高中生物 专题5 生态工程 51 生态工程的基本原理学案 新人教版选修3.docx
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高中生物专题5生态工程51生态工程的基本原理学案新人教版选修3
5．1 生态工程的基本原理
[学习目标] 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，分析生态环境问题及解决对策。
方式一 云南，“彩云之南”，我国一个美丽的省份，有丰富的动植物资源，也有众多水域分布，更是远近闻名的旅游胜地。
但是2009年至2012年间，这片美丽的土地，却在承受着巨大的痛苦——旱灾。
这是天灾还是人祸？
下图是相关的图片。
结合这幅图，同学们思考以下几个问题：
（1）在云南持续发生这样的大旱，原因到底是什么？
（2）经济的发展带来社会进步，但是我们的环境问题却越来越严重，我们到底需要什么样的经济发展的新思路才能避免对环境的破坏呢？
方式二 金字塔农场是一种设想的未来农业发展模式（如图），由埃里克·埃林森教授和迪克森·戴斯波米尔教授联手设计。
在农田资源有限的地球，如何满足日益增长的人口对食物的需求是所有政府必须要面对和解决的问题。
金字塔农场正是一个富有创意的解决之道。
除了种植水果和蔬菜外，金字塔农场还装有一个加热和加压系统，能够将污水转换成水和碳，为机器和照明设备提供能量。
金字塔农场实质就是一个完整的生态系统，这个农场的设计需要遵循什么原理，还有，这样的金字塔农场有何优点，有没有值得改进的地方，就让我们通过本节课来一起了解吧！
一、关注生态工程建设
1．生态工程概念
涉及学科
生态学和系统学等
技术手段和方法
通过系统设计、调控和技术组装，对已被破坏的生态环境进行修复、重建，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善
结果
提高生态系统的生产力，促进人类社会和自然环境的和谐发展
特点
是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系
2.生态工程建设
（1）目的：
遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。
（2）特点：
与传统工程相比，生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。
（3）原因：
传统经济模式正在毁坏水、大气、土壤和生物资源，消耗地球赠给我们的自然资本。
3．生态经济
（1）原则：
循环经济。
（2）特点：
一个系统产出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化。
（3）手段：
生态工程。
归纳总结
1．石油农业
（1）特点：
大量使用化肥、农药、机械的农业生产方式。
因对石油、煤、天然气等能源有高度的依赖性而得名。
（2）弊端：
不注重生态环境的保护，没有考虑环境成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。
2．生态工程与石油农业的区别
项目
生态工程
石油农业
基本原理
生态学、系统学
工程学
调节机制
人为辅助下的自我调节
人为调控
与环境的关系
协调
破坏环境
主要能源
太阳能
化学能
生物多样性
得到保护
减少
例1
生态经济所遵循的主要原则和实现的重要手段分别是（ ）
A．循环经济和生态工程
B．整体性原则和生态工程
C．循环经济和工程学手段
D．无污染原则和生态工程
答案 A
解析 生态经济主要是通过实行“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一就是生态工程。
例2
下列关于生态工程的叙述，不正确的是（ ）
A．当人类赖以生存的生态系统出现严重的问题时，生态工程应运而生
B．生态工程能够减少环境污染
C．生态工程以充分利用环境和资源为前提，生产出更多的产品
D．生态工程力求达到生态效益、经济效益和社会效益的协调统一
答案 C
解析 生态工程是旨在解决环境与经济发展协调问题的一门新学科，所以先有生态系统的破坏后有生态工程；生态工程建设的目的就是遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。
二、生态工程所遵循的基本原理
1．物质循环再生原理
（1）含义：
物质能够在各类生态系统中，进行区域小循环和全球地质大循环，循环往复，分层分级利用，从而达到取之不尽、用之不竭的效果。
（2）实例：
“无废弃物农业”。
2．物种多样性原理
（1）内容：
一般而言，物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性，可以在有限的资源条件下，产生或容纳更多的生物量，提高系统生产力。
（2）实例
①反面：
辽宁西部章古台地区的樟子松林，由于没有一条昆虫与其天敌相生相克的食物链，松毛虫肆虐一时，樟子松林遭到严重破坏，甚至消失。
②正面：
由珊瑚虫和某些藻类共生组成的珊瑚礁区，物种繁多，系统稳定。
3．协调与平衡原理
处理好生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力（又称环境容纳量），即某种环境所能养活的生物种群的最大数量。
如果生物的数量超过了环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。
4．整体性原理
（1）含义：
进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生态系统的规律，更重要的是，还要考虑到经济和社会等系统的影响力。
（2）实例：
在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴以及收入等问题。
5．系统学和工程学原理
（1）系统的结构决定功能原理
①含义：
生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。
②实例：
我国南方水网地区的桑基鱼塘模式。
（2）系统整体性原理：
系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现总体功能大于各部分之和的效果，即“1＋1＞2”。
归纳总结
1．生态工程遵循的基本原理归纳
项 目
理论基础
意义
实例
物质循环再生原理
物质循环
可避免环境污染及其对系统稳定和发展的影响
“无废弃物农业”
物种多
样性原理
生态系统的稳定性
生物多样性程度高，可提高系统的抵抗力稳定性及系统生产力
三北防护林建设中的单纯林问题
协调与
平衡原理
生物与环境的协调与平衡
生物数量不超过环境承载力，可避免系统的失衡和破坏
太湖富营养化问题
整体性
原理
自然—社会—经济复合系统
统一协调各种关系，保障系统的平衡与稳定
在林业建设中，自然系统与社会、经济系统的关系问题
系统学和工程学原理
系统的结构决定功能原理：
分布式优于集中式和环式
改变和优化系统的结构以改善功能
桑基鱼塘
系统整体性原理：
总体功能大于各部分之和
保持很高的系统生产力
珊瑚礁藻类和珊瑚虫的关系
2.整体性原理≠系统整体性原理
（1）整体性原理是指人类处在一个社会、经济、自然复合而成的巨大系统中。
建立在对系统成分的性质及相互关
系充分了解基础上的整体理论，是解决生态环境问题的必要基础。
（2）系统整体性原理属于系统学和工程学原理之一。
系统整体性是指系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质和信息等的转换和流通，并且实现总体功能大于各部分之和的效果。
例3
下图是“无废弃物农业”物质和能量流动图，该图所体现的主要生态工程原理是（ ）
A．物种多样性原理B．整体性原理
C．物质循环再生原理D．协调与平衡原理
答案 C
解析 分析题图可知，该图突出了“无废弃物农业”，实现了物质的区域小循环，做到了物质的分层分级利用，因此主要体现了生态工程中的物质循环再生原理。
例4
在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴以及收入等。
以上做法依据的生态工程原理是（ ）
A．系统整体性原理
B．整体性原理
C．系统的结构决定功能原理
D．以上都不是
答案 B
解析 进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生态系统的规律，更重要的是还要考虑到经济和社会等系统的影响力，这应属于整体性原理。
例5
下列有关生态工程的描述，错误的是（ ）
A．生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系
B．中国农民实施的“无废弃物农业”所包含的生态学原理是物质的循环再生
C．林业工程建设主要遵循物质循环再生原理和系统整体性原理
D．我国南方水网地区的桑基鱼塘模式体现了系统的结构决定功能的原理
答案 C
解析 与传统的工程相比，生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系；“无废弃物农业”是物质循环再生原理在农业上应用的实例；进行林业工程建设时，要遵循物种多样性原理、协调与平衡原理及整体性原理；我国南方水网地区的桑基鱼塘模式，就是把很多单个生产系统通过优化组合，有机地整合在一起，成为一个新的高效生态系统，大大提高了系统的生产力，充分体现了系统的结构决定功能的原理。
1．下列关于生态工程的叙述中，错误的是（ ）
A．它是无消耗、多效益的工程
B．追求经济与生态的双赢
C．实现废物资源化的良性循环
D．实现了能量的多级利用
答案 A
解析 生态工程是人类应用自然生态系统、系统学等学科的基本原理和方法，设计了促进分层多级利用物质的生产工艺系统，达到经济效益与生态效益的同步发展。
与传统的工程相比，生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。
2．实现循环经济的最重要的手段之一是（ ）
A．发展“石油农业”B．生态工程
C．清除污染物D．禁止产出污染物
答案 B
解析 生态经济主要是通过实行“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或者另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济最重要的手段之一就是生态工程。
3．下列措施中不符合城市生态工程建设基本原理的是（ ）
A．城市规划，分区建设工业区、居住区、生态绿地等
B．大力推广“环境友好技术”和低污染清洁生产工艺
C．采用浮床工艺法等手段治理环境污染
D．用法律手段严禁汽车上路及造纸厂、酒厂生产，以断绝污染的源头
答案 D
解析 严禁汽车上路及造纸厂、酒厂生产，一方面会严重阻滞经济发展，另一方面也不能达到“断绝污染源头”的目的。
4．我国南方桑基鱼塘是将低洼稻田挖深做塘，塘内养鱼，塘基上种桑，用桑养蚕，蚕粪养鱼，鱼粪肥塘，塘泥肥田、肥桑，从而获得稻、鱼、蚕三丰收，大大提高了系统生产力。
这种模式主要应用了生态工程所遵循的哪个原理（ ）
A．系统学和工程学原理
B．整体性原理
C．物种多样性原理
D．物质循环再生原理
答案 A
解析 我国桑基鱼塘模式遵循的是系统学和工程学原理中的系统的结构决定功能原理，利用此原理来改善和优化系统的结构，从而达到功能改善的效果，大大提高了系统的生产力。
5．一青年农民利用自己学习的生态学知识在自家庭院里建了一个小型农业生态系统。
下面是该家庭生态工程的模式图，请据图分析回答问题：
（1）从图中可知，人类生活中所需的能源来自太阳能、沼气等。
利用这些能源与利用煤炭相比，突出的优点是________________。
（2）该生态工程中的能量能够更多地被人类利用，原因是___________________。
（3）生态工程建设的目的就是遵循自然界____________的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。
与传统的工程相比较，生态工程是一类______________________________的工程体系。
（4）生态工程所遵循的基本原理是：
________________、________________、协调与平衡原理、________________以及系统学和工程学原理。
（5）据生态工程中的物种多样性这一原理，有人认为生态农业建设中，食物链和营养级越长越多越好。
请你结合所学的有关生态工程原理，分析该结论是否正确并说明理由。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）减少了污染
（2）充分利用了废弃物中的能量，实现了能量的多级利用 （3）物质循环 少消耗、多效益、可持续 （4）物质循环再生原理 物种多样性原理 整体性原理 （5）不正确。
因为食物链越长，各食物链中的生物数量越难以达到一定规模，影响经济效益；营养级越多，高层次营养级获得的能量越少，该营养级生物数量也越少
解析
（1）太阳能、沼气等新能源相对于煤炭等化石能源来说，可再生、几乎没有污染，减少了燃烧煤炭所产生的污染。
（2）通过沼气池，利用了粪便等废弃物中的能量，实现了能量的多级利用。
（3）防止环境污染，达到经济效益与生态效益的同步发展，应用了生态工程物质循环的原理；与传统工程相比，生态工程的特点是少消耗、多效益、可持续。
（4）生态工程遵循的基本原理有物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理、整体性原理与系统学和工程学原理。
（5）食物链越长，营养级越多，则能量损耗越多，能量的利用率越低，不符合生态工程建设的目的。
[对点训练]
题组一 关注生态工程建设
1．下列选项的叙述完全符合生态经济的是（ ）
①建立“原料—产品—原料—产品”的无废料生产体系 ②在资源不增加甚至减少的条件下实现经济增长 ③在经济产出不变甚至增加的条件下，向环境排放的废弃物大大减少 ④先生产后治理，提高经济效益
A．①②B．①②③
C．②③D．②③④
答案 B
解析 生态经济主要是通过实行“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化，而实现循环经济。
2．生态工程建设的实质目的是（ ）
A．减少生产消耗，增加生产效益
B．减少环境污染，发挥资源潜力
C．征服自然世界，主宰经济发展
D．遵循自然规律，实现可持续发展
答案 D
解析 生态工程建设的目的是遵循自然界物质循环的规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。
其实质是实现经济的可持续发展。
题组二 生态工程所遵循的基本原理
3．豆科植物和固氮菌互利共生，当把它们分开时，两者的生长都要受到损害，这体现的生态工程的原理是（ ）
A．系统的结构决定功能原理
B．整体性原理
C．系统整体性原理
D．协调与平衡原理
答案 C
解析 自然生态系统是通过生物与环境、生物与生物之间的协同进化而形成的一个不可分割的有机整体。
将豆科植物和固氮菌分开，破坏了它们的整体性，两者的生长都受到损害，这体现了系统整体性原理。
4．自然林区内的马尾松一般不容易发生虫害，但在一些人工马尾松林中，却常常会发生严重的松毛虫危害。
你认为上述现象最可能与下列哪项原理有关（ ）
A．物质循环再生原理B．协调与平衡原理
C．整体性原理D．物种多样性原理
答案 D
解析 单一品种的人工马尾松林不稳定，易受破坏；物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。
因此说明在进行生态工程建设时，必须遵循物种多样性原理。
5．生态农业是一个在生态上自我维持的农业生产系统，其特点是在保持和改善系统内的生态平衡、不对其周围环境造成明显改变的情况下，求得最大生产力和可持续发展。
下列关于生态农业的叙述中，不正确的是（ ）
A．生态农业中食物链的营养级之间能量传递效率大大提高了
B．生态农业比传统农业的抵抗力稳定性高
C．生态农业设计的指导原则是能量的多级利用和物质的循环再生
D．生态农业属于人工生态系统，对病虫害一般采用生物的方法防治
答案 A
解析 生态农业中生态系统的营养结构变复杂了，但食物链的营养级之间的能量传递效率不变，A项错误。
6．如图是某生态农场的生产流程，据图分析，下列说法错误的是（ ）
A．食用菌和蚯蚓在该生态系统中属于分解者
B．该生态系统达到了能量多级利用的目的
C．因生物种类增加，系统总能量利用效率降低
D．循环利用有机废弃物，提高了系统的效益
答案 C
解析 该生态系统通过增加生物种类，达到了能量多级利用、物质循环再生的目的，从而提高了能量的利用率，提高了生态系统的经济效益；腐生型的食用菌和蚯蚓在该生态系统中属于分解者。
[综合强化]
7．下图为我国南方比较常见的桑基鱼塘农业生态系统。
请分析回答下列问题：
（1）在不考虑人工投入的情况下，流经该生态系统的总能量（总初级生产量）是________________________________________。
人们将蚕沙（蚕的粪便）投入鱼塘，被鱼等水生生物食用，蚕沙中所含的能量主要属于第________营养级。
（2）鱼等水生生物的排泄物及未被利用的有机物和底泥，其中一部分经过________________作用后可作为肥料，返回桑基，培育桑树。
（3）建立该人工生态系统的目的是实现对能量的________________，提高能量的利用率。
与种植单一作物的农田相比，该生态系统的自我调节能力________。
（4）建立该生态系统遵循的原理主要是________________________、____________________。
答案
（1）生产者（或桑树）通过光合作用固定的太阳能总量 一
（2）分解者（或微生物）的分解 （3）多级（或充分）利用 较强 （4）物质循环再生原理 物种多样性原理
解析
（1）粪便中的能量是未被生物同化的能量，故某一营养级生物粪便中的能量是上一营养级同化的能量。
即蚕沙中的能量是生产者同化的能量。
（2）有机物经微生物的分解作用可转化为无机物，被植物利用。
（3）人工生态系统可以实现对能量的多级利用，从而提高能量的利用率。
自我调节能力的强弱取决于生态系统物种的丰富度，该生态系统的生物种类较作物单一的农田生态系统复杂，故该生态系统自我调节能力较强。
（4）该生态系统主要遵循了物质循环再生原理和物种多样性原理。
8．南京古泉生态农场是生态农业的典范。
该农场将养猪、养鱼、沼气工程、养鸭、种植农作物、养蘑菇、种桑养蚕、种植果树等多个生产过程合理地有机结合起来，实现高效良
性的循环，生态效益达到了良性发展。
请就此生态农场的特点，回答下列问题：
（1）该生态农场充分体现了生态工程基本原理中的____________________、____________________和________原理。
（2）该系统工程的核心之一是沼气池，沼气的制作如图所示：
①在图中标出箭头，表示生产过程中的物质循环。
②如果将“无机物―→农田”这一环节去掉，对生态农业系统有何影响？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）物质循环再生原理 物种多样性原理 整体性
（2）①如图所示
②土壤中的无机物得不到补充，物质循环受到破坏，土壤肥力下降
解析 该生态农场的设计布局，体现了物质循环再生原理、物种多样性原理及整体性原理等；若将“无机物→农田”这一环节去掉，将会使物质循环回路受阻，最终导致土壤肥力下降。
升级会员 