生態系生態學從系統層級理解能量和物質在生物與非生物組分之間的流通，是連結生態學和地球系統科學的橋樑。
生態系代謝與全球碳循環
全球陸地 NPP 的估算整合了遙測（MODIS NDVI/EVI）、通量塔數據（FLUXNET 網絡提供 >500 站點的渦度相關 CO₂ 通量）和過程模型。FLUXNET 的碳通量數據揭示了生態系的碳匯/碳源角色隨氣候年際變異而波動——El Niño 年的熱帶乾旱減少全球陸地碳匯（Zeng et al., 2005）。
GPP 的溫度敏感性非線性——短期增溫促進光合作用直到最適溫度，但同時增加呼吸。Atkin & Tjoelker（2003）的 meta-analysis 顯示植物呼吸的 Q₁₀ 約 2.0，但存在溫度馴化（acclimation）。這種非對稱的溫度響應是地球系統模型預測陸地碳匯未來走向的關鍵不確定性。
養分限制與生態化學計量學
Liebig 最小量定律指出生產力受最限制的營養素控制。陸地生態系主要受 N 限制（特別是溫帶和北方針葉林），熱帶生態系可能受 P 限制（古老、高度風化的土壤磷耗竭）。Sterner & Elser（2002）的生態化學計量學（Ecological Stoichiometry）理論將 C:N:P 比值作為分析框架——消費者的 C:N:P 比值相對恆定（homeostatic），而資源的 C:N:P 可變，不匹配會限制消費者的生長效率。
全球 N 沉降的增加正在改變生態系的 N 限制格局。長期 N 添加實驗（如 Harvard Forest Chronic N Amendment Experiment）顯示過量 N 輸入可導致土壤酸化、鈣鎂流失和森林衰退。Aber et al.（1989）的「氮飽和」假說描述了從 N 限制到 N 過剩的階段性轉變。
分解與養分再礦化
分解速率的控制因子：溫度 × 濕度 × 凋落物品質（C:N 比、木質素含量）。Meentemeyer（1978）建立了氣候-分解的全球模型。土壤有機碳（SOC）的長期穩定不僅取決於化學抗性，更取決於礦物結合保護（mineral-associated organic matter, MAOM）和微生物碳泵效應——微生物代謝產物被礦物吸附形成持久碳庫（Liang et al., 2017, Nature Microbiology 的「microbial carbon pump」概念）。
生態系服務（Ecosystem Services）
Costanza et al.（1997, Nature）首次估算全球生態系服務的經濟價值（約 33 兆美元/年，超過當時全球 GDP）。千禧年生態系評估（MEA, 2005）將服務分為供給（食物、水）、調節（氣候、洪水）、文化（美學、精神）和支持（養分循環、土壤形成）四類。IPBES（2019）的全球評估報告警告 75% 的陸地環境已被顯著改變，強調生物多樣性和生態系服務的同步衰退。