恢复生态学与生态工程讲义.doc

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11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传统工程环境工程生态工程生物工程基本单元自然系统、社会系统自然系统生态系统细胞基本理论工程学环境科学生态学遗传学细胞生物学基本能源化石能化石能太阳能化石能基本费用大量大量合理大量设计特点人为人为人类辅助下的自组织人为控制结构任意污染源有机体遗传结构与自然的关系破坏再污染协调、无污染干扰生物多样性减少改变保持或增加改变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 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：土壤恢复中微生物的重要性及其作用；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；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：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；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；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；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 HTOdum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，70年代中国科学院武汉水生生物研究所等单位对有机磷和有机氮严重污染的鸭儿湖的防治生态工程，80年代初中国科学院南京地理所等单位又从生态系统水平研究实施了以凤眼莲为主的污水处理与利用生态工程，不仅治理了苏州、丹阳、山东、安徽等地的一些河道、湖泊和沟渠的有机污染，还增产了大量青饲料，推动了当地养殖业的发展。中国科学院沈阳应用生态研究所等单位，从50年代起，持续几十年研究了污水灌溉生态工程，并不断研究解决污灌中存在的问题，我国污灌面积从60年代的42000ha，至1977年达到105333ha，到1984年已发展到1400 Oooha。华东师范大学引进并筛选了光合细菌，研究揭示多种光合细菌的生活、繁殖条件及其动态，并试用其处理上海市居民粪便及一些工厂的有机废水。南京大学自60年代初，引种、研究并利用大米草、互花米草，人工建造海滩盐沼植被，调控海滩生态系统结构，保滩护堤，并分层多级的利用开发米草生物量，取得良好的生态、经济和社会效益。我国环保生态工程的特点：以整体观为指导，研究和处理对象是生态系统或复合生态系统，全面规划一个区域，而并非某些局部环境或生态系统中的某一部分，其目的是多目标的，即同步取得生态、经济和社会效益；以调控生态系统内部结构与功能为主，来提高生态系统的自净能力与环境容量，对外因(污染控制、输入物质与能源的量)仅作为条件，因而并不单纯过分限制工厂、生活区的排污量，避免激化生产发展与环保的矛盾；通过分层多级利用，使污染物质资源化，变废为宝。我国环保工程粗略地可划分为5类：无(或少)废工艺系统，主要用于内环境治理，在一些工厂或工业城市中的废物再生和利用系统，如废热源的再利用，工业废物的净化再循环等。分层多级利用废物生态工程，使生态系统中的每一级生产中的废物(下脚料)变为另一级生产过程的原料，使所有废物均被充分利用，如一些家畜(或家禽)养殖场所产生的粪便，配合沼气发酵，沼液无土栽培饲料或蔬菜，沼渣再制混合饲料或肥料等。复合生态系统内的废物循环、再生系统，如桑基鱼塘生态工程。污水自净与利用生态系统，充分利用污水中的有机成分作为营养源，既净化了污水，又利用了其中的营养元素和水资源，如污灌和污水养鱼技术。城乡(或工、农、牧、副、渔)结合生态工程，在一定区域内，应用不同生态工程分层多级利用废物，实现3个效益，如城市粪便、垃圾、饲养场家禽家畜粪便等制作沼气，再做农田肥料或鱼饲料，一些食品及轻工工厂废物用作畜牧、水产养殖饲料，其废物再作肥料，以及一些废旧物资的回收、再生与利用等。 1996年8月在美国生态学会年会上，前美国生态学会主席Judy Meyer博士，在大会的报告“走出朦胧面向未来的生态学(Beyond Gloom and DoomEcology for Future)”中，首先回顾了生态学这一学科定义与研究范围的发展过程，接着简要总结了近年来在全球变化及其它生态问题推动下，生态学在生态监测，包括全球变化、生物多样性保护、生态系统管理以及生态系统的恢复等领域的新进展。提出当今生态学发展方向，应能为可持续的未来提供理论基础与技术，因此应优先发展如下5个方面：生态工程(Ecological Engineerin)、生态经济(Ecological Economics)、生态设计(Ecological Design)、产业生态学(Industry Ecology)和环境伦理学(Environmental Ethics)。生态工程是今后生态学发展重点的第一项。ATT公司技术环境部副总裁Hentry，BB博士称生态工程及生态产业是第二次产业革命，是实现产业持续发展的根本出路。第二章 生态工程学原理第一节 生态工程学的核心原理2.1.1整体性原理1整体论(H01ism)和还原论(Reducism) 整体论和还原论是探索自然的二类不同的途径，也是科学方法论中长期争论的一个问题。生态学家所碰到的分歧大多由于他们各自站在整体论或还原论的立场。自17世纪牛顿首先提出运动定理以来，在科学研究中，实际上是还原论占据了优势。还原论认为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成分分开来研究，主要进行要素分析、定量表述，从而简化了研究，并更容易阐述科学结果，确信整个世界可还原为最简单的要素。这一科学方法对于探索出自然界中的支配关系实际是很有用的，例如在生态学中探索光的强度与初级生产力的关系；某种有毒物质的浓度与某种生物的死亡率的关系等。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，是不能揭示复杂系统或有机整体的性质和功能的。例如不能按组成人体(或生物有机体)的所有细胞的性质来揭示人体的性质和功能：不能按构成一个建筑物的砖、石、沙、木、钢筋、水泥等建筑材料的性质和功能来说明该建筑物的性质和功能。因此，对一个系统的研究，要以整体观为指导，在系统水平上来研究。虽然这类研究目前是较困难的，但却是必要的。整体理论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以致全球生态失调问题的必要基础。当然这并不意味对组成成分性质的研究和了解是多余的，因为对各成分的性质及与其它成分相互关系的了解越多，对系统的整体性质就能更好的了解。但是仅对一个生态系统成分的了解是不够的，因为这些研究不能解释系统的整体性质和功能，一个生态系统的成分是通过协同进化成为一个统一的不可分割的有机整体。2社会经济自然复合生态系统(Socialeconomicnaturalcompound ecosystem) 生态工程研究与处理的对象是作为有机整体的社会经济自然复合生态系统，或由异质性生态系统组成的、比生态系统更高层次水平的景观。社会经济自然复合生态系统(SENCE)由3类相互联系、互相作用、相生相克、互为因果的亚系统组成。其功能可用图(图21)来表示，其顶点人(H)、生产(P)、生活(L)、资源(R)、环境(E)、和自然(N)分别表示这一系统的控制、生产、生活、供给、接纳与还原的功能，它们可归纳为社会的、经济的、自然的3类功能，这3类功能相互联系、相互作用、相生相克构成了这种复合生态系统的复杂生态关系，包括人与自然之间的促进、抑制、适应、改造关系，人对资源开发、利用、加工、储存、保护与破坏，人类生产和生活活动中的竞争、共生、隶属关系等。图中分别代表人和自然、生产与生活，资源与环境3类主要矛盾和相互关系(Ma 8L Wangl989)。因此，复合生态系统是一种特殊的人工生态系统，兼有自然和社会两方面的复杂属性，一方面，人类在经济活动中，以其特有的智慧，利用强大的科学手段，管理和改造自然，使自然为人类服务，促使人类文明和生活持续上升。另一方面，人类来自自然界，是自然界进化的一种产物，其一切改造和管理自然的活动，都受到自然界的反馈约束和调节，不能违背自然生态系统的基本规律。这对矛盾冲突是复合生态系统的最基本特征之一。生态工程是以整体观为指导，在系统水平上来研究，整体调控为处理手段。虽然这样研究与处理是较困难的，但却是必要的。整体理论是综合了解系统，如生物圈、生态系统整体性质，及解决受胁区域以致全球生态失调问题的必要基础。当然这并不意味对组成成分的研究和处理是多余的，因为对各成分的性质及与其它成分相互关系的了解越多，对系统的整体性质就能更好的了解。但是仅对一个生态系统成分的了解与处理是不够的，因为对单一成分孤立地研究与处理不能解释与改进系统的整体性质和功能。在研究、设计及建立一个生态工程过程中，必须在整体观指导下统筹兼顾。一个生态系统，或社会。经济。自然复合生态系统，在自然和经济发展中往往有多种功能，但其中各种功能的主次和大小常因地、因时而异。应按自然、经济和社会的情况和要求，确定其主次功能，在保障与发挥主功能的同时，兼顾其它功能。统一协调与维护当前与长远、局部与整体、开发利用与环境和自然资源之间的和谐关系，以保障生态平衡和生态系统的相对稳定性。防止片面追求当前的局部利益，牺牲了整体和长远利益，兴利却伴随着废利或增害，产生了一些不利于持续发展的问题与后果。2.1.2协调与平衡原理1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(Homeostatic)的生态系统，在一定时期内均具有相的协调内部结构和功能的能力。生态系统的结构是组成该系统生物及非生物成分的种类及其数量与密度、空间和时间的分布与搭配、相互间的比量，以及各种不同成分间相互联系、相互作用的内容和方式。结构有其相对的稳定性，绝对的波动性、变异性和有限的自我调节性。结构是完成功能的框架和渠道，直接决定与制约组成各要素间的物质迁移、交换、转化、积累、释放和能流的方向、方式与数量，决定功能及其大小。它是系统整体性的基础。不同类的生态系统，不同时期、不同区域的同类生态系统，其结构可能不同，因此呈现不同状态和宏观特性，从而对自然界、人类社会、经济的支持、贡献和制约作用也不同。而生态系统的功能是接受物质、能量、信息，并按时间程序产生物质、能量、信息。概括来说，可谓“由输入转化为输出的机制，从而造成系统及其状态的变换”。它是组成系统的全部或大部分成分(状态变量)与由系统外输入及向系统外输出的物质、能量和信息的综合效应。例如物流(物质的迁移、转化、积累、释放、代谢等)、能流、信息流、生物生产力、自我调节、污染物的自净等。功能是维持结构的存在及发展的基础，但又是通过结构这一框架和渠道来实现的。一个生态系统的功能决定一个生态系统的性质、生产力、自净能力、缓冲能力，以及它对自然、人类社会、经济的效益和危害，也是该生态系统相对稳定和可持续发展的基础。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的流通量也各有一定的协调比量。任何超越一个生态系统自我调节能力的外来干扰，破坏结构间协调、或功能间协调、或结构与功能间协调，势必破坏与改变该生态系统的原有性质及整体功能。例如在我国苏南及内蒙等地区，原有许多水草型湖泊，但由于过量(超越水草的年生产量和再生量)利用，如滥捞水草作为肥料、饲料或过量放流草鱼、螃蟹等草食性动物，使水草量减少，破坏了原有水草与其它成分如营养盐，及以水草为饵料的水生动物的合适协调比量，削弱原来水体中通过水草迁移、转化、积累及输出氮、磷等营养元素的通道(营养链)及量比，使水体中浮游植物的量增加，促进了浮游植物的生产力和现存量，从而降低水的透明度及补偿深度(约为透明度的25倍处深度，该处光通量约为水表面光量的1)。原可供沉水植物生长繁衍的湖底层，由于补偿深度降低，落于补偿深度以外的区域，抵达该水层的光通量减少，已不能满足绝大多数种类的沉水植物的光合作用需要，进一步减少该处沉水植物的生产量，甚至使沉水植物在该水层处消失。全湖水草量进一步减少，浮游植物生产量和现存量进一步增加，湖水透明度及补偿深度随之进一步降低，如此恶性循环，导致全湖沉水植物消失，加速了富营养化过程，使这些湖由草型湖变为藻型湖，由中营养型或贫营养型湖变为富营养以致恶营养型湖，降低了生物多样性和水体对一些营养盐及有机质的自净能力，减小了水体的环境容量，恶化了水质。虽水量未变，但水质变差，削弱了这些湖泊作为生活及工业用水水源的社会经济功能。这类破坏生态系统结构和功能的教训很多，不一一列举，要从中吸取教训，明确维护生态系统结构与功能的协调性是生态工程的重要原则。 辩证唯物主义的哲学认为外因(强制函数)是变化的条件，内因(内部结构和功能)是变化的根据，外因通过内因才起作用。我们在污水处理和利用生态工程、农业生态工程等很多实践中，按照这一原则去设计、运行并取得成功的经验。例如在一些受污水体中，并没截污分流，来控制外来污染物的量，而是调控受污水体内部结构，如种植或养殖一些水生动植物，增加或扩大一些有机质及营养盐在该生态系统中迁移、转化、积累和输出的环节、途径和数量，提高了该水体自净能力及环境容量，不仅净化与改善了水质，改善了生物多样性，而且化害为利，增产了青饲料及鱼鸭等产品和产量。又如在一些农田中，在种植面积不变，施肥量及其它强制函数不增加情况下，调整内部结构，即通过轮种、套种、间种、改良作物品种等措施，使结构间、功能间、结构与功能间更加协调，充分发挥物质生产潜力，既增加产量又保护了水、土资源及生物多样性。2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，而处于相对稳定态。此稳定态是一种生态平衡。生态平衡就整体而言可分为： 结构平衡：生物与生物之间、生物与环境之间、环境各组分之间，保持相对稳定的合理结构，及彼此间的协调比例关系，维护与保障物质的正常循环畅通。功能平衡：由植物、动物、微生物等所组成的生产分解转化的代谢过程和生态系统与外部环境、生物圈之间物质交换及循环关系保持正常运行。但由于各种生物的代谢机能不同，它们适应外部环境变化的能力与大小不同，加之气象等自然因素的季节变化作用，所以生物与环境间相互维持的平衡不是恒定的，而是经常处于一定范围的波动，是动态平衡。收支平衡：生态系统是一开放系统，它不断地与外部环境进行物质和能量的交换，并有趋向输入与输出乎衡的趋势，如收支失衡就将引起该生态系统中资源萧条和生态衰竭(Ecological exhaustion)或生态停滞(Ecological stagnancy)。当一个生态系统中物质的输入量大于输出量，且超越生态系统自我调节的能力时，过度输入的物质和能将以废物的形式排放到周围环境中，或是以过剩物质的形式积蓄于生态系统中，这样就造成收支失衡，原有协调结构与功能失调，导致环境污染，这种状况即生态停滞。其指标可以按输入与输出的某些物质的比量来计测，即在一定时期内，某些物质的输入量与输出量的比例大于1。当生态停滞严重时，如水体接受过量废水中的一些物质(污染质)，其量超越该水体可迁移、转化、输出的量，出现收支失衡，导致污染，这就应当增支节收，恢复收支平衡。一方面调整并协调内部结构和功能，改善与加速生态系统中物质的迁移、转化、循环、输出，以增加过剩物的输出，同时，另一方面控制过剩物的输入。在一个生态系统中某些物质的输出量大于输入量，其比例小于1，此种状况即生态衰竭，如过度放牧、过度捕捞等，这是以破坏资源及环境，牺牲持续发展为代价，来获取一时的高产与暂时效益的。在这种情况时，应当采取增收节支，以恢复收支平衡。一方面增加生态系统物流中医乏物质的输入量，另一方面调整与协调该生态系统内部结构与功能，改善与加速物质循环，减少医乏物质的输出。只有某些物质输入与输出量平衡时，即其比量接近1时，才反映人类活动对该生态系统的不利影响是不大的。社会经济自然复合生态系统中，不仅在物流方面要力求收支平衡，而且在人力流、货币流方面也可能出现停滞与衰竭的问题，这可应用一些经济规律来解决。2.1.3自生原理自生原理(SelfResiliency)包括自我组织(Selfor8anization)1自我优化(Selfoptimum)、自我调节(Selfregulation)、自我再生(Selfregerenation)、自我繁殖(Selfreproduction)和自我设计(Selfdesign)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的稳态以及可持续发展。 1自我设计和自组织原理 自然生态系统的自我设计能力是生态工程或生态技术中最主要的基本原理之一。这包括：通过设计，能很好地适应对系统施加影响的周围环境，同时系统也能经过操作，使周围的理化环境变得更为适宜。正是由于这一自我设计的特点，自然界也在扮演着“工程师”的角色，不断完成或进行着一个又一个的“工程”。例如宇宙的形成，地球的形成以及地球生命环境的形成，这是地地道道的毫无人工斧凿的“天作地合”，毫无疑问是最客观的大自然自我设计的杰作。再从