恢复生态学与生态工程
教学讲稿
第一章 绪论（2学时）
第一节 生态工程和生态技术
1.1. 1生态工程和生态技术
Odum最早（1962）提出“生态工程”时定义为“为了控制生态系统，人类应用来自自然的能源作为辅助能对环境的控制。” 马世骏定义为：生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统分析的最优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统。生态工程的目标就是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。
Mitsch1993年定义为：为了人类社会及其自然环境的利用，而对人类社会及其自然环境加以综合的且能持续的生态设计。它包括开发、设计、建立和维持新的生态系统，以期达到诸如污水处理（水质改善）、地面矿渣及废弃物的回收、海岸带保护等，同时还包括生态恢复、生态更新、生物控制等目的。
我理解的生态工程：通过增加新的生物成员，调整生态系统的结构，建立起生态系统的某些功能，以自然能维持系统功能持续发挥，达到防治环境污染、提高经济收益的目的，实现持续发展。
欧美学者人为：生态工程就是生态技术。中国学者人为：生态技术只是生态工程的一个环节。 生态工程是一门新兴学科。1989年有中、美、丹、日等国生态学家合著的《Ecological enginerring: an introduction to ecotechnology》正式出版，系统地阐述了生态工程研究对象、理论方法及一些案例，标志生态工程成为一门学科。
生态工程核心是以自然的方式解决生态环境问题。
1.1. 2生态工程和环境工程
环境工程这门学科是60年代建立起来的。而在此之前几十年曾被称为“卫生工程”。环境工程的目标很明确，就是利用一系列科学原理，去净化或防治环境污染。环境工程已有一系列有价值的环境技术，如“曝气池法”、“氧化塘法”、“砂滤法”、“活性污泥法”等等。而生态工程与其最大区别在于：生态工程考虑利用生态系统的自我设计特点，是有利于人类和自然两者的设计；生态工程的“工具箱”包括全世界能提供的所有生态系统、生物群落及物种。现今，我们正面临自然资源日趋匮乏、人口不断增长以及环境连年恶化等世界性难题。生态学家和环境学家们面临着严峻的挑战。约20年前，曾有人为完全解决环境污染问题提出“零排放”，认为依靠环境技术是可以奏效的。事实上，这是不可能的。例如，我们在提供一种环境技术选择时，常常将污染物从一种介质(如空气)转移到另一种(如水)中去。我们必须寻找另外的办法，以减少污染物的转移，同时保护我们的自然生态系统和非再生性资源。再如环境工程不可能解决农业面源污染。
生态技术和生态工程提供了这样的思路，即利用自然生态系统无废弃物和物质循环等特点来解决污染问题。同时，生态工程利用太阳能为基本能源，并保持或增加生态系统内部的物种多样性，
而环境工程以化石能为基础能源，往往会改变或减少生态系统的生物多样性，如表1—1所示。与环境工程和传统工程相比，生态工程是一类低消耗、多效益、可持续的工程体系。
生态工程与环境工程、生物工程和传统工程的比较 基本单元 基本理论 基本能源 传统工程 工程学 化石能 环境工程 环境科学 化石能 生态工程 生态系统 生态学 太阳能 生物工程 细胞 遗传学细胞生物学 化石能 自然系统、社会系统 自然系统 1
基本费用 设计特点 控制结构 与自然的关系 生物多样性 大量 人为 任意 破坏 减少 大量 人为 污染源 再污染 改变 合理 人类辅助下的自组织 有机体 协调、无污染 保持或增加 大量 人为 遗传结构 干扰 改变
1.1. 3生态技术和清洁技术
传统技术企业和高新技术企业在运营过程中，耗费大量的化石能，往往对环境造成污染。为了减轻对环境的影响，在原有的工厂运作过程的基础上，加配污染物处理系统，如污水处理系统、大气二氧化硫处理系统等，最大限度地减少污染物的排放或污染物的零排放，这些污染治理技术成为清洁技术。一般的清洁技术投入高、耗能大，其应用受到一定的限制。生态技术，被认为是又一次产业革命的基础，是利用生态系统原理和生态设计原则，如物质多层次分级利用原理t种群匹配原理等，从工厂使用的原料开始，系统全面地对工厂的运作过程进行合理设计，做到既有可观的经济效益和社会效益，又将其对环境的破坏作用维持在最小的水平，甚至根本杜绝对环境的破坏。
第二节 生态恢复和恢复生态学的定义 1.2.1恢复生态学的涵义
美国自然资源委员会1995年认为：使一个生态系统恢复到较接近干扰前的状态即为生态恢复。 Jordan1995年认为：使生态系统恢复到先前或历史上（自然的或非自然的）的状态即为生态恢复。
Egan1996年认为：生态恢复是重建某区域历史上有的职务和动物群落，而且保持生态系统和人类的传统文化功能的持续性的过程。
以上这些定义都强调，受损生态系统要恢复到理想的状态才为生态恢复。但实际上这种理想状态是很难实现的。原因在于，不了解过去是什么，恢复时间太长，所需费用太高，等等。
国际恢复生态学会1995年定义为：生态恢复是帮助研究生态整合性的恢复和管理过程的科学，生态整合性包括生物多样性、生态过程和结构、及历史情况、可持续的社会实践等广泛的范围。 1.2.2 恢复生态学基本内容
a自然因素及其作用与生态系统的响应机制
自然因素从大的方面包括一些天文因素变异引起的全球环境变化以及地球自身的地质地貌过程和地球化学过程等，这些因素直接影响到陆地、水生生态系统格局的形成和变化，如全球环境的暖干化如果继续发展，达到一定的阂值就可能引起全球生态景观格局的根本变化。但恢复生态学的研究一般更注重包括气候因素和土地因素在内的区域地域系统。 1．气候因素
任何生态系统都存在于具有一定区域特性的气候环境中，各气候因素，如，热量、光照、降水、风等随时都会对生态系统产生动态影响，因而，恢复生态学研究首先是要对区域气候因子及其动态有基本的了解，对它作用于生态系统的响应进行综合研究，这是恢复生态学的研究基础。如，风对生态系统的作用是十分复杂的，风一方面有助于植物传粉及种子传播，另一方面也是风蚀、堆积引起生态系统退化的可能因素。降水是植物水分补给的主要来源，但过多和集中的降水又是水力侵蚀引起生态退化的根本原因。因而，气候因素对于生态系统退化的作用是极其复杂的，必须在综合分析研究的基础上，才能了解其综合作用机制和过程。对于恢复生态学研究的另一方面生态恢复来说，气候因子是物种选择、配置、目标生态系统确定及其演进、稳定的主要影响因子。同时气候因子不仅是动态变化的，而且其各因子之间又相互影响，存在着复杂的关系，因而其作用于生态系统的机制更为复杂，这也是恢复生态学需要研究的一个方面。 2．土地因素
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土地因素包括土壤和地形两个方面，土壤作为生态系统构成的一部分，是生态系统中生物群落赖以生存的基础，可指示生态环境之顺向或逆向演变。土壤的特性直接影响生物区系构成及生物群落的结构，它与生态系统的演变有互为因果的关系，一方面，土壤理化性状变化引起生物群落的变化，另一方面，生物群落变化也引起土壤理化性状的变化，虽然它们之间存在时间周期上的差异性，但它们之间的关系是协同变化的。虽然我们不能鉴别二者之间谁影响谁，但大多数恢复生态学研究者认为，在生态退化过程中，如果仅仅是植物群落的退化，生态系统会很快复原。土地因素的另一方面为地形，地形主要通过高度、坡向与坡度影响生物因素，包括生物区系、群落构成等。同时，地形因素也是恢复生态学中生态恢复工程技术体系与生物配置体系的一个重要因素。
地域系统中各自然因素对生态系统的影响不仅是复杂的，而且通过各因素之间的相互作用、相互影响而产生综合作用过程，其对生态系统的作用机制远比我们了解的复杂得多，因而作为恢复生态学研究的内容之一，在研究过程中应重视其复杂性和影响的多向性。 b人为因素对生态系统的作用过程与机制
人类即是生态系统的利用者和破坏者，又是生态恢复工作中生态系统的设计者和缔造者，因而，恢复生态学研究更关注人与自然的相互作用机制。普遍认为，在生态系统退化过程中人为干扰是不容忽视的。人为因素主要包括人类社会中所发生的一系列的社会、经济、文化活动或过程，如工农业活动、城市化、商业、旅游、战争等，人为干扰往往叠加在自然干扰之上，共同加速生态系统的退化。人为干扰对生态系统的影响表现在生态系统动态的各个方面。首先，某些干扰如人口过度增长、人口流动等对生态系统或环境形成静态和动态压力，通过对生物个体的综合影响，进而引起种群的年龄结构、大小和遗传结构以及群落的丰富度、优势度及结构的改变，同时，也可直接破坏或毁灭环境和生态系统中的某些组分，造成系统短缺和某些生态系统过程或生态链断裂，甚至导致整个生态系统崩溃。而在生态恢复过程中，仅通过解除干扰、附加以生物、生态及工程技术和方法，是人类对生态系统的贡献。因而，恢复生态学研究更注重人与自然和谐关系的建立，注重人为干扰的类型、程度对生态系统退化过程影响机理的研究。 c生物群落与生态系统演替机制
任何生态系统都具有特定的生物群落，生物群落由不同的植物、动物、微生物种群构成各自独立又相互联系的生物群落，各生物群落中存在食物链关系。如植物群落利用光能和无机盐及C02合成最初的有机物质，而动物直接利用或间接利用这些有机物为食物，进行动物性生产，微生物使植物产品和动物产品分解为植物所需物质回到土壤或大气，就这样周而复始地进行生物层面的循环。 恢复生态学在生物群落层次研究的主要内容有：①土壤恢复中微生物的重要性及其作用；②植物群落演替的内在机理，包括物种的个体竞争、互生、共生作用及其相互作用机制，生物生态位理论及其在生态恢复工作中的运用等；⑦动物群落的种群、行为生态学及其在甥态恢复中的作用，物种的多样性及濒危动物的保护等。
从生态系统层面上，针对生态系统退化和生态恢复进行不同层次的研究，生态系统研究是恢复生态学研究最主要的一个方面。主要有：(1)生态系统结构(包括生物空间组成结构、不同地理单元与要素的空间组成结构及营养结构等)、功能(包括生物功能，地理单位与要素的组成结构对生态系统的影响与作用，能流、物流与信息流的循环过程与平衡机制等)以及生态系统内在的生态学过程与相互作用机制；(2)生态系统的稳定性、多样性、抗逆性、生产力、恢复力与可持续性；(3)先锋与顶级生态系统发生、发展机理与演替规律；(4)不同干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制；(5)生态系统退化的景观诊断及其评价指标体系；(6)生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测；(7)生态系统健康；(8)退化生态系统恢复与重建的关键技术；(9)生态系统结构与功能的优化配置与重构及其调控技术；(10)物种与生物多样性的恢复与维持；(11)生态工程设计与实施技术；(12)环境规划与景观生态规划技术；(13)典型退化生态系统恢复的优化模式试验示范与推广。
第三节 生态工程的研究简史
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1、 国外生态工程研究进展
1．国外农业生态工程研究进展
从本世纪30年代起，大型农业机械的出现，化学工业的飞速发展，以及农业生物技术，尤其是新品种的不断涌现，使西方发达国家的农业劳动生产率大大提高，农畜产品也大幅度增加。这种以开发化石能源及工业技术装备为特征的农业为集约化农业，它在60年代达到鼎盛时期。但进入70年代后，随着集约化农业的普遍推行，其自身的问题逐渐暴露出来，这些问题包括：①能耗高，随着石油大规模涨价而表现为农田能量投入产出比值下降；②加剧了土地资源的衰竭，特别是水土流失、风蚀和地下水过量开采等；⑧动植物品种上的单一和结构上的单调，加重了病虫害和杂草的发生和蔓延；④大量化学物质的投入造成土壤、水体和农产品严重污染。这些问题不但影响到农业生产条件的维持能力，还威胁到农产品持续供应的可能性。为了解决这些问题，在西方发达国家中发展了多种形式的替代农业。其中包括综合农业、再生农业、有机农业、持久农业、生物农业、生物动力农业和自然农业等类型。各种替代农业都强调要充分发挥农业生态系统中的生物学过程，利用生物种群间的相生相克关系，调动共生互利关系和自我调节能力；强调运用生态系统中的能量转化和物质循环规律对维持与优化系统功能作用；提倡最大限度地依靠作物轮作，加强对秸秆；家奋粪便、豆科作物、绿肥及其他有机废弃物的利用，培肥土壤；保持土壤肥力，持续地供给作物养分75提倡以生物防治措施来防治病虫害等，最终达到尽量避免大量使用无机化肥、农药、生长调节剂及家畜饲料添加剂等来维持农业生产的目的。在美国，主要以从事有机农业的研究和开发为特色。自Roodale J.I．于’1942年创办第一家有机农场以来，从事有机农业的人已越来越多，至80年代末为24万，为美国农民的1％。西欧各国侧重于生物农业和生物动力农业，约1％的农民参与了这项实验，其中畜牧业占很大的比重，农场类型有专业奶牛场、畜牧场、综合农场和种植场等。如荷兰国家实验农场对替代农业系统的比较研究开始于1979年，其中生物动力农场占地22ha，有20头奶牛，采用10年轮作，作物中7％作为饲料。据调查，澳大利亚的50个有机农场，面积最小的为0.25ha，最大的5000ha。50个农场包括五种类型：粮／羊型(24个)，牛／奶型(18个)。花／草／饲料型(3个)，养猪型(3个)，蔬菜型(2个)。亚洲国家也开展了生态农场的研究和建设，其中著名的有菲律宾的马雅农场，泰国的蜀农场，这些都是实行立体种养与资源循环利用的典型。日本则致力于自然农业的研究。自然农业强调土壤生物在适宜条件下正常发展，使土壤肥沃，生产力提高。1988年在我国举行的国际农业生态工程会议上，日本派出了最大的国外代表团，十几个成员都是研究自然农业的专家，他们带来一部录像片，名叫“活的土壤”，强调保护与提高土壤质量的生物学过程。
可见，国外与农业生态工程有关的研究到目前为止是以具体农场或工厂的实践为主，而科研是在这一过程中进行的，其中调查研究占很大比重。近年来，越来越多的学者还试图通过实验农场的研究来建立一套替代农业的计算机信息系统和技术体系(Haynes，1989)，以推动该项产业的发展。与此同时替代农业的发展逐渐引起了政府的重视。如1980年美国农业部组织了有机农业的调查并推荐有机农业模式；1985年美国国会通过食物安全法，强调低投入农业对食物安全有利，表示政府越来越重视低投入农业的研究、教育和推广工作。 2．国外环保生态工程研究进展
这类工作在国外生态工程研究和应用中是较多的，反映国内外的侧重点有所不同。如在全世界发行的英文版“生态工程”专著中，12项研究与应用实例内，有9项与环保及污染物处理与利用有关，特别是污染水处理与湖泊、海湾的富营养化防治更为突出。而传统的环保工程虽可防治局部环境污染，如处理污水时需动力能源和化学药品，而生产这些能源和化学药品又造成污染。而采用的环境保护生态工程，能源主要取自太阳能，设备或工具则多利用自然界存在的生物体(生物种群、群落乃至生态系统)，这样投资少，运转费用低，既形成环保效益，又可有一些产品产生经济效益。在美国，污水处理生态工程已有多处。如70年代在佛罗里达Garimsville处种植柏树使之成为森林湿地，处理污水中的营养盐(去除污水中50％以上的有机质、营养盐和金属元素)；在俄亥俄州，应用蒲草为主的湿地生态系统处理煤矿所排含有FeS酸性废水的生态工程(处理后废水铁含量减少了50％一
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60％，但硫的去除率不高)。在马塞诸塞州，于沼泽及盐滩上建立生态工程，处理陆上的废水，防止海洋的富营养化。在丹麦，自1972年一1976年就开始研究与试用Glums湖泊富营养化防止的生态工程，建立了生态模型，结果去除了进湖污水中90％一98％的磷，1976年一1981年又对该模型进行了改进与修正。在瑞典，污水处理的生态工程受到很大重视，应用机械法、生物法和化学法3个步骤处理污水，目前已使城市居民中80％的生活污水受到处理。瑞典仅800万人口，在80年代就为此类工程投资约5亿多美元，其中包括若干污水处理生态工程，如利用污水作为肥料、农田灌溉处理净化污水，目前在波罗的海内海的“赤潮”已大为减少，甚至在其首都斯德哥尔摩海湾内的水都能游泳了。另建有许多温室，在室内培养多种水生植物，以净化污水。在荷兰，自70年代起，已试验调控一些小型湖泊生态系统的结构，增加直接摄食藻类以及在阳光和营养方面有竞争力的生物种类，防治水体富营养化，减少“水花”。另在一些居民区中建立了若干生活污水处理小型生态工程，以一些垂直分布的充气和厌气土壤滤器纵向组合构成，并据此在计算机上建立了营养盐流动的数学模型。德国也自70年代起应用以芦苇占优势的湿地来净化污水。爱沙尼亚利用种植水生维管束植物的湿地来净化污水。匈牙利自1972年起即开始应用中国传统的综合养鱼经验，用污水养鱼生态工程来处理污水。奥地利则利用种植物代替沉淀法处理山区生活污水。挪威已试验并扩大生态厕所，可输出90％的N和50％以上的P及有机质。1991年3月在瑞典举行的污水处理生态工程国际学术会议上，20多个国家的代表提出的30多篇报告反映各国在这方面进展很快，特别表现在揭示这类生态工程的机理，以及在各成分相互关系的定量基础上，运用计算机建立数学模型。
2、 中国生态工程研究进展
二、我国生态工程研究进展
H．T．Odum在其《能量、环境和经济》中文版(蓝盛芳译，1992，东方出版社)的序中指出：“世界各大国中，中国的农业和水产养殖业系统在保持人类与地球的和谐关系上，具有最悠久的历史。世界上许多发达国家通过掠取其他国家资源而使经济过分发展起来；其他国家则因廉价出卖太多资源而陷入困境。中国不愿为小利而出卖资源，在利用本国资源方面有较好的经验。今后数十年，世界资源不能维持大多数地区的经济继续有较大增长。相信中国具有优良传统和方法，与自然界保持平衡。”
1．我国农业生态工程研究进展
我国农业生态工程的研究与进展取得了丰硕成果，令世界瞩目。自生态工程在我国正式提出(70年代末)至1991年，10多年的时间，有计划组织的农业生态工程(或称生态农业)的试点县、乡、村或农场就有2000多个，覆盖农田面积达25000km’以上，内陆水体76kmz，草地912km2，受益人口约2581万。特别是举世瞩目的中国五大防护林生态工程对减少径流泥沙，拦洪消减洪峰，防风固沙，改善保护区内农田小气候，促进农业增产及多种经营，已开始显示良好效益。我国农业生态工程的特点是：注重传统农业技术与现代技术的结合。我国传统农业中的许多精湛技术，由于符合生态学原理，在今天的农业实践中仍被证明是行之有效的。如稻田养鱼、桑基鱼塘，这些至少具有10个世纪历史的技术至今仍被我国南方许多地区广泛采用。而当代的生物技术、生态技术、化学技术、机械技术、环境治理工程技术以及小流域水土流失治理工程技术等现代技术也逐步被生态工程所采用。我国农业生态工程的研究目标是注重生态效益和经济效益的结合，强调提高生态效益是建筑在经济效益提高的基础上，强调农业生产与环境保护同步发展。 2．我国环保生态工程研究进展
环保生态工程是我国生态工程研究中发展较快的另一个领域。我国长期以来已有许多自
发的废物利用、再生、循环的传统经验。如生活污水及粪便用作农田肥料或养蚯蚓、培植食用菌等，皆是祖先创造并留给我们的宝贵财富，也是发展生态工程的主要基础之一。但研究、设计与应用生态工程，以及在生态学原理指导下的工作则在50年代才开始。如前所述，马世骏等在50年代首先提出调控湿地生态系统的结构与功能来防治蝗虫灾害，60年代调控污水养鱼开始较大规模的发展，
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恢复生态学与生态工程讲义
