环境生态工程

**章 环境生态工程导论 **节 环境生态工程起源 1962年，美国生态学家奥德姆（Odum）提出了生态工程（ecological engineering）一词，并把它定义为“为了控制生态系统，人类应用来自自然的能源作为辅助能对环境的控制”，生态工程就是管理自然，它是对传统工程的补充，是自然生态系统的一个侧面。1971年，他指出生态工程即是人对自然的管理，1983年，他将定义修订为“设计和实施经济与自然的工艺技术”。20世纪80年代后期，生态工程在欧美国家逐渐发展起来，出现了多种认识与解释，并相应提出了生态工程技术这一概念，即“在环境管理方面，根据对生态学的深入了解，花*小的代价、对环境的损害又是*小的一些技术”。我国生态学家、生态工程建设先驱马世骏先生则认为：“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，结合系统分析的*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的目的。它可以是纵向的层次结构，也可以产生横向联系而发展为网状工程系统。 美国生态学家密茨（Mitsch）与丹麦生态学家约根森（Jorgensen）将生态工程定义为：“为了人类社会及自然环境两者的利益而对人类社会及自然环境所进行的设计。”“这种设计包括了应用定量方法和基础学科成就的途径。”欧美学者在论述的生态工程时普遍认为生态工程等同于生态技术，但我国的生态学者与研究人员则认为生态技术仅仅是生态工程的一个环节，不能代表生态工程这一技术系统。 生态工程起源至今不过60多年的历史，自生态工程学创始以来，国际上一些研究人员与学者就试图运用生态学和工程学的某些原理和工艺来达到治理环境和可持续发展生产的目的，尤其侧重于环境的保护。通过研究生态系统组成成分及机制，建立系统的能流、物流和行为特征动态模型与优化控制模型。例如，美国加利福尼亚州南部河口区在属于不同水文周期的湿地，建立了利用香蒲等湿生植物去除重金属改善水质、进行复垦的生态工程；丹麦在雷姆斯湖建立了防治富营养化的生态工程；德国建立了以芦苇为主的湿地处理废水的生态工程；瑞典有学者利用室内水生生物的生态工程，处理净化校园生活污水；荷兰已尝试用调控湖泊中生物种类结构、比例的方法防治富营养化。目前美国的生态工程正从生产过程中废物产生与排放减量、废物回收、废弃物回用及再循环4个方面逐步实施。 中国面临的生态危机，不单纯是指环境污染，而是由于人口激增、环境与资源破坏、能源短缺、食物供应不足等共同造成的综合效应。因此，中国的生态工程不但要保护环境与资源，更迫切的是要以有限资源为基础，生产出更多的产品，以满足人口与社会的发展需要，并力求达到生态环境效益、经济效益和社会效益的协调统一，改善与维护生态系统，促进包括废物在内的物质良性循环，*终是要获得自然-社会-经济系统的综合高效益。正因为如此，我国对生态系统的发展与生态工程的建设提出了“整体、协调、循环、再生”的原则。生态工程是以生态学原理为支柱，吸收、渗透与综合了如农业、林业、渔业、养殖业、加工业、经济管理和环境工程等多种学科原理、技术与经验的应用学科。生态工程的目标就是在促进良性循环的前提下，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到经济与生态效益同步发展的目的。生态工程在生态工艺与技术方面提出了加环（生产环、增益环、减耗环、复合环和加工环）这一概念，联结本为相对独立与平行的一些生态系统为共生生态网络，调整内部结构，充分利用空间、时间、营养生态位，多层次分级利用物质、能量，充分发挥物质生产潜力、减少废物，使生产因地制宜，促进良性发展。中国生态工程虽然起步晚，但是发展很快，特别是在实际生产应用中取得了显著成效。例如，举世瞩目的五大防护林生态工程：三北防护林体系建设工程、太行山绿化工程、沿海防护林体系建设工程、长江中上游防护林体系工程和平原农田林网防护林体系，对防风固沙，减少径流，改善保护区内农田小气候，促进农业增产及多种经营，显示了良好的效益。 第二节 环境生态工程内涵与意义 一、环境生态工程的内涵 （一）环境生态工程的概念 随着环境资源约束压力的不断增加和人类社会科技发展的进步，人们总是希望能够找到合适的方法来解决地方性、区域性和全球性环境污染问题。人们已经认识到每一次对于环境的破坏与干扰，污染物质的排放与物质不合理的利用，*后都会通过生态系统自身的规律与运动反作用于人类自身。人们目前面临着一系列全球性的环境问题与灾难，如全球性的温室效应、生物多样性的减少、人类流行性疾病的衍生、超级细菌的显现和酸雨区的扩大等都是由人类对生态系统不合理利用和开发所引起的。这些也更进一步促使人类思考应如何科学地认识我们的生存环境，如何更加合理有效地利用我们的环境资源进行生产与生活活动，如何有效地采用生态、生物性的环境保护与治理的手段处理、利用、转化那些产生的废弃物。近年来，“零排放”或“近零排放”的呼声与要求日益高涨。“零排放”意义在于利用环境生态工程技术，实现对自然资源的完全循环利用，达到无限地减少污染物排放直至为零的目的，从而不给大气、水体和土壤遗留任何废弃物。目前，社会各界已经逐渐认识到仅仅依靠环境技术并不能彻底消除污染物。首先，解决污染控制问题的资源是有限的，尤其是发展中国家；其次，环境技术的原理通常是将污染物从一种介质（如空气）转移到另一种介质（如水体）。因此，我们必须寻求额外的手段来减少污染的不利影响，利用生态系统本身的特点及结构功能更加有效地做好环境污染物的处理，这也催生了环境生态工程的理念及技术手段，为解决污染问题提供了一种额外手段。 环境生态工程是结合环境工程和生态工程的理论、方法和技术，从系统思想出发，按照生态学、环境学、经济学和工程学的原理，将现代科学技术成果和现代管理手段以及相关专业的技术经验组装起来，致力于解决当今社会的环境问题，以期获得较高的社会、经济、生态效益的现代生态工程系统。它是环境学、生态工程理论、方法和工程技术体系在环境中的具体技术与措施的应用。它针对环境的特征以及存在的环境问题，应用生态系统、环境科学中的各项原理，利用工程学的方法，协调生态系统内多种组分的相互关系，解决农业污染、工业污染和流域污染等环境问题，维持生态系统的平衡，促进生态系统稳步地发展。 环境生态工程以对自然生态系统的深刻理解为出发点，基于自然、生物、物理、化学和数学等基础科学及定量方法设计新的生态系统，利用少量的能源对环境污染进行控制，其能源驱动主要来自自然资源，系统的重要组成是生物物种。环境生态工程是对自然生态系统的管理，是对传统环境污染控制工程的一种独特补充。值得注意的是，设计的新生态系统仍符合生态系统的自组织原理，发展起来的新生态系统仍可能继续发生变化。环境生态工程能够创造出*能适应人类生活需要的生态系统，并充分发挥这些系统的多重价值。 环境生态工程是通过优化设计促使人类社会与自然环境和谐共处，而不是试图征服自然，工程建设目的包括以下几个方面。 （1）减少或解决污染问题对其他生态系统可能造成的伤害（如污泥处置、废水回收等）。 （2）原有生态系统受到重大干扰后通过环境生态工程得到恢复（如煤矿复垦、湖泊河流恢复等）。 （3）通过模仿自然生态系统构建人工生态系统（如人工湿地）。 （4）在不破坏生态平衡的情况下利用原有生态系统的功能。 （二）生态工程和环境工程的区别 环境工程（environmental engineering）是一门研究环境污染防治技术原理和方法的学科，其内容广泛而复杂，涉及化学、物理学、生物学、医学、给排水工程、土木工程、机械工程和化学工程等学科的原理和手段。环境工程以环境污染综合防治作为基本指导思想，研究防治环境污染和公害的技术措施、自然资源的保护和合理利用、各种废物的资源化以及对局部的规划等，以获取*优的环境效益、社会效益和经济效益。其基本内容包括水污染防治工程、大气污染防治工程及其他公害防治技术，主要依靠沉淀池、除尘器、砂过滤器和混凝池等有价值的环境技术控制或预防环境污染问题。而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，结合系统工程的*优化方法，设计的分层和多级利用物质的生产工艺系统。由此可见，在对于环境及生态的治理与保护方面，两者都是在运用环境学或生态学基本原理的基础上通过人工调控实施工程反应措施来达到环境保护或生态保护的目的。 （三）生态工程和生物工程的区别 生态工程与生物工程也存在明显不同，两者之间的对比见表1-1。生物工程技术在狭义上是通过遗传结构的改变发展新的物种或品种，广义上还包括不改变基因的生物系统操纵。就设计思路而言，生物工程立足于操纵细胞的遗传结构，其目的在于产生能够执行某些功能的新菌株和有机体。但其在细胞微观层面上的操纵所带来的巨大成本和潜在问题不容忽视。生态工程不涉及在基因层面上的操纵，仅将物种与其非生物环境的组合视为一个能够在人类帮助下可以自我设计的系统，从而使之适应外部力量带来的变化。生态工程不会引进自然界以前没有认识过的新物种，除了对已知生物进行重新组合，也不会产生重大的实验室开发成本。 表1-1 生态工程与生物工程比较 环境生态工程通常以物种优化组合与适应、食物链重构等为主要手段设计出一个新的生态系统，使原先受污染的生态系统向一个未知的美丽自然系统转变。新的生态系统自建立以后开始独立操纵物理和化学环境因子，使自身生态环境变得更加美好。环境生态工程将人类社会和生态系统视为一个整体，强调整体生态观，大自然完成了环境生态工程的主要工作，而环境生态工程师只参与其中，扮演生态选择的产生者以及环境与生态系统匹配的促进者等角色。环境生态工程师需要大量的物种和生态系统用以保护生物多样性，同时必须认识环境生态工程的价值，才能真正保护生态系统。例如，湿地环境生态工程除了作为鱼类和野生动物的栖息地外，还具有防洪和改善水质的非生物价值，只有认识到这些价值，湿地环境生态工程才能获得更广泛的接受。 环境生态工程不需要像其他工程一样依赖人类能源投入，生态系统直接或间接地依靠太阳能及太阳能产物维持运行。如果这个系统不能自我维持，就意味着自然和人类之间和谐共处的模式尚未出现。图1-1（a）和（b）分别展示了不利用和利用环境生态工程两种情况下自然生态系统、人类生活与环境污染之间的关系。显而易见，在有环境生态工程时，自然与人类和谐共处，环境污染出现“零排放”，污染治理投入及能源消耗大大降低。 图1-1 自然生态系统、人类生活与环境污染之间的关系 二、环境生态工程的建设意义 生态环境是自然环境重要的组成部分，是人类赖以生存和发展的基础。良好的生态环境、丰富的农业自然资源及其合理开发和利用，是保证社会经济持续、稳定、协调发展的必要条件。我国人均资源占有水平远远低于世界平均水平，资源的分布也不均衡，淡水、耕地和森林等资源人均占有量不到世界平均水平的1/3。人口基数大、增长速度快，农业后备资源不足，因此，在今后很长的一段时间内，人口、资源和环境的矛盾将困扰我国社会经济的发展。因此，重视经济建设与人口、资源和环境的关系，严格控制人口增长，大力提高人口质量，合理利用资源，坚持开发与节约并举，注重环境保护，加强污染治理，这不仅对促进我国可持续发展具有重要意义，而且对中华民族的生存发展也具有重大的战略意义。