全 文 ：第1 8卷第6期
1 9 9 8年11月
生 态 学 报
ACTA ECoLoGICA SINICA
V0l|18。No．6
Nov ， 1998
生态工程设计研究进展及特点
f一 ——以黑龙江省肇东市玉米生态工程为例 U
县友～ 王如松
心系统生态开放研究室 北京 100080)
／
／
天津 300191)
摘要 生态工程设计是生态工程建设的按心。明确生态工程设计的特点，是进行良好的生态工程设计的根
奉瑚 过生态工程设计研究韪展的练连，执1o个方面， 肇东市玉米生志工程设计为例，分析了生态工程设计
的特点，并在此基础上，提出了今后进行生态工程设计应采取的策略。
关t词： 生态工程，机械工程，生物工程，设计，玉米。
THE PRoGRESS AND CHARACTERISTICS oF THE
ECoLoGICAL ENGINEERING DESIGN
— — W ITH CASE OF CORN ECOLoGICAL ENGINEERING IN ZHAoDoNG CITY
HEILoNGJIAN PROVINCE
(DSE，Research C for
Lu Bingyou W ang Rusong
l Solaces Chi~se Acadony口，Sciences，Beijing，100080，China)
Zhang Renwu
(AgricuLtural Em— m∞ Protection Institute，Tianjing·300191)
Abstract Ecological design is the center for construction of ecological engineering．The
key element of a good design for ecological engineering is to make the characteristics of the
design clear．After summerizing the study of the design，this paper analyzes its characteris—
tics hom ten aspects with the case on design of corn ecological engineering in Zhaodong．
Heilongjiang Province．Through it，several strategies adaptable are proposed．
Key words： ecological engineering，machinery engineering，biological engineering，design，
cO1"／1．
生态工程是应用生态系统中物种共生与循环再生的原理，结台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叫。作为一种有效前工程手段，生态工程已在诸如农业、林业、生态恢复 湿地
开发及废水处理等方面，取得了显著的效果0叫：，初步显示了其在解决人类面临的生态问题方面的重要性。
* 国家自然科学基金资助项 目(39570146)的一部分．
收稿日期：1997—10—14，修改稿收到日期t1998—04—20
**现工作单位为山东农业大学资环学院
．
，b
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生 态 学 报 18卷
但是也应该清醒地看到 ，生态工程的发展凭经验积累的多，靠科学设计的少；简单组合 的多，系统优化的
步。导致系统的可示范性差，推广难度大。其中关键是缺乏良好的设计，缺乏设计所必须的各种参数，没有
形成可操作性强的工程设计规范，特别是缺乏对生态工程设计的特点认识，不了解生态工程设计的优势和
不足，影响 了设计工作的完善。为此，本文 以黑龙江省肇东市玉米生态工程设计为倒，通过对生态工程设
计、机械工程设计及生物工程设计的对 比分析，深人探讨生态工程设计的特点，及设计完善的具体措施，以
期对生态工程建设工作的顺利进行起一定的促进作用。
1 生态工程设计研究的进展
1．1 生态工程设计问题的提出
作为生态工程发展的关键技术环节，生态工程设计随着生态工程的诞生而诞生。初期研究主要集中于
概念的界定和经验的总结，工程设计并未提到议事日程上来 ，直到8O年代初生态工程设计才开始成为学术
界关注的热点。德国的E．纳夫1984年明确提出 生态工程必须向生态设计发展 荷兰自然控制研究所的
c．c．V．Ieeuwen也提出。从生态系统到生态设计 的观点 ]。这与我国的研究工作遥相呼应。1984年于光远
在谈到留民营生态农业的设计 时指出+ 要办一十生态农场的第一件事，就是必须做好关于这个农场生态
系统的设计”。同年又给出了生态设计的概念，即。从生态学 的原理对生产、生活等各项建设进行设计，以取
得最好的环境和最好的效益”。随后，又有人从农业生态经济系统的角度，分别利用系统分析和系统动力学
方法，提出了进行科学的生态设计的原理、程序和方法 ～ ，为生态设计酊有序顺利进行，打下了良好的基
础。马世骏将生态设计总结为农业生态工程实践 中3十必需解决的问题之一，确定了其在生态工程中的战
略地位 。
1．2 研究进展
西方国家生态工程设计的研究比中国要早 一段时间，其设计 的指导思想和原则是充分发挥 自然生态
系统的自组织能力，尽量减少对生态系统的人为干预，系统是一十自我组织或自我设计的系统 ]。在此思
魍指导下，研究工作大多集中于利用湿地进行的废水处理 。其研究的规模主要从实验室、到大田甚至大
型的生物圈I号的设计。其中最早的设甘要属于1954年Odum模拟宏观生态系统设计建造的实验室模
式 ，是生态工程设计的雏形。最具有轰动效应的是1992年由Odum等人设计建造的生物圈 I号试验
室 n]，它将理论研究的成果具体应用到实践中，模拟研究大自然发展的基本规律 ，是生态工程设计的升华。
无论最终的效果如何，至少它给刚刚起步的生态工程设计研究工作提供了许多值得借鉴的东西 在此基础
一日．有关生态设计原理、原则也开始得到许多人的关注 ”]。纵观西方对生态工程设计的研究，可以看出．
西方国家一方面试图利用人类相对干预较少的生态系统的自我设计作用．探寻解决其所面临的生态问题
的方法f另一方面．又企图凭借其雄厚的经济实力+对自然生态系统进行模拟，以发现系统发展的基本规
律。但无论那一方面，其研究也只能算是刚刚起步，既缺乏成熟的理论指导．也未有可操作性强的模式产
生。
由于侧重点不同，中西方生态工程设计研究的领域也有所不同。中国的生态工程设计是在人类调控下
的自组织．重点强调人的主观能动性．同时充分利用自然界的自组织能力。因此，它所获得的是整体效益。
其设计在实践中的具体体现是生态农业设计 最初的生态农业设计是简单的、粗放的，但在一定范围内是
较完善的、高教的。如间作套种、立体种植等，这是与以农为主的生产方式分不开的。随着经济的发展．人们
对产品品种需求的增加，以及农村产业化的发展．农业生产 已经不单纯是种植业生产，还包括了畜牧业、林
业、渔业、加工业等多种行业，研究工作的重点才转向农林牧副渔；b~Y-多种组合的生态系统的设计。到8O年
代末．应用生态设计原理进行设计+并取得成功的实例才逐渐出现 “15_。由此，人们才真正意识到我国生态
农业建设已经进人 了生态设计阶段．并认为生态农业的生态设计就是资源生态设计+其设计应包括农业生
态系统的结构和工艺设计 ]。这与孙鸿良、张壬午等人的观点是一致的 "]。
生态工程设计与生态规划有着本质的区别，生态规化是指运用生态学原理及其相关学科的知识 ，通过
生态适宜性分析．寻求与自然和谐，资源潜力相适应的资源开发方式与社会经济发展途径[1 。生态工程设
计是指依据生态规划成果，对一项具体工程的组织实施进行的参数设计活动。
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卢兵友等 ：生态工程设计研究进展厦特点
我国的生态工程设计最初是从生态规勋开始的。此时，人们虽然已经意识到生态工程设计的重要性．
但真正开始进行设计的研究，首先必颤把被扰乱了的系统结构调整过来，必须 明确系统发展的方向和各个
时期的发展目标，固此t生态规划就成了过一时期的研究重点，研 究也相对比较多。但过分数学化、过分模
型化的规划设计 ．不久就显露出了其可操作性差、实用性差的弊端 为此，生态工程设计理所当然就成了
人们关注的焦点 。
2 几种工程设计的对比分析
一 项工程设计 -无论其采取的设计方法．和解决的问题有什么不同．都是一种创造性的工作，需要有创
造性的思维 ，通过创造性的劳询 ，获得不同于其它物品的产品。也只有这样，才达到了设计的目的 ．才给设
计赋予了实际的意义
关于生态工程、生物工程、环境工程等的区别，已有比较详细的研究 剐。但作为一种设计手段 ，不同
工程类型系统设计问的区别t却很步有人涉及过 ，而这是作为年轻的生态工程设计．向其它设计形式学习
重要途径。特别是已发展的很成熟的农业机械工程设计．和与生态工程有一定相似性的细胞工程的设计．
更是生态工程设计借鉴的基础 固此，研究几个工程设计间的异同，对尽快将生态工程引入正确的发展轨
道有着重要的意义 几种工程设计间的区别见表1。
表1 几种工程形式设计的区别
1able 1 he differentiation of deslgn am oRg several englneerlngs
对象
Focus
原理
Theory
目标
Goal
方法
Methnd
技术
Technology
调 控手段
Adjusting⋯ ses
自组织能力
Self—organization
区位性
Regionabty
组织方式
Combining forms
开放性
0permess
复台生态系统
Compk1 ecos~tem
经济学、生态学、社会学
Economy ecology and sccl。logy
三大效益
Economic，ecological and
sociological efficiency
系境工程
Systematic engin~ring
多样、综台
DJvexsity and integration
^工调控加生物调控
Artificial and biological
明显
High
明显
H h
松散
Incompact
半开放
Semlopenness
实物
Objective
机械工程
Machinery engineering
持久耐用
Function durability
机械工程
Machinery engineering
盥 一
Singleness
^工调控
Artificial
无
No
无
N0
紧密
Tightness
无
No
细胞
Cell
细胞生物学
Cell biology
新物种
New 5peei~
基因工程
Genetic engineering
苴 一
Singleness
^ 工调 控
AnIficia】
No
No
●●● ●● ●
无
No
为了更好地探讨生态工程设计的特点．本文以肇东市玉米生态工程的设计为倒进行了研究。
3．1 肇东市玉米生态工程设计简介
肇东市位于黑龙江省西北部 ．属松嫩平原，是我国著名的黑土地区，也是玉米主产区。年产粮食l25万
t，其中80 以上是玉米，其年产量约有i007Y t左右。为了将资源优势变成产品优势，将高产低效转变为高
产高效 ，肇 东市于1996年开始以华金玉集团为龙头，实施了玉米资源探加工工程，但由于缺乏对副产品的
综合开发利用，导致污染严重 1996年后 ．通过生态工程设计的研究与实施，该集团已逐步开始取得效益 。
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生 态 学 报 18卷
肇东市的突出特点是冬季时间长，气温低 。土地资源相对较丰富，人均占有耕地0．3hm。，但部分土地盐
碱化较严重。根据这些特点，本设计在充分发挥当地资源优势的基础上，设计了包括副产品利用、饲料开
发、肥料生产及工业原料转化的生态工程。其具体设计如图I。
图I 玉米 生态工程设计 漉程囝
Fig．I Flosv ch~rt for the de．sign ol corn ecolog~al engincerlng
3．2 生态工程设计的特点
由肇东市玉米生态工程设计可以看出，生态工程设计具有如下特点。
3．2．I 设计对象的复杂性
生态工程设计所面对的是一个社会经济自然复合生态系统，系统中不仅包括有生命成分，还包括无生
命成分，因此 ，其设计既要考虑生命成分的特性，又要考虑非生命成分的特性。这同完全以无生命组分构成
的机械系统．和完全以生物小分子形式构成的生物工程系统有着本质的区别洞 时，它所解决的问题一方
面是系统 内部成分间关系的协调 ，更重要的是各子系统接 口间如何衔接问题 。因此，在其设计过程中所遇
珂的问题更加复杂，解决起来难度也更大。
例如 ，玉米生态工程设计的成分就包括工业、农业、牧业 、渔业、加工业、环境保护等多种产业 ，工业和
农业之间、工业和牧业之间、加工和牧业之间、各业和环境保护之问关 系的设计。同时，为了进行良好的设
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卢兵友等：生态工程设计研究进展及特点
计，还要考虑周围的环境条件 其中为了寻求最适的副产品处理方法，必须考虑到肇东冬季低温，生物生长
季节只有5个月左右的时间这一客观条件
3．2．2 设计原理的综合化
生态工程设计所解决的问题既有经济问题，工程实施后要获得高的经济效益f又有社会学的问题，解
决人们一方面的生活需求，井提供就业；还有生态学的问题，要协调生物问、生物与环境间的关系，维护生
态环境。因此，它所涉及的原理就包括生卷、经济和社会学原理等，是多种原理的综合。这不象机械工程设
计，仅仅依靠机械、力学等原理 f生物工程设计依靠生物学原理
例如，肇东玉米生态工程设计中就包括如何进行玉米深加工，向何方加工，副产品如何综台利用才能
让企业获得最大的经济效益，而又不危害环境 在此基础上，满足社会对酒精产品的需要
3．2．3 设计的目标是实现三太效益的统一
由于生态工程设计所解决的是复合生态系统的复杂 问题，因此，它所获得的也是复合效益，是社会 经
济、生态三大效益的统一，其它工程设计则追求的是单方面效益。如机械系统设计只是针对某一具体产品
而言，追求的是产品的使用价值，是要美观、经A、耐用。生物工程设计是为了获得优良的基因型组合，或产
生新的物种。
倒如，玉米生态工程的设计实施，不仅年可获得上亿元的经济收入 而且可以有效处理每天拌放的丈
量废水，及温室气体cO 等的环境污染问题；解决了3300多人的就业问题，并且每年还可以为社会新增加
一 定的就业机会；同时为农民带来了一定的经济效益
3．2．4 组分多样，组分问呈松散式组合
首先，组分闻不仅可 替换、取代，而且每种组分作甩的方式、时间，甚至是否发挥作用都取决于该组
分自身 在此，每个零部件可以单独发挥其作用，零部件问虽有相互影响，但反映这种影响的信息较微弱和
模糊，不能准确测量 机械工程和生物工程中，各组分间的关系非常密切，缺一不可，改变其中某一部分，
甚至一个小零件，都可能改变整个系统的性质，甚至将系统损坏 其次，组分问组织形式的空间跨度丈 小
的几公顷，大的可以到几十公顷，甚至更大 机械工程设计一般多局限在较小的区域内；生物工程设计的范
围则更小。第三，同一生态位可有多种组合，为系统的优选提供了可靠的保证。而其它工程设计却具有唯一
性。这种松散式结构如图2所示。
就玉米生态工程设计而言，酒精生产和生猪生产
都分别是一种相对独立的生产活动，两者可以结合，也
可“独立发展洼 猪生产与酒精生产的接 口是酒糟 ，但
生猪生产并非完全依靠酒糟，酒糟也并非只可用作生
猪饲料 。同拌，酒精生产也完全可以和养鱼、废水处理
分成不同的系统进行对待。
3．2·5 系统工程原理应用于生态工程的设计中，保证
了设计的规范台理，并具有可预谢性
由于生态工程面对的是包括社会、经济、自然多种
成分拘成的复合系统，要宴现合理设计，单凭简单想象
已无法实现，必须借助于科学先进的方法。井且，随着
系坑的进化演替，还要不断修改调整， 适应新的发展
蟛势，否则，将降低设计的适用性 在此，数学模拟就显
得非常重要。而机械系统工程的生物工程设计 ，虽然有
一 定的系统思想，但不具备可预测性 ，也不需要利用什
么数学模型。一般一十设计实施后，其设计的任务就完
成了 布过由于生态工程设计产生的时间很短，系统工
其 中 代表系统盟分|实线反映组分间的有效联
系；虚线反映松鼓联系
图2 生寿农业系统组分盏系简图
F培．2 Tbe re]at~onship among dEJferent parts En the e
tdo~cal ag icuItural system
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生 态 学 报 l8卷
程理论在设计中的应用也相当有限，有待进一步发展。
’．2．6 对设计人员要求严格，掌握技术要求全面
生态工程设计中涉及的技术可能包括许多领域 ，如动物、植物、微生物、工业、环保等 ．因此 ，设计人员
如果不掌握鞍全面的技术，就很难胜任设计工作。正如于光远要求的那样，生态设计师 不仅具备有关生态
学的专门知识，而且要有丰富的生产知识和生活知识，并且要懂得有关经济效益和劳动有效性的科学知
识 ，会正确地进行各种计算。这种生态设计师还要熟悉国内外这方面的经验，在设计中善于运用这些经验。
这种生态设计师还要有一种从当地当时具体情况出发．对具体问题进行具体的研究．作出适当的具体结论
的态度和能力。这种生态设计师还要能深入浅出，具备把运用生态学原理来解决实际问题和按照自己所设
计的方法去做会得到好处的道理用通俗的语言表达出来的能力 跏 但由于生态工程本身起步鞍晚．研究
相对鞍薄弱，大多数工程还欠缺设计组装的基本参数．尽管所采用的单项技术可能都是先进的，其设计效
果目前也并不一定好，这也是限制生态工程设计发展的主要原因之一。而其它工程形式的设计．由于其发
展的时间长．发展比较完善．只要设计人员熟悉掌握了某一方面的单项技术．就可以达到设计的目的。
例如．在玉米生态工程设计中，所采用的技术就包括工程技术：酒精生产技术、酒精副产品加工技术
锌}养殖技术：养猪 养鱼等；微生物技术：微生物发酵处理废水技术等}种植技术：配方复合肥生产技术等。
在这些技术中，有些技术 已发展得较完善，如单纯 的酒精生产技术，养殖技术等 但有些技术仍需要进一步
完善，如副产品加工技术．微生物处理废水技术等。这也限制了玉米生态工程设计的完整性。
3．2 7 区位优势明显
我国幅员面积广 ．地形复杂，气候土壤条件差异大，生产类型各具特色。有水田、有早地}有种植区、有
养殖区、也有加工区f有的地区一年四季常青，有的地区一年一季f有高度现代化的地区．也有落后的刀耕
火种的生产方式 固此，生态工程设计成功的保障，很重要的是园地制宜．即综合不同地区的自然、地理、资
源、风俗、习惯等．设计具有地方特色不同的工程类型．以选到最充分利用当地资源，获得最大综合效益的
目的 受区域地理位置不同．组分不同的影响，其设计可能大不相同．同时设计还受时间的制约 。其它工程
虽然有一定的地域性，但不甚明显。
以玉米酒精生产为倒 ．几乎全国各地都有生产厂家，在这一点上有类似的地方 但在随后 的废弃物质
综合利用工程方面，却因地区不同而不同。南方水面面积大，温度高，适合生物生长，在废水处理上 ．就能充
分发挥生物的作用。北方地区干旱，冬季时间长．气温低，作物生长季节短，废水靠生物处理已不能较好地
解决问题，只能另寻其它途径。如当地荒地多，盐碱严重．将废水通过土地处理系统将会获得一举两得的目
的 。另外．通过开挖荒地，将废水冬季储存 ．靠自净作用进行处理，也有可能获得意想不到的效果。
’ 2．8 系统 自组织能力强
这是非生物系统所不具备的．也是生命系统能抵御外来干扰的重要手段。所谓 自组织是指系统不藉外
力 ，可自己形成具有充分组织性的有序结构，或者说是生态系统通过反馈作用，以最小的耗能原则，建立内
部结构和生态过程，使之发展和进化的行为。在生态工程设计中．系统的自组织自始至终伴随系统发展的
全过程 ，即使出现设计的失误 ，也可以通过系统的 自组织得到缓冲，不象人工系统那样立即崩溃瓦解。
废水养鱼是处理有机无毒废水的一种有效手段 ．例如 ．对玉米酒精废水的处理。一般鱼类对污水的耐
受程度固种类不同而不同．通常鱼池中水的溶解氧在4rag／1以上时，一般鱼类都能正常生长，对废水的处理
敷果也较好。此时，只要经过轻微的调节，鱼就可 在添加废水的环境中正常生长。当溶解氧含量下降到
Smg／L时．鱼就基本停止生长．它所能做到的仅是通过 自组织 ，维持自身生存 。此时，已选到鱼的 自组织能
力的极限，对废水的处理效果也比较差 当水中溶解氧下降到2mg／L时 ．已经大大超过鱼 自组织能力，鱼池
中的鱼只有死路一条，也无从谈起对废水的处理作用 。
3 2．9 系统调控速径的综合性
作为一个社会经济自然复合生卷系统，首先．社会是主题。它不仅是系统功能实现的执行者 ，又是系统
产品的主要消费者。作为执行者 ．它的行为将直接影响系统功能发挥的好坏 。而其行为的协调性 ，即受其中
单个个体行为与社会行为规范协调程度的影响，又受社会行为规范的完善程度的影响。固此 ，对系统的调
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卢兵友等：生态工程设计研究进展及特点 607
控既包括对整个社会行为规范的完善提高，又包括对单个个体间、个体与社会问行为关系的调控 作为消
费者 ，它的消费导向又直接影响系统的结构，从而也就影响系统调控途径的制定和实施。其次，经济是目
标，它是系统功能的体现。人类杜会对系统功能的评价指标之一是系统经济效益的高低 无论系统产出产
品量有多大，如果不能实现一定的经济嫂益．则该系统就丰达到应有的生产目的。同样，如果系统不能产出
有效的产品．也不能算作是一个好的系统。因此，系统的调控就应包括系统经济结构的调控， 获得最大的
经济产出 第三，自然是基础。它为，k类的生产、生活提供资媚f和基地，并通过 自身的自组织能力，对人类的
不合理行为进行反馈调节，以满足不断强化的人类欲望。因此 ，系统在一定范围之内，可 以发挥自组织能
力．实现对系统的调控。其它工程设计系统 一经设计实麓完毕 ，即表示设计工作的结束，井产生代表性的产
品——实物。由于它是一个无生命物质．无法通过调控手段改变其外形或内涵。
3．2．10 设计的动态性
生态系统是一个开放系统，系统的正常运转一靠信息、技术、物质等的投入；二靠系统多样化产品的顺
利输出。输入与输出之间是一种动态的过程 针对这一特点，系统的设计也必须具有动态性，并符合开放型
系统的特征。即不仅要设计信息技术物质等的输入输出结构，设计系统输出物的再利用方式，或称为接口
工程 。而且，要不断地根据外界环境条件的变化，和内部资源形势，适时地调整和完善设计方案．以确保
方案的最优化。其它系统的设计基本是静态的，其改进的方式只能是放弃旧的，设计新的
4 完善生态工程设计的对肇
根据生态工程设计的特点，为保证生态工程的顺利进行，应采取如下设计对策：
(1)完善系统的设计方法，明确设计的技术路线、详细研究不同系统工程设计的技术内涵、技术参数，
规范设计标准；适宜性系统模型的建立是推动系统设计向系统化、科学化、广泛化发展的必由之路 ，必须克
服各种困难，加强这方面的研究。
(2)建立系统的有机整合机制 ，加强对系统中各组分间协调关系的研究，特别是系统中不同部门闻人
们的利益关系的研究，充分调动各方面的积极性，保证系统的正常运转
(3)探讨新的系统组合机制，打破现有的经营体制和条块分割局面，建立适宜的企业、农户、科技部门
及政府间的多种结合的经营联合体或互助组 ，扩大经营规模，为生态工程的设计创造良好的外部环境。
(4)认真研究自然生态系统的自组织机制，充分挖掘自然生态系统的自组织能力，刨造社会、经济、自
然和谐的调控机制 ．实现系统设计的规范化。
(5)加强对设计人员素质的培养，提倡多学科联台，使设计人员真正掌握多方面技能，提高设计的科学
性和指导性。
(6)探寻晟适的各方均能接受的评判方法 ，强调系统能量、物质和价值的综合评判
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