新教材中“生态工程的基本原理”内涵探讨

 

陈慧颖（人民教育出版社课程教材研究所）

摘要：解读生态工程所遵循的基本原理——“整体、协调、循环、自生”提出的背景,分析了4个原理的具体内涵。

人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修2·生物与环境》第4章第3节“生态工程”,由原实验教材选修3的一章内容精简而来。不同于实验教材,新教材阐述的生态工程的基本原理是“整体、协调、循环、自生”,表述更为简洁、凝练。基本原理虽然只有8个字,但却蕴含着来自生态学、系统学、经济学等多个学科的思想。这一节内容能够帮助学生理解如何“实现生态文明建设”,也能帮助学生进一步建立系统观、生态观等生命观念,锻炼科学思维。因此,有必要对4个基本原理进行更加深入的分析。

1 提出背景

20世纪60年代以来,全球生态危机爆发,主要表现为人口激增、环境污染、能源短缺和资源破坏等。在这样的背景下,世界各国,尤其是众多发展中国家,都面临着如何协调经济发展与资源、环境保护的严峻考验。1979年,我国著名生态学家马世骏先生在“中国环境科学学会成立大会”上作了“环境系统理论的发展和意义”的报告,开创性地提出了“生态系统工程”的概念。此后,以马世骏先生为代表的我国科学家以生态学理论为基础,从我国传统哲学思想中汲取营养,再结合生态工程实践经验,将生态工程的基本原理概括为“整体、协调、循环、自生”。

生态工程是人类向自然生态系统学习的成果,其基本原理必然根植于自然生态系统的生态学原理。同时,生态工程研究和处理的对象是“社会—经济—自然复合生态系统”,因而其基本原理的内涵也有一定升华。自生、循环、协调既是自然生态系统的功能,也是人类期望生态工程所能实现的功能或达到的状态;整体既是指生态系统是一个有机整体,更是指人类应综合考虑社会、经济、自然等多方面因素,以整体观指导生态工程建设。

2 原理内涵

2.1 自生

自生是生态系统区别于机械系统的独特功能,是指系统的自我维持与发展进化。若一个生态系统无法实现“自生”,那其他的生态系统功能便无从谈起。自生是生态工程的基础功能,因此,教材和本文都先从自生原理展开介绍。

绝大多数情况下,生物都是生态系统中最具活力的组成成分。从微观到宏观,生命系统的结构层次依次是细胞、组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等。在每个层次上,只要存在“活”的组分,那么生命活动就在自主进行。生态系统整体的自生有赖于各微观层次的正常运转,如细胞生长、组织分化、个体繁殖、种群数量变动、生态位分化、物种间相互作用、群落演替等。

聚焦于生态系统层次,自生原理涉及自组织、自我调节、自我优化、自我更新和维持等机制。自组织,是指含有多个组分的复杂开放系统在没有外力干预或控制的情况下,自发地形成组织良好的有序结构的过程。在自然界中,从混乱到有序的自组织过程时时处处都在发生。最直观地,有很多生物或生态系统呈现出有规律的外貌或空间格局,如东北豹身上的花纹、干旱半干旱区灌丛或高大禾草的斑块化分布、由真菌或植物形成的“精灵圈(fairy circle)”图案等等。科学家研究发现,这些看似神奇的现象或格局可能是由自组织驱动的。自我调节是指生态系统存在反馈机制,调节着种群密度、种间关系,也调节着生物与环境之间的相互作用。自我优化是指通过调节,生态系统能向着能耗最低、资源分配最佳的方向进化。太阳能不断输入生态系统,以物质为载体,能量沿着食物链或食物网流动,各项生命活动正常进行,系统得以自我更新和维持。从时间尺度上看,生物个体会经历各个生命周期,群落演替也有不同的阶段,系统的自生是一个持续的过程而非瞬时行为。

生态工程是在人类辅助下的自组织,当然,人类自身也属于复合生态系统的一部分。在自生原理的指导下,人类的作用主要体现在生态工程的两个环节:一是根据种间关系及不同生物的生态位,合理布设生物组分和多样性水平,为一些生物组分的相互作用提供机会;二是生态工程建成后,人类在适当的时机进行管理,保证系统向着期望的目标发展。除此之外,其他过程在自然选择和协同进化等非人为作用下进行,自组织在其中扮演重要角色。遵循自生原理,还意味着重视生态工程的可持续发展。若一个生态工程运转一段时间后逐渐崩溃,又或几乎完全依赖人工控制,那么,严格来说这一生态工程没有实现“自生”。

2.2 循环

生命离不开循环,在自然生态系统中,物质在生物与环境间循环往复;在个体层次上,生物繁殖复制,物质再生;在微观的生理过程中,动物血液循环不停,光合作用等过程也表现出循环的特征。依靠生物地球化学循环,地球才能用有限的资源来维持生命的生存、繁衍和发展。

目前,很多工农业生产过程是一种消耗资源的“开环”结构,未能实现资源的循环利用。例如,人类不断地从农田收获农产品,又依赖化肥为农田补给养分;工业生产消耗大量矿石燃料,仅一部分会变为产品,其他部分以废弃物的形式留在环境中,留下污染环境的隐患。循环原理启发人们在生态工程中设计分层多级利用物质的生产工艺系统,促进物质循环,提高部分元素和物质的转化率,变废为利,进而减少污染物产生,最终在生态、经济、社会3方面收获效益。教材中介绍了我国先民实践出的“无废弃物农业”,正是一种遵循了循环原理的、朴素的生态工程。

2.3 协调

生态学的实质是协调生物与环境或个体与整体间的辩证关系。自然生态系统是长期演化和发展的结果,在一定时间内,其结构和功能能够保持相对协调和稳定。生态系统的自我调节能力是有限的,当受到超过限度的干扰时,结构、功能及结构与功能间的协调都可能被破坏。在生态系统中,物质循环、能量流动和信息传递等功能在时间和空间上都遵循一定的序列,按照一定的层次结构进行;同时,物质和能量在各环节、各层次间的通量也存在协调的关系。

在进行生态工程建设时,需要考虑生物与环境的协调及生物与生物的协调。生物与环境的协调意味着因地制宜,配置能够适应生态工程当地气候、适合在相应生境中生长的生物。若配置了无法与大环境相协调的生物组分,生态工程就不能自我维持,也就无法“自生”。除了考虑生物是否适应环境,在配置生物组分时还需要考虑种群密度与环境承载力的关系,即“量”的协调。协调的最低要求是保证生态工程中生物组分的生存,这隐含了对阈值的考虑。在保证生存的基础上,为了达成不同生物之间的协调、实现自生,还需要考虑生态位的差异和种间关系等,安排能够更充分利用系统内资源的物种组合,优先考虑可能达成互利共存状态的物种组合。

2.4 整体

生态系统作为复杂系统,其自组织过程不仅产生了前文提到的斑块等现象,而且还存在涌现性。涌现性是指系统内部的非线性过程会导致系统整体不一定等于系统各部分之和,出现本模块教材第1章章首页提到的“整体大于部分之和”现象。也就是说,较低层次的生命系统组成更高一级的结构层次后,会出现新的功能,而这些功能在较低层次时不存在。举例来说,当降水量在年际间剧烈波动时,植物个体的某一性状会受到影响,同一种群中个体的响应趋同,不同种群的响应方向和幅度存在差别。但当视角落在群落上时,群落对应的属性也发生变化但并不显著,即在群落这一较高的层次表现出了一定的稳定性。因此,某一层次上的涌现性是无法通过仅研究其下级结构层次来预测的,整体的功能或特征不能被还原为组分的简单集合。

在生物学中,分子生物学主要采用经典物理学中还原论的思维模式,但还原论并不总是有效的。涌现性决定了生态学问题需要整体论、系统论的思维模式,只有从整体上去把握系统动态,才能合理调控系统。同时,对系统内部各组分以及组分间关系的了解依然很有意义。教材在介绍整体原理时,一方面强调了自然生态系统结构与功能相协调的整体性,另一方面突出了社会—经济—自然复合生态系统的整体性。针对复合生态系统建设生态工程,需要全盘考虑“自然系统的合理性、经济系统的利润和社会系统的效益”。

3 小结

在进行生态工程设计时,首先应考虑整体原理,综合自然、经济、社会3个系统的状态,协调局部与整体、开发与保护、当前与长远的关系,进而确定合理的生态工程目标。4个基本原理不是孤立的,建设不同类型的生态工程时可能有所侧重,但一般需要综合考虑。整体原理,侧重于顶层设计,综合考虑自然、经济、社会因素;协调原理,保障生物组分的生存发展;循环原理,指导提高物质迁移转化效率;自生原理,指导生物组分合理配置,实现自动自发、生生不息。整体、协调、循环、自生都涉及数量、时间、空间及序列的组配问题,它们的组配适宜与否直接关系到系统中资源利用效率的高低。需要注意的是,生态工程是涉及多个学科的综合任务,“整体、协调、循环、自生”是基本原理,也是核心原理,还有很多侧重于生物或工程的原理本文没有涉及。

在教材中,“生态工程的基本原理”属于整个模块的最后一节,是下一小节学习生态工程的实例、进行课外实践的理论基础。不仅如此,这部分内容还可以作为总结该模块全部内容的抓手。在开展这一课的教学时,教师可以引导学生建立与“种群及其动态”“群落及其演替”“生态系统及其稳定性”等已学内容的有机联系,实现融会贯通。这样做,也能够反过来帮助学生加深对生态工程基本原理的理解。

来源：陈慧颖.新教材中“生态工程的基本原理”内涵探讨[J].中学生物教学,2021,(01):6-8.