生態工程

生態工程起源於生態學的發展與應用，至今不過50年的歷史。60年代以來，全球面臨的主要危機表現為人口激增、資源破壞、能源短缺、環境污染和食物供應不足，表現出不同程度的生態與環境危機。在西方的一些發達國家，這種資源與能源的危機表現得更加明顯與突出。現代農業一方面提高了農業生產率與產品供應量，另一方面又造成了各種各樣的污染，對土壤、水體、人體健康帶來了嚴重的危害。而在發展中國家，面臨著不僅是環境資源問題，還有人口增長，資源不足與遭受破壞的綜合作用問題，所有這些問題都進一步孕育、催生了生態工程與技術對解決實際社會與生產中所面臨的各種各樣的生態危機的作用。

1962年美國的H. T. Odum首先使用了生態工程（Ecological Engineering），提出了生態學應用的新領域：生態工程學。並把它定義為“為了控制生態系統，人類應用來自自然的能源作為輔助能對環境的控制”，管理自然就是生態工程，它是對傳統工程的補充，是自然生態系統的一個側面。80年代后，生態工程在歐洲及美國逐漸發展起來，並出現了多種認識與解釋，並相應提出了生態工程技術，即“在環境管理方面，根據對生態學的深入了解。花最小代價的措施，對環境的損害又是最小的一些技術”。

在我國生態工程的概念提出是由已故的生態學家、生態工程建設先驅馬世駿先生在1979年首先倡導的。馬世駿先生（1984）給生態工程下的定義為：“生態工程是應用生態系統中物種共生與物質循環再生原理，結構與功能協調原則，結合系統分析的最優化方法，設計的促進分層多級利用物質的生產工藝系統”。

在中國面臨的生態危機，不單純是環境污染，而是由於人口激增，環境與資源破壞，能源短缺、食物供應不足等共同而成的綜合效應。因此中國的生態工程不但要保護環境與資源，更迫切的要以有限資源為基礎，生產出更多的產品，以滿足人口與社會的發展需要，并力求達到生態環境效益、經濟效益和社會效益的協調統一，改善與維護生態系統，促進包括廢物在內的物質良性循環，最終是要獲到自然－社會－經濟系統的綜合高效益。正因為如此，在我國對生態系統的發展與生態工程的建設提出了“整體、協調、再生、良性循環”的理論。生態工程的基礎形成了除了以生態學原理為支柱以外，還吸收、滲透與綜合了其它許多的應用學科。如農、林、漁、養殖、加工、經濟管理，環境工程等多種學科原理、技術與經驗，生態工程的目標就是在促進良性循環的前提下，充分發揮物質的生產潛力，防止環境污染，達到經濟與生態效益同步發展。

生態工程是從系統思想出發，按照生態學、經濟學和工程學的原理，運用現代科學技術成果、現代管理手段和專業技術經驗組裝起來的，以期獲得較高的經濟、社會、生態效益的現代農業工程系統，建立生態工程的良好模式必須考慮如下幾項原則：

因地制宜

（1）、必須因地制宜，根據不同地區的實踐情況來確定本地區的生態工程模式。

擴大系統的物質、能量、信息的輸入

（2）、由於生態系統是一個開放、非平衡的系統，在生態工程的建設中必須擴大系統的物質、能量、信息的輸入，加強與外部環境的物質交換，提高生態工程的有序化、增加系統的產出與效率。

密集相交叉的集約經營模式

（3）、在生態工程的建設發展中，必須實行勞動、資金、能源、技術密集相交叉的集約經營模式，達到既有高的產出，又能促進系統內各組成成分的互補、互利協調發展。

生態工程建設的目標是使人工控制的生態系統具有強大的自然再生產和社會再生產的能力。在生態效益方面要實現生態再生，使自然再生產過程中的資源更新速度大於或等於利用速度，在經濟效益方面要實現經濟再生，使社會經濟再生產過程中的生產總收入大於或等於資產的總支出，保證系統擴大再生產的經濟實力不斷增強，在社會效益方面要充分滿足社會的要求，使產品供應的數量和質量大於或等於社會的基本要求，通過生態工程的建設與生態工程技術的發展使得三大效益能協調增長，實現高效益持續穩定的發展。

理論基礎：物質循環

意義：可避免環境污染及其對系統穩定性和發展的影響

理論基礎：生態系統的抵抗力穩定性

意義：生物多樣性程度可提高系統的抵抗力穩定性，提高系統的生產力

理論基礎：生物與環境的協調與平衡

意義：生物數量不超過環境承載力，可避免系統的失衡和破壞

理論基礎：社會—經濟—自然複合系統

意義：統一協調各種關係，保障系統的平衡與穩定

a. 理論基礎：

系統的結構決定功能原理：分散式優於集中式和環式

意義：改善和優化系統的結構以改善功能

b. 理論基礎：

系統整體性原理：整體大於部分

意義：保持系統很高的生產力

中國生態工程發展特點

中國與國外蓬勃發展的生態工程各有自己的特點，中國生態工程有獨特的理論和經驗，中國生態工程所研究與處理的對象，不僅是自然或人為構造的生態系統，而更多的是社會－經濟－自然複合生態系統，這一系統是以人的行為為主導，自然環境為依託，資源流動為命脈，社會體製為經絡的半人工生態系統。其結構可以分成為3個主要集合。

生態工程構成

核心圈是人類社會，包括組織機構及管理、思想文化，科技教育和政策法令，是核心部分為生態核。另一層次是內部環境圈，包括地理環境、生物環境和人工環境，是內部介質，稱為生態基。常具有一定的邊界和空間位置；第三圈是外部環境，稱為生態庫；包括物質、能量和信息以及資金、人力等。

國外的生態工程發展特點

國外的生態工程研究與處理的對象一般是按照自然生態系統來對待。如各類湖泊、草原、森林等，在自然生態系統中加入或構造原本沒有人為結構，如水利設施與土壤改良等工程。西方生態工程的研究方法的貯備與應用，特別是定量化、數學模型化及其系統組分及機制的分析方面具有自己的特色。

模擬自然生態系統中物質能量轉換原理並運用系統工程技術去分析、設計、規劃和調整人工生態系統的結構要素、工藝流程、信息反饋關系及控制機構，以獲得儘可能大的經濟效益和生態效益的一門學科。它是建立在生物工藝、物理工藝及化學工藝基礎上的一門系統工藝學。

在生態系統演替過程中，有兩種基本功能在起著重要作用：一是通過生物或子系統間相互協調形成的合作共存、互補互惠的共生功能；另一個是以多層營養結構為基礎的物質轉化、分解、富集和循環再生功能。這兩種功能的強弱決定了生態系統的興衰及其穩定性。生態系統動態過程中，通常包含複雜的物理作用、化學作用和生物作用；其中生物起著傳遞者、觸媒乃至建造者的作用。生物在長期演化和適應過程中，不僅建立了相互依賴和制約的食物鏈聯繫，而且由於生活習性的演化形成了明確的分工，分級利用自然提供各種資源。正是由於這種原因，有限的空間內才能養育如此眾多的生物種類，並可保持

生態工程

相對穩定狀態和物質的持續利用。把自然生態系統中這種高經濟效能的結構原理應用到人工生態系統中，設計和改造工農業生產工藝結構，促進系統組分間的再生和共生關係，疏通物質能量流通渠道，開拓資源利用的深度及廣度，減少對外部“源”和“匯”的依賴性，促進環境和經濟持續穩定發展，是生態工程的基本目標。近年來，我國城鄉建設中出現了各種不同類型的生態工程雛形，如：

①物質能量的多層利用工程

模擬不同種類生物群落的共生關係，包含分級利用和各取所需的生物結構，如利用秸稈生產食用菌和蚯蚓生態工程設計。秸稈經過糖化過程製成家畜喜食的飼料，再用家畜排泄物及殘渣來培養食用菌；生產食用菌后的殘餘菌床又可用以繁殖蚯蚓，或與無毒有機廢物及生活污水混合以生產沼氣；最後把利用后的殘物返回農田，這樣就可以分級地充分利用其中的能量。這種分級利用的工藝不但可生產食用菌和蚯蚓及沼氣，還可以充分發揮秸稈的肥效。

②桑基魚塘的水陸交互補償工程

桑基魚塘（或蔗基魚塘）是中國廣東農家行之有效的多目標生產措施。桑樹通過光合作用生成有機物質桑葉，桑葉飼蠶，生產出蠶蛹及蠶絲（加工工藝中的物質轉化），桑樹的脫落物蠶沙施用到魚塘，經過魚塘內另一食物鏈過程，轉化為魚。魚的排泄物及其未被利用的有機物沉積於塘底，經底棲生物分解后可成為桑樹的肥料，返回桑基。這種交互補償水陸物質的方式，廣泛適用於沼澤及低濕地區(見圖)。生態工程

③工業城市廢物再生利用工程

工廠排出的餘熱，燃料釋放的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物以及某些加工工業廢液中的重金屬，是廣泛存在的污染環境的污染物。回收和凈化此類物質，是城市建設及工業建設必須重視的社會問題。利用工廠餘熱（包括氣熱及水熱）作為冬季住房的熱源，已在許多城市實行。如能根據熱係數，在工廠附近建造不同溫梯度的溫室，便可利用餘熱培植各種作物；作物的一部分製成飼料，飼養禽畜；禽畜排泄物施於農田或園林。而環境中林木還可吸收工廠燃料所產生的二氧化碳以及其他一些氣態的及存在空中懸浮的廢物。這種兼顧生產和環境保護的工藝，當做到基本不排污時，稱為無污染工藝；若干這種工藝所構成的工程體系，稱為無污染工程。另外，不少種陸生和水生生物可以吸附和富集某些微量金屬物質，因而可以用作回收某種微量元素的活介質。

④區域污水多功能的自凈系統

在結構複雜的自然生態系統中，往往同時在進行物質的富集與擴散、合成與分解、頡頏與加成等多種調控過程。在正常情況下，自然生態系統內部不易出現由於某種物質過度積累而造成的死亡，這是由於系統內具備自我解毒的機制（微生物）和解毒

生態工程

工藝過程（物理的、化學的作用過程）。即使由於某種物質積累破壞了系統的原來結構，也會出現適應新情況的生物更新。模似這種複雜功能的工藝體系是今後解決和防止工業污染以及實現廢水資源化的有效途徑，是系統生態原理在環境保護中的應用，這種生態工程包括相互交錯的食物鏈及三個方向的物質流與能流以及不同性質的輸入與輸出。

⑤多功能的農工商聯合生產體系

把生態系統通過一定的網路結構和自調節功能而實現物質循環不已和生物生生不息的原理，應用到以農產品為原料的加工工業中，使農工業產品（包括副產品）在農工商發展中相互補償原料，以保持該地區穩定的生產體系，減少廢物，防止污染，並改善農村生態環境。農工商聯合生產體結構模式應包括農、林、牧、副、漁業等一定範圍的居民點設施；農、林、牧、漁、副業等的產品數量和加工工業的範圍應與當地人口及計劃產值保持相應的比例。此類型的農工商聯合生產有機體系可作為現代化農村建設的模式之一。

生態工程技術

生態工程技術通常被認為是利用生態系統原理和生態設計原則？對系統從輸入到轉換關係與環節直到輸出的全部過程進行合理設計？達到既合理利用資源？獲得良好的經濟及社會效益？又將生產過程對環境的破壞作用降低在較低的水平。

生態工程的規劃

生態工程規劃與設計的一般流程為：生態調查 系統診斷綜合評價 生態分區及生態工程設計 配套技術 生態調控。

生態分區與生態工程設計

根據生態調查、系統診斷及綜合評價的結果，進行生態分區，在生態分區的基礎上進行生態工程的設計。生態分區是根據自然地理條件、區域生態經濟關係及農業生態經濟系統結構功能的類似性和差異性，把整個區域劃分為不同類型的生態區域。現有的區劃方法有經驗法、指標法、類型法、疊置法、聚類分析法等，根據分區的原則與指標，運用定性和定量相結合的方法，進行生態分區，並畫出生態分區圖。

由於農業生態系統是一個複合生態系統，生態工程必須具備多個方面的功能和效益，這裡就有一個如何對生態工程進行綜合評價的問題。對生態工程進行綜合評價對於生態工程的規劃與設計有著十分重要的意義，綜合評價能使規劃更加合理化並有利於不同生態工程的橫向比較。

（1）生態工程的評價指標

針對不同類型的生態工程有許多不同的評價指標，這些指標的性狀不一，不同的指標之間很難進行直接的比較。生態工程的評價指標構成評價指標體系，指標體系一般分為三層，第一層為綜合效益，第二層為經濟效益、生態效益、社會效益，第三層為各種具體指標。

（2）生態工程評價的方法

生態工程評價的方法有多種，如經驗評估法、單項指標評價法、綜合分級評分法、多指標綜合評價法，每一種方法都有各自的缺點和優點，有些方法簡單易行，但主觀性較大，有些方法較為嚴密，但計算時較為複雜。現在用得較為普遍的為層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）。

生態工程與我國生態環境保護與治理

“環境”是一定空間與時間內？多種成分相互作用的多維結構？只有依靠多方面的有效的環境管理？方能造成比較健康的環境和科學地利用自然資源。

生態工程原理和技術？為緩解與恢復惡化的生態環境提供了有效的途徑。我國舉世矚目的“三北”防護林體系建設、環境自凈工程、污染環境修復工程等均是例子。

生態工程與我國工業與城市發展

根據社會——經濟——自然三系統的循環關係?“模擬自然生態系統長期維持鏈環結構的功能過程”的生態工程機理研究可望在緩解這些城市及工業發展矛盾中積極發揮“有效管理”及“化害為利？化廢為寶”的重要作用。

例如城市污水處理生態工程？工業廢水餘熱利用的溫室農業生態工程？農牧產品加工業的副產品及廢棄物的利用等等。

此外生態工程技術可用於城市的總體規劃和生態經濟小區規劃中？如城市綠地、公園、林木的規劃等。 ? 生態工程為工業和農業的可持續發展作出了重大貢獻？加強生態工程研究將使21世紀的整個生物學科與農業產生重大突破。