1、教案：5.1生态工程的基本原理教案（新人教版选修3）5.1 生态工程的基本原理 一、教学目标1.简述生态工程的概念，关注生态工程的建设。2.简述生态工程的原理，举例说出各原理的内容。3.尝试运用生态工程原理，分析生态环境问题及解决对策。二、教学重点和难点1.教学重点生态工程的基本原理。2.教学难点生态工程的系统学和工程学原理。三、教学策略新课的引入可采取三种方法。一种方法是：充分地利用题图进行课堂讨论，思考这个电脑合成作品的寓意。认真阅读引言，分析“地球需要我们细心的呵护”的含义，从而引出主题。另一种方法是：教师利用自己收集的资料或课本中提供的信息，如利用第二节的“思考与探究”第1题的资料分析
2、内容，讨论如何使受损环境修复，从而引出生态工程这一主题。第三种方法是：让学生说出当地生态环境中存在的问题，并提出解决这些问题的方法，再进一步引出生态工程的概念。科技探索之路生态工程的兴起，从人们的认识发展变化的角度写出了在可持续发展背景下提出的生态工程的含义。建议布置学生课外阅读，并搜集有关可持续发展观提出的背景资料，布置展板，进行学习交流。在课堂教学时，教师可利用查阅的资料，从可持续发展提出的背景入手，组织学生讨论教材中的漫画。还可以模拟历史上的关于“增长极限”的讨论，在课堂上举行小型辩论会。让学生自己归纳出为什么提出可持续发展和生态工程。可持续发展的最初定义来自我们共同的未来一书，中文翻译
3、可能有些拗口，学生可以和原文对比学习，理解这一定义。此外，教师应该给学生推荐一些课外参考书。关注生态工程的建设的教学，建议从资料分析中总结出建设生态工程的意义。可以用教材提供的两则资料分析讨论问题。一则是1998年长江发生的特大洪水灾害问题，首先，通过分析图“被洪水淹没的大地”，让学生感受环境问题的紧迫性，再通过搜集长江沿岸湖泊面积减少的资料和有关长江成为悬河的资料（最好是图片），引入对问题的分析讨论。课前（或课后）可布置学生搜集资料，了解最近几年来，我国采取了哪些治理措施防治洪灾，从而提出生态工程是恢复被破坏的生态环境的重要途径。另一则是分析目前我国农业上存在的一些环境污染的问题，对这一问题
4、，可采取与上述同样的方法进行教学。通过对这两则资料的分析、讨论，让学生理解进行生态工程建设的必要性，理解通过生态工程实现“生态经济”和“循环经济”这一思路。另一种教学方式是教师或学生可搜集本地区的资料，从本地区发生的事件或其他热点实例入手，认识进行生态工程建设的必要性。这部分教材着力阐述了可持续发展的实践中必须推行“生态经济”和“循环经济”这一思想，但没有给这两个词一个严格的定义，主要是因为学生从媒体中可以接触到这些词，从字面上也能够理解其含义。L.R.布朗的一段话，寓意深刻，希望教师能阅读一些有关的参考书，与学生共同交流对这段话的理解和认识。生态系统的基本原理，包括生态学、系统学和工程学的原
5、理。由于前四个原理的理论基础是必修模块中学习过的内容，建议在教学时，用案例引出对原理的学习，再利用原理分析讨论对案例问题的解决。例如，从植树造林中出现的不注意多样性的问题，引出对物种多样性原理的学习，在此基础上再阅读珊瑚礁生态系统的多样性特点，以此为鉴，鼓励学生为当地植树造林设计生态工程。物质循环再生原理引用的实例是我国古代“无废弃物农业”，教师讲授这部分内容时，要注意强调我国人民的聪明才智，以加强民族自豪感教育。整体性原理的理论基础是社会系统和经济系统对生态系统的影响力，教师可以列举学生关注的一些实例，例如，农村的烧柴问题，湿地保护中遇到的农民生活问题等，来帮助学生从整体性上考虑解决生态工程
6、建设中遇到的实际问题。教学中可采取角色扮演的方式，让学生通过模拟决策，把整体性原理学习得更为透彻。在学习生态工程的基本原理时，教师要注意培养学生的社会参与意识和分析问题的能力。本节最后安排了一个实践活动，教师应该早做计划和安排，调查前应对学生进行安全教育。调查的目的是通过调查沼气工程，了解沼气工程的基本原理，生产方法，工艺流程，并且通过调查理解我国推广沼气工程的目的和意义。教师也可以将此活动组织成学生的研究性学习，分成不同的课题小组进行研究，培养学生的科学探究能力。四、答案和提示（一）思考与探究3.桑基鱼塘分布在我国长江三角洲、珠江三角洲一带的水乡，是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程。试
7、分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径。提示：桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的，能量的流动包含在物质的循环利用过程中，随着食物链的延伸逐级递减。能量的多级利用和物质的循环利用：桑叶用于喂蚕，蚕可以生产蚕丝；桑树的凋落物和蚕沙（粪）落到鱼塘中，作为鱼的饲料，经过鱼塘内的食物链过程，可以促进鱼的生长；甘蔗可以榨糖，糖渣用来喂猪，猪的排泄物也进入鱼塘；鱼的排泄物及其他未被利用的有机物和底泥经过微生物的分解，又可以作为桑和甘蔗的有机肥料。桑基鱼塘巧妙地利用了很难利用的大片低湿地，发展了多种经营，为农民创造了多种收入的门路，完全符合“无废弃农业”的要求。桑基鱼塘系统物质、能量流动示意图见图5-1。（
8、二）正文中讨论题【“关注生态工程建设”资料分析1】1.导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么？提示：根本原因：长江上游乱砍滥伐森林，水源涵养和水土保持功能急剧降低，造成大量泥沙淤积河道；中游围湖造田、乱占河道，造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减少。直接原因：1998年度的罕见降雨。但这也与全球温室气体排放量增加而导致的温度升高、气候异常有关。解决长江洪水泛滥的措施有：我国政府提出的“积极营造长江中上游水源涵养林和水土保持林”计划，即以生物措施为主，结合工程措施，提高森林覆盖率；“退耕还湖”和改革不合理耕作方式等。在进行生态工程建设时，要考虑到怎样解决农村（尤其是湖区或山区的迁出人员）的能源来
9、源问题以及如何提高农民的经济收入。2.洪灾的发生反映出经济发展模式存在什么问题？提示：传统的经济发展模式不注重生态环境的保护，没有考虑生态成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。【“关注生态工程建设”资料分析2】1.你对“石油农业”是如何理解的？提示：“石油农业”大量使用化肥、农药和机械的生产方式，因对石油等能源有高度的依赖性而得名。它把农业生产这一复杂的生物过程，变成了简单的机械过程和化学过程。由于其投入高，产出也高，对粮食安全保障和提高人民生活水平起到了巨大的作用，但同时它所产生的废弃物和有害物质的数量也很庞大，大大削弱了农业生态系统的稳定性和持续生产力，并造成日益严重的农产品污染和环
10、境污染等问题。2.你能举出一些农业生产活动对人体健康以及环境造成危害的实例吗？提示：除日常生活中能够发现的实例外，农业活动对环境和人类健康造成危害的实例中，世界上影响较大的有蓝婴病。1973年，美国内布拉斯加州首次出现幼儿高铁血红蛋白症（蓝婴病）。其原因是饮用水中硝酸盐含量超过10 mg/L，这时过多的硝酸盐会与红细胞中的血色素结合，形成高铁血红蛋白。高铁血红蛋白不能为细胞和组织运输足够的氧。患儿的临床症状是在口、手或脚等部位出现时断时续的蓝色或淡紫色，呼吸困难、腹泻、呕吐、抽搐，严重的会失去知觉，甚至死亡。硝酸盐来源于点源污染，如下水道、畜禽养殖场等，或非点源污染，如对农田、公园、草地等的施
11、肥。3.如何理解“污染物是放错地方的资源”这句话？提示：对环境造成危害的污染物，采用一定的措施和技术，就能够进行回收和循环利用，这样不但能够减少环境污染，而且提高了资源的利用效率，减少了资源的浪费。例如，对废污水中的重金属或氮、磷等养分就可以进行回收再利用。因此说污染物是放错了地方没有被利用的资源。4.石油农业的生产模式应当怎样改进？提示：在不同的国家有不同的改进措施。例如，在我国，人多地少，应该大力发展生态农业。实施的具体措施包括：可以根据田间作物的需要适量施用高效、低毒、低残留的农药，多施有机肥，提高作物对水、肥等资源的利用效率，对作物秸秆和畜禽粪便进行再利用，实现物质的多级利用，等等。一
12、方面要不断提高土地的产出水平；另一方面要减少农业活动对环境的污染，促进社会的可持续发展。【“物种多样性原理”资料分析】1.为什么樟子松林的松毛虫会肆虐，几十亿株杨树会毁于一旦？而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性？提示：纯樟子松林、杨树林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少松毛虫、天牛的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致了树林的毁坏。珊瑚礁区的生物多样性高，食物链复杂，不同的生物占据了不同的时间位、空间位和资源位，因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境。例如，氮、磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外。2.从上面正面和反面的实例，
13、你能得出怎样的结论？你认为生物多样性的破坏有人为因素吗？提示：只有保持生态系统较高的生物多样性，才能保证生态系统的稳定和平衡。生物多样性的破坏有人为因素，而且往往作用巨大。【“协调与平衡原理”资料分析】“西部大开发”是国家为振兴西部而提出的宏观决策，其中很重要的一项内容就是生态工程建设。从协调与平衡原理出发，想一想，在我国西北地区进行防护林建设时，应选择哪些树种？如果在该地区发展畜牧养殖业，你认为应该注意什么问题？提示：几种西北地区特别适宜树种的介绍（1）沙棘，俗称“酸柳”、“酸刺”、“黑刺”，属于胡颓子科，为落叶乔木或灌木。植株表面具有棘刺，叶呈条形或条状被针形，两端趋尖，背面密被淡白色鳞片
14、，叶柄极短。沙棘花先于枝叶开放，雌雄异株；果实为肉质花被筒包围，近于球形，直径510 mm。沙棘喜阳，粗壮的枝干抗风沙。沙棘叶、皮、果实及种子在医药上有着广泛的应用价值。沙棘的嫩枝、嫩叶是牛、羊的精饲料，被誉为“铁杆牧草”。沙棘果维生素含量极高，营养保健价值高，有利于增加种植者的收入。沙棘是半干旱黄土高原迅速绿化荒山、保持水土、调节生态平衡和促进农林牧业发展的良好树种。内蒙古鄂尔多斯等地区，实施沙棘生态工程，大面积种植沙棘，有效地控制了沟道水土流失，每年可减少流入黄河泥沙2 100万吨。（2）山杏，主要指西伯利亚杏，它抗寒、耐旱，适应性强，是我国北方最普遍的果树之一，是绿化荒山、水土保持、防治
15、风沙的先锋树种。山杏果仁营养丰富，含有大量维生素、微量元素和人体必需的氨基酸，是加工饮料的优质原料。（3）刺槐，属落叶乔木，适应性强，在年降水量200 mm左右、年平均气温不低于3 的地区都能生长。它不仅生长快，且耐盐碱，有涵养水源和保持水土的作用。刺槐泌蜜丰富，蜜质优良，是主要蜜源植物之一。刺槐不仅可改善生态环境，还可用于发展畜牧业。（4）锦鸡儿（又称拧条），豆科，多年生落叶灌木，根系发达，具根瘤，高1.53 m；耐干旱和寒冷，喜生沙地或半固定的沙丘上，不怕沙压和风蚀。此种植物广泛分布于我国东北、内蒙古、河北、山西、陕西、宁夏等地，可用于防风固沙，保持水土。枝条可用于编筐，其枝叶是牛、羊等冬
16、春季节主要的饲料之一。（5）杜梨，蔷薇科梨属落叶乔木，可高达10 m，原产于我国华北、西北及东北南部。耐寒，耐干旱、瘠薄，能在含盐量0.5%（质量分数）的土壤中正常生长，且耐涝性也较强。（6）沙枣，胡颓子科胡颓子属，落叶小乔木。分布于华北及西北等地，耐盐碱力较强。（7）合欢，豆科合欢属，落叶乔木，可高达20 m。分布于华北、西北及黄河以南等地区。耐盐碱力较强，但不耐水涝。（8）臭椿，苦木科臭椿属，落叶乔木，可高达25 m。原产于华南、华北、西北各地。抗性强，生长快，耐盐碱力强。西北畜牧养殖应该注意牲畜数量不能超过草地的承载量。针对公共草地的过度放牧问题，应该实行草地承包，调动个人的管理积极性，
17、减少过度放牧现象；另外，可以在有条件的地方，人工种植牧草，增加牧草产量。（三）旁栏思考题你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗？提示：豆科作物和固氮菌的共生就是一例。固氮菌为豆科作物提供氮素，而豆科作物为其提供能量和其他营养，两者的共生使豆科作物能够在氮素缺乏的土地上生长；当把它们分开时，两者的生长都要受到损害。（四）实践活动思考题1.为什么我国要大力发展沼气工程？提示： 21世纪是实现我国农业现代化的关键历史阶段，现代化的农业应该是高效的生态农业。沼气工程把农业生产、农村经济发展和生态环境保护、资源高效利用融为一体，不仅较好地解决了农村的能源来源问题，而且实现了废弃物的再循环利用和资源化，
18、创造了新的生态产业，如沼气设施的建设和维护，促进了以农牧结合为中心的多种经营，从而为农村剩余劳动力提供了就业机会，促进了农村的综合发展。2.目前沼气工程还有哪些亟待解决的问题？提示：目前沼气工程存在的问题有：北方地区沼气产气在冬天不稳定，需要加热；沼气的一次性投资较大，相当部分的农民财力有困难；对沼气的研究较薄弱，例如，对发酵过程中有关微生物及一些酶的研究。应当加强这方面的研究，以促进沼气工程的推广。五、知识拓展1.奥德姆（E. P. Odum）总结出的“六条自然智慧”是什么？在使生态学真正对可持续发展起到指导作用方面，现代生态学的奠基人之一、美国的奥德姆教授做出了榜样。他认为“我们的重点始终
19、应围绕着我们面对的环境问题，寻找出它们产生的根源以及解决问题的途径，但决不是急诊式的开方子，尤其需要强调的是： 自然界、农业和城市生态系统之间的能动性相互关系； 把注意力从生产系统的产出转向对其投入的管理”。奥德姆针对社会上多数人对生态学缺乏了解，很多决策者更是“环境教育盲”，而生态学未能充分发挥作用的现实情况，以年近90高龄之身，亲自编撰了配有卡通插图的科普著作人类摆脱困境的生态学途径。这个途径便是呼吁人们学习、模仿自然界求得可持续发展的智慧。奥德姆教授以他毕生从事生态学的经验和体会，高度概括了以下六条值得学习和研究的属于“自然界智慧”（wisdom of nature）的规律。（1）基于环
20、境承载力的种群增长规律S型曲线和物种的繁殖生存不同侧重及“对策”分化。人类社会不能盲目追求增长，更需要区分数量型增长和质量型增长。（2）能量的生态学规律。处于顶级状态的自然生态系统，由于有足够的维持能源而不易崩溃。而人工系统的规模则与能耗的平方成正比，再加上现代社会所用的人工“浓缩”的高质能源在制造时效率极低，因此需要消耗巨量外源辅助能。（3）组织的生态学规律。自然界不同生物、成分组合成有层次的组织后，由于相互作用会产生新特性。例如，藻类与珊瑚虫共生可耐受养分含量极低的深海环境。但如果分开，则谁也不能生存。人与生物圈也是这种相互依存关系。（4）变化的生态学规律。自然界靠（正、负）反馈机制巧妙地
21、控制增长和保持平衡。学习这种机制能预测出发展曲线的报酬递减点，有很大的实用价值。（5）行为的生态学规律。自然界不同物种间既有适者生存的对抗，也有很多互利共生的关系。但人类与绿色植物通过农业建立起的关系，迄今为止都是掠夺而非互利，所以才产生农业的不可持续性，以及有当今多种力图替代常规农业的新农作方式的产生。（6）生物多样性规律。生态系统内部都有多种生态服务功能，即生物多样性的机制，一旦由于某种原因，具有某种重要功能的物种缺失，就会有原处于功能冗余态的另一个物种来替代。而常规现代化农业却严重缺少物种多样性，难以避免少数几个人工培育品种会因某种病虫害大流行而灭绝的风险。传统农业则很好的保存了作物基因
22、库。奥德姆把上述这类对自然界智慧的学习科学地归结为“人类生态学”。同时指出，每一项新技术都有其副作用，必须采取处理负面效应的“对应技术”（counter technology）。而采用这类对应技术就需付出“转型成本”（transition cost），即转化到可持续态势所需的成本。科学家和公众的责任就是要告诉决策者：为了长远利益（人类的健康，生活质量），即使有暂时的转型成本要付出，也是必要的。人类为了走出面临的困境，必须改变那种“应急式”和割裂式解决环境问题的方法，放弃人类在进化初期不得不采取的“控制自然”的做法，建立生态道德及同自然的伙伴关系。2.生态工程的定义是如何提出和发展的？美国生态学
23、家H.T.奥德姆于1962年首先提出“生态工程”概念：“A branch of engineering and field of science in which solutions to societys environmental problems would be grounded in the technology available from natural systems so that the human engineering required would be supplementary rather than primary (overhead).”即以从自然系统获得的技术
24、为基础，解决人类社会环境问题的一门工程分支科学，它所需的人类工程技术仅仅起辅助作用，而不是起主要作用；或“人类应用主要来自自然的能源作为辅助能对环境的控制”；或“对自然的管理就是生态工程，更好的措施是与自然结成伙伴关系”。H.T.奥德姆的学生米奇（W.J.Mitsch）继承其思想，于1989年编了世界上第一本生态工程专著（Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology），并于1992年主编创办了生态工程杂志。他对生态工程的定义是：Ecological engineering has been defined as the des
25、ign of ecosystems for the mutual benefit of humans and nature. 即生态工程是为了人类和自然的相互利益而进行的一种生态系统设计。我国著名生态学家马世骏先生1979年首先倡导生态工程。他对生态工程下的定义是：生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生的原理、结合系统工程的最优化方法，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，也可以发展为由几个纵向工艺链索横连而成的网状工程系统。3.关于“增长极限”
26、的讨论是怎么回事？20世纪60年代后期，美国麻省理工学院以D.梅多斯为首的研究小组接受“罗马俱乐部”的委托，花了21个月，耗资25万美元，利用刚问世的电脑世界模型，对资源、环境污染、工农业发展、人口健康等一系列复杂的社会经济、生态环境因子，进行了在过去看来是不可能的、极其复杂的运算和定量化分析，完成了名为增长的极限的报告。它被西方国家报纸称作“20世纪70年代爆炸性杰作”，也是罗马俱乐部的代表作之一。该报告在研究了世界人口增长、粮食生产、工业发展、矿物资源消耗和环境污染五种因素的正、负反馈和定量关系后指出，如果维持现有的人口增长率和资源消耗速度不变，那么，在100年后的某一天，就会达到地球增长
27、的极限：产生世界性的严重的粮食短缺、矿物资源耗竭（100年中至少有15种矿产将耗竭）、环境污染和生态环境破坏加剧等问题，最终导致世界人口和工业生产发生无法控制的崩溃。因此，该报告主张为了保护人类的生存和发展，对经济发展实施全面的限制，在世界范围内或在一些国家范围内有目的地停止物质资料和人口的增长，回到“零增长”的道路上。“零增长”的发展观作为对传统经济增长观念的第一次警觉，提醒世人要对生态问题高度关注，堪称经济和生态学、社会学结合的经典之作。几十年过去后，增长的极限论中预测的景象并没有完全出现，经济社会增长并没有导致资源的耗竭。反思增长极限论的局限性，主要是机械地、静态地看问题，在建立全球模型
28、时没有考虑到国家、地区之间的巨大差别；同时对科学技术在开发新资源，以及提高资源的加工深度和利用程度，使同量的资源能够支撑更大经济增长的作用估计不足。4.什么叫最大持续产量？为了可持续发展，对可再生自然资源的利用要以最大可持续产量为上限，即对它的利用在数量上和速度上不能超过它们的自然恢复再生能力，以求资源可持续地长久利用。例如，我国沿海渔业虽然创造了巨大的经济效益，但却是建立在违背生态学原理、无序狂捕滥捞、牺牲渔业资源可持续基础之上的。为了增加渔业产量，渔船现代化、机械化程度不断提高，广泛使用先进的助航、助渔仪器，不顾鱼类资源的再生能力，以至现在18 000 km海岸线面临近乎“无鱼无渔”的尴尬
29、局面。面对海洋捕捞渔业资源日趋枯竭的现状，我国渔政部门先是出台“伏季休渔”的规定，继而在1999年又提出海洋捕捞产量实行“零增长”，2001年，更提出必须实行“负增长”。5.北方地区的沼气池冬天是如何维持的？用什么方法能使沼气池中的菌类维持稳定的产气？在冬季，可以通过加温方法（蒸汽、热水通入发酵池）；或将沼气池用塑料大棚封闭起来来增加产气。沼气稳定产气的必须条件：沼气池必须密闭。沼气菌群是一大类厌氧细菌，它的整个生命活动（生长、发育、繁殖、代谢等）中都不需要氧。适当的水。发酵池中的料水比例得当是正常产生沼气的关键。如一个6 m3的标准池，首次投料大约需要人畜粪便1 500 kg、杂草500 k
30、g，加入2 000 kg的水。料含水比例越高，外加水越少；反之，外加水则越多。适当的温度。一般8 以上，沼气菌即可活动，产生微量沼气；2024 ，活动正常；2830 ，最旺盛，产生沼气率最高。酸碱度。沼气发酵适宜的pH为6.57.5，最适pH是6.87.0。搅拌。适当搅拌，可以提高发酵池内产气率。一般每周搅拌2次即可。接种。增加沼气菌种数量，尽快发酵、产生沼气。沼气池正常产气后，还需不断地添加新料，清除旧料，才能确保持续产气。6.沼气就是甲烷吗？为什么清理沼气池时要防止中毒？沼气是一种多成分混合气体，主要成分为甲烷和二氧化碳，甲烷的含量一般在60%75%，并含有少量的一氧化碳、氢、硫化氢和氮等。沼气池中氧气浓度低，一氧化碳等有害气体浓度高。人一定要注意在通风充分，确认安全后才可进入，否则会造成人员的伤亡。7.大型养殖场厩粪处理和沼气发电工程是怎么回事？采用高温（52 左右）厌氧发酵，可使厩粪物料的分解周期缩短到十几个小时，并能够稳定地产生大量沼气。通过沼气与燃油混烧的发电设备，使发出的电并到大电网上，出售商品电力，由此可以达到消除污染、获得可再生能源和优质生物肥料等多个目的。