生物与周围环境之间不断进行物质和能量交换，彼此相互作用，长期适应，互相依存，形成一个统一的整体，称为生态系统。生态系统可大可小，例如，一个海洋，一条河流，一片森林，或某一地区，一个城镇等都可看作为一个生态系统。生态系统中生物与环境之间，生物与生物之间的能量交换和物质循环，经常保持着动态平衡，称为生态平衡。
在生态系统中，生物和非生物、生物和生物之间的关系十分复杂，概括起来由四个部分组成：①生产者： 指制造有机物的绿色植物和某些能进行光合作用的细菌。它们能从周围环境中摄取二氧化碳、水等无机物质合成有机物质。②消费者： 指能利用和消费有机物质进行生活者。它们可分为一级消费者，即以植物为食的食草动物;二级消费者，是以一级消费者为食的食肉动物; 三级消费者，是以二级消费者为食的大型食肉动物;依次类推。有许多动物是既吃植物又吃动物的杂食性动物，而人是最后一级(高级)消费者。③分解者：指细菌、真菌等微生物，它们能分解生产者和消费者尸体，将生产者和消费者利用了的物质再还原到环境中去，重新构成生产者再利用的物质。④非生物环境：除生物以外的一切无生命物质都属于非生物环境，这个环境是生物赖以生存的必须条件，包括空气、水、土壤、日光等。
生态系统中这四个组成部分在一定条件下是保持着互相联系，互相依存的相对稳定状态，每个因素都受周围各因素的影响，同时也反过来影响其他因素。例如，在池塘中有浮游动植物，有鱼虾类和各种微生物，它们结合成一个整体。那里的浮游植物是生产者，各种鱼虾、浮游动物等是不同级别的消费者，水里的微生物则是它们的分解者; 而水、氧气和其他一些无机元素是它们的非生物环境，这样就构成了池塘的生态系统。它们之间既矛盾又统一，构成一个完整的不可分割的统一体。
在自然界中，每一个大大小小的生态系统都进行着物质循环和能量交换，这些大大小小循环汇合成大自然的物质循环。在自然界中最基本、最重要的物质循环是水，碳、氢、氧、氮、硫、磷等。
水循环 水由氢和氧组成，是生命过程氢的主要来源，一切生命有机体大部分是由水组成的。海洋、湖泊、河流和其他地表水，不断蒸发，形成水蒸汽进入大气，在大气中遇冷形成雨、雪、雹，重新返回地面。一部分流入河流、湖泊、海洋，另一部分渗入土壤或岩层中，成为地下水。植物吸收的水分，少量结合在植物体组织内，大部分则通过蒸腾作用返回大气。被动物利用的水，也通过体表蒸发或排泄而回到环境中去，但总量远比植物为少(图1)。
图1 水循环
碳循环 碳存在于生物有机体和无机环境中，碳是构成生物体的必需元素。在无机环境中碳以二氧化碳和碳酸盐的形式存在，碳循环在有机体和无机环境中进行。
在空气组成中碳(CO2)占0.0272%，其主要天然发生源是有机物受细菌分解和动植物的呼吸作用;其消耗源则是植物的光合作用，海洋是碳的巨大贮藏库，依其不同条件，既可以成为发生源，也可成为消耗源(图2)。
图2 碳循环
大气中二氧化碳通过绿色植物的光合作用转变为葡萄糖，然后再进一步转变成为碳水化合物、脂肪和蛋白质，从而被固定在有机体内。动物(包括人类)摄食植物，在将碳水化合物氧化过程中，排出二氧化碳，释放到大气。当人和动植物死后，其尸体受微生物作用，将蛋白质、脂肪、碳水化合物分解氧化成二氧化碳、水和无机盐，其中二氧化碳返回大气。动植物尸体长期深埋地层中，可能形成各种化石燃料，燃烧这些化石燃料时，所形成的二氧化碳也回到大气中。
大气与海洋间的二氧化碳交换，主要决定于大气和海洋间的二氧化碳分压何者为大，如果大气二氧化碳的分压高，则大气中二氧化碳就溶入海洋。海洋中的碳有一部分以碳酸钙沉积在海底，形成新的岩石，使一部分碳较长时间贮藏在地层中，当火山爆发时，又可以使地层中的一部分碳回到大气。
氧循环 氧是构成生命的重要元素，在空气组成中约占21%。大气中的氧来源于绿色植物的光合作用，即在太阳光能下使水和二氧化碳合成碳水化合物，并放出氧(CO2+H2O+光能→CH2O+O2↑)。氧是维持生命所必需的元素，各级生物对能量的需要主要通过氧代谢才能获得。通过呼吸作用吸入氧，在体内酶催化下，将摄入的碳水化合物、脂肪和蛋白质等营养物质进行氧化分解，释放出能量，最后将复杂的有机物质变成水和二氧化碳，通过肺呼出(图3)。
图3 氧循环
动植物尸体被细菌分解后，这些基本元素散布于土壤、空气和水中，于是植物又可以吸取它们，借光合作用再变成能量，循环不息。所以光合作用不仅制造生命所需的能量，同时也产生了极重要的氧气。
氧的循环总是和碳的循环连在一起的，由于光合作用和呼吸作用的关系，这两个元素在地球上进行着紧密相连的自然循环。碳以气态二氧化碳或溶解的方式通过光合作用进入有机界，又通过生物呼吸作用回到大气和海洋中;同时，氧被动植物的呼吸作用所消耗，通过植物的光合作用再释放到大气和水中。
氮循环 氮存在于生物有机体和大气中，是合成生物体内蛋白质的必需元素，在空气组成中氮占79%。氮循环是在有机圈和无机圈中周而复始的进行(图4)。
图4 氮循环
大气中的氮是一种惰性气体，绝大多数生物都无法直接利用，只有被“固定”成为一种含氮化合物后，才能作为生物的必需物质。大气中的氮进入生物有机体有三个途径： ①生物固氮。主要由豆科植物根瘤菌固定大气中的氮，供植物吸收。②工业固氮。人为的将大气中的氮合成氨或铵盐，供植物利用。③大气固氮。火山爆发、闪电等自然电离现象，使大气中的氮氧化成硝酸盐，经雨水冲淋进入土壤。土壤中的氨或铵盐，经硝化菌的作用，形成亚硝酸盐或硝酸盐，被植物利用;在植物体内，与含碳分子结合，形成各种氨基酸和蛋白质。动物以植物为食，从植物中摄取蛋白质，作为本身蛋白质的组成来源。动物的废弃物和动植物尸体在土壤微生物的作用下，被分解成氮、二氧化碳和水。土壤中的氮经硝化作用形成硝酸盐，一部分为植物利用外，另一部分在反硝化细菌作用下，又分解成为游离氮进入大气，完成了氮的循环。
硫循环 硫是构成生物有机体的主要元素，很多蛋白质都含有硫的原子，能够把一个蛋白质分子的一部分和另一部分连接起来，起着支撑作用。如无此硫链，蛋白质不能维持它的立体结构。硫在自然界中以硫化氢和二氧化硫的形式存在。
大气中硫有三分之一来自人们生产和生活活动，大部分来自海洋溅出的浪花和生物腐败产物——硫化氢。硫化氢、二氧化硫和硫酸盐均能被雨水或雾吸附而沉降入海洋和土壤中; 降入土壤的硫酸盐被植物吸收而生成有机物，植物作为饲料又转入动物体内，经生物化学作用合成蛋白质。当动植物的尸体残骸埋入土壤时，又被微生物分解成硫酸盐及硫化氢; 硫化氢进入大气中经氧化又生成硫酸盐，再沉降于地面，重新开始又一次循环(图5)。
图5 硫循环
大自然中的物质循环，并不只限于水、碳、氢、氧、氮和硫的循环，其他化学元素如Mn、Zn、Cu、K、Ca、Mg等，也都有它自己的循环; 而且每一循环很少是单一元素的循环，往往是众多的元素处于同一循环中。各种元素所组成的千变万化的物质，就是多种元素在各种循环运动过程中不同阶段的产物。
生态系统中的能量流动，绝大部分是单一方向进行的。这是太阳光光量子的功能被转变为有机化合物的潜能，继而通过食物链(网)进行传递的过程。
自然界的物质循环和生态平衡，并不是一成不变的，而是在各种矛盾的运动中发展的。自然的因素或人为的因素都可能影响某一生态系统的某一环节，从而破坏平衡。自然因素如气候异常、火山爆发、地震、水旱灾害、风等，由于这类原因引起的生态平衡破坏，称为第一环境问题。人为的因素主要指人类的活动所引起的生态平衡的破坏，如对自然资源不合理利用，盲目地砍伐森林，随意排放工业“三废”等带来的环境污染，由这些原因引起的生态平衡破坏，称为第二环境问题。
自然因素和人为活动虽然会经常给生态系统带来各种污染和问题，但是在某种情况下，生态系统又能建立一种新的平衡。这种平衡的建立有赖于生态系统的自净能力。例如，利用绿化植物来净化大气，就是一个很好的例证。一平方米的草坪每小时可吸收二氧化碳1.5g，一公顷针叶林每天可以消耗二氧化碳1t，一公斤西红柿的叶子每天可以消耗大气中氟3mg，一公顷云杉林每年可滞尘32t，一公顷松林每年可滞尘36t，所以为了消除或减少环境污染的危害，人们也可以采用植物净化的方法。这样生态系统可以由平衡——不平衡——达到新的平衡。
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