生态系统（ecosystem）是英国生态学家Tansley于1935年首先提出来的，指的就是在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能的单位。在这个系统内，生物及其非生物环境是互相影响、彼此依存的统一整体。

生态系统的物质循环又称为生物地球化学循环，是在20世纪20年代由韦尔纳兹基（V.Vernadsky）提出的，它描述的是生命、空气、海洋、陆地和其化学元素之间的相互作用，是指地球上各种化学元素从周围的环境到生物体，再从生物体回到周围环境的周期性循环。它可分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。水循环主要是指水从地球表面（包括生命体）通过蒸发进入大气圈，同时又不断从大气圈通过降水而回到地球表面，生命元素H和O主要就是通过水循环来参与生物地球化学循环。在气体型循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相关，参与气体循环的生命元素主要有O，C，N，S等，属于气体型循环的物质有O2，CO2，N2，Cl，Br，F等。参与沉积型循环的物质，主要是通过岩石风化和沉积物的分解转变为可被生态系统利用的物质，循环性能一般并不完善。其中P是较典型的沉积型循环元素，属于沉积性循环的物质有P，K，Na，Ca，Mg，Fe，Mn，I，Cu，Si，Zn，Mo等。除了以上这三大时间跨度较大的循环之外，对生态系统来说，还有一种是在系统内部非生物环境和生物之间进行的生命元素的周期性循环，这就是生物循环。

在生物地球化学循环中，对于生命来说最重要的就是生命元素的生物循环。按生命元素来分，其中主要的就有碳循环、水循环、氮循环、氧循环、磷循环和硫循环等，因为是这些元素构成了人体乃至生命的最主要的部分。因此可以说，环境就是一个由循环构成的复杂网络。这些循环对生命的产生、进化及生存至关重要。一切生物，尤其是微生物，在物质循环中都占有相当重要的地位。任何一类生物的生存和延续，都依赖于其他生物实现的化学转化。物质循环的某一环节的破坏，都会影响生命活动。没有物质循环，就没有生命。正如一位科学家所说的，“地球上的一薄层生活物质是由大规模的能量与化学元素循环来维持的”。

地球上的全部物质可以分成生物来源的和非生物来源的两大类。生物来源的物质指的是构成活生物体的物质及现在和过去的生命活动的产物。更一般地说，所有那些通过生物体的物质或通过生物作用的物质都是生物来源的物质。从这一意义来说，地球表层几乎所有的物质都是生物来源物质。每年约有30亿吨地球内部物质从火山口喷出，还有大量的宇宙尘埃、陨石进入地球，但它们很快就都进入生物地球化学的循环。尽管构成活生物体的物质总量并不大，只相当于地球表层总物质量的十万分之几，但是我们已经知道地球表层物质的生物转移的规模和速率之巨大是十分惊人的，也可知它们的正常循环对生命的存在是何等地重要。各种物质循环之间不仅是互相联系的，而且它们还都遵循着同样的物质守恒的规律，对于生物物质循环来说，那就是生物吸收量＝存留量＋归还量。

实际上，生物转移的物质总量要比其自身的质量大许多倍。根据科学家的粗略估计，地球上活生物的总个体数为5×1022个（Fischer，1984），其中微生物（占98%）的质量可忽略不计，占总数2%的宏观体积生物，若按其平均体重1克、平均寿命20天计算，则自约7亿年前动物、植物有确凿化石记录以来的累计总质量达到6.7×1030克，是地球总质量（5.9763×1027克）的1000倍。又如一个人一生就要消耗（通过人体）大约60～75吨水和20～25吨食物，而微生物转移和作用的物质量比其自身质量更不知要大多少倍。地球上的植物在光合作用中每固定1吨碳，就会吸收30～40千克氮，5千克磷，5千克硫。由此可推算出，每年地球上碳、氮、磷、硫进入循环的大概数字是：碳1.7×1011吨，氮6×109吨，磷8.5×108吨，硫8.5×108吨。这些元素由植物合成有机物，又经微生物分解或者燃烧再变成无机物。

生物物质循环的速率极大。科学家指出，生物圈全部活物质更新周期大约为8年，其中陆地植物为14年，海洋生物平均为33天，而海洋浮游植物为1天。水圈中全部的水每2800年通过生物体循环一次，大气自由氧每1000年通过生物体代谢过程一次。全球大洋的水平均每半年就要通过浮游生物“过滤”一次。可见，自有生命以来地球表层的全部物质已经通过生物体无数次了，地球表层已几乎不存在未经过生物作用的物质。

地球上的生物物质循环如此重要，可是在当今的世界上，生物物质循环却遭受到了并且还在继续遭受着人类的大量的急功近利的破坏，这就引起了一系列的严重环境问题，其表现就是生命元素循环的严重被破坏。结果也就势必破坏生命所赖以为生的环境，而最终又会严重影响到生命本身，导致生物圈对地球环境的调控功能的降低或局部丧失，反过来又会促使环境条件进一步恶化，从而形成一个恶性循环，最终就会酿成人类所不愿意看到的大灾变。