中，生物生命活动所必需的化学物质移动的规律，又称化学物质循环（chemical cycles）。生命活动需要各种必要的营养元素和它们贮存的化学能。美国哈钦森（G.E.Hutchinson，）1944年提出“生物地化循环”（biogeochemical cycles）的概念，是指化学物质在生物和地球上的地壳、水体和空气之间转移、交换和循环的全过程。美国奥德姆（E.P.Odum）于1971年指出：化学元素包括原生质所必需的元素，以特别的方式从环境进入生物体，又从生物体返回环境，在生物圈中不断循环。这些元素和无机化合物的移动，是生命活动不可或缺的，故又称“营养物质循环”（nutrient cycles）。自然界已知的元素中，有30～40种是生物生命活动必需的，有的需要量大，如碳、氢、氧、氮、磷，占有机物干重含量1%以上，其次是硫、氯、钾、钠、钙、镁、铁等，含量在0.2～1%左右。还有一些不可缺少的微量元素，如铝、硼、溴、铬、钴、氟、碘、锰、钼、硒、锶、锡、钛、钒、锌等。从某种意义上说，这些非生物因素控制着生物的生命活动，而生物又通过许多途径，使这些物质的理化性质发生改变，并最终返回到环境中去。在每类物质循环过程中，可出现两类不同的库（pool）：①贮存库（reservoir pool）。如岩层中的碳，海底动植物尸体所沉积的碳，地壳内经碳化作用所形成的矿物燃料等，储量很大而活动极缓慢，系碳元素贮存库；②交换库（exchange pool）。如大气和水体中的碳，可与生物迅速交换，容量较小而活跃。

图1 水循环

图2 碳循环

所有物质循环可区分为3种类型：①水循环（water cycles），在大气、海洋和陆地组成的系统中，太阳辐射推动着水循环运动。据史密斯（Smith，1974）推算，假定降落到地球上的总降水量为100单位，其中降到海洋约77单位，降到陆地约23单位。降水来源于海洋蒸发占84单位，来源于陆地蒸发只占16单位。陆地的径流可将多余的水流回海洋（图1）。②气体循环（gaseous cycles），如碳循环、氮循环、氧循环等都属气体型循环。碳是一切有机物的基本成分，光合作用所固定的能量，都与碳结合在一起，植物的碳都来自空气中或溶于水中的CO₂，植食动物和肉食动物则靠取食获得碳元素化合物，生物的呼吸作用可释回一部分碳，另一部分碳构成动物的内外骨骼、动物排泄物和动植物尸体中的碳，由分解者分解后又释回到环境中（图2），③沉积型循环（sedimentary cycles），如磷循环是典型的沉积型循环。磷可随水循环由陆地进入海洋，大气中通常不含磷，且不易从海洋返回陆地。磷主要来源于岩石和天然的磷酯块沉积。在陆地，有机磷被细菌还原为无机磷，部分由植物吸收而再循环（图3）。

在生态系统的各营养层次生物与环境的联系中，都存在物质循环过程。例如，生物个体摄食时所获的营养物质，经过消化吸收后，大部用于建造机体或维持机体的功能，一部分经过新陈代谢而排出体外，另一部分提供捕食者生物的需要，最后随着个体的死亡而返回环境。种群可利用从外界输入的物质，供给种群生长的需要，经过同化作用和代谢作用，物质仍可输出或最终返回环境。在生态系统中，物质循环现象更为明显。植物在光能作用下，从空气中摄入CO₂。从土壤摄入水和无机物，制造成复杂的有机化合物，提供植物生命活动的需要，一部分供植食性动物（包括昆虫）取食，枯枝落叶和残体经分解后又返回环境。植食性动物经过摄食植物，获得营养物质，大部分用于建造机体和生命活动的需要，一部分供肉食动物取食，其尸体或排出物经分解后又返回环境。肉食动物的摄食、同化、异化过程，与植食动物相类似，其排除物和尸体最终以无机物和简单化合物的形式，返回环境之中（图4）。

图3 磷循环

图4 生态系统中化学物质的循环

生态系统中的物质循环受人为干扰较大，如过度砍伐森林，破坏生态系统的收支平衡，引起水土流失，加速营养物质流失速率。草原过度放牧，引起草原沙漠化。农田过多施用化肥，引起水域污染和富营养化而降低水质和水产。过量施用化学杀虫剂，引起环境污染和食物链中积累性毒害。因此研究物质循环的过程和规律，是改善生态系统物质收支状况的基本途径。