人教版高中生物选修3示范教案专题五生态工程
文档属性
| 名称 | 人教版高中生物选修3示范教案专题五生态工程 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 113.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2019-07-14 09:37:01 | ||
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文档简介
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，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。
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图5-1桑基鱼塘系统物质循环和能量流动示意图
（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，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，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5～10 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1.5～3 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，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，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：① 自然界、农业和城市生态系统之间的能动性相互关系；② 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 society’s 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 design 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”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 kg，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；20～24 ℃，活动正常；28～30 ℃，最旺盛，产生沼气率最高。
●酸碱度。沼气发酵适宜的pH为6.5～7.5，最适pH是6.8～7.0。
●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。
5.2 生态工程的实例和发展前景
一、教学目标
1.举例说出生态工程的实例，说出这些实例所运用的主要生态工程原理。
2.评述生态工程发展前景，说出生态工程的局限性，举例说出我国生态工程的特点。
3.尝试设计简单的生态工程。
二、教学重点和难点
1.教学重点
生态工程的实例。
2.教学难点
应用生态工程的原理，设计简单的生态工程。
三、教学策略
教材选择的六个生态工程各有特色，教师可以根据学生的经验，区域的特点进行选择，“搭配”出适于学生学习的内容。例如，在第一节的教学中组织了实践活动《调查沼气工程的实施情况》，教师要精心设计参观内容，让学生通过调查，总结出以沼气工程为中心的农村综合发展型生态工程的特点。
小流域综合治理生态工程的教学可以通过资料分析进行；如果学生的家乡有这类问题，教师就应从社会调查入手开展教学活动，使学生对具有我国特色的生态工程有一定的了解。教学中要注意强调我国农民和科技工作者在实践中的创造，让学生理解实践出真知的道理，培养学生求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。
大区域生态系统恢复工程的教学，师生可以通过搜集资料了解我国沙漠化现状和三北防护林建设的背景、发展前景及存在的问题。在有条件的地区，应组织学生开展植树等志愿者活动，积极参加生态工程的建设。
湿地生态恢复工程的教学，可适当加入湿地的生态功能、我国湿地面临的问题，以及生物多样性的保护等内容。可采取聘请专家开设专题讲座等多种方式进行，也可以组织志愿者活动，如去湿地观鸟、考察等，让学生重视湿地生态系统的保护，关注湿地生态恢复工程的建设，在教学中注意整体性原理的应用。
关于矿区废弃地生态恢复工程的教学，如果学生没有这方面的经验，除教材中的实例外，教师可查阅相关资料，如向学生介绍德国的矿区废弃地生态恢复工程（德国在这方面的工作很有特点）。
城市环境生态工程的教学，一种方式是对环境问题进行调查，组织学生进行研究性学习，如将学生分成不同的课题小组，分专题研究城市生态系统的主要问题，调查城市生态工程的现状，以小专题（如校园或小区绿化）的形式设计城市生态工程，撰写调查报告和开答辩会等。另一种方式是可以带领学生调查城市生态系统存在的问题，讨论目前所采用办法的利与弊，并在有条件的地方，组织学生参观城市环境生态工程，如污水处理厂、生态园区等。但无论哪种教学模式，都要把教学落实在学生的行动上，积极组织学生参加生态工程的建设和环保活动，提高学生的环保意识，并用行动教育周围的居民自觉地保护环境。
关于“生物圈2号”内容的教学，虽然“生物圈2号”在初中和高中必修模块中都有介绍，但作为人工模拟自然生态系统的工程，在本专题中还有必要进行认真地分析。对这部分内容的讲授，一方面是从科学实验的角度学习，如教师提出实验方案，与学生讨论其设计思路，最主要的是总结分析其失败原因和带来的启示。另一方面，可以从一个导游者的角度，带领学生进行“生物圈2号”虚拟参观，让学生以游记的形式记录所见所闻，或以当年进入“生物圈2号”的科学家的口气描述实验的过程，反思其失败的原因。
关于我国生态工程前景的分析与展望的教学，应在总结中西方生态工程区别的基础上，突出我国生态工程的特点，还可以让学生搜集古代哲学家的思想对生态工程和环境保护影响的名句。同时，应让学生理解建立生态工程是人们不得已而为之的，存在一定的局限性，而保护环境、建立循环经济是最根本的。可以引领学生分析“思考与探究”第1题中关于朝鲜三八线的例子，思考从一片没有生命的焦土到生机勃勃的野生生物的乐园这一过程中带给人们的启示。
四、答案与提示
（一）思考与探究
1.分析朝鲜三八线的资料（具体资料见教材），说明它所蕴涵的意义。
提示：生态工程的恢复作用是有限的，不能认为只要有了生态工程，就可以先污染，后治理。人类迄今尚没有能力完全模拟出自然的生态系统。自然生态系统发展到今天已经过几十亿年的进化，每平方公里每年的无形服务价值高达6.4万美元，而为了达到同样的效果，用人工制造和模拟的办法，人类至少要花费10亿美元还不尽如人意。
另一方面，自然生态系统具有相当的自我恢复能力，我们在生态工程建设中应该积极利用自然生态系统的这种能力，以节省投资。
2.在我国北方地区，由于冬天气温很低，会导致农作物不能生长，家畜生长缓慢，甚至停止，沼气池不能正常产气；而农民要解决蔬菜的不间断生产问题。很显然，大量使用造价昂贵、并用燃料加热的玻璃温室是不符合我国国情的。你能用所学知识，设计一种生态工程，来较好地解决上述问题吗？请在画出其物质和能量结构图的基础上，说明你所依据的生态工程原理。
提示：（以下为参考答案，可让同学们进行其他设计）
教材中“四位一体”的图所示为近年来出现在我国北方农区的一种生态工程类型，它较好地解决了习题中所述问题。“四位”指沼气池、猪禽舍、厕所及日光温室四部分，是庭院经济与生态农业相结合的一种生产模式。它的运行原理为：日光温室的增温效应可使蔬菜等作物在冬天也能正常生长；同时也使猪禽免受严寒而快速生长；温室内的植物为动物提供氧气，同时吸收二氧化碳；人、猪、禽的粪尿及蔬菜废弃物和秸秆等物质投入沼气池产气，同时温室的高温也提高了沼气在冬天的产气稳定性；沼液和沼渣又是蔬菜的良好肥料，有助于减少蔬菜的病虫害，提高蔬菜的产量和质量。
“四位一体”充分应用了物质循环和生物多样性等原理，提高了单位土地面积的产出，同时减少了环境污染，大大提高了农业的综合效益。“四位一体”的物质循环见图5-2：
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图5-2“四位一体”生态工程物质循环示意图
（二）正文中讨论题
【农村综合发展型生态工程案例】
1.在这一案例中，主要运用了哪些生态工程的基本原理？
提示：物质循环再生原理、整体性原理、物种多样性原理等。
2.这一生态系统的结构和功能有哪些特点？有哪些值得借鉴的做法？
提示：这个案例以沼气工程为核心，农林牧副渔各业全面发展，增加了劳动力就业机会，促进了经济发展；同时又降低了环境污染，促进了农村的可持续发展。
【小流域综合治理生态工程案例】
分析甘肃省陇南县的“九子登科”模式，在说明“九子”措施含义的基础上，谈谈你对小流域综合治理生态工程的理解。
补充资料──“九子登科”措施的具体意义
●山顶戴帽子：山头实行封禁管理、营造水土保持林，保护和恢复植被；
●山腰系带子：半山陡坡退耕还林还草，发挥林草拦蓄作用，减少径流；
●坡地修台子：坡耕地以坡改梯田为突破口，建设基本农田，为调整农业产业结构提供条件；
●地埂锁边子：充分利用地埂种植经济作物，既获得经济效益，又保护地埂；
●荒地荒沟栽苗子：在荒山、荒沟、荒坡地建设薪炭林；
●山脚种果子：山脚发展经济林果园，促进商品经济发展；
●沟底穿靴子：在干、支、毛沟沟底修建谷坊、拦挡坝，建设沟坝地，拦蓄泥沙，防止沟壑被水冲蚀而导致其不断扩张；
●见缝插针钉扣子：利用田间地头、房前屋后栽植林果，发挥零星作用，提高治理程度；
●秋田盖罩子：在缓坡耕地改顺坡种植为横坡等高种植、实行地膜覆盖等保土耕作措施。
1.小流域的综合治理，“综合”表现在哪些方面？
提示： “综合”表现在它一改以前的单纯造林和蓄水、减沙等工程模式，同时考虑到了生态效益和经济效益：不但注重通过还林、还草、筑坝等措施达到蓄水、降低土壤侵蚀的生态效果；还考虑如何提高人们的生活水平。例如，不但种植农作物，还同时种植经济作物来提高人们的收入；考虑到了种植薪柴林解决人们的燃料来源问题。各种措施的结果是建立一个稳定、持久、高效的生态系统。
2.为什么要针对不同的地形采取不同的措施？这体现了生态工程的什么原理？
提示：山顶土壤条件、气候条件恶劣，不宜蓄水，交通不便，改造成本高，适宜封山，依靠自然恢复力来恢复植被；山腰、荒地等土壤，虽然水分条件较好，但是仍不适宜种植农作物，对于这样的地方可以自然恢复，也可以人为种植适宜的林木、草或果树等，加快植被恢复速度，这样既能降低土壤侵蚀，又能创造一定的经济效益；对沟底而言，应建设堤坝系统，它可以蓄水和淤积土地，还能够减少山体的崩塌和滑坡，保证人民的生命财产安全；对坡地和山脚农田来说，土壤、水分条件良好，交通也较方便，土地生产力高，适宜种植农作物来解决人们的粮食和收入等问题，但是在坡地上要水平梯田种植，以减少水土流失。根据不同的地形采取不同的措施，既要考虑到生态效益，又要考虑到人们的生活和收入问题，这体现了生态工程协调与平衡、因地制宜的原理和思想。
3.从这一案例看，当地是怎么做到经济效益与生态效益相统一的？这一模式在其他小流域能够照搬吗？
提示：上题分析中已解答了经济效益与生态效益的统一问题。这种模式在其他小流域不能照搬，还是要因地制宜地进行生态工程建设，不同气候带、不同自然条件和不同经济发展水平的地区，其生态工程的模式应各具特色。
【大区域生态系统恢复工程──“三北”防护林案例】
1.国家为什么投入巨大的人力和物力兴建三北防护林工程？这一工程为什么需要如此漫长的时间？
提示：三北防护林跨越中国13个省、直辖市、自治区，对我国具有重要的意义：生态环境的质量关系到这一地区人民的生产和生活问题，对维护社会稳定具有重要意义；更重要的是，这一地区的生态环境关系到下游地区人民的生产、生活和经济发展，如黄河上游的水土流失容易导致下游地区的洪水泛滥，而危害巨大的沙尘暴的发生也与这一地区的土地沙漠化关系密切；同时这里自然矿产资源丰富，对我国的经济发展和国家安全具有重要战略意义。
这一地区区域广阔，气候、自然条件复杂，总体经济发展水平较低等情况也决定了这个工程需要较长的时间，非一朝一夕之功。
2.这一工程横跨多个省区，根据协调与平衡原理和生物多样性原理，不同地区在造林设计上应当注意什么问题？
提示：首先应考虑树种的生态适应性问题，种植适宜品种，宜林则林，宜灌则灌，宜草则草；其次要考虑树种的多样性，保证防护林体系的稳定性；不同地区应根据当地情况采取不同的策略，如条件恶劣的地区应该结合自然恢复力，而农区的防护林中农田防护林网可能占较大比重。
【湿地生态恢复工程案例】
1.当初人们为什么要围湖造田？
提示：主要原因：我国历来人多地少，在“以粮为纲”的年代，围湖造田，种植农作物，以生产更多的粮食；片面强调经济发展，没有认识到湖泊的巨大生态调节功能也是重要原因。
2.为什么说“退耕还湖”是一项巨大的系统工程？实施这一工程面临的主要困难是什么？
提示：退耕还湖不仅包括退耕地为湖区，还包括退耕后湖区上游以及湖区周围的生态环境保护工作；更重要的是原耕地上居民的迁移，要解决迁出居民的生活和就业等问题，这是退耕还湖工程的主要困难。
3.地处湖区上游的人们对湿地恢复生态工程负有什么责任？
提示：保护环境，减少水土流失和水污染。例如,减少工厂、生活污水往水体中的排放，农田中减少化肥和农药的施用量等。
【矿区废弃地的生态恢复工程案例】
1.在这一案例中，恢复植被的措施是植树和种草，为什么不是种植农作物？
提示：矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长，因此代之以适应性强，耐旱的灌木、草和树。
2.怎样合理地筹划养殖肉牛的数量？
提示：首先要考虑到牧草的产量，以草定畜；从外地调运饲料要考虑饲养成本；更重要的是要考虑到土地对粪肥的承载力,以及对粪肥的加工或利用情况，要保持在承载力范围以内，以免养殖规模过大，粪肥数量巨大而造成新的污染。
3.除煤矿外，你知道还有哪些矿区吗？这些矿区的恢复工程与煤矿是否有不同之处？
提示：除煤矿外，还有金矿、铁矿等。这些生态恢复工程最重要的是改良表土，恢复植被，但要因地制宜。
【城市生态工程】
1.汽车尾气是城市大气污染的主要来源之一，汽车噪声又是城市噪声污染的主要来源。你认为应当限制城市居民购买汽车吗？为什么？如果不限制，应当采取什么措施来减少由汽车造成的污染？
提示：减少污染的措施：制定法律法规，禁止市区内鸣笛，禁止使用含铅汽油，鼓励使用电力、天然气等无污染能源的新型汽车，以及对其的研究和应用等。
2.城市的水污染问题应当采取哪些措施来解决？每一个城市居民应当在这方面承担什么责任和义务？
提示：减少或禁止工厂的污水排放；进行污水净化回收利用；实行雨水和污水分流。
每一个城市居民都应该树立节水意识、宣传节水的意义，家庭生活中应该使用无磷洗衣粉和洗涤剂，制止或减少生活中的水污染行为。
（三）旁栏思考题
发达国家与我国的生态工程建设强调的重点有所不同，为什么？
提示：发达国家经济发展水平较高，人均土地、水等资源占有量较多，所以这些国家的生态工程往往注重生态恢复，而较少注重经济效益。而我国人口较多，人均土地、水资源和能源占有量少，所以在进行生态工程时，一定要注重生态效益、社会效益和经济效益的统一。
五、知识拓展
1.你知道美国的罗斯福工程吗？
19世纪中叶，美国鼓励向半干旱的西部大草原移民开荒，认为这是既发展西部又解决就业问题的聪明之举。1860～1890年间，90 000 km2不宜作为农田的天然草原被开垦。但由于农作物的地面覆盖远没有草地来得有效，加上过度垦、牧造成土地大面积沙化，从而提供了沙尘源。从20世纪30年代起，沙尘暴渐成气候。1934年5月12日，一场巨大的风暴席卷了美国东部与加拿大西部的辽阔土地。风暴从美国西部土地破坏最严重的干旱地区刮起，形成一个东西长2 400 km，南北宽1 500 km，高3.2 km的巨大的移动尘土带，空气中含沙量达40 t/km3，遮天蔽日，向东部横扫过去，直达首都华盛顿。风暴持续了3天，掠过了美国2/3的大地，约3×108 t土壤被刮走。风过之处，水井、溪流干涸，牛羊死亡，冬小麦严重减产，人们背井离乡。这就是震惊世界的“黑风暴”（Dust Bowl）事件。类似事件后来又发生过若干起。
1934年起罗斯福总统紧急实施“大草原各州林业工程”，即“罗斯福工程”。工程规划沿西经100度线种植一条纵贯美国的防护林带，南北长约1 850 km，东西宽160 km，建设范围约1 851.5×104 hm2。用了约8年时间（1935～1942年），营造林带总长28 962 km，面积约105 hm2。到20世纪80年代中期，人工营造的防护林带总长16×104 km，面积约65×104 hm2。
在开展造林工程的同时，美国成立了土壤保持局，鼓励各州采取土壤保持措施，如农田免耕、覆盖、休耕、粮草轮作、退耕还草等措施；同时把新垦地上的几十万居民举家迁往西海岸。这些系统的生态治理措施，使得美国后来基本上控制了黑风暴。这是人类应用生态工程改造环境的一个良好案例。
2.你知道“斯大林改造大自然计划”的前因和后果吗？
前苏联从1954年开始提出“让荒地服务于社会主义”的口号，在哈萨克、乌拉尔等地的半干旱草原上，10年之内盲目开垦了约6×105 km2土地。这虽然一度使前苏联粮食年产量增加了大约2/3，但却造成了植被和表土结构的破坏。在1960年3月和4月，两次出现大面积黑风暴，仅哈萨克新垦区农田就被毁了2×105 km2。其农耕系统几乎瘫痪，连邻国罗马尼亚、匈牙利和南斯拉夫也都尘土迷漫。比黑风暴波及更广、持续更长的，是同时发生并绵延至今的白风暴。前苏联在土库曼斯坦卡拉库姆沙漠中修建卡拉库姆运河，从亚洲第三大湖咸海的主要水源──阿姆河调水，灌溉农田和草场。这种“创造性地再造自然”带来了一系列生态环境问题：阿姆河河水被截走，使得阿姆河下游的咸海水位急剧下降，30年间湖岸线后退了10～20 km，咸海湖底盐碱裸露，周围地区沙化严重，“白风暴”（含盐尘的风暴）接踵而来，不仅使咸海附近的环境荒漠化，还永久性地毁灭了60%的新垦区，使其成为生命的禁区，导致了不可逆转的生态灾难。
1948年，前苏联实行了“苏联欧洲部分草原和森林草原地区营造农田防护林，实行草田轮用，修建池塘和水库，以确保农业稳产高产计划”，这就是所谓的“斯大林改造大自然计划”。规划用17年时间（1949～1965年），营造各种防护林57×105 hm2。实际营造各种防护林287×104 hm2。1967年，前苏联发布“关于防止土壤侵蚀紧急措施”的决议，将营造各种防护林列为防止土壤侵蚀的主要措施，再次把防护林建设列入国家计划。到1985年，前苏联已营造防护林约55×105 hm2；国家防护林带13.3×104 hm2，总长11 500 km，这些林带分布在分水岭、平原、大河两岸、道路两旁，对调节径流、改善小气候、提高农作物产量等起到明显作用。20世纪80年代末期，前苏联解体，防护林大规模营造活动中止。
从总体上看，前苏联把生态恢复和保护工程片面理解为只是营造农田防护林网，而且是“改造”自然的行动；但伴随造林工程的不是退耕还林还草，反而是耕种面积的进一步扩展和生产用水扩大。其结果是虽然到1953年营建的防护林近23×105 hm2，但到20世纪60年代末，保存下来的防护林面积只有2%，其结果就是生态环境局部变好而整体恶化。
3.最近这些年来我国北方沙尘暴问题日益严重的主要原因是什么？
沙尘暴的形成及其大小，直接取决于风力、气温、降水及与其相关的土壤表层状况。气候异常、高空气流运动、气温升高是造成沙尘暴的主要原因；降水稀少导致表层土壤干燥、疏松；植被破坏、沙化土地不断扩展是沙尘暴频繁发生的重要原因，而这与人类的毁林毁草开荒、过度放牧、滥樵滥采等破坏活动密切相关；同时城市建设中工地裸露也是扬沙浮尘天气的原因之一。
4.有什么新方法处理农作物的秸秆？
秸秆还田、青贮饲料、沼气发酵和秸秆汽化等。
秸秆汽化技术是近年来发展的一项较新的秸秆利用技术。秸秆经过汽化后，生成可燃气体（相当于发生炉煤气），用于农村居民的炊事及采暖，也可生产电力。这种技术比秸秆在作为燃料使用时的热效率大大提高，可以更有效地利用，并减少了环境污染。
5.薪炭林种植的树种有什么特点？
薪炭林具有生长稳定、速生、高产、发芽率高、热值高等特性，包括天然林和人工林。发展以生产燃料为主要目的薪炭林是我国森林发展的重要方面。发展薪炭林，不仅关系着我国林业建设成效，也是缓解我国薪材供求矛盾和农村能源短缺的重要措施，对于改善林种树种结构，增强森林适应社会和抗御自然灾害能力，维护和改善生态环境，促进秸秆、畜粪还田和农村经济发展都具有重大战略作用。
6.生物净化生态工程如何用于解决水体的富营养化？
包括养殖场、屠宰场废水在内的高浓度有机废水，虽然经过厌氧处理（沼气发酵），可以有效的降低生物耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD），但是沼液中大量的氮、磷养分并未脱去。如果集中排入水体，仍然可能导致富营养化。这种情况与由于面源污染和城市污水引起的富营养化是一样的。关键是如何能有效地脱出过多的氮、磷等，以至脱去水中的重金属。原中国水稻所科技人员创造了用浮床种植特殊的水生、半水生植物的办法，较好的解决了这个问题，所定期采收的绿色植物体有的可以直接用做饲料，或加工成绿肥，有的甚至在大量干燥处理后进行金属的熔炼，提取铜、锌、汞等金属。目前国内外都有类似的试验。该技术一般在1～2年内就能使水体内原来的劣Ⅴ类标准净化达到Ⅲ类标准，并能使沉水植物和底栖生物等水生生物得到自然恢复，使水生态系统逐步达到稳定状态。
7.“生物圈2号”生物群落分区的情况是怎样的？
（1）人类居住区
这是首批“生态航行者”曾居住过的房间，现以博物馆的形式向公众开放。在第一层准备了一个有关地球发生气候变化的展览。通过电脑演示，参观者可以发现，当温室效应增强时，地球上将可能发生什么情况，并且可以参与设想各种拯救地球的方案。
（2）“肺”（大气扩张室）
在“生物圈2号”中，“肺”的作用是贮存缓冲空气，并推动空气在“生物圈2号”中的运动，以适应“生物圈2号”内的压力变化，这样可以避免温室发生爆炸。
（3）农业区
温室的农业区称为精细农业生态区，在那里生产科学家所需要的食物，还要进行恶劣条件下可持续农业的实验。
（4）沙漠
在“生物圈2号”内模拟的沙漠是以美国加利福尼亚沿海沙漠的生态系统为样板（冬季靠雨水灌溉）。目前正在进行的研究,是为了确定生物体在多大程度上能够适应这种土壤条件，尤其是适应湿度的重大变化。移植的植物大部分是所谓的“多汁”植物（肉质植物），其中包括各种仙人掌。
（5）热带雨林
模拟热带雨林的生态系统区占地约2 000 m2，最高处达28 m。这个区域包括了绝大部分热带植物，其中以亚马孙河流域的物种占多数。该生态区内部为各个物种提供了8个不同的生态环境，其中有山脉、河流、瀑布和芦苇丛生的湖泊等。
（6）热带草原
这个区域分为两个部分，分别种植着不同植物。一部分由佛罗里达州大沼泽地岛上的水生植物和各种金合欢属植物（经过挑选，以便进行生产橡胶的试验）组成，另一部分则长满果树，主要是芒果树。
（7）海洋
海洋以加勒比海珊瑚礁的生态系统为样板，由一个3 500 m2的大水池构成海洋。选择的物种较齐全，从浮游生物到大型捕食动物都有。目前的研究涉及珊瑚礁的营养循环，以及过量的二氧化碳对珊瑚生长的负面影响。
8.“生物圈2号”用了多长时间建成？
“生物圈2号”于1986年11月破土动工。1991年9月，第一批8名实验者进入其中并开始实验。1993年2月，向“生物圈2号”输氧，人员撤出。1994年2月第二批7名实验者进入其中，几个月后撤出，实验失败。
9.什么是“精确农业”？
精确农业（precision agriculture，PA），或称精细农业、精准农业，是大约20年前在美国明尼苏达大学的土壤学者倡导下开始探索的环境保护型农业的通称。作为基于信息高科技的集约农业，PA将遥感、地理信息系统、全球定位系统等技术与作物生长模型、作物—土壤养分动态等农学技术，以及传感技术、电脑控制喷洒施肥装置等农业机械技术结合起来，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，进行因地（土地空间分布）制宜地精确施肥和用药，做到增产、节肥（药）、节水和减少农业化学品对环境的污染，同时实现生产率的提高和可持续发展。
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，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。
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图5-1桑基鱼塘系统物质循环和能量流动示意图
（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，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，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5～10 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1.5～3 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，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，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：① 自然界、农业和城市生态系统之间的能动性相互关系；② 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 society’s 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 design 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”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 kg，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；20～24 ℃，活动正常；28～30 ℃，最旺盛，产生沼气率最高。
●酸碱度。沼气发酵适宜的pH为6.5～7.5，最适pH是6.8～7.0。
●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。
5.2 生态工程的实例和发展前景
一、教学目标
1.举例说出生态工程的实例，说出这些实例所运用的主要生态工程原理。
2.评述生态工程发展前景，说出生态工程的局限性，举例说出我国生态工程的特点。
3.尝试设计简单的生态工程。
二、教学重点和难点
1.教学重点
生态工程的实例。
2.教学难点
应用生态工程的原理，设计简单的生态工程。
三、教学策略
教材选择的六个生态工程各有特色，教师可以根据学生的经验，区域的特点进行选择，“搭配”出适于学生学习的内容。例如，在第一节的教学中组织了实践活动《调查沼气工程的实施情况》，教师要精心设计参观内容，让学生通过调查，总结出以沼气工程为中心的农村综合发展型生态工程的特点。
小流域综合治理生态工程的教学可以通过资料分析进行；如果学生的家乡有这类问题，教师就应从社会调查入手开展教学活动，使学生对具有我国特色的生态工程有一定的了解。教学中要注意强调我国农民和科技工作者在实践中的创造，让学生理解实践出真知的道理，培养学生求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。
大区域生态系统恢复工程的教学，师生可以通过搜集资料了解我国沙漠化现状和三北防护林建设的背景、发展前景及存在的问题。在有条件的地区，应组织学生开展植树等志愿者活动，积极参加生态工程的建设。
湿地生态恢复工程的教学，可适当加入湿地的生态功能、我国湿地面临的问题，以及生物多样性的保护等内容。可采取聘请专家开设专题讲座等多种方式进行，也可以组织志愿者活动，如去湿地观鸟、考察等，让学生重视湿地生态系统的保护，关注湿地生态恢复工程的建设，在教学中注意整体性原理的应用。
关于矿区废弃地生态恢复工程的教学，如果学生没有这方面的经验，除教材中的实例外，教师可查阅相关资料，如向学生介绍德国的矿区废弃地生态恢复工程（德国在这方面的工作很有特点）。
城市环境生态工程的教学，一种方式是对环境问题进行调查，组织学生进行研究性学习，如将学生分成不同的课题小组，分专题研究城市生态系统的主要问题，调查城市生态工程的现状，以小专题（如校园或小区绿化）的形式设计城市生态工程，撰写调查报告和开答辩会等。另一种方式是可以带领学生调查城市生态系统存在的问题，讨论目前所采用办法的利与弊，并在有条件的地方，组织学生参观城市环境生态工程，如污水处理厂、生态园区等。但无论哪种教学模式，都要把教学落实在学生的行动上，积极组织学生参加生态工程的建设和环保活动，提高学生的环保意识，并用行动教育周围的居民自觉地保护环境。
关于“生物圈2号”内容的教学，虽然“生物圈2号”在初中和高中必修模块中都有介绍，但作为人工模拟自然生态系统的工程，在本专题中还有必要进行认真地分析。对这部分内容的讲授，一方面是从科学实验的角度学习，如教师提出实验方案，与学生讨论其设计思路，最主要的是总结分析其失败原因和带来的启示。另一方面，可以从一个导游者的角度，带领学生进行“生物圈2号”虚拟参观，让学生以游记的形式记录所见所闻，或以当年进入“生物圈2号”的科学家的口气描述实验的过程，反思其失败的原因。
关于我国生态工程前景的分析与展望的教学，应在总结中西方生态工程区别的基础上，突出我国生态工程的特点，还可以让学生搜集古代哲学家的思想对生态工程和环境保护影响的名句。同时，应让学生理解建立生态工程是人们不得已而为之的，存在一定的局限性，而保护环境、建立循环经济是最根本的。可以引领学生分析“思考与探究”第1题中关于朝鲜三八线的例子，思考从一片没有生命的焦土到生机勃勃的野生生物的乐园这一过程中带给人们的启示。
四、答案与提示
（一）思考与探究
1.分析朝鲜三八线的资料（具体资料见教材），说明它所蕴涵的意义。
提示：生态工程的恢复作用是有限的，不能认为只要有了生态工程，就可以先污染，后治理。人类迄今尚没有能力完全模拟出自然的生态系统。自然生态系统发展到今天已经过几十亿年的进化，每平方公里每年的无形服务价值高达6.4万美元，而为了达到同样的效果，用人工制造和模拟的办法，人类至少要花费10亿美元还不尽如人意。
另一方面，自然生态系统具有相当的自我恢复能力，我们在生态工程建设中应该积极利用自然生态系统的这种能力，以节省投资。
2.在我国北方地区，由于冬天气温很低，会导致农作物不能生长，家畜生长缓慢，甚至停止，沼气池不能正常产气；而农民要解决蔬菜的不间断生产问题。很显然，大量使用造价昂贵、并用燃料加热的玻璃温室是不符合我国国情的。你能用所学知识，设计一种生态工程，来较好地解决上述问题吗？请在画出其物质和能量结构图的基础上，说明你所依据的生态工程原理。
提示：（以下为参考答案，可让同学们进行其他设计）
教材中“四位一体”的图所示为近年来出现在我国北方农区的一种生态工程类型，它较好地解决了习题中所述问题。“四位”指沼气池、猪禽舍、厕所及日光温室四部分，是庭院经济与生态农业相结合的一种生产模式。它的运行原理为：日光温室的增温效应可使蔬菜等作物在冬天也能正常生长；同时也使猪禽免受严寒而快速生长；温室内的植物为动物提供氧气，同时吸收二氧化碳；人、猪、禽的粪尿及蔬菜废弃物和秸秆等物质投入沼气池产气，同时温室的高温也提高了沼气在冬天的产气稳定性；沼液和沼渣又是蔬菜的良好肥料，有助于减少蔬菜的病虫害，提高蔬菜的产量和质量。
“四位一体”充分应用了物质循环和生物多样性等原理，提高了单位土地面积的产出，同时减少了环境污染，大大提高了农业的综合效益。“四位一体”的物质循环见图5-2：
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图5-2“四位一体”生态工程物质循环示意图
（二）正文中讨论题
【农村综合发展型生态工程案例】
1.在这一案例中，主要运用了哪些生态工程的基本原理？
提示：物质循环再生原理、整体性原理、物种多样性原理等。
2.这一生态系统的结构和功能有哪些特点？有哪些值得借鉴的做法？
提示：这个案例以沼气工程为核心，农林牧副渔各业全面发展，增加了劳动力就业机会，促进了经济发展；同时又降低了环境污染，促进了农村的可持续发展。
【小流域综合治理生态工程案例】
分析甘肃省陇南县的“九子登科”模式，在说明“九子”措施含义的基础上，谈谈你对小流域综合治理生态工程的理解。
补充资料──“九子登科”措施的具体意义
●山顶戴帽子：山头实行封禁管理、营造水土保持林，保护和恢复植被；
●山腰系带子：半山陡坡退耕还林还草，发挥林草拦蓄作用，减少径流；
●坡地修台子：坡耕地以坡改梯田为突破口，建设基本农田，为调整农业产业结构提供条件；
●地埂锁边子：充分利用地埂种植经济作物，既获得经济效益，又保护地埂；
●荒地荒沟栽苗子：在荒山、荒沟、荒坡地建设薪炭林；
●山脚种果子：山脚发展经济林果园，促进商品经济发展；
●沟底穿靴子：在干、支、毛沟沟底修建谷坊、拦挡坝，建设沟坝地，拦蓄泥沙，防止沟壑被水冲蚀而导致其不断扩张；
●见缝插针钉扣子：利用田间地头、房前屋后栽植林果，发挥零星作用，提高治理程度；
●秋田盖罩子：在缓坡耕地改顺坡种植为横坡等高种植、实行地膜覆盖等保土耕作措施。
1.小流域的综合治理，“综合”表现在哪些方面？
提示： “综合”表现在它一改以前的单纯造林和蓄水、减沙等工程模式，同时考虑到了生态效益和经济效益：不但注重通过还林、还草、筑坝等措施达到蓄水、降低土壤侵蚀的生态效果；还考虑如何提高人们的生活水平。例如，不但种植农作物，还同时种植经济作物来提高人们的收入；考虑到了种植薪柴林解决人们的燃料来源问题。各种措施的结果是建立一个稳定、持久、高效的生态系统。
2.为什么要针对不同的地形采取不同的措施？这体现了生态工程的什么原理？
提示：山顶土壤条件、气候条件恶劣，不宜蓄水，交通不便，改造成本高，适宜封山，依靠自然恢复力来恢复植被；山腰、荒地等土壤，虽然水分条件较好，但是仍不适宜种植农作物，对于这样的地方可以自然恢复，也可以人为种植适宜的林木、草或果树等，加快植被恢复速度，这样既能降低土壤侵蚀，又能创造一定的经济效益；对沟底而言，应建设堤坝系统，它可以蓄水和淤积土地，还能够减少山体的崩塌和滑坡，保证人民的生命财产安全；对坡地和山脚农田来说，土壤、水分条件良好，交通也较方便，土地生产力高，适宜种植农作物来解决人们的粮食和收入等问题，但是在坡地上要水平梯田种植，以减少水土流失。根据不同的地形采取不同的措施，既要考虑到生态效益，又要考虑到人们的生活和收入问题，这体现了生态工程协调与平衡、因地制宜的原理和思想。
3.从这一案例看，当地是怎么做到经济效益与生态效益相统一的？这一模式在其他小流域能够照搬吗？
提示：上题分析中已解答了经济效益与生态效益的统一问题。这种模式在其他小流域不能照搬，还是要因地制宜地进行生态工程建设，不同气候带、不同自然条件和不同经济发展水平的地区，其生态工程的模式应各具特色。
【大区域生态系统恢复工程──“三北”防护林案例】
1.国家为什么投入巨大的人力和物力兴建三北防护林工程？这一工程为什么需要如此漫长的时间？
提示：三北防护林跨越中国13个省、直辖市、自治区，对我国具有重要的意义：生态环境的质量关系到这一地区人民的生产和生活问题，对维护社会稳定具有重要意义；更重要的是，这一地区的生态环境关系到下游地区人民的生产、生活和经济发展，如黄河上游的水土流失容易导致下游地区的洪水泛滥，而危害巨大的沙尘暴的发生也与这一地区的土地沙漠化关系密切；同时这里自然矿产资源丰富，对我国的经济发展和国家安全具有重要战略意义。
这一地区区域广阔，气候、自然条件复杂，总体经济发展水平较低等情况也决定了这个工程需要较长的时间，非一朝一夕之功。
2.这一工程横跨多个省区，根据协调与平衡原理和生物多样性原理，不同地区在造林设计上应当注意什么问题？
提示：首先应考虑树种的生态适应性问题，种植适宜品种，宜林则林，宜灌则灌，宜草则草；其次要考虑树种的多样性，保证防护林体系的稳定性；不同地区应根据当地情况采取不同的策略，如条件恶劣的地区应该结合自然恢复力，而农区的防护林中农田防护林网可能占较大比重。
【湿地生态恢复工程案例】
1.当初人们为什么要围湖造田？
提示：主要原因：我国历来人多地少，在“以粮为纲”的年代，围湖造田，种植农作物，以生产更多的粮食；片面强调经济发展，没有认识到湖泊的巨大生态调节功能也是重要原因。
2.为什么说“退耕还湖”是一项巨大的系统工程？实施这一工程面临的主要困难是什么？
提示：退耕还湖不仅包括退耕地为湖区，还包括退耕后湖区上游以及湖区周围的生态环境保护工作；更重要的是原耕地上居民的迁移，要解决迁出居民的生活和就业等问题，这是退耕还湖工程的主要困难。
3.地处湖区上游的人们对湿地恢复生态工程负有什么责任？
提示：保护环境，减少水土流失和水污染。例如,减少工厂、生活污水往水体中的排放，农田中减少化肥和农药的施用量等。
【矿区废弃地的生态恢复工程案例】
1.在这一案例中，恢复植被的措施是植树和种草，为什么不是种植农作物？
提示：矿区土壤条件恶劣，不适宜农作物的生长，因此代之以适应性强，耐旱的灌木、草和树。
2.怎样合理地筹划养殖肉牛的数量？
提示：首先要考虑到牧草的产量，以草定畜；从外地调运饲料要考虑饲养成本；更重要的是要考虑到土地对粪肥的承载力,以及对粪肥的加工或利用情况，要保持在承载力范围以内，以免养殖规模过大，粪肥数量巨大而造成新的污染。
3.除煤矿外，你知道还有哪些矿区吗？这些矿区的恢复工程与煤矿是否有不同之处？
提示：除煤矿外，还有金矿、铁矿等。这些生态恢复工程最重要的是改良表土，恢复植被，但要因地制宜。
【城市生态工程】
1.汽车尾气是城市大气污染的主要来源之一，汽车噪声又是城市噪声污染的主要来源。你认为应当限制城市居民购买汽车吗？为什么？如果不限制，应当采取什么措施来减少由汽车造成的污染？
提示：减少污染的措施：制定法律法规，禁止市区内鸣笛，禁止使用含铅汽油，鼓励使用电力、天然气等无污染能源的新型汽车，以及对其的研究和应用等。
2.城市的水污染问题应当采取哪些措施来解决？每一个城市居民应当在这方面承担什么责任和义务？
提示：减少或禁止工厂的污水排放；进行污水净化回收利用；实行雨水和污水分流。
每一个城市居民都应该树立节水意识、宣传节水的意义，家庭生活中应该使用无磷洗衣粉和洗涤剂，制止或减少生活中的水污染行为。
（三）旁栏思考题
发达国家与我国的生态工程建设强调的重点有所不同，为什么？
提示：发达国家经济发展水平较高，人均土地、水等资源占有量较多，所以这些国家的生态工程往往注重生态恢复，而较少注重经济效益。而我国人口较多，人均土地、水资源和能源占有量少，所以在进行生态工程时，一定要注重生态效益、社会效益和经济效益的统一。
五、知识拓展
1.你知道美国的罗斯福工程吗？
19世纪中叶，美国鼓励向半干旱的西部大草原移民开荒，认为这是既发展西部又解决就业问题的聪明之举。1860～1890年间，90 000 km2不宜作为农田的天然草原被开垦。但由于农作物的地面覆盖远没有草地来得有效，加上过度垦、牧造成土地大面积沙化，从而提供了沙尘源。从20世纪30年代起，沙尘暴渐成气候。1934年5月12日，一场巨大的风暴席卷了美国东部与加拿大西部的辽阔土地。风暴从美国西部土地破坏最严重的干旱地区刮起，形成一个东西长2 400 km，南北宽1 500 km，高3.2 km的巨大的移动尘土带，空气中含沙量达40 t/km3，遮天蔽日，向东部横扫过去，直达首都华盛顿。风暴持续了3天，掠过了美国2/3的大地，约3×108 t土壤被刮走。风过之处，水井、溪流干涸，牛羊死亡，冬小麦严重减产，人们背井离乡。这就是震惊世界的“黑风暴”（Dust Bowl）事件。类似事件后来又发生过若干起。
1934年起罗斯福总统紧急实施“大草原各州林业工程”，即“罗斯福工程”。工程规划沿西经100度线种植一条纵贯美国的防护林带，南北长约1 850 km，东西宽160 km，建设范围约1 851.5×104 hm2。用了约8年时间（1935～1942年），营造林带总长28 962 km，面积约105 hm2。到20世纪80年代中期，人工营造的防护林带总长16×104 km，面积约65×104 hm2。
在开展造林工程的同时，美国成立了土壤保持局，鼓励各州采取土壤保持措施，如农田免耕、覆盖、休耕、粮草轮作、退耕还草等措施；同时把新垦地上的几十万居民举家迁往西海岸。这些系统的生态治理措施，使得美国后来基本上控制了黑风暴。这是人类应用生态工程改造环境的一个良好案例。
2.你知道“斯大林改造大自然计划”的前因和后果吗？
前苏联从1954年开始提出“让荒地服务于社会主义”的口号，在哈萨克、乌拉尔等地的半干旱草原上，10年之内盲目开垦了约6×105 km2土地。这虽然一度使前苏联粮食年产量增加了大约2/3，但却造成了植被和表土结构的破坏。在1960年3月和4月，两次出现大面积黑风暴，仅哈萨克新垦区农田就被毁了2×105 km2。其农耕系统几乎瘫痪，连邻国罗马尼亚、匈牙利和南斯拉夫也都尘土迷漫。比黑风暴波及更广、持续更长的，是同时发生并绵延至今的白风暴。前苏联在土库曼斯坦卡拉库姆沙漠中修建卡拉库姆运河，从亚洲第三大湖咸海的主要水源──阿姆河调水，灌溉农田和草场。这种“创造性地再造自然”带来了一系列生态环境问题：阿姆河河水被截走，使得阿姆河下游的咸海水位急剧下降，30年间湖岸线后退了10～20 km，咸海湖底盐碱裸露，周围地区沙化严重，“白风暴”（含盐尘的风暴）接踵而来，不仅使咸海附近的环境荒漠化，还永久性地毁灭了60%的新垦区，使其成为生命的禁区，导致了不可逆转的生态灾难。
1948年，前苏联实行了“苏联欧洲部分草原和森林草原地区营造农田防护林，实行草田轮用，修建池塘和水库，以确保农业稳产高产计划”，这就是所谓的“斯大林改造大自然计划”。规划用17年时间（1949～1965年），营造各种防护林57×105 hm2。实际营造各种防护林287×104 hm2。1967年，前苏联发布“关于防止土壤侵蚀紧急措施”的决议，将营造各种防护林列为防止土壤侵蚀的主要措施，再次把防护林建设列入国家计划。到1985年，前苏联已营造防护林约55×105 hm2；国家防护林带13.3×104 hm2，总长11 500 km，这些林带分布在分水岭、平原、大河两岸、道路两旁，对调节径流、改善小气候、提高农作物产量等起到明显作用。20世纪80年代末期，前苏联解体，防护林大规模营造活动中止。
从总体上看，前苏联把生态恢复和保护工程片面理解为只是营造农田防护林网，而且是“改造”自然的行动；但伴随造林工程的不是退耕还林还草，反而是耕种面积的进一步扩展和生产用水扩大。其结果是虽然到1953年营建的防护林近23×105 hm2，但到20世纪60年代末，保存下来的防护林面积只有2%，其结果就是生态环境局部变好而整体恶化。
3.最近这些年来我国北方沙尘暴问题日益严重的主要原因是什么？
沙尘暴的形成及其大小，直接取决于风力、气温、降水及与其相关的土壤表层状况。气候异常、高空气流运动、气温升高是造成沙尘暴的主要原因；降水稀少导致表层土壤干燥、疏松；植被破坏、沙化土地不断扩展是沙尘暴频繁发生的重要原因，而这与人类的毁林毁草开荒、过度放牧、滥樵滥采等破坏活动密切相关；同时城市建设中工地裸露也是扬沙浮尘天气的原因之一。
4.有什么新方法处理农作物的秸秆？
秸秆还田、青贮饲料、沼气发酵和秸秆汽化等。
秸秆汽化技术是近年来发展的一项较新的秸秆利用技术。秸秆经过汽化后，生成可燃气体（相当于发生炉煤气），用于农村居民的炊事及采暖，也可生产电力。这种技术比秸秆在作为燃料使用时的热效率大大提高，可以更有效地利用，并减少了环境污染。
5.薪炭林种植的树种有什么特点？
薪炭林具有生长稳定、速生、高产、发芽率高、热值高等特性，包括天然林和人工林。发展以生产燃料为主要目的薪炭林是我国森林发展的重要方面。发展薪炭林，不仅关系着我国林业建设成效，也是缓解我国薪材供求矛盾和农村能源短缺的重要措施，对于改善林种树种结构，增强森林适应社会和抗御自然灾害能力，维护和改善生态环境，促进秸秆、畜粪还田和农村经济发展都具有重大战略作用。
6.生物净化生态工程如何用于解决水体的富营养化？
包括养殖场、屠宰场废水在内的高浓度有机废水，虽然经过厌氧处理（沼气发酵），可以有效的降低生物耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD），但是沼液中大量的氮、磷养分并未脱去。如果集中排入水体，仍然可能导致富营养化。这种情况与由于面源污染和城市污水引起的富营养化是一样的。关键是如何能有效地脱出过多的氮、磷等，以至脱去水中的重金属。原中国水稻所科技人员创造了用浮床种植特殊的水生、半水生植物的办法，较好的解决了这个问题，所定期采收的绿色植物体有的可以直接用做饲料，或加工成绿肥，有的甚至在大量干燥处理后进行金属的熔炼，提取铜、锌、汞等金属。目前国内外都有类似的试验。该技术一般在1～2年内就能使水体内原来的劣Ⅴ类标准净化达到Ⅲ类标准，并能使沉水植物和底栖生物等水生生物得到自然恢复，使水生态系统逐步达到稳定状态。
7.“生物圈2号”生物群落分区的情况是怎样的？
（1）人类居住区
这是首批“生态航行者”曾居住过的房间，现以博物馆的形式向公众开放。在第一层准备了一个有关地球发生气候变化的展览。通过电脑演示，参观者可以发现，当温室效应增强时，地球上将可能发生什么情况，并且可以参与设想各种拯救地球的方案。
（2）“肺”（大气扩张室）
在“生物圈2号”中，“肺”的作用是贮存缓冲空气，并推动空气在“生物圈2号”中的运动，以适应“生物圈2号”内的压力变化，这样可以避免温室发生爆炸。
（3）农业区
温室的农业区称为精细农业生态区，在那里生产科学家所需要的食物，还要进行恶劣条件下可持续农业的实验。
（4）沙漠
在“生物圈2号”内模拟的沙漠是以美国加利福尼亚沿海沙漠的生态系统为样板（冬季靠雨水灌溉）。目前正在进行的研究,是为了确定生物体在多大程度上能够适应这种土壤条件，尤其是适应湿度的重大变化。移植的植物大部分是所谓的“多汁”植物（肉质植物），其中包括各种仙人掌。
（5）热带雨林
模拟热带雨林的生态系统区占地约2 000 m2，最高处达28 m。这个区域包括了绝大部分热带植物，其中以亚马孙河流域的物种占多数。该生态区内部为各个物种提供了8个不同的生态环境，其中有山脉、河流、瀑布和芦苇丛生的湖泊等。
（6）热带草原
这个区域分为两个部分，分别种植着不同植物。一部分由佛罗里达州大沼泽地岛上的水生植物和各种金合欢属植物（经过挑选，以便进行生产橡胶的试验）组成，另一部分则长满果树，主要是芒果树。
（7）海洋
海洋以加勒比海珊瑚礁的生态系统为样板，由一个3 500 m2的大水池构成海洋。选择的物种较齐全，从浮游生物到大型捕食动物都有。目前的研究涉及珊瑚礁的营养循环，以及过量的二氧化碳对珊瑚生长的负面影响。
8.“生物圈2号”用了多长时间建成？
“生物圈2号”于1986年11月破土动工。1991年9月，第一批8名实验者进入其中并开始实验。1993年2月，向“生物圈2号”输氧，人员撤出。1994年2月第二批7名实验者进入其中，几个月后撤出，实验失败。
9.什么是“精确农业”？
精确农业（precision agriculture，PA），或称精细农业、精准农业，是大约20年前在美国明尼苏达大学的土壤学者倡导下开始探索的环境保护型农业的通称。作为基于信息高科技的集约农业，PA将遥感、地理信息系统、全球定位系统等技术与作物生长模型、作物—土壤养分动态等农学技术，以及传感技术、电脑控制喷洒施肥装置等农业机械技术结合起来，实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，进行因地（土地空间分布）制宜地精确施肥和用药，做到增产、节肥（药）、节水和减少农业化学品对环境的污染，同时实现生产率的提高和可持续发展。