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

生物地理學

研究地球的最佳方法是旅行。只有當人們跨越地球表面旅行，並注意到他們在旅途中所見到的植物和動物之間的差異時，才能真正欣賞到地球上眾多生命形式的研究。因此，地球上的生命研究與地球的地理位置有關，涉及不同動植物的分佈以及它們所生存的物理環境。這主要是由於生物體表現出特定的適應性，以應對每個地區的物理環境。因此，乾旱沙漠中的生命將表現出與寒冷極地不同的動植物型別，而茂密的熱帶雨林將展現出獨特的、多樣化的動植物群，每個區域都有其獨特的特徵。生命地理學的研究是一個令人著迷的領域，即生物地理學。

生物地理學的研究很可能起源於亞歷山大·馮·洪堡的作品，他是一位200年前的富有的德國探險家。亞歷山大·馮·洪堡希望環遊世界，但歐洲正在肆虐的拿破崙戰爭使得旅行變得困難，資金和穿越交戰國家的許可都成為難題。他曾希望加入一艘研究船進行環球航行，但戰爭導致航行被取消。他曾請求加入拿破崙·波拿巴前往埃及，但法國軍方拒絕讓他同行。1799年，洪堡的運氣發生了變化，西班牙國王查理四世批准他前往美洲。1799年至1804年間，洪堡遊歷了南美洲和北美洲，並在詳細的科學筆記中記錄了他的經歷。1804年，當他抵達美國時，他在白宮受到了托馬斯·傑斐遜的召見。傑斐遜剛剛從法國手中完成了路易斯安那購地，但對該地區的地理情況知之甚少。他渴望諮詢洪堡。洪堡曾在墨西哥廣泛旅行，儘管他進入內陸的旅行受到一定限制，但他們都對這些未開發地區可能存在的動植物感興趣。洪堡的工作對自然的概念產生了重大影響；事實上，傳記作家安德里亞·伍爾夫認為亞歷山大·馮·洪堡是現代自然概念的發明者（參見伍爾夫，2016年）。洪堡和許多同時代的人認為地球上有兩個世界，一個是人類世界，包括農場和城市中心；另一個是自然世界，即地球上野生和未開發的區域。這種地球的二元世界觀在現代仍然很普遍。這些早期政府資助的探險活動的主要原因是，植物，特別是植物生產的商品，如棉花、糖、咖啡、茶和各種農作物，隨著人口的增長需求越來越大。美洲發現的番茄、土豆和玉米使得這些早期的植物學探索變得非常有利可圖，特別是對於監督這些美洲殖民地的歐洲君主國來說。

人們對了解地球上動植物的分佈有著濃厚的興趣，因為它們被視為重要的原材料，從捕獸者帶來的毛皮和伐木工人帶來的木材到食物和異國情調的香料。生物學探索與瞭解地球的主要生物群系息息相關，特別是在殖民時期。生物群系是指形成於共同的物理氣候下的植物和動物的獨特生物群落。早期地球植物分佈的地理學家，如丹麥博物學家弗雷德里克·斯考，對這些不同的區域進行了早期的分類。像19世紀30年代的弗朗茨·梅延這樣的植物學家很清楚，當地氣候，特別是平均溫度和極端溫度以及水分含量，對於解釋地球上各種動植物的獨特分佈非常重要。使用洪堡的術語，區域或等溫線是指氣候相似的區域，因此往往會產生相似的動植物物種。最重要的是，這些區域可以決定地球每個區域可以種植哪些型別的植物和動物。

甘蔗的歷史很好地說明了理解生物群系的重要性。甘蔗，如今是糖的主要來源，起源於新幾內亞，並被引入東南亞。然後該植物被引入中東部分地區，但由於氣候乾燥，生長狀況不佳。在歐洲的大部分地區，糖是一種稀有的藥物，只在特殊場合食用。隨著歐洲人在1492年發現美洲，人們很快意識到，加勒比海島嶼和南美洲更溼潤和溫暖的氣候同樣適合甘蔗的生長和收穫。最早的甘蔗種植園早在16世紀初就建立了，隨著甘蔗在新世界的迅速興起，它成為歐洲和美洲各地，特別是在氣候太冷而無法種植甘蔗的地方的非常常見的進口商品。這種轉變導致了數百萬人，特別是來自非洲的人被奴役，以便繼續在美洲收穫和種植這種植物。很快，歐洲人消耗的糖比以往任何時候都多，在植物無法生長的地區對糖的需求量很大。早期的生物群系大多基於對當地氣候的一般描述，例如沙漠、極地或溼潤熱帶，但另一些則基於在其中生長的特定型別的植物。例如，地圖上的棕櫚樹、鼠尾草灌木或仙人掌區域。

19世紀60年代，弗拉基米爾·柯本經常乘坐新修建的火車從他在克里米亞南部溫暖的辛菲羅波爾市的家前往俄羅斯北部的聖彼得堡寒冷的北部城市。2110公里（1305英里）的火車旅程幾乎是穿越東歐的南北直線，沿途穿過許多不同的氣候區域。在旅途中，他會從火車上觀察他從車窗看到的植物群落中發生的緩慢變化，因為它們穿過每個特定的氣候帶。在他後來的生活中，他將利用這段經歷發展了柯本氣候分類法，該分類法於1884年首次提出，並經過多年的修改發展成為地球地理地圖，對地球上每個主要陸地生物群系的地理區域進行了分類。今天它被稱為柯本-蓋格氣候分類法，這是基於魯道夫·蓋格所做的改進。

該地圖是美國農業部植物抗寒區地圖的前身，該地圖已成為美國園丁和農民的標準使用地圖，用於確定特定植物物種是否可以在其花園中成功生長，具體取決於該地區的平均氣候。例如，猶他州跨越 9 區到 4 區，南部城市聖喬治位於較溫暖的 9 區和 8 區生長區內，而鹽湖城位於 7 區和 6 區生長區內，而海拔較高、氣候較涼爽乾燥的城市，如弗納爾和希伯，則位於 5 區和 4 區生長區內。每個區域都以平均每年最低冬季溫度為界，劃分為 10 度的區域。與柯本-蓋格氣候分類系統不同，美國農業部植物抗寒區地圖僅基於溫度，而不是溫度和溼度的組合。隨著每個地區的地理環境隨時間推移發生變化，這兩個地圖和分類都必須進行更新。此外，這兩個分類系統都基於氣候，而不是植物和動物的出現。其他分類已經利用每個區域發現的土壤型別，根據該地區發現的土壤型別來劃分每個生物群落。當然，這些分類僅描述了地球陸地生態系統的主要生物群落，忽略了地球海洋的各種生態系統，這些生態系統與其他物理條件有關，例如鹽度、水溫、光照和水深。這些生物群落描述了物理非生物環境，並沒有將植物或動物的出現作為其定義的一部分。例如，此類系統將無法識別已發生改變的環境或生物群落，例如受人類干預而發生巨大變化的農業用地和城市中心，但它們可能與受保護的自然保護地的氣候條件相似。

從 20 世紀 70 年代開始，植物學家大衛·古德爾領導了一支由生物學家、生態學家、自然資源保護主義者和土地管理者組成的團隊，在一套多卷本的叢書《世界生態系統》中總結了地球上的主要生物群落。他們定義了地球上的 30 個主要生物群落，包括在其他系統或分類中很少定義的生物群落，例如在洞穴中發現的地下生物群落。古德爾的分類還將地球劃分為自然生物群落和人類或管理生物群落，例如農作物、管理草地和工業化城市景觀。因此，出現了兩種關於如何將地球的主要區域劃分為生物群落的理論，一種是基於生物體的出現，另一種是依賴於物理氣候。

支援在生物群落分類系統中包含特定生物物種的觀點來自關鍵物種的核心思想。關鍵物種是在環境中不成比例地影響大量其他物種的生物物種，將其從該區域移除將徹底改變整個生態系統。關鍵物種有時不是最豐富的物種，而是一個對生態系統影響最大並有助於維持生態系統的物種。例如，許多頂級捕食者，如狼和獅子，通常被認為是關鍵物種，因為它們對獵物的存在以及這些獵物可能依賴的植物具有非常大的影響。

儘管許多生物群落僅僅根據最豐富的物種或環境中生物量最大的物種來定義。生物量是指特定物種生物體在給定區域或體積內的總質量。例如，草原生物群落是由該區域內大量草本植物來定義的，而針葉林生物群落是由大量針葉樹和松樹的生物量來定義的。因此，生物群落可以根據地球上特定區域內最豐富和最常見的生物體來定義。

地球的主要生物群落

地球已被劃分為許多主要生物群落。此列表並不全面，但包含了地球上廣泛分佈的大多數主要生物群落，並且可以透過在其內部發現的物種以及氣候和物理條件輕鬆識別。

陸地生物群落

苔原生物群落

苔原生物群落出現在靠近南北極的高緯度地區，代表著地球上寒冷的地區，這些地區也是地球上一些最乾燥的地區。在這些地區，土壤全年都處於凍結狀態，稱為永久凍土，只有在夏季最熱的時候才會有一層薄薄的融化層。這些土壤非常古老，地衣和其他北極植物每年僅有少量生長。非常短暫的生長季節和冬季的低光照水平導致物種多樣性較低。景觀以地衣和苔蘚為主，還有一些適應寒冷氣候的草類和其他低矮植物。許多候鳥和馴鹿等遷徙動物生活在這些地球區域，以及經常在景觀中長途跋涉的北極熊。

北方森林生物群落

廣闊的泰加林或北方森林橫跨加拿大和俄羅斯的大部分高緯度地區。北方森林以寒冷的冬季和短暫的生長季節為特徵，主要由針葉樹組成，這些樹木在漫長的冬季仍然保持綠色。針葉樹是一類樹木（裸子植物），它們在早期地球歷史上進化而來，長有球果和風媒花粉，而不是開花結果。它們非常適合地球這些季節性寒冷的地區，使它們的風媒花粉和球果種子能夠在較冷的氣候中發芽。該地區有許多哺乳動物，例如狼、狐狸、兔子、駝鹿、鹿和野牛，但由於寒冷的氣候，爬行動物，如蜥蜴、蛇和鱷魚較少。

高山生物群落

根據景觀的海拔高度，高山生物群落有時會被包含在北方森林和苔原生物群落中。這些是地球上地形高聳的區域，由於海拔較高，因此也具有季節性寒冷的特點。地球上海拔的升高會降低平均年溫度，產生的分佈特徵與高緯度苔原和北方森林生物群落相似。高山生物群落獨一無二，因為它們孤立於這些高山山峰和平原上，並且雖然與地球上苔原和北方森林地區的地理環境相似，但它們在孤立性方面是獨一無二的。一些高山生物群落地區，如喜馬拉雅高原，面積相當大。高山生物群落的一個重要方面是樹線。樹線或森林線是山峰上森林的上邊界，在其上方，樹木無法生存。在美國，此海拔高度在 10,000 英尺（3.0 公里）到 12,000 英尺（3.7 公里）之間，具體取決於水分和年平均氣溫，但越靠近極地（較高緯度），樹線的海拔高度越低，因為這些地區的地理環境變得更冷。這些山頂地區通常覆蓋著冰雪，既有半永久性的冰川，也有在夏季持續很長時間的冬季降雪和冰層。

溫帶雨林生物群落

溫帶雨林分佈在北美太平洋西北沿岸和澳大利亞東南部，這些地區的沿海地區水分含量較高。它們通常佈滿大型常綠樹木，包括一些當今地球上生長的最大樹木。大量的降雨和相對溫和的氣候造就了鬱鬱蔥蔥的森林景觀，並棲息著許多需要大量水分才能生存的植物，包括蕨類植物和木賊。它們還棲息著許多附生植物。這些植物生長在其他植物上，例如蘭花、藤本植物、蕨類植物和苔蘚。與較寒冷和乾燥的生物群落相比，這些生物群落具有較高的兩棲動物多樣性，以及哺乳動物和鳥類。這些生物群落是木材的主要來源，並受到工業林業的影響。

溫帶落葉林生物群落

這種生物群落分佈在美國東部的大片區域、歐洲北部的大部分地區以及中國東部，這些地區的氣候在溫和的冬季和溫暖的夏季之間交替變化，降雨和降雪都相當多。溫帶落葉林的特點是樹木適應季節變化，秋季落葉，春季重新長出葉子。這可以防止樹枝在冬季被積雪壓斷，同時也使樹木在溫暖的夏季能夠獲得更大的光合作用表面積。這些森林以楓樹、橡樹、樺樹和榆樹為主，並以肥沃的土壤為支撐。由於土壤具有很高的生物生產力，適宜種植作物，這些地區經常被開墾為農場和農業用地，並擁有主要的城市中心。溫帶落葉林可能在過去地球上佔據更重要的地位，但隨著地球在過去幾個冰河時代經歷了各種冰期和間冰期，其分佈範圍發生了變化。

熱帶雨林生物群落

熱帶雨林生物群落是地球上物種最豐富的生物群落，擁有種類繁多的動植物。這是由於沒有明顯的季節變化，並且持續降雨量很大造成的。熱帶雨林出現在大氣赤道輻合帶（ITCZ）以下的陸地上，由於大氣環流和赤道位置造成的低氣壓，雨水幾乎持續不斷地下降。這種穩定的溫暖潮溼氣候使樹木全年保持翠綠，並且生長速度緩慢。這也意味著森林不像溫帶落葉林那樣大量地將生物量落到森林地面上，土壤有機質含量較低，通常是沙質的，並且由於大量降雨而流失了養分。熱帶雨林支撐著一個全年封閉的高大樹冠層，使森林地面特別黑暗。封閉的森林冠層阻止陽光到達森林地面，而樹木分佈較為分散的開放性森林冠層則允許更多的陽光到達森林地面。在冠層封閉的熱帶雨林中，陽光是植物的限制性資源。熱帶雨林的土壤貧瘠，當被開墾用於農業時，往往會導致泥濘或沙質的貧瘠地區，因為土壤缺乏有機碳分子和植物重新生長所需的養分。熱帶雨林的快速砍伐導致了這些生物群落的重大變化，包括森林火災的發生。熱帶雨林的森林火災是農民和工業農業經營者清理土地時造成的。砍伐的木材堆疊起來曬乾，然後通常用火焚燒以清除，但即使將木材收穫或從森林中砍伐並用卡車運走，木材刨花、木片、樹枝、樹枝和鋸末的廢料也會被堆成一堆焚燒。這些火災會點燃周圍的原始森林，尤其是在風將火勢吹向這些森林區域時。在過去十年中，熱帶雨林生物群落遭受了嚴重的破壞。2019年8月，估計有3500平方英里，或9060平方公里的亞馬遜森林在巴西、巴拉圭和玻利維亞的火災中被燒燬。

熱帶落葉林生物群落

熱帶落葉林的特點是溫暖或熱帶氣候下的季節性溼潤和乾燥季節。這些有時被稱為季風林，因為它們受降雨量變化的影響。印度、東南亞以及南美洲和非洲的部分地區的森林受到這些降雨週期的極大影響。這些地區很少或從未下過雪，因為它們全年的氣溫都保持溫暖。季風迴圈的結果是土壤通常呈紅色，這是由於鐵的氧化造成的，並且由於淋溶作用，其養分含量往往低於溫帶落葉林。樹木在旱季佔據主導地位，並有一個特定的生長季節。

草原生物群落

草原是廣闊的草原或草原地帶，由於缺水，樹木數量很少。它們通常具有溫帶氣候，冬季寒冷，夏季溫暖，並擁有種類繁多的草類和其他低矮的灌木。草原在夏季經歷強烈的生長季節，並在寒冷的冬季處於休眠狀態，這導致了肥沃的土壤，儘管缺乏樹木。草原上棲息著以草地景觀為食的大型哺乳動物，包括北美野牛和叉角羚，但也擁有豐富的昆蟲和齧齒動物種群，以及蛇和蜥蜴。世界上許多草原生物群落已被放牧地或用於種植小麥和玉米的農業農場所取代。在20世紀30年代的“沙塵暴”時期之後，還保留了一些保護區，美國政府建立了國家草原，儘管其中大部分土地可以出租用於放牧，但它們受到保護，不受農業活動的影響，以幫助維護土壤。

放牧地生物群落

這種生物群落是指大量牛、羊、山羊和馬用於放牧的土地，它融合了草原、稀樹草原和沙漠生物群落的特徵，但也可能包括已開墾的森林土地。大部分放牧地生物群落都是私有的，從小的圍欄田地到大型牧場，但也包括政府管理的土地，這些土地出租給牧場主用於放牧。牛和羊都被引入了這些地區，在那裡它們被飼養以獲取皮革和羊毛，以及世界各地的肉類。放牧地依賴於豐富的草類植被，並且常常種植入侵植物物種，如紫花苜蓿或紫花苜蓿（Medicago sativa）、野燕麥（Bromus tectorum）和飛蓬（Centaurea diffusa）。

農業生物群落

農業是種植任何型別作物的農場和灌溉土地的生物群落。這些地區通常位於有水源的區域，這些水源可以用於作物，以促進其生長。由於大量使用殺蟲劑和其他驅蟲劑來防止可能吃掉作物的害蟲，因此它們的物種豐富度和生物多樣性通常是所有生物群落中最低的。玉米、小麥、水稻和乾草是農業用地上的主要作物，涵蓋了從潮溼的水稻田到乾燥的小麥或紫花苜蓿田地的各種氣候。農業用地覆蓋了地球上大部分適宜居住的陸地，並依賴於健康的土壤和水源來持續種植糧食。它可以棲息各種哺乳動物和鳥類，但植物生命的多樣性通常有限，這些植物生命存在於生物群落的邊緣。

稀樹草原生物群落

稀樹草原是草原和森林的混合體，由零星分佈的樹木組成。它們往往氣溫較高，氣候更乾燥，雨季非常有季節性。稀樹草原生物群落分佈在非洲薩赫勒地區（北非），並延伸到南非，這兩個地方的降水量都遠低於更靠近赤道的熱帶地區。稀樹草原生物多樣性豐富，支撐著大量哺乳動物群，並棲息著大象、獅子、斑馬、羚羊和角馬等動物。

灌木叢生物群落

灌木叢是極其乾旱的生物群落，支撐著低矮的常綠灌木和矮小的耐旱樹木。它們分佈在南加州、亞利桑那州的部分地區，以及地中海沿岸、中東和澳大利亞的部分地區。由於容易遭受頻繁的乾旱，灌木叢生物群落受到頻繁的野火影響。植物也往往具有龐大的根系結構，可以利用地下深處的水源，並在火災後重新生長。

沙漠生物群落

沙漠是降水量低且氣候溫和到極度炎熱地區的總稱。作為乾旱環境，沙漠的總生物量較少，並且依賴於不頻繁的雨雪。植物通常適應水資源的匱乏，一些沙漠幾乎完全沒有植物，景觀被流動的沙丘覆蓋。存在許多型別的沙漠，例如猶他州的沙漠是大陸內部沙漠，其低降水量是由於內華達州和加州沿海山脈的雨影效應，導致與海岸相比降雨量顯著減少。位於大陸中心地帶，這些地區夏季更加炎熱或極端炎熱，沒有海洋的熱量匯。沙漠分佈在緯度30至40度之間的狹長地帶，由於哈德里環流模式，這些地區大部分時間都處於高壓之下，並且往往呈現乾燥的空氣下降。這種高壓跨越地球這些地區的推動導致空氣溼度低，並且相對於水資源的可用性而言是未飽和的。隨著地球變暖，預計地球沙漠生物群落的範圍將向極地擴充套件，因為大氣溫度升高，導致較高緯度地區乾旱風險增加。

洞穴生物群落

洞穴生物群落是指生活在地下洞穴中的獨特生命形式。洞穴物種豐富度和多樣性較低，為生命提供了一個獨特的生物群落，使其能夠在沒有陽光的環境中生存，並暫時利用洞穴作為庇護所。洞穴生物群落是研究能夠在沒有陽光的生物群落中生存的獨特微生物和細菌生命形式的有趣場所。它們通常利用從蝙蝠和小型哺乳動物等生物帶入洞穴的營養來源，這些生物會尋求洞穴作為庇護所。

城市生物群落

城市生物群落可能是您最熟悉的生物群落，因為它囊括了大多數人居住的城市和城鎮中心的大部分景觀。該生物群落包括道路、公園、花園、高爾夫球場、停車場、住宅、購物中心和倉庫。它以栽培植物為主，穿插著瀝青道路和混凝土人行道，以及各種建築物和結構。由於種植了更廣泛的植物物種，其生物多樣性往往高於農業用地，但與農業用地一樣，通常依賴灌溉。城市生物群落是許多家養動物（如貓和狗）以及人類的家園，但也常有浣熊、老鼠和倉鼠出沒。隨著新的住宅開發專案的建設，城市生物群落正在迅速擴張，這些專案往往會向周圍的生物群落蔓延。城市生物群落含有高水平的塑膠垃圾和其他型別的城市垃圾。

水生生物群落

淡水河流和小溪生物群落

地球上的河流、溪流和小溪以及流動的淡水是水生魚類和昆蟲以及利用這些水源的動植物的重要生物群落。流動的淡水是重要的富氧水源，被用作洄游魚類的產卵場。大型靜止水體容易缺氧，尤其是在溫暖的氣候條件下，而流動性質的淡水河流和溪流為魚類和依賴其為食的動物提供了重要的生物群落。河流提供了一個複雜的生物群落，因為這些水帶橫跨不同的氣候和海拔高度，為水生生物以及需要獲取水的動植物提供了通往大陸內部的通道。對淡水河流生物群落或生態系統的研究稱為湖沼學。

淡水湖泊和池塘生物群落

淡水湖泊和池塘是淡水系統中同樣重要的生物群落，它們連線著河流和小溪。湖泊和池塘是生物豐富的區域，支援水生動物和植物以及依賴其作為水源的動植物。許多植物生活在湖泊邊緣的淺水沿岸帶，包括香蒲、木賊和蘆葦。這些區域對遷徙的鳥類（如鴨子和其它水禽）非常重要。就像海洋一樣，湖泊也會發生分層現象，並且可能因富營養化而缺氧。此類事件會導致魚類和其他依賴富氧水的動物死亡。這些事件標誌著生物群落髮生重大幹擾的時期，在乾旱期間，隨著水位的下降，生物群落的範圍也會縮小，也會發生這種情況。

溼地、沼澤和沼澤生物群落

溼地被廣泛定義為在一年中的任何時間都潮溼或被水覆蓋的任何土地。它們主要分佈在排水不良的低窪盆地，雨季時水會在這裡積聚。水量和深度各不相同，但這種更短暫的水源對兩棲動物、鱷魚和蛇以及鳥類和哺乳動物來說非常重要。樹木通常生長在這些潮溼的生物群落中，例如美國東南部沼澤中常見的落羽杉（Taxodium distichum），它們可以在靜止的水中生存。許多溼地已被排幹以利用水資源，各級政府機構一直在努力保護這一生物群落。

河口、三角洲和潮灘生物群落

這是一個海洋和陸地之間的過渡環境，將河流和淡水水源與鹹水海洋水體連線起來。這形成了類似於沼澤和沼澤的生物群落，但水體混合了鹽度。這些生物群落受每日和每月潮汐以及長期海平面升降的影響，這些影響可能會淹沒沿海地區。這些區域通常由紅樹林固定在一起，紅樹林有助於截留沉積物和養分，但可以耐受鹹水。許多無脊椎動物透過在泥濘的基質中挖洞並在潮汐週期中進出水體時進行濾食來利用潮汐和水體。雙殼類動物（如蛤蜊和貽貝）和藤壺以及苔蘚蟲通常附著在岩石和木頭上，從水中過濾食物。它們是鳥類、鱷魚、海龜以及魚類的重要生物群落。

海岸線和海灘生物群落

海灘也被稱為海洋的沿岸帶，因為它包括沙質海岸線以及淺海近岸區域。波浪的破碎和不斷變化的潮汐使海灘成為動植物的有趣生物群落。褐藻綱褐藻門的海帶（或海藻）生長在水中，由幫助海帶漂浮在透光帶內的氣囊支撐。棘皮動物，如海星和海參生活在這個區域，還有腹足動物（蝸牛）。其他軟體動物，如雙殼類動物，會挖入沙質基質中，從流過水體中進行濾食。海灘海岸線和破碎波浪的高能量使該區域看起來像是一個不斷變化的環境，但與其他生物群落相比，它在時間上相當穩定。

開闊海洋（遠洋區）生物群落

這是開放海洋生物群落，包含游泳和漂浮的動植物。遠洋帶分為靠近表面的透光層和下方更深的無光層，無光層是黑暗的。動物生活在這個區域，透過自由游泳（如魚類、鯊魚和海洋哺乳動物以及各種無脊椎動物（如蝦和墨魚）），以及那些漂浮在水中的動物（水母、浮游生物，如微小的甲藻、矽藻和有孔蟲）。開放海洋生物群落是地球上最大的生物群落，覆蓋了地球上最大的體積。之所以體積如此之大，是因為開放海洋或遠洋帶包括海洋水域中各種各樣的深度。這個生物群落也是人類訪問最少的地方，並且由於研究這些海洋生物的挑戰，仍然知之甚少。

海底（底棲帶）生物群落

最後一個生物群落是海底，生活在那裡的動物透過爬行或固著（附著在海底）的方式生存。底棲帶覆蓋了地球約70%，並擁有種類繁多的生物群落，從近岸的珊瑚礁、瀉湖到地球最深最黑暗部分的深海深淵帶和超深淵帶。海底是一個獨特的生物群落，因為它嚴重依賴於上方遠洋帶的有機營養物質輸入，而且大部分海底缺乏陽光作為能量來源。大多數生活在海底的生物利用從上層降下來的有機廢物，因此大多數這些生物都是食腐動物或分解者，它們利用化能合成來獲取能量。

衡量生物多樣性

生物多樣性如今通常定義為地球上生命的所有種類和變異的總和。它經常被用於討論其對地球上支援眾多生物物種的關鍵生物群落的保護和維持的重要性。在衡量生物多樣性時，生態學家定義了兩個可以用來比較生物群落或地區的指數。第一個是豐富度。

物種豐富度

物種豐富度簡單來說就是特定區域或地區已記錄的物種數量，而科豐富度則更廣泛地定義為一個區域或地區中科或密切相關的物種群的數量。物種豐富度是透過計算某個地理區域內不同物種的數量來確定的，從單個國家或縣到更廣泛的生態系統或生物群落。地球上的各種生物群落具有不同程度的物種豐富度。亞馬遜和剛果雨林的熱帶雨林生物群落擁有非常高的物種豐富度，這些地區的脊椎動物物種接近20,000種，而靠近兩極的苔原和北方森林生物群落的物種豐富度較低，脊椎動物物種約為1,000種或更少。寒冷而開闊的苔原生物群落為食物和庇護所提供的資源較少，並且對生物物種來說是一個惡劣的環境。熱帶森林環境的複雜性和統一的氣候為眾多環境資源和穩定的生活環境提供了條件。物種豐富度與緯度相關，低緯度赤道地區物種豐富度高，而高緯度極地地區物種豐富度低。水分和年平均降雨量也會影響物種豐富度，但影響程度低於季節溫度的變化。在海洋中，溫暖的珊瑚礁、瀉湖和河口都表現出高物種豐富度，而黑暗寒冷的深海水域和鹽度高的區域則表現出低物種豐富度，這是由於這些地球區域的資源有限。

一個觀察結果是，生活在高緯度兩極附近的動物往往比生活在赤道附近的動物體型更大。這被稱為伯格曼法則，以19世紀中期德國解剖學和生理學教授卡爾·伯格曼的名字命名。對這種模式的一種解釋是生理學上的，生活在較冷氣候的動物體型更大是為了在一年中較冷的月份保持體溫（較低的表面積與體積比），而較溫暖的氣候則有利於體型較小的動物，它們能夠更有效地散熱（較高的表面積與體積比）。這僅適用於恆溫動物，如哺乳動物和鳥類。

確定物種豐富度需要進行大量調查，其中每個生物體都被識別到其獨特的物種。在實踐中，這很難做到，儘管各個政府機構支援了此類工作，但通常依靠各種生物類群專家的志願者工作，從植物學家、昆蟲學家、爬蟲學家、鳥類學家和哺乳動物學家，每個人都在識別特定區域的物種。物種豐富度依賴於一種稱為稀釋的統計過程。例如，每次訪問某個區域時，可能存在並觀察到不同數量的物種。稀釋是指持續對個體生物進行取樣並測量計算新物種和獨特物種的可能性。它觀察物種數量增加的曲線，以及在隨後訪問該區域時遇到新物種的可能性。這一點很重要，因為許多物種非常稀有，或者僅在一年中的某些時間訪問該區域。研究物種豐富度的另一個挑戰是，許多物種，例如微生物，在這些調查中經常被忽視。許多生物群落的生物物種可能比目前理解的要豐富得多。

生物多樣性

生物多樣性是衡量環境中每個物種的代表性丰度的指標。生物多樣性高的環境將擁有更多的物種，而且這些物種在該環境中的丰度分佈也更均勻。確定生物多樣性的度量之一是夏農-威納指數。

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

讓我們使用兩個群體的簡單示例，並使用上述公式比較它們的夏農-威納指數。一個環境包含以下物種

調查一
物種A = 25個體
物種B = 3個體
物種C = 1個體
物種D = 2個體
物種E = 3個體

這裡我們有5個物種，由34個個體代表。首先，我們透過將該物種的個體數量除以總數來計算每個物種的比例，以獲得比例，例如物種A有25個個體，共34個，因此它在環境中佔73.5%的比例，而物種A只有一個個體，僅佔個體的1.03%。我們取這些比例的自然對數，乘以比例，然後將它們加起來，除以物種數量得到平均值，並取結果指數的負值。因此，對於第一組，夏農-威納指數多樣性為0.185。讓我們看看第二組。

調查二
物種A = 3個體
物種B = 3個體
物種C = 3個體
物種D = 3個體
物種E = 3個體

請注意，這組有5個物種，因此物種豐富度在這兩組之間相同，但現在我們只有15個個體，但每個個體的比例都相似，為3。

我們取這些物種中每個物種的比例，它們都是32%，取自然對數，然後乘以比例，再將結果除以5求平均值，然後取負值。在這種情況下，得到的指數高於0.322。這是因為每個物種的丰度彼此之間比例更加均衡。我們可以說，儘管第一組的個體更多，但第一組的生物多樣性低於第二組。這種生物多樣性指標非常重要，因為單一物種可能會在某個地區佔據主導地位，這在入侵物種以及植物或動物某一型別以犧牲其他物種為代價而占主導地位的農業和放牧土地上尤其是一個問題。這個過程導致這些地區的生物多樣性非常低，並且通常也反映在物種豐富度數量上。

生物多樣性研究的核心問題之一是瞭解促進生物多樣性生態系統並維持其機制。生態學和古生態學研究都表明，維持生物多樣性生物群系主要有兩個因素髮揮作用。首先是穩定的物理環境，氣候在較長時間內保持季節穩定；其次是環境不受干擾，避免短期事件，如森林火災、小行星撞擊、城市和工業發展以及其他導致景觀變化的短期災難。干擾景觀的一個方面是引入快速繁殖的入侵物種，它可能會接管一個區域並主導該地區的生物多樣性。但大多數景觀干擾都是人類直接造成的，從修建道路到耕地。

生態演替

生態演替是指植物和動物生物群落在遭受重大幹擾後恢復的過程。這些干擾可能是自然的，例如山體滑坡、火山爆發或野火，也可能是人為造成的，例如為了農業、採礦或景觀工業化（如石油和天然氣鑽探、修建停車場或道路以及在土地上行駛）而清理森林。所有這些干擾都會留下嚴重改變的生物群落，其物種豐富度和生物多樣性通常比干擾前要低得多。生態學家研究一個區域從特定干擾中恢復需要多長時間。生態學家首先定義一個頂極群落。頂極群落是一個穩定的群落，能夠自我維持，並且與該地區的物理棲息地處於平衡狀態，具有高水平的物種豐富度和生物多樣性，並且該區域內物種發生率下降幅度很小或沒有下降。頂極群落可以被認為是一個具有高生物多樣性的穩定群落，它可能在干擾之前就存在。早期的博物學家，如亨利·戴維·梭羅，寫過關於從被清理過的農場（但後來被棄耕）中森林樹木的演替，這些農場最終被樹木取代，這些樹木在許多年後重新佔據了農田。生態演替研究中的關鍵科學家之一，他也有助於創造了生態學這個詞，是亨利·錢德勒·考爾斯。在19世紀後期，他研究了被風吹來的沙丘覆蓋的地區，並研究了植物如何在多年內重新建立起來。火山爆發和強烈的野火也被證明是瞭解植物在干擾恢復後的演替的有趣案例研究。

生態演替的概念支配著許多土地管理實踐，特別是在美國，在那裡，土地干擾被廣泛認為是短暫和臨時的，只要有足夠的時間，該地區就會恢復到干擾前的狀態。然而，人類活動造成的土地干擾往往不是罕見的事件，而是頻繁的、週期性的並且隨著時間的推移而累積，從而限制了完全恢復。通常，先前的頂極群落可能是未知的，因為該地區在歷史上可能一開始就過度放牧和砍伐。在數百年的頻繁地面干擾下，該地區最初的物種豐富度和生物多樣性可能在這些干擾開始之前沒有被記錄下來。受干擾的區域容易受到植物和動物入侵物種的影響，這些物種通常在該地區站穩腳跟，並改變了該地區與干擾前不同的狀況。土地管理者可能會持續改變環境，例如在猶他州大規模移除圓柏和單葉松，以便在公共土地上為牛提供放牧地，或者努力進行控制性燃燒以防止可能破壞經濟價值結構的大規模野火。在公共土地上，採礦和石油和天然氣鑽探造成的受干擾土地的重新播種計劃導致了不同的替代植被，因為這些植被在土壤干擾之前存在。地下水的汙染或為了作物使用而排乾池塘和湖泊會導致土地的長期變化，改變水的可用性，使得向頂極群落的演替不太可能。此外，氣候隨時間變化以及生態演替的長期過程的後果意味著，先前的頂極群落存在於更涼爽潮溼的氣候下，由於氣候變化，這些植物和動物現在無法在該地區建立起來。實際上，地球生物群落的概念處於變化之中，並且正在發生變化，例如自然生物群落變得僅限於國家公園的保護區，而受干擾的土地（如城市、農業和放牧生物群落）在新的生物群落定義集中不斷擴充套件。

書籍頁面導航
上一頁	當前頁	下一頁
f. 格雷戈爾·孟德爾的紙牌遊戲：遺傳。	g. 地球的生物群系和群落。	h. 土壤：活著的泥土。