生態係統是在一定時間、空間範圍內，生物與生存環境、生物與生物之間密切聯係，相互作用，通過能量流動、物質循環、信息傳遞構成的具有一定結構的功能整體。
8.4.1生態係統的組成
地球上的生物千變萬化、多姿多彩，但彼此之間配搭得十分巧妙。綠色植物的光合作用把太陽能轉變為植物體內的化學能，直接或間接地為所有動物提供了食物；而動植物的殘體經過微生物的作用又能為植物生長提供原料。各種各樣的生物在生態係統中扮演著重要角色，根據生物在生態係統中發揮的作用和地位可分為生產者、消費者、分解者三大類。非生物環境也是生態係統不可缺少的成分之一。生產者、消費者、分解者和非生物環境在物質循環和能量流動中相互作用、相互影響、相互依存，形成了一個有機整體。
（1）生產者
假如沒有植物，世界將會怎樣？這是一個令人不寒而栗的問題，我們的衣食住行，樣樣都離不開植物，沒有了植物光合作用固定的能量，人類和動物都將饑餓而死。植物是默默無聞的生產者，它們通過光合作用把動物不能直接利用的太陽能固定為化學能，把二氧化碳和水轉變為碳水化合物。這些偉大的生產者固定的能量，不僅供給了自身的生長發育，也為消費者和分解者提供了食物和能量來源。除了綠色植物外，一些藍細菌和少數化能細菌也在扮演著生產者的角色。
（2）消費者
消費者是那些不能利用無機物製造有機物的生物，它們直接或間接地依賴於生產者所製造的有機物質，從中得到能量。直接以植物為食的動物叫植食動物，又叫一級消費者，如蝗蟲、兔、馬等；以植食動物為食的動物叫肉食動物，也叫二級消費者，如食野兔的狐和獵捕羚羊的獵豹等；還有三級消費者、四級消費者，直到頂位肉食動物。消費者雖然不是有機物的最初生產者，但它們不僅對初級生產物起著加工、再生產的作用，而且對其他生物的生存、繁衍起著積極作用。所以消費者在生態係統的物質和能量轉化過程中，是一個重要的因素。
（3）分解者
分解者又稱“還原者”，它們能把動植物殘體中複雜的有機物分解成簡單的有機物，釋放到環境中供生產者再次利用。分解者包括細菌、真菌和放線菌等具有分解能力的微生物，也包括原生生物和腐食性動物；無論是廣闊的田野、富饒的都市，還是人跡罕至的高山之巔、深邃的海洋，都存在著它們的蹤跡。這些微生物個個小得驚人，就以細菌家族的杆菌來說，70個杆菌“肩並肩”排成一行隻有一根頭發絲那麼寬；相當於地球總人口（約70億）那麼多的細菌加在一起，才隻有一粒芝麻的重量。難怪我們用肉眼看不到。當然，食用的蘑菇、藥用的靈芝這些分解者是看得見的。
別看這些分解者個兒小，但它們的胃口卻很大，如果把一個細菌在一個小時內分解的有機物換算成一個人吃的糧食，這個人得夜以繼日地吃500年。它們不僅食量大，而且無所不吃，動植物的殘體、糞便，它們都貪吃不厭。分解者的分解作用保證了生態係統的物質循環和能量流動。當一個有機體死亡後，不管是大象還是銀杏葉，它們的屍體都是一個激烈的競爭場所，這些分解者從它們身上爭奪營養物質，當分解者死亡以後，它們分解的無機物又會釋放出來，從而為植物光合作用提供所需的營養物質。假如沒有這些分解者，地球表麵動植物的屍體將堆積如山。這一個個無名英雄，默默維持著大自然的物質循環。
（4）非生物環境
非生物環境主要包括氣候因子如光照、溫度及其他物理因素，無機物質如碳、氮、水、二氧化碳及礦物質元素，有機物質如蛋白質、碳水化合物、脂類等。非生物環境為各種生物有機體提供了必要的生存條件。
生態係統類型眾多，一般可分為自然生態係統和人工生態係統。自然生態係統還可進一步分為水域生態係統和陸地生態係統。人工生態係統則可以分為農田、城市等生態係統。
（5）生態係統的信息傳遞
生態係統的功能除了體現在物質循環和能量流動外，還表現在各生命成分之間存在著信息傳遞。我們人類自然不必說，各種通信手段應有盡有——手機、傳真、MSN，即使在萬裏之外，我們也能找到對方。可是這對動物來說就有些困難了，它們不會說話，甚至有的是瞎子、聾子，那怎麼辦？這些小動物真的是自然界的精英，在長期進化的過程中它們形成了五花八門的通信手段。
在通信過程中，個體之間通過信號傳遞信息。信號可分為兩類：分立信號和分級信號。分立信號也稱質量信號，這類信號隻分有與無、是與否兩種對立狀態，沒有中間過渡狀態，螢火蟲的發光與否就屬於這一類信號。分級信號也稱數量信號，這類信號往往可以根據不同強度、不同頻率傳遞定量的信息。一般來說，信號是天生的。一種動物的信號隻能被同種個體所接受，親緣越近，接收到信號的可能性就越大。行為學家們發現，每種動物大約有50種信號行為，但這些行為實際包含的信息數量可能會更多。一些無脊椎動物和大部分脊椎動物能夠通過一些方法增加信號所傳遞的信息數量，例如，信號能夠分級，或與其他信號結合，或與其他信號組合按不同次序出現，都能代表不同的含義。
1）貓和狗的語言。貓和狗都有自己的秘密語言，它們利用身體動作和叫聲的變化來表達它們的喜怒哀樂。你一定不會想到，狗的叫聲多達170種，各種叫聲都表達了不同的意思。當它隻叫一聲“汪”就意味著“開門，我想出去散步”，或是“我餓了，要吃東西”；短促而又連續的“汪、汪”則表示“快來和我玩吧”。對於狗來說，肢體語言遠比叫聲表達的意思多。當一隻狗搖晃尾巴，或隻用後腿著地時，就意味著“我現在非常開心”；當它在你麵前打滾，表示“主人，我一切都會聽你的”。
相對於狗的170種叫聲，貓的叫聲就略顯單調。一聲“喵”表示“你好，我來了”；兩聲“喵”表示“開門，我要出去”，或是“我要吃東西”。和狗相比，貓的肢體語言是豐富多彩的，當它兩腳變換時，意味著“我現在非常開心”；當它用尾巴蹭你時，則表示“快點吧，我已經等得不耐煩了”；當它用頭部輕蹭你的褲腳時，就表示“我很信任你，快來和我玩吧”。有時貓會通過鼻子、耳朵、前額、麵頰等不同部位肌肉的動作表達它的意思。此外，貓的瞳孔的放大與收縮也代表不同的含義。例如，當貓心情憂鬱時，瞳孔就會縮小，兩耳下垂呈水平線。
因為情感表達方式和生活習性的巨大差異，使貓和狗成了不折不扣的冤家。貓善意的舉動往往會被狗誤解為惡意相向，例如當一隻貓咪對你豎起尾巴，說明它在向你示好；而當一隻狗豎起尾巴，則說明它對你充滿了敵意，你可得離遠點。
2）蜜蜂的舞蹈。蜜蜂的舞蹈絕不是為了吸引你的注意那麼簡單。事實上，任何一種蜂舞都傳遞著某種食物信息。偵察蜂回到蜂巢後通過舞蹈向同伴傳遞四種信息：食物的類型、食物的數量和質量、食物的距離、食物的方位。食物的類型依靠黏附在身體上的氣味和反吐出來的花蜜以及花粉來傳遞。食物的數量和質量通過舞蹈持續的時間和舞蹈者的興奮程度來傳遞。食物的距離則由舞蹈類型和跳八字舞時走中間直線的長度決定。若食物離蜂箱很近，則跳圓圈舞；隨著兩者距離的增加，鐮刀舞取代圓圈舞，而八字舞又逐漸取代鐮刀舞。食物的方位則是通過跳八字舞時中間直線的方向來指示。如果舞蹈者在蜂箱的基礎表麵垂直向上走中間直線，表示蜂箱、食物和太陽在一條直線上，且食物位於蜂箱和太陽之間；如果舞蹈者垂直向下走中間直線，表示蜂箱、食物和太陽仍在一條直線上，但食物和太陽位於蜂箱兩側；如果舞蹈者走中間直線的方向向右偏離了垂直線x角度，這表明食物地點在蜂箱和太陽連線偏右x角度的方向；如果舞蹈者走中間直線時向左偏離了垂直線x角度，這表明食物地點在蜂箱和太陽連線偏左x角度的方向。
利用蜜蜂的舞蹈通信，在蘋果園放置一個電子儀器，產生與蜜蜂的圓圈舞或八字舞相同的頻率或聲音。蜜蜂感受到電子儀器發出的信息後，就會受到誘惑，飛到蘋果園去采蜜。這就有助於蘋果更好地傳粉，達到提高產量的目的。
8.4.2食物鏈和食物網
食物鏈與人類的生存息息相關，而且使我們受益匪淺。植物長出的葉和果實為昆蟲提供食物，昆蟲又成了鳥的食物，有了鳥，然後才出現了蛇和鷹，鼠類才不會成災。土壤中的微生物把動植物糞便分解成簡單的無機物，為植物的光合作用提供養分，從而長出新葉。這樣就形成了一個健康的循環過程。人類也通過食物鏈與大自然聯係著。人類以動植物為食，當環境汙染的成分進入到動植物的體內，人吃了就會有生命危險。水俁病就是這樣發生的，土壤微生物把自然界的汞轉變成有機汞，魚類吃了這些微生物之後有機汞就被儲存在身體中，當人類不慎吃到這些魚，汞進入人體的神經細胞，人就會得可怕的水俁病。
在生態係統中，生物之間的食物關係用一條簡單的食物鏈並不能完全表達出來。例如，鳥類不僅捕食昆蟲，還捕食蝴蝶、蛾類等多種無脊椎動物，同時鳥類又是貓頭鷹和海鷗的食物，甚至鳥卵也能成為鼠類的食物。為了描述生物成分之間這種錯綜複雜的能量關係，我們引入了食物網的概念。這種通過食物鏈相互交織而形成的網就稱為食物網。
在生態係統中，物質的循環、能量的流動都是通過食物鏈或食物網進行的。食物鏈上的各種生物相互影響，相互製約，環環相扣。如果某一環節發生故障，生態係統就可能發生紊亂，甚至崩潰。第二次世界大戰後，南非探險隊登上南極的馬裏恩島，同時被帶上島的還有幾隻老鼠。因為老鼠沒有天敵，兩年後，島上鼠害成災。為了消滅老鼠，探險隊員運來四隻家貓，結果老鼠的數量得到了控製，而貓大量繁殖，嚴重破壞了島上的生態平衡，6萬隻貓每天能吃掉60多萬隻鳥。為了挽救鳥類，南非當局用直升機向貓掃射，並派出了上百名士兵去捕殺貓。可見，食物鏈的穩定性對維護生態平衡起著至關重要的作用。
所以，為了子孫後代的健康，我們必須保護好生態係統。
8.4.3營養級和生態金字塔
為了便於了解生態係統中物質循環和能量流動的動態，我們把食物鏈某一環節上所有的生物歸為同一營養級。任何生物都屬於一定的營養級，但一種生物並不總是屬於同一個營養級。例如，茅膏菜既能進行光合作用又能通過腺毛捕食昆蟲；又如黑猩猩等雜食動物，既吃動物又吃植物，處於不同的營養級。
在生態係統中，能量總是從生產者流向消費者最後到達分解者，即從前一個營養級流向後一個營養級。但是能量在傳遞過程中總是逐級遞減的。這是因為：動物維持自身生長繁殖的過程中，總有一些能量隨著新陳代謝被消耗；各個營養級消費者的同化效率不可能達到100%；有些生產者或消費者在能量流動過程中會自然死亡，它們的能量直接流向了分解者，這就導致後一營養級的消費者不能100%地利用前一營養級的能量。所以，每一個營養級傳遞到下一營養級的能量大約隻有原來的10%。
如果我們把各個營養級有機體的個體數量、生物量或能量，按營養級位順序排列並繪製成圖，就成為一個底部寬、上部窄的金字塔，稱為生態金字塔。生態金字塔直觀地揭示了生態係統中生物種類、數量的多少及其比例關係。生態金字塔可分為三類：數量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。
數量金字塔是由各營養級生物個體的數量構成的。數量金字塔越高，表明這一食物鏈所包括的營養級數目越多。數量金字塔每個營養級包括的生物個體數目沿著食物鏈向上遞減。金字塔底部生產者的個體數量往往最多，大於植食動物的數量，植食動物的數量又大於肉食動物的數量，而頂位肉食動物的數量通常是最少的。數量金字塔說明每一營養級所包含的生物個體數量的相對多少。
然而在同一營養級以及不同營養級中，生物個體體積的大小因種類不同而差異懸殊，生物數量金字塔的塔形有時會顛倒。為了彌補這個問題，我們可以使用生物量金字塔。生物量金字塔就是以生物量來表示每一營養級中生物的總量。一般來說，生產者的生物量要大於它們所支持的植食動物的生物量，植食動物的生物量要大於肉食動物的生物量。在陸地生態係統和淺水水域生態係統中，生物量金字塔最為典型。
能量金字塔又稱為生產力金字塔，表示生物間的能量關係，把生物量換成能量單位，計算營養級之間的比值，來反映能量傳遞、轉化的有效程度。能量金字塔中，每一等級的寬度代表一定時期內通過該營養級的能量值。從一個簡單的能量金字塔中我們可以得知，代表各營養級生物體個數的層麵呈現出不連貫的階梯狀，而不是平滑的斜麵，這就說明從一個營養級到另一個營養級，不僅捕食者和被捕食者個體數目在不斷減少，生物的體型大小也呈現出減小趨勢。因為捕食者要有足夠大的體型，才能輕鬆製伏獵物，否則它們不僅捕不到獵物，還有可能筋疲力盡，失去防禦能力。但是並不是說捕食者隻能捕殺弱小動物，獅子捕殺角馬的場麵在草原上也時有發生。
8.4.4生物量和物種擴散
（1）生物量
生物量是指一條食物鏈可支持的生物總質量，某一動物或植物物種的活個體的總量或重量，稱為物種生物量，而群落中所有物種活個體的總量或重量，稱為群落生物量。
生物量通常以生境的單位麵積或單位體積來表示，常以每單位的幹質量計算，是指某一時刻單位麵積內實存生活的有機物質（幹重）（包括生物體內所存食物的重量）總量，通常用千克/米2或噸/公頃表示。植物群落中各種群的植物量很難測定，特別是地下器官的挖掘和分離工作非常艱巨。出於經濟利用和科研目的的需要常對林木和牧草的地上部分生物量進行調查統計，據此可以判斷樣地內各種群生物量在總生物量中所占的比例。
（2）物種擴散
生物個體或其傳布體（如孢子、種子）向其他地域傳布的過程稱為擴散，又稱散布。生物體任何一個部分，在其離開母體後仍能保持活力並在適宜條件下形成新的個體時就成為擴散體。就植物而言，由於其細胞和器官具有全能性，因此從理論上講，植物的任何部分都有可能成為擴散體。動物的蟲卵、幼蟲、蛹和成蟲等均可以作為擴散體。
各種生物都能通過不同的擴散方式擴大棲居範圍和分布區域；擴散還促進生物群落的演替，增加物種的多樣性；大範圍的擴散結合地理隔離是物種分化的重要條件；新的環境意味著不同的自然選擇機製，可改變種群的基因頻率，因此擴散是促進生物進化的重要因素。
但是，當入侵物種種群在數量上達到一個閾值就會呈爆炸式擴散，形成災害。一般而言，外來物種能夠暴發成災，除了其有較強的生命力、適應性、缺少天敵和與原產地有相似的生境等因素外，主要就是因為其擴散體數量多、壽命長，並具有高效的擴散方式。
8.4.5生態平衡
在生態係統中，物質循環和能量流動時時刻刻都在進行著，在一定的時期內，生物的種類和數量總能維持相對穩定，係統的輸入和輸出總是保持著一種相對的平衡狀態，這種平衡狀態就稱為生態平衡。例如，在池塘中魚以浮遊動植物為食，魚死後，水中的微生物把魚的屍體分解為簡單的無機物，這些無機物為浮遊植物提供了養料，浮遊動物以浮遊植物為食，而魚又能吃浮遊動物。這樣，浮遊植物—浮遊動物—魚—微生物之間就建立了一定的生態平衡。
（1）生態係統的自我調節
在生態係統中，生物與生物之間、生物與環境之間，不停地進行著物質交換和能量流動；生態係統在不斷發展的過程中生物量由少到多、食物鏈由簡單到複雜、群落由一種類型演替為另一種。因此，生態平衡是一種動態平衡，它的各項指標，如生物量、生物種類和數量都不是固定在某個水平，而是在一定的範圍來回變化。當係統中某一成分發生改變，引起不平衡，生態係統的自我調節能力又能使其進入到新的平衡狀態。
例如，山區中的雪兔和其捕食者猞猁的數量波動就是一種典型的動態平衡。通過計數狩獵所獲得的雪兔和猞猁的數量變化，研究者發現兩者有著相似的數量波動曲線，但雪兔的數量波動變化總是快於猞猁的波動變化。進一步研究後，研究者得到了這一現象的合理解釋：當山區中青草數量增多時，雪兔由於食物充足而大量繁殖，猞猁由於雪兔數量的增多而獲得更多的食物，進而引起猞猁數量的增長，但由於繁殖周期等生理特性的差異，雪兔數量的上升總是快於猞猁數量的上升。
同時，當捕食者猞猁數量上升時，雪兔遭到大量捕食導致數量下降，而猞猁因為無法獲得足夠的食物，種群數量也會隨之下降。通過這樣一個簡單有序的調節，生態係統中生產者和各級消費者相互影響、相互製約，從而確保生態係統不會因為過度消費而崩潰，最大限度保證了生態係統的動態平衡。
通過比較雪兔和猞猁種群數量的變化，可以看出生態平衡對外界的幹擾相當靈敏，但並不是說人類不能利用環境、改造環境，在確保不會對生態平衡造成破壞的基礎上，人類完全可以合理規劃，充分利用生態平衡的這種調節機製。生態係統成分越多樣化，物質循環和能量流動的途徑越複雜，係統調節能力就越強。依據這一原理，人們創造出了農林係統、生態農業和立體農業等農、林、牧、漁結合的人工複合生態係統。例如，我國珠江三角洲一帶的“桑基魚塘”就是農業生態平衡的一個成功例子。在這一生態係統中，人們用蠶糞喂魚，塘泥肥桑，而桑又喂蠶，把栽桑、養蠶、養魚三者結合，形成了桑、蠶、魚、泥互相依存、互相促進的良性循環，避免了水澇，營造了十分理想的生態環境，同時減少了環境汙染，收到了理想的經濟效益。
（2）生態平衡的破壞
生態係統對外界的幹擾具有一定的彈性，但其自我調節能力也是有限的，當外界幹擾超過這個限度時，生態平衡就會遭到破壞，甚至導致生態危機。1935年，為了控製澳大利亞的甘蔗甲蟲，人們第一次從南美洲將海蟾蜍帶到澳大利亞，放養到昆士蘭島。但是這些蟾蜍既不能控製甲蟲數量，也不能老老實實待在甘蔗田地裏。它們在各種各樣的棲息地興旺繁殖起來，甚至在城市也不例外，它們像野火般蔓延起來。這些蟾蜍沒有天敵，而且胃口極大，繁殖力驚人，它們很快在資源競爭中戰勝了本地兩棲動物，使很多物種麵臨滅亡的危險。人們雖然多次嚐試控製海蟾蜍的數量，但仍然無濟於事。人們的急功近利破壞了生態平衡，最終破壞了自己的美好家園。
可見，如果人們不遵循自然界的客觀規律，必然會使生態平衡遭到威脅，發生嚴重的連鎖反應，甚至釀造各種天災人禍。例如1998年長江特大洪災使中國從南到北、從東到西的大部分地區都發生了洪澇災害，造成的直接經濟損失超過2000億元人民幣，2150多萬公頃農作物受災，而造成洪災的原因就是江河上遊亂砍濫伐森林。隨著人們利用和改造環境的能力日益增加，像原始森林那樣的自然生態係統已經寥寥無幾，大量的養殖湖、薪炭林等人工生態係統逐漸取代了天然生態係統。研究發現，雲杉林被破壞後，在沒有任何人為幹擾的情況下，需要100年才能恢複；如果雲杉樹全被砍伐後則需要300年以上才能恢複；如果林地土壤也被破壞，種子庫損失，雲杉林的恢複基本上是不可能了。
值得注意的是，越是複雜的生態係統，其平衡遭到破壞後就越難恢複，自從人類意識到要保護熱帶雨林開始，還沒能成功恢複過哪怕是最簡單的熱帶雨林生態係統。
（3）影響生態平衡的因素
影響生態平衡的因素有自然和人為兩種。火山爆發、泥石流和地震等屬於自然因素；過度墾荒、放牧、亂捕濫殺野生動物及大量的“三廢”排放均屬於人為因素。生態平衡的破壞主要是人為造成的。浩瀚的沙漠吞噬了一個又一個人類文明：尼雅遺址、丹丹烏裏克遺址已淹沒在漫漫黃沙中；高昌故城、喀拉墩古城早已是滿目瘡痍；曾經浩瀚的羅布泊如今已是流沙縱橫、鹽堿泛濫的不毛之地；埃及阿斯旺大壩擋住了肥沃的淤泥，使尼羅河下遊土地貧瘠，河裏的營養物質減少，漁業生產受到嚴重威脅；印度北部山區由於森林全部被砍光，1978年的特大洪水導致2000多人被淹死，4萬頭牲畜被衝走；日本的水俁病事件；倫敦煙霧事件……這些無一不是人類無節製地破壞生態係統的後果。
（4）“生物圈Ⅱ號”的教訓
1984年，美國花費2億美元建造了一個完全封閉的生態實驗基地，用以模擬生物圈的結構和功能，這個實驗室被稱為“生物圈Ⅱ號”。整個實驗室是用鋼架結構的玻璃建築而成，占地1.3萬平方米，遠遠望去仿佛一個巨大的溫室。經過充足的前期準備，8個實驗者被送進“生物圈Ⅱ號”，為了探究人類離開地球能否生存，科學家預期讓他們與世隔絕兩年。這些實驗者以自己生產的糧食為食，靠呼吸植物釋放的氧氣、飲用生態係統自然淨化的水生存。然而18個月後，“生物圈Ⅱ號”嚴重失去平衡，氧氣濃度從最初的21%降到14%。根本無法維持實驗者的生命，即使科學家輸入氧氣補救仍然無濟於事。原有的25種小動物，也隻剩下6種，為植物傳播花粉的昆蟲全部死亡，植物也無法繁殖，科學家們的假想最終以失敗告終。
後來經過科學家們的仔細研究，他們發現導致“生物圈Ⅱ號”生態平衡破壞的根源是細菌，細菌在分解土壤中有機質的過程中，消耗了大量氧氣，破壞了氧氣的平衡；而細菌活動釋放出的二氧化碳經過化學作用又被“生物圈Ⅱ號”的混凝土牆所吸收，再次打破了物質的循環。
“生物圈Ⅱ號”的例子告訴我們，地球是我們珍貴的家園，人類利用高科技也很難創造出像地球這樣完美的生態係統，隻有生物圈才能提供我們生存必需的條件。因此，我們在追求自身利益的同時，應積極尋找協調人與自然和諧相處的途徑，把生命的空間維護得更加美好！
地球為生命提供了適宜生存的空間，生活於其中的任何生物都不可能孤立存在，生物與生物、生物與環境之間不停地進行物質交換和能量流動，它們相互依存、相互作用、相互影響，保持著生態係統的平衡狀態。對外界幹擾，生態係統有一定的自我調節能力，但如果外界幹擾超過了係統的彈性限度，生態平衡就會遭到破壞，導致連鎖反應，甚至災難的發生。所以，在人類自我發展的同時，能否與自然和諧相處，保護生態平衡，考驗著人類的良心與智慧。