第3章 清洁生产与循环经济基础理论

雄蛾的触角可以“嗅”到十公里外雌蛾发出气味 （性外激素）
实验1：把一只雌蛾关在笼子里，吸引了大量雄蛾来交尾。 实验2：把雌蛾装进密闭透明容器后，雄蛾对雌蛾视而不见。
营养信息 由于外界物质数量和质量变化，通过生物感知引起生物的生理代谢变化，
并传递给其他个体或互带，以适应环境。
感知途径：营养级、食物链和食物网。 如：上一营养级数量减少，下一营养级降低繁殖率、竞争加剧；蝗虫食物 短缺迁徙；饲料不足，牲畜生长不良，草场退化。
数学生态学、化学生态学、人类生态学
3.3.2 生态系统
• 生态系统： 一定时间和空间范围内，生物之间、生物与环境之间密
切联系、相互作用，具有一定结构、执行一定功能的综合体。 由生物群落与非生物环境相互依存所组成的一个生态学功能单位。
生态系统生态学：生物群落与其生存环境相互作用下，生态系统结构和功能
（3）持续性：人类的经济和社会发展不能超越资源与环境的承载能力。
“耗用资源+排放废物”
3.2 物质平衡理论
3.2.1 热力学第一定律——能量守恒定律
“孤立系统的总能量保持不变。” “能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只
会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物
体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。”
十分之一定律：
能量沿食物链流动时，会越来越小，通常后一营养级所获得的能量大约 为前一营养级的能量的10%~20%。 能量沿食物链传递过程中会衰减。
（2）物质循环
物质循环的类型
生物地球化学循环：地球上各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下，在不
同层次的生态系统和生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，再从生物体到环境，不断 进行流动和循环的过程。即生物所需要的化学元素在生物体与外界环境之间的转运过程。 地质大循环 按生物与环境关系 生物小循环 分类 气相型循环 按循环路径
可持续发展的本质：平衡人与自然和人与人的两大关系。
可持续发展归结为以下三条：
人类对自然的索取，必须与人类向自然的回馈相平衡； 当代人的发展，不能以牺牲后代人的发展机会为代价；
本区域的发展，不能以牺牲其他区域或全球的发展为代价。
公平性原则（权利）
可持续发展的原则 共同性原则（义务） 可持续性原则（方式）
热力学第二定律——“熵增加原理”
“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。” 能量从高温物体传到低温物体是自发的。 “孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。 （∆S ≥ 0）” 一切自发的过程都是熵增加的。都是向混乱度增加的方向进行的。伴随着能 量的“退降贬值”。
行为信息 动物表现出的特殊行为（对同种或异种生物）所传递的信息，统称为行为信息。
蜜蜂用飞圆圈和“8”字的方式告诉同
伴蜜源远近。
生态系统的调控机制 生态系统的调控机制包括三个层次： • 自然调控（第一层次） • 构成要素一级的调控 • 人工直接调控（第二层次） • 环境改造
• 个体水平的调控
• 生态系统一级的调控
第3章 清洁生产与循环经济 理论基础
3.1 可持续发展理论 3.2 物质平衡理论 3.3 生态学理论
3.1 可持续发展理论
3.1.1 可持续发展思想的由来 古代朴素可持续性思想
圣王之制也，草木荣华滋硕之时则斧斤不入山林，不夭
其生，不绝其长也；鼋鼍、鱼、鳖、鳅鳝孕别之时，罔 罟毒药不入泽，不夭其生，不绝其长也……污池渊沼川
“节能降耗”
3.2.2 质量守恒定律
“孤立系统中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。”
人类向自然排放的废物，是放错位置的资源。
“物质循环”
3.3 生态学原理 3.3.1 生态学及其发展
生态学：研究生物与生物、生物与其环境之间的相互关系及其作用机理的
科学。
个体生态学 种群生态学 生态系统生态学
4） 物质循环的库与流 库：物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。
（ 1 ）贮存库 ：容积较大，交换慢，一般为 环境库。如土壤库、大气库、
水体库等。 （ 2 ）交换库 ：容积小，交换快，一般为 生物库。如植物库、动物库等。 流：物质在库与库之间的转移运动状态。 能流、物流和信息流使生态系统中各组分、生态系统与外界环境联系起来。
周转率：单位时间内物质流入或流出的量占库存总量的比例。
周转期：是周转率的倒数，表示该组分的物质全部更换平均需要的时间。
循环效率：循环物质占总输入物质的比例。循环效率越高，系统的机能 越强。
5）物质循环的特点 1）物质不灭，往复循环；
2）物质流动（载体）与能量流动（驱动力）不可分割，相辅相成；
3）物质循环存在生物富集效应； 4）生态系统可调节物质循环；
生态系统的结构
物种结构（组成、数量，鱼塘）
时空结构（时间、空间：水平、垂直） 营养结构
森林生态系统

生态系统的类型
以环境的性质划分 1）陆地生态系统
草原生态系统
农田生态系统
2）淡水生态系统
江河生态系统
湖泊生态系统
3）海洋生态系统
深海生态系统 河口生态系统
浅海生态系统
人类干预程度划分


（1）公平性：同代横向公平——基于发展中国家与发达国家的发展水平 差别，对可持续发展事业所要承担的义务不同，发达国家要比发展中国家
承担更为艰巨的任务；代际纵向公平——要给后代人利用自然资源满足其
需求的权利。
（2）共同性：每个国家地区都有义务坚持全球的可持续发展道路，在环
境资源等问题上加以制约；“共同发展，共同行动”
的变化及其稳定性。
• 生态系统的组成
非生物组分：阳光、大气、水、土壤、有机物质 生物组分：生产者、消费者、分解者

生态系统中的环境、生产者、消费者、分解者构成生态系统的组成要素。 生产者：自养生物（初级生产），绿色植物和光合作用的细菌。
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消费者：大型异养生物（次级生产），动物。
分解者：小型异养生物（次级生产），细菌、真菌、放线菌。
概念：生态系统成员间，通过食物营养（吃与被吃）的关系彼此联系起
来的序列。 捕食食物链
食物链类型
腐食食物链 寄生食物链 混合食物链 特殊食物链
2）食物网 生态系统中，一种生物常以 多种食物为食，同一食物又被多种消 费者取食，各种生物成员之间取食与 被取食的关系相互交织，多条食物链 联结成食物网。
生物之间产生联系
沉积型循环
1）地质大循环
是大陆和海洋之间进行的物质循环过程。陆地表面的岩石，经风化作用变成细碎颗粒，
并释放出可溶性物质；部分碎粒和可溶性物质，经降水冲刷和淋溶，随流水最终流入海
洋，沉积至洋底，形成各种沉积岩；在漫长地质年代里，由于地壳运动和海陆变迁，海 洋底层的岩石又上升为陆地，岩石再次遭受风化。这个过程称为物质的地质大循环。
泽谨其时禁，故鱼鳖优多而百姓有余用也；斩伐养长不
失其时，故山林不童而百姓有余材也。 ——《荀子•王制》
3.1.2 可持续发展的内涵和基本原则 可持续发展的定义 1987年《我们共同的未来》：
既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。
经济可持续（基础） 可持续发展的内涵 环境可持续（条件） 社会可持续（目的）
特点和重要性：
1）涉及四大自然圈层； 2）可以看做闭合循环； 3）时间长，范围广，面积大； 4）是生物小循环的基础。
2）气相循环
气相型循环过程中元素和化合物可以转换为气体形式，通过大气进行扩散， 弥漫陆地和海洋上空，在很短的时间内又可被植物重新利用。 特点：速度较快、关联大气圈和水圈，全球性。
3）沉积循环 沉积循环主要是经过岩石的风化和沉积物的分解作用，将岩石圈和土壤圈中的物质变成 生态系统中生物可以利用的营养物质，被植物吸收，并沿食物链转移，然后动植物遗体 或排泄物被微生物分解后又返回环境。除一部分元素保留在土壤中，另一部分随江河迁 移至海洋，再经沉降、沉积和成岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭受风化作用，该循 环才完成。
（1）经济可持续发展：要求改变传统的以“高投入、高消耗、高污染” 为特征的生产模式和消费模式，实施清洁生产和文明消费，以提高经济活
动中的效益、节约资源和减少废物。 “集约型的经济增长方式”
（2）环境可持续发展：要求经济建设和社会发展要与自然承载能力相协 调。发展的同时，必须考虑自然资源和环境成本，使人类的发展控制在地 球承载能力之内。 （3）社会可持续发展：发展的本质应包括改善人类生活质量，提高人类 健康水平，创造一个保障人们平等、自由、教育、人权和免受暴力的社会 环境。
食物链的意义
维持生态系统稳定
推动生物进化
3）生态系统能量流动过程 生态系统的能量流动始于初级生产者对太阳能的捕获，这些被暂时储存
起来的化学潜能的不同去向形成了生态系统能量流的不同路径。
沿食物链 三条去向 营养级死亡个体或个体遗留物、排泄物 个体生命代谢
人工辅能的投入并不能直接转化为生物有机体
的化学潜能，大多数在做功之后以热能的形式 耗散，其作用是强化、扩大、提高生态系统能 量流动的速率和转化率，间接促进生态系统的 能量流动和转化。
自然生态系统 人工生态系统 半自然生态系统
原始森林生态系统
生态瓶、水族箱
农田生态系统
3.3.3 生态系统的功能
能量流动
物质循环 信息传递
（1） 能量流动
动能—正在做功 能量基本形式
潜能—存在做功能力
太阳能
能量来源 自然辅助能
辅助能
人工辅助能
生物辅助能
工业辅助能
生态系统能量流动的渠道 1）食物链
5）生命活动增添了物质循环的活力；
6）各物质循环过程相互联系，不可分割。
（3）信息传递 一般将可以传播的消息、情报、指令、数据与信号等称作信息。
信宿 信源 → 信道 → (信息产生) (信息传输) (信息接收)
生态系统中的信息 生态学上信息是指能引起生物的生理变化和行为的信号。 它即保留了自然生态系统信息网的特点，还增加了知识形态的信息。 物理信息 分类 化学信息 营养信息 行为信息
• 输入输出调控
• 农业生物调控
• 结构调控
• 社会间接调控（第三层次）
3.3.4 生态平衡
生态系统的自然调控机制是从自然生态系统继承而来的生物与生物、 生物与环境之间存在的反馈调控、多元重复补偿机制。 （1）反馈机制 • 反馈：是指系统的输出部分又反过来作为输入而影响系统功能变化的作用。 包括正反馈和负反馈两种机制。 • 正反馈机制：指系统输出使原系统的变化率加大，更加远离平衡态的反馈。 • 负反馈机制：凡是使原系统的变化率缩小，使系统向平衡态逼近的反馈机制。
3） 能量流动特点 生态金字塔：营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形 结构，就称为生态金字塔。用来反映食物链和营养及之间生物个体数量、
生物量和能量比例关系的一个图解模型。
（a） （b）
三种生态金字塔构型比较
1 2 a 数量金字塔 (个体 ·m-2)
1
2 b 生物量金字塔 (kg ·m-2 ) c 能量金字塔 (kJ ·m-2 ·a -1 )
物理信息
声纳
温度、湿度
阳光
热量
水的振动
磁场
生态系统中的光、声、温度、湿度、磁等，通过物理过程传递的 信息，称为物理信息。
化学信息 概念：生物在生命活动过程中，产生的一些可以传递信息的化学物质。例 如植物的生物碱、有机酸等代谢产物，以及动物的性外激素等，就是化学 信息。 昆虫、鱼类以及哺乳类等生物体中都存在能传递信息的化学物质—信息素。
生态平衡的基本特征 结构上：生物种类组成，种群数量、食物链营养结构协调稳定；
功能上：能量流动、物质循环、信息传递畅通无阻；系统中物质和能量的
输入和输出基本相等，物质储量恒定；系统物质和能量的流动保持合理的 比例与速度； 生物的种类和数量（生产者、消费者和分解者）相对稳定； 生态系统具有良好的自我调节能力。
系统中的组分越多，相互关系越复杂，则系统中所包含的正负反馈机制也
越多，自我调节能力越强，系统的稳定性也就越大。
生态系统的反馈调节机制其作用有一定的限度，即存在生态阈值。
生态平衡 生态平衡是指在一定的时间内，生态系统中的生物和环境之间、生物各 个种群之间，通过能量流动、物质循环和信息传递，使他们之间相互达到 高度适应、协调和统一的状态。 生态平衡包括生态系统内两个方面的稳定：一方面是生物种类（动物、 植物和微生物）的组成和数量比例相对稳定；另一个方面是非生物环境 （阳光、空气、水、土壤等）保持相对稳定。