สภาพแวดล้อมของระบบนิเวศจะรวมถึงพารามิเตอร์ทั้งทางกายภาพและคุณสมบัติทางชีววิทยา มันเป็นเรื่องที่เชื่อมโยงกันแบบไดนามิกและประกอบด้วยทรัพยากรสำหรับสิ่งที่มีชีวิตในทุกเวลาตลอดวงจรชีวิตของพวกมัน[3][201] เหมือน "นิเวศวิทยา" คำว่า "สภาพแวดล้อม" มีความหมายทางความคิดที่แตกต่างกันและคาบเกี่ยวกับแนวคิดของ "ธรรมชาติ" สภาพแวดล้อม "... จะรวมถึงโลกทางกายภาพ โลกทางสังคมของความสัมพันธ์ของมนุษย์ และโลกที่ถูกสร้างขึ้นโดยมนุษย์"[202]:62 สภาพแวดล้อมทางกายภาพอยู่ด้านนอกของระดับขององค์กรทางชีวภาพภายใต้การตรวจสอบ รวมถึงปัจจัยทางอชีวนะเช่นอุณหภูมิ รังสีแสง สารเคมี สภาพภูมิอากาศและธรณีวิทยา สภาพแวดล้อมแบบชีวนะจะรวมถึงยีน เซลล์ สิ่งมีชีวิต สมาชิกของสายพันธุ์เดียวกัน (conspecifics) และสายพันธุ์อื่น ๆ ที่ใช้ที่อยู่อาศัยร่วมกัน[203]

อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างระหว่างสภาพแวดล้อมภายนอกและภายในเป็นนามธรรมที่รวมชีวิตและสภาพแวดล้อมให้เป็นหน่วยหรือข้อเท็จจริงที่แยกออกจากกันไม่ได้ในความเป็นจริง มีการแทรกซึมของเหตุและผลระหว่างสภาพแวดล้อมและใช้ชีวิต ตัวอย่างเช่นกฎของอุณหพลศาสตร์ถูกนำไปใช้กับนิเวศวิทยาด้วยวิธีสภาวะทางกายภาพของมัน ด้วยความเข้าใจของหลักการการเผาผลาญอาหารและหลักการทางอุณหพลศาสตร์ การบัญชีที่สมบูรณ์ของการใช้พลังงานและการไหลของวัสดุสามารถได้รับการตรวจสอบผ่านทางระบบนิเวศหนึ่ง ด้วยวิธีนี้ความสัมพันธ์ทางด้านสิ่งแวดล้อมและระบบนิเวศจะมีการศึกษาผ่านการอ้างอิงถึงชิ้นส่วนวัสดุที่ตามหลักการแล้วจัดการได้และแยกจากกันได้ อย่างไรก็ตาม หลังจากที่องค์ประกอบด้านสิ่งแวดล้อมที่มีประสิทธิภาพมีการทำความเข้าใจผ่านการอ้างอิงถึงสาเหตุของพวกมัน องค์ประกอบพวกนี้เชื่อมโยงโดยหลักการกลับมารวมกันเป็นความสมบูรณ์แบบบูรณาการหรือระบบที่ครั้งหนึ่งเคยถูกเรียกว่าเป็น holocoenotic ซึ่งรู้กันว่าเป็นวิธีการวิภาษไปสู่นิเวศวิทยา วิธีการวิภาษใช้ตรวจสอบชิ้นส่วน แต่ผสมสิ่งมีชีวิตกับสิ่งแวดล้อมให้เป็นความสมบูรณ์แบบไดนามิก (หรือ Umwelt) การเปลี่ยนแปลงในปัจจัยทางนิเวศและทางสิ่งแวดล้อมอย่างหนึ่งสามารถมีผลควบคู่กันไปกับสถานะแบบไดนามิกของระบบนิเวศทั้งหมด[29][204]

การปั่นป่วนและการกลับคืนสู่ปกติ

ระบบนิเวศกำลังเผชิญหน้าอย่างสม่ำเสมอกับการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมธรรมชาติและการปั่นป่วนทั้งหลายตลอดเวลาและตลอดพื้นที่ทางภูมิศาสตร์ การปั่นป่วนหมายถึงกระบวนการใดๆที่เอาชีวมวลออกจากชุมชน เช่นไฟไหม้ น้ำท่วม ภัยแล้ง หรือการปล้นสะดม[205] การปั่นป่วนเกิดขึ้นในช่วงที่แตกต่างกันอย่างมากมายในแง่ของขนาด ระยะทางที่ห่างไกลและระยะเวลา[206] และเป็นทั้งสาเหตุและผลิตภัณฑ์จากความผันผวนของธรรมชาติในอัตราการตาย, การวมกลุ่มกันของหลายสายพันธ์ และความหนาแน่นของมวลชีวภาพภายในชุมชนของระบบนิเวศ การปั่นป่วนเหล่านี้สร้างสถานที่ขึ้นมาใหม่ในที่ซึ่งทิศทางใหม่เกิดขึ้นจากการปะติดปะต่อกันของการทดลองและโอกาสทางธรรมชาติ[205][207][208] การกลับคืนสู่ปกติในระบบนิเวศเป็นทฤษฎีรากฐานที่สำคัญในการบริหารจัดการระบบนิเวศ ความหลากหลายทางชีวภาพช่วยขับเคลื่อนการกลับคืนสู่ปกติของระบบนิเวศที่ทำหน้าที่เป็นชนิดหนึ่งของการประกันในสิ่งที่จะเกิดขึ้นใหม่[208]

การเผาผลาญอาหารและบรรยากาศในช่วงต้น

โลกถูกสร้างขึ้นเมื่อประมาณ 4.5 พันล้านปีมาแล้ว[210] ขณะที่มันเย็นลง เปลือกโลกและมหาสมุทรก็ก่อตัวขึ้น บรรยากาศของมันถูกแปลงจากการถูกครอบงำโดยไฮโดรเจนไปเป็นสิ่งที่ประกอบด้วยก๊าซมีเทนและแอมโมเนีย มากกว่าพันล้านปีต่อมากิจกรรมการเผาผลาญอาหารของชีวิตได้แปลงบรรยากาศให้เป็นส่วนผสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์, ไนโตรเจน และไอน้ำ ก๊าซเหล่านี้ได้เปลี่ยนวิธีการที่แสงจากดวงอาทิตย์ที่กระทบพื้นผิวโลกและผลกระทบเรือนกระจกก็เก็บกักความร้อนเอาไว้ มีแหล่งที่มาของพลังงานฟรีที่ไม่ได้ถูกเก็บกักภายในส่วนผสมของก๊าซที่มีการลดและออกซิไดซ์ที่ตั้งเวทีสำหรับระบบนิเวศดั้งเดิมที่จะพัฒนาและในทางกลับกันบรรยากาศก็พัฒนาไปด้วย[211]

ตลอดประวัติศาสตร์ที่ผ่านมา ชั้นบรรยากาศและวัฏจักรชีวภูมิเคมีของโลกได้อยู่ในสมดุลแบบไดนามิกด้วยระบบนิเวศของดาวเคราะห์ ประวัติศาสตร์ถูกจัดแบ่งตามคุณลักษณะออกเป็นช่วงระยะเวลาของการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญที่ตามมาด้วยหลายล้านปีของความมั่นคง[212] วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดเช่นจุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนประเภทเมทาโนเจนได้เริ่มกระบวนการโดยการแปลงไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศให้เป็นเป็นก๊าซมีเทน (4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O) การสังเคราะห์แสงโดยไม่ใช้อ๊อกซิเจน (อังกฤษ: Anoxygenic photosynthesis) ช่วยลดความเข้มข้นของไฮโดรเจนและช่วยเพิ่มก๊าซมีเทนในชั้นบรรยากาศโดยการแปลงก๊าซไข่เน่า (อังกฤษ: hydrogen sulfide) ลงในน้ำหรือสารประกอบกำมะถันอื่น ๆ (เช่น 2H2S + CO2 + hv → CH2O + H2O + 2S) รูปแบบในช่วงต้นของการหมักยังช่วยเพิ่มระดับของก๊าซมีเทนในชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงไปเป็นบรรยากาศที่มีออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ("Great Oxidation") ยังไม่เริ่มจนกระทั่งราว 2.4-2.3 พันล้านปีที่แล้ว แต่กระบวนการสังเคราะห์แสงได้เริ่มต้นเมื่อ 0.3-1 พันล้านปีก่อนหน้านั้น[212][213]

รังสี: ความร้อน อุณหภูมิและแสง

ชีววิทยาของชีวิตดำเนินไปในช่วงที่แน่นอนช่วงหนึ่งของอุณหภูมิ ความร้อนที่เป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานที่ควบคุมอุณหภูมิ ความร้อนส่งผลกระทบต่ออัตราการเจริญเติบโต กิจกรรม พฤติกรรมและการผลิตขั้นต้น อุณหภูมิขึ้นอยู่อย่างมากกับการตกกระทบของรังสีจากดวงอาทิตย์ การเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ทางละติจูดและลองติจูดของอุณหภูมิส่งผลกระทบอย่างมากต่อสภาพอากาศและไปทำให้เกิดการกระจายตัวของความหลากหลายทางชีวภาพและระดับของการผลิตขั้นต้นในระบบนิเวศหรือ biomes ที่แตกต่างกันทั่วโลก ความร้อนและอุณหภูมิเกี่ยวข้องอย่างสำคัญกับกิจกรรมการเผาผลาญอาหาร เช่นสิ่งมีชีวิตประเภท Poikilotherms ที่มีอุณหภูมิภายในร่างกายของมันได้รับการควบคุมและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอกอย่างมาก ในทางตรงกันข้ามสิ่งมีชีวิตประเภท homeotherms จะควบคุมอุณหภูมิของร่างกายภายในของพวกมันโดยใช้พลังงานจากการเผาผลาญอาหาร[144][145][204]

มีความสัมพันธ์อย่างหนึ่งระหว่างแสงกับการผลิตขั้นต้นและงบประมาณพลังงานเชิงนิเวศ แสงแดดเป็นอินพุตขั้นต้นของพลังงานให้กับระบบนิเวศของโลก แสงประกอบด้วยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าของหลายๆความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน พลังงานที่กระจายออกจากดวงอาทิตย์เป็นต้วสร้างความร้อน ให้โฟตอนของแสงที่วัดได้เป็นพลังงานที่แอคทีฟในปฏิกิริยาทางเคมีของชีวิตและยังทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม[144][145][204] พืชทั้งหลาย สาหร่าย และแบคทีเรียบางชนิดดูดซับแสงและดูดซึมพลังงานผ่านการสังเคราะห์แสง สิ่งมีชีวิตทั้งหลายที่มีความสามารถในการดูดซับพลังงานโดยการสังเคราะห์แสงหรือผ่านการยึดติดสารอนินทรีย์ของ H2S เรียกว่า "ผู้ผลิต" (อังกฤษ: autotrophs) autotrophs - รับผิดชอบในการผลิตขั้นต้น - ดูดซับพลังงานแสงซึ่งจะกลายเป็นการเก็บแบบการเผาผลาญอาหาร (อังกฤษ: metabolically) เป็นพลังงานศักย์ (อังกฤษ: potential energy) ในรูปแบบของการผูกพันแบบเอนทัลปีทางชีวเคมี (อังกฤษ: biochemical enthalpic bonds)[144][145][204]

สภาพแวดล้อมทางกายภาพ

น้ำ

การแพร่กระจายของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนในน้ำจะช้ากว่าในอากาศที่ประมาณ 10,000 เท่า เมื่อดินมีน้ำท่วม พวกมันสูญเสียออกซิเจนได้อย่างรวดเร็ว กลายเป็น hypoxic (สภาพแวดล้อมที่มีความเข้มข้นของ O2 ต่ำกว่า 2 มิลลิกรัม/ลิตร) และในที่สุดก็จะกลายเป็น anoxic (สภาพแวดล้อมที่ขาด O2) อย่างสิ้นเชิงในที่ซึ่งแบคทีเรียจะเจริญเติบโตได้ดีในหมู่ราก น้ำยังมีอิทธิพลต่อความรุนแรงและองค์ประกอบสเปกตรัมของแสงเมื่อมันสะท้อนกับพื้นผิวน้ำและอนุภาคที่จมอยู่ใต้น้ำ[214] พืชน้ำแสดงความหลากหลายของการปรับตัวทางสัณฐานวิทยาและทางสรีรวิทยาที่ช่วยให้พวกมันอยู่รอดในการแข่งขันและแพร่กระจายไปในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ ตัวอย่างเช่นรากและลำต้นของพวกมันมีช่องว่างอากาศขนาดใหญ่ (aerenchyma) ที่ควบคุมการขนส่งก๊าซ (เช่น CO2 และ O2) อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อนำไปใช้ในการหายใจและการสังเคราะห์แสง พืชน้ำเค็ม (halophytes) มีการปรับตัวพิเศษเพิ่มเติม เช่นการพัฒนาของอวัยวะพิเศษสำหรับการสกัดทิ้งเกลือและการควบคุมความเข้มข้นของเกลือภายใน (NaCl) ของพวกมันแบบ osmoregulating เพื่อที่จะอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำเค็มหรือน้ำกร่อยหรือในมหาสมุทร จุลินทรีย์ดินที่ไม่ใช้อากาศในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำจะใช้ไนเตรต ไอออนแมงกานีส ไอออนเฟอริก ซัลเฟต คาร์บอนไดออกไซด์และสารอินทรีย์บางอย่าง; จุลินทรีย์อื่น ๆ เป็นพวกที่เจริญเติบโตได้โดยไม่ใช้ออกซิเจน (อังกฤษ: facultative anaerobes) และใช้ออกซิเจนในระหว่างการหายใจเมื่อดินแห้ง กิจกรรมของจุลินทรีย์ดินและคุณสมบัติทางเคมีของน้ำจะช่วยลดศักยภาพการเกิดออกซิเดชันของน้ำ เช่นคาร์บอนไดออกไซด์จะลดลงเป็นมีเทน (CH4) โดยแบคทีเรียที่ผลิตก๊าซชีวภาพ[214] สรีรวิทยาของปลายังถูกดัดแปลงมาเป็นพิเศษเช่นกันเพื่อชดเชยระดับเกลือสิ่งแวดล้อมผ่านการ osmoregulation เหงือกของพวกมันก่อรูปเป็นการไล่ระดับทางไฟฟ้าเคมีที่ไกล่เกลี่ยการขับถ่ายเกลือในน้ำทะเลและดูดซึมในน้ำจืด[215]

แรงโน้มถ่วง

รูปร่างและพลังงานของแผ่นดินได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญโดยแรงโน้มถ่วง ในระดับขนาดใหญ่ การกระจายของแรงโน้มถ่วงบนโลกจะไม่สม่ำเสมอและมีอิทธิพลต่อรูปร่างและการเคลื่อนไหวของแผ่นเปลือกโลกเช่นเดียวกับที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการทางธรณีสัณฐานเช่นการก่อตัวเป็นเทือกเขาและการกัดเซาะ แรงเหล่านี้ควบคุมคุณสมบัติทั้งหลายทางธรณีฟิสิกส์และการกระจายตัวของ biomes ระบบนิเวศทั่วโลก ในระดับสิ่งมีชีวิต แรงโน้มถ่วงกำหนดตัวชี้นำทิศทางสำหรับการเจริญเติบโตของพืชและของเชื้อรา (Gravitropism) กำหนดตัวชี้นำการวางแนวทางสำหรับการอพยพของสัตว์ และอิทธิพลที่มีต่อชีวกลศาสตร์และขนาดของสัตว์[144] ลักษณะทางนิเวศเช่นการจัดสรรชีวมวลในต้นไม้ในช่วงการเจริญเติบโตอาจมีการล้มเหลวทางกลเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลต่อตำแหน่งและโครงสร้างของกิ่งและใบ[216] ระบบหัวใจและหลอดเลือดของสัตว์มีการปรับตัวตามภาระหน้าที่ที่จะเอาชนะความดันและแรงโน้มถ่วงที่มีการเปลี่ยนแปลงไปตามคุณสมบัติของสิ่งมีชีวิต (เช่นความสูง ขนาด รูปร่าง ) พฤติกรรมของพวกเขา (เช่นการดำน้ำ, วิ่ง, การบิน) และที่อยู่อาศัยที่ครอบครองอยู่ (เช่นน้ำ ทะเลทรายร้อน ทุนดราเย็น)[217]

ความดัน

ความดันภูมิอากาศและแรงดันออสโมติก (อังกฤษ: osmotic pressure) (แรงดันต่ำสุดที่ป้องกันไม่ไห้น้ำซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้) เป็นตัวสร้างข้อจำกัดทางสรีรวิทยาในสิ่งที่มีชีวิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกที่บินและหายใจในระดับความสูง หรือการดำน้ำในทะเลลึก ข้อจำกัดเหล่านี้มีอิทธิพลต่อข้อจำกัดในแนวตั้งของระบบนิเวศในชีวมณฑล เนื่องจากสิ่งที่มีชีวิตจะมีความไวด้านสรีรวิทยาและมีการปรับตัวให้เข้ากับความแตกต่างของแรงดันน้ำในชั้นบรรยากาศและแรงดันออสโมติก[144] ตัวอย่างเช่นระดับออกซิเจนจะลดลงตามแรงดันที่ลดลงและเป็นปัจจัยที่จำกัดการใช้ชีวิตในระดับความสูง[218] เนื้อเยื่อที่ใช้ในการขนส่งทางน้ำของพืชเป็นอีกหนึ่งพารามิเตอร์ทางสรีรนิเวศที่สำคัญที่ถูกกระทบจากการไล่ระดับแรงดันออสโมติก[219][220][221] แรงดันน้ำในระดับความลึกของมหาสมุทรต้องการให้สิ่งมีชีวิตปรับให้เข้ากับเงื่อนไขเหล่านี้ ยกตัวอย่างเช่นสัตว์ดำน้ำได้เช่นปลาวาฬ ปลาโลมา และแมวน้ำจะต้องถูกดัดแปลงมาเป็นพิเศษเพื่อรับมือกับการเปลี่ยนแปลงในเสียงเนื่องจากความแตกต่างแรงดันน้ำ[222] ความแตกต่างภายในสายพันธุ์ hagfish (ปลายาวชนิดหนึ่งที่คล้ายปลาไหล มันมีฟันเป็นหนามยื่นออกมา) เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของการปรับตัวให้เข้ากับความดันในทะเลลึกโดยผ่านการดัดแปลงโปรตีนพิเศษเฉพาะ[223]

ลมและความปั่นป่วน

แรงการปั่นป่วนในอากาศและน้ำจะส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมและการกระจายระบบนิเวศ การขึ้นรูปและเป็นไดนามิค ในระดับของโลก ระบบนิเวศได้รับผลกระทบจากรูปแบบการไหลเวียนของลมสินค้าโลก พลังลมและแรงปั่นป่วนที่มันสร้างขึ้นจะมีผลต่อความร้อน สารอาหาร และโปรไฟล์ทางชีวเคมีของระบบนิเวศ[144] ตัวอย่างเช่นลมที่พัดบนผิวน้ำของทะเลสาบสามารถสร้างความปั่นป่วน ผสมกับกำแพงน้ำและมีอิทธิพลต่อโปรไฟล์ของสิ่งแวดล้อมในการสร้างโซนของชั้นความร้อน สร้างผลกระทบต่อโครงสร้างของปลา สาหร่าย และส่วนอื่น ๆ ของระบบนิเวศในน้ำ[226][227] ความเร็วของลมและความปั่นป่วนที่เกิดจากมันยังมีอิทธิพลต่ออัตราการคายน้ำและการระเหยและงบประมาณการใช้พลังงานในพืชและสัตว์[214][228] ความเร็วลม อุณหภูมิ และความชื้นสามารถเปลี่ยนแปลงเมื่อลมเดินทางผ่านคุณลักษณะของดินและระดับความสูงที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ลมตะวันตก (อังกฤษ: Westerlies) เข้ามาปะทะกับภูเขาชายฝั่งทะเลและภูเขาภายในของตะวันตกของทวีปอเมริกาเหนือ(ที่ทำให้เกิดพื้นที่แห้งแล้งที่เรียกว่าเงาฝน (อังกฤษ: rain shadow) ขึ้นที่อีกด้านหนึ่งหรือบนด้านใต้ลม (อังกฤษ: leeward side) ของภูเขา) เมื่อลมลอยสูงขึ้น อากาศจะขยายตัวและความชื้นจะควบแน่น; ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการยกเนื่องจากภูเขา (อังกฤษ: orographic lift) และสามารถทำให้เกิดฝน หิมะหรือลูกเห็บได้ กระบวนการด้านสิ่งแวดล้อมนี้จะสร้างการแบ่งพื้นที่ในความหลากหลายทางชีวภาพ เนื่องจากสายพันธุ์ที่ปรับตัวให้เข้ากับสภาพเปียกชื้นถูกจำกัดเป็นช่วงตามหุบเขาชายฝั่งและไม่สามารถที่จะโยกย้ายข้ามระบบนิเวศที่แห้งแล้ง (เช่นที่ลุ่มน้ำโคลัมเบียในภาคตะวันตกของทวีปอเมริกาเหนือ) เพื่อผสมกับสายเลือดพื่น้องที่ถูกแยกออกจากกลุ่มไปอยู่ในระบบภูเขาภายใน[229][230]

ไฟ

พืชจะแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นชีวมวลและปล่อยออกซิเจนออกสู่ชั้นบรรยากาศ โดยประมาณ 350 ล้านปีมาแล้ว (สิ้นสุดระยะเวลาดีโวเนียน) การสังเคราะห์แสงได้ทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศมีมากกว่าร้อยละ 17 ซึ่งทำให้มีการเผาไหม้เกิดขึ้น[231] ไฟจะปล่อย CO2 และแปลงเชื้อเพลิงเป็นเถ้าและน้ำมันดิน ไฟเป็นพารามิเตอร์ด้านนิเวศที่สำคัญที่สร้างประเด็นหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมและปราบปรามของมัน[232] ในขณะที่ประเด็นของไฟในความสัมพันธ์กับนิเวศวิทยาและพืชได้รับการยอมรับมาเป็นเวลานานแล้ว[233] นักนิเวศ ชาร์ลส์ คูเปอร์ ได้นำประเด็นไฟไหม้ป่าในความสัมพันธ์กับนิเวศวิทยาของการดับเพลิงและการจัดการไฟป่าขึ้นสู่ความสนใจในปี 1960s[234][235]

ชาวพื้นเมืองของทวีปอเมริกาเหนือเป็นชนกลุ่มแรกที่มีอิทธิพลต่อระบอบของไฟโดยการควบคุมการแพร่กระจายของพวกมันที่อยู่ใกล้กับบ้านของพวกเขาหรือโดยการจุดไฟเพื่อกระตุ้นการผลิตอาหารและวัสดุจักสานจากสมุนไพร[236] ไฟจะสร้างยุคระบบนิเวศและโครงสร้างหลังคาที่แตกต่างกัน และอุปทานสารอาหารในดินที่มีการเปลี่ยนแปลงและโครงสร้างหลังคาที่ถูกทำขึ้นใหม่จะเปิด niches ทางนิเวศใหม่สำหรับการจัดตั้งต้นกล้า[237][238] ระบบนิเวศส่วนใหญ่จะปรับตัวให้เข้ากับวัฏจักรของไฟตามธรรมชาติ เช่นพืชมีการติดตั้งด้วยความหลากหลายของการปรับตัวในการจัดการกับไฟป่า บางสายพันธ์ (เช่น Pinus halepensis (สนพื้นเมืองแถบเมดิเตอเรเนียน)) ไม่สามารถงอกได้จนกระทั่งหลังจากที่เมล็ดของพวกมันมีชีวิตอยู่ผ่านการเกิดไฟไหม้หรือได้รับการสัมผัสกับสารบางอย่างจากการควันไฟ การงอกของเมล็ดที่ถูกสั่งโดยสิ่งแวดล้อมนี้เรียกว่า serotiny[239][240] ไฟจึงมีบทบาทสำคัญในการคงอยู่และความฟื้นตัวของระบบนิเวศ[207]

ดิน

ดินเป็นชั้นบนสุดของที่อยู่อาศัยของแร่และสิ่งสกปรกอินทรีย์ที่ครอบคลุมพื้นผิวของโลก มันเป็นหัวหน้าศูนย์กลางการจัดระเบียบของฟังก์ชันส่วนใหญ่ของระบบนิเวศ และมันเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในด้านวิทยาศาสตร์และนิเวศวิทยาการเกษตร การสลายตัวของสารอินทรีย์ที่ตายแล้ว (เช่นใบไม้บนพื้นป่า) ส่งผลให้ดินมีแร่ธาตุและสารอาหารที่ป้อนเข้าสู่การผลิตของพืช ทั้งหมดทั้งปวงของระบบนิเวศดินของโลกถูกเรียกว่า pedosphere ที่ชีวมวลขนาดใหญ่ของความหลากหลายทางชีวภาพของโลกจัดวางเป็นระดับของห่วงโซ่อาหาร ตัวอย่างเช่นสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังที่กินและฉีกใบไม้ขนาดใหญ่จะสร้างชิ้นอาหารคำขนาดเล็กสำหรับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กในห่วงโซ่ของอาหาร โดยรวมแล้วสิ่งมีชีวิตเหล่านี้เป็นผู้บริโภคซากอินทรีย์ (อังกฤษ: detritivores) ที่ควบคุมการก่อตัวของดิน[241][242] รากของต้นไม้ เชื้อรา แบคทีเรีย หนอน มด เต่าทอง ตะขาบ แมงมุม สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นก สัตว์เลื้อยคลาน ครึ่งบกครึ่งน้ำ และสัตว์อื่นๆที่คุ้นเคยน้อยทั้งหมดจะทำงานเพื่อสร้างเครือข่ายโภชนาการของชีวิตในระบบนิเวศของดิน ดินจะก่อตัวเป็น ลักษณะที่แสดงออกให้เห็นเช่นสูงต่ำดำขาวตามสภาพแวดล้อมและพันธุกรรมที่ประกอบขึ้นจากหลายส่วน (อังกฤษ: composite phenotypes) ในที่ซึ่งสารอนินทรีจะถูกห่อหุ้มเป็นสรีรวิทยาของชุมชนทั้งหมด เมื่อสิ่งมีชีวิตกินอาหารและอพยพผ่านดิน พวกมันทำการโยกย้ายวัสดุต่างๆไปด้วย กระบวนการทางนิเวศนี้เรียกว่าความปั่นป่วนทางชีว (อังกฤษ: bioturbation) ซึ่งเป็นการเติมอากาศให้กับดินและกระตุ้นการเจริญเติบโตและการผลิต โภชนาการผสมที่แตกต่างกัน (อังกฤษ: heterotrophic) จุลินทรีย์ในดินได้รับอิทธิพลจากไดนามิกโภชนาการของระบบนิเวศและป้อนกลับไปยังระบบนิเวศ ไม่มีแกนเดียวของความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผลที่สามารถมองเห็นได้ในการแยกความแตกต่างของระบบทางชีวภาพออกจากระบบธรณีสัณฐานวิทยาในดิน[243][244] การศึกษาด้านนิเวศโบราณ (อังกฤษ: Paleoecological studies) ของดินมีการจัดวางให้ต้นกำเนิดสำหรับความปั่นป่วนทางชีวะอยู่ในช่วงระยะเวลาก่อนช่วง Cambrian เหตุการณ์อื่นๆเช่นวิวัฒนาการของต้นไม้และการล่าอาณานิคมของที่ดินในช่วงเวลา Devonian มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาในช่วงต้นของระบบโภชนาการทางนิเวศในดิน[102][242][245]

ชีวธรณีเคมีและสภาพภูมิอากาศ

นักนิเวศวิทยาจะศึกษาและวัดงบประมาณสารอาหารที่จะเข้าใจว่าวัสดุเหล่านี้ถูกควบคุม มีการไหล และถูกรีไซเคิลผ่านสภาพแวดล้อมได้อย่างไร[144][145][204] งานวิจัยนี้ได้นำไปสู่ความเข้าใจที่ว่ามีข้อเสนอแนะทั่วโลกระหว่างระบบนิเวศต่างๆและพารามิเตอร์ทั้งหลายทางกายภาพของ ดาวเคราะห์ดวงนี้ รวมทั้งแร่ธาตุ ดิน ค่า pH ไอออน น้ำและก๊าซในชั้นบรรยากาศ หกองค์ประกอบที่สำคัญ (ไฮโดรเจน คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน กำมะถัน และฟอสฟอรัส; H, C, N, O, S และ P) ก่อรูปเป็นเสาหลักของไมโครโมเลกุลทางชีวภาพทั้งหมดและป้อนเข้าสู่กระบวนการทางธรณีเคมีของโลก จากขนาดของชีววิทยาที่เล็กที่สุด ผลที่เกิดขึ้นโดยรวมของพันล้านของพันล้านของกระบวนการทางนิเวศวิทยาได้ทำการขยายและควบคุมอย่างหนักในวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีของโลก การเข้าใจเกี่ยวกับความสัมพันธ์และวัฏจักรที่เป็นสื่อกลางระหว่างองค์ประกอบทั้งหลายเหล่านี้กับทางเดินของระบบนิเวศของพวกมันมีผลอย่างมีนัยสำคัญต่อการทำความเข้าใจชีวธรณีเคมีทั่วโลก[246]นิเวศวิทยาของงบประมาณคาร์บอนทั่วโลกเป็นตัวอย่างหนึ่งของการเชื่อมโยงระหว่างความหลากหลายทางชีวภาพและชีวธรณีเคมี คาดว่ามหาสมุทรของโลกเก็บปริมาณคาร์บอนไว้ 40,000 gigatonnes (Gt) พืชและดินเก็บ 2070 Gt และคาดว่าการปล่อยคาร์บอนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็น 6.3 Gt ต่อปี[247] ได้มีการปรับโครงสร้างที่สำคัญในงบประมาณคาร์บอนทั่วโลกเหล่านี้ในช่วงประวัติความเป็นมาของโลก มีการควบคุมในระดับสูงมากโดยนิเวศวิทยาของพื้นดิน ตัวอย่างเช่นตลอดช่วงครึ่งแรกของช่วงเวลา Eocene volcanic outgassing ออกซิเดชันของก๊าซมีเทนที่เก็บไว้ในพื้นที่ชุ่มน้ำและก๊าซอื่นที่ก้นทะเลได้เพิ่มความเข้มข้นของ CO2 (คาร์บอนไดออกไซด์) ในชั้นบรรยากาศขึ้นอยู่ในระดับสูงถึง 3,500 พีพีเอ็ม[248]

ในช่วง Oligocene (25-32 ล้านปีที่ผ่านมา) มีการปรับโครงสร้างที่สำคัญอีกครั้งหนึ่งของวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกเมื่อหญ้าได้พัฒนากลไกใหม่ของการสังเคราะห์แสงนั่นคือการ สังเคราะห์ C4 carbon fixation(C4) และได้ขยายช่วงสังเคราะห์ของพวกมันออกไป ทางเดินใหม่นี้ได้พัฒนาในการตอบสนองต่อการลดลงของความเข้มข้นของ CO2 ในชั้นบรรยากาศที่ระดับต่ำกว่า 550 พีพีเอ็ม[249] ความชุกชุมและการกระจายสัมพันธ์ของความหลากหลายทางชีวภาพมีการเปลี่ยนแปลงพลวัตระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมของพวกมันเช่นระบบนิเวศที่สามารถเป็นได้ทั้งสาเหตุและผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การปรับเปลี่ยนที่ขับเคลื่อนโดยมนุษย์ที่ทำกับระบบนิเวศของโลก (เช่นการปั่นป่วน การสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ เกษตรกรรม) ก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของระดับก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกในศตวรรษต่อไปคาดว่าจะเพิ่มอุณหภูมิของดาวเคราะห์ที่นำไปสู่ความผันผวนอย่างสุดขั้วในสภาพอากาศ เปลี่ยนแปลงการกระจายสายพันธุ์ และเพิ่มอัตราการสูญพันธุ์ ผลกระทบของภาวะโลกร้อนได้ถูกลงทะเบียนอยู่แล้วในธารน้ำแข็งที่กำลังละลาย น้ำแข็งบนยอดภูเขาที่กำลังละลาย และการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเล จากผลกระทบนั้นการกระจายสายพันธุ์กำลังมีการเปลี่ยนแปลงไปตามริมฝั่งน้ำและในพื้นที่ในทวีปบริเวณที่รูปแบบการอพยพและพื้นที่เพาะพันธุ์จะติดตามการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในสภาพภูมิอากาศ ชั้นดินเยือกแข็งคงตัว (อังกฤษ: permafrost) ขนาดใหญ่ก็กำลังละลายเช่นกันเพื่อสร้างตารางหมากรุกใหม่ของพื้นที่น้ำท่วมที่มีอัตราการเพิ่มขึ้นของกิจกรรมการสลายตัวของดินเพิ่มการปล่อยก๊าซมีเทน (CH4) มีความกังวลเกี่ยวกับการเพิ่มขึ้นของก๊าซมีเทนในชั้นบรรยากาศในบริบทของวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกเพราะก๊าซมีเทนเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีประสิทธิภาพในการดูดซับรังสีคลื่นยาวมากกว่า CO2 ถึง 23 เท่าในช่วงเวลา 100 ปี[250] ดังนั้น ภาวะโลกร้อนจึงมีความสัมพันธ์กับการสลายตัวและการหายใจในดินและพื้นที่ชุ่มน้ำที่ผลิตการฟีดแบ็คด้านสภาพภูมิอากาศอย่างมีนัยสำคัญและได้เปลี่ยนแปลงวัฏจักรชีวธรณีเคมีทั่วโลก[140][251][252][253][254][255]