首先，生态系统的概念
生态系统是生态学的一个概念。生态学是研究生物与其生存环境关系的科学，是生物学的主要分支。
一个物种在一定空范围内的所有个体之和在生态学上称为种群，所有不同物种的生物之和为群落，与它的物理环境共同构成一个生态系统。生态系统是生命系统和环境系统在特定空中的组合。它的特点是系统内部以及系统与外部之间的能量流动和由其驱动的物质循环。比如森林、草原、河流、湖泊、山脉或其中的一部分都是生态系统；农田、水库和城市都是人工生态系统。生态系统具有层级结构，即较小的生态系统形成较大的生态系统，简单的生态系统形成复杂的生态系统，最大的生态系统是生物圈。
第二，生态系统的结构
任何生态系统都是由生物群落和物理环境组成的。阳光、氧气、二氧化碳、水、植物营养素(无机盐)是物理环境中最重要的元素，生物残留物(如落叶、秸秆、动物和微生物尸体)及其分解的有机物也是如此。物理环境不仅为生物提供能量和养分，还为生物提供其生命活动所需要的介质，如水、空气、土壤等。活的生物群落是构成生态系统精密有序结构并使其充满活力的关键因素，各种生物在生态系统的生命阶段都有自己的角色。
生态系统有三种生命角色，即生产者、消费者和分解者，分别由不同种类的生物扮演。生产者吸收太阳能，使用无机营养元素(C、H、O、N等。)来合成有机物，吸收的一部分太阳能以化学能的形式储存在有机物中。主要生产者是绿色植物和一些能够进行光合作用的真菌。因为这些生物可以直接吸收太阳能，利用无机营养物质合成构成自身生物的各种有机物质，所以我们称之为自养生物。消费者是直接或间接利用生产者生产的有机物质作为食物和能量，而不能直接利用太阳能和无机养分，最后还原成植物可以利用的养分的生物。消费者和分解者都不能直接利用物理环境中的太阳能和无机营养物质，我们称之为异养生物。值得指出的是，物理环境(太阳能、水、空气体、无机营养元素)、生产者和分解者是生态系统不可或缺的组成部分，而消费者则可有可无。这可以在图2-2中直观地反映出来。
第三，生态系统的物质循环
在生态系统中，物质从物理环境出发，经过生产者、消费者和分解者，再回到物理环境，完成了一个从简单无机物到各种高能有机物，最后还原为简单无机物的生态循环。通过这样的循环，生物得以生存繁衍，物理环境得到更新，变得越来越适合生物生存。在这种物质的生态循环过程中，太阳能以化学能的形式固定在有机物中，可供食物链中各层次的生物利用。
虽然维持生命所必需的化学元素很多，但97%以上的生物都是由氧、碳、氢、氮、磷五种元素组成的。作为物质循环的例子，下面介绍碳、氮和磷的生态循环过程。
碳循环
碳是生物原生质的基本元素。虽然在自然界中含量丰富，但绿色植物的直接利用仅限于空气体中的二氧化碳(CO2)。生物圈中的碳循环主要表现为绿色植物从空气体中吸收二氧化碳，通过光合作用转化为葡萄糖，放出氧气(O2)。在这个过程中，水是不可或缺的。生物体利用葡萄糖合成其他有机化合物。碳水化合物通过食物链，成为动物和细菌等其他生物的一部分。作为生物体代谢的能量，生物体中的一部分碳水化合物通过呼吸作用被氧化成二氧化碳和水，储存的能量被释放出来。由于这种碳循环，大气中的二氧化碳每20年就完全更新一次。
(2)氮循环
在自然界中，氮以三种形式存在:分子态(氮)、无机结合态氮和有机结合态氮。大气中含有大量的分子氮。然而，大多数生物不能利用分子氮。只有豆科植物的根瘤菌和一些蓝绿藻等细菌才能将大气中的氮转化为硝酸盐。植物只能从土壤中吸收无机铵态氮(铵盐)和硝态氮(硝酸盐)合成氨基酸，然后进一步合成各种蛋白质。动物只能直接或间接利用植物合成的有机氮(蛋白质)，将其分解成氨基酸，然后合成自己的蛋白质。在动物的代谢过程中，部分蛋白质分解为氨、尿酸和尿素，排出体外，最终进入土壤。动植物残体中的有机氮被微生物转化为无机氮(氨氮和硝态氮)，从而完成生态系统的氮循环。
(3)磷循环
磷是生物体不可缺少的元素。生物细胞内所有生化反应中的能量传递都是通过ADP和ATP之间高能磷酸键的可逆转换来实现的。磷也是核酸的重要元素。磷在生物圈中的循环过程不同于碳和氮，属于典型的沉积循环。生态系统中磷的来源是磷矿和沉积物、鸟粪和动物化石。这些磷酸盐矿床经过自然侵蚀或人工开采，磷酸盐进入水体和土壤供植物吸收利用，然后进入食物链。经过短时间的循环，大部分磷随水流失到海洋沉积物中。因此，在生物圈中，大部分磷只向一个方向流动，不形成循环。磷酸盐资源因此成为不可再生资源。
第四，生态系统的能量流动
生物圈和各级生态系统中物质循环的驱动力是能量在食物链中的传递，即能量流。与物质的圆周运动不同，能量流动是单向的。它从植物吸收太阳能开始，一步步通过食物链，直到食物链的最后一环。在各个环的能量传递过程中，一部分能量被生物体用来促进自身的生命活动(新陈代谢)，然后变成热能在物理环境中耗散。
为了反映一个生态系统对太阳能的利用，我们使用了生态系统总产出的概念。一个生态系统的总产出是指系统中食物链的各个环节在一年内合成的有机物总量。可以用能量和生物量来表示。一个生态系统中生产者一年合成的有机物质的量称为该生态系统的初级总产量。在有利的物理条件下，绿色植物对太阳能的利用率一般在1%左右。生物圈总初级生产量约为4.24′1021焦耳/年，其中海洋生产者总产量约为1.83′1021焦耳/年，陆地约为2.41′1021焦耳/年。总产出的一半以上被植物的呼吸作用所消耗，其余的称为净初级产出。各级消费者中的能量利用率不高，平均在10%左右，即食物链中每个环节的能量链净转移率只有1/10左右。因此，生态系统中的各种生物量按照能量流动的方向，沿着食物链递减。最低层次的绿色植物数量最多，其次是草食动物，再次是各层次的食肉动物。顶端生物量最少，形成生态金字塔。只有当生态系统产生的能量与生态系统消耗的能量大致相等时，生态系统的结构才能保持相对稳定，否则，生态系统的结构就会发生剧烈的变化。
