地球/7g. 地球的生物群系和群落

地球
7g. 地球的生物群系和群落

生物地理学

研究地球的最佳方法是旅行。只有当人们跨越地球表面旅行，并注意到他们在旅途中所见到的植物和动物之间的差异时，才能真正欣赏到地球上众多生命形式的研究。因此，地球上的生命研究与地球的地理位置有关，涉及不同动植物的分布以及它们所生存的物理环境。这主要是由于生物体表现出特定的适应性，以应对每个地区的物理环境。因此，干旱沙漠中的生命将表现出与寒冷极地不同的动植物类型，而茂密的热带雨林将展现出独特的、多样化的动植物群，每个区域都有其独特的特征。生命地理学的研究是一个令人着迷的领域，即生物地理学。

生物地理学的研究很可能起源于亚历山大·冯·洪堡的作品，他是一位200年前的富有的德国探险家。亚历山大·冯·洪堡希望环游世界，但欧洲正在肆虐的拿破仑战争使得旅行变得困难，资金和穿越交战国家的许可都成为难题。他曾希望加入一艘研究船进行环球航行，但战争导致航行被取消。他曾请求加入拿破仑·波拿巴前往埃及，但法国军方拒绝让他同行。1799年，洪堡的运气发生了变化，西班牙国王查理四世批准他前往美洲。1799年至1804年间，洪堡游历了南美洲和北美洲，并在详细的科学笔记中记录了他的经历。1804年，当他抵达美国时，他在白宫受到了托马斯·杰斐逊的召见。杰斐逊刚刚从法国手中完成了路易斯安那购地，但对该地区的地理情况知之甚少。他渴望咨询洪堡。洪堡曾在墨西哥广泛旅行，尽管他进入内陆的旅行受到一定限制，但他们都对这些未开发地区可能存在的动植物感兴趣。洪堡的工作对自然的概念产生了重大影响；事实上，传记作家安德里亚·伍尔夫认为亚历山大·冯·洪堡是现代自然概念的发明者（参见伍尔夫，2016年）。洪堡和许多同时代的人认为地球上有两个世界，一个是人类世界，包括农场和城市中心；另一个是自然世界，即地球上野生和未开发的区域。这种地球的二元世界观在现代仍然很普遍。这些早期政府资助的探险活动的主要原因是，植物，特别是植物生产的商品，如棉花、糖、咖啡、茶和各种农作物，随着人口的增长需求越来越大。美洲发现的番茄、土豆和玉米使得这些早期的植物学探索变得非常有利可图，特别是对于监督这些美洲殖民地的欧洲君主国来说。

人们对了解地球上动植物的分布有着浓厚的兴趣，因为它们被视为重要的原材料，从捕兽者带来的毛皮和伐木工人带来的木材到食物和异国情调的香料。生物学探索与了解地球的主要生物群系息息相关，特别是在殖民时期。生物群系是指形成于共同的物理气候下的植物和动物的独特生物群落。早期地球植物分布的地理学家，如丹麦博物学家弗雷德里克·斯考，对这些不同的区域进行了早期的分类。像19世纪30年代的弗朗茨·梅延这样的植物学家很清楚，当地气候，特别是平均温度和极端温度以及水分含量，对于解释地球上各种动植物的独特分布非常重要。使用洪堡的术语，区域或等温线是指气候相似的区域，因此往往会产生相似的动植物物种。最重要的是，这些区域可以决定地球每个区域可以种植哪些类型的植物和动物。

甘蔗的历史很好地说明了理解生物群系的重要性。甘蔗，如今是糖的主要来源，起源于新几内亚，并被引入东南亚。然后该植物被引入中东部分地区，但由于气候干燥，生长状况不佳。在欧洲的大部分地区，糖是一种稀有的药物，只在特殊场合食用。随着欧洲人在1492年发现美洲，人们很快意识到，加勒比海岛屿和南美洲更湿润和温暖的气候同样适合甘蔗的生长和收获。最早的甘蔗种植园早在16世纪初就建立了，随着甘蔗在新世界的迅速兴起，它成为欧洲和美洲各地，特别是在气候太冷而无法种植甘蔗的地方的非常常见的进口商品。这种转变导致了数百万人，特别是来自非洲的人被奴役，以便继续在美洲收获和种植这种植物。很快，欧洲人消耗的糖比以往任何时候都多，在植物无法生长的地区对糖的需求量很大。早期的生物群系大多基于对当地气候的一般描述，例如沙漠、极地或湿润热带，但另一些则基于在其中生长的特定类型的植物。例如，地图上的棕榈树、鼠尾草灌木或仙人掌区域。

19世纪60年代，弗拉基米尔·柯本经常乘坐新修建的火车从他在克里米亚南部温暖的辛菲罗波尔市的家前往俄罗斯北部的圣彼得堡寒冷的北部城市。2110公里（1305英里）的火车旅程几乎是穿越东欧的南北直线，沿途穿过许多不同的气候区域。在旅途中，他会从火车上观察他从车窗看到的植物群落中发生的缓慢变化，因为它们穿过每个特定的气候带。在他后来的生活中，他将利用这段经历发展了柯本气候分类法，该分类法于1884年首次提出，并经过多年的修改发展成为地球地理地图，对地球上每个主要陆地生物群系的地理区域进行了分类。今天它被称为柯本-盖格气候分类法，这是基于鲁道夫·盖格所做的改进。

该地图是美国农业部植物抗寒区地图的前身，该地图已成为美国园丁和农民的标准使用地图，用于确定特定植物物种是否可以在其花园中成功生长，具体取决于该地区的平均气候。例如，犹他州跨越 9 区到 4 区，南部城市圣乔治位于较温暖的 9 区和 8 区生长区内，而盐湖城位于 7 区和 6 区生长区内，而海拔较高、气候较凉爽干燥的城市，如弗纳尔和希伯，则位于 5 区和 4 区生长区内。每个区域都以平均每年最低冬季温度为界，划分为 10 度的区域。与柯本-盖格气候分类系统不同，美国农业部植物抗寒区地图仅基于温度，而不是温度和湿度的组合。随着每个地区的地理环境随时间推移发生变化，这两个地图和分类都必须进行更新。此外，这两个分类系统都基于气候，而不是植物和动物的出现。其他分类已经利用每个区域发现的土壤类型，根据该地区发现的土壤类型来划分每个生物群落。当然，这些分类仅描述了地球陆地生态系统的主要生物群落，忽略了地球海洋的各种生态系统，这些生态系统与其他物理条件有关，例如盐度、水温、光照和水深。这些生物群落描述了物理非生物环境，并没有将植物或动物的出现作为其定义的一部分。例如，此类系统将无法识别已发生改变的环境或生物群落，例如受人类干预而发生巨大变化的农业用地和城市中心，但它们可能与受保护的自然保护地的气候条件相似。

从 20 世纪 70 年代开始，植物学家大卫·古德尔领导了一支由生物学家、生态学家、自然资源保护主义者和土地管理者组成的团队，在一套多卷本的丛书《世界生态系统》中总结了地球上的主要生物群落。他们定义了地球上的 30 个主要生物群落，包括在其他系统或分类中很少定义的生物群落，例如在洞穴中发现的地下生物群落。古德尔的分类还将地球划分为自然生物群落和人类或管理生物群落，例如农作物、管理草地和工业化城市景观。因此，出现了两种关于如何将地球的主要区域划分为生物群落的理论，一种是基于生物体的出现，另一种是依赖于物理气候。

支持在生物群落分类系统中包含特定生物物种的观点来自关键物种的核心思想。关键物种是在环境中不成比例地影响大量其他物种的生物物种，将其从该区域移除将彻底改变整个生态系统。关键物种有时不是最丰富的物种，而是一个对生态系统影响最大并有助于维持生态系统的物种。例如，许多顶级捕食者，如狼和狮子，通常被认为是关键物种，因为它们对猎物的存在以及这些猎物可能依赖的植物具有非常大的影响。

尽管许多生物群落仅仅根据最丰富的物种或环境中生物量最大的物种来定义。生物量是指特定物种生物体在给定区域或体积内的总质量。例如，草原生物群落是由该区域内大量草本植物来定义的，而针叶林生物群落是由大量针叶树和松树的生物量来定义的。因此，生物群落可以根据地球上特定区域内最丰富和最常见的生物体来定义。

地球的主要生物群落

地球已被划分为许多主要生物群落。此列表并不全面，但包含了地球上广泛分布的大多数主要生物群落，并且可以通过在其内部发现的物种以及气候和物理条件轻松识别。

陆地生物群落

苔原生物群落

苔原生物群落出现在靠近南北极的高纬度地区，代表着地球上寒冷的地区，这些地区也是地球上一些最干燥的地区。在这些地区，土壤全年都处于冻结状态，称为永久冻土，只有在夏季最热的时候才会有一层薄薄的融化层。这些土壤非常古老，地衣和其他北极植物每年仅有少量生长。非常短暂的生长季节和冬季的低光照水平导致物种多样性较低。景观以地衣和苔藓为主，还有一些适应寒冷气候的草类和其他低矮植物。许多候鸟和驯鹿等迁徙动物生活在这些地球区域，以及经常在景观中长途跋涉的北极熊。

北方森林生物群落

广阔的泰加林或北方森林横跨加拿大和俄罗斯的大部分高纬度地区。北方森林以寒冷的冬季和短暂的生长季节为特征，主要由针叶树组成，这些树木在漫长的冬季仍然保持绿色。针叶树是一类树木（裸子植物），它们在早期地球历史上进化而来，长有球果和风媒花粉，而不是开花结果。它们非常适合地球这些季节性寒冷的地区，使它们的风媒花粉和球果种子能够在较冷的气候中发芽。该地区有许多哺乳动物，例如狼、狐狸、兔子、驼鹿、鹿和野牛，但由于寒冷的气候，爬行动物，如蜥蜴、蛇和鳄鱼较少。

高山生物群落

根据景观的海拔高度，高山生物群落有时会被包含在北方森林和苔原生物群落中。这些是地球上地形高耸的区域，由于海拔较高，因此也具有季节性寒冷的特点。地球上海拔的升高会降低平均年温度，产生的分布特征与高纬度苔原和北方森林生物群落相似。高山生物群落独一无二，因为它们孤立于这些高山山峰和平原上，并且虽然与地球上苔原和北方森林地区的地理环境相似，但它们在孤立性方面是独一无二的。一些高山生物群落地区，如喜马拉雅高原，面积相当大。高山生物群落的一个重要方面是树线。树线或森林线是山峰上森林的上边界，在其上方，树木无法生存。在美国，此海拔高度在 10,000 英尺（3.0 公里）到 12,000 英尺（3.7 公里）之间，具体取决于水分和年平均气温，但越靠近极地（较高纬度），树线的海拔高度越低，因为这些地区的地理环境变得更冷。这些山顶地区通常覆盖着冰雪，既有半永久性的冰川，也有在夏季持续很长时间的冬季降雪和冰层。

温带雨林生物群落

温带雨林分布在北美太平洋西北沿岸和澳大利亚东南部，这些地区的沿海地区水分含量较高。它们通常布满大型常绿树木，包括一些当今地球上生长的最大树木。大量的降雨和相对温和的气候造就了郁郁葱葱的森林景观，并栖息着许多需要大量水分才能生存的植物，包括蕨类植物和木贼。它们还栖息着许多附生植物。这些植物生长在其他植物上，例如兰花、藤本植物、蕨类植物和苔藓。与较寒冷和干燥的生物群落相比，这些生物群落具有较高的两栖动物多样性，以及哺乳动物和鸟类。这些生物群落是木材的主要来源，并受到工业林业的影响。

温带落叶林生物群落

这种生物群落分布在美国东部的大片区域、欧洲北部的大部分地区以及中国东部，这些地区的气候在温和的冬季和温暖的夏季之间交替变化，降雨和降雪都相当多。温带落叶林的特点是树木适应季节变化，秋季落叶，春季重新长出叶子。这可以防止树枝在冬季被积雪压断，同时也使树木在温暖的夏季能够获得更大的光合作用表面积。这些森林以枫树、橡树、桦树和榆树为主，并以肥沃的土壤为支撑。由于土壤具有很高的生物生产力，适宜种植作物，这些地区经常被开垦为农场和农业用地，并拥有主要的城市中心。温带落叶林可能在过去地球上占据更重要的地位，但随着地球在过去几个冰河时代经历了各种冰期和间冰期，其分布范围发生了变化。

热带雨林生物群落

热带雨林生物群落是地球上物种最丰富的生物群落，拥有种类繁多的动植物。这是由于没有明显的季节变化，并且持续降雨量很大造成的。热带雨林出现在大气赤道辐合带（ITCZ）以下的陆地上，由于大气环流和赤道位置造成的低气压，雨水几乎持续不断地下降。这种稳定的温暖潮湿气候使树木全年保持翠绿，并且生长速度缓慢。这也意味着森林不像温带落叶林那样大量地将生物量落到森林地面上，土壤有机质含量较低，通常是沙质的，并且由于大量降雨而流失了养分。热带雨林支撑着一个全年封闭的高大树冠层，使森林地面特别黑暗。封闭的森林冠层阻止阳光到达森林地面，而树木分布较为分散的开放性森林冠层则允许更多的阳光到达森林地面。在冠层封闭的热带雨林中，阳光是植物的限制性资源。热带雨林的土壤贫瘠，当被开垦用于农业时，往往会导致泥泞或沙质的贫瘠地区，因为土壤缺乏有机碳分子和植物重新生长所需的养分。热带雨林的快速砍伐导致了这些生物群落的重大变化，包括森林火灾的发生。热带雨林的森林火灾是农民和工业农业经营者清理土地时造成的。砍伐的木材堆叠起来晒干，然后通常用火焚烧以清除，但即使将木材收获或从森林中砍伐并用卡车运走，木材刨花、木片、树枝、树枝和锯末的废料也会被堆成一堆焚烧。这些火灾会点燃周围的原始森林，尤其是在风将火势吹向这些森林区域时。在过去十年中，热带雨林生物群落遭受了严重的破坏。2019年8月，估计有3500平方英里，或9060平方公里的亚马逊森林在巴西、巴拉圭和玻利维亚的火灾中被烧毁。

热带落叶林生物群落

热带落叶林的特点是温暖或热带气候下的季节性湿润和干燥季节。这些有时被称为季风林，因为它们受降雨量变化的影响。印度、东南亚以及南美洲和非洲的部分地区的森林受到这些降雨周期的极大影响。这些地区很少或从未下过雪，因为它们全年的气温都保持温暖。季风循环的结果是土壤通常呈红色，这是由于铁的氧化造成的，并且由于淋溶作用，其养分含量往往低于温带落叶林。树木在旱季占据主导地位，并有一个特定的生长季节。

草原生物群落

草原是广阔的草原或草原地带，由于缺水，树木数量很少。它们通常具有温带气候，冬季寒冷，夏季温暖，并拥有种类繁多的草类和其他低矮的灌木。草原在夏季经历强烈的生长季节，并在寒冷的冬季处于休眠状态，这导致了肥沃的土壤，尽管缺乏树木。草原上栖息着以草地景观为食的大型哺乳动物，包括北美野牛和叉角羚，但也拥有丰富的昆虫和啮齿动物种群，以及蛇和蜥蜴。世界上许多草原生物群落已被放牧地或用于种植小麦和玉米的农业农场所取代。在20世纪30年代的“沙尘暴”时期之后，还保留了一些保护区，美国政府建立了国家草原，尽管其中大部分土地可以出租用于放牧，但它们受到保护，不受农业活动的影响，以帮助维护土壤。

放牧地生物群落

这种生物群落是指大量牛、羊、山羊和马用于放牧的土地，它融合了草原、稀树草原和沙漠生物群落的特征，但也可能包括已开垦的森林土地。大部分放牧地生物群落都是私有的，从小的围栏田地到大型牧场，但也包括政府管理的土地，这些土地出租给牧场主用于放牧。牛和羊都被引入了这些地区，在那里它们被饲养以获取皮革和羊毛，以及世界各地的肉类。放牧地依赖于丰富的草类植被，并且常常种植入侵植物物种，如紫花苜蓿或紫花苜蓿（Medicago sativa）、野燕麦（Bromus tectorum）和飞蓬（Centaurea diffusa）。

农业生物群落

农业是种植任何类型作物的农场和灌溉土地的生物群落。这些地区通常位于有水源的区域，这些水源可以用于作物，以促进其生长。由于大量使用杀虫剂和其他驱虫剂来防止可能吃掉作物的害虫，因此它们的物种丰富度和生物多样性通常是所有生物群落中最低的。玉米、小麦、水稻和干草是农业用地上的主要作物，涵盖了从潮湿的水稻田到干燥的小麦或紫花苜蓿田地的各种气候。农业用地覆盖了地球上大部分适宜居住的陆地，并依赖于健康的土壤和水源来持续种植粮食。它可以栖息各种哺乳动物和鸟类，但植物生命的多样性通常有限，这些植物生命存在于生物群落的边缘。

稀树草原生物群落

稀树草原是草原和森林的混合体，由零星分布的树木组成。它们往往气温较高，气候更干燥，雨季非常有季节性。稀树草原生物群落分布在非洲萨赫勒地区（北非），并延伸到南非，这两个地方的降水量都远低于更靠近赤道的热带地区。稀树草原生物多样性丰富，支撑着大量哺乳动物群，并栖息着大象、狮子、斑马、羚羊和角马等动物。

灌木丛生物群落

灌木丛是极其干旱的生物群落，支撑着低矮的常绿灌木和矮小的耐旱树木。它们分布在南加州、亚利桑那州的部分地区，以及地中海沿岸、中东和澳大利亚的部分地区。由于容易遭受频繁的干旱，灌木丛生物群落受到频繁的野火影响。植物也往往具有庞大的根系结构，可以利用地下深处的水源，并在火灾后重新生长。

沙漠生物群落

沙漠是降水量低且气候温和到极度炎热地区的总称。作为干旱环境，沙漠的总生物量较少，并且依赖于不频繁的雨雪。植物通常适应水资源的匮乏，一些沙漠几乎完全没有植物，景观被流动的沙丘覆盖。存在许多类型的沙漠，例如犹他州的沙漠是大陆内部沙漠，其低降水量是由于内华达州和加州沿海山脉的雨影效应，导致与海岸相比降雨量显著减少。位于大陆中心地带，这些地区夏季更加炎热或极端炎热，没有海洋的热量汇。沙漠分布在纬度30至40度之间的狭长地带，由于哈德里环流模式，这些地区大部分时间都处于高压之下，并且往往呈现干燥的空气下降。这种高压跨越地球这些地区的推动导致空气湿度低，并且相对于水资源的可用性而言是未饱和的。随着地球变暖，预计地球沙漠生物群落的范围将向极地扩展，因为大气温度升高，导致较高纬度地区干旱风险增加。

洞穴生物群落

洞穴生物群落是指生活在地下洞穴中的独特生命形式。洞穴物种丰富度和多样性较低，为生命提供了一个独特的生物群落，使其能够在没有阳光的环境中生存，并暂时利用洞穴作为庇护所。洞穴生物群落是研究能够在没有阳光的生物群落中生存的独特微生物和细菌生命形式的有趣场所。它们通常利用从蝙蝠和小型哺乳动物等生物带入洞穴的营养来源，这些生物会寻求洞穴作为庇护所。

城市生物群落

城市生物群落可能是您最熟悉的生物群落，因为它囊括了大多数人居住的城市和城镇中心的大部分景观。该生物群落包括道路、公园、花园、高尔夫球场、停车场、住宅、购物中心和仓库。它以栽培植物为主，穿插着沥青道路和混凝土人行道，以及各种建筑物和结构。由于种植了更广泛的植物物种，其生物多样性往往高于农业用地，但与农业用地一样，通常依赖灌溉。城市生物群落是许多家养动物（如猫和狗）以及人类的家园，但也常有浣熊、老鼠和仓鼠出没。随着新的住宅开发项目的建设，城市生物群落正在迅速扩张，这些项目往往会向周围的生物群落蔓延。城市生物群落含有高水平的塑料垃圾和其他类型的城市垃圾。

水生生物群落

淡水河流和小溪生物群落

地球上的河流、溪流和小溪以及流动的淡水是水生鱼类和昆虫以及利用这些水源的动植物的重要生物群落。流动的淡水是重要的富氧水源，被用作洄游鱼类的产卵场。大型静止水体容易缺氧，尤其是在温暖的气候条件下，而流动性质的淡水河流和溪流为鱼类和依赖其为食的动物提供了重要的生物群落。河流提供了一个复杂的生物群落，因为这些水带横跨不同的气候和海拔高度，为水生生物以及需要获取水的动植物提供了通往大陆内部的通道。对淡水河流生物群落或生态系统的研究称为湖沼学。

淡水湖泊和池塘生物群落

淡水湖泊和池塘是淡水系统中同样重要的生物群落，它们连接着河流和小溪。湖泊和池塘是生物丰富的区域，支持水生动物和植物以及依赖其作为水源的动植物。许多植物生活在湖泊边缘的浅水沿岸带，包括香蒲、木贼和芦苇。这些区域对迁徙的鸟类（如鸭子和其它水禽）非常重要。就像海洋一样，湖泊也会发生分层现象，并且可能因富营养化而缺氧。此类事件会导致鱼类和其他依赖富氧水的动物死亡。这些事件标志着生物群落发生重大干扰的时期，在干旱期间，随着水位的下降，生物群落的范围也会缩小，也会发生这种情况。

湿地、沼泽和沼泽生物群落

湿地被广泛定义为在一年中的任何时间都潮湿或被水覆盖的任何土地。它们主要分布在排水不良的低洼盆地，雨季时水会在这里积聚。水量和深度各不相同，但这种更短暂的水源对两栖动物、鳄鱼和蛇以及鸟类和哺乳动物来说非常重要。树木通常生长在这些潮湿的生物群落中，例如美国东南部沼泽中常见的落羽杉（Taxodium distichum），它们可以在静止的水中生存。许多湿地已被排干以利用水资源，各级政府机构一直在努力保护这一生物群落。

河口、三角洲和潮滩生物群落

这是一个海洋和陆地之间的过渡环境，将河流和淡水水源与咸水海洋水体连接起来。这形成了类似于沼泽和沼泽的生物群落，但水体混合了盐度。这些生物群落受每日和每月潮汐以及长期海平面升降的影响，这些影响可能会淹没沿海地区。这些区域通常由红树林固定在一起，红树林有助于截留沉积物和养分，但可以耐受咸水。许多无脊椎动物通过在泥泞的基质中挖洞并在潮汐周期中进出水体时进行滤食来利用潮汐和水体。双壳类动物（如蛤蜊和贻贝）和藤壶以及苔藓虫通常附着在岩石和木头上，从水中过滤食物。它们是鸟类、鳄鱼、海龟以及鱼类的重要生物群落。

海岸线和海滩生物群落

海滩也被称为海洋的沿岸带，因为它包括沙质海岸线以及浅海近岸区域。波浪的破碎和不断变化的潮汐使海滩成为动植物的有趣生物群落。褐藻纲褐藻门的海带（或海藻）生长在水中，由帮助海带漂浮在透光带内的气囊支撑。棘皮动物，如海星和海参生活在这个区域，还有腹足动物（蜗牛）。其他软体动物，如双壳类动物，会挖入沙质基质中，从流过水体中进行滤食。海滩海岸线和破碎波浪的高能量使该区域看起来像是一个不断变化的环境，但与其他生物群落相比，它在时间上相当稳定。

开阔海洋（远洋区）生物群落

这是开放海洋生物群落，包含游泳和漂浮的动植物。远洋带分为靠近表面的透光层和下方更深的无光层，无光层是黑暗的。动物生活在这个区域，通过自由游泳（如鱼类、鲨鱼和海洋哺乳动物以及各种无脊椎动物（如虾和墨鱼）），以及那些漂浮在水中的动物（水母、浮游生物，如微小的甲藻、硅藻和有孔虫）。开放海洋生物群落是地球上最大的生物群落，覆盖了地球上最大的体积。之所以体积如此之大，是因为开放海洋或远洋带包括海洋水域中各种各样的深度。这个生物群落也是人类访问最少的地方，并且由于研究这些海洋生物的挑战，仍然知之甚少。

海底（底栖带）生物群落

最后一个生物群落是海底，生活在那里的动物通过爬行或固着（附着在海底）的方式生存。底栖带覆盖了地球约70%，并拥有种类繁多的生物群落，从近岸的珊瑚礁、泻湖到地球最深最黑暗部分的深海深渊带和超深渊带。海底是一个独特的生物群落，因为它严重依赖于上方远洋带的有机营养物质输入，而且大部分海底缺乏阳光作为能量来源。大多数生活在海底的生物利用从上层降下来的有机废物，因此大多数这些生物都是食腐动物或分解者，它们利用化能合成来获取能量。

衡量生物多样性

生物多样性如今通常定义为地球上生命的所有种类和变异的总和。它经常被用于讨论其对地球上支持众多生物物种的关键生物群落的保护和维持的重要性。在衡量生物多样性时，生态学家定义了两个可以用来比较生物群落或地区的指数。第一个是丰富度。

物种丰富度

物种丰富度简单来说就是特定区域或地区已记录的物种数量，而科丰富度则更广泛地定义为一个区域或地区中科或密切相关的物种群的数量。物种丰富度是通过计算某个地理区域内不同物种的数量来确定的，从单个国家或县到更广泛的生态系统或生物群落。地球上的各种生物群落具有不同程度的物种丰富度。亚马逊和刚果雨林的热带雨林生物群落拥有非常高的物种丰富度，这些地区的脊椎动物物种接近20,000种，而靠近两极的苔原和北方森林生物群落的物种丰富度较低，脊椎动物物种约为1,000种或更少。寒冷而开阔的苔原生物群落为食物和庇护所提供的资源较少，并且对生物物种来说是一个恶劣的环境。热带森林环境的复杂性和统一的气候为众多环境资源和稳定的生活环境提供了条件。物种丰富度与纬度相关，低纬度赤道地区物种丰富度高，而高纬度极地地区物种丰富度低。水分和年平均降雨量也会影响物种丰富度，但影响程度低于季节温度的变化。在海洋中，温暖的珊瑚礁、泻湖和河口都表现出高物种丰富度，而黑暗寒冷的深海水域和盐度高的区域则表现出低物种丰富度，这是由于这些地球区域的资源有限。

一个观察结果是，生活在高纬度两极附近的动物往往比生活在赤道附近的动物体型更大。这被称为伯格曼法则，以19世纪中期德国解剖学和生理学教授卡尔·伯格曼的名字命名。对这种模式的一种解释是生理学上的，生活在较冷气候的动物体型更大是为了在一年中较冷的月份保持体温（较低的表面积与体积比），而较温暖的气候则有利于体型较小的动物，它们能够更有效地散热（较高的表面积与体积比）。这仅适用于恒温动物，如哺乳动物和鸟类。

确定物种丰富度需要进行大量调查，其中每个生物体都被识别到其独特的物种。在实践中，这很难做到，尽管各个政府机构支持了此类工作，但通常依靠各种生物类群专家的志愿者工作，从植物学家、昆虫学家、爬虫学家、鸟类学家和哺乳动物学家，每个人都在识别特定区域的物种。物种丰富度依赖于一种称为稀释的统计过程。例如，每次访问某个区域时，可能存在并观察到不同数量的物种。稀释是指持续对个体生物进行取样并测量计算新物种和独特物种的可能性。它观察物种数量增加的曲线，以及在随后访问该区域时遇到新物种的可能性。这一点很重要，因为许多物种非常稀有，或者仅在一年中的某些时间访问该区域。研究物种丰富度的另一个挑战是，许多物种，例如微生物，在这些调查中经常被忽视。许多生物群落的生物物种可能比目前理解的要丰富得多。

生物多样性

生物多样性是衡量环境中每个物种的代表性丰度的指标。生物多样性高的环境将拥有更多的物种，而且这些物种在该环境中的丰度分布也更均匀。确定生物多样性的度量之一是香农-威纳指数。

H'=-\sum _{i=1}^{R}p_{i}\ln p_{i}

让我们使用两个群体的简单示例，并使用上述公式比较它们的香农-威纳指数。一个环境包含以下物种

调查一
物种A = 25个体
物种B = 3个体
物种C = 1个体
物种D = 2个体
物种E = 3个体

这里我们有5个物种，由34个个体代表。首先，我们通过将该物种的个体数量除以总数来计算每个物种的比例，以获得比例，例如物种A有25个个体，共34个，因此它在环境中占73.5%的比例，而物种A只有一个个体，仅占个体的1.03%。我们取这些比例的自然对数，乘以比例，然后将它们加起来，除以物种数量得到平均值，并取结果指数的负值。因此，对于第一组，香农-威纳指数多样性为0.185。让我们看看第二组。

调查二
物种A = 3个体
物种B = 3个体
物种C = 3个体
物种D = 3个体
物种E = 3个体

请注意，这组有5个物种，因此物种丰富度在这两组之间相同，但现在我们只有15个个体，但每个个体的比例都相似，为3。

我们取这些物种中每个物种的比例，它们都是32%，取自然对数，然后乘以比例，再将结果除以5求平均值，然后取负值。在这种情况下，得到的指数高于0.322。这是因为每个物种的丰度彼此之间比例更加均衡。我们可以说，尽管第一组的个体更多，但第一组的生物多样性低于第二组。这种生物多样性指标非常重要，因为单一物种可能会在某个地区占据主导地位，这在入侵物种以及植物或动物某一类型以牺牲其他物种为代价而占主导地位的农业和放牧土地上尤其是一个问题。这个过程导致这些地区的生物多样性非常低，并且通常也反映在物种丰富度数量上。

生物多样性研究的核心问题之一是了解促进生物多样性生态系统并维持其机制。生态学和古生态学研究都表明，维持生物多样性生物群系主要有两个因素发挥作用。首先是稳定的物理环境，气候在较长时间内保持季节稳定；其次是环境不受干扰，避免短期事件，如森林火灾、小行星撞击、城市和工业发展以及其他导致景观变化的短期灾难。干扰景观的一个方面是引入快速繁殖的入侵物种，它可能会接管一个区域并主导该地区的生物多样性。但大多数景观干扰都是人类直接造成的，从修建道路到耕地。

生态演替

生态演替是指植物和动物生物群落在遭受重大干扰后恢复的过程。这些干扰可能是自然的，例如山体滑坡、火山爆发或野火，也可能是人为造成的，例如为了农业、采矿或景观工业化（如石油和天然气钻探、修建停车场或道路以及在土地上行驶）而清理森林。所有这些干扰都会留下严重改变的生物群落，其物种丰富度和生物多样性通常比干扰前要低得多。生态学家研究一个区域从特定干扰中恢复需要多长时间。生态学家首先定义一个顶极群落。顶极群落是一个稳定的群落，能够自我维持，并且与该地区的物理栖息地处于平衡状态，具有高水平的物种丰富度和生物多样性，并且该区域内物种发生率下降幅度很小或没有下降。顶极群落可以被认为是一个具有高生物多样性的稳定群落，它可能在干扰之前就存在。早期的博物学家，如亨利·戴维·梭罗，写过关于从被清理过的农场（但后来被弃耕）中森林树木的演替，这些农场最终被树木取代，这些树木在许多年后重新占据了农田。生态演替研究中的关键科学家之一，他也有助于创造了生态学这个词，是亨利·钱德勒·考尔斯。在19世纪后期，他研究了被风吹来的沙丘覆盖的地区，并研究了植物如何在多年内重新建立起来。火山爆发和强烈的野火也被证明是了解植物在干扰恢复后的演替的有趣案例研究。

生态演替的概念支配着许多土地管理实践，特别是在美国，在那里，土地干扰被广泛认为是短暂和临时的，只要有足够的时间，该地区就会恢复到干扰前的状态。然而，人类活动造成的土地干扰往往不是罕见的事件，而是频繁的、周期性的并且随着时间的推移而累积，从而限制了完全恢复。通常，先前的顶极群落可能是未知的，因为该地区在历史上可能一开始就过度放牧和砍伐。在数百年的频繁地面干扰下，该地区最初的物种丰富度和生物多样性可能在这些干扰开始之前没有被记录下来。受干扰的区域容易受到植物和动物入侵物种的影响，这些物种通常在该地区站稳脚跟，并改变了该地区与干扰前不同的状况。土地管理者可能会持续改变环境，例如在犹他州大规模移除圆柏和单叶松，以便在公共土地上为牛提供放牧地，或者努力进行控制性燃烧以防止可能破坏经济价值结构的大规模野火。在公共土地上，采矿和石油和天然气钻探造成的受干扰土地的重新播种计划导致了不同的替代植被，因为这些植被在土壤干扰之前存在。地下水的污染或为了作物使用而排干池塘和湖泊会导致土地的长期变化，改变水的可用性，使得向顶极群落的演替不太可能。此外，气候随时间变化以及生态演替的长期过程的后果意味着，先前的顶极群落存在于更凉爽潮湿的气候下，由于气候变化，这些植物和动物现在无法在该地区建立起来。实际上，地球生物群落的概念处于变化之中，并且正在发生变化，例如自然生物群落变得仅限于国家公园的保护区，而受干扰的土地（如城市、农业和放牧生物群落）在新的生物群落定义集中不断扩展。

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