定性分析
稳定性是指系统对干扰有较强的缓冲能力，在干扰发生时，系统的保 存功能不被破坏，系统输出保持基本恒定。
评价每个生态系统单元的退化过程类型和强度的测定可通过生态系统
的空间组织及其演化历史来实现。 生态系统类型稳定程度的强弱可影响其利用现状，对区域中不同稳定 程度的生态系统类型空间结构进行分析，可为区域生态工程设计方案 的确定提供理论依据。
该模型由两部分组成：种群遗传特征决定生长量；立地条件、 群落外干扰、种群竞争与基质的关系四项指标共同决定种群生 长量
采用FORTRAN语言进行程序编写。程序包括一个主程序 （模拟群落演替过程中植物死亡、萌生更新等过程）和五 个子程序（种群遗传特征、立地条件（主要包括在只温和 土壤状况）随机干扰、种群竞争和斑块面积正态分布。 选择吉林省东部温带湿润的针阔混交林地区作为研究对象， 根据当地实际情况选择红松、冷杉、云杉、落叶松、山杨、 白桦、紫锻、糠锻、水曲柳九个种群输入对应的树种参数， 模拟吉林省东部八个主要斑块类型的各树种的生物累积量。
（3）结果讨论：假定实验区依靠自身的经济能力而 不依靠区域外投资且经济收入除用于解决温饱之外全 部投入生态工程建设，此时的农林用地面积和荒地开 发面积及总收入仿真结果见下表。
2.最终设计方案
生态工程设计的最终方案一般是在地理信息系统支持下完成的。 在方案确定上要兼顾斑块自身性质要求和流域经济的整体要求
第四节 生态演替促进法
演替：“演替是植物群落受到干扰后的恢复过程或原 生裸地植被形成和发展的过程”。
一、生态演替的原理 在未被干扰的自然景观，植物群落总会向该地带稳定 性大的方向发展，称为进展演替或正向演替。 在受到干扰后，原来稳定性较大、结构较复杂的植物 群落消失，取而代之的是结构简单、稳定性较小的植 物群落，或失去植被保护的裸地，这就是逆向演替。
（3）结论
①吉林省西部生态系统在无人类干扰情况下主要为稳
定的生态系统和少量亚稳定的生态系统；在人类干扰 停止或减轻后，亚稳定生态系统可逐步向稳定的生态 系统方向演替。 ②吉林省西部的人为干扰尽管很强，但目前仍以稳定 的生态系统和向稳定方向发展的亚稳定生态系统占优 势，二者面积为244.9万公顷，占评价面积的61.9%。 ③在亚稳定生态系统中，目前有占面积38.6%的生态 系统正在向不稳定生态系统的方向发展，急需治理。
（2）健全和完善自然保护区体系：生物多 样性保护是区域生态建设的主要内容之一， 截止到2000年，秦岭山地正式成立了9个自 然保护区，面权达3.24万km2，占秦岭山地 总面积的6.06%。
（3）规范生态旅游，减少人为干扰：秦岭山地 发展生态旅游的条件得天独厚，目前已建有10 个风景名胜区和24个森林公园，在减少人类干 扰，加大保护力度的前提下合理开发具有区域 特色的野生植物资源。
（4）生物资源的持续利用：过去对秦岭山地的 生物资源开发多处于无节制的过度利用状态， 导致生物资源极大的破坏和浪费，近几年来， 在保护的前提下合理开发利用已取得一些成果。
（5）实施生态工程建设：在秦岭山地，随着国 家级生态功能保护区建设工作的开展，应重点 实施九大生态工程建设。
第五节 外来种的引进与控制方法
2.外来种引进的原则
（1）适生原则：每种生物都有各自的适生生境， 即对气候、土壤和地形等条件有特殊的要求。
（2）利大于弊原则：在外来种引人前，不仅要做 成本－效益分析，还要进行环境影响评估，对其经 济价值和生态价值作综合评估，以确定其短期与长 期的发展目标。
（3）可控性原则：在引人外来种之前，应分析研 究外来种定居方面的特性和传播特性，掌握控制外 来种的技术，防止其过度扩散。
郭家沟村生态设计的关键是 建立具有自我加强的正反馈 回路：种植牧草→牧草产量 →牧草产值→牧草业投资→ 进一步种植牧草。 郭家沟村的输出从粮食转为 饲料和畜产品，进一步减少
了郭家沟村的粮食需求。
郭家沟村生态工程建设的因果关系图
（2）设计流图和程序：
设计流图就是把无法用方程表示的因果关系用 “流”及控制“流”的信息反馈环路表述出来。其 基本过程是： ①选择评价系统功能的指标型 ②积累变量的选择 ③非积累变量的选择 ④流图的构建 ⑤设计程序