第六章 污染环境修复的生态工程技术,生态工程简介,生态工程是近四十年来发展起来的新兴技术，即在促进自然界良性循环的前提下，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，结合系统最优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到经济与生态效益的同步发展。,6.1 生态工程概述,生态工程的产生与发展 生态工程的概念 生态工程的特点 生态工程的主要应用类型,6.1.1 生态工程的产生与发展,环境污染与破坏,全球生态危机,人口激增,能源短缺,自然资源遭受破坏,食物供应不足,西方生态工程的发展,西方生态工程或生态技术的概念最早由美国著名生态学家Odum教授于1962年应用并赋予其定义的，以后又不断地加以论述和研究。 W. J. Mitsch教授继承和发展了他的生态工程思想和理论。于1989年主编出版了世界上第一部生态工程专著，并于1992年主编创办了国际性的“生态工程”杂志。,西方生态工程的具体实例,中国生态工程的发展,生态工程在中国作为独特的研究领域及独立的学科始于70年代末，首先由我国著名生态学家马世俊教授于1979年提出，80年代以来得以蓬勃发展。 马世俊教授是中国生态工程领域的先驱，为我国生态工程领域的开拓和发展做出了杰出贡献，对生态工程的概念、原理和方法具有独到的论述。1987年他主编出版了通俗的中国的农业生态工程一书。,马世俊（1915年1991年）,6.1.2 生态工程的概念,H. T. odum教授 为了控制系统，人类应用主要来自自然的能源作为辅助能对环境的控制（1962），对自然的管理就是生态工程，更好的措词是与自然结成伙伴关系（1971）。,欧州的Uhfmann、Straskraba与Gnamck 在环境管理方面，根据对生态学的深入了解，花最小代价的措施，对环境的损害又是最小的一些技术。 美国Mitsch以及丹麦的Jorgenson 为了人类社会及其自然环境的利益，而对人类社会及其自然环境加以综合的且能持续的生态系统的设计。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。,我国著名生态学家马世骏 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，结合系统最优化方法设计的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，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。它可以是纵向的层次结构，也可以发展为几个纵向工艺链锁横向联系而成的网状工程系统(1987)。,我国生态工程与西方生态工程的差异,6.1.3 生态工程的特点, 研究和处理对象的整体性 目的和目标的多元化 以自我组织和调控为基础 从自然界获取主要资源和能源,生态工程与环境工程、生物工程和传统工程的比较,生态工程与传统产业的比较,6.1.4 生态工程的主要应用类型,（1） 生态恢复生态工程 （2）生态农业与生态工业 （3）废弃物资源与能源化综合利用的生态工程 （4）生态建筑及生态城镇建设 （5）流域和区域的生态治理与开发的生态工程,（1） 生态恢复生态工程,生态恢复是相对于生态破坏而言的，就是要恢复被破坏了的生态系统的合理的结构、高效的功能和协调的关系。 具体的讲就是从生态和社会需求出发，恢复生态系统的合理结构和功能，实现所期望达到的生态-社会-经济效益，通过对系统物理、化学、生物甚至社会文化要素的控制，带动生态系统的恢复过程，达到系统的自维持状态。,（2）生态农业与生态工业,生态农业 生态农业（持续农业），即利用生态学原理，依据生态系统内物质循环和能量转化的基本规律建立的一种农业生产方式。其生产结构是农、林、牧、副、渔多种经营联合体，使初级生产者农作物的产物能沿食物链的各营养级进行多层次利用，以发挥各种资源的经济效益。,生态农业的物质循环途径示意图,牛场,液态肥料,猪场,粪便,粪便,饲料,污泥,浆液,珠江三角洲地区桑基鱼塘,基塘系统水陆相互作用中的物质循环,生态工业 仿照自然界的生态过程物质循环模式来规划工业生产系统生产的一种工业模式。各生产过程不是孤立的，而是通过物料流、能量流和信息流相互联系，一级生产过程的废物可作为另一级生产过程的原料加以利用。 生态工业追求的是系统内各生产过程从原料、中间产物、废物到产品的物质循环，达到能源、资源和资金的最优利用及最小环境影响。,造纸工业闭路循环工艺流程示意图,(3) 废弃物资源与能源化综合利用的生态工程,废水的减量、回收、再生、回用、再循环等处理 污泥从本质上讲是一类可利用的重要资源 城市垃圾的减量化、无害化、资源化和产业化处理,医院废水的生态处理流程图,（4） 生态建筑及生态城镇建设,充分利用本地生态资源，建设能耗低、绿量高、废弃物就地资源化的方便、舒适、和谐、经济的生态住宅、生态小区和生态城镇，这样的生态建筑要同时满足包括对健康、自然保护、物质循环及生境改善4方面的要求。,（5）流域和区域的生态治理与开发的生态工程,流域的生态治理与开发是在现有资源基础上，通过低耗、高效和持续地利用流域内的自然资源，如将治坡、治沟、修梯田与发展草业、牧业、林业等相结合，来实现农村经济向集约型经济的转变。在良好的自然和半自然生态系统区域开发生态旅游，促进区域生态、经济和社会的全面发展。,6.2 生态工程修复技术,生态工程修复概述 生态工程修复的原理与内容 生态工程修复技术,6.2.1 生态工程修复概述,6.2.1.1退化生态系统 6.2.1.2生态工程修复的相关概念,6.2.1.1 退化生态系统,概念 退化生态系统是指在自然干扰和人为干扰的作用下，生态系统的结构和功能发生位移，打破了原有生态系统的平衡，使生态系统固有的结构和功能遭到破坏或丧失，偏离自然状态的系统。,生态系统退化的过程,6.2.1.1 退化生态系统,退化特征表现在： 系统结构 物质循环 能量流动 稳定性,6.2.1.1 退化生态系统,对于陆地生态系统而言，退化的主要类型有6种： 裸地 森林采伐迹地 弃耕地 沙漠 采矿废弃地 （废石堆废弃地、开采坑废弃地、 尾矿废弃地、采石 矿废弃地） 垃圾堆放场,生态系统退化的驱动力干扰,什么是干扰 干扰是群落外部不连续存在，间断发生因子的突然作用或连续存在因子的超“正常”范围波动，这种作用或波动能引起有机体或种群或群落发生全部或部分明显变化，使生态系统的结构和功能发生位移。,引起生态系统退化的干扰体系,6.2.1.2 生态工程修复的相关概念,定义 生态修复是指在特定的区域和流域内，依靠生态系统本身的自组织或自调控能力作用，或依靠生态系统本身的自组织和调控能力与人工调控能力的共同作用，使部分或完全受损的生态系统恢复到相对健康的状态。,生态工程修复的基本原理 通过生物、生态、工程的技术和方法，人为的改变和切断生态系统退化的主导因子或过程，调整、配置优化系统内部及外界的物质，能量和信息等流动过程和时空次序，使生态系统的结构、功能和生态潜力尽快成功地恢复到一定的或原有的乃至更高的水平。,理论基础恢复生态学 恢复生态学是研究生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的技术与方法、生态学过程与机理的学科。,6.2.2 生态工程修复的原理与内容,6.2.2.1 生态工程修复的基本原理,整体论原理 自生原理 分层多级利用原理 生态位原理 主导因子原理 物种耐性原理,协调与平衡原理 物质循环再生原理 物种互利共生原理 物种多样性原理 限制因子原理 生态因子综合作用原理,6.2.2.2 生态工程修复的内容,生态 工程 修复,生物子系统,环境子系统,生物种群的选择,生物群落结构配置,食物链调整,生物与环境节律匹配,水环境 土壤环境 光热环境 大气与微气候环境,6.2.3 生态工程修复技术,根据产业类型，修复生态工程可以分为农业、种植业和林业生态工程； 根据修复的生态系统类型，生态工程修复可分为山地、水体、湿地、滩徐、草原、盆碱地、沙漠、过渡带、环境脆弱带生态工程等； 根据修复的目的，生态工程修复可分为控制污染环境的生态工程和生态恢复性生态工程。,生态恢复生态工程,概念 将生态工程学原理应用于退化生态系统功能的恢复，最终达到系统的自我维持得过程。 分类 沙漠化土地生态修复工程技术 采矿区废弃地生态恢复工程技术 水土保持生态修复工程技术 湿地生态修复工程技术,6.2.3.1 沙漠化土地生态修复工程技术,采取生态工程措施，通过自然恢复、人工促进自然恢复与生态系统重建相结合，依据不同退化程度及不同区域自然、社会经济条件及发展需求，采用不同的恢复模式和途径，促使沙漠化过程逐渐逆转、生态系统逐步恢复并趋于良性循环，从而建立高效沙地农业生态系统，逐步形成社会经济自然复合系统。,沙漠化土地生态恢复工程措施,治沙工程 a.工程治沙以沙障或胶结物质固定流沙。,b.植物治沙主要包括建立人工植被或恢复天然植被以固定流沙；营造大型防沙阻沙林带，以阻截外侧风沙对绿洲、交通沿线、城镇居民点及其他经济设施的侵袭；营造防护林网，以控制耕地风蚀和牧场退化；保护封育天然植被，以防止固定半固定沙丘和沙质草原的沙漠化危害。,水土环境整治工程 a.集水技术采用一些措施形成地表径流将雨水 集存起来。 b.径流林业采取拦截措施使降雨径流汇集后能畅通地流进水 渠里，通过水渠把水引到种植植物的低洼地，供给植物生 长所需。 c.整地工程通过整地增加土壤通气性，提前截流蓄水增加土 壤湿度，积累养分和枯枝落叶、改良土壤和增加肥力，以保 证造林的质量。,生物恢复技术 a. 防风固沙林生态恢复技术 b. 植草生态恢复技术,沙漠化土地类型划分及生物恢复技术治理,具体实例科尔沁沙漠化综合整治,科尔沁沙漠化整治的总体思路,自然恢复、人工促进自然恢复与生态系统重建相结合，依据不同退化程度及小区域自然、社会经济条件及发展需求，采用“小生物圈”恢复模式，即：中心区。滩地绿洲高效复合农业生态系统，以重建及农业生态系统恢复为主。保护区。建立人工自然复合生态系统，自然恢复与人工促进恢复相结合，建立防护体系和天然草场恢复带。缓冲区。即硬墚流沙地灌草防护带，以保护性自然恢复为主，防风固沙逐步恢复自然植被。,6.2.3.2 采矿区废弃地生态恢复工程技术,应用生态工程技术，充分利用现有采矿废弃地和荒地的生产潜力，恢复、重建原有生态系统功能，形成对矿区及附近城镇发展起支持服务的生态经济社会功能格局。 采矿区废弃地的 生态修复技术,工程复垦技术,生物复垦技术,工程复垦技术,a.塌陷区地形改造技术,b.土壤质量改善技术 消除酸害措施 表土覆盖 施肥种植,生物复垦技术,复垦土地的土壤评价 土壤改良方法 植被品种筛选 植被工艺,6.2.3.3 水土保持生态修复工程技术,水土保持生态恢复工程是以流域为单位，坚持生物措施、工程措施、农业措施结合，应用生态工程原理，实施山、水、田、林、路的综合治理技术体系，从流域生态系统优化的角度出发，坚持生态效益与经济效益统一、治理与并发相结合，优化农、林、牧、副等行业用地结构，使各项技术措施互相协调、互相促进，实现生态一经济社会效益相统一的综合治理目标。,水土保持生态恢复工程技术措施,农耕技术措施 工程措施 生物措施,（1） 农耕技术措施,定义 通过改变农耕习惯（如改纵向耕作为横向耕作）来防止水土流失、保持土壤肥力、增加农业生产。 类型 以改变微地形为主的农耕措施 以增加地面覆盖为主的耕作措施,（2） 水土保持工程措施,a.坡面治理工程,针对分水岭以下至沟缘线的坡地采取的水土保持措施，包括梯田工程和坡面蓄水工程两种类型。,梯田,梯田是坡地上沿着等高线修成的台阶式田块，是改造坡地的一