第3节 生态工程
一 生态工程的基本原理
短短几年，普通的村落和农田就脱胎换骨般地转变为令人赞叹的森林公园。它调节城市气候，丰富市民生活，也为众多动植物提供了生存的“家园”。这个例子是生态工程的生动缩影。
关注生态工程建设
20世纪60年代以来，全球经济进入了快速增长阶段，人们生活水平提高、人口迅速增长，人类也随之更多地从自然中索取。毁林种地，围湖造田，大量使用化肥、农药等农业生产方式，以及工业的迅猛发展，正在大量消耗自然资源。这样的生产方式，已经严重影响了人类的可持续发展。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，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（Ecological Engineering）应运而生并迅速发展。
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，对人工生态系统进行分析、设计和调控，或对已被破坏的生态环境进行修复、重建，从而提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进入类社会与自然环境和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。生态工程建设的目的就是遵循生态学规律，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。
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应用学科。生态工程以生态系统的自组织、自我调节功能为基础，遵循着整体、协调、循环、自生等生态学基本原理。
自生 生态系统具有独特的结构与功能，一方面是源于其中的“生物”，生物能够进行新陈代谢、再生更新等；另一方面是这些生物之间通过各种相互作用（特别是种间关系）进行自组织，实现系统结构与功能的协调，形成有序的整体。这一有序的整体可以自我维持。这种由生物组分而产生的自组织、自我优化、自我调节、自我更新和维持就是系统的自生。
遵循自生原理，需要在生态工程中有效选择生物组分并合理布设。例如，在湿地修复过程中，应该选择污染物净化能力较强的多种水生植物，还需要考虑这些植物各自的生态位差异，以及它们之间的种间关系，通过合理的人工设计，使这些物种形成互利共存的关系。这是该系统或工程能否形成自组织能力的基础条件。一般而言，应尽量提高生物多样性程度，利用种群之间互利共存关系，构建复合的群落，这样即便某个种群消亡，其他种群也能弥补上来，从而有助于生态系统维持自生能力。
要维持系统的自生，就需要创造有益于生物组分的生长、发育、繁殖，以及它们形成互利共存关系的条件。例如，在湿地生态工程中，通过移除湖泊、河流中富营养化沉积物和有毒物质，降低水体污染物，增加水体溶氧量（图4-11），可以改善水生生物的生存环境，从而有利于生态系统的自生。
循环 循环是指在生态工程中促进系统的物质迁移与转化，既保证各个环节的物质迁移顺畅，也保证主要物质或元素的转化率较高。通过系统设计实现不断循环，使前一环节产生的废物尽可能地被后一环节利用，减少整个生产环节“废物"的产生。
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，都严重依赖化学肥料，而在古代是根本没有化肥投入的。我国古代先民正是依靠“无废弃物农业”（图4-12）保证了土壤的肥力，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，因此，几千年来，土地一直维持着生产能力。
相关信息
一个系统在没有外界信息指令的作用下，自发地由无序发展到有序，由低有序到高有序的发展过程，就是自组织。星球的诞生，自然生态系统的形成都是自组织的结果。
有人说，过度从土地索取导致土地退化，是有些古文明中断的一个重要原因。我国几千年的农业发展没有出现这一问题，这是中华文明数千年延续不断的条件之一。你认同这一观点吗？请查找资料，对这一观点作出评析。
协调 在进行生态工程建设时，生物与环境、生物与生物的协调与适应也是需要考虑的问题。例如，我国西北一些地区年降雨量小于450mm，只适宜种植灌木和草本植物，但曾被硬性规定种植乔木类的杨树。由于环境不利于杨树的生长，这里许多杨树长得十分矮小，枯枝很多，半死不活，远不如当地树种那样有较高的生态适应性，导致一些地区种植的防护林成了残败的“灰色长城”。
处理好生物与环境、生物与生物的协调与平衡，需要考虑环境容纳量。如果生物的数量超过了环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。你能举出你所在地区的实例进行说明吗？
整体 几乎每个生态工程都是具有多组分、复杂结构及综合功能的系统，这样的复杂系统建设必须以整体观为指导。自然生态系统可以为生态工程提供重要参考。
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的有机整体。遵循整体原理，首先要遵从自然生态系统的规律，各组分之间要有适当的比例，不同组分之间应构成有序的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。其次，人类处在一个社会-经济-自然复合而成的巨大系统中。进行生态工程建设时，不仅要考虑自然生态系统的规律，更要考虑经济和社会等系统的影响力（图4-13）。例如，在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，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。因为往往是生活方面的因素导致农民对森林、灌丛的过量砍伐。因此，只有把生态与社会、经济结合起来，才能从根本上达到造林和护林的目的。
此外，社会习惯、法律制度等也对生态工程建设有着重要影响。只有应用整体原理，才能统一协调当前与长远、局部与整体、开发建设与环境保护之间的关系，保障生态系统的平衡和稳定。
在生态工程建设中，应该如何应用上述生态工程的原理呢？
思考讨论 分析生态系统中的原理和应用
明清时期，我国南方长江三角洲、珠江三角洲低洼内涝积水地或河网发达地区的先民们，就探索出一种桑基鱼塘的农业生产模式：陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙喂鱼、塘泥培桑。这样可以将陆地种植与鱼塘养殖结合起来，把原本割裂的生产系统通过优化组合，有机地整合在一起（下图）。根据同样的原理，甘蔗种植也可以与养猪、养鱼结合在一起。
在设计桑基鱼塘时，要考虑合适的陆地与水面的配比，需要考虑栽种作物与养殖动物的关系。例如，地基和鱼塘的面积比例是“三比七”或“四比六”，即大部分采取“三基七水”或“四基六水”的比例。
池塘养鱼，也应综合考虑不同鱼种的关系，根据淡水鱼在自然环境中的混合生长状态，实行以四大家鱼为主的多鱼种混养模式，让鱅鱼、鲢鱼、草鱼、鯪鱼、鲤鱼、鲫鱼等各种鱼类都有生存的机会和空间。
运转良好的桑基鱼塘，可以做到物质的循环再生利用。种桑养蚕，蚕沙（蚕粪便）本是废弃物，如果不经处理直接堆放在室外，不但会腐烂变质污染环境，而且可能通过鸟、昆虫的携带造成交叉感染，导致家蚕疫病大爆发。桑基鱼塘将蚕沙由废弃物变成了渔业生产的饲料。
生态工程需要根据工程的目的，以及当地自然、社会和经济的情况，从系统的不同角度综合考虑问题。因此，不但要考虑生态学原理，而且要考虑经济和社会的实际状况，通过系统学、工程学的设计，在充分利用自然的基础上，考虑节省投资和维护成本，提供务实、可持续的解决方案。
二 生态工程的实例和发展前景
生态工程自20世纪60年代提出后，在世界范围内逐渐得到广泛的认同和重视。20世纪70年代以来，我国生态工程的理论和实践都取得了长足进展，政府十分重视。在某些研究领域已处于国际领先的地位，在实践上已应用于农业生产、环境保护、城镇建设等许多方面，取得了令人瞩目的成就。
生态工程的实例
在进行生态工程建设时，应当根据当地的实际条件，因地制宜地进行。以下介绍的生态工程实例，都是我国生态科学工作者和群众在长期的生态工程建设实践中，不断完善而形成的。你可以结合当地实际，选取若干实例与同学共同分析讨论。
农村综合发展型生态工程
问题 我国有近7亿人生活在农村，人多地少是突出的矛盾。怎样才能实现物质的多级循环利用，在资源有限的条件下有较多的产出，取得经济效益、社会效益和生态效益的全面提高呢？
对策 建立农村综合发展型生态工程，是实现这一目标的有效途径，这在我国已经有不少成功的实例。
思考讨论 分析某村综合发展型生态工程
北京郊区的某村是这方面的一个典型，该村实施了以沼气工程为中心的物质多级循环利用工程：作物秸秆用来生产食用菌和饲料（图a）；饲料用于喂养畜禽；人、畜粪尿作为原料生产沼气；沼液用于水产养殖业，沼渣可用于为有机农产品——“无公害蔬菜”施肥和喂养畜禽，从而达到了物质利用的良性循环，缓解了农村“三料"（饲料、燃料、肥料）的缺乏问题，提高了土地产出水平；同时畜禽、鱼、谷物、饲料等加工品也可到市场上出售（图b）。总之，农业生态工程能创造多种劳动力就业机会，增加农民收入，开发可以更新的资源，减少环境污染。
青贮：是指在玉米等作物没有完全成熟时，将果穗和秸秆一起收获切碎，通过厌氧发酵成为牛羊的青词料。
氨化：是指利用氨水或氮素化肥处理稻麦秸秆，使之软化适口，提高其作为饲料的营养价值。
请分析图b，并与当地农村的生态系统相比较，讨论以下问题。
湿地生态恢复工程
问题 湿地是一种独特的生态系统。我国现有湿地5.36×107hm2，面积大小位列世界第四，亚洲第一。我国湿地的特点是类型多、面积大、分布广、区域差异显著、生物多样性丰富。湿地被誉为地球的“肾”，具有蓄洪防旱，调节区域气候，控制土壤侵蚀，自然净化污水，为迁飞的鸟类和其他多种动植物提供栖息地（图4-14），以及为人们提供休闲娱乐的环境等功能。在经济发展过程中，人们对湿地进行排水和围垦，已经破坏了地球上80％的湿地资源。湿地的缩小会导致局部气候恶化、地下水位下降、生物多样性降低、迁飞鸟类绝迹等。此外，湿地的环境污染、生物资源的过度利用等，会导致湿地生态系统严重退化。
对策 湿地生态恢复工程就是采用工程学和生态学措施相结合的方法，如废水处理、点源和非点源污染控制、土地处理工程，以及动植物物种引进等，使受到干扰的湿地得以恢复。在湿地的周围，还应建立缓冲带，以尽量减少人类的干扰，使湿地依靠自然演替等机制恢复其生态功能。
案例 厦门筼筜湖生态恢复
筼筜湖位于厦门岛西部。20世纪70年代，筼筜湖周边各种污水未经处理就排放到湖里，导致水质恶化，鱼虾几近绝迹，湖水散发着臭气，人们路过时都得捂着鼻子。厦门人民期盼筼筜湖生态恢复。1982年，厦门市政府对沿湖周边企业进行整治，几年内基本解决了重金属等有毒污染物的排放问题，但是湖水水质仍较差。为了解决筼筜湖水体缺氧、自净能力差的问题，20世纪90年代，厦门市采取了引潮入湖、输送新鲜海水、西水东调等措施，湖水水质显著改善。进入21世纪，通过清挖湖底淤泥，沿湖修建驳岸、导流堤及环湖林荫步行道等措施，进一步改善了湖水水质，美化了湖区景观。现在的筼筜湖，湖水清澈、鱼游虾戏、白鹭翩飞。
矿区废弃地的生态恢复工程
问题 随着工业的发展，采矿业对环境造成的日渐严重的破坏，使人们不得不将矿区废弃地的生态恢复工程提到日程上来。因为矿藏开采后往往会造成山体、土壤和植被，乃至整个地区生态系统的破坏。矿区极端恶劣的土地条件，又会阻碍植被的生长。尤其是规模巨大的采矿业，不仅会对土地景观造成巨大的影响（图4-15），还可能产生严重的重金属污染。
对策 为加速恢复矿区生态环境，人们采用的措施包括人工制造表土、多层覆盖、特殊隔离、土壤侵蚀控制、植被恢复工程等。其中，关键在于植被恢复，以及植被恢复所必需的土壤微生物群落的重建。由于矿区废弃土地的水分状况很差，土壤极其贫瘠，所以植被很难恢复。因此，恢复矿区生态环境，首先要通过机械方法平整压实土地，人工制造表土；然后，在人造表土上，植树种草。
案例 赤峰市元宝山矿区生态恢复工程
自20世纪60年代以来，该矿区建立了大中小型煤矿20余个，共挤占耕地5 500hm2，并造成了大量排土场、塌陷地和闲置地等类型的废弃地。该地区在生态恢复改造工程中，采取了诸如围栏、排石整地、植树、种草等措施，仅用了3年多的时间，就建立了草地750hm2，年产优质牧草4 000t以上；还建立了3处加工能力为8t的饲料工厂及1处饲养场，进行肉牛的养殖和粪肥的利用。这种综合开发治理为该地区带来了良好的生态、社会和经济效益。
生态工程的发展前景
在肯定生态工程的作用，特别是看到它在恢复、重建受损生态环境方面可发挥重要作用的同时，不要忘记大自然固有的强大的生态恢复力量，更不能误认为只要有了生态工程，就可以走“先污染、破坏，后治理"的老路。
虽然我国的生态工程取得不少成绩，但还有一些不足之处，如缺乏定量化模型的指导，难以像“精确农业"那样设计出标准化、易操作的生态工程样板。此外，有些设计缺乏高科技含量，生态系统的调控尚缺乏及时准确的监测技术的支持，缺乏理论性指导等。为了美好的未来，我们仍需要继续努力。
我国目前面临的生态危机，已经不单纯是环境污染问题，而是与人口激增、环境与资源破坏、能源短缺等问题结合在一起的“并发症"。解决这些问题，不但要重视对生态环境的保护，更要注重与经济、社会效益的结合，需要生态工程发挥作用。
我国党和政府高度重视生态文明建设，在党的十九大报告中，首次把美丽中国作为建设社会主义现代化强国的重要目标，对生态文明建设提出了一系列新思想、新目标、新要求和新部署，为建设美丽中国提供了指导方针和行动指南。中华民族传承古老的天人合一理念，在发展中尊重自然、顺应自然、保护自然。今天，古老的智慧融合了现代科学成就，生态工程的发展和应用，将在建设美丽中国的过程中大有作为。
未来的人民，无论在乡村，还是在城市，都一定能“望得见山，看得见水，记得住乡愁”。
