生物选择性必修2第3节 生态工程教学设计及反思

第3节　生态工程

一、生态工程的基本原理

1．关注生态工程建设

(1)生态工程的概念

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，促进人类社会和自然环境和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。

(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。

(3)突出特点：少消耗、多效益、可持续。

2．生态工程所遵循的基本原理

(1)自生原理

①概念：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。

②注意事项

a．需要在生态工程中有效选择生物组分并合理布设。

b．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。

(2)循环原理

①概念：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。

②意义：减少整个生产环节“废物”的产生。

③实例：无废弃物农业。

(3)协调原理

①理论基础：生物与环境、生物与生物的协调与适应。

②注意事项：

a．需考虑生物与环境的适应性。

b．需考虑环境容纳量。

③意义：可避免系统的失衡和破坏。

(4)整体原理

①注意事项

a．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。

b．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。

②实例：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。

二、生态工程的实例和发展前景

1．生态工程的实例

(1)农村综合发展型生态工程

①问题：农村人口多，人多地少，产出不足。

②对策：建立农村综合发展型生态工程，实现物质的多级循环利用。

③案例：北京郊区的某村以沼气工程为中心的物质多级循环利用工程。

(2)湿地生态恢复工程

①湿地作用：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，以及为人们提供休闲娱乐的环境等功能。

②问题：湿地的缩小和破坏问题。

③对策

a．采用工程学和生态学措施相结合的方法，使受到干扰的湿地得以恢复。

b．在湿地周围建立缓冲带，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。

④案例：厦门筼筜湖的生态恢复工程。

(3)矿区废弃地的生态恢复工程

①问题：山体、土壤和植被，乃至整个地区生态系统的破坏。

②对策：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。

③案例：我国赤峰市元宝山矿区生态恢复工程。

2．生态工程的发展前景

(1)我国生态工程存在的问题：

①缺乏定量化模型的指导，难以设计出标准化、易操作的生态工程样板。

②设计缺乏高科技含量，生态系统的调控缺乏及时准确的监测技术的支持，缺乏理论性指导等。

(2)我国面临的生态危机

①生态危机：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”。

②解决措施：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。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．生态工程是无消耗、多效益、可持续的工程体系。 (　　)

2．在建设高新农业时，沼气池的建立遵循了循环原理。 (　　)

3．湿地的恢复除利用生物工程手段外，还要依靠自然演替机制恢复其生态功能。               (　　)

4．矿区废弃地生态恢复工程的关键是植被恢复和土壤微生物群落的重建。

  (　　)

提示：1.×　生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。

2．√　3.√　4.√

　生态工程的基本原理

1．生态工程建设的原因分析

(1)传统农业的生产模式——石油农业

①模式内容：大量使用化肥、农药、机械的农业生产模式。

②弊端：不注重生态环境的保护，没有考虑成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。

(2)生态工程与传统农业的比较

2.生态工程概念的理解

(1)涉及的学科知识：生态学和系统学等。

(2)面临的任务：对人工生态系统进行分析、设计和调控，或对已破坏的生态系统进行修复和重建，从而提高生态系统的生产力或改善生态环境。

(3)最终目的是促进人类社会和自然环境的和谐发展。

(4)生态工程的特点是少消耗、多效益、可持续。

(1)“无废弃物农业”不同于“石油农业”；“无废弃物农业”的优点是追求物质循环利用，没有废弃物，很少对环境和资源造成破坏，但生产效率低；“石油农业”是指大量使用化肥、农药和机械的农业生产方式。虽然生产效率得到提高，但是对环境资源造成了破坏。

(2)有了生态工程也不可以先污染后治理：生态恢复力有限，不能认为有了生态工程，就可以先污染后治理。

3．判断生态工程原理的方法

(1)如果强调有效选择生物组分并合理布设，则为自生原理。

(2)如果强调充分利用废弃物，则为循环原理。

(3)如果强调生物与环境、生物与生物的协调与适应，则为协调原理。

生活联系：1.“西部大开发”是国家为振兴西部提出的宏观决策，在我国西北地区进行防护林建设时，没有种植适应当地环境的树种，而是大量种植了不适应当地环境的杨树。这主要是违背了什么原理？

提示：违背了协调原理。

2．我国的植树造林运动在世界上规模最大，因而人工林面积占世界首位，请对我国的植树造林运动提出建设性意见。

提示：植树造林时，要根据自生原理和协调原理，树种绝不能单一，还要根据当地的气候、土壤等条件，因地制宜地植树。

3．背景材料：1998年夏季，长江洪水泛滥，根本原因是长江上游乱砍滥伐森林，水源涵养和水土保持功能急剧降低，造成大量泥沙淤积河道；中游围湖造田、乱占河道，造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减小。

阅读教材资料，回答相关问题。

(1)导致1998年长江洪水泛滥的根本原因是什么？

(2)怎样解决长江洪水泛滥问题？

提示：(1)长江洪水泛滥的根本原因是长江上游乱砍滥伐森林，水源涵养和水土保持功能急剧降低，造成大量泥沙淤积河道；中游围湖造田、乱占河道，造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减小。

(2)积极营造长江中上游水源涵养林和水土保持林，提高森林覆盖率；“退耕还湖”和改革不合理耕作方式等。

1．(不定项)下列关于生态工程的叙述，正确的是(　　)

A．当人类赖以生存的生态系统出现严重问题时，生态工程应运而生

B．生态工程能减少环境污染

C．生态工程以牺牲环境和资源为前提，生产出更多的产品

D．生态工程力求达到生态效益、经济效益和社会效益的协调统一

ABD　[本题考查对生态工程概念的理解。A项为生态工程生产的背景，B项为生态工程的意义，D项为生态工程的目的。]

2．如图是我国南方尝试的农业生态系统的结构模式图，它利用雏鸭旺盛的杂食性，吃掉稻田里的杂草和害虫，利用鸭不间断地活动产生中耕浑水效果，刺激水稻生长，用作物养猪、养鸭，用稻秆培育蘑菇、生产沼气，猪、鸭粪、沼渣肥田，生产出无公害的大米与蛋肉类。请据图回答下列问题：

(1)从生态学角度分析，人们建立图示的农业生态系统的主要目的是____________________________________________。该系统将植物秸秆、动物粪便等废弃物合理地进行了应用，体现了生态工程的________原理。

(2)该系统将多个生态系统通过优化组合，有机整合在一起，提高了系统生产力，体现了生态工程中的___________________________________________

原理。生产的大米无公害的原因是_________________________________

_______________________________________________________________

(3)在发酵装置里的B过程中起重要作用的微生物，其细胞结构与水稻细胞最主要的区别是_____________________________________________________

________________________________________________________________

_______________________________________________________________

(4)将蘑菇房与蔬菜大棚相通，可提高蔬菜产量，试分析其增产的原因：___________________________________________________________________

_______________________________________________________________

蘑菇房与蔬菜大棚相通，比单纯种植蔬菜和单纯培育蘑菇带来的效益之和还要高，体现了生态工程中的____________原理。

[解析]　(1)图示农业生态系统通过建立沼气池，实现了废物资源化和能量的多级利用，遵循的是循环原理。

(2)图中生态农业施用的都是有机肥，减少了化肥和农药的使用量，因此生产的大米无公害。

(3)发酵装置中的微生物主要是乳酸菌，为原核生物，无以核膜为界限的细胞核。

(4)蘑菇为分解者，可将有机物分解为CO2等无机物，使蔬菜进行光合作用。

[答案]　(1)实现物质的循环再生和能量的多级利用　循环

(2)自生　减少了化肥和农药的使用量，减少了对水的污染

(3)无以核膜为界限的细胞核(无成形的细胞核)

(4)蘑菇呼吸产生的二氧化碳可以供蔬菜进行光合作用，使其光合作用增强　整体

　生态工程的实例

1．建立生态工程的原则

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。

2．生态工程实例的比较

3.六大生态工程实例中的“关键点”归纳

(1)农村综合发展型生态工程：核心是沼气工程，优点是开发可以更新的资源，减少环境污染。

(2)湿地生态恢复工程

①主要措施：退耕还湖。

②主要困难：解决迁出湖区居民的生计问题。

(3)矿区废弃地的生态恢复工程

①种植耐旱的灌木、草和树；②合理确定载畜量；③改良表土。

(1)在进行生态工程建设时，应积极利用自然生态系统的强大自我恢复力，节省投资。

(2)生态系统的恢复力有限，不能认为有了生态工程，就可以走发达国家“先污染、破坏，后治理”的老路。

应用实践：在矿区废弃地的生态恢复工程案例中，恢复植被的措施是植树和种草，为什么不是种植农作物？怎样合理地筹划养殖肉牛的数量？

提示：矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长，因此代之以适应性强，耐旱的灌木、草和树。合理地筹划养殖肉牛的数量，首先要考虑到牧草的产量，以草定畜；从外地调运饲料要考虑饲养成本；更重要的是要考虑到土地对粪肥的承载力，以及对粪肥的加工或利用情况，要保持在承载力范围以内，以免养殖规模过大，粪肥数量巨大而造成新的污染。

1．(不定项)下列关于生态工程建设的叙述，正确的是(　　)

A．窦店村综合发展型生态工程是一个样板，各地可以照搬

B．在进行生态工程建设时，应根据实际，因地制宜

C．不同的生态工程体现的原理完全相同

D．生态工程建设目的之一是恢复生态

BD　[生态工程建设时一定要根据实际，因地制宜，不能照搬一个模式；不同的生态工程应用的原理不一定相同；生态工程建设的目的除了恢复生态，还要实现经济效益、社会效益和生态效益的全面提高。]

2．柴静的纪录片《穹顶之上》引起了全国人民对雾霾的关注和讨论，而天津港火灾爆炸事故遗址将在彻底清理后建设海港生态公园，这再次使人们关注生态环境与生态经济问题，生态工程的建设已经成为社会关注的热点。如图为某地一生态工程建设模式图，请据图回答有关问题：

(1)从能量流动的意义分析，该生态工程实现了______________

_______________________________________________________________

(2)该生态工程借鉴了“无废弃物农业”，其主要体现了生态工程的________原理，与此密切相关的主要生物类群在生态系统的组成成分中属于________。

(3)在进行生态工程建设时，要根据当地的实际条件，因地制宜地进行，在矿区废弃地的生态恢复工程中，恢复植被的措施是植树和种草，为什么不是种植农作物？__________________________________________________________

_______________________________________________________________

[解析]　(1)该生态工程实现了物质和能量的多级利用。从能量流动的意义分析，该生态工程实现了能量的多级利用，提高了能量的利用率。(2)图中生态工程主要是借鉴了“无废弃物农业”，主要体现了生态工程循环原理，与此密切相关的生物为腐生细菌和真菌等分解者。(3)矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长，因此恢复植被的措施是植树和种草，而不是种植农作物。

[答案]　(1)能量的多级利用，提高了能量的利用率　(2)循环　分解者　(3)矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长

中国和西方国家生态工程建设的差异

(1)西方国家的生态工程除了治理环境污染的目标之外，主要是通过介于工程和依靠自然恢复力的一种中间途径，集中于对破坏的生态系统进行生态恢复。

(2)我国的生态工程建设不但重视对生态环境的保护，更注重与经济和社会效益的结合。

[课堂小结]

1．(不定项)下列关于生态工程的叙述，正确的是(　　)

A．生态工程研究的对象是社会—经济—自然复合生态系统

B．“退耕还林”“退耕还草”属于生态工程的内容

C．生态工程应遵循“整体、协调、循环、自生”的原则

D．实际生态工程的目的是环境保护

ABC　[生态工程研究的对象是社会—经济—自然复合生态系统，其目的不单纯是环境保护，而是要实现社会、经济、自然的协调发展，共同进步。]

2．某草原牧区，在进行草场建设时，既注重不同牧草种类的搭配种植，又对单位面积内的放牧量做了一定控制。这种做法体现了(　　)

A．实行“循环经济”的原则

B．低消耗，多效益原则

C．遵循自生和协调原理

D．建立社会—经济—自然复合系统

C　[自生原理和协调原理都是生态工程建设中应当遵循的。进行牧区草场建设时，既要考虑系统结构和功能的复杂性，又要考虑生物与环境的协调平衡，才能保证生态系统的稳定。]

3．农村综合发展型生态工程的优点包括(　　)

①物质和能量的多级利用　②物质循环再生　③废物资源化　④生物相互依存，体现了整体性　⑤做到了生态、经济和社会效益三结合

A．①②③④　　　　 B．②③④⑤

C．①②④⑤ D．①②③④⑤

D　[农村综合发展型生态工程是实现物质的多级循环利用，用有限资源，取得经济、社会、生态效益全面提高的背景下提出和发展出的生态工程，典型代表是北京郊区窦店村的以沼气工程为中心的物质多级循环利用工程。农村综合发展型生态工程实现了物质和能量的综合利用，物质循环再生实现了废物的资源化，各种生物资源相互依存，把生态效益、经济效益和社会效益紧密地结合为一个整体。]

4．下列生态系统对于蓄洪防旱、自然净化污水具有非常重要的作用的是(　　)

A．矿区废弃地生态系统

B．湿地生态系统

C．草原生态系统

D．森林生态系统

B　[湿地被誉为地球的“肾脏”，具有蓄洪防旱、调节气候、控制土壤侵蚀、自然净化污水等功能，其他生态系统在本题所叙述的两方面作用较小。]

5．我国南方某地环保部门向遭受严重污染的南湖中引入苦草、黑藻等沉水植物和螺蛳等底栖动物来修复该生态系统。如图所示为该生态系统修复后的部分生物的营养关系，请据图回答问题：

(1)在修复该生态系统时要控制污水流入的速率，除有利于有机污染物被充分分解外，还有利于植物对________的充分吸收，防止水体富营养化。该生态系统修复后物种丰富度逐渐增加，其群落演替类型是________。

(2)调查野鸭的种群密度常用________法。当螺蛳数量增加时，草鱼和罗非鱼数量也会增多，螺蛳种群的增长就会受到抑制，这是生物群落内部____________的结果。

(3)苦草等沉水植物大量繁殖后，部分浮游植物的生物量下降，大型底栖动物的数量有所增加，这是在________水平上研究的结果。沉水植物通过一定的信息传递吸引浮游动物栖息于其叶表面，从而抚育出高密度的浮游动物群落。浮游动物能够大量捕食浮游藻类，也间接地控制了藻类的数量。这体现出信息传递的作用是能调节生物的________，以维持生态系统的稳定。

(4)该生态修复工程可将有机污染物充分地分解利用，这主要符合生态工程的________原理。若在此基础上，进一步建立一个集污水净化、休闲、养鱼为一体的新型多功能人工生态系统，其主要目的是设法调整能量流动关系，使能量持续高效地流向___________。

[解析]　(1)在生态系统修复时，调节污水流入的速率，既有利于微生物对有机污染物的充分分解，又有利于水生植物对无机盐(如N、P等)的充分吸收，防止水体富营养化。该生态系统修复后发生的群落演替类型属于次生演替。(2)对于活动能力强、活动范围大的动物，调查其种群密度常采用标记重捕法。当螺蛳数量增加时，草鱼和罗非鱼由于食物丰富，数量也会增多，这样，螺蛳种群的增长就会受到抑制，这是生物群落内部负反馈调节的结果。负反馈调节在生态系统中普遍存在，是生态系统自我调节能力的基础。(3)沉水植物大量繁殖后，会与浮游植物竞争营养物质和阳光，从而抑制浮游植物的生长，大型底栖动物由于食物丰富而数量增加，这是在群落水平上研究种间关系的问题。沉水植物通过信息传递吸引浮游动物并借助于浮游动物的捕食作用间接控制藻类的数量，这体现了信息传递能够调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定。(4)该生态修复工程主要利用了生态工程的循环原理。若在此基础上进一步建立一个集污水净化、休闲、养鱼为一体的新型多功能人工生态系统，其主要目的是设法调整能量流动的关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。

[答案]　(1)无机盐　次生演替　(2)标记重捕　负反馈调节　(3)群落　种间关系　(4)循环　对人类最有益的部分