11．4．2　生态工程的基本原理

1．生态工程的生态学原理

1）生态位原理

生态位是生态学研究中广泛使用的概念，每一种生物在多维的生态空间中都有其理想的生态位，而每一种环境因素都给生物提供了现实的生态位。这种理想生态位与现实生态位之差一方面迫使生物去寻求、占领和竞争良好的生态位，另一方面也迫使生物不断地适应环境，调节自己的理想生态位，并通过自然选择，实现生物与环境的世代平衡。因此在生态工程设计及技术应用中，如能合理运用生态位原理，把适宜而有经济价值的物种引入系统中，填充空白的生态位而阻止一些有害的杂草、病虫、有害鸟兽的侵袭，就可以形成一个具有多样化物种及种群稳定的生态系统。充分利用高层次空间生态位，使有限的光、气、热、水、肥资源得到合理利用，最大限度地减少资源的浪费。增加生物量与产量，如稻田养鱼就是把鱼引入稻田中，鱼可以吃掉水稻生长发育过程中所发生的一些害虫，为稻田施肥，而水稻则为鱼类生长提供一定的饵料，从而取得互惠互利的效果。

2）限制因子原理

生物的生长发育离不开环境，并适应环境的变化，但生态环境中的生态因子如果超过生物的适应范围，对生物就有一定的限制作用；只有当生物与其居住环境条件高度相适应时，生物才能最大限度地利用环境方面的优越条件，并表现出最大的增产潜力。因此在生态工程建设与生态工程技术应用时，必须考虑生态因子的限制作用原理。

3）食物链原理

在自然生态系统中，由生产者、消费者、分解者所构成的食物链，从生态学原理看，它是一条能量转化链、物质传递链，也是一条价值增值链。绿色植物被草食动物所食，草食动物被肉食动物吃掉，植物和动物残体又可被小动物和低等动物分解，以这种吃与被吃而形成的食物链关系，形成了一种复杂的食物链网。但在人工生态系统与生态工程中，这条食物链往往进一步缩减了，缩减了的食物链不利于能量的有效转化和物质的有效利用，同时还降低了生态系统的稳定性，加重了环境污染。因此根据生态系统的食物链原理，在生态系统与生态工程的设计建设中，可以将各营养级因食物选择而废弃的生物物质和作为粪便排泄的生物物质，通过加环与相应的生物进行转化，延长食物链的长度，并提高生物能的利用率。如在经济树林中养殖土鸡、鸡粪喂猪、猪粪制造沼气，沼渣肥田、稻田养鱼、鱼吃害虫、保障水稻丰产，从而形成了一种以人为中心的网络状食物链的种养方式，其资源利用效率与经济效益要比单一种养方式大得多。

4）整体效应原理

系统是由相互作用和相互联系的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体，其基本的特性就是集合性，表现在系统各组分间相互联系、依赖、作用、制约的不可分割的整体，整体的作用和效应要比各部门之和来得大。由于生态工程是个涉及生物、环境、资源以及社会经济要素构成的社会-经济-自然复合生态系统，因此生态工程的建设要达到能流的转化率高，物流循环规模大，信息流畅，价值流增加显著，即整体效应最好，这就需要合理调配、组装、协调系统的各个组分，使整个系统的总体生产力提高。整体效应的取得要取决于系统的结构，结构决定功能。生态工程强调在不同层次上，根据自然资源、社会经济条件按比例有机组装和调节，以整体协调优化求高产、高效、持续发展。

5）生物与环境相互适应、协同进化原理

生物的生存、繁衍不断从环境中摄取能量、物质和信息，生物的生长发育依赖于环境，并受环境的强烈影响。外界环境中影响生物生命活动的各种能量、物质和信息因素称为生态因子，生态因子既有对生物和生命活动所需的利导因子，也有限制生物生存和生命活动的限制因子。利导因子促进生物的生长发育，而限制因子则制约生物生长与生产的发展，因而在当地的生态工程建设中必须充分分析当地利导因子及限制因子的数量和质量，以选择适宜的物种和模式。

生态系统作为生物与环境的统一体，既要求生物要适应其生存环境，又同时伴有生物对生存环境的改造作用，这就是所谓的协同进化原理。协同进化原理认为生物与环境是相互依存的整体，生物不只是被动地受环境作用和限制，而是在生物生命活动过程中，通过排泄物、死体、残体等释放能量、物质于环境，使环境得到物质补偿，保证生物的延续。

6）效益协调统一原理

生态工程系统是一个社会-经济-自然复合生态系统，是自然再生产和经济再生产交织的复合生产过程，具有多种功能与效益；它既有自然的生态效益，又有社会的经济效益，只有生态与经济效益相互协调，才能发挥系统的整体综合效益。

生态工程的设计、建设与应用都是以最终追求综合效益为目标的。在其建设与调控中，将经济与生态工程建设有机交织地进行，如农业开发与生态环境建设结合，资源利用与增值结合，乡镇农业开发与环保防污建设相结合等，就是将所追求的生态效益、经济效益和社会效益融为一体。

2．生态工程技术调控原理

生态工程技术调控通常是指通过对现有生态系统中的某个环节或几个环节进行扩大、缩小、置换、添加或功能变换，以及对其所处的生态经济环境进行适当的改变，最终达到不断地提高生态工程整体生态经济效益的目的。

1）生态工程的自然调控原理

自生原理中的自我组织、自我优化、自我调节、自我再生、自我设计和自我繁殖等是国外生态工程设计中应用的主要依据，这种生态系统的自生、自我设计作用对维护系统的相对稳定和工程的可持续性具有重要意义。

自我组织和自我设计是生态工程设计技术调控中的主要原理。它是系统不借助外力形成具有充分组织形态的有序结构，即生态系统通过反馈作用，依照最小能耗原理建立内部结构和生态工程的行为。自我优化是具有自组织能力的生态系统，在发育过程中，向能耗最小、功率最大、资源分配和反馈作用分配最佳的方向进化。H．T．Odum认为生态工程的本质就是生态系统的自组织，生态工程的设计与建造、人类的调控和干预仅是为系统提供一些组分间匹配的机会，其他过程则由自然通过选择和协同进化来完成。H．T．Odum强调生态工程的本质是管理与控制自组织功能，充分利用生态系统的处理能力和自然能源。W．J．Mitsch将这个观点进一步扩展成自组织即自我设计。在多数情况下，自组织被用于让自然选择适宜的物种，在这种情况下，生态工程学家提供额外的许多物种的种子，通过生物的繁殖，从而形成种群、群落，这样自组织就产生了。

例如，如果目标是创建湿地系统用于处理废水，生态工程学家将设计一种传统的容器结构，伴随着控制适当的水流流入量与流出量，在系统中种植来自其他系统群落的物种，以利于生物部分的自组织贯穿于整个湿地的系统设计和建设中。

自组织原理是生态系统中一个显著的特征，对生态学家来说它是一个新的用于同其他的非常熟悉的传统技术相结合的工具。

自组织可以借助种植已经适应于特定环境系统条件下的物种来加速生态系统的发展与稳定，这需要来自环境设计和物种适应性两方面的知识。生物的适应性来源于达尔文的进化论，物种受环境梯度影响，并与其他物种产生相互作用（竞争与捕食）。生物适应性的机制包括生理、形态和行为学特征，一个生物的生态位从某种意义上来讲就是它的全体适应性的总和。预适应性的实质其实就是“预先存在的特性使生物适应于新的环境”。

2）生态工程的人工调控原理

在生态工程的设计建设与技术调控中必须以自然生态系统稳定性的调节机制为基础，人工调节必须与系统内部的自然调控相互结合。人工调控途径按其对象可分为生物环境调控、生物调控、系统结构调控、输入与输出调控、复合调控等。

（1）生物环境调控。

改善生态环境，满足生物生长发育的需要，如植树造林、改善农田小气候、地膜覆盖、提高地温与土壤水汽，种植豆科绿肥、增加土壤肥力与改善土壤结构。

（2）生物调控。

通过良种选育、杂交良种，应用遗传与基因工程技术，创造出转化效率高、能适应外界环境的优良物种，达到对资源的充分利用。

（3）系统结构调控。

通过调整生态系统结构，可以改善系统中能量与物质的流动与分配，增强系统的机能。

（4）输入与输出调控。

生态系统工程中输入的光、热、水、气等因子非人工所能控制，但输入的部分肥料、水源、土壤、种子等在其质与量上可以部分地受到人为调控。如输入符合系统的内部运行机制与规律，其输出则有利于环境质量的改善和系统功能的增强；但如果输入不符合系统的运行规律，则输出会使环境质量降低，系统功能削弱。

（5）复合调控。

生态工程的复合调控是自然调控与社会调控两者之间交互联结而成的调控，不仅要考虑系统的自然环境还要考虑各种社会条件，如政策和法律、市场交易、交通运输等影响到系统的运行规律及机制。复合调控的机制也明显地在三个层次上进行，在最低层次的自然调控和第二层次的经营者直接调节与第三层次的社会间接调控之间联系密切。因此在进行生态工程建设与技术调整时，经营者在制订计划和实施直接调控时除了要考虑系统的自然状况外，还必须考虑各种社会条件，经营者的行为和决策总要不同程度地受到市场等因素的制约。

生态工程的目的就是在良好的生态效益基础上通过复合调控来实现良好的经济效益。自然资源在被人类利用进行生产的过程中，不仅具有被人类直接利用的经济价值，还有间接地服务于人类的生态价值，这种具有双重价值的资源可以被称为生态资源。从经济学的角度来看，生态环境也是具有价值的。人类经常作用于现实生态环境（如农村、工厂、城市），这些生态环境都是经过人的劳动改造的生态环境；经济过程及生态环境的质量，必然要受到人类各种有目的的经济活动所产生的生态效益（包括正效益和负效益）的影响。当人类经济活动所产生并不断积累的负值的生态效益（如环境污染、水土流失、资源衰减、草原荒漠化）超过一定数量时，这个生态环境的质量就有害于人的生存，降低或失去使用价值。为了求得继续利用，人类必须付出一定量的劳动来从事生态环境的保护和建设。生态工程的建设与发展就是为了促使经济过程的发展，同时又不破坏环境，使生态环境的质量起码达到人类正常生存和发展所必需的标准。