生态概念的内涵及思想源流——《中国生态演变与治理方略》第一章
第四节 现代生态科学的发展
现代生态科学的发展有三大趋势：一是人类生态系统及其相关理论的形成与深化；二是生态科学向相邻学科的渗透，形成了大跨度的远缘杂交的边缘学科；三是生态系统规律在自然-经济-社会复合系统中的广泛应用。
一、现代生态系统理论的形成
1．生态系统理论是现代生态科学理论的主体
生态系统是包括人类在内的以生物聚落占主导地位的系统，这也是区别于任何其他非生命系统的显著特征；生态系统是一个开放的功能系统，它不断地同外界进行物质循环、能量转化和信息传递；生态系统的边界是根据研究内容、目的和目标而划定的。小至一个鱼塘，大至整个生物圈，都是一种生态系统。
2．生态系统的组成
（1）生产者。它们由绿色植物和具有能进行光合作用的细菌组成。绿色植物是一个自然物质财富的自动“加工厂”，是地球上所有生命体所需有机物质的“制造业”。绿色植物是生物圈最重要的生产者，为生物圈的所有生命有机体提供食物和营养。此外，有些细菌也能进行光合作用，这类细菌合成的有机物在生物圈中占的比重虽然很小，但是它们同时又是分解者，在生态物质循环中起着巨大的作用。
（2）消费者。指依赖植物等生产者提供食物的动物（包括人类）。根据消费者的食性可将其分为三类：一是草食性动物；二是肉食性动物；三是杂食性动物。它们是既能以植物为食又能以动物为食的动物。
（3）分解还原者。它们主要由细菌、真菌、某些原生动物和腐生动物等组成。在图1-2中，箭头表示物质循环、能量转化的方向。生产者从环境中吸收太阳能为动力，以水分、无机盐类和空气中的二氧化碳、氮气等无机物为原料，经过光合作用合成蛋白质、脂肪、碳水化合物等有机物质。食草动物又以植物为食，建造动物有机体，肉食动物又多以草食动物为食，这样一级又一级地传递，构成了食物链。而所有有机体死亡以后，以及动物的排泄物都被分解者分解为水、二氧化碳、各种无机盐类，归还到环境中，供植物等生产者重新生产有机物质。生态系统就是这样生生不息，永续循环。
（4）环境。主要指非生物环境。它是由阳光、空气、水分、土壤、岩石等生物赖以生存的无机要素构成。若泛指生态系统的环境而言，则涵盖的内容更为广泛，因为生物与生物之间，一种生态系统与另一种生态系统之间均可互为环境。被微生物分解过的有机体、有机物，最终都变为水、二氧化碳、无机盐类，以及阳光、热量、降水等气候因子都储存在环境中，环境是植物等生产者再生产的原料储存库。
3．生态系统的结构
生态系统的结构是依据下述三点基本理论而划分的：一是处于同一环境资源条件下的生物与生物之间能量转移的百分之十定律；二是生态系统是一个可以被定量模拟的实体；三是从数量上可以证明生态系统营养级、顶级群落和生态平衡的存在。
（1）食物链（网）结构。各种生物个体、种群和生物群落之间相互依赖的取食行为构成的链状或网络关系，称作食物链或食物网。中国民间流传的“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米”的谚语，描述的就是食物链和营养关系。植物通过光合作用合成了初级食物，动物以这些初级生产物为食物，另一些动物又以草食性动物为食物，食物链上的每一环节叫做营养级。例如，农作物→田鼠→猫头鹰，再如，草→蝗虫→鸟类→鹰，水体中微生物→鲢鱼→肉食鱼类→水獭的食物链，等等。在生态系统内，一种生物可能同时以许多种生物为食；同一种生物可能同时位于许多条食物链上，从而形成相互交织的食物网。食物链越长，食物网越复杂，一个生态系统也就越稳定。为了达到既节省能量，又使系统稳定的双重目的，在生产中应设计“多网络、短链条”的多样性生产网络结构系统。
（2）食物链中的富集链。污染物在生物体内的积聚量是随食物链逐级递增的，因而把其称作为富集链。例如，散布在大气中的 DDT等农药有机盐类的浓度只有0.000003毫克／千克，当溶解在水中为浮游生物吸收后，就能富集到0.04毫克／千克，富集约1.3万倍；这种浮游生物被小鱼虾吞食后，小鱼虾体内的农药浓度可富集到0．5毫克／千克，富集约14．3万倍；小鱼被大鱼吞食后，大鱼体内富集浓度可至2.O毫克／千克，富集约57.2万倍；如果大鱼被鸟类所吞食，水鸟体内浓度可达25毫克／千克，富集约858万倍。人误食这种鱼或水鸟就有引起污染病的危险。有些污染物，如重金属会沉淀在动物的某些器官内，不易被排泄到体外。长此以往，会引发各种“污染病”。同样，残留在土壤内或植物体内的污染物也可随农产品、畜产品等转移到人体内，危及人的身体健康。
（3）营养级结构。营养结构是生态系统中物质和能量流动的基础。食物链的营养结构通常为4～5级，一般不超过6级。营养结构包括生物数目、生物量和生物能量的金字塔状结构。所以，营养结构又称为金字塔型营养级。当人为减少低位营养级的生物数量时，例如减少植物种植数量时，高位营养级的生物数量就会受到影响，也就是说动物生产量必然会下降。所以，必须始终注意保持必要的植物覆盖面积，增加人类社会需要的植物生产。
（4）形态结构。生态系统的生物种类、种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、种的时间变化（生长发育）等，构成了生态系统的形态结构，又称作时间与空间结构。一是立体结构，又称作三维结构。在生态系统的空间结构中，自上而下有明显的层次现象，例如，高层有乔木，中层有灌木，中、下层有草本植物，地面有苔藓、地衣类，等等。一个森林生态系统，其中动物、植物、微生物的种类，以及每一种生物种类的生物数量在一定的时间内相对稳定，且分别生存在空间结构的不同生态位上。二是平面结构，亦称作二维结构。在生态系统的同一层次上，生长栖息着同一种类的生物。在自然界中，很难找到只有一个种群的平面结构，这种结构一般存在于人工严格控制之下。例如在农业中，为了提高产量，把杂草、昆虫等种群控制住，只留下单一作物的农田。这种单一农作物极易受到某些灾害的侵袭。三是时间演替结构。生物个体、种群和群落的生长发育和进化具有依时间序列进行的特征，不可能像工业的流水线一样，先生产麦穗，再生产麦秸，然后再组装成整体的小麦。除了单细胞微生物以外，生物总是按照遗传规律，各个器官有顺序地发育生长。这种时间、空间的序列决定了生态系统各成分演替进化的有序性，正是这种严格的时、空、序规定性和对环境的适应性，决定着地球生态系统的综合平衡。
4．生态系统的功能
能量转化、物质循环和信息传递是任何一个自然生态系统的最基本的功能，每一个生态系统都是由能流、物流和信息流构成的功能单元。
（1）能量转化。维持生态系统进化的全部能量均来自太阳辐射能。能量转化主要指绿色植物通过光合作用把太阳能转化为生物能（化学潜能），再沿食物链而逐级传递。
煤和石油等化石能源等都是太阳能的转化形态。能量转化是单向、不可逆的。如果一个生态系统没有新的能量输入，那么当该系统所积累的有机物全部降解为无机物后，系统生命也就完结了。
据研究进入大气层的太阳能是8.026焦／（厘米2·分钟），其中约30％被反射回去，20％被大气吸收，只有46％到达地面。这其中又只有10％左右辐射到绿色植物上，在10％的光能中，一般有0.2％～O.5％被绿色植物利用。地球的植物净初级生产力每年为1500亿～2000亿吨，其中一部分被消费者利用。
在地球上，不同生态系统转化太阳能的数量是不同的。海洋中的植物光合作用每年产生的能量为23．87×10 8千焦／千米2；陆地上植物光合作用每年储存的能量约为427.6×10 8千焦／千米2。其中，又以森林储存的能量最多，约为97.4×10 8千焦／千米2；沙漠最少，约为1.96×10 8千焦／千米2。农作物储存的能量，由于其变化幅度很大，估计其能量的数值较困难，但其净初级生产力的干物质重量平均每年约为9.1×10 吨／千米2。人类处于食物链的顶端，从获取食物能量的角度看，要想每个人都有更充足的食物能，必须①使食物类别多样化；②控制人口数量；③扩大生产规模。从食物来源看，人类必须选择多种植物和动物为衣食之源，必须既食用植物又食用动物，还要食用微生物。
（2）物质循环。
①水循环。地球上的水共约15亿千米3，其中海洋占97％左右，并在水的蒸腾过程中起着主要作用。森林对于陆地水的调节能力是惊人的。降水被林地截留14％～40％，其中5％～1O％被林下枯枝败叶吸收，还有50％～80％缓缓渗入地下成为地下水，其余的形成地表径流，沿地表而流动、汇聚，形成河流和湖泊。据估算，5万公顷森林的蓄水量就相当于一座百万立方米的水库，每平方千米森林平均可以储存5万～20万吨水。除了地球的大气环流决定全球水循环以外，还有水的大循环和小循环两条途径。森林使水分在生态系统中成为动态均衡循环的再生资源，构成“降水→树冠截留→地下水→林木蒸腾→返回大气”的水资源小循环；水的大循环是“大气降水→地下水→地表径流→河流→海洋→蒸发→返回大气”。当然，其他绿色植被在水循环中也具有一定的作用。
②气态循环。气态循环的核心是大气中的二氧化碳和氮气中的碳素和氮素的循环。
碳循环 碳存在于生物有机体和无机环境中，是构成生物有机体的主要元素。在无机环境中，碳以二氧化碳和碳酸盐形式存在。在大气中二氧化碳约为7 000亿吨，在地球表层，碳储藏量约为2.0×1O 9亿吨。大气中的二氧化碳，每年有200亿～300亿吨被陆地上的绿色植物通过光合作用固定在生物有机体中，还有1000亿吨溶人海洋。海洋中溶解的二氧化碳既可被释放到大气，又可形成碳酸钙沉积在海底，使一部分碳元素在较长时间贮藏在地壳中。火山爆发时，又可把地壳中的一部分二氧化碳带回大气。因此，碳循环主要从二氧化碳到生物质，然后又回到二氧化碳。其中一小部分在地质年代中形成煤、石油、天然气等化石燃料贮藏在地层中。
氮循环 氮是构成蛋白质的主要元素。大气中的氮进入生物有机体主要有四个途径：一是生物固氮（土壤中的固氮微生物和水中的蓝藻、绿藻等），大约每年固定54×1O6吨；二是大气固氮，闪电把大气中的氮气电离，形成硝酸盐后，经雨水淋洗带进土壤，每年约固氮7.6×10 6吨；三是岩浆固氮，大约每年为O.2×1O 6吨；四是工业固氮，把大气中的氮人工合成氨或铵盐，供植物吸收利用，大约每年为3O×10 6吨。总计为91.8×10 6吨。
③沉积型循环。这里以磷、硫元素为例说明沉积循环对生态平衡的作用。磷是有机体不可缺少的重要元素，没有磷参与生理和生物化学反应就没有生命。磷主要来自磷酸盐岩石、有机体的尸体和残渣而形成的有机磷酸盐。磷必须形成可溶性的磷酸盐才能进入循环。磷元素能溶于水却不能挥发，它是被降水从岩石圈溶解到水圈，形成可溶性磷酸盐，而被植物吸收。再经过一系列消费者的利用，将含磷的有机物、废物等有机化合物归还到土壤。再通过还原者的一系列分解作用，将其转换为可溶性磷酸盐供给生命有机体利用。生物所需要的磷的数量是比较大的，但是不溶性的磷酸盐一般是留在土壤表层，常常被水土侵蚀而流人大海。因此，很多地区土壤中磷的含量非常低，以至影响植物和动物的发育。
硫在生物体内是少量的，却十分重要。没有硫元素参与就不可能形成蛋白质，是蛋白质造型不可缺少的原料。硫循环既是沉积型，也属于气体型。它包括长期的沉积相，即有机和无机态的硫通过风化而从沉积中释放出来，以盐溶液形式进入陆地和水体。硫进入大气有下列几条渠道：燃烧化石燃料、火山爆发、海面散发和分解过程释放等。硫进入大气的最初状态是硫化氢气体，但很快氧化成二氧化硫，并可溶于水，而后随降水到达地面变为弱硫酸。硫在溶解状态才能被植物吸收和利用，成为氨基酸的成分（如脱氨酸），再由生产者转到消费者。动、植物的尸体和动物排泄物被微生物分解后，硫元素又被送回土壤和水体，然后再被微生物分解，以硫化氢或硫酸盐形式而释放硫。无色硫细菌、绿色和紫色硫细菌，在一定条件下，能促进硫的循环，被动、植物利用。
（3）信息传递。根据现有的研究成果，一般把生态信息分为营养信息、化学信息、物理信息、行为信息和环境信息。第一，营养信息。它是通过营养交换形式把营养信息从一个种群或个体传递到另一个种群或个体。食物链（网）是一个信息系统。例如，当鹌鹑数量较多时，猫头鹰大量捕食鹌鹑，鼠类很少被害；当鹌鹑较少时，猫头鹰转而捕食鼠类，通过猫头鹰捕食行为的变化，人类可以分别了解老鼠和鹌鹑种群数量的变化信息。由这些信息，人类可以获取生物种群的数量变化。第二，化学信息。生物在某些特定条件下或生长发育的某些阶段，分泌出某些化学物质，这些物质在生物种群之间起到媒介作用，通过其特殊气味或其他痕迹，作为生物“认路”或相互跟随的标记。例如，蜜蜂与花朵、蚂蚁与蚜虫就是靠化学信息发生关系的种群。第三，物理信息。动、植物可以通过声音、颜色、光泽等物理特征传递安全、恐吓、求偶等各种信息。第四，行为信息。这是指某些动物种类通过一定的形体姿态向同伴发出求偶、挑战等信息。第五，环境信息。这里所说的环境信息是指全球的或大区域的气象、地质、水文、星际以及其他环境要素的变动或相互之间的影响。如厄尔尼诺现象、地震、火山爆发、洪水泛滥、太阳耀斑等，这些现象发生之前的表象或征兆，总会被生物界所“察觉”。20世纪50年代以来，人类逐渐认识到，生物多样性的减退与这些环境变动有着密切的关系。及时收集、分析、提炼信息资源，乃至模拟这些信息系统，对于保持生物多样性和人类自身生存，实现全球可持续发展目标，有着不可估量的意义。
（4）生态系统生产力。生态系统的生产力主要包括生物产品的现存量、生产量和周转率这三部分。现存量可以用单位面积的生物个体数量、重量或者能量表示。生产量是指在一定时间之内某个种群（或生物群落）所产生出的有机体的数量、生物量（干物质重量）和能量数量，所表达的是时间上的积累的概念。生产力高低代表着生态系统功能的强弱、结构的合理程度。
表1-3以人类的不同时期的农业生态系统的粮食产量为例，说明生产力指标的换算，以及三个不同农业生态系统水平下生产力的区别。显然，海藻培养是最有希望的，它可能使生态生产力得到极大的提高。海藻是人类潜在的新食物来源。所谓早期的采集农业，包括整个旧石器时代到人类栽培植物之前的漫长历史时期；不投放商业能量，指不投入电能、化肥、农药等附加能量和物质，这样的农业完全靠生态系统内部物质循环维持；反之，投入这些能量及其制成品的农业就叫做现代农业。
初级生产量只有部分被消费者所利用转化为次级生产量。这是由于某些植物或植物的某一部分不可能被动物得到，或不可食用等原因。
生态系统生产力中还有初级生产力。初级生产力主要指植物等生产者的光合作用的生产量；次级生产力，即消费者营养级的能量积累比率。在家畜饲养中，常说“猪吃三斤饲料长一斤肉”，其意为猪的能量或物质的平均积累率为33％，它表达了“饲料—猪”的饲养的次级生产力的水平。
地球生态系统的净初级生产量和植物生物量见表1-4。
自然生态的总初级生产仅仅能利用太阳能的有效光合能量3.6％。也就是说绝大部分的太阳能不能用于生产有机物质。但在实践中，大部分农作物的生产效率连这3.6％的光合效率也达不到。例如，理论上计算石家庄地区的有效光合能量为5％，其理论产量为小麦亩均942.5千克（籽实）（1亩=1／15公顷，下同），如果除以经济系数0.30，其全部生物量干重约为3141.6千克。其实，这是一个难以逾越的产量极限，即使能达到这一产量，其费用收益比也是不合算的，因为这需要追加大量的化肥、农药等，提高了成本；同时，又造成严重污染和土壤肥力下降。
二、现代生态科学中的主要生态规律
生态规律不是相互孤立的一条条自然法则、定理及其相关概念的机械组合，而是呈现出群体性、整体性、关联性和综合性特征。现代生态科学规律的作用对象是一个综合的网络，即展现在“生态—人口—经济—资源—环境—技术—社会”进化的大时空中。
1．生态系统的稳定性规律——生态平衡
当今全球的两大类生态问题，即环境污染与生态破坏，其共同后果是生态失衡。
（1）生态平衡及其表现形式。生态系统的稳定性是通过其动态的平衡实现的。所谓生态平衡就是生态系统的稳定状态。生态平衡包括生态系统中物质、能量的输入、输出的平衡，生物个体、种群之间的数量平衡及其相互关系的协调，以及生物与环境之间的相互适应状态。
生物种群间的生态平衡 生物种群之间的稳定状态主要是通过两种途径而达到的。第一种途径如表1-1中所模拟的生物种群之间的关系，其中中性作用、原始合作和互利共生关系本身就是稳定状态。第二种途径就比较复杂，主要是指生物种群之间通过对食物、阳光、水分、温度、湿度以及拥挤程度的竞争，达到相互之间在数量、占据的空间等方面的稳定状态。
生物与环境之间的生态平衡 在长期的自然选择中，某些生物种群对于特定的环境条件表现出十分敏感的适应性，通过这种适应性使种群呈现出长期的稳定状态。当然，稳定性要靠许多因素的共同作用来维持。任何一个生物种群都有天敌，正是相互间的天敌关系，产生相互间的数量比例的控制，使任何一种生物的数量不至于过大。
生态平衡的自我调节机制 生态平衡的实质是一种系统内在的自我反馈调节机制，以保持自身的稳定、进化、演替。生态结构越复杂，成分越多样，生物越繁茂，物流和能流网络就越完善，这种反馈调节就越有效；反之，越是结构简单、成分单一的系统，其反馈调节能力就越差，生态平衡就越脆弱。所谓生态失衡，其实质是某种因素对生态系统的压力超过了这个阈值。例如，少量捕杀蛇、鹰，不会使田鼠过量繁殖，田鼠破坏的牧草很少，就不会引起草原生态失衡。
（2）生态平衡的特殊状态——“非平衡稳态”。把物质、能量“积累大于消耗”的稳定状态称作“非平衡稳态”，这是生态平衡的最重要的形式。例如，财政上的收人大于支出，就属于非平衡的稳定状态。其实，包括生物界在内的每一个“活的”系统都具有这一非平衡稳态。无论是生物个体，还是种群和群落，在其幼年阶段总是稳定地进化，这种输入与输出不相等而又稳定的状态就是“非平衡稳态”。
输入与输出不相等的另外一种形式是消耗大于积累，这就是生态平衡失调。例如，一片原始森林，当其木材砍伐量（输出）长期大于其新增蓄积量（输入），最终导致森林资源枯竭；随之而来的是森林中其他植物和动物的消失或迁移，紧接着就是旅游、科研、生物多样性、经济和景观等价值的损失。要想恢复其原有的原始林景观，必须花费巨大的投资，经过许多代人的努力。这种失衡就是典型的输出大于输入的生态失衡，而且生态失衡会从自然发展到生态—经济—社会的综合失衡。
（3）对于野生生物资源，如果是有规划地收获成熟的资源，就会使生态系统永远处在“非平衡”稳态中。例如，对产草量下降的牧场，减少牲畜头数和放牧次数，可以使牧草产量得到恢复。原始森林的木材砍伐数量始终小于木材的新增蓄积量，森林资源总量才会不断增加。再譬如，我国沿海及江湖的“休渔制”；黄河、长江上游天然水源林、“三北”防护林、“三江”平原湿地保护等大型生态工程，长期实施自然保护区对策，禁止木材砍伐、围湖造田、陡坡耕种等生产活动，就是主动运用“非平衡”稳态，恢复生态平衡的有效举措。
2．生态系统的整体性规律
生态系统的稳定进化是通过生态平衡的形式体现的。要达到生态平衡的稳态，生态结构必须多样化，这只能在一系列生态规律相互制约的动态过程中实现。这些规律（法则）包括如下方面：
（1）生物与环境相互适应法则。生物与环境相互适应，是基本的生态规律。人类采用的一切技术手段，无非是改良和培育生物，以适应环境；改造环境以适应生物的生态习性。就目前的科技水平而言，对地球大气环流的气候因子，人们基本上还不能改造它，只能去适应自然大气候。对地形小气候因子，人们已在相当程度上可以改造。改造的方法，一是用生物手段。根据绿色植被覆盖极大化原理，植树造林，培育草场，扩大植被，调节局部小环境中的水热平衡；二是给生态系统补加物质和能量，为动、植物生产创造良好的光热水气等局部环境。如在干旱、半干旱地区的蔬菜、果品、花卉等栽培中发展塑料覆盖、温室大棚等。通过建造大型水利枢纽工程、水库，兴修小型农田水利，以减轻洪涝、干旱等灾害。对生物的改造有重大突破，主要是培育耐寒、耐旱、耐渍、抗盐碱等生态适应性强的优良品种，用生物工程技术培养高生产能力的品种等。值得注意的是，目前有些地方只注重工程措施，轻视生物措施；重单项技术，轻综合治理；重改造，轻适应等。这是不符合生物与环境相互适应法则的。
（2）物质与能量的永续转化循环法则。生物与环境相互适应，才能提高物质、能量的转化循环效率。循环经济的科学依据，就是生态系统物质、能量的生生不息的转化循环原理。农业生态系统的转化循环，一方面在农作物、畜禽及土壤微生物之间进行；另一方面在牧草、牲畜、农田、农作物及微生物之间进行。此外，还在森林、草地、农田及水域之间进行。这三个方面可概括为生物与环境之间、生物与生物之间的转化循环。还有生态—技术—经济—社会之间的宏观转化循环。在各个转化循环渠道中任何一条受阻，都将会影响农业的整体功能。
（3）生态系统的自我维持、自修复与自进化法则。自然生态系统的进化历经沧桑而不衰，就是因为它在不受人类干扰的情况下，依靠自身的力量实现生态自我修复的。生产者合成的有机物质和积蓄的能量经过消费者传递给分解者，而有机质被分解者还原为水、二氧化碳和无机元素，供生产者重新利用，这可以叫微观自我维持。宏观的自我维持是在微观系统自我维持的基础上实现的。陆地生态、海洋生态以及陆地生态中的水体、草原和森林等各种生态系统，在大气循环、水循环、矿物质循环的整体中融合于宏观循环，维持着整个生物圈的稳定。例如，对于荒山、荒地、荒漠化，运用好生态“自我恢复”法则，建立自然、半自然保护区等是最佳选择。即使需要人为干预，也必须使工程技术、生物技术等人工有限补偿手段与之相结合，以综合应用生物—技术—经济—社会措施，增强生态系统的抗逆性。同时，实施合理布局和区划，建立综合的多层次的结构体系，以增强系统产出的稳定性。
现代农业的化学制品的广泛、大量使用，在一定程度上打乱了生态系统自我循环机制，切断了生物种群之间自我控制的“生物防治”过程，在生态系统自循环的基础上添加了强势的人造物质循环。据考古资料，人类从新石器时代开始建立以种植与驯养为特点的原始农业以来，我国传统有机农业大约延续到2O世纪50年代末，历经上万年，这其中必然有科学合理的精华部分。因此，恢复现代科学技术条件下的有机循环农业、生态农业和可持续农业，增强农业生态系统循环能力，才是现代农业发展的根本出路。
3.生态要素立体有序配置规律
（1）生态要素的立体、有序配置是指构成生物群落的各生物种群和个体，依其各自对环境的生态适应性，占据同一立地空间的不同层次构成的相互依存的物质循环、能量转化体系。这是以生态结构为基础的能量、物质自我循环、转化、无废物、高效自我进化体系。森林是最复杂的立体结构，因而抗逆性极强，系统最稳定，总生产能力最高。高大的乔木利用太阳光能的90％，其余不到10％的光能被森林中的低矮灌木利用，还有不到1％的光能，由草植被利用，潮湿部位生长着地衣苔藓类。如果模拟森林生态系统，把许多个动、植物种群配置在同一结构中，可以有效增加土壤有机质含量，实现物质循环的自我调节、种地与养地相结合，使生态系统的综合生产力经久不衰，而且可以节省成本，提高经济效益。这是任何平面种群配置所不具备的优越性。其道理在于立体结构符合“整体大于部分总和”的法则。
（2）生态整体功能大于各部分之“和”。所谓整体，即一个具体生态系统的所有生物要素、有机与无机环境要素的统一体；“和”，即整体内各个要素的机械相加。在生态系统中，任何要素都具有各自的特定功能，同时它又是系统有机组成的一员，具有维持与确立系统整体动态平衡的作用。例如，过度捕杀森林鸟兽作为人类肉食、皮毛所起的作用，不如让其在系统中捕食动、植物的天敌，从而维持系统总体稳态所起的作用大。生态多样性的环境、经济和社会整体价值，明显大于原有要素单独发挥功能的价值之“和”。
（3）边缘效应。在两个或两个不同性质的生态系统（或其他系统）交接重合地带，由于某些生态因子（物质、能量、信息、时机或地域等）或系统属性的差异及其协同作用，而引起系统某些组分及行为（如种群密度、生产力和多样性等）的较大变化，称为边缘效应（Edge effect）。通常，边缘效应地带群落结构复杂，某些物种特别活跃，其生产力相对较高；边缘效应从强烈的竞争开始，以和谐共生结束，从而使得各种生物由激烈竞争发展为各司其能，各得其所，相互作用，形成一个多层次、高效率的物质、能量共生网络。如我国大兴安岭森林边缘，具有呈狭带状分布的林缘草甸，每平方米的植物种数达30种以上，明显高于其内侧的森林群落与外侧的草原群落。美国伊利诺斯州森林内部的鸟仅登记为14种，但在林缘地带达22种。又如，湖泊、沼泽就是水体生态系统与陆地的交错地带。它兼有水体与陆地的双重特性。
表1-5列出了大部分边缘地带的类型，有些边缘地带是最富裕的地区，即边缘效应最大的地区，如长江流域边缘地带。再如第一类中的边缘地带是海岸带与浅海带。它是海洋与陆地之间的交叉地带。在海岸带上往往有若干个港湾，可以作为港口资源开发。浅海带一般水深不过几米、十几米，或几十米，是近海捕捞、养殖、航运的主要区域。第二类中的河谷盆地生态系统，它是位于环山包围或两山对峙的山区与平原之间的边缘地带。“坝子地”是两个山地生态系统之间狭长的小平原，盆地则位于四面环山、“环丘”或“环高地”、岗地的盆地。这是两种典型山丘与平原交错的边缘地带。第三类，从广义上讲，山地区与平原区往往有“低丘”、岗地作为边缘地带。还有一类是平原湖区。在湖泊星罗棋布，众多溪流、河流与其一起形成湖河水系的平原湖区，也是边缘地带。森林与大平原之间的边缘地带——稀树草原区也是非常典型的过渡地带。在这类边缘地带上，也往往点缀着众多的湖泊和溪流，成为农业、畜牧业集中地带。在经济上又把其称为农牧交错区。雪山、冰川与沙漠之间有两种边缘地带。一是沙漠绿洲，即融化的雪水通过地表或地下流向或渗入沙漠地下，以地表径流或地下暗河最终汇聚成河湖，形成农牧业或其他产业，为居民点奠定了基本生存条件。二是这些水资源在沙漠边缘形成湖泊群和溪流，为高原草原和江河提供了水源。例如，新疆、西藏、青海、四川、云南、甘肃、宁夏等省、自治区，都有这类边缘地带。这分别是由喜马拉雅山、昆仑山、唐古拉山、天山、阿尔泰山、巴颜喀拉山等山系或分支系与大片戈壁沙漠、青藏高原上的特殊地貌、气候的相互作用的产物。我国大部分东西走向或者先向东、后向南的河流都发源于这一地区。
从大湖边缘地带看，我国的洞庭湖、太湖、鄱阳湖等大湖，或者平原湖区至少都有着2 000～3 000多年前进化的古代文明史，以及近代、现代的辉煌文明的发展。大量的考古、出土文物表明，3 000多年前这些地区的文化艺术、教育、农业、冶炼等都是很发达的。世界最早的古代乐器——编钟，大都是从长江中下游和黄河下游沿湖地带出土的。这些边缘地带的古代人民，约在公元前3 000年就学会了冶炼、制作铜器，并发现了煤、石油和天然气。1997年，中日两国考古专家发现，江汉平原在距今约5 000多年前就建筑了规模巨大的古城市群。其中的居民区、商业、军事防卫系统的设计，极为科学、实用。
再从沿海边缘地带看，几乎拥有海岸带的所有国家都是发达、较发达国家。中国的五千年文明史，除了沿河文明带以外，最发达的经济文化区大都在沿海地带。
还有一种特殊的边缘地带——城市郊区，它兼有农村和城市的特点，但又和这两者不完全相同。既是城市先进文化、技术、经济的辐射过渡地带，又是农村基础产业，包括农业与工业制品、建筑等物质资料的加工和劳动力输出、输入的过渡地带。
三、现代生态科学理论的应用
现代生态科学理论的应用，集中在生态恢复、环境保护、绿色产业与循环经济的发展中，其技术与科学理论日益成熟。
1．在立体农业中的应用
中国生态系统和农林作物种类多种多样，行之有效的立体农业形式繁多，难以一一涉及，这里只列举下述类型。
木本植物与农作物的立体配置模式。这是充分利用光、热资源的有效措施。我国采用较多的是泡桐、农作物间作和林药间作。“桐、粮”间作主要分布于华中、华北地区。河南省已推广200多万公顷。调查表明，每公顷间作75～120株泡桐的间作田比单种小麦可增产17％。桐树是速生树种，生长快，7～8年即可成材。每公顷间作田的经济收益比单作农田可高出4 500元左右。林药间作主要有吉林省的林、参间作，江苏省的林下栽种黄连、白术、绞股蓝、芍药等。林、药间作不仅能提高经济效益，而且能塑造山青林茂、整体功能高的人工林系统，改善生态状况。此外，还有胶、茶间作，种植业与食用菌栽培相结合的各种间作，如稻田种菇、甘蔗田种菇、果园种菇等。总之，农林立体种植，能够有效提高太阳能的利用率和土地生产力，是我国生态农业建设中的一种主要技术类型，应当因地制宜地推行。
水体立体养殖模式。该模式主要分布在我国一些水体资源丰富的地区。由于水中的植物、动物、浮游微生植物、浮游微生动物等食物资源分布于水体的不同层次，可把鲤鱼、草鱼、花鲢、白鲢、鲫鱼等鱼类按比例放养在同一水体中，形成食物的分层利用。这样的高产鱼塘，每公顷鱼的总产量可达8 000千克以上，效益倍增。
水体与陆基循环型的立体模式。桑基鱼塘是典型的水体陆基物质能量交换的立体系统。在这个系统中，通过水陆物质交换，使桑、蚕、鱼等各业得以协调发展，资源得到充分利用和保护，整个系统处于良性循环，可以取得极好的经济效益。据江苏省调查，太湖地区的桑基鱼塘每公顷产桑叶1.5万～2.25万千克，可养蚕产茧1200～1800千克，蚕桑所提供的饲料和肥料，每公顷桑基鱼塘可产鱼1 830～2 350千克。
利用生物种群关系的立体模式。按生态—经济—社会价值同—原理，把两种或者三种相互促进的物种组合在—个系统内，使种群之间构成互惠互利关系，达到生态—经济—资源良性循环的目的。这种生物物种共生模式在我国主要有稻、鱼，鱼、蚌，禽、鱼、蚌，稻、鱼、萍，苇、鱼、禽，稻鸭共栖共聚等多种类型。其中，稻田养鱼在我国南方和北方一些地方已普遍推行，既提高了水稻产量，又促进渔业发展，还可减少化肥、农药、除草剂的施用量，增强土壤肥力。据试验，稻田养鱼平均每公顷水稻产量可达7.9吨，比单一种植的稻田增产1.13吨，增产15.2％；养鱼76天，每公顷可收鱼1.3万尾。
2．在生态经济良性循环中的应用
长期以来，我国大部分农村以作物秸秆和木材作燃料，用旧式灶台做饭，这种生物能源利用方式有很多弊端：其一，旧式灶台热效率不高，一般在10％～15％；其二，秸秆是主要的畜禽饲料和肥料资源，燃烧秸秆是很大的浪费；三是人们为了燃烧之用，砍伐林木，破坏植被，导致水土流失、生态恶性循环。全国每年烧掉的秸秆约4亿吨。大量燃烧秸秆污染大气，已成为影响我国农田、农业和农村环境的一个重大问题。采用新生物能源的先进技术和经验，充分利用我国丰富的生物资源和良好气候环境条件，可以培育出大批生物新能源产业群。
新生物能源及有机废物利用的绿色工艺与工程技术：
推广节能灶台，种植薪炭林 新式灶台其热效率最高可达到50％以上，节能效果非常显著。湖南省岳阳地区曾推广“岳2、岳3”省柴灶，一户人家建一个灶，省柴灶成本1O元，一年能节约烧柴1500多千克。发展速生、适应性强和产量高的薪炭林，对解决农村能源问题是一种有效的办法。我国速生树种资源丰富，可采用立体栽培模式，草、灌、乔结合，经济林木与水土保持林结合，尤其要重视粮油木本作物速生品种的选育，使其一树多用。
发展沼气能源 利用秸秆、杂草、粪便等生物废弃物经过厌氧发酵获得可燃气体，具有污染小、利用率高、综合效益显著的特点。四川省开展综合利用沼气的农产7.2万个。联合国粮农组织在四川成都成立了亚太地区沼气培训中心。目前，沼气向“多户合建”大型沼气池集中供气方向发展。沼气池的建设工程技术并不复杂，但原料的选择及其管理却值得注意。只有碳、氮比例在2O：1左右，才能有较高的产气量。后期管理不好，是造成某些地区沼气池建设失败的主要原因。这项工作应有专门的行业及其培训、投资企业承担。只投资硬件不投资软件，会造成不良后果。农业部在全国20多个省（自治区、直辖市）的l 000多个村实施以沼气技术推广为重点的“生态家园富民计划”，深受农民群众欢迎。
利用废弃生物质，生产洁净燃料 利用木材加工下脚料或其他生物质生产甲醇、乙醇等液体燃料，这种技术在意大利等国取得了较大的成功。湖南省已制造出C100型物质深度加工试验装置，以生产木炭为主，同时可得到焦油和煤气。利用碳化技术，废弃生物质还可被压缩成型。这种技术可以把农村的秸秆、树杈、树根、树叶等，经机械加压成型，制成方便、定型的固体燃料。此外，秸秆气化技术已在我国的山东、江苏、浙江、湖北、四川等省逐步推行。
改良选育“富油类植物” 如被称为“石油树”的大戟属植物能产出类似石油的产品，1000吨这种干植物经化学加工可制取28吨燃料油和100吨酒精。产于古巴的“柴油树”，其树胶能产生类似柴油的液体，一棵树每年可得40升优质燃料油。美国科学家培育出一种热带“石油草”，可以提取出高含量的石油。应当引进这种植物，经栽培实验后推广。
推行有机废物利用的绿色生物技术。随着生物产品加工规模的扩大，产生了大量生物废物，如骨头、排泄物、树叶、果皮等下脚料，弃之不用，既浪费了宝贵资源，又污染环境。人们正在逐渐认识到这个问题，并开始形成废物再利用的产业群。
3．在新能源经济与洁净能源转化中的应用
洁净能源是未来能源发展的大趋势，是可持续发展的源头产业。洁净的能源主要指太阳能、水能、风能、海洋能、氢能以及地热等。据预测，2000—2010年和2010—2020年，仅华中地区两个阶段能源需求量年均增加分别为5.1％和4.7％。目前，能源主要是煤、石油、天然气和核能，这些能源的利用产生了大量废气、废水、废渣，污染了环境，引发了“阳伞效应”和“温室效应”。开发利用各种清洁能源及其绿色技术是当务之急。
（1）太阳能。2003年，我国已推广约600万只太阳能热水器管。据报道，云南有一个县农村推广太阳能热水器（板式），已达到120万米2，这至少相当于把约150万千瓦时电能的太阳能进入了约2O万户农民家庭，满足了他们洗澡、做饭、烧水和洗用的能量需求。此举有效节省了薪柴、秸秆等有机肥资源，减少了林木砍伐，增加了绿色植被。
太阳能的利用潜力巨大。据测算，地球每分钟接收的太阳能为173万亿千瓦，相当于3．5亿吨煤的燃烧热!它是植物光合作用以及地质年代化石能源形成的总动力，是地球表面的热能、动能和化学能的总源泉。太阳能的能量转化技术，包括：太阳灶（我国已拥有14多万台）、太阳能集热器、太阳能热水器、太阳房、太阳能海水淡化装置、太阳能干燥器、太阳能制冷空调、太阳能发电。目前，最大的太阳能发电机组为4 000万千瓦。此外，还有太阳光化学太空发电站等。
（2）水能。地球上每年通过降水到达地面的水有99万亿吨。正是这些动态水，可以开发为水能。长江流域的水能业产量居全国第一。据1980年水力资源普查表明，全长江地区水能蕴藏量为3×1O 8千瓦，其中1090条1O000千瓦以上的河流水能蕴藏量为2.57亿千瓦，占全流域的95.8％。已建水电站装机容量2 500万千瓦，年发电量约1000亿千瓦时。其中中小型水电站装机容量约100万千瓦，其余为大型和特大型水电站的装机容量。已建成的大型特大型水电站有葛洲坝、丹江口、二滩水电站等。流域内已完成约130个农村电气化县。目前，在建的三峡水利枢纽工程将是世界上最大的水力发电基地之一，将装设26台发电机组，每台单机容量为7O万千瓦，总装机容量为1820万千瓦，平均每年发电量847亿千瓦时。
（3）风能。我国可开发的风能资源为2.53亿千瓦。地球上总的风能潜力为每年795×101 14千焦，相当于2 600亿吨煤的燃烧热。风能的利用方式是风力发电。其成本低廉，技术相对简单。一架直径11米的风车，在4级风吹动下，可发出功率为ll千瓦的电能。若干个这样的风车联结在一起，在经常有4级风的地方，就可以解决一个居民区的用电问题。风能发电技术已经成熟。风能发电将成为多风地带的主要能源。
（4）海浪、潮汐与波浪发电。据估计全世界海浪能量的总动力将达到75亿千瓦。1855年，英国制成世界第一台波浪力发电装置。目前，全世界设计了约四百种波浪力发电装置。世界上拥有海岸线的国家，都设想在21世纪用上这种洁净、成本低廉的能源。我国目前在山东、海南建设的最大海浪发电机组为100千瓦，在海浪能的利用上走在世界的前列。值得指出的是，海流、海温都可以用来发电。美国和日本在制成了发电功率为50千瓦的海洋温差发电装置后，2O世纪80年代又制成10万千瓦的海洋温差发电机组，现在正在制造110万千瓦的发电机组。我国已建设潮汐电站装机容量为3 900千瓦，居世界第三位。
（5）绿色能源。这里的绿色能源主要包括如下几种：从废弃有机物中提取甲醇、乙醇为主的酒精、甲烷（沼气）等可燃而又洁净的气体；专门培植可产生类似石油可燃液体的植物，如石油草、石油树等；从海洋的海藻等海水植物中提取酒精以及其他燃料液体。无论是海洋还是陆地的生物能源都是太阳能的转化形态，培育植物就是把太阳能间接地开发为经济能源。以上几种绿色能量，每年约有100×101 14千瓦，是一笔巨大的财富。
（6）其他几种洁净能源。一是氢能。由于氢能的利用技术比较复杂，目前难以估计其潜力。如果可以从水中大规模地制取氢，那么氢能源是无限的能源。试验表明，燃烧1千克氢气可释放出14.2万千焦热量。氢能源可谓取之不尽，用之不竭。
其次是地热资源。地球的内核像一个核能反应堆，每年产生的热量为229．9×1O 15千焦，每小时传导至地表面的热量达27.5×lO 10千瓦。西藏、云南、四川等地都有地热能开发利用试验点。西藏羊八井地热电站是我国最大的地热电站，装机容量2．32万千瓦。目前，我国一些地方开发出的地热温室栽培、养殖、孵化等技术，在生产中都取得了很好的经济和社会效益。
再次是核能。由于一些发达国家时有发生核电站核泄漏事故，人们对核能存有疑虑。目前技术安全已得到解决，核能已成为重要的能源之一。我国已在大亚湾、秦山等地建立了核电站，运行状态良好。
4．在生态产业中的应用
现代生态产业可分为环境产业和生物技术产业。
环境产业技术又主要分为两大类，一是改造水土的产业；二是气象监测与预报产业，包括气象预报、航测遥感、卫星信息、水环境监测等。前一类在局部和区域范围内，可以通过土壤改良、灌溉、排涝等技术的应用，以改造水土环境。例如，兴建各种大、中、小型水利工程和采用生物肥料、水土保持技术等，可以促使绿色产业实现高产、优质，高效、低消耗、无污染和无生态破坏的良性循环。
气象技术主要是短期预报、中期预测和长远（如以10年为单位）监控工程技术。这种预报、预测和监测技术会随着空间技术进步而得到加强。卫星气象信息工程技术，能提供清晰的传真图像，使人们提前了解未来可能出现的气象变化，其准确率已上升至90％以上，其经济、社会和生态效益往往大于微观环境改造。气象预测技术的效益是长远的、全球性的，微观水、土改造技术的经济效益则是局部的较近期的，两者相辅相成，维持人类环境要素的动态平衡。
生态产业需要应用生物工程技术和生物技术工程这两个既相互联系又相互区分的生物技术。生物工程技术一般特指基因工程、遗传工程和发酵工程等。也有的资料把生物工程归为遗传工程、细胞工程和基因工程，在遗传工程中又有基因工程等。生物技术工程则广义得多，它泛指以生物为研究对象的技术，既包括以生物细胞以下水平的生物遗传物质为对象的技术，也包括以细胞水平为单位的技术，还包括以细胞以上水平（如组织、器官和器官系统）的技术。从更广义上讲，也包括以生物个体、种群、群落及其与环境构成的生态系统为对象的技术。
农业工厂化生产是农业增产的重要途径，特别是在人均耕地日益减少的情况下，发展工厂化作物生产，可以集成田间的许多农艺措施以缩短农作物生长期。工厂化生产技术在不少领域已经普遍推广。如大棚生产技术、工厂化禽畜养殖的推行，已成为瓜、果、菜、肉、蛋、奶供应的重要组成部分。通过生物工程进行育种，获得高产、优质、抗病新品种，并已形成育种工程产业。
5．在生态景观经济中的应用
生态景观产业是以自然地理、地貌、生物群落及相应的现代与历史人文等资源为对象的经济部门，是包括旅游、交通、居住、购物等服务行业及其管理产业的总和。以景观资源为主体的是旅游业，而交通、购物等服务行业则是生态景观产业的外延。
生态景观产业，既然叫做产业，就有一个经济效益的问题。据统计，我国的旅游收入中，旅游购物收入比例最大，占一半以上。可见，生态景观产业的主体是旅游，而旅游中的购物，即商业发展是其重点。所以，旅游区同时也是商业区。其次是住宿收入比例较大，但住宿建设应注意不同档次、实用、方便。既要照顾到少数高层次的国内外游客，又要关注中低档次的游客。
统计数据还显示，我国游览门票收入是最低的。但多数地区的旅游投资主要投向了游览区。新建的人工景点与原有的历史人文景观、自然景观往往不尽协调，有的还破坏了原有风貌。一些发达国家的旅游景点，大都不加多少修饰，以历史的真实或自然的真实吸引游客，把钱用在了服务和设施建设方面，带动商业、饮食业、交通等综合行业的发展。我国有文字记载的人文景观历史长达8 000多年，历史人文景观产业有着巨大的潜力，应当在注重保护的前提下，适当地开发。
旅游业发展的基础是优美的自然生态景观。生态与环境建设则不可避免地成为旅游业发展的基础。而控制污染、恢复与保持生态平衡则成为基础的基础。旅游收入既然以生态自然景观为基础，那么，旅游收入理所当然地要返还相当一部分用于生态建设。而作为污染源的某些企业更应当本着“谁污染、谁治理”的原则，重视向环境保护投资。否则，生态景观的旅游价值不可能持续发挥。
此外，现代生态理论还广泛地应用于基础工程设施中，如用于水利设施、生态工程和各种基础工程等，在生态治理中起着不可替代的指导作用。
