生物选择性必修2第3节 生态工程授课课件ppt

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生态工程的基本原理生态工程的实例和发展前景
在2008年北京奧运会的筹办过程中，奥林匹克森林公园是一个重要建设项目公园所在地原来主要是普通村落和农田。2002年招标设计，2005年开工建设，2008年建成。公园建设坚持“绿色奥运”的理念，充分利用了原有地貌和植被，采用了营造近自然林系统、废物资源循环利用等多项生态技术。例如，公园的水系建设采用了雨水收集、污水利用、中水净化、智能化灌溉和生态防渗等环保技术。
1.农田弃耕后，在自然状态下也可以演替为森林，为什么还要人工造林呢？
弃耕的农田在自然状态下演替为森林需要经过数十年甚至更长的时间，而利用生态工程原理进行人工造林，可以缩短建设周期，在较短时间内获得生态效益。
2.为什么要先做森林公园的整体设计再开工呢？
建设北京奥林匹克森林公园是涉及生态学、工程学、系统学、经济学等多学科的原理和方法的系统工程，要综合考虑诸多方面的因素，而且建设成本较高，在开工前做好整体设计可以保证工程建设的合理性与可实施性，也可以有效控制建设成本和后续维护成本，避免不必要的浪费,提高生态效益。
3.公园建设为什么要充分利用原有的地貌和植被，营造近自然林系统呢？
生态工程的建设要顺应自然，即合乎自然规律。自然的地貌和植被，是自然选择生物与环境相适应的结果，充分利用原有的地貌和植被有利于该公园的可持续发展，并且会减少人力和物力的投入。
知识点1 生态工程的基本原理
1.1 生态工程的含义
生态学和系统学等学科。
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。
提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进人类社会与自然环境的和谐发展。
1.2 进行生态工程建设的目的：
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。
少消耗、多效益、可持续
1.4 生态工程所遵循的基本原理：
自生、循环、协调和整体。
【资料1】奥森水域面积小且封闭、易污染、缺少完整食物链，因此水体容易发生富营养化，产生水华。为评估奥森主湖水体生态系统的状况，提出水质净化的有效措施，研究人员借助Aquatx模型软件对公园水体生态系统进行了模拟研究。
设计思路:设置空白对照组（模型1：自然水域，无人工净水系统）和实验组（模型2：使用人工净水系统，进水口增加人工湿地），其他变量一致。模拟期限设定为5年（即5个植物生长期）
相关数据：本研究中，以高等植物每年的长势作为判断生态系统稳定性高低和人工净水措施可持续性的指标。实验中选择了3种代表植物，通过观察这些植物的生物量变化建立模拟曲线，实验结果如下图。
空白对照组模型1（自然水域，无人工净水系统）
实验组模型2（使用人工净水系统，进水口增加人工湿地）
问题1：模型2在进水口增加了人工湿地，对入水进行一定的净化。与模型1相比，模型2中三种植物的长势是否有变化，请你推测，哪个模型的生态系统稳定性更高。
模型2中苦草长势几乎不怎么变化，菹草长势增加，水藓长势下降。模型2的生态系统稳定性更高。
问题2 请利用生态学知识提高模型1稳定性的新措施。
增加水体植物的天敌或者增加沉水植物和挺水植物的组合配植对浮游植物繁殖等
空白对照组模型1（自然水域）
(加入田螺摄食有机碎屑、苔藓类植物也是鲤鱼的食物之一)
实验组模型2（增加人工湿地）
问题3：模型3和模型2相比，哪种净水方式可持续更高？
问题4：加入田螺后生态系统稳定性有何变化？分析产生这种变化的原因。
底栖动物的加入完善了湖水中的生态系统，增加了“植物—田螺—鲤鱼”这一条食物链，加速了营养物质和能量从植物到鲤鱼的传递。一方面由于鲤鱼的食物来源增加，模型可承载的鲤鱼生物量增大；另一方面水藓和浮游植物由于田螺的摄食，生物量维持在较低的水平。
1.4 生态工程所遵循的基本原理：自生
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。
有效选择生物组分并合理布设，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。
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。
【资料2】为探究奥森主湖水体生态系统的物种配置对净水效果及可持续性的影响，研究人员将模型1中菹草置换为荷花，建立模型4。菹草和苦草都是沉水植物，而荷花是挺水植物，它与苦草、水藓的生态位不同。实验结果如图所示：
与单一的沉水植物配植相比，沉水植物和挺水植物的组合配植对浮游植物繁殖的控制效果更好，动植物生长也较为稳定。
问题5：分析实验数据：调整后的方案对该生态系统稳定性有何影响。
问题6：更换不同生态位的物种对该生态系统的群落结构有何影响？
挺水植物会阻挡光线进入水下，在与沉水植物的竞争中处于优势，有助于群落的空间结构。
其实，在奥森建设过程中，也有一些失败的案例。例如，建设之初，对气候因素考虑不周，种植地块选择有误，导致珙桐种植失败；对病虫害了解不足，园区大部分海棠与桧柏种植过近，导致苹果锈病在两者间越冬和繁殖；放养了牛蛙，牛蛙的捕食性很强，大量本地生物被其捕食。
问题7：在生态工程建设中，进行物种配置需要注意哪些问题？
在进行生态系统工程建设时，必须要考虑生物与环境、生物与生物的协调与平衡，才能实现可持续发展。
1.4 生态工程所遵循的基本原理：协调
生物与环境、生物与生物的协调与适应。
处理好生物与环境、生物与生物的协调平衡，需要考虑环境容纳量。
奥林匹克森林公园的设计立意为“通往自然的轴线”, 在设计时，以自然密林为主的北部公园将成为生态种源地, 以生态保护和生态恢复功能为主, 尽量保留现状自然地貌、植被, 形成微地形起伏及小型溪涧景观。南部定位为生态森林公园, 以大型自然山水景 观的构建为主, 山环水抱, 创造自然、诗意、大气的空 间意境, 兼顾群众休闲娱乐功能, 可设置各种服务设 施和景观景点, 为市民百姓提供良好的生态休闲环境。
奥森建成后是否实现了这些规划目标呢？
综合来看，城市道路旁的绿地对于减少道路噪声、PM10浓度，增加人们在公园观赏游玩的舒适度有重要的效果。因此在公园绿地设计中应视场地现状尽可能增加宽度。在设计和建设生态工程时，不仅要考虑自然生态系统的规律，还要考虑经济和社会等系统的影响力，要从整体出发考虑问题。
1.4 生态工程所遵循的基本原理：整体
遵从自然生态系统的规律。
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。
社会习惯、法律制度等对生态工程建设也有重要影响力。
应用整体原理，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。
1.尝试画出桑基鱼塘中的食物链。
浮游植物→浮游动物→鱼
2.桑基鱼塘应用了生态工程的哪些基本原理？
自生：桑基鱼塘中的生物组分通过合理布设，互利共存，实现了系统结构与功能的协调，形成了可以自我维持的有序的整体。
循环：“陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙喂鱼、塘泥培桑”这样的农业生产模式维持着高效的物质循环。
协调：所选择的生物与生物、生物与环境达到了协调和平衡，例如，桑和甘蔗适应我国南方温暖湿润的气候；四大家鱼混养充分利用了群落的空间结构：桑叶饲蚕，利用了种间关系，但养殖的蚕的数量没有多到危及桑的存活；等等。
整体：桑基鱼塘在设计时，陆地与水面配比合理，各组分的搭配与比例适当，结构有序，形成了一个不可分割的整体；桑基鱼塘将原本割裂的生产系统优化组合，能够发展多种经营，为农民创造收入,是结构优化的“社会一经济一自然复合系统”。
3.当桑叶价格高，卖桑叶比卖鱼更合算时，当地农民会将蚕沙用作桑树的肥料，而不是喂鱼。由此可以看出，生态工程除了要考虑生态学、工程学原理，还需要关注什么？
还需要关注经济学原理，要达到经济效益和生态效益的同步发展。
1.4 生态工程所遵循的基本原理：循环
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。
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。
生态工程与传统农业的比较
北京奥林匹克森林公园的设计理念是“通往自然的中轴线”。设计方旨在将其建设成为可持续发展的生态系统地带，成为北京市的“绿肺”和生态屏障。由于集多种功能于一身，同时承担诸多社会活动，奥森无法通过独立的自我调节维持整个生态系统的稳定，仍需要不断通过人工补充物质和能量，移除废物等进行维持，而最理想的生态工程建成后，应该能够依靠系统的自主组织来长期维持稳定。 无论是历经千年的无废气物农业，还是像奥森这样的现代化生态工程，其设计和建设都必须遵循自生、循环、协调、整体的生态学原理。只有遵循自然规律，保护生态环境，我们才能源源不断地从中汲取资源，实现可持续发展，才能真正践行“绿水青山就是金山银山”的理念！
一、概念检测1.生态工程遵循整体、协调、循环、自生等基本原理。判断下列相关表述是否正确。（1）依据生态工程的循环原理，应该对垃圾进行焚烧处理。（ ）（2）园林既能改善生态环境，又能提高社会和经济效益，体现了生态工程的整体原理。（ ）
2.建设人工湿地可将污水、污泥有控制地投放到人工建造的湿地上，主要利用了土壤、人工介质、微生物的作用对污水和污泥进行处理。下列叙述，不合理的是（ ）A.合理搭配植物以提高系统的生物多样性B.尽量使用本地物种以减少外来物种入侵C.为提高能量传递效率增大引入湿地的污水总量D.选择合适的人工介质以利于好氧微生物的分解作用
二、拓展应用1953年朝鲜战争停战后，南北双方以北纬 38°为停火线，沿线两侧大约500km2为非军事区， 这里的地表经过战争浩劫，几乎没有生物存在。几十年来，由于基本没有人类活动，这里恢复了 完全的口然状态。河水清澈、森林茂盛、物种繁多,还出现了多种被认为早已在朝鲜半岛灭绝的动物, 如棕熊。有科学家评论说：“全世界只有在这个地方，由于3 000年以来的农耕文明突然终止，原始物种可在没有人类干扰的情况下自由发展，这个地区的生态恢复情况大大超过了人类所有生态建设所能达到的水平。”说说这个案例给你的启示。
提示：我们在认识到生态工程在恢复、重建受损生态环境方面可发挥重要作用的同时，不能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，就可以先污染，后治理；在生态工程建设中，我们应充分利用自然生态系统的恢复能力，结合当地生态环境有针对性地进行生态工程建设，以达到更好的效果，并节约成本。