1、生 态 工 程,Ecological engineering,农业生态工程,第一节 农业生态工程概述,1 农业生态工程概述1.1 农业生态系统的结构和功能农业生态系统是人们运用生态学原理和系统工程方法，利用农业生物与环境之间，以及生物种群之间相互作用建立起来的，按社会需求进行物质生产的有机整体，是一种被人类驯化、较大程度上受人为控制的自然生态系统。,生物,环境,农业生物(农作物、家畜、家禽、家鱼、家蚕等 ),自然环境组分人工环境组分,人,与农业生物关系密切的生物类群(作物病虫、家畜寄生虫、豆科植物根瘤菌等),农业环境,自然环境 人工环境,气候因素土壤因素生物因素农业技术农业设施,光，温，水，气
2、和风土壤，地势和地貌有利生物和有害生物,育苗，施肥，排灌，耕作生育调节和有害生物防治,保温，排灌，贮藏，畜禽栏舍，网箱以及无土栽培设施等。,1.1.1 农业生态系统的结构农业生态系统的结构是指农业生态系统组分在空间、时间上的配置及组分间的能流、物流顺序关系。,组分结构,空间结构,时间结构,营养结构,农业生态系统的组分结构：农业生物的组成结构及农业生物种群结构。 水平结构 空间结构 垂直结构,水平结构：温度的纬向梯度，湿度的经向梯度。农业生物因自然和社会条件在水平方向的差异形成带状、同心圆式或块状镶嵌分布。生物因繁殖与行为方式的差异形成规则的、随机的或成丛的各类水平格局。,垂直结构：因地理高程，
3、水深、土壤深度和生物群落高度而产生相应的垂直梯度。农业生物因适应环境的垂直变化形成各类层带立体结构。,时间结构：指农业生态系统中，各种生物种类的生长发育进程与环境资源节律变化的吻合状态。,营养结构：农业生态系统中生物间通过营养关系联结起来的联系方式称营养结构。主要是指食物链结构和食物网结构。,1.2 农业生态工程概念及原理1.2.1 农业生态工程的概念 将生态工程原理应用于农业建设，即形成农业生态工程。有效地运用生态系统中生物物种充分利用空间和资源的生物种群共生原理，多种成份相互协调和促进的功能原理，以及物质的能量多层次、多途径利用和转化的原理，而建立的能合理利用自然资源、保持生态稳定和持续高
4、效功能的农业生态系统。,1.2.2 农业生态工程原理使不同种的生物群体在有限的空间内各得其所，充分利用有限的物质与能量的生物共生原理。通过多层结构，充分挖掘生产潜力的物质循环再生原理。包括食物链的富集与转换作用的多种成分相互协调的功能原理。生物与环境相互适应原理。,1.2.3 农业生态工程建设的基本原则整体性原则层次性原则因地制宜原则科技先导原则可持续性原则市场协调原则,1.3 生态农业“生态农业”(ecological agriculture)一词最初由美国土壤学家Albrecthe W于1970年提出。其原来的含义主张完全不用或基本不用化肥、农药、生长调节剂，尽量依靠作物轮作、秸杆还田、施
5、用粪肥、种植豆科作物、绿肥等维持地力，并以生物防治的方法防治病虫害。,1981年英国农学家Worfhington M将生态农业定义为“生态上能自我维持，低输入，经济上有生命力，在环境、伦理和审美方面可接受的小型农业”，其中心思想是把农业建立在生态学的基础上。但也出现了一些片面遏制化学物质投入的极端作法，称之为“狭义生态农业”。,国外生态农业又称自然农业、有机农业和生物农业等，其生产的食品称生态食品、健康食品、自然食品、有机食品等。目的：在洁净的土地上，用洁净的生产方式生产洁净的食品，提高人们的健康水平，促进农业的可持续发展。,农业生产面临的生态问题资源匮乏，能源消耗日益严重 不少地区出现资源破
6、坏，水土流失，耕地减少，土地质量下降 农业环境污染加重,生态农业,我国生态农业的定义为：“运用生态学、生态经济学原理和系统科学的方法，把现代科学技术成就与传统农业技术的精华有机结合，把农业生产、农村经济发展和生态环境治理与保护、资源的培育与高效利用融为一体的具有生态合理性、功能良性循环的新型综合农业体系”。,农业生态工程实施的技术要点最大限度利用和保护土地资源及各种可利用资源，提高初级生产者转化太阳能为生物能的效率。加速物质在生态系统中的再循环，提高周转率，提高生物产品的高产性能。增加能量和物质的利用层次及环节，减少系统外能量的消耗，提高转化无机物为有机物的能力。利用农业有机废料，强化生态系统
7、还原者的还原作用，建立低消耗高收益的新型生产结构。因地制宜，因资源制宜，规划和配置多层次的产业结构和产品布局。,第二节 农业生态工程技术,1 立体农业技术1.1 立体农业概念立体农业：立体农业是多种相互协调、相互联系的农业作物(植物、动物、微生物)种群，在空间、时间和功能上的多层次综合利用的优化高效农业结构。,类型：异基面：不同海拔、地形、地貌条件下呈现出的农业布局差异。同基面：同一块田地上的间套作及兼养动物、微生物的立体种养系统，如林粮或粮菜间作、稻田养鱼、农田插种食用菌等。,云贵高原在河谷地带和低山区水田以冬作物水稻一年两熟为主，旱地以小麦一玉米、甘薯一年三熟或两熟为主，还可种植热带、亚热
8、带瓜果；半山区以一年一熟水稻或一年二熟旱作物为主；高山区只种玉米、马铃薯、荞麦等一年一熟旱粮,2 循环再生技术2.1 生态果园工程模式该模式是以农户土地资源为基础，以太阳能为动力，以沼气为纽带，从有利于农业生态系统物质和能量的转换与平衡出发，建立起生物种群互惠共生，食物链结构健全，能量流、物质流良性循环的系统工程，形成了以农代牧、以牧促沼、以沼促果、果牧结合、配套发展的良性循环系统，被称为西北“五配套”生态果园程模式。,“五配套”能源生态农业模式是解决西北干旱地区的用水，促进农业持续发展，提高农民收入的重要模式。其主要内容是，户建一个沼气池、一个果园、一个暖圈、一个蓄水窖和一个看营房。,2.2
9、 生态养殖厂工程模式生态养殖场工程模式以辽宁省大洼县西安养殖场最为典型，它是一项以养猪为主，利用生态模式净化废水，产出多、效益高，具有广泛应用价值的农-牧复合生态工程。,2.2.1 平面闭路的生态系统,净化,利用,净化,净化,利用,净化,利用,利用,利用,2.3 基塘物质能量循环生态工程桑基-鱼塘生态工程利用鱼池(塘)堤坡栽植桑树，桑叶用于养蚕，将养蚕获得的蚕沙、蚕蛹投入鱼塘，为鱼类提供食料，鱼塘中鱼类吃剩的食料加上排泄物，可培育浮游生物，浮游生物又供鱼类取食，而沉落到塘底的饲料残渣及排泄物则被微生物分解，形成富含有机质和其他营养元素的塘泥，经过一定时间的积累后挖取塘泥上桑基，既净化了鱼塘，又
10、为桑基施入高效的有机肥。,草基-鱼塘生态工程草基鱼塘是利用鱼塘的塘边坡地种草，以草养鱼，鱼池淤泥为草地施肥，促进草地增产为循环的基本模式。饲草的选择与栽培，通常以黑麦草为普遍，因其生长快、产量高、营养丰富、适应性强，是草食性鱼类喜食的饲料。桑-蚕-猪-鱼生态工程模式该模式是桑基-鱼塘生态工程模式的进一步发展，其流程是将蚕沙、蚕蛹、剩叶用于喂猪，猪粪施入鱼塘养鱼，加入生猪饲养这一环节更加提高了物质转化效率。,3 农业环境调控与保护技术3.1 水土流失治理的农业生态技术以治理水土流失为中心的农业生态技术，就是以小流域为治理单元，合理布设水土保持各项生物与工程措施，依据系统工程方法，安排农、林、牧、
11、渔、副各业用地，使各项措施互相协调，互相促进，形成综合防治技术体系。,技术手段3.1.1 植树造林治沟治坡技术在坡顶岗脊栽树戴帽，开挖截流沟，控制坡水下山；坡耕地等高种植，修梯田，种植生物缓冲带；荒坡造林种草，达到拦截径流，蓄水保墒的目的；沟壑中修跌水、谷坊和塘坝，以便拦泥蓄水，控制沟壑发展。,3.1.2 植物篱笆坡地生态农业技术植物篱笆依据生态经济原则选择物种(以多年生灌木为主)，依据不同坡度、岩性和侵蚀强度设计篱带宽度和密度，采用沿等高线布设的方法，形成密集型篱笆，达到防止水土流失的目的；篱笆带间为农地，进行农业耕作，与植物篱笆共同构成农林复合经营技术。,3.1.3 坡耕地培肥保水技术改冬
12、春施肥为伏秋施肥，主要结合伏秋整地施入土壤中；改浅施肥为深施肥；以农肥为主，化肥为辅，进行配方施肥；推广种植绿肥；根茬和秸秆还田。此项技术的实施，促进了土壤熟化，改善了土壤结构，提高了肥料利用率。,3.1.4 土地永续利用的耕作技术在发展畜牧业、增加土壤有机肥投入的同时，针对春旱、低温、早霜、土壤含水量低等自然特点，探索劳力、规模、技术三个效益统一的农机和土地相组合的模式，更新大型拖拉机、实行连片种植、建立土壤水库，进行土地耕作制度的改革，注重伏翻、秋翻，坚持深翻、轮翻、平翻后起垡和翻耙与深松相结合，有效地调节土壤中的水肥气热。,3.2 沙地培肥改土技术沙地培肥首先要稳定沙面，使沙地固定，否则
13、，因风蚀、风积的影响，培肥效果就不会显著。在沙河地区，除在主沙源营造防沙、阻沙林带以外，对已开发的沙地营造农田防护林网，其内以发展林果业为主，栽植桃、梨、杏、山楂、葡萄等，果树行间采用立体种植，间作套种花生、黄豆、牧草、西瓜等。,3.3 水资源高效利用技术田间灌溉节水技术。一般包括改进地面灌水技术，喷灌、微灌等新灌水技术，以及抗旱补灌技术。田间农艺节水技术。包括地面覆盖、耕作保墒、合理施肥、以肥调水等。,3.4 防洪治涝技术修筑和加固水利设施，实施退耕还林，退耕还牧，退耕还渔和改种水田。在沿江区域选择适当位置修筑拦洪大堤，拦阻江水的泛滥。堤内植造防风林带，堤外植造防浪林带，减轻洪水压力。堤内农
14、田改造水田，并修筑排灌渠系配套工程，建造鱼塘，建设高产农田。,4 农业生态工程主要模式4.1 充分利用空间和土地资源的农林立体结构型生态工程4.1.1 各种农作物的轮作、间作与套种农作物的轮作、间作与套种在我国已有悠久的历史，并已成为我国传统农业的精华之一。常见的有以下几种类型：豆、稻轮作，棉花、麦套作，棉花、油菜间作，甜叶菊、麦套作。,4.1.2 农林间作农林间作是充分利用光、热资源的有效措施。我同采用较多的是桐粮间作和枣粮间作，还有少量的杉粮间作。4.1.3 林药间作林、药间作不仅大大提高了经济效益，而且大大改善了生态环境，有力地促进了经济、社会和生态环境向良性循环发展。此种间作如吉林省的
15、林、参间作，江苏省的林下栽种黄连、白术、绞股蓝、芍药等的林、药间作。,4.2 物质能量多层分级利用型生态工程秸秆还田是保持土壤自机质的有效措施，但秸秆若不经处理直接还田，则需很长时间的发酵分解，方能发挥肥效。在一定条件下，利用糖化过程先把秸秆变成饲料，而后牲畜的排泄物及秸秆残渣用来培养食用菌；生产食用菌的残余料又用于繁殖蚯蚓，最后才把剩下的残物返回农田，收效就会好得多，且增加了生产沼气、食用菌、蚯蚓等的直接经济效益。,4.3 水陆交换的物质循环型生态工程桑基鱼塘是比较典型的水陆交换生产系统。桑基鱼塘是由基面种桑、桑叶喂蚕、蚕沙养鱼、鱼粪肥塘、塘泥为桑施肥等各个生物链所构成的完整的水陆相互作用的
16、人工生态系统。,4.4 相互促进的生物物种共生型生态工程这种生物物种共生模式在我国主要有稻田养鱼、稻田养蟹等。在养鱼的稻田中，水稻为鱼提供遮阴、适宜水温和充足饵料，而鱼为稻田除草、灭虫、充氧和施肥，使稻田的大量杂草、浮游生物和光合细菌转化为鱼产品。稻、鱼共生互利，相互促进，形成良好的共生生态系统。,案例：浙江青田稻田养鱼工程,浙江青田县龙现村的稻田养鱼已有1200多年的历史。我国首个全球重要农业文化遗产(GIAHS)保护项目浙江省青田县方山乡龙现村的“传统稻鱼共生农业系统”已正式启动。,图45.浙江青田稻田养鱼,（1）稻田养鱼的经济效益,（2）稻田养鱼对水稻生长的影响,（3）稻田养鱼对水稻病虫
17、害和杂草的影响,田间观测表明，稻田养鱼可明显降低水稻的虫害，特别对危害稻株中下部的稻虱具有较好的抑制作用，这主要与生活在稻田中的鱼类吞食稻虱有关。据对一养鱼稻田孕穗期和抽穗期晚稻田间稻飞虱的调查，稻飞虱虫口密度分别减少了46.29 和34.56。鱼类对叶蝉、稻纵卷叶螟也具有一定的吞食作用，对照稻田晚稻分蘖期纵卷叶螟卷叶率为6.2，比养鱼稻田的卷叶率高109。此外，养鱼稻田昆虫天敌(蜘蛛、寄生蜂等) 明显增加。,稻田养鱼对水稻病害也具有一定的抑制作用。鱼类食用水田中的纹枯病菌核、菌丝， 减少了病菌侵染来源；同时，纹枯病一般从水稻基部叶鞘开始发病，带有病斑的叶鞘在水中易腐烂，鱼、鸭争食碎屑，及时清
18、除了病源，延缓了病情的扩展。鱼在田间窜行活动，不但可以改善田间通风透气状况，而且可增加水体的溶氧，促进稻株的根茎生长，增加抗病能力。据对养鱼田纹枯病病情指数的三次调查，调查结果为0.53、3.32、5.99，比未养鱼田分别少了0.20、1.83、3.59。,（4）稻田养鱼对土壤肥力的影响,4.5 农-渔-禽水生生态系统型生态工程该生态系统是充分利用水资源优势，根据鱼类等各种水生生物的生活规律和食性以及在水体中所处的生态位，按照生态学的食物链原理进行组合，以水体立体养殖为主体结构，以充分利用农业废弃物和加工副产品为目的，实现农-渔-禽综合经营的农业生态类型。,4.6 多功能的污水自净生态工程在通
19、常情况下，自然生态系统内部不易出现由于某种物质的过多积累而造成系统崩溃或主要生物成分的大量死亡，这是由于系统本身就拥有自行解毒的“医生”(微生物)和解毒的工艺(物理的、化学的)过程。即使由于某种物质过分积累，破坏了系统的原来结构，也会出现适应新情况的生物更新。,4.7 山区综合开发的复合型生态工程通常的结构模式为林-果-茶-草-牧-渔-沼气。该模式以畜牧业为主体结构。一般先从植树造林、绿化荒山入手。根据山区自然条件、自然资源和物种生长特性，在高坡处栽种果树、茶树；在缓平岗坡地引种优良牧草，大力发展畜牧业，饲养奶牛、山羊、兔、禽等草食性畜禽，畜禽粪便养鱼；在山谷低洼处开挖鱼塘，实行立体养殖，塘泥
20、作农作物和牧草的肥料。,4.8 沿海滩涂和荡滩资源开发利用的湿地型生态工程草-畜-禽-蚯蚓-貂的湿地生态系统，苇-萍-鱼-禽的湿地生态系统，林-牧-猪-鱼-沼气的荡滩生态系统，鱼-苇-草-牧生态系统，农-桑-鱼-畜生态系统，棉-牧-禽-鱼-花-加工的复合生态系统。,4.9 以庭院经济为主的院落生态工程以庭院经济为主，把居住环境和生产环境有机地结合起来，以达到充分利用每一寸土地资源和太阳辐射能，并用现代化的技术手段经营管理生产，以获得经济效益、生态环境效益和社会效益协调统一。,4.10 多功能的农副工联合生态工程这样的系统往往由四个子系统组成，即农业生产子系统、加工工业子系统、居民生活区子系统和
21、植物群落调节子系统。它的最大特点是将种植业、养殖业和加工业有机地结合起来，组成一个多功能的整体。,农林牧复合生态经济系统的生态工程以留民营村为例留民营生态农场位于北京市的东南郊大兴县境内，土地面积2120亩，耕地1650亩，该村位于永定河冲积平原地区,为第四纪覆盖物地区，南临凤河，北依凤港河，地势较低，地下水源丰富，常年地下水埋深1.5米左右，大旱之年5米，但恢复较快，地面取水比较方便。1987年6月5日，留民营被联合国环境计划署授予全球环保500佳之一。,绿化工程主要是植树造林，林灌结合。使留民营村的林业建成一个多树种，多层次，多功能，多效益的立体型生态林业结构。,生产工程农业生产，主要是利用水源优势，种植水稻。同时开发标准化蔬菜大棚，果园和苗圃。牧业生产，主要是饲养蛋鸡，出栏商品猪，饲养奶牛，养鱼。副业有烤鸭厂，酸奶厂，饲料厂，面粉厂和食品加工厂。生产的方向由原料生产向商品生产，粗放向集约转变。,生态工程坚持的是可持续的发展理念，形成了以沼气为中心的农，林，牧，副，渔复合的生态系统，在生态农业，农村能源利用等方面取得了较显著的成果。,蟹岛北京市朝阳区金盏乡的蟹岛成立于1998年8月，占地200hm2，是中国环境科学学会指定的北京绿色生态园基地，其最大的特点就是形成了一个衣食住行相对独立的生物链。,
