环境生态工程

第一章导论

一.我国生态与环境的现状

答：生态恶化形势严峻、环境污染触目惊心、环境健康问题日渐突出、全球变暖加剧我国生态环境恶化、温室气体气溶胶等排放居高不下。

二.我国生态与环境面临的挑战

答：（1）人口、经济增长对生态、环境压力不断加大；（2）城镇化将增加城市生态、环境压力；（3）农村环境问题不容忽视。

三.生态工程的定义、内涵、应用和遵循原则。

答：（1）定义：生态工程是指应用自然生态系统原理，通过同自然环境合作，进行的对人类社会和自然环境双方都有利的复合生态系统设计的科学。研究对象是自然、经济和社会复合体系。

（2）生态工程的主要内涵：①生态工程是基于生态学等理论；②生态工程是一个宽泛的概念，包括所有类型的生态系统以及与之相互联系、相互作用的潜在人类活动；③包括工程设计的概念与含义；④存在一个潜在的价值体系。

（3）应用：①生态环境工程；②恢复受损生态系统，缓解对资源的过度开发，生态恢复；③人工生态系统；4)生态产业。

（4）遵循原则：①协调与平衡；②减少地貌改变；③增加绿带面积；④增加蓝带面积；⑤多孔性结构物；⑥使用天然材料。

四.生态工程与传统工程的区别。

答：

五.

答：

生态工程与环境工程的最大区别在于：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，生态工程是一类低消耗、多效益、可持续的工程体系。

六.生态工程的发展趋势

答：（1）研究对象的扩大、理论的进一步充实；（2）生态工程的方法论与技术手段尺度进一步扩展：①从物理过程的量化走向生态过程的序化；②从工程结构的优化走向生态格局的进化；③多学科、多技术结合调控社会—经济—自然复合生态系统的全生态过程；④环境保护与生产和消费结合，废弃物处理与利用结合；（3）生态工程生产出的生态产品功能化、保健化和高效化。

第二章生态工程原理

一．生态工程的原理有哪些？

答：（1）自组织原理；（2）正负反馈调节原理；（3）共生原理；（4）正常立地理论；（5）局部控制与全局调节原理；（6）生态结构与生态功能相互作用的原理；（7）生产功能与保护功能耦合的原理；（8）物质循环，能量分级，多层利用的原理；（9）仿生原理。

二．自组织原理？

1.自组织的定义

在系统实现空间、时间或功能的结构过程中，依靠系统内部的相互作用来达到，内部由无序变为有序，这种系统称之为自组织。

2.自组织的结果

自然生态系统自组织的结果，是在具体的生境，在光、热、水、气等因素作用下，生物个体和种群抢占和适应各种生态位，组成了生物群落和食物链网络，是一个叠加在周围环境之上适应环境的生态系统，这也就是自然生态系统的自我设计。

3.自然生态系统特点

它对太阳能的充分利用，对化学元素的循环利用，具有少消耗、高生产率又无废物的生产过程，是任何人工生态系统无法比拟的。三．正负反馈调节原理？

1.因果关系

系统内相互联系的组成部分之间，总是具有因果关系的。为了解系统的部分与整体之间及部分与部分之间的关系，可将复杂的整体通过因果关系加以分解，借以简化。

2.反馈关系

（3）正反馈环：当因果反馈环中的一个变量发生变化，通过环中各组分间依次发生的连锁反应，使变量的变化增强，这种自我强化的因果反馈环称为正反馈环。最后使系统远离初始状态。

（4）负反馈环：当因果反馈环中一个变量发生变化，通过环中各组分间依次发生的连锁反应，使变量的变化减弱，最后引起变化趋于稳定，系统保持其初始状态，不使变动过大，所以负反馈环具有自我调节的作用。

（5）正反馈环与负反馈环的相互作用：当负反馈环自我调节作用强于正反馈环的自我强化作用时，系统就呈现出趋于稳定的行为；但当正反馈环的自我强化作用胜于负反馈环的自我调节作用时，系统就出现无限增长或急剧衰减的行为。正是正反馈环与负反馈环的相互作用，决定了系统的行为。

3.反馈调节

在一个系统中，利用正负反馈的耦合关系，根据系统的问题和解决问题要达到的目标，通过正反馈环的自我增强作用和负反馈环的自我调节作用的加强和减弱，可以控制系统的变动方向和发展趋势，这就是反馈调节。

四．共生原理

1.共生的定义：共生又叫互利共生，是两种生物彼此互利地生存在一起，缺此失彼都不能生存的一类种间关系，是生物之间相互关系的高度发展。

2.丸山孙郎：最有生命力的不是最强壮的，而是最共生的。

五．正常立地理论

1.立地的定义：影响树木或林木的生长发育、形态和生理活动的地貌、气候、土壤、水文、生物等各种外部环境条件的总和，称为立地。构成立地的各个因子，即立地条件。

2.正常立地的定义：正常立地也称标准立地，是指在生态序列处于正常位置的立地。所谓正常位置，是那些能反映大气候的水、热条件的平坦部位，在这样的部位上才能发育与大气候相适应的土壤和生长与大气候相一致的植被。

3.近正常立地的定义：近正常立地在地形垂直分化系列中处于正常立地附近的位置，但与正常立地有一定偏离：比正常立地稍热，或稍冷；比正常立地稍湿，或稍干。引起土壤类型和土种的变化以及植物群落的偏离

4.超常立地的定义：超常立地在地形气候和气候水文特征方面同正常立地有极大的偏离，因而引起土类和植被群、系、纲发生变化。

5.异常立地的定义：异常立地在地形分化系列中，占据着极端的位置，处于一个地域中的最高或最低、最干或最湿的地方。土壤和植被与大气候都不适应。

6.标准立地理论在生态工程中的作用？

答：标准立地理论对生态工程有着重要作用，主要表现为以下三点：（1）它可以把生态系统的垂直结构与水平结构联结起来，尤其对研究生态系统的空间相互作用与时间演替具有认识论意义。（2）标准立地理论对于正确认识顶极群落及生态平衡也是非常重要的理论。（3）更为重要的是认识了标准立地，就有可能通过人类与自然界合作共同创造与自然规律相符合的新自然环境、新的生态系统。

六．局部控制与全局调节原理

1.整体与部分

整个生物圈是一个多级层次系统的有序整体，每一个高级层次系统都是由具有自己特征的低级层次系统所组成，细胞组成有机体，有机体组成种群，不同种群组成生物群落，生物群落与周围环境一起组成生态系统，生态系统又与景观生态系统一起组成总人类生态系统。因此每一个等级既有独立性又有从属性。不存在绝对的部分和绝对的整体。

2.生物圈的等级组织原理

（1）生态系统等级树

整个生物圈是一个多重的等级组织，从生物个体到种群，从生物种群到生物群落，从生物群落到生态系统，从不同等级的生态系统到整个生物圈组成一个多级有序整体。自然界的等级组织不是线性的等级系统，而是树枝状的等级系统。

（2）局地等级

生态系统的局地等级有生态元、生态段和生态链。

①生态元定义：生态元是生态系统的最小单元，它是地球表层在垂直方向和水平方向上都一致的地段。相同的立地条件和生物群落，是同质单元。

②生态段的定义：生态段是不同的生态元有规律的结合体。受地形形态制约。

③生态链的定义：生态链是一些在地域分布上和发生上有生态联系的生态段的有规律的组合，每一个生态链都有自己的一系列相互更替并有物质与能量联系的生态段。

（3）地域等级

①景观定义：指一定区域内由地形、地貌、土壤、水体、植物和动物等所构成的综合体，区别于风景、景色。

②生态地带定义：生态地带是在标准立地上发育与大气候的水、热条件相适应的生物群落及生态系统的总和，它具有随大气候条件的变化而呈带状分布的特点。

七．生态结构与生态功能相互作用的原理

1.生态结构

（1）生态结构定义：生态结构是生态系统各组成部分的组织形态及各组成部分之间的相互联系、相互作用方式，或生态系统各生态元的分布格局及各生态元之间的相互作用方式。

（2）生态系统结构的分类

生态元一生态段一生态链一景观一地带一带一生物圈通过能流、物流、物种流和信息流组成了一级比一级高的等级结构。等级越高其联系越差，结合力越弱。可以分为：生态系统的垂直结构、生态系统的水平结构、时间结构、信息反馈结构。

①垂直结构：生态系统在垂直方向上组成物质形态不同、性质各异但又互相联系的“千层饼”构型，如生态系统中的乔木层、灌木层、草本层及地下层。

②水平结构：生态系统在水平方向上的分布格局以及各部分之间的相互关系，组成了水平结构。生态系统是分等级的，因此水平结构也具有等级性。等级越高，结构越复杂

③信息反馈结构：信息反馈结构是生态系统各种反馈环的组成和各反馈环之间的相互联系性质，如林、草、田复合生态系统因果反馈的结构图即反映了系统中各要素之间的信息往复联系。

④时间结构：在时间轴上生态系统随时间的节律变化（生态系统中大部分生物成员的活动表现出昼夜的周期性）而构成的一系列状态的组合，如萌发、出叶、开花、结果、成熟、落叶等。这种时间结构是生物与周围环境节律相匹配的结果，只有时间结构配置好，才能充分利用光、热、水、气、土等资源。

（1）生态功能定义

指有特定生态结构的生态系统通过生态流在与内部及外部相互联系中表现出来的作用。其主要功能是生产功能与保护功能。生产功能是生态系统的生产者通过光合作用，将从土壤和空气中吸收的养分、水分和CO2制造成有机物的功能。保护功能是生态系统在生产过程中发挥自我施肥、自我调节、自我稳定机制的作用，保持生态系统健康发展的功能。

（2）生态功能的分类

生态功能可以分为生态系统的供给功能、生态系统的处置功能、生态系统的抵制功能以及生态系统的保存功能。

①生态系统的供给功能是生态系统从周围环境获取物质、能量、信息和物种供给系统运转，保持系统稳定状态最低需要的能力。

②生态系统的处置功能是将供给功能输入的物质、能量、信息加以处理，或将它们转移，或将它们排除。

③生态系统的抵制功能是防止物质、能量、信息和物种，从周围环境进人系统内部，以保持系统不超过它的最大忍耐限度。生态系统的抵制功能，是从选择和调节两个方面起作用的，当污染及有毒物质等进入系统太多时，为了保持给定水平的保护力，它通过抵制功能控制它的周围环境。

④生态系统的保存功能是把从周围环境输入到系统内部的物质、能量、信息和物种存储在系统内部的能力。如果一个生态系统不能存储从外界进入的物质、能量、信息及物种，只是稍一过境，便很快失去，这就称为流失。

（3）四种损伤类型

①进料不足：系统作为汇从环境中获得的输入太少，它不能从周围环境得到更多的物质和能量，不能保证稳定状态的最低需要，也就不能在给定水平上保持其本身的保护力。

②阻塞：系统作为实际的源对其周围环境输出的太少，它的无用能及废物不能及时地排出去而呈滞留状态，系统会因超过它的最大忍受力而遭到损伤。

③进料过多：系统作为潜在的“汇”，从周围环境得到太多的能量和物质，尤其是从“源”中得来的污染物或废弃物太多、或水分太多如暴雨等，造成滞留状态，系统也因超过其最大的忍耐力而受到损伤。

④泄漏：系统作为潜在的源，因对周围环境输出过多的能量和物质致使系统满足不了其最小需求的能力，系统也会受到损伤。

3.结构与功能的关系

生态系统的结构与功能是紧密联系、密不可分的。结构是功能的基础，没有一定的结构，功能就无法得到实现，因此结构决定功能，没有良好的结构，难以完成健全的功能。但生态功能是生态结构在生态流作用下，在与内外相互联系中所表现出来的能力，可以说功能是结构的表现。人们认识生态结构，为的是充分利用其功能，为人类生产更多的物质财富，又不破坏生物圈的组织原则；人们根据自然界自组织原理调整结构，为的是改善系统功能，使其对人类社会和自然界都有益处；人们按自然规律建造新的生态结构，为的是获得新的功能，使系统向更加完善的方向发展。

八.生产功能与保护功能耦合的原理

一个生态系统既要生产，又要保护自身的稳定性和周围的环境，以便持久地利用自然，就必须将生产功能与保护功能结合起来。

九.物质循环，能量分级，多层利用

物质在生物圈中循环往复，始终处于循环利用之中，充分利用；能量在生物圈中多次转化，合理流通，使得生物圈的资源虽然有限，但不发生资源危机；能量虽然主要是来自太阳能，但利用起来最为合理。

十．仿生原理

（1）仿生定义：仿生主要是模仿自然界中生物与生物之间的关系行为。在生态工程中，仿生物行为能改善状态不佳的生态系统的结构，完善其功能，使其以最小的物质能量消耗，维系系统的可持续发展和较高的物质产出，创建与自然相和谐的生态系统。

（2）仿植物的相生相克行为

相生相克现象是一种植物通过向环境释放化学物质，影响周围其他植物的现象。释放的大部分克生化合物都对他种植物起作用，克生化合物具有选择性、专一性的特点。它可通过抑制细胞分裂或伸长，引起根细胞膜去极化，使阴离子、阳离子的透性增加，改变植物体内水分状况，改变激素水平或影响激素平衡等状况。

（3）仿动物的利他行为

所谓利他行为是指那些靠牺牲自身生存和生殖而增加其他个体生存机会和生殖成功率的现象。利他行为主要有三种表现形式：第一“亲缘利他”，即有血缘关系的生物个体为自己的亲属提供帮助或作出牺牲。第二“互惠利他”即没有血缘关系的个体为了回报而相互提供帮助。第三“纯粹利他”，即利他者不追求任何针对其个体的客观回报。

十一.系统工程学理论

1.系统的定义：系统是两个或两个以上相互联系、相互以来、相互制约、相互作用的元素组成，具有特定功能、想特定目标运动发展的有机整体。

2.系统原则（系统本身具有特点）：1）系统的整体原则：整体大于部分之和；2）相关性原则：研究要素与要素、要素与系统、系统与环境之间相互关系；3）系统的自组织、自设计原则；4）系统的方向性原则：系统通过反馈、适应环境、保持稳态，从而达到其活动的方向性、目的性、有序性；5）系统优化原则：通过系统的自组织、自调节，是系统在一定环境下达到最接的结构、发挥最好的功能。

3.系统工程方法：系统工程具有时间维、逻辑维和知识维。

十二.生态位定义

生态位是指一个种群在生态系统中，在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用.每一个物种在生态系统中都有自己特定的功能和营养位置。

十三.混沌

1.混沌定义

混沌不是纯粹的无序、混乱、模糊，而是具有确定性的非线性系统。

2.自然界物质运动三种形式：1) 严格确定性的运动；2) 彻底随机混乱的运动；3) 就是介于这两者之间的混沌运动，被严格限制在稳定范围之内的混乱运动。

3.混沌现象的基本特点：1）具有不可预言性；2）对初始条件的极端敏感依赖性。

十四.普利高津耗散结构理论

远离平衡态的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在外界的条件变化达到一定的阈值时，能从原来的无序状态转变为在时间上、空间上的有序状态.成为耗散结构的四个条件：开放性、非平衡性、非线性和随机性。

十五.生态学系统理论

限制性因子原理：生物的生存和繁殖依赖于各种生态因子的综合作用，但是其中必有一种和少数几种因子是影响生物生存和繁殖的关键性因子，这些关键性因子就是所谓的限制因子。

最小因子定律、耐受性定律：任何一种生态因子只要接近或超过生物的耐受范围它就会成为这种生物的限制因子。低于某种生物需要的最少量的任何特定因子，是决定该种生物生存和分布的根本因素。

2.生态系统的组成：生产者、消费者和分解者。

3.能量和养分的转移：食物链、食物网（生物多样性的安全性）。

4.生态系统特征总结

①生态系是生态学上的一个主要构造和功能单位，属于生态学研究的最高层次其次为群落、族群以及个体。②生态系具有自我调节的能力，生态系的构造越复杂，物种数目越多，自我调节能力亦越强，而物种组成的变化、环境因索的改变、信息系统的破坏常是导致生态系自我调节失效的3个主要原因。③生态系具有能量流动、物质循环以及信息传递3大功能，能量流动是单方向的，物质流动是循环式的，信息传递则包括了营养信息、化学信息和行为信息，而由这些信息构成了信息网。④生态系中营养阶层的数目受限于生产者所固定的最大能值和这些能量在流动过程中的巨大损失。⑤生态系是一个动态的系统，要经历从简单到复杂、从不成熟到成熟的发育过程。

第三章生态工程的设计

一．生态工程的设计原则

答：(1)尽可能维持块区(patch)的完整；（2）必要时设置块区屏障；(3)加强边界生态结构的多样性；(4)边界尽可能设计为指状交合形式；(5)建立有效的生态廊道。

二．生态工程设计的目标——系统的持续性

1.系统持续性定义

生态系统的持续性：某一生态系统可以持久无限的维持或支持下去的能力。生态工程的作用就是对生态系统加以调控向可持续发展方向转化。

2.生态系统可持续性的测度框架

生态系统的可持续能力由生态整合性、自维持活力、自调节力和自组织力所构成的一个四维能力体系。

三．生态工程的技术体系

1.生态分析技术

（1）生态调查

生态调查主要是对某一生态系统环境或区域内生态环境状况及社会经济状况的调查。环境应该包括非生物环境和生物环境两个部分。生态调查的具体内容包括：①气候资源；②水文资源；③土地资源；④生物资源；⑤社会经济资源。

（2）系统诊断

在生态调查的基础上，对生态系统进行系统诊断，系统诊断也是生态工程规划与设计的基础性工作，包括：①摸清环境系统所包含的资源数量、质量及其时空分布特性，做出定性和定量的分析和评价，确定资源的开发利用价值和合理利用限度；②分析环境对系统的限制、约束的因素和程度，预测环境的发展变化；③找出造成系统现实状态、功能和理想状态、功能之间差距及其原因，提出要解决的关键问题和问题的范围，初步提出系统的发展方向和目标。

2.模型与数据库技术

（1）模型的作用

描述和预测生态系统的行为。通过模型的运算，评价所选择的分析手段与数据集是否合适，然后借助系统的关联分析和状态分析，通过模型的仿真分析，找出关键组分和关键因子。结合评价系统分析和系统的正负反馈机制，进行综合分析。

（2）模型的分类：

模型包括：概念（文字）模型、物理模型、数学模型、分室模型、能量模型和计算机模拟模型。

①概念模型是建立数学模型和计算机编程的起点；②物理模型可将本来纷繁复杂的生态系统结构简化；③能量模型将所有物质形态包含的能量标准化，将热值、电能、化学能等形式的能量均转换为太阳能，并提出了统一的能量符号——能值，在区域生态经济工程规划设计、生态示范区、可持续的发展评价上应用广泛；④数学模型具有真实性、精确性和普适性，但不易同时满足；⑤分室模型通常用来代表营养物质或者能量的储存库，是分室内多种种群及其复杂生态过程的外在体现和简化，因此通过分室模型将生态系统组分之间的关系大大简化，便于对它进行计算分析和人为的调控，通过参数的估算为系统设计提供参考依据。

四.生态工程的设计内容

生态工程的设计基本包括：生物种群的选择、生物群落结构设计、人工环境设计、节律匹配设计、人工食物链设计和加工链设计六个部分。

（1）生物种群的设计

生物种群是生态系统的重要组成之一，是建设、调控、改造、治理生态系统的基本材料。选择适宜的生物种群是建立高效人工生态系统的关键。

①物种群选择的依据：第一，工程实施对象（或地区）的自然环境特征；第二，要根据当地的社会经济环境条件；第三，要考虑市场对该种生物种群经济产品的需求情况；第四，要考虑当地人民的风俗习惯；第五，要考虑生物种群的经济效益和生态效益。

②物种群选择的内容

一般包括：生物种群的调查、收集、引进，适应性培植（养殖）实验，比较选择三个部分。

（2）生物群落结构设计

①设计内容：种群组成数量计算设计、群落的平面布局设计、生物群落的垂直设计。

②设计的基本原理：生物群落设计的基本原理，是根据生态学的生态位原理、生物之间共生互生原理、景观布局原理、生物群落对环境保护和改造功能来考虑。

③生物群落设计过程包括：植物与植被、植物与动物、动物与动物。

（3）人工环境设计

人工环境包括：水环境、土壤环境、光热环境、大气和微生物环境等。人工环境设计的目的是要解决人工生物群落生长发育的适宜条件，保证人工生态系统建设的成功。

（4）节律匹配设计

节律匹配设计是在生物机能节律的基础上，设计组成生物群落的生物种群机能节律配合，形成人工生态系统的人工生物群落的机能节律，然后再与工程所在区域环境的时间节律进行选择和匹配，构成人工生态系统机能节律与环境时间节律的最佳配置。在设计过程中，不

（5）人工食物链设计

包括：食物链的“加环”设计（生产环、增益环、减耗环、复合环）、食物链的“解链”设计、“加工环”的设计等三个大的范畴。食物链加工环的设计是根据营养级原理，以资源类型和数量选定加环食物链的种群类型和种群数量。

①食物链生产环的设计

是生态工程中重要的工艺过程。是利用人类不能直接利用或利用价值不高的生物产品为资源，通过加入一个新的生物种群进行物质、能量的再转化过程。

②食物链增益环的设计

食物链的增益环主要是针对人类生产、生活过程中产生的废弃物来讲的。废物中仍然含有一定数量的营养物质和能量，属于资源，根据这些资源的特征选定适应的生物种群，通过种群对它们进行转化和物质能量的富集。产品可供给食物链的生产环，作为补充资源，增加生产效益。

③食物链减耗环的设计

人工生态系统的生物生产过程中由于一些有害虫、兽会造成生物产量损失，甚至会生态系统的崩溃。这些有害的生物种群称为食物链的耗损环。利用生物措施进行害虫害兽的防治，抑制耗损环的生物种群称为食物链的减耗环。

减耗环的设计包括：（a）查清当地主要生产型生物种群的对抗性生物类群（耗损环），并研究解析这些对抗性种群的发生发展规律；（b）选择对耗损环生物种群具有拮抗、捕食、寄生等作用，但对其他生物种群无害的生物种群；（c）建立耗损环生物种群的保护、放养与人工繁殖的工艺技术体系；（d）根据耗损环的种群数量与发生规律，来确定减耗环生物种群的数量配比。

④食物链的解环设计

利用食物链的解链技术，使有害物质降解或脱离与人类相联系的食物链。

食物链的解链设计一般包括：(a)在生态工程设计过程中，把生态工程的产品改变用途，使它们脱离与人类食物相连的食物链，切断污染物进入人体途径；（b）改变生态工程人工种群的类型，使它们的产品不可进入人体；（c）加入一个或几个生物种群，使那些对人类有害的物质降解，或者对有害的物质不吸收、不富集。

食物链的解链重要的是选择最佳的解链部位和方法：则什么时间、哪个环节解链损失最小，怎样做到既达到了解链的目的又可以增加收益。

⑤食物链的复合环选择与设计

自然界中有一种生物，不但可以作生态工程的减耗环，同时它又是人类所需要的经济产品，称为复合环。如稻田养鱼，杂草为饵料，鱼粪为肥料。

⑥加工链的设计

生态工程产品的加工，是提高工程效益的有效途径。这种加工链与食物链有极其相似的意义。加工链的设计与生产环的设计基本相同，只是加入的食物链种群不是一般的生物，而是以人类这个特殊的生物种群来替代。

五.生态工程的分类

（1）以产业类型划分：农业生态工程、种植业的生态工程、林业生态工程、畜牧与水产养殖生态工程、污染生态工程、农村庭院生态工程、城市生态工程。

（2）以区域类型划分：山地生态工程、水体生态工程、湿地生态工程、滩涂生态工程、草原生态工程、盐碱地生态工程、沙漠生态工程、过渡地带生态工程、环境脆弱地带生态工程等。

（3）可再生能源问题

可再生能源包括：水能利用工程、生物能利用工程、太阳能利用工程、风能利用工程、潮汐能利用工程、地热能利用工程等。我国可再生能源的基本潜力包括：水能、生物能、太阳能、风能、地热能、潮汐能。

六.生态工程的设计方法

生态工程的设计方法包括：斑块潜力评价、适宜性评价、稳定性分析、生态演替促进法、外来种的引进与控制方法、生态恢复方法、结构调整的方法、功能完善的方法以及物质循环与能量转化的调整方法。

1.斑块潜力评价

（1）斑块定义和评价标准

斑块是指不同于周围背景的、相对均质的非线性区域。斑块尺度的生态设计应根据各斑块类型的潜力评价，寻求自然原型中的适宜部分。评价标准：生态系统的基本功能是否令人满意。

（2）土地潜力评价方法

根据坡度、地形、地面组成物质、土壤的物理性质和肥力、气候和径流、土地侵蚀方式和程度、土地利用现状等一系列指标来衡量，每一指标根据适宜性而分成若干等级，每一等级给予一定分数，根据各项指标的总积分，可评定土地的潜力等级。分为7个等级：1级──最适于农作物生长,在利用上很少或没有自然局限性；2级──较适于农作物生长，土地在作物选择范围和阻碍耕作方面，局限性很小；3级──在作物选择范围和要求细致管理上,有中等程度的局限性;4级──在作物选择范围和要求细致管理上,有严重的局限性；5级──利用范围限于放牧、林业或旅游业;6级──利用范围限于粗放的放牧、林业或旅游业；7级──土地的局限性非常严重,很难整治。

（3）系统动力学方法在区域尺度生态工程设计

①因果关系分析；②设计流图和程序：选择评价系统功能的指标；积累变量的选择；非积累变量的选择；流图的构建；程序设计；结果讨论。

2.适宜性评价

（1）土地适宜性评价：评价土地对特定利用类型的适宜程度的过程。通过分析某块土地对特定的土地利用放肆是否适宜或适宜程度，从而作出适宜登记的评定。

（2）《土地评价纲要》

《土地评价纲要》的评价系统分为纲、级、亚级、单元四个层次。

①土地适宜纲：表示土地对所考虑的特定利用方式评价为适宜或不适宜。经济原因居多，土地的适宜或不适宜即以这些原则划分。“S 纲”表明土地质量能充分或基本满足某种特定用途的需要，该用途产生的效益足以抵偿投入的消耗，而且没有破坏土地资源的危险性。“N 纲”表明土地质量不能满足某用途的需要，如土地质量太差、经济效益过低或该用途会引起严重的环境恶化等。

在不适宜纲内通常分为两级：当前不适宜类（N1）和永久不适宜类(N2)。当前不适宜类（N1）：当前技术和现行成本下不宜加以利用。永久不适宜类 (N2)：一般条件下根本不可能利用。

②土地适宜级反映适宜性的程度，可按照纲内适宜性程度递减的顺序用连续的阿拉伯数字表示。一般分三级：S1、S2、S3。S1级是高度适宜；S2级是中等适宜；S3级是临界（勉强）适宜。

③土地适宜亚级反映土地限制性类别的差异，亚级用小写字母附在适宜级符号之后的方法来表示，如S2m 。S1级无适宜亚级。

④土地适宜单元是适宜亚级的续分，亚级内所有的单元具有同样程度的适宜性和相似的限制性。单元与单元之间的生产特点、经营条件和管理要求的细节方面都有差别。适宜单元的划分对于农场一级的土地规划很有意义。适宜单元用阿拉伯数字表示，置于适宜亚级之后，如S2e-1、S2e-2。

3.稳定性分析

稳定性是指系统对于干扰有较强的缓冲能力，在干扰发生时，系统的保存功能不被破坏，系统输出保持基本恒定。

（1）指标选取及指标体系的建立

分为自然因素指标和人为因素指标，人为因素是人类对生态系统的利用水平，用生物量表示；自然因素是自然过程对系统稳定性的影响。评价指标：地形地貌、生物量、土壤退化。为反映各指标及其所含因子对生态系统稳定性的贡献大小与隶属程度，用指标的权重系数和因子的稳定隶属度来表示。指标权重采用特尔非法确定，地形和地貌（C 1）、人类对生态系统的利用水平（C 2）、沙碱化程度（C 3）三项指标的权重值W 1、W 2、W 3分别为0.264、0.396和0.340。

（2）景观稳定性分析

以生态建设为目的景观稳定性评价，应包括三个主要部分：斑块的稳定性分析、干扰在景观中传播能力分析和景观整体的稳定性分析。

1）斑块的稳定性评价

斑块的稳定性评价指标为斑块生物量物种多度：①生物具有很强的恢复能力，在严重干扰发生、种群密度降至低水平时，多数物种具有更强的繁殖和扩散能力。②植物是固定太阳能、保证景观具有开放性和耗散结构的核心，同时也是景观中物质交换的重要载体。③生物反馈的不稳定性导致的种群区隔离，增加了景观异质性，从而减少了干扰的传播。

2）斑块变动临界值分析（干扰在景观中的传播能力）

在干扰传播过程中，总会遇到稳定斑块和不稳定斑块。不稳定斑块对干扰抗性小，易于干扰干扰传播；稳定斑块对于干扰抗性大，不利于干扰的传播，因此具有一定传播能力的干扰能否经过由不稳定斑块和稳定斑块组成的镶嵌结构A 而达到不稳定的B 斑块，是判断B 斑块是否发生变动的依据。

3）斑块对景观稳定性的影响（A ：不稳定斑块的面积比；B ：不稳定斑块的离散系数；C ：不稳定斑块的均匀度；D ：不稳定斑块的形状系数；E ：不稳定斑块综合影响系数）

①景观中不稳定斑块的面积比:景观的不稳定斑块的面积比越大，景观就越不稳定。

②不稳定斑块的离散系数：指不稳定斑块在景观中的分布状态。离散系数小时，表明不稳定斑块相互分离，该情形下景观较为稳定；反之，当离散系数较大时，景观不稳定。

③景观中不稳定斑块均匀度 ：不稳定斑块均匀度指不稳定斑块在面积上是否均匀。一般情况下，不稳定斑块在面积上越均匀，即Q 值越小，对景观整体稳定性影响越小。

④景观中不稳定斑块的形状系数 ：不稳定斑块的形状系数用来表明不稳定斑块与基质接触的程度。形状系数越高，景观越不稳定。 ⑤景观中不稳定斑块综合影响系数：

4.生态演替促进法 生态演替包括物种的更替，动物、植物和微生物数量及质量的变化，还括土壤和周围环境的一系列改变。

（1）生态演替的原理

①演替是植物群落受到干扰后的恢复过程或原生裸地植被形成和发展的过程。

②在未被干扰得自然景观，植物群落总会向该地带稳定性大的方向发展，即从结构简单向结构复杂的方向发展，这就是进展演替或正向演替。反之，受到干扰后，原来稳定性较大、结构较复杂的植物群落消失，取而代之的是结构简单、稳定性较小的植物群落，或失去植被保护的裸地，这就是逆向演替。无论是正向演替还是逆向演替，演替过程中状态的依次变化称其为演替序列。

③演替是一个漫长的过程，但演替并不是无休止、永恒延续的过程，当群落演替到与环境的物质交换处于平衡状态时，演替就不再进行，即以相对稳定的群落为发展顶极。据此，一般称演替初期为先锋期，演替中期为发展期，最后的稳定状态为平衡期即顶极群落。处于顶极群落的生态系统结构最复杂，抗干扰能力最强，具有相对多的物种和相对高的生产力，是人类可仿效的生态系统。

（2）仿效演替过程

人类可以仿效生态系统的演替过程对被破坏的景观进行恢复和重建。

（3）促进演替过程

生态演替的主要原因是生物之间及生物与环境之间关系的变化，要促进正向的生态演替，就必须改变植物的种类和数量、水分条件、土壤状况及人类活动的强度。

1)处于逆向演替阶段生态系统的恢复

对于处在逆向演替阶段的生态系统的恢复应根据地带性规律、生态演替及生态位原理选择适宜的先锋植物，构建种群和生态系统，实施生物与生境同步恢复的策略，逐步将生态系统恢复到与大气候和地貌条件相协调的水平。

基本步骤如下：（a ）调整社会经济结构，减少人为干扰；（b ）协调生态系统和周围环境的关系，促进正向演替；（c ）引进植物，建立稳定的生态系统；

2)处于正向演替阶段的生态系统的保护

具体保护措施：（a ）划分生态功能区;（b ）调整系统结构，在生态保护系统安全的条件下发展生产;（c ）建立生态系统网络监测体系。

5.外来种的引进与控制方法

Z Q R D H 036.0107.0107.0750.0+++=

①种源选择和选种育种：引进时要对不同种源做对比试验，以获取最佳种源；②引进植物试验：引进外来种，必须通过试验，否则，可能会造成严重的生态问题。一般来说，物种引进之后要经过淘汰、测验和验证三个阶段；（3）引进植物的栽培：适宜的人工培育措施是引种最终成功的基本保证。（4）建立引种技术档案：物种引种驯化是一项长期、复杂的科学试验，需从引种之初就建立技术档案，长期积累资料以作为分析引种成败和推广成果的科学依据。

6.生态恢复方法

（1）生态恢复的定义

生态恢复是根据生态学、经济学和社会学等学科的相关理论，采用系统工程方法和生态工程技术，消除退化生态系统的各种限制因子，恢复和重建其合理的结构，使退化生态系统恢复到原有或正常状态，发挥正常的生态功能。

（2）与生态恢复相关的概念

①保护：即去除干扰使生态系统演替至原有的状态；②改良：即改良立地的条件以使原有的生物生存，一般指退化景观向好的方向转化过程中人类对其采取的措施；③改进：即对原有的受损系统进行结构调整，以提高其某方面的功能；④修补：即修复部分受损的结构；⑤更新：指生态系统发育及更替；⑥再植：即恢复生态系统的部分结构和功能，或恢复先前的土地利用方式。与自然条件下发生的次生演替不同，生态系统强调的人类的主动作用。

（3）生态恢复的目标

地表基底稳定性的恢复；提高退化土地的生产力；减少或控制环境污染；增加视觉和美学享受。

（4）生态系统恢复的原则

一般包括自然法则、社会经济技术原则和美学原则。自然法则是生态恢复与重建的基本原则，也就是说，只有遵循自然规律进行恢复和重建，才是真正意义上的恢复，否则只能是背道而驰，事倍功半；社会经济技术条件是生态恢复重建的后盾和支柱，在一定尺度上制约着恢复的可能性、水平与深度；美学原则是生态恢复与重建的行为准则，即生态系统的恢复与重建应给人美的享受。

（5）一般生态系统的恢复技术包括：（1）非生物或环境要素：包括土壤、水体、大气质量的恢复技术；（2）生物要素：包括物种、种群和群落的恢复技术；（3）生态系统：包括结构与功能的总体规划、设计与组装技术。

7.结构调整的方法

（1）结构失稳

当外界所施加的压力超过生态体自身调节能力和补偿能力时，将造成生态系统结构破坏、功能受阻以及反馈自控能力下降，这种状态称为结构失稳。

①垂直结构失稳

生态系统垂直结构失稳的表现在物种的缺失和组成成分的不完善。

②水平结构失稳

水平结构的失稳主要表现在水平方向上植物群落和景观单元的均质变化。

③营养结构失稳

生态系统各组分通过食物链，把生产者、消费者和分解者联系起来，食物链相互交错，形成食物网，即构成了生态系统的营养结构。营养结构的失稳主要表现在整个系统内个别物种的灭绝，食物链的断裂。

（2）结构调整的方法

自然调整：生态系统的自然调控机制是从自然生态系统自我进化生成的生物与生物、生物与环境之间的反馈调控、多元重复补偿的稳态调控。人工调整：对被破坏的生态系统实施人工设计，以人为主导，在人与自然共同创造原则的指导下，对结构进行修补和完善，以达到修复生态系统的目的。

①垂直结构调整的方法：生境调节；输入输出调节；系统生物调节；系统结构调节。

②营养结构调节：食物链、网调节，食物链设计。

③水平结构调节：生态系统的生物调节；群落水平的调节。

8.功能完善的方法

基本功能包括：供给功能、处置功能、抵制功能和保存功能。

（1）生态系统功能缺损的诊断

①供给功能缺损的诊断：供给功能缺损，一是表现为进料不足，则系统的生产和建造就被迫降低消耗或消耗殆尽；二是表现为进料过剩，输入的超过正常系统运转的需求，在系统的生产和建造会因为累积或负担过重而被迫停止。

②处置功能缺损的诊断：处置功能是将周围环境输入的物质、能量、信息和物中加以处理、转移或排除的能力。处置功能的缺损主要表现在系统阻塞。

③抵制功能缺损的诊断：生态系统的抵制功能是防止物质、能量、信息和物种从周围环境进入系统内部超过其最大忍耐限度的能力。从选择和调节两个方面起作用，当有毒成分欲进入系统时，系统会抵制其进入。抵制功能的缺损表现为系统对输入的物质失去选择与调控能力。

④保存功能缺损的诊断：生态系统的保存功能是把环境输入到系统内部的物质、能量、信息和物种流保存到系统内部的功能。功能缺损主要表现在物质和能量的泄漏。

（2）生态功能完善的方法

①供给功能完善的方法：供给功能补救措施包括增加直接和间接供给。直接供给：按照系统的供给需求差额，向系统输入缺损的能量、物质、信息和物种。间接供给：通过“二传手”的方式向系统补充其所缺失的能量、物质、信息和物种。（2）保存功能完善的方法：补救措施就是增强保存能力。（3）处置功能完善的方法：补救措施就是增强系统的疏导能力。一是在系统中增加新的疏通渠道；二是增加系统中新的组分，替代原先失灵的组分。（4）抵制功能完善的方法：补救措施就是增强系统的抵抗力。抵抗力的增强措施有：一是提高系统自身抗干扰的能力；二是为系统设置屏障，减少干扰入侵的几率。

9.物质循环与能量转化的调整方法

（1）生态系统中能量流渠道及过程

①能量的赋存方式：a辐射能；b化学能；c机械能；d电能；e生物能。

②能量转化遵循的定律：能量的流动遵循热力学第一和第二定律。第一定律：能量守恒定律；第二定律:衰变定律或能量散逸定律，指能量在转化过程中存在的衰变、散逸现象，即能量在传递过程中，总有一部分能量从浓缩的有效形态变为可稀释的不能利用的形态。

③能量流动的渠道：食物链、食物网是能量流动的主要渠道。

（2）生态系统中重要的物质循环：水循环；碳循环；氮循环；磷循环；硫循环。

（3）物流和能流调控的基本方法

②生态系统的复合调控：生态系统的复合调控分为两个层次： a 以自然调控为主，社会调控为辅；b 以社会调控为主，自然调控为辅，通过仿自然原型，人工建造符合自然规律，按自然过程运行的仿自然生态系统，以使各种流的流通渠道畅通，系统可持续发展。

第四章湿地生态工程理论与方法

一．湿地生态系统

1.湿地概念

湿地指不论其为天然或人工，长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带，为静止或流动，或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的水域。

2.湿地生态系统定义

湿地生态系统是指由湿生、沼生和水生植物、动物、微生物等生物因子以及太阳辐射、气候、水文、土壤等环境因子通过物质循环、能量流动和信息传递构成的一个独特的生态系统。

3.湿地生态系统特点

（1）组成形态特征：湿地以水的存在为特征；湿地的土壤与邻近的高地明显不同；湿地供养的植物适应湿生条件。（2）功能特征：高生产力；多样性生境类型和生物群落多样性；过渡性；脆弱性。

4.湿地分类

（1）按照Ramsar湿地分类系统的划分方法，将湿地分为海岸／海洋湿地、内陆湿地和人工湿地三大类，或者简单地将湿地划分为天然湿地和人工湿地两大类。

（2）中国湿地的主要类型包括：沼泽型组；浅水植物湿地型组；红树林湿地型组；盐沼型组；海草湿地型组。

5.湿地生态系统功能

（1）生态功能：保护生物和遗传多样性；蓄洪防旱，防止自然灾害；固定CO2、调节区域气候；降解污染物、净化水质；防浪固岸、保卫国土安全。

（2）社会经济功能：重要的水源地；提供丰富的动植物资；提供丰富的工业原料；提供能源和水运条件；景观与旅游；教育与科研价值。

6.湿地生态系统现存问题

（1）湿地面积萎缩；（2）生物多样性降低；（3）湿地污染。

二．湿地生态工程模式与关键技术

1.湿地恢复与重建的设计策略

（1）低位沼泽

指标体系：水位（水深，水温，谁周期），营养物质（N，P），植被（盖度，优势种）动物（珍稀及濒危动物），生物量。策略：恢复地下水位，减少营养物质输入，草皮迁移，割草及清除灌丛，恢复对富含钙，铁地下水的排泄。

（2）湖泊

指标体系：富营养化，溶解氧，水质，沉积物毒性，鱼体化学含量，外来物种。策略：增加湖泊的深度和广度，减少点源非点源污染，迁移富营养化沉积物，清除过多草类，生物调控

（3）河流、河缘湿地

指标：河水水质，浑浊度，鱼类毒性，沉积物，河漫滩及洪集平原。策略：疏浚河道，切断污染源，增加非点源污染净化带，防止侵蚀沉积，河漫滩地自然化

红树林湿地

（4）指标：溶解氧，生物量，碎屑，营养物质循环，潮汐波。策略：禁止矿物开采，严禁滥伐，控制不合理建设，减少废物堆积

2.湿地生态系统的修复技术

（1）针对湿地水体生态工程的关键技术

①化学方法：通过氧化- 还原作用及化学凝聚、吸附作用除去磷、重金属及难溶物质。但是该方法易造成二次污染；②物理方法：通过物理沉淀、过滤、吸附进一步除去可沉淀的固体、胶体、BOD5、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的有机物质,但不足之处是治标不治本；(3) 生物方法：通过微生物代谢、氧化作用、植物的吸收及细菌的消化与反消化作用进一步除去BOD5、氮、磷、胶体和难溶有机物质及重金属。

（2）针对湿地底质的生态工程

①湿地的底质面临的主要问题：a.由于围垦、建造堤坝等，排干湿地水，造成湿地土壤肥力下降；b.水质污染导致土壤污染；c.潮汐盐沼的水盐条件受到极大影响，导致盐沼湿地面积减小；d.由于海平面上升、大型水利工程的影响，流域来水减少，导致河口湿地退化。

②恢复湿地基质的主要措施:第一，在土壤里加入修复剂，转化驱除污染物；第二，利用某些具有超积累功能的植物吸收一些重金属污染物；第三，在缺乏土壤覆盖的地区，采取客土移植。在初步改善的基础上适当引种植物，通过植物的新陈代谢，增加土壤肥力；第四，增加支流数目，恢复水文状况，进而恢复湿地基质状况。

（3）针对湿地生物的生态工程

①海的盐沼湿地，抬升沉积层是恢愎湿地植被的关键。植被恢复一般在潮间带上部,受到高能潮汐影响较少的地方。在泥沙来源稳定的前提下引入先锋物种。②先锋物种的选择。在退化严重的湿地生态系统,先锋植物能够有效保持和改良人工固定的土壤,一般应选择根系发达,生长迅速的一年生草本物种,以更快改善土壤结构和养分自给能力。③恢复本地物种与引入外源种。在植被恢复时,尽量使用当地物种。当地物种长期与环境协同进化,据有较高的适应性。有时为了增加系统生物多样性,也采取适当引入外源种。

3.湿地生态工程应该注意的问题

（1）确定合理的工程目标；（2）注重生态监测；（3）避免频繁干扰；（4）湿地生态工程应坚持生物措施与土石工程措施并用的原则；（5）湿地生态工程应考虑社会和经济问题。

三、人工湿地

1.人工湿地定义

人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，类似自然沼泽地，但由人工建造和监督控制，是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基质，并有选择性地植入植物的污水处理生态系统。它是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水处理技术；是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统。

2.人工湿地的分类

①根据植物的存在状态，人工湿地主要分为三种类型：浮水植物系统、沉水植物系统、挺水植物系统。②根据水的流动状态，该系统分为如下类型：自由水面系统（FWS），又称表面流湿地；潜流系统（SFS），又称潜流湿地。潜流湿地又分为水平流潜流系统（HFS）和垂

3.人工湿地的组成

绝大多数人工湿地由五部分构成：①基质，具有透水性，如土壤、砂、砾石；②水体（在基质表面上或下流动的水）；③植物，适于在饱和水和厌氧基质中生长，如芦苇；④无脊椎或脊椎动物；⑤好氧或厌氧微生物种群。

4.人工湿地的优缺点

（1）优点：①建造和运行费用便宜；②易于维护，技术含量低；③可进行有效、可靠的污水处理；④对缓冲水力和污染负荷的冲击；⑤产生直接或间接经济效益。

（2）缺点：①占地面积大；②设计、运行参数不精确；③生物和水力复杂性对重要工艺动力学理解的缺乏；④易受病虫害影响；⑤达到最佳效率需要2-3个生长期。

5.人工湿地净化废水的机理

生活在土壤中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物的能力。大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。

（1）悬浮物去除

悬浮物主要通过过滤、沉淀作用从水中去除。沉淀源于水流缓慢，起到良好的沉淀池作用。过滤源于土壤介质和植物根系形成大量生物膜。湿地对悬浮物的去除非常有效，悬浮固体出水值一般低于10mg/L。为防止在进水口附近发生堵塞，进水前必须设置预处理以降低总固体浓度，一般设置沉淀池即可。

（2）有机物的去除

污水中的溶解性有机物通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解而去除。微生物降解有机物又分为好氧降解和厌氧降解。

（3）氮、磷的去除

①人工湿地处理系统对氮的去除作用主要是植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。定期收割湿地中的植物是去除氮的重要步骤之一。基质的吸附占次要作用。40%-50%。

②人工湿地系统中对P的去除主要通过下面三个方面：植物的吸收作用无机磷；聚磷菌的过量摄P作用；基质的物理化合作用，最主要的是基中Fe ，Al 和Ca等金属离子与磷酸根形成沉淀。而植物吸收对P的去除效率影响不大。去除率30%-40%

③生态系统对营养元素的需求比例，碳、氮和磷的物质的量比为106：16：1，质量比为41：7：1。

（4）重金属去除、pH值

人工湿地对重金属也有很强的去除能力。金属离子去除机理主要有：植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。湿地pH值改变不大。

6.人工湿地的设计

（1）设计原则

①设计维护管理需求最少；②设计可利用自然能源的人工湿地；③设计符合当地景观环境的人工湿地；④确立人工湿地的主要目标；

⑤强调湿地与水资源的关联性；⑥设计人工湿地成为生态交错区；⑦给予人工湿地自然演替时间；⑧应兼具功能和景观；⑨不能有过多的人工设计。

（2）设计关键

①水力停留时间

潜流湿地水力停留时间达到２～４ｄ时，即发生强烈的反硝化脱氮作用。表面流湿地的总水力停留时间以４～８ｄ为佳。

②水传导

表面流湿地应用曼宁公式：

潜流湿地应用达西公式：

表面流湿坡度取0.5%或更小，潜流湿地取0.5%-1%

③孔隙度ε

孔隙度是根据实际经验加以估计的。表面流湿地密集植被区域设计采用的孔隙度为０.6５～０.75，开阔自由水域采用的孔隙度为１.02。潜流湿地为0.4.

⑤系统深度

潜流湿地系统深度理论上应该是植物根系能够到达的最深处。美国国家环保局根据多年工程经验，确定潜流湿地进水区域水深为４０ｃｍ，基质深度应比水深深１０ｃｍ，即系统总体深度为５０ｃｍ。

⑥处理单元长宽及其比例

ＢＯＤ和悬浮物的去除发生在进水区几米的区域，潜流湿地处理单元长度最小取１５ｍ为宜。人工湿地污水处理单元长宽比Ｒ在（１∶１）～（９０∶１）不等。研究表明，在３个长宽比分别为４∶１、１０∶１和３０∶１的平行潜流系统中，总悬浮物和ＢＯＤ的去除率没有太大的区别。

（3）表面流人工设计

①初步设计

②详细概念设计

a.中试试验：规模：面积一般不小于500平方；运行时间：至少要两年以上，经历各个季节；设计变量：水力负荷率、进水浓度、深度、植物密度等。

b.示范工程：中等规模，是未来大范因应用的典范示例，因此设计时尽量参考类似的工程。如果成功，设计就可以放大，获得和示范工程相同的处理效果。

③最终设计

a.长宽比和线速度

长宽比影响水流线速度，过大导致颗粒再悬浮；水头损失，理论上讲,高长宽比湿地的处理效果并不比低长宽比湿地好。小的长宽比导致水体短路。目前运行的表面流湿池水流线速度一般低于100m／d，可以有效获得TSS的去除。

b.分区

人工湿地处理系统应该至少有两个平行的处理单元，以便于间歇运行或维护。因为在湿地运行中可能存在植物死亡、预处理失效以及围堰或其他结构破坏等情况。费用也是确定湿地单元数量的影响因素。总面积一定，湿地单元数越多，围堰的面积越大，费用也就越高。如果设计两个湿地单元，应有一个闲置以便维护；如果设计五个单元，则应有20％的面积闲置。因此，选择单元数量应综合考虑。

c.围堰及防洪

外围堰需提供足够的缓冲以免水流外泄，外围堰的高度应至少85cm再加上20 cm的超高，围堰宽高比最小为2：l，如果考虑浅水或为某些生物提供栖息地．宽高比可达到10 ：l一20：1。另外，围堰顶面宽度需要考虑可能的用途，例如是人行还是车辆通行等，人行道可设计1m，车辆通行可设计3m。内围堰用于均匀布水。构筑围堰时需要考虑防渗问题。

d.动力抽水设备和进出水口控制结构

湿地进水装置还可用于调控流量，主要有重力流、压力流。重力流布水节省能量和运行维护费用，但需较大管径以减少水头损失；压力流出口流速较大，可能引起冲蚀和植物破坏。出水口装置的重要功能之一是控制湿地水位。表面流湿地水位需要控制在0-60cm之问。常见出水口形式：第一种为存在死区的单一出口，由于存在死区，水力停留时间缩短；第二种为多出口形式，可有效增加水力停留时间；第三种是在出水口侧设计一深水沟，水收集后经一出水堰出流。

e.植物和种植

浓密植物湿地较稀疏植物湿地的处理效果要好。选择湿地植物的标准是：生长性好、成活率高、种植和维护的费用低，对可变化水位适应性强的快速生长植物。典型的有芦苇、香蒲等。湿地植物最初的种植密度一般以l000—l0000株/ha宜，经过几年的植物再生，密度可能超过100000株／ha。

④例题：（不清楚的话可以看课件）

（4）潜流湿地设计

①初步确定湿地面积

第一步是收集资料，确定需要处理的水质、水量以及处理的程度。第二步计算湿地面积

②长宽比和水头损失

水力学特征。要求如下：水流通畅流过床体，无溢流或淹没；在可能的水力传导率变化范围内保持适当的运行；床体可泄水，通过进出口结构可调控系统内的水位；床体可承纳一定的淹没；通过进出水口调控，可控制系统内水位。假设出水水位控制在床深的90％处，最大落差为床深的10％．则设计约束条件如下。

③进、出木口设计以及床体设计

a.进水口同表面流基本相同，主要原则目的是均匀布水。一般进水先流经粗砾石填料区，其作用是强化在深度和宽度上的均匀布水。出水口一般用埋在出水端组砾石中的穿孔管集水，然后通过管道排出。出水管口高度可调，以调控床体水位。

b.潜流湿地要求表面平整，避免存在坡度；床体底面有坡度要求，通过调整出水口高度，可形成所需的潜流水力梯度。床深视植物的根系生长深度确定，一般30一60 cm，对于特定的低温和植物条件，有的床体深度可以达到1m。床体底面和侧面防水处理。进水为原水或一级处理出水，需要用助土或其他防水材料进行防水处理。如果为二级处理出水，一般不会造成地下水污染，因此不需要进行防水处理。

④例题：

某湿地设计污水处理能力为300m3／d，但初期处理量为150m3／d，水力停留时间4天，填料为砾石，粒径5mm，空隙度40％。选择湿地深度0.6m，出水口高度0.55m。计算所需湿地面积。

7.人工湿地处理系统

人工湿地污水处理系统由预处理单元和人工湿地单元组成。通过合理设计可将BOD5、SS、营养盐、原生动物、金属离子和其他物质处理达到二级和高级处理水平。预处理主要去除粗颗粒和降低有机负荷。构筑物包括双层沉淀池、化粪池、稳定塘或初沉池。人工湿地中的流态采用推流式、回流式、阶梯进水或综合式。

8.存在的问题及解决方案

（1）温度问题

①问题：温度影响包括: 低温时生物活性下降和植物的死亡；对于表面流和竖流湿地, 低温时表面会结冰，冰层覆盖不仅阻碍了大气的复氧过程, 使生化水平降低,而且冰层的存在减少了有效水深, 从而缩短了停留时间, 进而对处理效果产生影响。

②解决方案：a.在工艺上可以采用潜流人工湿地: 在该工艺中覆盖表面的表层土以及植物的落叶可以起到一定的保温效果, 而且没有表面结冰问题, 因此受温度的影响较小。b.可以采用适当的保温措施。c.最后, 可以加强前处理单元, 以减轻湿地的处理负荷,这种方法可以适当降低温度对处理效果的影响。

（2）占地面积问题

①问题：大约是传统污水处理工艺的2～3倍左右。

②解决方案：首先, 选址时要考虑到环境、经济效益综合最优化和规模化的因素, 为了不占用宝贵的市区土地资源, 可将工程选址在市郊区域, 这样做还能减轻风沙等对市区的影响和破坏。另外, 可采用组合工艺, 以提高效率, 减少占地面积。

（3）出水污染物浓度回升问题

①问题：水生植物生长周期较短和补给水源水质等环境的变化会引起植株的衰竭和腐烂，腐烂的茎、叶容易消耗水体中的溶解氧使河床上升、底泥增多，其中释放出的有机物、氨氮等导致水体污染物回升，容易造成水体的二次污染。

②解决办法：及时收割调控，并将茎和叶移出水体，以便有效削减氮、磷。

（4）堵塞问题

①问题：湿地中部分营养物质会逐渐积累,湿地中的微生物也相应繁殖, 再加上植物的腐败, 若维护不当, 很容易产生淤积、阻塞现象。

②解决办法为: 选择适当的填料，最好是多孔、质轻、不易板结的材质, 采用合适的操作工艺, 可以通过一定的间歇进水来恢复湿地的渗透速率, 选择适当的植物密度并及时维护。

第五章水质自然净化生态工程方法

一.水体自然净化方法

（１）植生处理法

包括湿地（含植栽滤床）、水生植物处理、植物缓冲带、草沟和浮岛等。

（２）土地处理法

其应用又依散水形式的不同细分为两类。①灌溉处理：包括快渗、慢渗、地表漫流等。②地下渗滤：包括对掩埋式、开放式及循环式渗滤进行单体或多重应用等。

（３）接触氧化法包括砾间接触、填充滤材等。

二.土地处理法

土地处理有效控制污水于土壤表层，使其通过物理、化学、生物及吸附作用达到一定的污水净化效果。依其水力路径及土壤渗透力的不同，可分为慢速渗滤法、快速渗滤法、地表漫流法以及地下渗流。

污水净化效果。目的：①达到污水处理的目标；②利用污水进行作物的灌溉，并且经济有效地提供营养盐予作物；③利用污水灌溉相对减少灌溉水需求，达到水资源有效利用的目标；④开放空间及绿带的开发及保护。

2.快速渗滤

快速渗滤是将污水散布在高渗透性的土壤盆地中，通过土壤与污水的生物、化学与物理作用达到污水净化目的。达到目的：①地下水补注；②污水回收再利用或直接排放；③临近表面水体的水源补注；④季节性储存处理水于地下，并用于农业灌溉。

3.地表漫流

此技术将污水漫流过分级植草坡地。与慢速渗滤法明显不同的是，地表漫流的设计需有地表径流的必要条件，最后再于坡地的末端收集径流水。

4.地下渗流

把经前处理的污水，通过埋在底细的散水管，直接将污水导入土壤，系统靠过滤、沉淀、化学吸附及生物处理作用净化污水，其中生物处理作用最为重要。包括进水系统、砾石过滤系统和出水系统。常被用于单一住户或社区污水处理。

三.水质自然净化计划的执行

1.目标和指标：

一般以水质项目如ＢＯＤ为量化的指标，此外还可依不同目标而制定其净化指标.

2.基本调查

主要包括：生活污水自然净化设施、河流直接净化设施。

3.水质自然净化技术的选定

（１）自然净化技术

①生活污水自然净化设施

最重要的评估因子有污染负荷及水力负荷，其次为投资及操作成本。还有现场因子如场址坡度、土壤性质、收集方式等。

②河流直接净化设施

河流直接净化技术的净化原理、净化功能、净化对象及净化特性等，应充分考虑以选择适当技术。

（２）污染去除率

（３）河流水质特性的关系

4.自然净化设施

包括取水设施、拦污设施、沉淀设施、导水分水设施、放流设施、管理设施。

第六章土地复垦与生态重建

一.土地复垦的定义

1.美国：将已采完矿的土地恢复成管理当局批准使用的采后土地的各种活动。

2.英国：将破坏的土地恢复或重建至有益的用途，并使其生物能力得到恢复。最终的复垦土地利用方式应满足当地的需要并与附近其它土地利用方式相适应。

3.前苏联：土地复垦是指恢复破坏土地的生产能力和改善生态环境条件等各项工作的总和。

4.中国：对在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。

5.土地复垦的目的：再生利用土地、恢复生态平衡，使生产建设得到生存和可持续发展。

二.土地复垦的扩展

1.土地复垦研究对象的扩展：从过去的各种因挖损、塌陷、压占破坏的土地，扩展为各种人为活动和自然灾害损毁的土地。

2.土地复垦目标的扩展：从过去恢复到“可供利用状态”并侧重复垦为耕地，扩展为恢复土地期望的利用价值和保护生态环境.

3.土地复垦内涵的扩展：从过去偏重土地整治工程，扩展为土地整治的生物措施、复垦土地的景观生态恢复、土地生态系统的生物多样性、土地质量和土地生产效能与效益的恢复。

三.土地复垦的理论基础

1.限制因子理论：最小因子定律、耐性定律、生态幅和生物内稳态原理，N、P元素通常是限制性因子。

2.生态位理论：理想生态位和现实生态位，物种合理布局，加快植物回复；

3.食物链原理

4.结构合理、功能协调、共同进化原理。

5.三种效益协调统一原理。

四. 矿区土地复垦生态工程技术流程

五.矿区土地复垦生态工程技术体系

六.在国外，一般将矿区分为法律前和法律后，使恢复治理工作责任明确。对于法律颁布后出现的矿区生态环境破坏，一律实行“谁破坏”、“谁恢复”，且要求恢复率为100％。而对于法律前已破坏的废弃矿区则由国家通过筹集恢复（治理）基金的方式组织恢复治理。

第七章林业生态工程

一.造林绿化的内容

造林绿化是一个森林生态系统的恢复或人工重建，全部内容包括建造森林生物群落，恢复森林生态环境。人工建造的森林生态群落是极不完全的，人工林的森林环境对森林生物来讲具有很强的滞后现象。即可以建造近似的森林生物群落，但这些群落在相当长的时间内并没有处于适宜的森林环境之中。所以，人工林的稳定需要人类不断的干预和投入一定的物质能量来维持。

二.生态失衡的主要标志

生态系统稳定状态削弱或消失。主要表现在系统要素的有序性降低，自组织能力减低或消失，最终表现在结构和功能两个方面。结构方面：生态系统任何一种结构成分在数量上突然减少或增加而引起的系统结构的改变，导致稳定态降低或消失。功能方面：生态系统各种功能受阻、削弱或消失。

三.林业生态工程的定义

林业生态工程是根据生态学、生态经济学、系统科学与生态工程原理，针对自然资源环境特征和社会经济发展现状所进行的以木本植物为主体，并将相应的植物、动物、微生物等生物种群人工匹配结合形成的稳定而高效的人工复合生态系统的过程。

四.林业生态工程的内容与类型

林业生态工程分为环境调控工程、生物种群选择与匹配工程、群落建造工程、食物链与加工链工程.

五.环境的时间节律与生物的机能节律

1.环境因子的时间节律

光照、温度、湿度随着时间变化而不断变化，对一年的变化动态称为年周期，每个不同月份的变化称为月周期，每日的变动称为日周期。这种周期的变化在不同生态系统中是不同的，这种变化称为环境因子的时间节律。

2.生物的机能节律

机能节律与环境因子的时间节律有着密切的关系，生物机能节律也分为年周期、月周期和日周期。

题型：填空（25分，25个空），名词解释（10分，5个）简答（50分，6个）计算（15分，2个）

要特别注意的几个知识点：（1）填空题：要特别注意资料上划下划线的部分。（2）名词：系统，生态位，环境因子的时间节律，林业生态工程，限制性因子。（3）简答：土地潜力如何评价，适宜性评价，湿地生态系统的修复技术，水体自然净化处理方法，生态失衡的主要标志，人工食物链设计，节律匹配设计。（4）计算：表面流人工湿地设计，潜流人工湿地设计（主要看资料上的两个例题）。

第三章和第四章是本课程的重点