专题 5 生态工程

宇航员从太空遥望地球，由蓝色的海洋和绿色的陆地构成的景观美丽绝伦，但近看，她却已伤痕累累。干旱而龟裂的土地或浊浪滔天的洪水，还有酸雨、水土流失、沙尘暴、核废料辐射……不断恶化的生态环境，正在对人类的生存和发展构成严重的威胁。地球需要我们的细心呵护，需要我们运用生态工程对遭到破坏的生态环境进行修复和重建，通过发展“环境友好的技术”(Environmental-friendly Technology) 来重建人类和地球母亲的良好关系，爱护我们共同的家园。

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。

科技探索之路 生态工程的兴起

20世纪60年代以来，全球经济进入快速增长阶段。经济的迅猛发展、技术的革新使人们的生活水平大大提高，但其负面影响也越来越严重。在发展程度不同的国家，这类影响的表现形式有很大不同。在发达国家，主要表现为：工业化和高度集约化的农业经营所带来的种种环境污染和过量耗费不可更新资源(如石油等)问题；而在发展中国家则表现为：人口的快速增长、资源的过度开发、损毁和低效利用，以及由此而引起的环境污染问题。这似乎形成了一个发展悖论：即经济的发展需要技术进步，但技术的进步又往往带来严重的环境污染和资源匮乏，反过来威胁到人类社会的发展。

传统的解决问题的思维方式是就事论事，期望通过开发和应用若干单一的环境改造技术，快速解决遇到的每一个环境污染问题。但这种“割裂式思维”的结果，往往仅是污染物在不同地区间的转移，不能彻底解决问题。如图所示，通过建设更高的烟囱，当地的污染可能减少了，但转移出去的废气却造成了其他地方更大范围的污染。发达国家向发展中国家转移多种废弃物的事例层出不穷，这种看似“进步”的损人利己行为，正受到越来越多的指责。美国等国家曾提出实现污染物“零排放”的对策，但由于各种原因，迄今也未能做到。一些发达国家的学者还提出，通过“限制生产、限制发展”的途径来减少污染的主张，也是不可取的。因为现在全球性环境污染在很大程度上是由发达国家造成的，而限制生产就意味着部分剥夺了发展中国家经济发展的权利，让发展中国家负担全球污染的成本是极不公平的。那么，到底应该怎么办呢?

答案只有一个：只有对发展的含意有了全面的理解，坚持可持续发展，才能从根本上解决环境污染问题。1987年，以挪威前首相布伦特兰夫人为主席的联合国环境与发展委员会(WCED)在给联合国的报告《我们共同的未来》中，提出了“可持续发展”的战略思想。即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（Sustainable development is development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.）；生态利益应和社会利益与经济的增长协同考虑。在这种形势下，旨在解决环境与经济发展协调问题的一门新学科——生态工程得到了迅速的发展。目前，生态工程已在资源管理、环境保护、生态治理和建设、城市发展等方面得到了广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。

结合左图漫画，想想你家乡附近有没有类似的转移污染的行为？

5.1生态工程的基本原理

生态工程建设的目的就是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。与传统的工程相比，生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。

关注生态工程建设

为什么要进行生态工程建设呢？让我们首先来分析传统经济模式带来的一些问题。

资料分析

资料1

1998年夏季，长江流域经历了自1954年以来的最大洪灾。加上其他地区水灾，1998年全国受灾人数上亿，近500万所房屋倒塌，2 000多万公顷的土地被淹，直接经济损失达1 600多亿元人民币。word/media/image3.gif

是什么原因导致长江洪水泛滥？一些调查数据提供了答案的线索：长江两岸大约有4亿人口居住，工农业生产及生活需要大量的木材，导致对森林的过量采伐；人多地少的严峻局面，导致大量林地开垦成农田，结果使长江上游森林覆盖率从上世纪50年代中期的22%；减少到90年代的4.4%。森林的砍伐导致长江每年因水土流失而带入的土壤达24 × 108t，年复一年的泥沙淤积，使部分河床高出地面，成为继黄河之后的又一条 “悬河”，其浑黄程度有时甚至可以和黄河相“媲美”；另 一方面，长江中游有重大蓄洪作用的湖泊，也因为人为的围湖造田在迅速萎缩，例如，洞庭湖水域面积从1994年的4 350 km2缩减到2 145 km2，江汉平原的湖泊也从10 000多个减少到300个左右。word/media/image4.gif

讨论

1.导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么？

2.洪灾的发生反映出经济发展模式存在什么问题？

资料2

我国是农业大国，人均土地、水等资源占有量远低于世界平均水平。虽然我国用占世界10%的耕地养活了占世界 21%的人口，但由于受到西方“石油农业”模式的影响，加上人口压力以及缺乏生态环境意识，所造成的资源破坏和农业环境污染，已经对社会的可持续发展造成了很大障碍。仅以化肥用量为例，2000年，全国耕地面积约为108hm2，平均化肥施用量是318.8kg/hm2，其中仅山东、河南和江苏三省的平均用量就达564.8 kg/hm2，占全国总用量的30%左右。过量施用农药和化肥，会由于相当一部分不能被作物充分利用，而通过各种途径对土壤、水体和食物造成污染。又如，现代工厂化的饲养方法，使得畜、禽的排泄物，往往不能及时地、按照规定的土地负荷量返回田间，从而造成存放地的污染或者污水所流入水域的富营养化。

小知识

“石油农业”是指大量使用化肥、农药、机械的农业生产方式。 由于需要大量的石油、煤、天然气等作为原料或动力而得名。

讨论

你对“石油农业”是如何理解的？

你能举出一些农业生产活动对人体健康以及环境造成危害的实例吗？

如何理解“污染物是放错地方的资源”这句话？

“石油农业’’的生产模式应当怎样改进？

传统经济模式正在毁坏水、大气、土壤和生物资源，消耗地球赠给我们的自然资本。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。生态经济主要是通过实行“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一就是生态工程。

美国著名经济学家L.R.布朗在其新著《生态经济》中说： “经济赤字是我们彼此之间的借贷，而生态赤字却是我们透支于子孙后代”（Economic deficits are what we borrow from each other; ecological deficits are what we take from future generations.）；“生态学家与经济学家之间的关系，应当犹如建筑师与制造商之间的关系，理应由生态学家给经济发展提供蓝图……经济学家和生态学家携起手来就可以构建出一种可持续发展的经济——生态经济。”

小知识

L. R.布朗说，生态经济就是“能够满足我们的需求而又不会危及子孙后代满足其需要”的经济。要做到这一点，我们的经济—定要遵循生态学的基本原理，如果违背这个原理，就一定会由盛转衰，终致崩溃。

生态工程所遵循的基本原理

生态工程是人类学习自然生态系统“智慧”的结晶，是生态学、工程学、系统学、经济学等学科交叉而产生的新兴学科。它遵循的基本原理如下。

物质循环再生原理

地球以有限的空间和资源，长久维持着众多生物的生存、繁衍和发展，奥秘就在于物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达到取之不尽、用之不竭的效果。而没有物质循环的系统，就会产生废弃物，造成环境污染，并最终影响到系统的稳定和发展。word/media/image6.gif

“无废弃物农业”是我国古代传统农业的辉煌成就之一，也是生态工程最早和最生动的一种模式（图5 - 1)。要知道，土壤的肥力是一切农业生产特别是种植业的基础，当今大多数国家的土壤肥力，都严重地依赖于化学肥料，而在古代是根本没有化肥投入的。那么，我们的祖先靠什么维持了土壤肥力几千年，使它没有被所供养的亿万民众所耗竭呢？这个问题的答案被一位美国土壤学家在1910年前后找到了。他通过对当时中国农业的实地考察，写成《四千年的农民》一书。他认为其中的诀窍在于中国农民几千年来实施的是一种“无废弃物农业”，即通过枳极种植能够固氮的豆科作物，以及收集一切可能的有机物质，包括人畜粪便、枯枝落叶、残羹剩饭、河泥（图 5 - 2)、炕土、老墙土以及农产品加工过程中的废弃物等，采用堆肥和沤肥等多种方式，把它们转变为有机肥料，施用到农田中，改善了土壤结构；培育了土壤微生物；实现了土壤养分如氮、磷、钾及微量元素的循环利用。

物种多样性原理

一般而言，物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。农业和林业生产为追求最大产量，常常忽略生物多样性而连年种植单一品种，这往往会造成病虫害增加，环境恶化。

资料分析

我国的“三北防护林”， 虽然取得了巨大的生态和经济效益，但由于没有完全按照自然生态规律办事，也产生了不少问题。例如，在辽宁西部的章古台地区，最初进行林带建设时，单一种植了大片的樟子松林，由于没有一条昆虫与天地相生相克的食物链，使得偶然滋生的松毛虫肆虐一时，很多地方的樟子松因此奄奄一息，甚至成了鸟兽无踪影的“不毛之地”。同样的原因，前几年仅一种小小的杨树天牛就将宁夏、内蒙古等地几十亿株杨树毁于一旦。word/media/image8.gif

又如，由珊瑚虫和某些藻类共生组成的珊瑚礁区，生物多样性非常高。在澳洲的大堡礁内，仅目前记录的鱼类就有约1 100种，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。不同生物在珊瑚礁区占据不同的位置，他们通过食物链关系相互依存，使得珊瑚礁能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性。word/media/image9.gif

讨论

1.为什么樟子松林的松毛虫会肆虐，几十亿株杨树会毁于一旦?而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性?

2.从上面正面和反面的实例，你能得出怎样的结论?你认为生物多样性的破坏有人为因素吗？

生物多样性程度高，可以为各类生物的生存提供多种机会和条件。众多的生物通过食物链关系互相依存，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。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置，从而避免了系统结构或功能的失衡。

协调与平衡原理

在进行生态工程建设时，生物与环境的协调与平衡也是需要考虑的问题之一。

资料分析

江苏、上海和浙江三省交界的太湖养育了江浙百万生灵，号称“包孕吴越”。近年来，由于周边城市、工业和农田的排水中氮、磷的浓度较高，促使太湖水体中水葫芦和藻类疯长。它们不但耗竭了水中溶解的氧，而且植物体死亡后，分解过程中产生的大量生物性毒素，给水生生态系统造成极大的危害，使水体不再适宜鱼虾等生物的生活，甚至成为“死水体”，并影响到人类的健康。

又如，我国西北一些地区年降雨量小于450mm，是只适宜种植灌木和草的地区，但却被硬性规定种植属于乔木的杨树，以致到处都是“杨家将”。生态的不适应使许多地方的杨树长成半死不活的“小老头”状，远不如当地树种那样有较高的生态适应性，结果防护林成了残败的“灰色长城”。

讨论

“西部大开发”是国家为振兴西部而提出的宏观决策，其中很重要的一项内容就是生态工程建设。从协调与平衡原理出发，想一想，在我国西北地区进行防护林建设时，应选择哪些树种？如果在该地区发展畜牧养殖业，你认为应该注意什么问题？

处理好生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力。环境承载力（又称环境容纳量）是指某种环境所能养活的生物种群的最大数量。如果生物的数量超过环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。你能举出当地的实例进行说明吗？

整体性原理

自然生态系统是通过生物与环境、生物与生物之间的协同进化而形成的一个不可分割时的有机整体。人类也处在一个社会—经济—自然复合而成的巨大系统中。进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生态系统的规律，更重要的是，还要考虑到经济和社会等系统的影响力（图5-3）。例如，在进行林业工程建设时，一方向要号召农民种树，另一方面一定要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴以及收入等问题。因为往往是以上因素导致了农民对森林、灌丛的过量砍伐。如果农民的生计得不到保证，随时会发生“前面造林，后面砍林”的现象。因此，只有把生态与经济结合起来，才能从根本上达到造林和护林的目的。

除此之外，社会习惯、法律制度等也都对生态工程建设有着重要影响。建立在对系统成分的性质及相互关系充分了解基础之上的整体理论，是解决生态环境问题的必要基础。只有应用整体性原理，才能统一协调当前与长远、局部与整体、开发与环境建设之间的关系，保障生态系统的平衡和稳定。

系统学和工程学原理

系统的结构决定功能原理 生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。我们可以把系统的结构比作计算机网络。在计算机网络中，系统的结构是如何决定功能的呢?

在计算机功能和台数相同的条件下，如果采用分布式结构，即各计算机均和两个或两个以上的计算机相联（图5-4，右），工作的可靠性要比采用集中式和环式结构（图5-4，左，中）的可靠性高。因为在这种结构中，一般局部故障，不至于造成整个网络的瘫痪，而很多生态系统也存在着类似的现象。在生态工程建设中，需要利用这个原理来改善和优化系统的结构，从而达到功能改善的效果。例如，我国南方水网地区的桑基鱼塘模式，就是把很多单个生产系统通过优化组合，有机地整合在一起，成为一个新的高效生态系统，大大提高了系统生产力。这种模式几百年以来，在我国的太湖和珠江三角洲地区，长期流行，造就了发达的农村经济，太湖丝绸名扬世界，不能说与之没有关系。

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“l+l>2”。例如，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。通常情况下，失去了共生藻类的珊瑚虫会因为死亡而导致珊瑚礁逐渐“白化”，失去其鲜艳的色彩，那里的生物多样性也将锐减，从而造成系统的崩溃。

你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗？

思考与探究

1.举例说出发生在你身边的物质循环利用形式，并阐明物质循环利用的优点。

2.通过询问家长或调查的方式，分析你所熟悉的环境（如田间、坡地、小树林、公园等）的生物多样性增减情况及主要原因。

3.桑基鱼塘分布在我国长江三角洲、珠江三角洲一带的水乡，是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程（如下图）。试分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径。

拓展视野

前景广阔的沼气工程

沼气是利用人畜粪便等物质，经过一系列复杂的厌氧发酵过程，产生的富含甲烷气体的燃料。发展沼气不仅可以有效地解决农村的燃料问题，还为饲料、肥料开辟新的来源，对节省林木和保护林草植被也具有重要的意义。沼气工程在我国农村的大面积推广是在20世纪60年代以后，尤其是近20年以来的事情。

在我国农村，70%的农户缺少燃料、饲料、肥料，特别是山区更是如此。由于上述“三料”都依赖于有限的作物秸秆、谷壳、麸皮等农副产品和薪柴林等生物质word/media/image16.gif，迫使农民不断强化对林灌草地的滥伐滥采，结果导致了严重的水土流失，对生态环境造成了很大破坏。例如，我国黄河流域，历史上曾是草原、森林繁茂之地，但由于千百年来的过度砍伐，不当的农耕（坡地开垦）和放牧，才造成了今日千沟万壑的状况，使之成为我国水土流失最严重的地区之一。

从1983年开始，我国政府就把沼气工程列入国民经济的“农村能源”发展计划。第一期计划实施的结果很好，各试点县在5年内人均年增加了相当于20kg标准煤word/media/image18.gif的生物质能word/media/image19.gif。相当于年节约了100 kg的生物质；同时，森林覆盖率平均提高了6个百分点，使生态环境得到了改善。

在实践中，人们不满足于将沼气工程仅仅作为获取能源的手段，还开展了利用沼气液和底渣的试验，结果发现它们在用做再生饲料、肥料、食用菌培养基，以及改善农村卫生、促进畜禽养殖场废弃物的集中处理等方面，都具有很好的功效。例如，底渣处理后可以作为猪、牛的饲料和食用菌的培养基；沼气液则可以通入养鱼池，用于促进浮游生物的生长，增加鱼的饵料；沼液和底渣还是优良的作物肥料。同时，沼气生态工程还可以减轻环境污染。

word/media/image16.gifword/media/image19.gif生物质及生物质能：生物质主要是指植物利用大阳光能将二氧化碳和水合成的有机质，其中所含的能量称为生物质能。

word/media/image18.gif标准煤是表示物质能量的单位，1kg标准煤的物质燃烧能够产生29300KJ的能量。

沼气工程充分利用了物质循环再生的原理。由于它在物质、能量多级充分利用和转化方面独特的纽带作用，大大促进了农村以农牧结合为中心的多种经营，已成为我国当今农村生态工程建设中最重要和最基础性的组分。我国政府有关部门已做出规划，要在今30年内将全国的沼气池数目由现在的大约1000万个增加到5000万个。

实践活动

调查沼气工程的实施情况

有条件的地方，请对家乡附近的沼气工程进行调查。调查时要做较详细的记录，记录应包括以下内容（可根据具体情况增减）：

1.调查时间、地点及人员组成；

2.沼气池的结构和工作原理；

3.沼气系统运行状况，包括原料来源、产气情况、用途、日常管理、成本、运行周期等；

4.沼气液和底渣的利用情况。

调查结束后，整理记录，画出沼气工程的能量流动示意图，并通过网络、报纸、走访等途径搜集资料。

思考下列问题并和同学交流:

1.为什么我国要大力发展沼气工程？

2.目前沼气工程还有哪些亟待解决的问题？

生态工程的基本原理