生态工程概念、原理、及相关理论

森林草地 生长衰退
森林
地下水
人类健康
土壤 生态退化
碳的生物地球化学循环影响气
候
气候变暖
+
• 工业革命改变 了的碳循环
• 工业革命改变 碳循环原理：
• 大气中二氧化碳 升高具有施肥效 应
• 大气中二氧化碳 升高会加强温室 效应，通过温度 升高影响碳循环
balanced
生物地球化学循环的驱动力
• 太阳辐射：自然驱动力
2020/3/28
自我设计：利用生态系统自 组织原理进行生态系统设计
生态工程原理
• 1、物质循环再生原理 • 2、物种多样性原理 • 3、协调与平衡原理 • 4、整体性原理 • 5、系统学和工程学原理
– 系统的结构决定功能原理 – 系统整体性原理
大规模生态工程成败原 因
大规模生态工程成败原因
大规模生态工程成败原因
• 斯大林改造大自然：
化学家门捷列耶夫、生理学家巴甫洛夫、物理 学家波波夫；在生物 —地学领域也不乏大师, 道库恰耶夫(1846～1903)；农学家依兹马依 里斯基(1851～1914)。
其理论依据主要来自道库恰耶夫以及依兹马依 里斯基的学说。遗憾的是规划的倡导人决策 人操持的是繁重庞杂的国家政务, 不可能事必 躬亲地深究防护林营造的具体细节, 也不可能
环境容纳量（K）：长时期内环境所能维持的种群最大数量。
K/2
逻辑斯谛增长
指数增长
增长 方式
指数 增长
形成条件
资源无限、空 间无限，不受 其他生物制约
逻辑 斯谛 增长
资源有限、空 间有限，受到 其他生物制约
特点
影响种群数量 的因素
起始增长慢，随 后越来越快
起始加速增长， K/2时增长最快， 此后减速增长， 到K时停止增长。
• 生态工程是为了人类和自然的相互利益而进 行的一种生态系统设计
生态工程原理
• 1、物质循环再生原理 • 2、物种多样性原理 • 3、协调与平衡原理 • 4、整体性原理 • 5、系统学和工程学原理
– 系统的结构决定功能原理 – 系统整体性原理
物质循环再生原理
• 理论基础是：生物地球化学循环
组 成 生 物 体 的 C 、 H 、 O 、 N 、 P 、 S 基 本 元 素
大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类构成的相互作用着 的系统
地球系统是封闭系统（为什么？），但非孤立系统（为什么？）
• 什么是封闭系统
与外界没有物质交换（或净交换为零）的系统 只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题
• 什么是孤立系统
与外界既无物质交换又无能量交换的系统
• 什么是生物地球化学循环 物质在地球系统中在各圈层中互相传输或转化， 使物质总量不变的过程之和
生 物 群 落
无 机 环 境
反 复 循 环
• 原理含义是指：生态系统中, 生物借助能量的不停
流动, 一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的
物质, 另一方面又随时分解为原来的简单物质, 即
所谓“再生”, 重新被系统中的生产者植物所吸收
利用, 进行着不停顿的物质循环。
什么是生物地球化学循环？
• 什么是地球系统
出生率和死亡率 （决定因素）；
年龄结构；
性比例；
人类活动；
外界环境，如气候、 食物、天敌等
整体性原理
生产
消费
成本
效益
经济系统
例：林业工程建设中的问题
植物 动物 微生物
非生物的因素
自然系统
政策
科
管
学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
理
文
化
社会系统
世界大型生态工程没有达成预期 目标都是因为没有运用或者忽视 了生态工程的这一原理。
系统学和工程学原理
Regional Center
Temperate East Asia
化石燃料
太阳辐射输入
植
自养细
藻
物
菌
类
岩石圈
光合作 用
土壤圈
大气圈 风 输 、 沉 降 、 排 放
风搬运
生物地球化学循环的重要性
• 许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的 作用 • 决定生命能否存在 • 决定生命存在的最大数量 • 不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨 大
生态工程概念、原理、实例总结
生态工程概念
• 20世纪后期以来随着科技水平的发展，人类干扰地球表层系统的能力越 来越强，已经成为控制地球表层生态过程的主要变量。
• 但是我们对地球表层复杂系统的了解十分有限，当人类盲目的按照自我 的意志改造地球表层系统时，不可避免产生了人类意想不到的环境问题， 包括气候变化，荒漠化，水体富营养化，大气污染，物种灭绝等。
• 罗斯福工程：
1944年对罗斯福防护林工程进行的普查显示,虽约有10% 造林消失或因放牧严重受害,但80%以上被认定为发挥 了有效或较好的作用。
10年以后,1954年再次调查时,仍被认定为发挥有效或较 好作用的降到42%。旱灾、病虫害及放牧不当给大面 积防护林敲响了丧钟。
• 及时调整策略（护土、还草、人退、放弃 造林）
• 俞孔坚曾提出“生态设计的最深层的含意 就是为生物多样性而设计”。而保护生物 多样性的根本是保持和维护乡土生物与生 境的多样性。
协调与平衡原理
• 协调-------主要是生物与环境的协调(强调生物要 和环境相适应)（生态位）
• 平衡------是种群数量与环境的负载能力要平衡
协调与平衡原理要求我们在生态工程设计和建 设时要考虑:生物要和环境相适应种，群数量 与环境的负载能力要平衡。
• 太阳辐射 • 光合作用 • 生物圈
• 人类：另一驱动力
• 燃烧化石 • 土地利用改变 • 矿物开发利用 • 工业固氮
农作物秸秆还田与 秸秆焚烧过程物质循环差异分析
物种多样性原理
• 生物多样性是实现生物物种可持续发展的 重要前提。为了保证系统的稳定和提高系 统的效益, 生态系统规划必须将维护生物多 样性作为首先考虑的设计指标,必须提供满 足生物多样性要求的生存环境。
（1）系统的结构决定功能原理
理论基础：分 布式优于集中 式和环式
运用：改善和优化生态系统的结构
系统学和工程学原理
（2）系统整体性原理
系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利 完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现总体功能大 于各部分之和的效果，即“1+1>2”。
你能举出系 统整体功能大于 部分之和的例子 吗?
• 与能量的单向流动不同，生物地球化学循环使物 质通过生物圈过程重复使用
• 人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环 • 改变了通量 • 产生出新的物质转移路径 • 可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环 链断裂
生物地球化学循环（酸沉降）导致的
生态和环境问题
水生生物产量
和品质下降
酸沉降
化石燃烧
湖泊