高中生物 第二单元 生态工程与生物安全 第1章 第1节 生态工程及其原理教案 中图版选修3-中图版高

第一节生态工程及其原理
1．关注生态工程的建设。

2．简述生态工程的原理。

(重难点)
生态工程的概念与目标
1．概念
为了人类社会和自然双双受益，着眼于生态系统，特别是社会－经济－自然复合生态系统的可持续发展能力的整合工程技术。

2．目标
保护环境与资源，力求达到生态效益、经济效益和社会效益的协调统一，使人工控制的生态系统具有更强大的自然再生产和社会再生产能力。

[合作探讨]
探讨1：生态工程建设的起因是什么？
提示：“传统农业”即“石油农业”不注重环境的保护，没有考虑成本，暂时的经济发展是以巨大的生态环境破坏为代价。

探讨2：“污染物是放错地方的资源”这句话对吗？为什么？
提示：对。

对环境造成危害的污染物，采用一定的措施和技术，就能够进行回收和循环利用，这样不但能够减少环境污染，而且提高了资源的利用效率，减少了资源的浪费。

例如，对废污水中的重金属或氮、磷等养分就可以进行回收再利用。

因此说“污染物是放错了地方的资源”。

[思维升华]
1．生态工程的概念
生态工程是指人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，通过系统设计、调控和技术组装，对已被破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，并提高生态系统的生产力，从而促进人类社会和自然环境的和谐发展。

在概念中应注意五个方面：
(1)涉及的学科知识有生态学、系统学、工程学，经济学等。

(2)运用到的技术手段有系统设计、调控和技术组装等。

(3)面临的任务是对已破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统的生产方式进行改善，并提高生态系统的生产力。

(4)最终目的是促进人类社会和自然环境的和谐发展。

(5)生态工程的特点是少消耗、多效益、可持续。

2．生态工程建设的目的
遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。

【特别提示】(1)在进行生态工程建设时，应积极利用自然生态系统的强大自我恢复力，节省投资。

(2)生态恢复力有限，不能认为有了生态工程，就可以先污染、破坏，然后再治理。

1．关于生态工程的叙述，不正确的是( )
A．当人类赖以生存的生态系统出现严重的健康问题时，生态工程应运而生
B．生态工程能够减少环境污染
C．生态工程以牺牲环境和资源为前提，生产出更多的产品
D．生态工程力求达到生态效益、经济效益和社会效益的协调统一
【解析】A为生态工程产生的前提条件，B为生态工程的意义，D为生态工程的目标，C 不是牺牲而应是保护。

【答案】 C
2．下面是进行小规模堆肥及其利用的一些步骤。

①准备一只3 m×1.5 m×1.5 m的箱子(最好是废木箱，因为其透气性良好)，把从厨房和花园收集来的有机垃圾堆放其中，堆放时要保持疏松和透气；②堆肥时要尽量添加一些富含氮的材料；③若材料偏干，应适当浇一些水，并保持一定的温度；④垃圾箱尽量放在某某温暖的地方，材料堆满后盖上盖子；⑤堆肥发酵腐熟后，便成为优良的有机肥料，可用于作物和花卉的施肥。

(1)堆肥的生物学原理是___________________________________________。

(2)添加一些富含氮的材料可以加速发酵过程，因为
_______________________________________________________________。

(3)堆肥发酵过程中的重要物质变化之一是：①蛋白质→NH3；②NH3→NO－3。

参与上述过程的主要微生物的新陈代谢类型分别是①________；②________。

(4)研究发现，生活垃圾经过堆肥发酵后，其中的致病微生物(包括寄生虫的卵)基本被消灭，请你简单阐述其中的道理。

(提示：请考虑发酵导致堆肥内部环境的变
化)___________________________________________________________
_______________________________________________________________。

(5)如果只用堆制的肥料作为花卉的培植土，这些花卉能正常生活吗？为什么？
_______________________________________________________________。

【解析】有机物不能被植物直接吸收，所以要使分解者分解后才能利用；分解者自身也需要一定的营养物质，所以为了加快分解过程可以给其提供一些营养；发酵过程产生的热可以杀死一些微生物；有机物被分解后不能直接利用其来栽培植物，原因是无机盐太多，植物无法吸水。

【答案】(1)利用营腐生生活的微生物(分解者)把有机物分解为无机物
(2)作为营腐生生活微生物的氮源，可以促使这些微生物迅速地繁殖
(3)①异养需氧型②自养需氧型
(4)微生物的呼吸作用产生热量，从而导致堆肥内部的温度升高，高温环境将致病微生物(包括寄生虫的卵)杀死
(5)不能；堆制的肥料中的无机盐浓度过高，会出现烧苗的现象
生态工程的基本原理
1．食物链原理
在自然生态系统中，食物链既是能量转化链和物质传递链，也是价值增值链。

在农业生态系统中，可通过调整食物链长度的方法，利用相应的腐生生物，将各营养级的食物残渣或粪便等排泄物进一步转化，来提高生物能量的利用率。

2．生态位原理
(1)每一种群在多维的生态空间中都有其理想的生态位，而每一种环境因素都给生物种群提供了现实的生态位。

(2)在农业生态工程设计中，如果把适宜且有经济价值的物种引入系统中，填充空白的生态位，从而阻止一些有害的生物(如杂草、病虫、鸟兽)的侵袭，就可以形成一个物种多样化、种群稳定的生态系统，并使有限的资源得到合理利用，减少资源的浪费。

3．限制因子原理
(1)各种生物的生长发育过程中对各种生态因子都存在着一个生物学上限和下限，它们之间的幅度就是该种生物对某一生态因子的耐性X围。

(2)当生态因子接近或超过某种生物的耐受极限时，就会限制其生存、生长、繁殖或分布。

4．整体效应原理
生态系统是由若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体，其基本特征是整体性。

5．其他原理
在生态工程的建设过程中，我们还必须遵循的其他生态学原理有系统论原理、多样性原理、生物共生原理、物质循环与再生利用原理。

[合作探讨]
探讨1：生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位，从而避免了系统结构或功能的失衡。

这体现了生态工程的什么原理？
提示：生态位原理。

探讨2：在我国“三北防护林”建设中，某地区单一种植了大片的樟子松林，后来在水肥充足的情况下很多地方的樟子松林被松毛虫吃成了“不毛之地”。

而在澳洲的大堡礁内养分稀少的深海中却生活着约1 100种鱼类，还有超过300种的造礁珊瑚以及无数已被命名或尚待发现的海洋无脊椎动物和藻类，这说明在生态工程建设中应遵循什么原理？
提示：多样性原理。

探讨3：某牧草的留种区，为了预防鸟啄食草籽，用网把留种区罩起来，后来发现，留种区草的叶子几乎被虫吃光了。

发生这种现象违背了什么原理？
提示：食物链原理。

[思维升华]
生态工程的基本原理
项目理论基础意义实例
食物链原理食物链结
构和功能
提高生物能量的利用率生态农业的建立
生态位原理生态位
定义
阻止一些有害的杂草、病虫、
鸟兽的侵袭，形成一个物种多
样化、种群稳定的生态系统，
并减少资源的浪费
稻田养鱼
整体效应原理整体性，
不可分割
性，协调
性发展
通过不同子系统或者组分之
间适当的比例关系和明显的
功能分工，使得系统顺利地完
成物质、能量、信息与价值的
转换
农业是一个社会—经济—
自然的复合系统
限制因子原理最小因子
定律、耐
性定律
保证生物的正常生长、发育和
繁殖
对于干旱或半干旱地区，水
是限制因子
多样性原理多样性
理论
促使复合系统的稳定性增加
引入现有生态系统中没有
的新物种
物质循
环与再生利用原理物质循
环、能量
流动
提高系统的生产效率，同时也
减少生产过程中对环境的污
染
无废料生产体系
生物共生原理生物间互
利共生关
系
加强物质循环作用，保证生态
工程的稳定性
大豆与根瘤菌共生
系统论原理整体性效
应
指导生态工程的设计与实施农—副—工联合系统
【特别提醒】①生态工程的建设应遵循以上几个原理，但不同的生态系统遵循的原理可能不同。

②建立不同的生态工程时，要因地制宜，可通过适当满足物种生存、生长或繁殖的环境条件来提高物种的适应能力。

1.豆科植物和固氮菌互利共生，当把它们分开时，两者的生长都要受到损害。

这体现了生态工程的什么原理( )
A．生态位原理B．食物链原理
C．生物共生原理 D．多样性原理
【解析】本题考查对生态工程原理的理解。

生态工程的原理主要包括生物共生原理、生态位原理、食物链原理、多样性原理等。

豆科植物和固氮菌之间体现的是生物共生原理。

【答案】 C
2．某某古泉生态农场是生态农业的典X。

该农场将养猪、养鱼、沼气工程、养鸭、种植农作物、养蘑菇、种桑养蚕、种植果树等多个生产过程合理有机地结合起来，成为一种高效良性的循环，生态效益、经济效益达到了良性发展。

请就生态农场的特点，回答下列问题：
(1)该生态农场充分体现了生态工程基本原理的________原理和________原理。

(2)该系统的核心之一是沼气池，在沼气池发酵过程中，有一种微生物具有除臭作用，这种微生物是________，它的除臭过程是_______________________，
该微生物是此生态系统的________(填成分)。

(3)根据生态工程中的物种多样性原理这一理论，有人认为生态农业建设中，应使食物链和营养级越多越长越好。

请你结合所学的有关生态工程原理，分析该结论是否正确？为什么？
【解析】生态工程中的生态农业是建立在物质循环再生原理与物种多样性原理基础上的农业，体现了生态效益、经济效益的整体效应。

从能量流动的逐级递减的特点来看，食物链不能无限延长，一般维持在5～6级。

【答案】(1)物质循环再生多样性(2)硝化细菌将氨氧化成亚硝酸盐和硝酸盐分解者(3)不正确。

因为食物链多，各食物链中的生物数量难以达到一定规模，影响经济效益；营养级多，高层次营养级生物获得的能量较少，该营养级的生物数量也较少。

1．桑基鱼塘是将低洼稻田挖深做塘，塘内养鱼，塘基上种桑，用桑养蚕，蚕粪养鱼，鱼粪肥塘，塘泥肥田、肥桑，从而获得稻、鱼、蚕三丰收。

这是哪一方面的典型例子( ) 【导学号：99310065】
A．维持原有的生态平衡
B．根据人类需要建立新的生态平衡
C．加速生态系统的物质循环
D．加速生态系统的能量流动
【解析】桑基鱼塘的建立是根据人类需要建立的新的生态平衡，使人类对能量多级充分利用，提高能量利用效率，减小环境污染。

【答案】 B
2．设计生态工程的常用方法之一是给食物链(网)“加环”，如图就是一种“加环”示意图，据图判断下列说法不正确的是( )
A．用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇可增加经济效益
B．用残渣来培育食用菌和蛆蛹，实现了物质的多级利用
C．用蛆蛹粪便作为有机肥还田，运用了能量循环再生原理
D．该生态工程的运转离不开人的管理
【解析】A项提高了副产品的经济价值，减少了环境污染；B项使残渣中的能量流向生物，提高了能量利用率，减少了环境污染；C项用蛆蛹粪便作为有机肥还田，这些有机物在田里会被微生物分解为无机物而被植物利用，这体现了物质循环与再生利用原理，能量流动是单向的。

【答案】 C
3．请分析图示回答问题：
(1)该生态工程所遵循的基本原理是______________________。

(至少写2种)
(2)该生态系统的能量流动从____________________开始，图中属于消费者的生物有
____________。

(3)与传统农业生态系统相比，该生态系统更能净化环境，主要原因是
___________________________________________________________________。

【解析】(1)本题中提到的农业生态系统中的秸秆等可以循环往复再利用，能量可以多级利用。

(2)各种农作物之间相互协调，使流经该生态系统的能量被充分利用，流经该生态系统的总能量是桑等生产者固定的太阳能，各级动物是该生态系统的消费者。

(3)与传统农业相比，该生态农业可以实现废弃物的再利用和能量的多级利用。

【答案】(1)物质循环与再生利用原理、物种多样性原理、整体效应原理(任写2种即可)
(2)桑等生产者固定的太阳能蚕、禽、畜
(3)粪便等“废弃物”被及时利用
4．在社会主义新农村建设中，我国南方某些地区建立的“桑基鱼塘”(如图所示)构建了新型农业生态系统。

据图回答有关问题。

(1)该生态系统所需的能量最终来自________。

(2)该生态系统的生产者是________。

(3)该生态系统中除了已知生物种类外，还必须有____________等生物作为________。

(4)在该生态系统中，实现了物质的多级利用，提高了______________，减少了
______________。

(5)人们建立这一生态系统的目的是_________________________________
_______________________________________________________________。

(6)在进行生态工程建设时应该遵循生态工程的基本原理，这些基本原理主要包括________原理、________原理、________原理、________原理。

【解析】本题考查生态系统的组成成分和生态工程原理的应用。

分析图解可知，该系统的桑、稻能利用光能进行光合作用，所以是生产者。

图中只有动物和植物，缺少营腐生生活的生物，如细菌、真菌等分解者。

在该生态系统中，一种产品的废料可作为另一种产品的原料，所以提高了物质和能量的利用率，减少了废料对环境的污染。

人们建立这一生态系统的目的是调整生态系统的能量流动关系，使能量流向对人类最有益的部分。

不同的生态系统遵循的原理可以不同。

【答案】(1)太阳光能(2)桑、稻(3)细菌、真菌分解者(4)能量利用率环境污染(5)调整生态系统的能量流动关系，使能量流向对人类最有益的部分
(6)生物共生生态位多样性食物链
课堂小结：
网络构建核心回扣
1.生态工程起源于生态学的发展与应
用，目标是在促进生态系统良性循环的
前提下，充分发挥物质的生产潜力，防
止环境污染，达到经济与生态效益的协
调发展。

2.生态工程是为了人类社会和自然双
双受益，着眼于生态系统，特别是社会
－经济－自然复合生态系统的可持续
发展能力的整合工程技术。

3.生态工程的基本原理有：食物链原
理、生态位原理、限制因子原理、整体
效应原理、系统论原理、多样性原理、
生物共生原理、物质循环与再生利用原
理。

(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1．下列不属于生态工程建设目的的是( )
【导学号：99310066】
A．对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善
B．防止环境污染
C．单纯追求粮食产量
D．促进人类社会和自然环境的和谐发展
【解析】根据生态工程的概念可知，防止环境污染，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，促进人类社会和自然环境的和谐发展都是生态工程建设的目的。

只有C项不正确，单纯追求粮食产量有可能影响整个生态系统的和谐发展。

【答案】 C
2．下列有关生态工程的叙述，不正确的是( )
A．为了实现可持续发展，经济发展必须符合生态学规律，改变“人类能征服自然”的错误观念，走生态经济之路
B．“无废弃物农业”所采用的肥料一般是采用人畜粪便、枯枝落叶、残羹剩饭、河泥等通过堆肥和沤肥等方式转变成的有机肥，也可适量地使用化肥
C．众多的生物通过食物链关系相互依存，就可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力
D．珊瑚礁之所以能够保持很高的系统生产力，得益于珊瑚虫和藻类组成的高效的植物——动物营养循环
【解析】“无废弃物农业”不包括使用化肥。

【答案】 B
3．下列措施与生态工程的原理不符合的一项是( )
A．森林的采伐量小于生产量
B．人工鱼塘生产者的能量小于消费者的能量
C．农田通过农作物输出的氮素多于补充的氮素
D．向农田施用的无机氮肥多于生物固定的氮肥
【解析】森林的采伐量小于生产量，利于森林的发展；人工鱼塘生产者的能量小于消费者的能量，可以通过人工补充能量来维持；农田通过农作物输出的氮素多于补充的氮素，土壤就会越贫瘠，影响可持续发展；向农田施用的无机氮肥可以多于生物固定的氮肥。

【答案】 C
4．下图是“无废弃物农业”物质和能量流动图，该图所体现的主要生态工程原理是( )
A．多样性原理B．整体效应原理
C．物质循环与再生利用原理 D．食物链原理
【解析】由图可知，该图突出了“无废弃物农业”，实现了物质的区域小循环，做到了物质和能量的分层分级利用，因此主要体现了生态工程的物质循环与再生利用原理。

【答案】 C
5．下列不属于生态工程的是( )
A．沼气工程 B．桑基鱼塘
C．长江两岸加固河堤 D．退耕还林还草
【解析】A、B、D项都是利用生态工程原理实行生态系统的可持续发展，C项与生态工程无关。

【答案】 C
6．对生态农业原理中能量多级利用的理解，正确的是( ) 【导学号：99310067】A．尽可能设计一条很长的食物链
B．使流向人类的能量最多
C．实现“原料—产品—原料—产品”的生产模式
D．通过生物防治减少能量损失
【解析】在农业生态系统中，要合理利用资源，实现物质的多级利用，使能量最大限度地流向人类或人类所需的产品。

食物链过长，能量在食物链中流动时逐级消耗，人类所获得的能量太少。

【答案】 C
7．要实现人与自然的和谐发展，下列措施最合理的是( )
A．通过生物技术手段，转化淀粉生产可再生能源
B．使用化学农药防治病虫害，保证粮食稳产
C．发展生态农业，实现物质和能量的多级利用
D．大力开垦湿地，扩大粮食种植面积
【解析】要实现人与自然的和谐发展，就应该发展生态农业，实现物质和能量的多级利用；转化淀粉生产可再生能源，能量利用率不高；使用化学农药防治病虫害，容易导致环境污染；开垦湿地，易导致生态系统遭破坏。

【答案】 C
8．下列关于生态工程的叙述中，错误的是( )
A．生态工程是生态学与系统学、工程学等学科交叉产生的新兴学科
B．生态工程追求经济与生态的双赢
C．生态工程是无消耗、多效益的工程
D．生态工程促进人类社会和自然环境的和谐发展
【解析】生态工程是一种少消耗、多效益、可持续的工程体系，不是不消耗任何资源。

【答案】 C
9．为了解决粮食生产和环境保护问题，实现农业可持续发展，当前有效的途径是( )
①合理开发海洋，寻找新的粮食资源②控制人口增长，协调人与自然和谐发展③增加化肥和农药的使用，提高作物产量④开荒辟地，围湖造田，扩大粮食种植面积⑤利用现代生物技术，培育具有较高光合效率的作物品种
A．①②③ B．①②⑤
C．①③④ D．③④⑤
【解析】本题考查的是人口增长对环境的影响和生态农业，生态工程的有关知识点。

“可持续发展”的战略思想是指经济发展不仅要满足当代人的需要，还要不危害后代人的发展能力；生态利益应和社会利益与经济的增长协同发展。

增加化肥和农药的使用提高作物产量的同时又造成严重的农产品污染和环境污染；而开荒辟地，围湖造田扩大粮食种植面积的同时又破坏了生态环境甚至导致洪涝灾害等问题。

【答案】 B
10．一青年农民利用自己学习的生态学知识，在自家庭院搞了一个小型生态农业。

他在0.25亩的土地上，地面养蘑菇和密环菌，空中架箱养蚯蚓，顶上搭葡萄架，需光的采光，不需光的阴凉，各取所需，各自生活在各自的生态位置上，同时用蚯蚓喂鸡，鸡粪喂猪。

猪粪汇集产沼气，沼气点灯做饭，沼渣做肥料，最大限度地利用了物质和能量，使0.25亩的土地产生了年产值几万元的收入。

请分析回答：
(1)此生态系统的生产者是________，分解者是________。

(2)设计该生态系统遵循了________原理。

(3)请你根据生态系统能量流动的原理画出此生态系统的能量流动和利用图(各种生物呼吸作用消耗和分解者消耗能量可不标出)。

【解析】本题考查生态农业的有关知识。

此生态系统的生产者是绿色植物即葡萄，分解者是腐生的蘑菇、甲烷菌、蚯蚓；设计该生态系统遵循了物质循环再生的原理；生态系统的能量流动是从生产者固定太阳能开始，沼气池中产生的能量可以作为农户生活能源，沼渣做肥料时植物从中获得的是矿质元素，不是能量。

【答案】(1)葡萄蘑菇、甲烷菌、蚯蚓
(2)物质循环与再生利用
(3)
[能力提升]
11．据图判断，下列叙述不符合生态学原理的是( )
A．物质经过多级利用，实现了良性循环
B．每一级生产环节都获得产品，提高了生态经济效益
C．由于食物链延长，能量逐级损耗，系统总量利用效率降低
D．由于各级产物都可以利用，减小了废物和污染
【解析】本题给出了最常见的生态农业模式，应用了生态工程的基本原理。

选项A符合物质循环再生原理；选项B对物质循环再生进行进一步阐述；选项C与能量多级利用提高了利用率的事实不符；选项D在物质循环再生基础上，阐述“污染物是放在错误地点的原料”的含义。

【答案】 C
12．根据下图说明我国现有的生产模式严重违反了什么生态工程原理( ) 【导学号：99310068】
综合污染物排放量图我国能源消耗总量图
A．整体效应原理
B．系统论原理
C．多样性原理
D．物质循环与再生利用原理
【解析】从图中不难看出，能源消耗逐年增多，综合污染物排放量也在增加，这是由于对污染废弃物的利用缺乏设计，同时能量的利用率不高所致。

【答案】 D
13．同学们在“设计某地人工生态林”时提出以下观点：
①选择适合本地生长的树木种类；②尽量增加树木种类；③选择树种时注意不同品种生长的高度。

上述观点提出时遵循的主要生态工程建设原理是( )
A．生物共生原理
B．物质循环与再生利用原理
C．多样性原理
D．整体性原理
【解析】生物共生原理是利用生物与生物之间共生互利关系，加强物质循环作用，保证生态工程的稳定性；物质循环与再生利用原理的主要含义是物质能在生态系统中循环往复，分层分级利用；物种多样性原理的主要含义是物种繁多复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性；整体性原理的主要含义是生态系统建设要考虑自然、经济、社会的整体影响。

题中观点遵循的主要原理是物种多样性原理。

【答案】 C
14．依据生态学原理对农村家庭生活用燃料、厨余垃圾和庭院养殖进行整体设计，构建的庭院生态系统如下图。

请回答下列问题：
农村庭院生态系统模式图
(1)该生态工程设计将猪圈养在温室内的目的是：农作物在生长过程中能为猪提供
________；温室给猪的生长提供了适宜的________环境。

(2)该生态系统中的________________________都可以作为沼气池中发酵的原料。

经过发酵产生的沼渣、沼液可以____________。

沼气池中菌群属于该生态系统成分中的________。

(3)该生态工程设计的优点是_______________________________________。

【解析】农作物光合作用产生氧气供猪利用，温室温度高，给猪提供了热量维持体温，减少了猪自身的能量消耗。

人畜粪便、秸秆、厨余垃圾等可进入沼气池发酵产生沼气，沼渣、沼液作为肥(饲)料。

沼气池中菌群属于分解者。

该生态工程减少废弃物产生，实现了物质的多级利用，提高了能量的利用率。