工程学原理

生态工程学是基于生态系统中物种共生、物质循环再生以及结构功能协调作用的系统优化活动过程。这一过程除遵循基本生态学原理外，还涉及包括系统工程、整体协调、耗散结构以及层次结构等工程技术领域的诸多原理。

(一)系统工程原理

系统工程学是一门高度综合性的管理工程技术，注重从系统的观点出发，跨学科地考虑问题，运用现代科学技术研究解决各种系统问题。作为一种组织管理方法，系统工程学首要任务是根据总体协调的要求，构建自然科学与社会科学在基础思想、策略及方法上的横向联系，并应用现代数学理论和工具，分析研究系统构成要素、组织结构、信息交换以及自动控制功能，以达到进行最优化设计、最优控制和最优管理的目标。

基于系统工程原理，在开展生态工程设计时应遵循整体性原则、综合性原则、优化性原则、模型化原则以及交互性原则。整体性原则要求生态工程以系统分析的原理和方法为基础，重视目标与过程的统一。生态工程重视的不仅是环境优化，而且兼顾社会、经济与自然的整体效益，追求社会-经济-自然的整体最佳效益，实现富裕、健康、文明三位一体的复合生态繁荣。综合性原则要求在生态工程设计时综合考虑实施途径、系统目标以及实施效果的多样性。在选择和确定生态工程实施途径、目标以及所能达到效果的过程中，需要尽可能地应用数学工具，在一定条件下使内部子系统之间协作，可保障时间与空间、物质与能量以及信息输入与输出的效率最高。同时，充分发挥模型优点，确保在较短时间内，以最少的消耗、最高的效率以及最大可能研究生态工程内部设计与外部环境变化过程之间的各种复杂响应关系，为系统最优化设计提供方法保障。在分析与决策过程中还应遵循交互性原则，一方面及时向抉择者提供反映系统分析和评价的结果;另一方面也需要将决策者的反馈作为系统进一步优化的信息充分加以利用，以便对下一步进程做出判断和修改。

(二)整体协调原理

生态工程作为一个有机整体，具有自然或者人为划定的明显边界，同时边界内的功能具有相对的独立性。如河流、湖泊、湿地水生态系统，同相邻的陆生生态系统边界明显，其功能也明显有区别。同时作为一种生态系统，其至少由包括生物和环境两个或者两个以上的组分构成。以湖泊生态系统为例，其本身包含水生生物和水生环境两部分，而水生生物和水生环境两大组分又可分为更小的子系统。水生生物分为沉水植物、浮游植物、浮游动物、底栖动物以及鱼类等。而水生环境又可分为水环境、底质环境以及大气环境等。系统内不同组分之间存在复杂的关系，并且相互依赖。生态工程是人工干预条件下对自然生态系统的重构，必须把环境与生物及其子系统进行充分协调。

湖泊恢复生态工程的发展经历了生态组分单项修复“治标”阶段到系统修复“治本”的转换。早期开展湖泊生态工程往往仅考虑水生植物或者水体环境等单个组分，不能完成对完整生态系统的修复，所修复或构建的生态系统稳定性不足，导致大部分工作投入较大但取得的效果并不理想。目前，国内外富营养化湖泊中开展的水生植物恢复重建工作所取得的成果很难维持，究其根本原因就在于此。构建稳定的湖泊生态系统必须遵循生物与环境统一整体性原则:一方面必须对包括水体与底质在内的水生环境和包括鱼类与浮游生物在内的生物环境进行改善和提高;另一方面，在考虑水生植物生长环境与其对应关系的基础上，构建和谐有序的恢复方案。

(三)耗散结构原理

耗散结构原理指一个开放系统的有序性来自非平衡状态，即系统的有序性因系统向外界输出熵值的增加而趋于无序。而要维持系统的有序性，必须有来自于系统之外的负熵流的输入，即有来自于外界的能量补充和物质输入。生态系统作为一种非线性、复杂、开放的系统，不断与环境发生着物质与能量的交换，属于典型的耗散系统。因此，其概念与原理不仅能解释许多生态现象，而且在分析讨论生态平衡等问题方面较其他理论而言更为合理准确。

在进行生态工程设计应用中，要求不仅要注重系统内组分的设计，即自身熵输出的潜力，而且要注重系统外熵值输入能力，即向系统内部输入物质与能量的潜力。这两点既是维持系统稳定性所不能忽视的，也是评价生态工程系统效益的基本依据。湖泊生态系统在向富营养化演替，草型稳态向藻型稳态转换的过程中，初级生产力与总生物量的比值是逐渐减少的，往往伴随着系统稳态的降低。根据耗散理论，这一过程中生态系统将单位生物量的衰变逐渐减小到最低限度，使熵产生率最小化，从而使系统达到一种稳态。当一个健康的草型稳态湖泊受到营养物输入胁迫或干扰后，它通常会以增加大型水生植物群落呼吸速率，提高系统熵产生率来降低系统的无序性，当新的耗散结构形成后，又进入另外一个稳定状态。并且，如果影响系统稳定状态的强度与频率过大，会导致系统自组织能力的崩溃，从而进入非稳定状态。但是，外界胁迫因子去除后，系统的稳定状态并不能回到干扰前的状态。这既是目前湖泊生态系统稳态转换的基本观点，也是开展湖泊生态工程重要的理论基础。

(四)层次结构原理

层次结构理论可理解为稳定高效的系统必然由若干从低层次到高层次有秩序的组分所组成，并且各组分之间存在适当的比例关系和明显的功能分工，这种结构有利于系统顺利完成能量、物质、信息的转换与流动。层次结构包括横向层次和纵向层次。横向层次又叫作系统的水平分异性，指同一水平上的不同组成部分;纵向层次又叫作系统的垂直分异性，指不同水平上的组成部分。生态学研究中历来重视这种层次关系，生物学谱就是用来表示生物界层次结构的。

根据层次结构理论，生态工程本身也是按照层次组织起来的。例如，农业生态工程中，在个体水平内，农作物本身是由基因、细胞、组织、器官等不同层次组成的有机体，而在不同的水平层次间，有时构成作物群落、农田、区域以及农业生态系统的一部分。根据层次结构理论，组成系统的每个层次均具有特定的结构和功能特征，并可以单独作为一个研究对象和单元;尽管不同层次之间不能相互替代，但对某一层次的研究均有助于对其他层次的理解。湖泊生态系统可划分为个体、种群、群落、生态系统等不同层次，每个层次的组成结构与特征均不同于其他层次，且不能相互替代，但对不同层次的研究有助于对其他层次的理解。例如对沉水植物群落结构和功能的阐明，在种群层面有助于理解不同种类沉水植物的消长过程，在生态系统层面有助于理解藻类稳态和草型稳态的转换过程。因此，层次结构原理可为生态工程设计提供重要的理论基础。