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

研究地球的最佳方式是旅行。只有当人们穿越地球表面，并注意到他们在旅途中所见到的动植物之间的差异时，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物理地理学联系在一起，涉及不同动植物的出现及其所处的物理环境。这主要是因为生物体表现出特定的适应性来应对每个地区的物理环境。因此，干旱沙漠中的生命将呈现出与寒冷极地地区不同的动植物类型，而茂密的热带雨林将呈现出一组独特的、在每个地区都独一无二的动植物。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，他是一位富有的德国探险家，生活在 200 年前。亚历山大·冯·洪堡希望周游世界，但欧洲肆虐的拿破仑战争使旅行变得困难，无论是资金还是穿越交战国家的许可证都难以获得。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·波拿巴在埃及的军队，但法国军方拒绝让他加入。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这段经历。1804 年，当他抵达美国时，他在白宫被托马斯·杰斐逊召见。杰斐逊刚刚完成了从法国购买的路易斯安那州，但对该地区的地理环境知之甚少。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。洪堡的作品对自然观念产生了重大影响；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）。洪堡和他的许多同龄人认为地球上有两个世界，第一个是人类世界，包括农场和城市中心；第二个是自然世界，即地球上荒野和未开发的区域。这种地球的双重世界观在现代仍然盛行。政府资助这些早期探险活动的主要原因是，植物，特别是植物的原材料生产，如棉花、糖、咖啡、茶和各种作物，正日益受到不断增长的人口的需求。美洲的西红柿、土豆和玉米的发现使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资源，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。生物探索与了解地球的主要生物群系相关，尤其是在殖民时期。生物群系是指形成于共同的物理气候环境中，由独特的动植物群落组成的生物群落。早期地球植物分布地理学家，例如丹麦博物学家弗雷德里克·肖，提供了这些不同地区的早期分类。像 19 世纪 30 年代的弗朗兹·迈恩这样的植物学家很清楚，当地气候，尤其是平均气温和极端气温以及水分含量，对于解释地球上各种动植物的独特分布非常重要。使用洪堡术语的区域或等温线概念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地区可以种植哪些类型的动植物。

甘蔗的历史是一个很好的例子，说明了了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，这种植物被引入中东的部分地区，但由于气候干燥，生长状况并不理想。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潮湿和温暖的气候同样适合甘蔗的种植和收获。最早的甘蔗种植园早在 16 世纪初就已建立，随着甘蔗在新世界的迅速兴起，它成为欧洲和美洲的一个非常普遍的进口商品，特别是在那些气候寒冷不适合种植甘蔗的地方。这种转变导致数百万人，特别是来自非洲的人们被奴役，以持续收获和种植这种植物。很快，欧洲人开始比以往任何时候都消费更多的糖，在那些气候寒冷不适合种植甘蔗的地方，对糖的需求量很大。早期的生物群系大多根据当地气候的一般描述来定义，例如沙漠、极地地区或湿润热带地区，但其他生物群系则根据其内部生长的特定植物类型来定义。例如，地图上的棕榈树、鼠尾草或仙人掌区域。

在19世纪60年代，弗拉基米尔·柯本经常乘坐新建成的火车，从他在克里米亚南部温暖的辛菲罗波尔市的家中前往俄罗斯北部寒冷的圣彼得堡。这段长达2110公里（1305英里）的火车旅程几乎是穿越东欧的南北直线，沿途经过许多不同的气候区域。在旅途中，他会从火车上观察窗外植物群落的缓慢变化，因为它们穿过了每个特定的气候带。在他后来的生活中，他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，形成了地球地理图，将地球上每个主要陆地生物群落的地理区域进行分类。如今，它被称为柯本-盖格气候分类法，这是基于鲁道夫·盖格的改进。

这张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他们的花园中成功种植，具体取决于该地区的平均气候。例如，犹他州横跨9区到4区，南部城市圣乔治位于较温暖的9区和8区，而盐湖城位于7区和6区，而维纳尔和希伯等海拔较高、气候更寒冷干燥的城市则位于5区和4区。每个区域都以平均年最低冬季温度为界，划分为10度区域。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。随着每个地区的随着时间推移气候变化，这两张地图和分类都需要更新。此外，这两个分类系统都是基于气候，而不是植物和动物的出现情况。其他分类已经使用了每个区域发现的土壤类型来根据该区域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，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，并且在其定义中不将植物或动物的出现情况作为其定义的一部分。例如，此类系统将无法识别改变的环境或生物群落，例如受人类干预严重影响的农业用地和城市中心，但它们可能与受保护的自然保护区的自然气候条件相似。

从20世纪70年代开始，植物学家大卫·古德尔领导了一个由生物学家、生态学家、自然资源保护主义者和土地管理者组成的团队，在一套多卷本的书籍系列《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30个主要的生物群落，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。古德尔的分类法还将地球划分为自然生物群落和人类或管理的生物群落，例如农作物、管理草地和工业城市景观。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，一种是基于生物有机体的出现，另一种是依赖于物理气候。

在生物群落分类系统中包含特定生物物种的支持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同一环境中大量其他物种的生物物种，并且将其从该区域移除将彻底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，许多顶级掠食者，如狼和狮子，通常被认为是关键物种，因为它们对猎物的出现以及这些猎物可能依赖的植物有很大的影响。

尽管许多生物群落只是根据最丰富的物种或环境中生物量最大的物种来定义的。**生物量**是指特定物种的生物体在给定区域或体积中的总质量。例如，草原生物群落是由该地区大量存在的草本植物来定义的，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

地球已被划分为主要生物群落的方式有很多种。此列表并不全面，但包含了地球上分布广泛的大多数主要生物群落，并且可以通过其中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融化一小部分。这些土壤非常古老，地衣和其他北极植物每年只会生长少量。非常短的生长季节和冬季的低光照水平导致物种多样性低。景观以地衣和苔藓为主，还有适应寒冷气候的草和其他低矮植物。许多候鸟和驯鹿等迁徙动物生活在这些地球区域，以及北极熊，它们经常在景观中长途跋涉。

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。北方森林的特点是冬季寒冷和生长季节短，森林主要由针叶树组成，这些树木在漫长的冬季保持常绿。针叶树是一组在早期地球历史上进化而来的树木（裸子植物），它们长有球果和风媒花粉，而不是开花结果。它们完美地适应了这些地球季节性寒冷的地区，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，如狼、狐狸、兔子、驼鹿、鹿和野牛，但由于气候寒冷，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。这些是地球上地形较高的区域，由于海拔较高，因此也呈季节性寒冷。地球上海拔的升高会降低平均年温度，产生的分布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，因为它们分布在这些高山山峰和高原上，尽管它们与地球上的苔原和北方森林区域具有相似的气候，但它们在其孤立性方面是独一无二的。一些高山生物群落区域，如喜马拉雅高原，面积相当广阔。高山生物群落的一个重要方面称为树线。树线或林木线是山峰上森林的上界，高于此界限，树木无法生存。在美国，此海拔高度在3.0公里（10,000英尺）到3.7公里（12,000英尺）之间，具体取决于水分和年平均温度，但越靠近极地（高纬度），树线的海拔高度会更低，因为这些地区的温度更低。这些山顶地区通常覆盖着冰雪，既有半永久性冰川，也有在夏季持续很长时间的冬季积雪和冰。

温带雨林生物群落

温带雨林分布在北美洲太平洋西北部海岸和澳大利亚东南部，其特点是这些沿海地区湿度较高。它们通常生长着大型常绿树木，包括当今地球上一些最大的树木。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，并孕育了许多需要高湿度才能生存的植物，包括蕨类植物和木贼。它们还栖息着许多附生植物。附生植物是指生长在其他植物上的植物，例如兰花、藤本植物、蕨类植物和苔藓。与寒冷干燥的生物群落相比，这些生物群落拥有高度多样化的两栖动物、哺乳动物和鸟类。这些生物群落是主要的木材来源，并受到工业林业的影响。

温带落叶林生物群落

该生物群落包括美国东部的大片区域、欧洲北部的大部分地区和中国东部，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，降雨和降雪量相当。温带落叶林的特点是树木已经适应了季节变化，在秋季落叶，并在春季每年重新长出叶子。这可以防止树枝在冬季因积雪过重而断裂，同时也为夏季温暖的月份提供了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，并拥有肥沃的土壤。由于土壤的生物生产力有利于作物生长，这些地区通常被开垦为农场和农业用地，并拥有主要的城市中心。温带落叶林在过去可能更为普遍，但随着地球在过去几个冰河时代经历了不同的冰期和间冰期，其分布发生了变化。

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。这是由于缺乏季节变化以及持续大量降雨的结果。热带雨林出现在大气赤道辐合带 (ITCZ)以下的陆地上，由于大气环流和这些森林赤道位置导致的低气压，雨水几乎持续不断地下降。这种稳定温暖潮湿的气候使树木全年保持常绿，并且生长速度较慢。这也意味着森林不像温带落叶林那样向森林地面大量释放生物量，土壤有机质贫瘠，通常为沙质，雨水冲刷导致养分流失。热带雨林支持一个全年封闭的高大森林冠层，使得森林地面特别黑暗。封闭的森林冠层阻止阳光到达森林地面，而树木分布更广泛的开放型森林冠层则允许更多的阳光到达森林地面。在封闭冠层的热带雨林中，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，往往会形成泥泞或沙质的贫瘠区域，因为土壤缺乏有机碳分子和植物重新生长的养分。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由农民和工业农业从业者清理土地造成的。砍伐的木材被堆叠起来晒干，然后经常被焚烧以清除，但即使木材被收获或从森林中砍伐并由卡车运走，木材刨花、木屑、树枝、树枝和小树枝的废料也会被堆积起来焚烧。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到严重破坏。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旱季和雨季。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。这些地区很少甚至从不降雪，因为全年的气温都保持温暖。季风循环的结果是，由于铁的氧化，土壤通常呈红色，并且由于淋溶作用，养分含量往往低于温带落叶林。树木在旱季占主导地位，并具有特定的生长季节。

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。草原在夏季经历强劲的生长季节，在寒冷的冬季则以枯萎为主，尽管缺乏树木，但仍然形成了肥沃的土壤。草原栖息着以草地景观为食的大型哺乳动物，包括北美洲的野牛和叉角羚，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种植小麦和玉米的农业农场所取代。在20世纪30年代的“尘暴”时期之后，一些保护区得以保留，美国政府建立了国家草原，尽管这片土地的大部分可以出租用于放牧，但它们受到保护，免受农业活动的影响，以帮助维持土壤。

牧场生物群落

该生物群落是指饲养大量牛、羊、山羊和马进行放牧的土地，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林地。大部分牧场生物群落为私人所有，从小型围栏田地到大型牧场不等，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，在世界各地饲养它们的皮毛和羊毛，以及肉类。牧场依赖丰富的草类植被，并且经常种植入侵植物物种，如紫花苜蓿或紫苜蓿（Medicago sativa）、野燕麦（Bromus tectorum）和飞蓬（Centaurea diffusa）。

农业生物群落

农业是指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，水源可用于作物，以促进生长。由于大量使用杀虫剂和其他驱虫剂来防止可能啃食作物的害虫，因此它们通常具有所有生物群落中最低的物种丰富度和生物多样性。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，主要分布在生物群落的边缘。

稀树草原生物群落

热带稀树草原是草地和森林的混合体，由分散分布的树木组成。它们往往气温较高，气候较为干燥，雨季非常季节性。热带稀树草原生物群落分布在非洲的萨赫勒地区（北非），并延伸到南部非洲，这两个地区的降水量远低于更靠近赤道的热带地区。热带稀树草原生物多样性丰富，支持着大量的哺乳动物群，并且是象、狮子、斑马、羚羊和角马等动物的家园。

灌木丛生物群落

灌木丛是极其干燥的生物群落，支持着低矮的常绿灌木和矮小的抗旱树木。它们分布在南加州、亚利桑那州的部分地区，以及地中海地区、中东和澳大利亚的部分地区。由于易受频繁干旱的影响，灌木丛生物群落受到频繁野火的侵害。植物也往往具有庞大的根系结构，可以深入地下汲取水源，并在火灾后重新生长。

沙漠生物群落

沙漠是降水量少，气候从温带到极热不等的地区。作为干旱环境，沙漠的总生物量较少，依赖于不频繁的降雨或降雪。植物通常适应水资源的缺乏，有些沙漠几乎完全没有植物，景观被风吹的沙丘覆盖。存在多种类型的沙漠，例如犹他州的沙漠是内陆大陆性沙漠，那里的低降水量是由于内华达州和加州沿海山脉的雨影效应造成的，这使得降雨量与海岸相比显著减少。位于大陆中部，这些地区夏季更加炎热或极热，没有海洋的热量调节作用。沙漠分布在纬度30到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状态，并且往往出现干旱的空气下降。这种高压对地球上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处于不饱和状态。随着地球变暖，地球沙漠生物群落的范围预计会向极地扩张，因为大气温度升高，导致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。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，使其可以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观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物质，这些生物寻找洞穴作为庇护所。

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。它以种植的植物为主，穿插着沥青道路和混凝土人行道，以及建筑物和结构。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，通常依赖于灌溉。城市生物群落是许多家养动物（如猫和狗）以及人类的家园，但也常被浣熊、老鼠和家鼠光顾。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，这些项目通常会向周围的生物群落扩展。城市生物群落中塑料垃圾和其他类型的人类垃圾含量很高。

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。河流提供了复杂的生物群落，因为这些水带穿过不同的气候和海拔高度，为水生生物以及需要水源的动植物提供了通往大陆内部的路径。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，它们连接着河流和溪流。湖泊和池塘是支持水生动物和植物以及依赖其作为水源的动植物的生物丰富的区域。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。这些地区对迁徙鸟类（如鸭子和其他水禽）非常重要。就像海洋一样，湖泊也会分层，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事件，这些事件也可能在干旱期间发生，因为水位下降，导致生物群落的范围缩小。

湿地、沼泽和泥炭沼泽生物群落

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。它们大多出现在排水不良的低洼盆地，雨季时水会在这里积聚。水的数量和深度各不相同，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，例如在美国东南部沼泽中发现的能够生活在静水中落羽杉（落羽杉）。许多湿地已被排干以利用水资源，各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

这是一种介于海洋和陆地之间的过渡环境，连接着河流和淡水水源与含盐的海洋水域。这形成了类似于沼泽和湿地的生物群落，但水体具有混合的盐度。这些生物群落受每日和每月潮汐的影响，以及更长期的海平面升降，这可能导致沿海地区的洪水。这些区域通常由红树林维系，红树林有助于捕获沉积物和养分，但也能耐受咸水。许多无脊椎动物通过钻入泥泞的基质并利用潮汐和水体，并在潮汐周期中水进水出时进行滤食。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以从水中过滤食物。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潮间带，因为它包括沙质海岸线以及浅近岸区域。波浪的破碎和不断变化的潮汐使海滩成为动植物有趣的生物群落。褐藻纲褐藻目中的海带（或海藻）在水中生长，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，以及腹足动物（蜗牛）。其他软体动物，如双壳类动物，挖入沙质基质中，从流过水体中进行滤食。海滩海岸线和拍打海浪的高能量，使这个区域看起来像一个不断变化的环境，但与其他生物群落相比，它在一段时间内相当稳定。

开阔海洋（远洋带）生物群落

这是开放海洋生物群落，由游泳和漂浮的动植物组成。远洋带分为靠近表面的透光带和下方较深的无光带，后者是黑暗的。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）。开阔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。这个大体积是由于开阔海洋或远洋带包括海洋水体中各种深度。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，人们对其了解仍然很少。

海底（底栖带）生物群落

最后的生物群落是海底，生活在海底爬行或固着（附着在海底）的动物。底栖带覆盖了地球约70%，并拥有种类繁多的生物群落，从近岸珊瑚礁、泻湖到地球最深最黑暗区域的深渊带和超深渊带。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养分输入，并且大部分海底缺乏阳光能量。大多数生活在海底的生物利用从上层降下来的有机废物，使大多数这些生物成为清道夫或分解者，并利用化学合成作用。

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性的总和。它经常被用于讨论其对支持许多生物物种的地球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区域的指数。第一个是丰富度。

物种丰富度

物种丰富度简单地指在某个特定区域或地区记录到的物种数量，而科丰富度则更广泛地定义为某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包含非常高的物种丰富度，这些地区的脊椎动物物种接近20000种，而靠近极地的苔原和北方森林生物群落物种丰富度较低，脊椎动物物种约为1000种或更少。寒冷而开阔的苔原生物群落为食物和住所提供的资源较少，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可能。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影响物种丰富度，但影响程度小于季节温度的变化。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高盐度地区则表现出低物种丰富度，这是由于这些地球区域内资源的限制。

一个观察结果是，生活在高纬度极地附近的动物往往比生活在赤道附近的动物更大。这被称为伯格曼法则，以卡尔·伯格曼的名字命名，他是19世纪中叶德国的一位解剖学和生理学教授。对这种模式的一种解释是生理学的，生活在较冷气候的动物体型较大以在一年中较冷的月份（低表面积与体积比）维持体温，而温暖的气候则有利于体型较小的动物，它们能够更有效地以高表面积与体积比散热。这仅适用于内温动物，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此类工作，通常依靠植物学家、昆虫学家、爬虫学家、鸟类学家和哺乳动物学家等各个生物群专家志愿者的工作，每个专家识别特定区域内的物种。物种丰富度依赖于一种称为稀释的统计过程。例如，每次您访问某个区域时，可能会有不同数量的物种存在和被观察到。稀释是指持续对个体生物进行取样并测量新物种和新物种被计数的可能性。它观察物种数量增加的曲线，以及在后续访问该区域时遇到新物种的可能性。这一点很重要，因为许多物种都很稀有，或者只在一年中的特定时间访问该区域。研究物种丰富度的另一个挑战是，许多物种，如微生物，在这些调查中往往被忽视。很可能许多生物群落的生物物种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。生物多样性环境将拥有更多物种，而且这些物种在该环境中的丰度分布也更均匀。确定生物多样性的测量方法之一是香农-威纳指数。

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

让我们用一个简单的两个群体的例子，并使用上述公式比较它们的香农-韦纳指数。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，用比例乘以它们，并将它们加起来，除以物种数量得到平均值，然后取结果指数的负值。因此，对于第一组，香农-韦纳指数多样性为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

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

我们取每个物种的比例，它们都是32%，取自然对数，并将结果乘以比例，然后除以5得到平均值，再取负值。在这种情况下，得到的指数更高，为0.322。这是因为每个物种的丰度彼此之间比例更均衡。我们可以说第一组比第二组多样性低，尽管第一组有更多个体。这种生物多样性指标非常重要，因为单个物种可能会在某个区域占据主导地位，这在入侵物种，特别是在农业和放牧土地上尤为突出，在这些土地上，某种类型的植物或动物以牺牲其他物种为代价而占据优势。这一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字中。

生物多样性研究的核心问题之一是了解促进和维持生物多样性生态系统的机制。生态学和古生态学研究表明，维持生物多样性生物群落主要有两个因素。首先是稳定的物理环境，气候在较长时间内保持季节性稳定；其次是环境不受干扰，避免森林火灾、小行星撞击、城市和工业发展以及其他导致景观发生变化的短期灾害。干扰景观的一个方面是快速繁殖的入侵物种的引入，它们可能会接管一个区域并主导该地区的生物多样性。但大多数对景观的干扰都是人类直接造成的，从修路到耕地。

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，如滑坡、火山爆发或野火，也可能是人为的，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）而砍伐森林。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低得多。生态学家研究一个地区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级群落。顶级群落是一个稳定的群落，它能够自我维持并与该地区的物理栖息地保持平衡，具有高水平的物种丰富度和生物多样性，并且该区域内物种出现的下降幅度很低或没有下降。顶级群落可以被认为是一个具有高生物多样性的稳定群落，它在干扰之前就存在。早期的博物学家，如亨利·戴维·梭罗，写过从被清理过的农场中森林树木的演替，但后来这些农场被弃耕，并最终在经过多年的时间后被重新占据农田的树木所取代。生态演替研究的关键科学家之一，他同时也帮助创造了生态学这个术语，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区域，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证明了理解干扰恢复后植物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，尤其是在美国，那里人们普遍认为土地干扰是短暂和临时的，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，而是随着时间的推移而频繁、周期性地累积，限制了完全恢复。通常，先前的顶级群落可能是未知的，因为该地区历史上可能过度放牧和滥伐。如果在数百年的时间里频繁发生地面干扰，则该地区的原始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，这些物种通常会在该区域站稳脚跟，并以不同于干扰前的方式改变该区域。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杜松和松树以在公共土地上为牛提供放牧地，或努力进行受控焚烧以防止可能破坏经济价值结构的大型野火。在公共土地上，对采矿和石油和天然气钻探造成的受干扰土地进行重新播种计划会导致不同的替代植被，因为这些植被在土地干扰之前就存在。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，从而导致不太可能向顶级群落演替。此外，随着时间的推移，气候变化和生态演替的长期过程意味着，先前的顶级群落存在于更凉爽、更潮湿的气候下，而由于气候变化，这些植物和动物现在无法在该地区建立。事实上，地球生物群落的概念正在发生变化，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）的范围正在扩大，这在新的生物群落定义集中有所体现。

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