第九讲-生态系统与工业生态课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生态系统与工业生态,第九讲,2008-11-6,生态系统与工业生态第九讲2008-11-6,1,生态系统,上 篇,生态系统上 篇,2,一、 生态系统的定义,生态系统（ecosystem）是在一定空间中共同栖居着的所有生物（即生物群落）与其环境之间由于不断进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。,生态系统主要强调一定地域中各种,生物,之间、它们与环境之间功能的统一性。生态系统主要是功能上的单位，而不是生物学中分类学的单位。在应用生态系统的概念时，对其大小并没有严格的限制，小至动物有机体内的微生物系统，大至各大洲的森林、荒漠等生物群落型。其范围和边界是随研究问题的特征而定的。,一、 生态系统的定义 生态系统（ecosyste,3,二、 生态系统的进化学意义,地球上大部分自然生态系统有维持稳定、持久、物种间协调共存等特点。这是长期进化的结果。向自然生态系统寻找这些建立持续性的机理，是研究生态系统规律的主要目的。目前，生态系统的概念和原理已经被许多学科和许多时间领域所接受。,二、 生态系统的进化学意义 地球上大部分自然生态系统有维持稳,4,三、生态系统的组成与结构,1.非生物环境：无机物、有机物、气候、气象等。,2.生产者：以简单无机物制造食物的自养生物,3.消费者食草动物：一级消费者,食肉动物：二级消费者,顶级食肉动物：三级消费者,4.分解者：把动植物残体的复杂有机物分解为生产者重新利用的简单化合物，并释放出能量,三、生态系统的组成与结构 1.非生物环境：无机物、,5,四、食物链和食物网,生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递，各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链。食物链彼此交错连接，形成了一个网状结构。,生态系统有两类食物链，即,（1）,捕食食物链,：,以植食动物吃植物的活体开始,（2）,碎屑食物链,：,从分解动植物尸体和代谢物中的有机物开始。,生态系统中的寄生生物和食腐动物形或辅助食物链,四、食物链和食物网 生产者所固定的能量和物质，通过一系列,6,五、营养级与生态金字塔,一个营养级指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。由于能流在通过各营养级时会急剧地减少，所以食物链就不可能太长，生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少有超过六级的。,能量通过营养级逐级减少，如果把通过各营养级的能量流，由低至高划成图，就成为一个金字塔形。称为能量锥体或金字塔。,五、营养级与生态金字塔 一个营养级指处于食物链某一环节,7,六、营养级与生态金字塔,生态系统具有负反馈的自我调节机制，所以在通常情况下，生态系统会保持自身的生态平衡。,生态平衡指生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状况，它是指结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入、输出上的稳定。生态平衡是一种动态平衡。在自然条件下，生态系统总是朝着种类多样化、结构复杂化和动能完善化的方向发展，直到使生态系统达到成熟的最稳定状态,。,六、营养级与生态金字塔 生态系统具有负反馈的自我调节机制，所,8,七、生态系统中的能量流动,生态系统,中,，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量转化为热而消散掉（使熵增加），其余应用于合成新的组织而作为潜能储存下来,。,生态系统利用能量的效率较低，最大的观察值30% ，一般来说，从供体到受体的一次能量传递只能有5%20%（1/10）的能量被利用。,七、生态系统中的能量流动 生态系统中，当能量以食物的形式在生,9,八、生态系统中信息及其传递,信息传递是生态系统的基本功能之一，在传递的过程中伴随着一定的物质和能量消耗,。,生态系统中，环境就是一种信息源。这些信息主要从时间不均匀性上体现出来。不同土质、射入森林的阳光被枝叶遮挡后光强，光质的变化等，都是物质能量空间分布不均匀性的例子,。,生态系统中包含多种多样的信息，大致可以分为物理信息化学信息，行为信息和营养信息等。,八、生态系统中信息及其传递 信息传递是生态系统的基本功能之一,10,九、生态系统中的物质循环,生态系统中的物质循环可以用库（pool）和流通（flow）两个概念来加以概括。,在单位时间或单位体积的转移量就称为流通量。周转移率就是出入一个库的流通率除以该库中的营养物质的总量。,如二氧化碳的周转时间大约是一年左右；大气圈中的氨的周转时间则需要100万年；而大气圈中的水的周转时间为10.5d。,九、生态系统中的物质循环 生态系统中的物质循环可以用库（p,11,十、,有毒有害物质循环,生物地球化学循环可分为三大类型：水循环气体型循环沉积型循环。,有机体有毒有害的物质进入生态系统。通过食物链富集或被分解的过程。大多数有毒物质，尤其是人工合成的大分子有机化合物和不可分解的重金属元素，在生物体内具有浓缩现象。在代谢过程中不能被排除，而被生物体同化，长期停留在生物体内，造成有机体中毒、死亡。这正是环境污染造成公害的原因。,十、有毒有害物质循环 生物地球化学循环可分为三大类型：水循,12,十一、景观生态学系统,景观一般指反映地形地貌景色的图象，诸如草原、森林、山脉、湖泊等；或是某一地理区域的综合地形特征；或者是人们放眼所获的自然景色。,生态学中，狭义景观指几十公里至几百公里范围内，由不同生态系统类型所组成的异质性地理单元。而反映气候、地理、生态、经济、社会和文化综合特征的景观复合体称为区域。广义景观则指显现在从微观到宏观尺度上的，具有异质性或缀块性的空间单元。广义景观概念强调空间异质性。,单位：,缀块 廊道 基底,手段：卫星、航空测量、地理信息系统（GIS）,十一、景观生态学系统 景观一般指反映地形地貌景色的图象，诸如,13,农耕地生态系统,农耕地生态系统,14,自然生态系统,自然生态系统,15,好的生态也是好看的生态,好的生态也是好看的生态,16,生态工程,中 篇,生态工程中 篇,17,在生态系统的物质循环中，每一个环节是给予者，也是受纳者，循环是往复循环，周而复始。正是由于这些生态系统内的小循环和地球上的生物地球化学大循环，保障了存在于地球上的物质供给，通过迁移转化及循环，是可再生资源取之不尽用之不竭。但是，当生态系统受到破坏，从循环论的观点看，是废物大量产生或某些再生资源开发过度，而阻滞、干扰了正常的循环道路，循环失调与失衡，导致大量的废物产生，最终造成污染，破坏环境。生态工程就是要采取措施，调整循环运转的各个环节及途径，协调这些环节的输入、转化与输出的物质的量，使废物资源化，为物质生产和生物再生提供更多的机会，变废为宝，化害为利。,生态工程的基本原理,在生态系统的物质循环中，每一个环节是给予者，,18,卫星眼中的中国国土,卫星眼中的中国国土,19,“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、结构和功能协调原则，结合系统分析的最优化方法，设计的促进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，充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。”,生态工程与环境工程的区别在于：生态工程考虑利用生态系统的自我设计特点，是有利于人类和自然两者的设计。而环境工程则是利用一系列科学原理，去净化或防治环境污染。与传统工程相比，生态工程是一项低消耗、多效益、可持续的工程体系。,一、 生态工程的定义,“生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生,20,二、我国生态工程 的特点,运用生态控制原理去促进资源的综合利用、环境的综合整治及人类社会的综合发展是生态工程的核心。我国学者在系统生态学理论的基础上，根据我国朴素的生态工程实践经验，把生态工程原理总结为整体、协调、自生、再生循环等基本原理。,二、我国生态工程 的特点 运用生态控制原理去促进资源的综,21,三、生态工程学原则,生态系统长期演化与发展，在一定时期内均具有相对稳定而协调的内部结构和功能。当人和超越一个生态系统自我调节能力的外来干涉，均可破坏结构间协调、或功能间协调，导致该生态系统的原有性质及整体功能的破坏和改变。维护生态系统结构与功能的协调性是生态工程的重要原则。,三、生态工程学原则 生态系统长期演化与发展，在一定时期内,22,四、自生原理,自生原理包括自我组织、自我优化、自我调节、自我再生、自我繁殖和自我设计等一系列机制。自然生态系统的自我设计能力是生态工程中最主要的基本原理之一。通过设计，能很好地适应对系统施加影响的周围环境，同时系统也能经过操作，使周围的理化环境变得更为适宜。,四、自生原理 自生原理包括自我组织、自我优化、自我调节、,23,五、链条原则,人类社会赖以生存繁衍的物质和能量来自于大自然而归宿于大自然。人类社会是大自然运作的一个环节。采用将物质和能量在人类这个环节里加长链条，延长留存时间的原则，就可以看出实际上就是向自然少了索取，就意味着对自然的高效利用。,五、链条原则 人类社会赖以生存繁衍的物质和能量来自于大自,24,六、穷人思维,穷人不得不懂得珍惜，实践珍惜。穷人眼里无废物。思考生态工程，就需要有一种“穷人”思维。,六、穷人思维 穷人不得不懂得珍惜，实践珍惜。穷人眼里无废,25,1.黄土高原流域综合治理： 生物措施和工程措施的系统化实施，保持了水土，提高了土地生产力，改善了自然景观。例如水窖的使用，使困扰人们的吃水问题得到了巧妙的解决。,2.安太堡露天煤矿的复垦重建植被：工程整修地形减少风沙危害和水土流失；生物以豆科牧草与禾本科混播，培肥地力，改良土壤，迅速恢复到农牧业可利用的状态。,3.黄河河口湿地的生态恢复：,在盐碱洼地实施挖塘造田工程，挖掘下层土壤盖在盐碱表土上，造成了垒起的台田，在,0,20 m,的耕作层内，盐分主要向下运动，及时种植有关谷物，立苗后对土壤又有改良作用；而挖的坑发展为鱼塘，坡地上种植绿肥，,在发展盐碱地改良的农业中，鼓励养牛，同时大力发展秸秆氨化作饲料及产出的牛粪再还田肥土，如此做到二业并举，同步兴旺，生态经济效益良好。,七、,生态工程的几个实例,1.黄土高原流域综合治理： 生物措施和工程措施的系统化实施，,26,宁夏海原县退耕还林还草初现生态效益,宁夏海原县退耕还林还草初现生态效益,27,生态工业,下 篇,生态工业下 篇,28,一、生态工业的特点,过去的模型假定经济在开放体系中运行，即在工业生产中物质一次性投资，产品占其原料的20%左右，绝大部分作为废物排放到环境中。,生态工业技术试图改变经济在开放运行的思路，应用基本的物理的、化学的原理，通过废物、零件、组分及原材料的循环、回收和再利用，从开放的物质流体系向封闭性的物质流体系转变，从而实现物质的永续利用，减缓自然系统中“熵”的加快增长的过程。,一、生态工业的特点 过去的模型假定经济在开放体系中运行，即,29,二、生态工业的理念,在传统的工业体系中，每一道制造工序都独立于其他工序，消耗原料，产出将销售的产品和将堆积起来的废料 。,一个生态工业系统，可以像一个生物生态系统那样循环运行：植物吸收养分，合成枝叶，供食草动物本身又为食肉动物所捕食，而它们的排泄物和尸体又成为其他生物的事物。,二、生态工业的理念 在传统的工业体系中，每一道制造工序都,30,三、工业共生例之一,美国的查塔努加市曾是全美污染程度最严重的。其生态工业思想的发端是由一个旧钢铁企业的改造开始的，将这家旧企业改造成一座以太阳能为动力的来处理污水的”有生命力的机器“。与之相邻的是一家利用经过处理的循环水进行生产的肥皂厂。与肥皂厂相邻的是另外一家利用肥皂厂的副产品进行生产的厂。由企业群构成的网络中，每一家可以利用另一家的副产品进行生产，达到消除废物和污染的目的，如同利用生态系统中不同生态位，通过自然进化的方法消除废物。同时，每个企业由于材料和能源的节约得到更大的经济效益,三、工业共生例之一 美国的查塔努加市曾是全美污染程度最严,31,四、工业共生例之二,丹麦卡隆堡为一万人口的海滨小镇。一座燃煤发电厂把热蒸汽输往两家炼油厂、一家制药公司以及镇上居民家中。额外回收的热能输往附近的一个渔业养殖厂。发电厂洗涤烟气中的二氧化硫产生的石膏卖给镇上身产石膏灰泥板的企业。这家企业还利用炼油厂排出的轻气体做烘干炉的燃料。炼油厂把冷却水输入发电厂用做清洗和锅炉用水。渔业养殖场和制药公司产生的有机淤泥可以用做农田肥料。根据初步估计，该生态工业园投资为1600万美圆，各合作伙伴节省了10倍的开支。整个地区的年耗水量节约了120万吨。,四、工业共生例之二 丹麦卡隆堡为一万人口的海滨小镇。一座燃煤,32,中国更需要生态工业,中国更需要生态工业,33,五、生态工业系统的构筑 1,“工业无废物“化：,在自然生态系统中，物质在循环，一切物质都可以被利用，无“废物“的概念。在人类社会中，物质以直线方式从制造者输往消费者，然后直接排入空气或垃圾堆。”废物“实际上是由人类制造出来的。,应当通过“接通循环”的办法消除废物。这要求工业界对更多的资源做循环利用。充分地利用原料，使副产品减少到最低限度。还要求人们改变思维方式。产品不再被认为是生产线上的最终结果，而是物质的暂时体现。,五、生态工业系统的构筑 1“工业无废物“化：在自然生态系统中,34,五、生态工业系统的构筑 2,“工业无废物“的设计：,为了充分利用资源和减少废物，现代的生产厂家必须考虑要怎样设计和生产产品，才能使废物和污染的控制成为企业自己的事。他们还需要注意到产品的整个寿命周期，心上还挂念着的产品寿命完结时会带来些什么。,生产厂家应力求找到促成一个综合性的革新。以前，工程师们常说，“为制造设计“、”为组装设计“，现在，又增加了”为拆散设计“、”为重复使用设计“和”为环境设计“等新术语。,五、生态工业系统的构筑 2“工业无废物“的设计：为了充分利用,35,五、生态工业系统的构筑 3,开发生态工业系统 ：,在深入观察自然生态体系时，我们正开始思考，有无办法把不同的生产废物（尤其是有危险性的废物）的过程联结起来。一个充分发展的生态工业，或许没有必要要求某个特定的厂家或特定的行业生成的废物极小，但在总体规模上，使整个生态工业的废物极少。有些公司力求使废物极小化已是长期的事，化学工业和石化工业可能是走在最前面的。,五、生态工业系统的构筑 3开发生态工业系统 ：在深入观察自然,36,六、建立生态工业系统的条件 1,废料作资源 ：,能源和原材料的消耗应该得到优化，应尽量减少废料。每道工序的废弃材料，如石油工业的催化剂、热电厂的气体或固体废料，或大众消费品的包装材料，应作为别的工业部门的原料来使用。,这一想法在经济界却似乎不被接受。经济界，仍在广泛地鼓励，甚至强制使用新产品和新材料。很少有企业把自己的废料视为浪费。然而，特别是那些不具备污水处理能力的中小企业，排放的污水经常伴有大量的金属，其含量超过了天然矿砂的含量。,六、建立生态工业系统的条件 1废料作资源 ：能源和原材料的消,37,六、建立生态工业系统的条件 2,封闭物质循环和尽量减少消耗性排放 ：,要使工业社会中物质循环得以封闭，在探讨回收利用生物过程的特性和效率之前，必须进行大量的技术革新。问题是废物的分拣和分离。废钢铁，废塑料的分拣成本特别高，而且还伴随着收集和运输方面的费用。分拣在必要情况下，若要实现部分自动化，就要求产品在生产过程中做出必要标记，甚至设计时就考虑到易于拆卸回收。,六、建立生态工业系统的条件 2封闭物质循环和尽量减少消耗性排,38,六、建立生态工业系统的条件 3,防止消耗性污染 ：,许多产品的使用都是消耗性的。包装物料，润滑剂、溶剂、絮凝剂、防冻剂、去污剂、肥皂、增白与洗涤剂、染色剂、油漆、色素、药品、杀虫剂、杀真菌剂和杀菌剂等。大部分有毒重金属如砷、镉、铬、汞等，包含在不同的产品之中，也随着使用及正常老化而消耗开来。油漆中经常包含有铅、锌或铬以一种逐渐的方式慢慢消耗。特别是腐蚀，也是物质消耗性污染的重要来源 。,方法：（1）改良原料（2）回收处理（3）替代,六、建立生态工业系统的条件 3防止消耗性污染 ：许多产品的使,39,七、可持续发展与生态工业革命,生态工业革命在价值观上对传统经济理论提出了挑战。这一理念的实践将对社会产生深刻影响。,1.对社会生活方式的影响：生态工业将影响到人们衣食住行的各个方面，所有这些改变都需要有技术作为保证。采用新技术、新方法使生活方式更加符合生态可持续要求。,2.对生产组织形式的改变：主要体现在生态工业园的建设和发展上。生态工业本身的发展是与生态工业园区的自发性时间过程密不可分的。,七、可持续发展与生态工业革命 生态工业革命在价值观上对传,40,八、中国的机遇,环境保护兴起还不到50年，生态工业思想的提出是最近十年的事。从人类社会发展可持续发展的角度来说，对原有的工业体系进行结构性的改革势在必行。积极面对生态工业革命，就有可能抓住一个新的发展机遇。这对于我国这样的人口大国具有十分重要的意义。,八、中国的机遇 环境保护兴起还不到50年，生态工业思,41,附： 环境生态随想,附： 环境生态随想,42,人造与天造的对比与和谐,环境生态问题是扎根很深的大问题，是人的自然属性的又一次大盘问。,人造与天造的对比与和谐 环境生态问题是扎根很深的大问题，是,43,科学依然是指引和教导我们未来的东西，正像她过去那样,纳米技术与生态思想是相通的。,科学依然是指引和教导我们未来的东西，正像她过去那样 纳米技术,44,警惕：现代科学和技术让人的身影隐蔽了许多,现代化的压力正在显现。,警惕：现代科学和技术让人的身影隐蔽了许多 现代化的压力正在显,45,回顾文艺复兴,发端于某个人的思想也实践也许是偶然的，,但是，如果是具有普遍意义的话，其普及也就不可避免了。,我们也许不知道自己是不是个好演员，但是一定是一个好观众。,回顾文艺复兴 发端于某个人的思想也实践也许是偶然的，,46,飞人,人可以飞了，但借助的是科学。,飞人人可以飞了,47,二十世纪之初的科学家们：,他们仍然是毕德哥拉斯和伽利略的延伸,二十世纪之初的科学家们：他们仍然是毕德哥拉斯和伽利略的延伸,48,国际太阳能汽车赛,也是环境生态所期望的。,国际太阳能汽车赛也是环境生态所期望的。,49,巨大的战争飞机，据说是现代客机的前身,巨大的战争飞机，据说是现代客机的前身,50,突破音速时发生的音爆现象,突破音速时发生的音爆现象,51,美国激光动力飞机,美国激光动力飞机,52,魁北克大桥1907年,垮塌了的大桥的钢材作成戒指，发给每个工程师一只，以示牢记,魁北克大桥1907年 垮塌了的大桥的钢材作成戒指，发给每个,53,好的材料需要好的设计和好的加工,好的材料需要好的设计和好的加工,54,同样价值上亿美元,人的潜力仍然无穷,同样价值上亿美元人的潜力仍然无穷,55,冰雕让普通的水创造门票,发现和开发材料的价值,冰雕让普通的水创造门票发现和开发材料的价值,56,丰收的喜悦不只是物质的。,丰收的喜悦不只是物质的。,57,剪纸令红纸的价值倍增如何开发中国的人力？,剪纸令红纸的价值倍增如何开发中国的人力？,58,中华绝技面塑艺术,中华绝技面塑艺术,59,流体力学，美丽的涡街,不太懂流体力学的莱特兄弟发明了第一架真正的飞机，而流体力学把巨型客机送上了天。,我们隐约地感觉到了科学的作用是什么了吧！,流体力学，美丽的涡街 不太懂流体力学的莱特兄弟发明了第一架,60,天安门日清垃圾10吨,这是环境生态所不期望的。,请思考看不见的垃圾的问题！,天安门日清垃圾10吨这是环境生态所不期望的。请思考看不见的垃,61,未来由谁把握？信息产业的人会告诉你，,“,谁掌握信息谁就把握了先机,”,。但对于我们所在的这个物理世界来说，资源就那么多，空间就这么大。未来，谁能最充分的利用资源和材料创造最大效益的财富，谁就能顺应世界，谁的周围有良好的生态环境，谁就有高品质的生活。,直白的推断,未来由谁把握？信息产业的人会告诉你，“谁掌握信息谁就把握了先,62,