第2章 生态工程学原理

生消 成 产耗 本
需求 流通 供应
价效 消 值益 费
经济系统
动物 植物 微生物
政策法令
组织管理
科技教育
资源介质 自然系统
思想文化 社会系统
图2-1 社会、经济、自然复合生态系统
社会-经济-自然复合生态系统由3类相互联系、相 互作用、相生相克、互为因果的亚系统组成的。系统 中的顶点人、生产、生活、资源、环境、自然分别表 示为系统的控制、生产、生活、供给、接纳与还原的 功能，又可以归纳为社会的、经济的、自然的3类功 能。
第2章 生态工程学原理
Jorgensen和Mitsch(1989)总结了13项 生态工程学原理，国际生态工程学会主席 Heeb博士(1996)则总结了50多项，我国学 者马世骏等结合中国传统哲学，把生态工 程的基本原理总结为“整体、协调、自生、 再生循环”。
2.1 生态工程学的核心原理
2.2 生态工程学的生物学原理
自我设计和自组织原理
自我组织或自我设计，是不籍外力自己形成 具有组织性的有序结构，即生态系统通过反馈作 用，依照最小耗能原理，建立内部结构和生态过 程，使之发展和进化。
自我优化是具有自我组织能力的生态系统， 在发育过程中，向能耗最小、功率最大、资源分 配和反馈作用分配最佳的方向进化的过程。
例如：沧海桑田、百川归海、桂林山水、化 石燃料、大地震、树叶的排列(获得最大量日光)
生态学与社会经济学结合
针对对象 目的
设计原理 技术路线பைடு நூலகம்
以自然生态系统与环境、污染治 理为主 以环境保护与治理为主
以恢复生态系统自组织能力为主
以社会—经济—自然复合生态系 统为主
以社会经济发展—环境保护治理 为主
以生态环境与社会经济协同发展 的人工生态系统恢复重建为主
调控主要限制函数
全部生态工艺过程
自我调节原理
自我调节属于自我组织的稳态机制，其目的在 于完善生态系整体的结构和功能。在一个稳态的生 态系统中负反馈常较正反馈占优势。自我调节能在 有利的条件和时期加速生态系的发展，在不利时也 可避免受害，得到最大限度的自我保护。主要表现 在3个方面：
同种生物种群间密度的自我调节
异种生物种群之间数量调节
“…或谓土敝则草木不长，气衰则生物不遂，凡田 土种三五年，其力已乏…如能加新沃之土壤，以粪 治之，则益精熟肥美，其力常新壮矣，大地之力常 新”
----南宋《陈敷农书》
“产频气衰，生物之性不遂，粪沃肥滋，大地之力 常新”
----清代《三农纪》
“生态工程之根在中国”
----HT Odum
物质循环再生指生态系统间的小循环和在 生物圈中的生物地球大循环。在生物圈中，各 种化学物质，如O2、C 、N 、S 、H2O等，在地 球上生物与非生物间，在土壤岩石圈、水圈、 大气圈间循环运转。
2.3 生态工程学的工程学原理
2.1 生态工程学的核心原理
2.1.1 整体性原理
整体论(Holism)和还原论(Reducism)
还原论：宇宙是一个机械系统，最终能还原 为一个决定性的力的控制下的个别微粒的行为。 这样在研究中将一个整体的各组分分开来研究， 进行要素的分析和定量表达，从而简化研究。
例如：过度放牧、过度捕捞
输出量≈输入量
人类社会对该生态系统的不利影响是不大的
2.1.3 自生原理(Self-resiliency)
自生原理包括自我组织、自我优化、自 我调节、自我再生、自我繁殖、自我设计等 一系列机制。
自生作用是以生物为主要和最活跃组成 成分的生态系统与机械系统的主要区别之一。
生态系统的自生作用能维护系统相对稳 定的结构和功能及动态稳态以及可持续发展。
生态工程的目的是生存和发展2个重大问题，一 般在优先考虑经济效益或社会效益的前提下，考虑生 态环境效益的提高。
人和自然、生产和生活、资源与环境3类主要矛 盾和相互关系。
复合生态系统的经济子系统由生产者、流通者、消费 者、还原者和调控者等五类功能实体间相辅相成的基本关 系耦合而成，由商品流和价值流所主导。
----辨证唯物主义
例如：控源+生态修复
轮种、套种、间种、改良作物品种
平衡原理(Balance principle)
生态系统在一定时期内，各组分通过相生相 克、转化、补偿、反馈等相互作用，结构与功能 达到协调，处于稳定态，就是一种生态平衡。包 括：
结构平衡：生物与生物间、生物与环境间、 环境各组分间，结构合理、比例协调。
系统整体性原理 是指组成系统的要素具有不属于独立要素的特 有的功能与性质，也就是说，整体大于各个部 分之和。
The whole is greater than the sum of its parts. 例如：水体生态系统 营养元素/植物
社会-经济-自然复合生态系统★
(Social-economic-natural compound ecosystem)
根据逻辑斯蒂增长方程，种群在1/2环境 容纳量时生产量最高。
生产量=现存量×增长率
逻辑斯蒂方程在苏州河治理中的应用：
凤眼莲周转期为7天，将凤眼莲种植区划 分为7块，每日轮收1块，每块收取一半，是 种群密度保持在1/2K状态。
1
2
3
4
5
6
7
K
K
拐点
P=p1*7+p2*7….+p7*7
r
P=(p1+p2+…p7)*7
天人合一，人类和万物都是自 然界(天)的产物。“万物皆类 也”。“道法自然”(一切都要 按自然规律办事)
经济与科学技术发达，食物、人 口问题相对缓和，人口文化素质 较高，环境建设已经得到了较普 遍的关注和有比较广泛的群众基 础
以生态学理论为主体
科学技术相对比较落后，食物、 人口、能源、环境综合压力很 大，人口素质相对比较低，生 态环境建设开始受到各级官员 的初步认识，在广大人民群众 中基本还处于启蒙阶段
辅助能 产品
化石能或电能为主，人力投入低 于每公顷1人
无
人力投入为主(每公顷大于3人) 多种产品生产
生物多样 性
单纯
效益
主要是环境效益
多样 经济、环境综合效益
生态系统结构和功能取决强制函数，如化 学物质(包括水)输入及温度等
----Jorgensen和Mitsch(1989)
外因(强制函数)是变化的条件，内因(内部 结果和功能)是变化的根据，外因通过内因 才起作用。
例如：光强度-初级生产力，LC50
整体论：整体论者认为还原论的方法有其明 显的不足，对一些从有机整体(系统)中分开来的 成分的研究，不能揭示复杂系统或有机整体的性 质和功能。
例如：细胞-人体，建筑材料-建筑物，盲人摸象
以整体观为指导，在系统的水平上来研究。 是综合了解系统如生物圈、生态系统整体性质以 及解决威胁区域乃至全球生态失调问题的基础。
生态系统的自组织现象
自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现 象。自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同 学、超循环理论等，它们力图沟通物理学与生物 学甚至社会科学，对时间本质问题等的研究有突 破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域 的有序现象
自我组织系统的特征： • 开放系统，物质和能量的交换； • 由大量子系统组成的宏观系统； • 有自己的演变历史，自我组织过程就是
例如：水体输入较多有机质和营养元素，吸 收与转化营养盐的植物(水草或浮游藻类)增 加，迁移转化贮存增加，避免水体浓度过高
2.1.4 循环再生原理
物质循环和再生原理 (Circulation principle) 无平不陂，无往不复
道法自然(循环是事物运动的普遍规律) 八卦五行 中医学 (平衡与转化) 调控阴阳损益，维持平衡，以及地力常新理论， 以物质循环理论指导，创立了综合养鱼、桑基鱼塘。
2.1.2 协调与平衡原理
协调原理(Harmony principle)
由于生态系统长期演化与发展的结果，在自然界 中任一稳态的生态系统，在一定时期内均具有相对稳 定而协调的内部结构和功能。
在一个生态系统中，物质的迁移、转化、代谢、 积累、释放等功能，在空间上、时间上要遵循一定的 序列，按一定层次结构来进行，且各层次、环节间的 量及物质和能量的流通量也有一定的协调比例。
生物与环境之间的相互适应调节
同种生物种群间密度的自我调节
种群生态学中的逻辑斯蒂增长方程 和曲线是种群内自我调节的定量描述。
K
K
拐点
r 1.开始期，由于种群个体数很少，密度增长缓慢。
2.加速期，随个体数增加，密度增长加快。 3.转折期，当个体数达到饱和密度一半（K/2),密度增长最快。 4.减速期，个体数超过密度一半（K/2)后，增长变慢。 5.饱和期，种群个体数达到K值而饱和。
糖酵解
当人们作剧烈运动时，人体内糖的无氧代谢，在供能方面起 重要作用，属于生化系统的自组织。其中间产物可以表现为 周期变化，也能进入混沌制度。这个模型表示为：
即底物S以常速率ｖ注入，并在变构酶E1参与下转变为产物P1； P1在变构酶E2的参与下转变为产物P2；P2以常速率ｋ3被移走。 在此过程中P1激活E1，P2激活E2。分离的S、P1和P2的浓度， 分别记作α、β和γ。以它们为变量写出上述模型的动力学 方程，是三个一阶自治非线性微分方程。改变方程中的控制 参量得到α、β和γ的多种演化行为。
社会力的源泉有三个方面：一是经济杠杆(资金)； 二是社会杠杆(权利)；三是文化杠杆(精神)。资金刺激竞 争，权利诱导共生，而精神孕育自生。三者相辅相成构 成社会系统的原动力，自然力和社会力的耦合导致不同 层次复合生态系统特殊的运动规律。
复合生态系统的控制论原理
复合生态系统不仅遵从自然界的“道理”，也遵从人类活动 的“事理“和人类行为的“情理”，生态控制论不同于传统控制论 的一大特点就是对“事”与“情”的调理，强调方案的可行性，即 合理、合法、合情、合意。合法，指符合当时当地的法令、法 规；合情，指为人们的行为观念并为习俗所能接受；合意，指 符合系统决策者及与系统利益相关者的意向。
任何一个超越生态系统自我调节能力的外来干扰， 结构间协调、功能间协调和结构与功能间协调的破坏， 势必破坏与改变生态系统原有的性质和整体功能。
例如：草型湖泊-藻型湖泊
2.2 国内外生态工程特点比较
表1-4 东西方生态工程的比较表
项目
西方发达国家
东方发展中国家
哲学思想
社会经济 背景
基础理论
神人合一，上帝创造一切，一切 都是一个神化的人创造出来的。 神是万能的、自然界的万物都是 创造出来的
功能平衡：生物的生产、分解、转化等代谢 过程与生态系的物质循环正常。
收支平衡：物质与能量交换、输入输出平衡。
失衡：资源萧条/生态衰竭、生态停滞
输入量>输出量 生态停滞(Ecological stagnancy)
例如：水体接收过量污染物
输出量>输入量 生态衰竭(Ecological exhausion)
复合生态系统的社会子系统由社会的知识网、体制网 和文化网等三类功能网络间错综复杂的系统关系所组成， 由体制网和信息流所主导。
三个子系统间通过生态流、生态场在一定的时空尺度 上耦合，形成一定的生态格局和生态秩序。
复合生态系统的动力学机制
复合生态系统的动力学机制来源于自然和社会两种 作用力。
自然力的源泉是各种形式的太阳能，它们流经系统 的结果导致各种物理、化学、生物过程和自然变迁。
异种生物种群之间数量调节
利用生物间的互利共生、他感作用、 竞争排斥等，例如混殖、轮作等
例如：荷兰
富营养化 放养肉食性鱼类
以浮
游动物为食的鱼类和幼鱼减少
以浮游
藻类为食的浮游动物增加
抑制浮游藻
类增加
例如：我国放养滤食性鱼类(白鲢/白鲫)
生物与环境之间的相互适应调节
生物要经常从所在的生境中摄取需要的 养分，生境则需对其输出的物质进行补偿， 两者之间进行物质输出与输入的供需适应性 调节。
子系统间的关系升级过程。 生态工程的本质就是生态系统的自组织
---HT Odum (1989)
自我维持原理
一个系统被设计、开始运作后，主要依 靠太阳能的系统，不断地自我维持，仅靠适量 的外界投入。
例如：米草生态工程
以种植生态系统的构建为主，人工建立米 草草场后，系统处于自我维持状态，发挥特有 的保滩护堤、促淤造陆等生态效益和经济效益。
人类社会是一类以人的行为为主导、自然环境为依托、资源 流动为命脉、社会体制为经络的人工生态系统。20世纪80年 代初，马世骏等提出了社会－经济－自然复合生态系统的理 论，指出可持续发展问题的实质是以人为主体的生命与其栖 息劳作环境、物质生产环境及社会文化环境间的协调发展， 它们在一起构成社会-经济-自然复合生态系统。