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

研究地球的最佳方式是旅行。只有當人們穿越地球表面，並注意到他們在旅途中所見到的動植物之間的差異時，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物理地理學聯絡在一起，涉及不同動植物的出現及其所處的物理環境。這主要是因為生物體表現出特定的適應性來應對每個地區的物理環境。因此，乾旱沙漠中的生命將呈現出與寒冷極地地區不同的動植物型別，而茂密的熱帶雨林將呈現出一組獨特的、在每個地區都獨一無二的動植物。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，他是一位富有的德國探險家，生活在 200 年前。亞歷山大·馮·洪堡希望周遊世界，但歐洲肆虐的拿破崙戰爭使旅行變得困難，無論是資金還是穿越交戰國家的許可證都難以獲得。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·波拿巴在埃及的軍隊，但法國軍方拒絕讓他加入。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這段經歷。1804 年，當他抵達美國時，他在白宮被托馬斯·傑斐遜召見。傑斐遜剛剛完成了從法國購買的路易斯安那州，但對該地區的地理環境知之甚少。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。洪堡的作品對自然觀念產生了重大影響；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）。洪堡和他的許多同齡人認為地球上有兩個世界，第一個是人類世界，包括農場和城市中心；第二個是自然世界，即地球上荒野和未開發的區域。這種地球的雙重世界觀在現代仍然盛行。政府資助這些早期探險活動的主要原因是，植物，特別是植物的原材料生產，如棉花、糖、咖啡、茶和各種作物，正日益受到不斷增長的人口的需求。美洲的西紅柿、土豆和玉米的發現使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資源，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。生物探索與瞭解地球的主要生物群系相關，尤其是在殖民時期。生物群系是指形成於共同的物理氣候環境中，由獨特的動植物群落組成的生物群落。早期地球植物分佈地理學家，例如丹麥博物學家弗雷德里克·肖，提供了這些不同地區的早期分類。像 19 世紀 30 年代的弗朗茲·邁恩這樣的植物學家很清楚，當地氣候，尤其是平均氣溫和極端氣溫以及水分含量，對於解釋地球上各種動植物的獨特分佈非常重要。使用洪堡術語的區域或等溫線概念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地區可以種植哪些型別的動植物。

甘蔗的歷史是一個很好的例子，說明了瞭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，這種植物被引入中東的部分地區，但由於氣候乾燥，生長狀況並不理想。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潮溼和溫暖的氣候同樣適合甘蔗的種植和收穫。最早的甘蔗種植園早在 16 世紀初就已建立，隨著甘蔗在新世界的迅速興起，它成為歐洲和美洲的一個非常普遍的進口商品，特別是在那些氣候寒冷不適合種植甘蔗的地方。這種轉變導致數百萬人，特別是來自非洲的人們被奴役，以持續收穫和種植這種植物。很快，歐洲人開始比以往任何時候都消費更多的糖，在那些氣候寒冷不適合種植甘蔗的地方，對糖的需求量很大。早期的生物群系大多根據當地氣候的一般描述來定義，例如沙漠、極地地區或溼潤熱帶地區，但其他生物群系則根據其內部生長的特定植物型別來定義。例如，地圖上的棕櫚樹、鼠尾草或仙人掌區域。

在19世紀60年代，弗拉基米爾·柯本經常乘坐新建成的火車，從他在克里米亞南部溫暖的辛菲羅波爾市的家中前往俄羅斯北部寒冷的聖彼得堡。這段長達2110公里（1305英里）的火車旅程幾乎是穿越東歐的南北直線，沿途經過許多不同的氣候區域。在旅途中，他會從火車上觀察窗外植物群落的緩慢變化，因為它們穿過了每個特定的氣候帶。在他後來的生活中，他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，形成了地球地理圖，將地球上每個主要陸地生物群落的地理區域進行分類。如今，它被稱為柯本-蓋格氣候分類法，這是基於魯道夫·蓋格的改進。

這張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他們的花園中成功種植，具體取決於該地區的平均氣候。例如，猶他州橫跨9區到4區，南部城市聖喬治位於較溫暖的9區和8區，而鹽湖城位於7區和6區，而維納爾和希伯等海拔較高、氣候更寒冷乾燥的城市則位於5區和4區。每個區域都以平均年最低冬季溫度為界，劃分為10度區域。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。隨著每個地區的隨著時間推移氣候變化，這兩張地圖和分類都需要更新。此外，這兩個分類系統都是基於氣候，而不是植物和動物的出現情況。其他分類已經使用了每個區域發現的土壤型別來根據該區域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，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，並且在其定義中不將植物或動物的出現情況作為其定義的一部分。例如，此類系統將無法識別改變的環境或生物群落，例如受人類干預嚴重影響的農業用地和城市中心，但它們可能與受保護的自然保護區的自然氣候條件相似。

從20世紀70年代開始，植物學家大衛·古德爾領導了一個由生物學家、生態學家、自然資源保護主義者和土地管理者組成的團隊，在一套多卷本的書籍系列《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30個主要的生物群落，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。古德爾的分類法還將地球劃分為自然生物群落和人類或管理的生物群落，例如農作物、管理草地和工業城市景觀。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，一種是基於生物有機體的出現，另一種是依賴於物理氣候。

在生物群落分類系統中包含特定生物物種的支援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同一環境中大量其他物種的生物物種，並且將其從該區域移除將徹底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，許多頂級掠食者，如狼和獅子，通常被認為是關鍵物種，因為它們對獵物的出現以及這些獵物可能依賴的植物有很大的影響。

儘管許多生物群落只是根據最豐富的物種或環境中生物量最大的物種來定義的。**生物量**是指特定物種的生物體在給定區域或體積中的總質量。例如，草原生物群落是由該地區大量存在的草本植物來定義的，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

地球已被劃分為主要生物群落的方式有很多種。此列表並不全面，但包含了地球上分佈廣泛的大多數主要生物群落，並且可以透過其中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融化一小部分。這些土壤非常古老，地衣和其他北極植物每年只會生長少量。非常短的生長季節和冬季的低光照水平導致物種多樣性低。景觀以地衣和苔蘚為主，還有適應寒冷氣候的草和其他低矮植物。許多候鳥和馴鹿等遷徙動物生活在這些地球區域，以及北極熊，它們經常在景觀中長途跋涉。

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。北方森林的特點是冬季寒冷和生長季節短，森林主要由針葉樹組成，這些樹木在漫長的冬季保持常綠。針葉樹是一組在早期地球歷史上進化而來的樹木（裸子植物），它們長有球果和風媒花粉，而不是開花結果。它們完美地適應了這些地球季節性寒冷的地區，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，如狼、狐狸、兔子、駝鹿、鹿和野牛，但由於氣候寒冷，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。這些是地球上地形較高的區域，由於海拔較高，因此也呈季節性寒冷。地球上海拔的升高會降低平均年溫度，產生的分佈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，因為它們分佈在這些高山山峰和高原上，儘管它們與地球上的苔原和北方森林區域具有相似的氣候，但它們在其孤立性方面是獨一無二的。一些高山生物群落區域，如喜馬拉雅高原，面積相當廣闊。高山生物群落的一個重要方面稱為樹線。樹線或林木線是山峰上森林的上界，高於此界限，樹木無法生存。在美國，此海拔高度在3.0公里（10,000英尺）到3.7公里（12,000英尺）之間，具體取決於水分和年平均溫度，但越靠近極地（高緯度），樹線的海拔高度會更低，因為這些地區的溫度更低。這些山頂地區通常覆蓋著冰雪，既有半永久性冰川，也有在夏季持續很長時間的冬季積雪和冰。

溫帶雨林生物群落

溫帶雨林分佈在北美洲太平洋西北部海岸和澳大利亞東南部，其特點是這些沿海地區溼度較高。它們通常生長著大型常綠樹木，包括當今地球上一些最大的樹木。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，並孕育了許多需要高溼度才能生存的植物，包括蕨類植物和木賊。它們還棲息著許多附生植物。附生植物是指生長在其他植物上的植物，例如蘭花、藤本植物、蕨類植物和苔蘚。與寒冷乾燥的生物群落相比，這些生物群落擁有高度多樣化的兩棲動物、哺乳動物和鳥類。這些生物群落是主要的木材來源，並受到工業林業的影響。

溫帶落葉林生物群落

該生物群落包括美國東部的大片區域、歐洲北部的大部分地區和中國東部，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，降雨和降雪量相當。溫帶落葉林的特點是樹木已經適應了季節變化，在秋季落葉，並在春季每年重新長出葉子。這可以防止樹枝在冬季因積雪過重而斷裂，同時也為夏季溫暖的月份提供了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，並擁有肥沃的土壤。由於土壤的生物生產力有利於作物生長，這些地區通常被開墾為農場和農業用地，並擁有主要的城市中心。溫帶落葉林在過去可能更為普遍，但隨著地球在過去幾個冰河時代經歷了不同的冰期和間冰期，其分佈發生了變化。

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。這是由於缺乏季節變化以及持續大量降雨的結果。熱帶雨林出現在大氣赤道輻合帶 (ITCZ)以下的陸地上，由於大氣環流和這些森林赤道位置導致的低氣壓，雨水幾乎持續不斷地下降。這種穩定溫暖潮溼的氣候使樹木全年保持常綠，並且生長速度較慢。這也意味著森林不像溫帶落葉林那樣向森林地面大量釋放生物量，土壤有機質貧瘠，通常為沙質，雨水沖刷導致養分流失。熱帶雨林支援一個全年封閉的高大森林冠層，使得森林地面特別黑暗。封閉的森林冠層阻止陽光到達森林地面，而樹木分佈更廣泛的開放型森林冠層則允許更多的陽光到達森林地面。在封閉冠層的熱帶雨林中，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，往往會形成泥濘或沙質的貧瘠區域，因為土壤缺乏有機碳分子和植物重新生長的養分。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由農民和工業農業從業者清理土地造成的。砍伐的木材被堆疊起來曬乾，然後經常被焚燒以清除，但即使木材被收穫或從森林中砍伐並由卡車運走，木材刨花、木屑、樹枝、樹枝和小樹枝的廢料也會被堆積起來焚燒。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到嚴重破壞。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旱季和雨季。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。這些地區很少甚至從不降雪，因為全年的氣溫都保持溫暖。季風迴圈的結果是，由於鐵的氧化，土壤通常呈紅色，並且由於淋溶作用，養分含量往往低於溫帶落葉林。樹木在旱季占主導地位，並具有特定的生長季節。

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。草原在夏季經歷強勁的生長季節，在寒冷的冬季則以枯萎為主，儘管缺乏樹木，但仍然形成了肥沃的土壤。草原棲息著以草地景觀為食的大型哺乳動物，包括北美洲的野牛和叉角羚，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種植小麥和玉米的農業農場所取代。在20世紀30年代的“塵暴”時期之後，一些保護區得以保留，美國政府建立了國家草原，儘管這片土地的大部分可以出租用於放牧，但它們受到保護，免受農業活動的影響，以幫助維持土壤。

牧場生物群落

該生物群落是指飼養大量牛、羊、山羊和馬進行放牧的土地，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林地。大部分牧場生物群落為私人所有，從小型圍欄田地到大型牧場不等，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，在世界各地飼養它們的皮毛和羊毛，以及肉類。牧場依賴豐富的草類植被，並且經常種植入侵植物物種，如紫花苜蓿或紫苜蓿（Medicago sativa）、野燕麥（Bromus tectorum）和飛蓬（Centaurea diffusa）。

農業生物群落

農業是指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，水源可用於作物，以促進生長。由於大量使用殺蟲劑和其他驅蟲劑來防止可能啃食作物的害蟲，因此它們通常具有所有生物群落中最低的物種豐富度和生物多樣性。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，主要分佈在生物群落的邊緣。

稀樹草原生物群落

熱帶稀樹草原是草地和森林的混合體，由分散分佈的樹木組成。它們往往氣溫較高，氣候較為乾燥，雨季非常季節性。熱帶稀樹草原生物群落分佈在非洲的薩赫勒地區（北非），並延伸到南部非洲，這兩個地區的降水量遠低於更靠近赤道的熱帶地區。熱帶稀樹草原生物多樣性豐富，支援著大量的哺乳動物群，並且是象、獅子、斑馬、羚羊和角馬等動物的家園。

灌木叢生物群落

灌木叢是極其乾燥的生物群落，支援著低矮的常綠灌木和矮小的抗旱樹木。它們分佈在南加州、亞利桑那州的部分地區，以及地中海地區、中東和澳大利亞的部分地區。由於易受頻繁乾旱的影響，灌木叢生物群落受到頻繁野火的侵害。植物也往往具有龐大的根系結構，可以深入地下汲取水源，並在火災後重新生長。

沙漠生物群落

沙漠是降水量少，氣候從溫帶到極熱不等的地區。作為乾旱環境，沙漠的總生物量較少，依賴於不頻繁的降雨或降雪。植物通常適應水資源的缺乏，有些沙漠幾乎完全沒有植物，景觀被風吹的沙丘覆蓋。存在多種型別的沙漠，例如猶他州的沙漠是內陸大陸性沙漠，那裡的低降水量是由於內華達州和加州沿海山脈的雨影效應造成的，這使得降雨量與海岸相比顯著減少。位於大陸中部，這些地區夏季更加炎熱或極熱，沒有海洋的熱量調節作用。沙漠分佈在緯度30到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狀態，並且往往出現乾旱的空氣下降。這種高壓對地球上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處於不飽和狀態。隨著地球變暖，地球沙漠生物群落的範圍預計會向極地擴張，因為大氣溫度升高，導致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。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，使其可以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觀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物質，這些生物尋找洞穴作為庇護所。

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。它以種植的植物為主，穿插著瀝青道路和混凝土人行道，以及建築物和結構。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，通常依賴於灌溉。城市生物群落是許多家養動物（如貓和狗）以及人類的家園，但也常被浣熊、老鼠和家鼠光顧。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，這些專案通常會向周圍的生物群落擴充套件。城市生物群落中塑膠垃圾和其他型別的人類垃圾含量很高。

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。河流提供了複雜的生物群落，因為這些水帶穿過不同的氣候和海拔高度，為水生生物以及需要水源的動植物提供了通往大陸內部的路徑。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，它們連線著河流和溪流。湖泊和池塘是支援水生動物和植物以及依賴其作為水源的動植物的生物豐富的區域。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。這些地區對遷徙鳥類（如鴨子和其他水禽）非常重要。就像海洋一樣，湖泊也會分層，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事件，這些事件也可能在乾旱期間發生，因為水位下降，導致生物群落的範圍縮小。

溼地、沼澤和泥炭沼澤生物群落

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。它們大多出現在排水不良的低窪盆地，雨季時水會在這裡積聚。水的數量和深度各不相同，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，例如在美國東南部沼澤中發現的能夠生活在靜水中落羽杉（落羽杉）。許多溼地已被排幹以利用水資源，各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

這是一種介於海洋和陸地之間的過渡環境，連線著河流和淡水水源與含鹽的海洋水域。這形成了類似於沼澤和溼地的生物群落，但水體具有混合的鹽度。這些生物群落受每日和每月潮汐的影響，以及更長期的海平面升降，這可能導致沿海地區的洪水。這些區域通常由紅樹林維繫，紅樹林有助於捕獲沉積物和養分，但也能耐受鹹水。許多無脊椎動物透過鑽入泥濘的基質並利用潮汐和水體，並在潮汐週期中水進水出時進行濾食。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以從水中過濾食物。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潮間帶，因為它包括沙質海岸線以及淺近岸區域。波浪的破碎和不斷變化的潮汐使海灘成為動植物有趣的生物群落。褐藻綱褐藻目中的海帶（或海藻）在水中生長，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，以及腹足動物（蝸牛）。其他軟體動物，如雙殼類動物，挖入沙質基質中，從流過水體中進行濾食。海灘海岸線和拍打海浪的高能量，使這個區域看起來像一個不斷變化的環境，但與其他生物群落相比，它在一段時間內相當穩定。

開闊海洋（遠洋帶）生物群落

這是開放海洋生物群落，由游泳和漂浮的動植物組成。遠洋帶分為靠近表面的透光帶和下方較深的無光帶，後者是黑暗的。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）。開闊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。這個大體積是由於開闊海洋或遠洋帶包括海洋水體中各種深度。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，人們對其瞭解仍然很少。

海底（底棲帶）生物群落

最後的生物群落是海底，生活在海底爬行或固著（附著在海底）的動物。底棲帶覆蓋了地球約70%，並擁有種類繁多的生物群落，從近岸珊瑚礁、瀉湖到地球最深最黑暗區域的深淵帶和超深淵帶。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養分輸入，並且大部分海底缺乏陽光能量。大多數生活在海底的生物利用從上層降下來的有機廢物，使大多數這些生物成為清道夫或分解者，並利用化學合成作用。

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性的總和。它經常被用於討論其對支援許多生物物種的地球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區域的指數。第一個是豐富度。

物種豐富度

物種豐富度簡單地指在某個特定區域或地區記錄到的物種數量，而科豐富度則更廣泛地定義為某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包含非常高的物種豐富度，這些地區的脊椎動物物種接近20000種，而靠近極地的苔原和北方森林生物群落物種豐富度較低，脊椎動物物種約為1000種或更少。寒冷而開闊的苔原生物群落為食物和住所提供的資源較少，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可能。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影響物種豐富度，但影響程度小於季節溫度的變化。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高鹽度地區則表現出低物種豐富度，這是由於這些地球區域內資源的限制。

一個觀察結果是，生活在高緯度極地附近的動物往往比生活在赤道附近的動物更大。這被稱為伯格曼法則，以卡爾·伯格曼的名字命名，他是19世紀中葉德國的一位解剖學和生理學教授。對這種模式的一種解釋是生理學的，生活在較冷氣候的動物體型較大以在一年中較冷的月份（低表面積與體積比）維持體溫，而溫暖的氣候則有利於體型較小的動物，它們能夠更有效地以高表面積與體積比散熱。這僅適用於內溫動物，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此類工作，通常依靠植物學家、昆蟲學家、爬蟲學家、鳥類學家和哺乳動物學家等各個生物群專家志願者的工作，每個專家識別特定區域內的物種。物種豐富度依賴於一種稱為稀釋的統計過程。例如，每次您訪問某個區域時，可能會有不同數量的物種存在和被觀察到。稀釋是指持續對個體生物進行取樣並測量新物種和新物種被計數的可能性。它觀察物種數量增加的曲線，以及在後續訪問該區域時遇到新物種的可能性。這一點很重要，因為許多物種都很稀有，或者只在一年中的特定時間訪問該區域。研究物種豐富度的另一個挑戰是，許多物種，如微生物，在這些調查中往往被忽視。很可能許多生物群落的生物物種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。生物多樣性環境將擁有更多物種，而且這些物種在該環境中的丰度分佈也更均勻。確定生物多樣性的測量方法之一是夏農-威納指數。

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

讓我們用一個簡單的兩個群體的例子，並使用上述公式比較它們的夏農-韋納指數。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，用比例乘以它們，並將它們加起來，除以物種數量得到平均值，然後取結果指數的負值。因此，對於第一組，夏農-韋納指數多樣性為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

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

我們取每個物種的比例，它們都是32%，取自然對數，並將結果乘以比例，然後除以5得到平均值，再取負值。在這種情況下，得到的指數更高，為0.322。這是因為每個物種的丰度彼此之間比例更均衡。我們可以說第一組比第二組多樣性低，儘管第一組有更多個體。這種生物多樣性指標非常重要，因為單個物種可能會在某個區域佔據主導地位，這在入侵物種，特別是在農業和放牧土地上尤為突出，在這些土地上，某種型別的植物或動物以犧牲其他物種為代價而佔據優勢。這一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字中。

生物多樣性研究的核心問題之一是瞭解促進和維持生物多樣性生態系統的機制。生態學和古生態學研究表明，維持生物多樣性生物群落主要有兩個因素。首先是穩定的物理環境，氣候在較長時間內保持季節性穩定；其次是環境不受干擾，避免森林火災、小行星撞擊、城市和工業發展以及其他導致景觀發生變化的短期災害。干擾景觀的一個方面是快速繁殖的入侵物種的引入，它們可能會接管一個區域並主導該地區的生物多樣性。但大多數對景觀的干擾都是人類直接造成的，從修路到耕地。

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，如滑坡、火山爆發或野火，也可能是人為的，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）而砍伐森林。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低得多。生態學家研究一個地區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級群落。頂級群落是一個穩定的群落，它能夠自我維持並與該地區的物理棲息地保持平衡，具有高水平的物種豐富度和生物多樣性，並且該區域內物種出現的下降幅度很低或沒有下降。頂級群落可以被認為是一個具有高生物多樣性的穩定群落，它在干擾之前就存在。早期的博物學家，如亨利·戴維·梭羅，寫過從被清理過的農場中森林樹木的演替，但後來這些農場被棄耕，並最終在經過多年的時間後被重新佔據農田的樹木所取代。生態演替研究的關鍵科學家之一，他同時也幫助創造了生態學這個術語，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區域，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證明了理解干擾恢復後植物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，尤其是在美國，那裡人們普遍認為土地干擾是短暫和臨時的，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，而是隨著時間的推移而頻繁、週期性地累積，限制了完全恢復。通常，先前的頂級群落可能是未知的，因為該地區歷史上可能過度放牧和濫伐。如果在數百年的時間裡頻繁發生地面干擾，則該地區的原始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，這些物種通常會在該區域站穩腳跟，並以不同於干擾前的方式改變該區域。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杜松和松樹以在公共土地上為牛提供放牧地，或努力進行受控焚燒以防止可能破壞經濟價值結構的大型野火。在公共土地上，對採礦和石油和天然氣鑽探造成的受干擾土地進行重新播種計劃會導致不同的替代植被，因為這些植被在土地干擾之前就存在。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，從而導致不太可能向頂級群落演替。此外，隨著時間的推移，氣候變化和生態演替的長期過程意味著，先前的頂級群落存在於更涼爽、更潮溼的氣候下，而由於氣候變化，這些植物和動物現在無法在該地區建立。事實上，地球生物群落的概念正在發生變化，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）的範圍正在擴大，這在新的生物群落定義集中有所體現。

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