（一）物质循环和能量流动

生态系统的能量最初来源于太阳。绿色植物是生态系统的主要初级生产者，它通过光合作用，将光能转化为化学能储存于体内，成为进入生态系统可利用的基本能源。绿色植物固定的太阳能沿食物链经逐级取食，使一种形式的化学能转变为另一种形式的化学能（图5-4）。因此，食物链本质上是生态系统能量流动的途径，绿色植物固定的太阳能沿食物链不断地流动转移，使得生态系统的各种功能得以维持。生态系统的能量流动是遵循热力学定律的。热力学第一定律指出，能量从一种形式转变为另一种形式，但既不能创造它，也不能消灭它，即能量守恒定律。热力学第二定律指出，能量在转变(做功)的过程中，一部分能量转化为无法利用的热能向周围散失，即熵增加原理。通过光合作用进入到生态系统的太阳能在沿食物链的流动过程中不断消耗，最终全部以废能的形式散发掉，达到热的动态平衡。

图5-4　生态系统的能流模式图（Odum，1971；转引自沈国英等，2010）

L.太阳总辐射；PG.总初级生产力；PN.经初级生产力；R.呼吸量；C.消耗量；A.同化量；P.次级生产量；Nu.未利用量；Fu.粪尿量

能量在沿食物链流动过程中，大部分能量将消耗掉，只有少部分用于下一营养级的生长和繁殖，成为可利用的能量（图5-5）。能量的利用效率称为生态效率，它可以用相邻两个营养级之间的生产量来表示，即某一营养级的生态效率就是该营养级的生产量与前一个营养级的生产量之比。林德曼“十分之一”定律就是指水生生态系统中的生态效率为10%。

图5-5　能量在次级生产中的消耗分配（改自彭国华，1992）

绿色植物是生态系统中的主要初级生产者，绿色植物的光合作用不仅将光能转化为化学能，同时将从环境中吸收的无机元素转变成有机物（如碳水化合物、蛋白质、核酸和脂类等）。这样，生态系统的物质通过绿色植物（生产者）的吸收作用进入食物链，并沿食物链在消费者间逐级传递和转化，当生物死亡后，机体内的有机物又会被分解者分解成为无机物释放到环境中，这些无机物会再一次被绿色植物吸收，并通过光合作用转化成有机物，从而重新进入食物链参与生态系统的物质循环。因此，生态系统中的任何物质和元素都处在循环的某一环节，它们在生态系统的生物有机体和无机环境之间的循环往复过程称为生态系统的物质循环。

生态系统的物质循环和能量流动是紧密联系、不可分割的。但是二者又有本质的区别，能量来源于太阳，沿食物链向一个方向逐级流动，并不断消耗和散失；营养物质来源于地球，在生态系统中循环往复，不断地被生物重新利用（图5-6）。

图5-6　图示生态系统的物质循环和能量流动比较（引自张志南等，2000）

（二）信息传递

生态系统的信息传递是伴随着物质循环和能量流动来完成的。生态系统的信息包括物理信息、化学信息和行为信息。物理信息指通过物理过程传递的信息，它可以来自生态系统的无机环境，也可来自生物有机体，主要有声、光、温度、湿度、磁力、机械振动等。有机体的眼、耳、皮肤等器官接受物理信息并进行处理。化学信息是指通过化学物质传递的信息，生物体合成的生物碱、有机酸等次级代谢产物都可起到信息传递的作用，生物体能通过多种途径接收这些化学信息。行为信息多种多样，是指生物通过一定的行为向同种或异种的生物传递信号。生态系统中生物的活动离不开信息的作用，信息传递在生态系统中的作用主要表现在以下方面：①维持生命活动的正常进行；②保证种群的繁衍；③调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定。

（三） 自我调节

自我调节是生态系统的功能之一。自然生态系统是一个开放系统，物质和能量不断输入与输出。生态系统通过反馈机制（feedback mechanism）实现其自我调控以维持相对的稳态（homeostasis）。反馈有正反馈和负反馈之分。正反馈（positive feedback）是系统中的部分输出通过一定路线又变成输入，起促进和加强的作用。负反馈（negative feedback）是输出反过来起削弱和减低输入的作用。生物群落内不同种群之间的各种相互关系调控着种群的数量，如捕食者与被食者的相互关系（正反馈和负反馈相互作用）就是最典型的例子。被食者种群增长可促进捕食者种群增长（数量增加），而捕食者种群增长后对被食者造成更大的压力，使被食者种群数量减少；当被捕食者种群数量减少，捕食者由于得不到足够的食物种群数量随之减少（图5-7）。因此，生态系统就是通过生物之间以及生物与环境之间各种反馈机制来实现自我调节。

图5-7　反馈机制促进兔和狼的种群达到稳态