3 城鄉生態系統
第三章 農業和城市作為生態系統
生態系統的思想是生態學的基礎。這是一個可以在整個範圍內應用的概念。例如，一個小池塘可以被視為一個生態系統，一片森林，一片腐爛的木乃至整個地球都可以被視為生態系統。實際上，生態學家可以圍繞任何包含活生物體的東西劃一條界線，並將其稱為生態系統。
生態系統的概念
是什麼使生態系統的概念與眾不同？生態系統的最重要特徵是它既包含生命的組成部分，又包含非生命的組成部分，對生態系統的研究涉及發現這兩個組件之間如何相互作用。生態系統中的植物通過光合作用從陽光中捕獲能量。它還從大氣中吸收氣體中的二氧化碳，並利用陽光中的能量將碳原子構建成更複雜且能量更豐富的信號。它從土壤中吸收其他元素，包括氮，磷，鈣和鉀，並將其用於構建其他化合物（例如蛋白質和核酸）。當植物死亡時，其組織可以被細菌和真菌用作能量來源，能量最終會隨著熱量散失到周圍環境中（請參見側欄“測量能量”在第60頁）。內置於植物組織中的元素也將以非生物形式釋放，但是當能量只是簡單地散佈到周圍環境中時，這些元素將保留在系統中並可以回收利用。因此，植物通過與該環境交換能量和化學元素而與其非生物環境相互作用。
生態系統中的動物還需要能量和化學元素才能生長和繁殖。動物無法從陽光中吸收能量，也無法吸收二氧化碳並將其轉化為糖，因此它們只能依靠植物來完成這項工作。草食性動物消耗了完成所有這些工作的植物，並直接使用其材料和能量。當它們在腸道中消化時，它們可能會吸收植物中的整個分子，吸收氨基酸（可以製成蛋白質）和碳水化合物（可以存儲為人體脂肪或在呼吸時用於產生能量）。呼吸將二氧化碳釋放回大氣中，再次可用於植物的光合作用。但是一些物質穿過動物的消化和吸收不完全的腸道，並作為糞便排入生態系統。有許多小型生物，主要是無脊椎動物，它們以碎屑為食，與細菌和真菌共同生活，它們能夠利用這些沉積物中的能量或最終落入動物體內的屍體謀生。地球。這些是破壞因素和分解因素，可確保不會浪費任何能源豐富的材料。當它們分解有機分子並釋放能量時，它們還會釋放出可以再次在生態系統中循環的無機成分（鈣，鉀，磷等）。掠食性動物和寄生蟲沿著食物鏈僅一步之遙。他們也從植物間接獲得能量，但是能量首先經過了獵物或宿主生物的體內。所有這些最終滿足了分解器的需求。
因此，將所有生命有機體與生態系統的非生命組成部分聯繫起來的兩個過程是能量流和養分循環。正是這兩個普遍過程（發生在草叢，珊瑚礁，熱帶森林或水族館中，僅舉幾個例子）使生態系統的概念變得如此獨特和實用。它們為生態學家提供了一種以相同的基本方式研究任何這些系統的方法，並且可以提供有關生態系統工作方式的極其有用的信息。如果我們對生態系統中的養分循環模式和能量流動路徑有充分的了解，那麼我們可以更有效地了解生態系統的功能。這些知識使我們能夠操縱生態系統，並以適合我們特定要求的方式對其進行管理。在人類對生態系統運作至關重要的農場和城市中，這種控制尤為重要，但在自然生態系統中也很有價值，在自然生態系統中，我們不妨設法增強生物多樣性或保護特定物種。
圖3-1 穿過農場的能量流向。陽光被農作物和牧草吸收，但也被雜草吸收。昆蟲害蟲消耗一些作物產量，而且比其他的食草動物家畜採取一些生產力的，但有些能量發現它的方式進入人類食物鏈。
生態系統之間的交流
生態系統總體上是相互影響的，農業和城市生態系統也不例外。不能將任何生態系統與其他生態系統完全隔離，因為任何生態系統與其鄰居之間肯定都會進行某種能量和物質交換。換句話說，所有生態系統都進口和出口能源和化學元素。在某些生態系統中，尤其是農場和城市，這些進出口對其總體功能極為重要，因此有必要考慮投入和產出的所有發生方式。
通過示例可以最好地理解對生態系統的投入和產出的想法。採取一個定義明確且簡單的生態系統，例如池塘。這個生態系統（不同於草叢）具有相當明顯的邊界，即水的邊緣。在生態系統內，正在發生一系列的能量和養分運動。雜草和綠藻是主要的主要生產者，它們固定了諸如蝸牛，水草和微觀放牧動物等消耗的能量。食草動物被各種掠食性物種所消耗，從蜻蜓的幼蟲到魚類，這些食性鳥類又可能被鳥食，例如老傻瓜和。所有這些大便在池塘中排泄並死亡，因此它們的化學元素得以回收，能量被消耗掉。但這還不是全部。可能會有一條小溪進入池塘，這種流入將把來自不同生態系統的元素（甚至動物）帶到上游。也許還有另一條溪流離開池塘，帶走了生態系統的某些產品。樹木可能會懸在池塘上方，秋天時它們會將富含能量的葉子掉入其水域，從而為一系列碎屑飼養者和分解者提供了額外的能量和營養資源。如果池塘靠近有放牧動物的農場，那麼這些動物可能會下來喝水，並留下過多的養分，如果它們將糞便存入水中。糞便中會包含來自牧場放牧的能量和化學元素，現在已經添加到池塘的營養資本中。同樣，蒼鷺可能會造訪池塘，蒼鷺會捕撈魚類並回到附近樹林中的巢穴，在那裡餵食幼仔，同時從池塘生態系統中去除了能量和養分。
這個例子表明，能源和物質進出生態系統可能非常重要，對生態系統的任何研究都應包括一個“預算”，其中要考慮到生態系統所經歷的進出口。如果可以按類別列出投入和產出的所有不同產生方式，則構造這樣的預算（對於城市和農場而言尤為重要）將變得更加簡單。基本上，它們分為三大類：氣象，生物和地質。
氣象得失
大氣的運動以及雨雪的沉澱會把新物質帶入生態系統或侵蝕已經存在的物質。即使在乾淨，純淨的空氣中，降雨本身也含有許多溶解物質。雨雪的化學成分的測量是從許多不同的地點進行的，影響存在的化學物質數量的主要因素之一是與海洋的距離。內陸地區，例如北美東部的阿巴拉契山脈，其化學元素的數量少於沿海地區，例如紐約長島。下圖說明了降雨中年沈積量的差異：
元素 阿巴拉契山脈 紐約長島
鈣 2.6公斤/公頃 9.8公斤/公頃
鉀 1.4千克/公頃 7.3千克/公頃
鎂 0.7千克/公頃 19.1千克/公頃
鈉 1.5千克/公頃 141.5千克/公頃
海洋的臨近導致雨水中的大多數元素特別是鈉和鎂含量更高。植物不需要鈉，但是動物在神經功能中使用鈉。因此，來自海洋的氯化鈉（鹽）對農民種植農作物的危害更大，而不是有幫助，但對牧民很有用。鎂是葉綠素的重要成分，葉綠素是在光合作用中捕獲太陽能的色素，因此它是植物的必需元素，而從海上供應通常是有利的特徵。
但是海洋並不是大氣中可以被降雨沖走的唯一物質來源。來自侵蝕土壤和肥料的塵埃顆粒散佈在農作物上，可以隨風攜帶，並通過雨滴降落。當大氣中形成雨滴時，水蒸氣會凝結在空氣中懸浮的小顆粒（稱為核）上，並將其運送到地面。當它們下降時，液滴也會吸引並附著在其他顆粒上。據說它們在流向地面的過程中是“覓食”的灰塵。因此，降雨後大氣會變得更加清潔，另外的化學物質會到達降雨所在的生態系統。以這種方式可以將粒子攜帶很遠的距離。例如，來自非洲撒哈拉沙漠的灰塵在強氣流的作用下可以到達南美和北歐。以這種方式攜帶的細砂主要是二氧化矽，它不具有化學反應性，但是侵蝕的農業土壤和肥料的運輸會對遙遠的生態系統產生重大影響。諸如硫和氮的氧化物之類的反應性氣體的工業輸出會酸化大氣層和降雨，並對其他生態系統產生廣泛影響（請參閱“城市中的其他循環”，第94-98頁）。這是城市生態系統出口的一個例子。
生物得失
許多動物賴以生存的不僅是一個生態系統。他們可能會在一生的生態系統中度過自己的一部分或一天中的一部分時間，而在另一生態系統中則將餘下的時間度過。先前描述的蒼鷺可能會在池塘中捕撈魚，在潮濕的草地上捕獵青蛙，並在林地裡築巢。在非洲，河馬在晚上在河岸上吃草，然後在水中度過一天，在那裡，由於對陸地植物的不完全消化而產生的廢物被沉積在水中。社交鳥（例如八哥）會在草地和草坪上覓食，然後在建築物或林地裡棲息。因此，移動動物可能會將物質和能量從一種生態系統轉移到另一種生態系統。儘管植物通常不是很容易移動，但其中某些部分可能會移動。秋天的落葉，春天釋放的花粉，隨風飄蕩或被動物攜帶的果實，都可以從一種生態系統過渡到另一種生態系統。
人類可能是有意和無意將物質和整個有機體從一種生態系統轉移到另一種生態系統的最有效的手段。我們先種植農作物然後收割，經常將能量和物質的收成從農場運到城市。我們生產化肥和殺蟲劑，並將其傳播到非自然產生的地方，其中許多可能會超出他們打算存放的耕地生態系統的範圍。在許多類型的生態系統中，尤其是在熱帶草原上，我們著火燒毀了植被，從而加速了養分運動的過程，並產生了在生態系統之間運送物質的煙灰。（我們將在本章後面更詳細地介紹其中的一些過程。）顯然，人類是生態系統得益於生物的得失的主要來源。
地質得失
第2章介紹了岩石自身分解釋放其組成部分的方式，該過程稱為風化。從營養物輸入的角度來看，該過程的重要性也隨岩石的化學性質及其所含元素的豐富程度而變化。它還取決於風化的速度，風化的速度從一種岩石類型到另一種岩石類型都不同，這取決於岩石的耐用性以及它們對不斷破壞它們的破壞性物理和化學力的抵抗力。很難通過氣候來衡量元素進入生態系統的比率，許多生態系統研究必須與這種材料輸入的粗略估算相一致。
元素的其他主要地質輸入（有時是能量豐富的材料）是通過水流。如果某個生態系統（例如沼澤或池塘）有水流進入，則可能是這種營養流入的主要來源。一個源的重要性將取決於河流所流域的分水嶺的大小。如果集水量很大，則有更大的機會將元素從廣闊的區域中溶解出來並帶入可接受的生態系統。流動的水越多，可能引入的營養就越多。流域的地理學性質和人類土地用途也將很重要，因為這些因素將影響排放到生態系統中的水的質量。如果森林被砍伐，土壤被侵蝕或肥料被傳播，那麼養分就可能被沖刷下來並進入新的生態系統。
一條小溪也可能離開生態系統，並帶有任何未被居住在那裡的生物體吸收的多餘元素。這種外流代表了要素的出口，而這種損失的來源對農民來說尤其重要，因為他們希望將耕作作物中養分的損失降至最低。例如，肥料的損失對農民而言在經濟上是浪費的，並且還可能導致營養物質過多地流入下游生態系統，例如河流和湖泊，這些營養物質實際上被有害元素所污染。這種營養物質的轉運會造成不必要的施肥，稱為富營養化。在處理廢物時，城市生態系統也可能面臨類似的問題。
因此，生態系統概念是靈活的。它可以廣泛地應用，並且很容易應用於人類構建的人工生態系統，即城市和農場。就像自然生態系統一樣，城市和農場也具有能量流和養分循環的內部過程。他們還從周圍環境進口和出口材料和能源，並經常相互交換材料和能源。通過詳細研究這些過程，我們可以看到我們的城市和農場如何發揮生態系統的作用。
農場的能量流
從生態系統的角度來看，農業的主要目標是將植物捕獲的能量轉化為人類消費。在自然生態系統中，固定在光合作用（初級生產）中的能量通常會通過多種可能的路徑傳遞，通常會相互鏈接以產生食物網。由於其許多鏈接和交叉點，因此被稱為網絡。例如，草blade可能被蚱hopper吃掉了，然後被伯勞鳥吃掉了，然後可能死了，並被f子捕食的蒼蠅侵襲，等等。複雜性幾乎是無限的。例如，伯勞鳥可能會吃掉一隻從死鷹那裡繁殖而來的蒼蠅的蜥蜴。這就是為什麼將自然生態系統中的關係稱為食物網而不是食物鏈的原因。食物鍊是一個簡單的線性序列，其中每個步驟都是可以預測的，這在自然界中是非常不尋常的。
但是，在農業中，確保生態系統中已產生的最大能量達到人類消費的最佳方法是將食物網簡化為短的線性食物鏈。最短和最簡單的食物鍊是植物→人類。如果我們種植例如生菜並直接食用，那麼我們就是在充當放牧者（最好是唯一的放牧者），並且消除了所有中間步驟。一條短的食物鏈在經濟上很重要，因為在能量從一種生物體傳遞到另一種生物體的每個階段（例如，當我們將植物或動物消耗，消化和吸收到我們自己的體內時），都會產生非常高的浪費。這種轉移的效率到底有多低會因不同的交換機構和生物而異，但通常，每次轉移都會損失約90％的可用能量。因此，當我們食用生菜時，我們只能成功地從該來源獲得大約10％的可用能量。
如果我們使用更長的食物鏈，則會進一步降低能量收集的效率。牧草食物鏈，例如草→牛→人，僅涉及另外一個環節，但是獲得的能量僅是可利用的牛能量的10％，僅是草能量的10％。因此，我們僅收穫了原始草能量的1％。這是素食飲食具有一定吸引力的原因之一。它在能量上更加高效。因此，短鏈在能量上比長鏈更可取。我們會發現，以狼或老虎為食的食品行業非常困難，因為它們是頂級掠食者，在它們的鏈下有許多能量交換環節。（然而，這恰恰是我們在海洋漁業中所做的。鱈魚和鯡魚等魚類是海洋生態系統中的主要捕食者，因此我們以精力充沛的方式效率極低的方式捕撈海洋，這很可能可以解釋為什麼全世界的海洋漁業有過度利用魚類資源的危險。）通過使我們的農業食物鏈簡短而簡單，我們正在盡可能有效地利用生態系統。
將食物網簡化成短線性鏈的不可避免的副作用是，我們參與了所有生物的消滅工作，這些生物通常會使能量擴散的方式複雜化。顯然，我們不鼓勵那些在食物鏈中佔據自己位置的生物。如果人類要收割，就必須消除消耗我們正在生長的穀物的鳥，以作物為食的蝗蟲，以及容易捕食我們的家畜的狼（以及可能被視為競爭者的所有其他生物）。我們希望消耗的能源的最大能量。還有一些生物不直接與我們競爭，而是與我們馴化的動植物競爭。我們通常所說的“雜草”是在不希望它們生長的地方生長的植物。這些植物害蟲通常是與我們的馴化植物爭奪光，水和礦物質資源的物種，因此會降低其生長和生產力。我們的意圖是，所有可用資源都應進入我們的食物鏈，而不應轉移到其他途徑，因此我們必須擺脫所有尋求相同資源的生物。同樣，在我們的農作物或草料上覓食的動物（它們為我們的綿羊和牛飼草）以能量流動的方式代表了側枝，因此不建議使用。當兔子通過放牧家畜而消耗了我們原本打算供人類食用的牧場和草地上的能量時，它們便會成為我們的敵人並面對我們的敵對反應。
當農民建立短食物鏈並試圖消除所有側鏈時，他們不可避免地會創建非常簡單的生態系統。特別是，他們故意將生物多樣性降至最低。隨著我們成為“更好”的農民（即在簡化生態系統和將能源轉化為人類消費方面更加有效），我們在減少農田生物多樣性方面也變得更加有效。從長遠來看，這種效率是否真正有益，是第4章進一步考慮的問題。
能源補貼
太陽為大多數生態系統提供了動力。行星的幾乎所有的生產力都是基於太陽光能量的固定。這些例外在生物學上很有趣，但僅在局部重要，例如，深海噴口中的以甲烷為能源的微生物，以及從該元素的氧化中獲取能量的鐵細菌。就農業生態系統而言，所有食物鏈的基本功能都基於陽光的能量。但是，我們還需要考慮另一件事，即為了從生態系統中獲取能量而必須投資的能源量。
當涉及為實現能量獲取而投資多少能量的問題時，我們人類並不孤單。考慮一隻蜜蜂在花間旅行並收集花蜜和花粉。它在活動中消耗了大量的能量，但同時也在收集的食物中獲得了能量豐富的獎勵。如果蜜蜂要生存任何時間，必須確保蜜蜂收集的能量等於或超過覓食過程中消耗的能量。蜂鳥也是如此。他們在覓食上消耗大量能量，只有獲得豐厚的回報才值得。結果，北美的大多數蜂鳥物種都需要遷移，以便始終確保它們有豐富的富含花蜜的花朵。我們可以應用於蜜蜂和蜂鳥的成本效益分析的類型適用於所有動物，從earth到麋鹿，從土撥鼠到人類。
我們的原始祖先是獵人和採集者。只有他們的狩獵技術和所依靠的資源足以維持其人口的生存，他們才能生存。如果不是這樣，那麼人們就會喪生，人口下降，直到達到可持續的水平。農業的發展確實源於這樣的想法，即如果植物在一個地方生長在一起並易於收穫，就可以減少在採集和狩獵上投入的能量，並且可以放牧被捕食的動物，從而使在狩獵上花費的能量可以保存。食用植物的單一栽培和對捕食性動物的管理導致通常用於狩獵和採集的能源大量減少，並使人口增加。從那時起，最大的擔憂就是提高家養動植物的生產力。通過巧妙地馴化，人類學會了利用家畜的能量來幫助種植家養植物。馬和牛等強壯的野獸可以在準備耕種土地和收穫過程中用作能源。馬和狗也可以用於狩獵，從而提高了每單位人類能源投資的產量。所涉及的成本是提供有幫助的動物額外的能量需求的責任，這需要餵養。
在過去的幾個世紀中，技術和工業的發展極大地促進了對更高生產率的追求。其中之一是生產肥料的方法的發展，另一個是內燃機的發明。人工肥料可改善農作物的生長和生產力。除可消除雜草，真菌和有害昆蟲的殺蟲劑外，化肥還大大提高了農作物的產量。
就機械而言，機械已經徹底改變了農業。像人和馬一樣，機械需要能量，但所需的能量卻不同於生物。人們不必共享馬力所需的土地產品（穀物和乾草），而是可以“餵食”機器化石燃料，這似乎是無限的資源。通過光合作用而固定並在數百萬年前作為煤和石油沉積的能量可以通過燃燒釋放，並且釋放出的部分能量可以用於做功。耕作，噴灑殺蟲劑和除草劑，施肥，修建灌溉渠和收割莊稼，都通過使用機械來簡化，這涉及消耗化石燃料能源。儘管通過這些方式減少了以肌肉活動形式的人體能量輸入，但仍在消耗另一種類型的能量。同樣主要來自工業過程的肥料和農藥也需要進一步的能源投資。這些支出被稱為農業中的化石燃料“能源補貼”。
化石燃料的能量被用來在農場上工作，利用農業機械。但是現代農業還需要肥料來改善農作物的生長和生產力，並需要農藥來消除雜草，真菌和有害昆蟲。目前在我們的田間傳播的化肥和農藥主要來自工業過程，它們需要進一步的能源投資。
使用生態系統方法研究農業時，化石燃料能源補貼必須包括在系統的總預算中。作為一個非常簡單的例子，我們可以研究加利福尼亞的草坪，該草坪可以進行娛樂。每年，草坪上的草的主要生產力為每平方碼3,762千卡（4,500 kcal / m2）。樹葉也從周圍的樹木吹到草坪上，這些被所有者砍掉。它們包括每平方碼另外2,090千卡（2,500 kcal / m2）的能源進口。割草實際上消除了初級生產力的比例，即每平方碼約418千卡（500 kcal / m2）。因此，人類活動（傾斜的樹葉加上割草）從生態系統中去除的能源總量為每年每平方碼2,508千卡（3,000 kcal / m2）。但是，收集這種產品所需的大部分能量是由汽油驅動的割草機提供的，在此過程中，化石燃料每年消耗的能源為1,672千卡/平方碼（2,000
kcal / m2）。顯然，在這個簡單的例子中，由草坪管理產生的葉子和草叢沒有商業用途或價值。但是，從生態系統中提取的能量與收集過程中所消耗的能量的比較表明，2,508千噸的產品消耗了1,672千卡的能源投資。換句話說，每投入一單位，我們就能從系統中獲得1.5單位的能量。因此，從能量平衡的角度來看，這是一個令人滿意的系統，我們可以得到比投入更多的收益。如果我們將其視為能量收集系統，那麼我們獲得的收益將超過支出。
我們可以對農作物進行同樣的分析，以確定產品中化石燃料的能源補貼是否得到了充分的補償。例如，要生產10噸馬鈴薯，我們需要花費約5,000卡路里的肥料生產，噴灑，灌溉，收穫和運輸等形式。在這10噸中，大約需要10％作為下一年的種薯再種。另外，大約有10％的蟲害或在機械收割過程中變質了。到從農場到零售店的運輸中消耗更多的能量，而洗滌，包裝和去皮導致更多的浪費時，產品的總能量將達到約6,200千卡。這意味著，我們以化石燃料補貼的形式對作物進行投資的每單位能量，將以食品的形式獲得1.15單位的能量。換句話說，就能源而言，我們即將達到收支平衡。從另一角度來看，馬鈴薯確實是我們用來將化石燃料能源轉化為食物的機器。
實際上，從能源補貼的角度來看，馬鈴薯是我們更有效的食物來源之一。許多其他農作物需要更多的關注，例如灌溉，噴灑農藥，施肥等。另外，馬鈴薯將相當多的整體能量投入到我們食用的埋藏莖塊莖中。許多農作物只能以適合人類消費的形式提供總生產力的一小部分。各種動物產品都需要按比例分配更多的能源補貼，因為從食物鏈的另一端獲取能源涉及能源效率低下。以下是不同類型食物的一系列能量輸出與輸入的商。
咖啡：0.006
番茄：0.02
魚 ：0.03
水果：0.05
雞肉：0.14
雞蛋：0.16
羊肉：0.17
牛奶：0.3
土豆：1.15
小麥2.2
玉米（穀物）：2.8
玉米（動物飼料）：8.9
就玉米（玉米）而言，我們擁有非常高效的作物，但如果僅使用水果（穀物或玉米棒上的玉米），則會浪費大量作物。如果還使用植物的營養部分，例如以牛為食，那麼每單位投入的化石燃料的效率顯然會大大提高。隨著化石燃料在全世界範圍內的下降和日益昂貴，我們必須朝著能源消耗較少的農業形式和方法邁進，這將使我們能夠收穫盡可能多的農產品。
上個世紀，機械化農業得到了極大的發展，化石燃料補貼的使用也在增加。在同一時期，由於這項能源補貼，實際的能源提取效率普遍下降。例如，在美國，隨著農業變得越來越依賴於機器，整個農業系統的能量輸出與輸入的商數穩步下降。
美國（1900年）：1.0
美國（1900年）：0.2
美國（1900年）：0.1
機械化程度較低的農業生產系統的投入產出比形成了鮮明的對比。
尼日利亞（使用高粱栽培的牛）：0.9
印度（使用牛的小麥）：1.0
菲律賓（使用水牛的大米）：3.3
墨西哥（使用牛的玉米）：3.4
非洲獵人/採集者文化：5至10
蘇丹（使用人工勞動的高粱）：14.1
波利尼西亞（耕種和採集）：20.0
剛果（使用人工的木薯）：37.5
從這些數字可以明顯看出，使用人工勞動進行農作物生產會使單位消耗的能量輸出增加。一旦將動物用作工作助手，由於需要為動物提供其能量需求，因此產出與投入的比率就會下降。但這並不意味著系統效率較低。每單位土地面積的生產力總量也是一個重要的考慮因素，甚至可能比能源平衡更為重要，而這通過僱用畜力勞動得以提高。同樣，由於對化石燃料的能源補貼，我們當前的糧食生產水平得到了提高，因此能源產出與投入商並不是衡量農業效率的唯一方法，甚至不是最有效的方法。在農民看來，生產力和經濟回報更為重要。只有當能源補貼的成本導致產出不經濟時，農民才必須轉向新方法或新能源。農業中金融和經濟學的重要性意味著，如果我們希望了解如何最好地管理農業，就不能僅僅從生態系統的角度來看待農業。
收穫能量
農業的主要目標是從農業生態系統中獲取能量。這種能量通常以人類食用的食物形式存在，例如穀物，塊根作物，肉和牛奶，但也可以生產其他產品，例如用於建築或燃燒的皮革和木材的動物皮。無論哪種作物，都從生態系統中獲取能量，因為所有這些產品都包含能量。然後，我們需要詢問我們的提取是否可能從系統中吸收過多的能量並導致其耗盡。答案必須考慮到兩個重要事實：第一，以初級生產形式不斷提供新能源，不受太陽光的影響。其次，在生態系統，生物量（生物體內儲存的能量）和土壤有機質中有能量的存儲或存儲。能量正在損失，這是因為所有活生物體都在呼吸和消耗能量，還因為我們在收成中將其中一些能量帶走了。我們可以將農業生態系統想像成一桶水，水龍頭滴在水的頂部。當桶裝滿水時，我們可以立即將其全部清空，這相當於在一年中的某個時間點進行一次收穫。但是，如果我們想全年收割常規作物（例如在牧場上放牧時），那麼我們的用法就像桶底漏水一樣。如果洩漏的速度快於水龍頭的供水速度，則水桶中的水位將下降，直到最終將其排空。但是，如果我們控制洩漏，使水的流失速率與上方的新供水量相等，那麼水位將保持不變，並且我們有一個穩定的平衡系統。
理想情況下，應以使消耗速率與生態系統中的生產率相匹配（相當於使洩漏速度與滴水龍頭速度相匹配）為目標。如果我們取出能量的速度快於引入能量的速度，那麼水庫（在這種情況下，牧場中草的生物量）將逐漸減少。這被稱為過度放牧，最終將導致草的全部破壞，僅剩下光禿的土壤。過度放牧是一個特別的問題，牧場的原始生物量和生產力較低，例如在沙漠周圍的干旱地區。另一方面，如果放牧動物的密度過低，則情況類似於桶中的洩漏緩慢，從而使水位上升。換句話說，由於不消耗新的生產投入，草的生物量將增加。從農民的角度來看，這是一種資源的浪費，因為可以收穫更大的農作物（以肉或牛奶的形式）而不會破壞生態系統。
在任何一種情況下，控制能量消耗的簡單方法是修改在牧場中飼養的動物的密度。每英畝的綿羊或牛越多，消耗的能源就越多。因此，農民可以通過調整種群密度來操縱通過農業生態系統的能量流，並確保在不導致生態系統喪失功能的情況下最大限度地提高收成。這就是可持續收穫的意義，這是所有明智農民的目標。
圖3-2 收割穀物。農場種植的植物所儲存的能量儲存在種子中，通常在城市中供人類使用。但是，在收穫期間必須以機械燃料的形式消耗能源。
農田養分循環
當能量流過生態系統時，構成生態系統實質部分的元素主要在其中循環。另外，正如我們所看到的，所有生態系統在生態系統之間移動時，都會具有元素的輸入和輸出。就農業生態系統而言，這些投入和產出尤為重要，因為它們在很大程度上由農民控制，農民必須確保生態系統的整體預算平衡。就像在能源預算中一樣，“滴水龍頭和漏水桶模型”同樣適用，而且不平衡會導致整個系統變得不穩定甚至崩潰。
穩定性是生態學中的一個重要概念，尤其是在農業中。測量穩定性或定義穩定性並不容易，但是穩定性的一方面是，穩定的物體不容易移動。穩定的生態系統是不容易以任何方式破壞或改變的生態系統。它具有慣性特性。自然生態系統可以說明這一特性，例如美國東北的落葉林。這些森林相對承受施加在其上的所有壓力，因此需要付出很大的努力才能將其轉變為不同類型的生態系統（例如草地）。養分循環的模式在建立這種穩定性中起著重要的作用，主要是因為植物生物量和土壤中養分的儲備很大。以鈣元素為例。每0.4公頃的森林樹木中含有80公斤的鈣，還有145公斤的鈣可用於土壤中的植物。排水中同一區域的鈣損失僅約4公斤，而岩石的風化和少量降雨則彌補了這一損失。如果我們將每年的鈣流量表示為總鈣含量的百分比，那麼它不到2％。因此，每年進出生態系統的鈣總庫中只有很小一部分。這是系統穩定性的度量。
它的工作原理就像一家銀行。如果銀行擁有大量的貨幣資產，那麼您對將其（相對較小的）資本投入銀行業務會更有信心。儘管與流入和流出相比，銀行擁有大量資產，但您可以確信它是穩定的，而且您的資金是安全的。生態系統也是如此；相對於流通量而言，資本金較高的一種較為穩定。
在農業生態系統中，情況往往恰恰相反。一年生作物（例如小麥）的生物量每年都會變化。土壤仍然存在，但是由於這些大量的抽水，存在著甚至土壤的營養資本也可能減少和不穩定的危險。在牧區生態系統中，養分的吸收量較小，草和土壤的養分儲量保持相對完好，因此這可能是一個更穩定的系統。
但是，就能源而言，農民需要通過使投入與產出相匹配，或確保去除農業生態系統中的任何要素，來確保盡可能保護農業生態系統的穩定性。收成不超過其他來源的供應。如前所述，養分通過氣象，生物和地質途徑進入生態系統。當我們從生態系統中收穫時，我們會去除一系列要素，這可能會超出供應率。例如，考慮氮，氮是所有生物的重要元素。氮對於生命至關重要，因為它是蛋白質和核酸的重要組成部分。岩石不是元素的良好來源，因此風化並不是重要的輸入。儘管大氣中的氮含量很高，但不能以氣態形式立即被植物吸收，但是有些細菌能夠將氮氣轉化（“固定”）成可用形式，而大部分硝酸鹽（可用土壤中的元素形式）源自細菌或有機物的分解。當我們種植大麥等農作物並在生長季結束時收穫時，我們會從土壤中去除大量的氮。從每個平方碼中，我們可以收穫約2.5克的氮。同時，水在土壤中的流動和反硝化細菌的活動（將硝酸鹽轉化回氮氣）導致了另外1.4克的損失。因此，在季節結束時，土壤中的硝酸鹽含量已經耗盡。解決該問題的簡單方法（也是最常用的一種方法）是人工添加肥料，作為通過工業方法人工製造的化學品或有機物（動物糞便，污水污泥等）。無論使用哪種方式，氮最終都以土壤中的硝酸鹽形式存在。最重要的結果是產量增加。如果我們以這種形式向每個平方碼中添加10 g的氮，那麼最重要的後果是農作物的產量大大提高，高達10 g，而不是最初的2.5克用於收穫中的氮輸出。這是因為土壤中的硝酸鹽供應不足，農作物可以有效地利用新的供應。通過排入廢水中的溶液以及通過細菌的作用，其他損失保持不變，總體結果是土壤損失的氮儲量減少了。
因此，添加肥料當然可以增加農作物的產量，但不一定能完全防止土壤貧瘠的問題。另一種方法是定期給土壤休息並種植不同的農作物。可能將耕地改種幾年，使自然的細菌固著氮，並使土壤中的有機物積累。甚至更好的是，可以種植自己固氮的農作物。豌豆家族的成員已經與一組可以固定大氣中氮的細菌建立了密切的聯繫。這些微生物生活在植物的根部，上面有小團塊或小結節。細菌在這些結節內很安全，還以植物通過光合作用製造的糖的形式與食物一起提供食物，作為回報，它們會傳遞一些固氮成植物可用形式的氮。幾種豌豆科植物可以用來補充土壤中的氮，包括豌豆，豆類，三葉草和苜蓿（紫花苜蓿）。在一個季節中，苜蓿作物可以向每平方米38 g / m2中注入28公克以上的氮。大部分可以在季節結束時收穫，並用作飼料來源，但是即使以這種方式去除了25克，它仍然留下了11克的累積量。土壤和補充其儲備。如果不是收割農作物，而是耕種回土壤，則可以積累更多的氮。（但是，由於不易將大量硝酸鹽儲存在土壤中，因此硝酸鹽在水流中的流失速度更快，可以緩解這種情況。）輪作的想法最早是在18世紀的英國提出的，當時的農業革命。
多年生作物，例如用於木材或燃料生產的樹木，生長緩慢，與一年生作物相比，存在的問題略有不同。每20年左右只能收穫一次。然後，我們需要檢查在相對較長的時間內是否用自然投入（降雨，乾旱等）代替了最終收穫中去除的營養素，或者是否需要進一步添加肥料。例如，在中美洲的伯利茲，定期從輕質，多沙，營養不良的土壤中收穫松樹。在這種情況下，風化產生的養分置換非常少，因此，代替收穫的要素的主要自然元素是降雨。對降雨化學性質的分析表明，在直到收穫的松樹的整個生命週期中，生長的樹木所需的所有鉀和幾乎一半的鈣，鎂和磷都可以由降雨代替。在該行業需要節省化肥費用的情況下，這是一個重要的事實。這意味著如果在收穫後將不需要的樹枝和葉子從樹乾木材上剝下並留待腐爛，那麼降雨帶來的額外投入將足以滿足新作物的生長，並且不需要額外的肥料。因此，有效，可持續的收穫需要養分循環的詳細知識。
從牧區生態系統中收穫動物或其產品（蛋，奶，羊毛）的地方，仍然有必要檢查養分投入和產出的平衡。總體而言，收穫動物所涉及的生物量要比穀物或木材等植物收穫時要少得多。因此，人們可能希望收穫是對生態系統養分資源的嚴重減少。在進行研究的地方，事實確實如此。其中一項研究是在英格蘭北部的山區進行的，那裡經常從土壤非常貧瘠和降雨高的地區收穫綿羊（用於肉和羊毛的生產）。結果表明，每年由於收穫綿羊和羊毛而從生態系統中損失的磷量不到每年降雨中磷的吸收量的2％。換句話說，僅降雨（與其他來源（例如岩石風化）相當）就提供了維持收穫所需磷的50倍。其他營養元素的含量也相似。因此，從該系統中去除動物產品對養分循環的影響可忽略不計，而且在沒有額外肥料投入的情況下是無限期可持續的。但是，如果將肥料添加到草地上，它們可能會增加土地的生產力，這將使動物的密度增加，從而使收穫增加。
城市能源
從能量流的角度來看，城市是非常不尋常的生態系統。他們消耗的能量遠遠超過產生的能量。在某些方面，城市就像一條小溪，因為小溪中通過光合作用產生的能量很少。大部分能量以葉子和其他植物碎屑的形式來自其他生態系統，這是溪流中所有動物的主要能源供應。同樣，在城市中，樹木，草木和園林植物可能會有一些光合作用，但這些僅能支持當地的動物群落。城市的主要生物量是人類，人們從其他生態系統獲取能量。城市居民的食物能源需求由農場提供，我們必須尋找化石燃料或其他能源來維持我們其他能源需求的活動，例如旅行，取暖，照明，空氣-調理等等。
圖3-3 通過農場和城市的能源流動。輸入農場和城市的總能源不僅包括陽光，還包括化石燃料和其他能源產生的能源。農場產生的大部分食物能源都傳遞到城市，最終以熱量的形式消散。
圖3-4 城市中的能源。一個煙囪釋放燃料廢物燃燒化石材料被燒毀，以釋放自己的能量供人類使用。
非食品能源
城市要消耗大量能量才能保持運轉。辦公室，房屋和高速公路需要在夜間照明。當外界寒冷時，住宅和工作場所需要加熱；而當外界炎熱時，則需要冷卻。城市取決於城市中人員的流動，將工人從住宅區和購物者帶到零售店。包括食品，工業材料和銷售商品在內的原材料必須移入城市，工業產品需要出口。需要通過電話，廣播和電視維護快速通信系統。我們理所當然的所有這些事情都需要能量來實現其功能，並且必須將能量導入城市，因為城市無法自行生產能量。城市在能源消耗方面存在差異，但平均而言，一個擁有100萬居民的美國城市每天消耗約9500噸（860萬公斤）燃料（石油和煤炭）。
從某種意義上說，正在形成更多的能源來代替我們使用的能源，這座城市可以利用許多可能的能源，其中一些是可再生能源。有些能源是不可再生的，這意味著一旦我們使用它們，就無法替換它們。幾個世紀以來，我們的城市在不同的能源之間轉移。大約在1875年之前，美國滿足人類生活需求的主要能源是木材。這是一種可再生的能源，因為它是通過樹木的光合作用從陽光中獲取的。但這也是一種相當龐大的能源，無法輕易運輸和存儲。到1875年，美國已迅速將其替換為煤炭，但在世界某些地區，木材仍然是主要的能源。在發展中國家，許多城市仍然高度依賴木質燃料作為能源，特別是在空間供暖和烹飪方面。發展中國家城市中較貧窮的居民區，例如烏干達的坎帕拉或印度的勒克瑙，由於在晚上用火燒飯做飯，所以它們的木煙味很特別。
在美國，使用煤炭的轉變在19世紀初期達到頂峰。煤炭可以相對容易地開采和運輸，它為蒸汽機車旅行和一系列其他耗能高昂的活動的發電奠定了基礎。真正推動了18世紀歐洲工業革命的是煤炭，而這種化石燃料一直是發達世界的主要能源，直到大約75年前。像木材一樣，煤炭是一種基於光合作用捕獲的陽光能量的能源，但對於煤炭來說，這種能量已經被埋藏並休眠了數百萬年。它由來自古代熱帶沼澤的植物殘骸組成，這些殘骸已被化石化並壓實在岩石下面，保留了其能量含量，直到最終被人類帶到地面燃燒（燃燒）。因此，與木材不同，煤炭一旦用完就無法更換。它是不可再生的能源。
隨著煤炭資源的匱乏，從地下開採煤炭變得更加昂貴，因此人們尋求了一種更便宜的替代品。石油和天然氣是替代的化石能源，已被證明對人類非常有價值。到1950年，美國以這種方式使用的能源比煤炭更多。數百萬年前，光合生物也形成了石油和天然氣。可以將石油從地下抽出而不是開採，這使其作為一種相對容易回收和易於運輸的能源具有吸引力。天然氣不那麼容易處理，在中東，石油和天然氣都比較豐富，因此，天然氣的開采和運輸成本大於商品的市場價值。因此，地下儲層中伴隨石油的氣體在到達地面時就被簡單地燃燒掉了。這既浪費能源，又是大氣中的二氧化碳的來源，但是經濟學目前認為這應該是解決之道。通常，石油和天然氣體所含的污染物硫比煤炭少，因此它們使用起來更清潔，也不太可能污染大氣。但是它們仍然會產生二氧化碳，將其作為燃燒的廢物，而這種溫室氣體會被添加到大氣中。（有關此主題的更多信息，請參見“城市中的其他循環”，第94-98頁。）同樣，煤炭，石油和天然氣也是不可再生的資源。一旦我們用完了世界各地的儲備，就無法重建它們。
並非只有城市進口能源燃料。如我們所見，農田進口化石燃料並將其用作農業的能源補充。但是農田仍然主要依靠太陽能為農作物提供燃料，而在城市中，當地的光合作用實際上是無關緊要的，重要的能源輸入要么是化石燃料，要么是主要由化石燃料產生的電力。城市將始終依賴於進口能源，因此，由於不可再生能源的供應量下降（可能在未來50年內），如果要避免城市滅絕，就必鬚髮現和開發其他能源。
一種替代能源是核能。核能已在世界多個地區使用，這種能源的優勢在於不會產生二氧化碳，因此不會增加地球溫室效應。但是它確實會產生其他更危險，更難以處置的廢物。核反應堆意外熔化的可能性也非常大。在這種情況下，產生能量的核反應失控，導致熱量過度積聚和爆炸的危險。儘管發生這種情況的可能性很小，並且取決於錯誤的巧合，但眾所周知，這種情況的發生是發生在1979年的美國三哩島和1986年的蘇聯切爾諾貝利。據計算，在大約五年內，發生進一步嚴重事故的概率為70％。此類事故釋放的放射性物質非常有害，因此需要仔細考慮核能的未來。
還有其他幾種可能的可再生能源，但如果要取代我們對化石燃料的依賴，所有這些都會帶來發展和利用的技術問題。太陽能是一種容易獲得的能源，但是目前捕獲太陽能的效率仍然很低。生物質利用涉及種植植物作為可再生能源。長期以來，這種來源一直以木柴的形式使用，但是使用生物質的一種更方便的方法是將其發酵以生產可以用作汽油替代品的酒精。這種來源的問題在於，將需要大面積的農業用地來生產足夠的生物量來支持當前的人口。可以焚燒城市有機廢物以回收能源。風和潮汐釋放出許多人類可以利用的能量；從陸地到海洋的水流已經證明是豐富的水力發電資源。然後就有可能利用來自地球中心的熱量，地熱能量。與化石燃料不同，所有這些都是能源資源，直到太陽系本身消失後才可以使用，開發利用這些能源的戰略已成為迫切需要。隨著化石燃料變得越來越稀少和更昂貴，人類將受到經濟壓力的驅使，以對這些替代品進行更廣泛的研究。
食物能量
一般來說，城市不會產生自己的糧食需求；他們需要從農村進口食物。一些城市居民可能會自己生產一些自產農產品，但是在發達國家的城市中，這對於整個城市而言可忽略不計的食物能源。因此，可以將城市視為鄉村的寄生蟲，但這並不完全公平。儘管該城市依靠農村來獲取食物，但工廠仍在城市內製造農民所需的拖拉機和其他機械。這個城市擁有化肥和農藥生產的化工廠。該市是金融中心，銀行向農民貸款以發展新的農業計劃。它也是為鄉村居民提供零售商店以及他們所需的文化和教育資源的城市。城鎮的發展很可能僅僅是因為糧食生產過剩，使社會的某些成員能夠專門從事其活動並向農業生產者提供服務。因此，這座城市並不是真正的寄生蟲，它更像是一個處於和諧共生關係中的伴侶，每個伴侶都從這種關係中受益。當然，在城市需要更多土地用於發展或農民需要更多水用於灌溉的情況下，有時會出現分歧，但兩種人類主導的生態系統通常生活在相互依存和和諧的環境中。
正如工業和住宅能源是從城市生態系統外部進口的一樣，食品所需的能源也是如此。在一個有100萬居民的典型美國城市中，每天的食物進口量約為2000噸（180萬公斤）。在某些城市，食物可能直接從周圍的農田新鮮運輸。蔬菜可以帶到中央市場，然後從那里分配到較小的當地商店。可以將動物直接放牧到城鎮進行屠宰並分發給肉類供應商。在現代城市中，我們習慣從超級市場獲得預先包裝的食物，城市居民與食品生產和加工的勞動距離更遠，這使城市居民與農業工作者相距甚遠。然後，以衛生包裝的形式將食物帶入城市，這與食物的原始狀態完全無法識別，並通過卡車從加工廠運輸，這些加工廠構成了農場和城市之間的紐帶。
食物不是城市居民所需的唯一資源。他們還需要水。我們這個擁有100萬人口的典型美國城市每天消耗約1.5億加侖（5.68億升）的水。像食物和能源一樣，需要進口水，但是如果有河流流經城市，這可以提供重要的水源。通常，即使有河流，也有必要建造用於蓄水的水庫。水庫通常位於城市的上游。它們的高度是一個重要的考慮因素，因為水應該在重力的影響下流到消費者想要使用的地方，從而節省了抽水的能量。因此，水庫建設的高度會限制城市的向上發展。除非花費大量精力將水抽到需要的地方，否則城市的供水速度不能超過其供水量。水庫位於上游的另一個原因是，穿過城市的河流經常被工業廢物和污水污染。儘管有這種污染，仍可能需要利用流動的水資源，但是必須採取嚴格的措施以確保排放到河流中的水已經被淨化，隨後從河中獲取的水也經過處理以去除化學和微生物污染物。據估計，當英格蘭泰晤士河的水在倫敦橋下流過時，已經經過了八個人。
因此，水是城市的寶貴資源，許多城市居民區都需要尋找遙遠的水源來滿足其水需求。到1900年，紐約市不得不從100英里外的卡茨基爾山脈取水。對於許多現代城市來說，這是一種常見的情況，一些居住在乾旱地區的城市甚至需要更進一步地尋找水源。例如，到1910年，加利福尼亞洛杉磯市就在150英里外的哥倫比亞河上汲取了水，到1913年，已經建造了輸水管道。因此，城市可能需要建造自己的河流來補充當地的水供應。但是，這是一筆非常昂貴的投資，它是由洛杉磯地區許多定居點的合作提供資金的。結果，這些城鎮中的許多城鎮變得更加緊密地聯繫在一起，並加入了複雜的城鎮融合之中，這賦予了洛杉磯獨特的擴張形式。修建大型渡槽當然不是一個新主意。兩千年前，羅馬人佔領了氣候與洛杉磯相似的地區，他們正在修建渡槽，將水帶入他們的幾個地中海城市。對加利福尼亞北部內華達山脈的資源採用相同的集水技術，洛杉磯成功地耗盡了山脈乾燥東部的許多地區的水供應，加劇了該地區的沙漠化。
在河流流經不同國家的地方，對水的競爭會導致嚴重的政治和生態問題。以色列從約旦河抽取水，導致該河南端的死海水位和地理範圍下降。在非洲東部，尼羅河從烏干達和埃塞俄比亞的兩條水源穿過蘇丹，到達埃及。由於埃及上游各州取水，因此引起了許多國際爭論。即使是在埃及內部，該國南部Aswân大壩的建設也導致了下埃及的問題，下尼羅河經常發生的尼羅河洪水中斷了，農業不得不適應新的條件。在地中海東部的土地上，水很稀缺，其中兩條最大的河流幼發拉底河和底格里斯河在土耳其興起，然後向南流入敘利亞和伊拉克。儲存水，然後將其出售給下游國家或沙特阿拉伯等較富裕的國家，顯然符合土耳其的利益。因此，水是每個城市都需要的資源，並且越來越難以獲得足夠數量的水來滿足現代城市居民的奢侈需求。也許淡水供應將有一天限制地球表面上有多少人可以生活。
圖3-5 食物、水、能源互動關係圖
圖3-6 從農場到城市的營養流動。我們需要的營養物可能起源於岩石和土壤，或者可能是通過工業過程從大氣中獲取的。用作肥料的農作物元素最終找到了人類消費的方式，並以人類污水和廢物的形式返回到環境中。
城市中的營養循環
在自然生態系統中，許多元素在系統的生物和非生物成分之間循環。例如，植物吸收的磷原子可以傳遞給草食動物，然後傳遞給食肉動物，然後在動物死亡和腐爛時被排泄或釋放出來。然後可在土壤中使用，以供植物再次使用。在城市中，元素移動的方式不同。正如已經討論過的，食物都是進口的，因此主要的食用動物，即人類，是從城市外部獲取食物的。一些食物被浪費掉了，這基本上意味著它滿足了我們認為是害蟲的其他動物的需求。許多物質通過我們的身體，並在我們的污水輸出中釋放。尿液含有我們攝入的很多氮，而我們並不是真正需要的氮。氮是蛋白質的重要組成部分，我們大多數人攝入的蛋白質要多於維持身體所需的蛋白質。這些蛋白質被分解並釋放出二氧化碳，用作能源，但是腎臟通過腎臟從血液中除去了氮，並將其轉化為富含尿素的氮素，稱為尿素。糞便材料主要由未消化或未使用的食物材料以及我們在腸道中所藏細菌組成。污水的這兩個部分從生態系統的有生命的部分到無生命的部分都具有許多要素。
在某些國家（例如中國），已將污水用作農業系統的養分來源。從回收材料的角度來看，這具有良好的生態意義，否則將造成處置問題。使用原污水作為肥料的主要目的是它可能含有寄生蟲或致病性（致病性）細菌，因此對農業工人構成健康危害。一些寄生蟲，例如tape蟲和round蟲，在其宿主（（蟲的情況下是人和豬）之間的移動時，依靠較差的衛生條件，因此在發達國家，未廣泛使用人類原始污水作為農業資源。但是，當處理去除有害生物時，可以這種方式使用。另外，也可以將這些材料用作能源，印度的一些村莊都設有沼氣設施，這些設施消耗污水並產生可作為能源燃燒的甲烷氣。
大多數污水在城市內部進行處理，或者通過管道直接輸送到污水處理廠，或者在某些郊區住宅中，被收集在化糞池中，並通過帶孔管道分佈在土壤中。以這種方式釋放到土壤中的物質會被土壤細菌分解並釋放出來，以便在植物中循環利用，或者通過土壤被洗滌並變成溪流或其他水體。顯然，重要的是化糞池處理系統的位置應遠離水井或其他飲用水源。對於主要的污水處理系統，原污水經過一系列處理。首先是沉澱，其中固體物質沉澱在池中。然後用在曝氣環境中運行的可消化固體廢物的細菌處理該物質。在此過程中有害細菌被殺死，最終產品可以被焚化，作為垃圾填埋場傾倒，甚至用作農業肥料。此過程中的廢水可能仍包含有機分子和細顆粒物。它還將富含諸如硝酸鹽和磷酸鹽等對植物重要的營養物質，因此，這種水向河流或海洋中的釋放會以一種稱為富營養化的過程刺激藻類或其他水生植物的生長。也可能有殘留的有毒物質，這些殘留物不能通過處理去除。鉛，鋅和鎘等重金屬可能殘留在水中並造成污染問題。廢水中還可能含有復雜的分子，包括可能危害喝水動物的農藥和激素。這些殘留物引起了人們的極大關注，尤其是在必須多次使用水的情況下，這些化合物會在飲用水中積聚並影響人類。
元素沿著從有生命的形式到無生命形式的路徑移動的另一種方式是死亡。處置人類遺骸的主要方法有兩種：埋葬和焚燒。在埋葬中，分解會釋放體內所含的元素，然後這些元素進入土壤。然而，在大多數情況下，釋放發生的深度大大低於植物的生根水平，因此這些元素無法立即用於循環回活生物體。但是，即使有可能，將屍體埋葬在當地的哈比塔特（墓地）也幾乎沒有機會將元素運回城市生態系統的主要營養循環中。值得注意的是，許多文化都採用了防腐或木乃伊化技術，試圖降低分解速度。結果是，墓地不是城市生態系統養分循環的重要組成部分。隨著城市空間的稀缺，通過火化焚化屍體越來越受到青睞。在高溫下燃燒有機組織會將一些元素釋放到大氣中，而另一些則以灰燼形式保留。當然，碳在燃燒時以二氧化碳的形式釋放，氫和氧以水蒸氣的形式釋放。主要包含在蛋白質中的氮和硫也作為這些元素的氧化物釋放到大氣中。鉀部分轉化為氣態氧化物，但有些殘留在灰燼中。鈣，鎂和磷酸魯斯大部分留在灰燼中。這些元素的處置取決於死者親屬的意願，但這些元素不太可能重新進入城市的周期。一些骨灰可能被運送到陸生或水生的農村地區，並散佈到那裡，在這種情況下，在下一個大周期中，這些元素可以再次獲得。
城市中的其他週期
儘管人類主導著城市的食物網，但還需要考慮其他元素週期。汽車本身的行為幾乎像一個獨立的有機體，需要汽油來提供能量並在運行中產生廢物。工業活動涉及將原材料進口到城市，然後以新的形式出口，通常是在生產過程中產生廢品。人類本身也使用了各種各樣的材料，這些材料實際上對維持生命不是必不可少的，但對於包裝食品或其他消費品很方便。這些材料中的許多都是短期使用的，因此它們被添加到城市的廢物輸出中。工業上通常需要進口原材料。其中一些以製成品的形式再次出口，但通常會產生一些廢物，必須由城市排放。因此，我們可以將城市視為巨大的有機體。它消耗從周圍環境（通常稱為腹地）中獲得的食物和原材料；它使用食物和汽油來混合其吸入物及其汽車的呼吸；並且會產生不需要的廢料，然後將其倒回環境中。
大氣層提供了非常方便的廢物處理方式。隨著風在城市上空流過，空氣的流動會不斷地替換我們所需的氧氣（既為我們自己，也為燃料燃燒）。它還允許我們釋放廢氣，並確保將廢氣從我們的即時環境中運出。二氧化碳是這座呼吸城市最明顯的產物，它可以在我們的房屋，辦公室，街道和教室中堆積。通風可以使其逃逸到城市大氣中，並被帶入周圍的鄉村。二氧化碳在高濃度下是有毒的，但幸運的是它不是大氣的主要成分，其存在量為大氣體積的0.03-0.04％。儘管對我們有毒，但對綠色植物至關重要，綠色植物從大氣吸收氣體，並利用陽光的能量將其轉化為糖（光合作用的過程）。因此，由城市生產廢二氧化碳並將其分散到農村可能是一件好事，因為它為綠色植物提供了更多的氣體。在某種程度上，這是真的。提高大氣中二氧化碳的水平確實會使植物生長更快，但在全球範圍內也會產生有害影響。二氧化碳以及水蒸氣和其他幾種氣體不會吸收可見光，該可見光不會受到影響。但是這種氣體確實吸收了熱能。來自太陽的光穿過大氣層，但是當到達地球表面時，它會被吸收並轉化為熱量。當這種熱量從地面輻射出去時，它會被大氣中的二氧化碳等氣體吸收，並且不會逸回到太空中。在許多方面，此過程類似於溫室的工作，在溫室中，玻璃允許光能進入，但防止熱量逸出。因此，以這種方式起作用的氣體稱為溫室氣體，整個過程稱為溫室效應。我們的城市以及某種程度上由於機械化農業造成的二氧化碳過量生產正在造成全球性問題，其原因是導致大氣中的熱量滯留並導致地球溫度逐漸升高。隨著氣候變遷，這種變化將對我們的城市和農業產生影響（請參閱“氣候變遷”，第189-192頁）。同時，如果我們想避免氣候變遷問題，我們需要通過尋找替代能源而不是化石燃料來減少碳排放。
碳並不是我們排放到城市大氣中的唯一元素。化石燃料中還有其他元素在燃燒時會轉化為氣體。硫和氮是燃燒有機物時釋放到大氣中的兩個主要元素，它們都以氧化物的形式釋放出來。在全球範圍內，我們每年通過燃燒化石燃料向大氣中釋放約8000萬噸的硫。這大約是火山自然釋放量的十倍。這種排出的硫的最常見形式是氣體二氧化硫。該化合物溶解在水中並被進一步氧化生成磺基糠酸，因此我們將這種氣體釋放到大氣中的結果是我們將雨酸轉化為酸性。
氮也通過燃燒從有機材料（包括化石燃料）中釋放出來，並且像硫一樣以氧化物的形式排放。像硫的氧化物一樣，這些氮的氧化物溶解在水中以產生酸硝酸，從而增加了雨水的酸度。由於人類的活動，每年大約有300萬噸的氮以這種形式釋放到大氣中。一氧化二氮是最常見的氮氧化物之一，也可作為溫室氣體，並導致氣候變遷問題。
因此，酸雨是我們工業城市的主要和有害出口之一。酸度會對我們的建築物產生直接的有害影響，侵蝕石材表面，尤其是石灰石。它也直接影響植物，剝去覆蓋在葉子上的保護性蠟層，並使它們暴露於乾燥和微生物感染之下。一些生物對酸度非常敏感，包括樹木和建築物甚至城市中發現的許多苔蘚和地衣。在過去的150年中，降雨酸度的增加導致這些植物從市區和工業活動順風地區流失。就像植物被這些污染物和所產生的酸度所破壞一樣，我們也是如此。我們的肺部很難應付高水平的酸度，這會引起許多呼吸系統疾病，例如哮喘和支氣管炎。在嚴重的情況下，會導致疾病性肺氣腫，這會導致肺部彈性喪失，並阻塞我們吸收氧氣的氣囊。可能會致命。
我們在城市中的活動，尤其是汽車，卡車和公共汽車的使用，也產生了顆粒污染物。這些是固體物質的微小碎片，包括來自我們城市植物的灰燼，灰塵，煙霧和花粉。其中一些會在人類中引起呼吸系統疾病，例如哮喘和支氣管炎。在城市中發現的顆粒污染物中，約有四分之一來自機動車的廢氣，另外四分之一來自工業活動，採礦和建築工程。其餘大部分來自其他形式的燃燒，例如發電廠的能源生產以及家用資源，例如吸煙。花粉，細菌和病毒等生物顆粒占城市大氣中微粒總量的約10％。微粒對人體呼吸系統的影響取決於這些不同微粒的大小。較大的顆粒在鼻腔中過濾，並被粘在粘液中。但是更細的顆粒，尤其是稱為PM10的顆粒，可以滲透到肺部，從而可能損壞襯裡。PM10是指直徑小於10微米的細小顆粒；一微米是千分之一毫米。PM10的重要來源之一是低效柴油機產生的廢氣。
機動車尾氣和個人活動（例如吸煙）造成的空氣污染往往在地面附近累積。城市街道的峽谷效應鼓勵在城市峽谷受保護的較低區域形成靜止的空氣。對於工業產生的污染物，我們努力通過將其高高地排入大氣，使用高大的煙囪並將其散佈，將其從我們附近地區移除。但是這樣做，城市只會將其廢物出口到其他生態系統，包括自然生態系統和農業生態系統，從中獲取自己的食物。危害城市中活植物的氣體也損害了農村地區的農作物，因此，分散污染物實際上並不能解決問題。有時，我們會成功地將污染物排放到全國范圍內。美國東北部的工業區將部分空氣污染物出口到加拿大，歐洲西北部的國家（包括英國，德國和波蘭）將其空氣污染物出口到斯堪的納維亞半島。但是，要解決而不是僅僅解決流離失所問題，就必須在全球而不是在國家範圍內考慮污染問題，並且需要從根本上解決污染問題。可以燃燒低硫煤，而不是褐煤等高硫煤。石油通常所含的硫比煤炭少，因此可能更可取。洗滌廢氣，即在排放前通過將其通過吸收性材料或通過水進行清潔，可以去除許多有害物質。政府徵稅通常是確保行業採用更清潔做法的有效方法。
在我們的城市中還產生了另一種重要的廢氣，通常被排放到農村，即臭氧。臭氧在化學上與氧氣密切相關，但它的分子中沒有兩個氧原子，而是三個。這使其成為高反應性物質。由於其反應性，臭氧可以通過破壞葉綠素來破壞植物組織，並可以嚴重破壞肺組織。它是由汽車排放物與陽光的相互作用引起的一系列複雜反應產生的，因此在機動車交通繁忙且陽光直射的城市中尤為常見。之所以會產生加利福尼亞州洛杉磯的光化學煙霧，是因為該城市恰好具有產生臭氧的條件，但是世界上許多其他城市都遇到了同樣的問題。像硫和氮氧化物一樣，臭氧在風的影響下從城市中移出，進入農村，在農村，對農業的危害甚至比生成酸的氣體還要大。即使在城市下風處生長的豆類，小麥，花生和棉花等農作物（如豆類，小麥，花生和棉花）所吸收的臭氧濃度也會降低其產量10％至20％，即使它們僅暴露於七個小時。
因此，城市生產氣態廢物的產物對支持它們的農業生態系統構成了嚴重威脅。就像適應不斷變化的條件的自然生態系統一樣，我們的城市需要修改其廢物輸出量，以免破壞自己的食物和原材料來源。
圖3-7 西雅圖附近華盛頓湖沉積物中的鉛（Pb）濃度。有一個在引線強烈增加濃度的的上層沉積。其他鉛已被釋放入湖作為一個在20世紀，反映了這個城市的污染物成長。
圖3-8 垃圾拖拉機和海鷗在一個晴天在轉儲。垃圾填埋作為垃圾處理的一種方式仍被廣泛使用，但最終將沒有更多的垃圾傾倒場。
廢物處理
大氣並不是城市可以用來處理其廢物的唯一媒介。正如已經觀察到的，離開城市的水可以提供一種方便的方式來清除污水，其中含有人體中未使用的有機物和多餘的元素，例如氮和磷。城市長期以來一直以這種方式使用（或濫用）水。甚至古羅馬也有一個巨大的下水道，最大的泄殖腔，將廢物帶入台伯河。水也經常被用於處理其他形式的廢物，例如工業廢水。例如，西雅圖西雅圖華盛頓湖的沉積物揭示了向自然生態系統排放廢物的歷史。1890年之前，湖中的沉積物僅含有極少量的鉛，這是由於當地岩石和土壤中富含這種金屬的侵蝕所致。到1970年代，由於該地區工業的發展以及含鉛廢物隨便排放到湖泊供水中，導致沉積物中鉛的自然濃度約為20倍。許多廢物可能是被風吹走然後衝入湖中的灰塵形式。
鉛是一種會在體內積累的有毒物質，因此存在於城市的灰塵，土壤和水中是一個值得關注的問題。它曾經是塗料的主要成分，並被添加到汽油中以改善發動機性能，這些元素的來源已導致我們城市的廣泛污染。貧困地區的兒童尤其容易受到灰塵和舊油漆暴露於鉛的危險，這種污染可能對他們的成長有害。
汞是另一種有毒元素，在許多工業過程中都會作為廢品產生。它曾一度被用於農業中作為拌種，以防止種子被真菌感染，但在1950年代它對鳥類的影響及其對人類死亡的影響使人們避免使用它。汞也已廣泛用於造紙業，這在加拿大和日本等國家引起了污染問題。再次，人們可以通過分析受我們主要城市影響的湖泊和海洋的沉積物來了解污染程度的上升。例如，在加利福尼亞州的聖巴巴拉盆地，沉積物中的汞濃度現在是工業化前時期的五倍。
鉛和汞都是重金屬的例子，其中大多數是動物（包括人類）中的累積毒物。我們的身體在某種程度上保護自己，並消除了進入我們血液中的許多毒素。但是，這也造成了一個問題，因為這意味著我們排出的廢物還富含重金屬，從而污染了污水。如已經解釋的那樣，污水處理通常不會除去這些廢物，因此它們保留在排出的水和固體廢水中，如果將經過處理的人類排泄物用作農業肥料，則存在健康風險。因此，必須謹慎對待通過農業生態系統進行的人類廢物“回收”。但是，將回收作為城市中元素使用的一般方法顯然是重要的一種方法。如果我們回收並清除城市中使用的更多材料，那麼它將減少我們對自然資源（例如水，石油，金屬等）的需求，並將減少城市所產生的廢物處理問題生成。
有什麼其他方法可以將廢物倒入河流？焚化是一種常用的方法。但是，這可能導致有害物質被澆鑄到大氣中，而不是被澆鑄到水中，因此並不完全令人滿意。
垃圾掩埋涉及將廢物掩埋在地下，並且在全世界仍然非常廣泛地使用。然而，地面上的孔不是很常見，只有某些類型的孔適合廢物處理。埋藏的廢物分解，有害成分（例如化學毒素和重金屬）將從埋葬場所洩漏到地下水中，有可能進入人類的供水系統。因此，垃圾填埋場必須在地理上是安全的，以免洩漏發生，而這是通常難以實現的要求。即使找到合適的位置，被剝奪的，壓縮的，不含大氣氧的有機物的腐爛也會導致甲烷氣體的形成。甲烷是高度易燃的，因此其生產會產生安全隱患，但它也是一種非常嚴重的溫室氣體，其向大氣的洩漏比二氧化碳的危害甚至更大。擺脫我們城市的廢物，將在未來幾年繼續考驗人類的創造力。
結論
儘管生態系統一詞通常用於描述自然棲息地，但是農場和城市都可以被視為生態系統，這種方法可以幫助我們了解它們的功能。生態系統的特徵是能量流過其中，並且其中的物質循環。農場和城市都依靠能源供應，能源既有自然光（對作物光合作用必不可少的）形式，也有其他形式，主要來自化石燃料，但也來自其他來源，包括水電，太陽能，風能等。上。農場需要這些額外的能源，因為它們被用來生產人造肥料和殺蟲劑，並且為耕作，灌溉，收穫和運輸產品的機械提供動力。城市需要更多的能源來照明，供暖，運輸和工業。
農場和城市也在自身內部循環使用材料，使用和重用生活和工業所需的要素。就像自然生態系統一樣，農場和城市彼此相互作用，交換能量和物質。能量和營養元素的主要流動是從農場到城市，那里人口密度較高，需要食物供應。農場能夠回收某些元素，例如通過使用動物糞便作為肥料，但是城市產生了大量必須出口的廢物。可以按照與自然生態系統完全相同的方式為農場和城市構建能源和營養預算。這些將幫助我們了解如何在農業和城市區域之內和之間最佳地平衡能量流和元素循環。
測量能量
能量被定義為工作能力。有幾種單位可以表達能量，但在科學和營養研究中經常使用的單位是卡路里。卡路里是將一克水的溫度提高1°C所需的能量（以熱的形式）。這是一個非常小的單位，因此能量通常以千卡（kcals）表示。這是將1,000克水的溫度提高1°C所需的能量（大約等於將1.2磅或1.15品脫的水升高1°F）。有時能量以焦耳為單位記錄。一卡路里等於4.184焦耳。
人造肥料和能源
1909年，兩位德國科學家Fritz Haber和Carl Bosch發明了一種固定空氣中氮的工業方法。在此之前，人們不得不依靠土壤中的自然生物機製作為農作物的氮供應來源。某些細菌具有將大氣中的氮氣轉化成這種有用元素的更有用形式的能力。農民還通過將農場動物的糞便回收到土壤中來謹慎地保存氮化合物。但是，哈伯-博世（Haber-Bosch）工藝通過提供捷徑而徹底改變了農業，使氮氣無需微生物的幫助即可轉化為硝酸肥料。一個缺點是該方法需要以化石燃料形式的非常高的能量消耗。為了達到某些細菌在正常條件下可以發揮的作用，需要很高的溫度和壓力。這意味著肥料硝酸鹽在能源上很昂貴。考慮到每年通過這種方法產生的硝酸鹽約有1.3億噸，並且全世界約40％的人口都依賴這種方法，很明顯，這是對我們高人口水平的主要支持之一。但這也是能源的主要消耗者。
圖3-9 中國南方的農村