概念
能量流動的起點主要是生產者通過光合作用所固定的太陽能（還有化能自養型生物通過化學能改變生產的能量）。流入生態系統的總能量主要是生產者通過光合作用所固定的太陽能的總量。能量流動的渠道是食物鏈和食物網。流入一個營養級的能量是指被這個營養級的生物所同化的能量。如羊吃草，不能說草中的能量都流入了羊體內，流入羊體內的能量應是指草被羊消化吸收後轉變成羊自身的組成物質中所含的能量，而未被消化吸收的食物殘渣的能量則未進入羊體內，不能算流入羊體內的能量。一個營養級的生物所同化著的能量一般用於4個方面：一是呼吸消耗；二是用於生長、發育和繁殖，也就是貯存在構成有機體的有機物中。貯存在有機體的有機物中能量有一部分是死亡的遺體、殘落物、排泄物等被分解者分解掉；另一部分是流入下一個營養級的生物體內，及未被利用的部分。在生態系統內，能量流動與碳循環是緊密聯繫在一起的。
特徵
能量流動的特點是:單向流動和逐級遞減。單向流動：是指生態系統的能量流動只能從第一營養級流向第二營養級，再依次流向後面的各個營養級。一般不能逆向流動。這是由於動物之間的捕食關係確定的。如狼捕食羊，但羊不能捕食狼。
逐級遞減是指輸入到一個營養級的能量不可能百分之百地流入後一個營養級，能量在沿食物鏈流動的過程中是逐級減少的。能量在沿食物鏈傳遞的平均效率為10%～20%，即一個營養級中的能量只有10%～20%的能量被下一個營養級所利用。
能量金字塔是指將單位時間內各個營養級所得到的能量數值，按營養級由低到高繪製成的圖形成金字塔形，稱為能量金字塔。從能量金字塔可以看出：在生態系統中，營養級越多，在能量流動過程中損耗的能量也就越多；營養級越高，得到的能量也就越少。在食物鏈中營養級一般不超過5個，這是由能量流動規律決定的。
理論基礎
研究能量流動規律有利於幫助人們合理地調整生態系統中的能量流動關係，使能量持續高效地流動向對人類最有益的部分。在農業生態系統中，根據能量流動規律建立的人工生態系統，就是在不破壞生態系統的前提下，使能量更多地流向對人類有益的部分。
第一定律
熱力學第一定律可以表述如下：“在自然界發生的所有現象中，能量既不能消滅也不能憑空產生，它只能以嚴格的當量比例由一種形式轉變為另一種形式”。因此熱力學第一定律又稱為能量守恆定律。依據這個定律可知，一個體系的能量發生變化，環境的能量也必定發生相應的變化，如果體系的能量增加，環境的能量就要減少，反之亦然。對生態系統來說也是如此，例如，生態系統通過光合作用所增加的能量等於環境中太陽所減少的能量，總能量不變，所不同的是太陽能轉化為潛能輸入了生態系統，表現為生態系統對太陽能的固定。
人們都知道，非生命自然界發生的變化都不必藉助外力的幫助而能自動實現，熱力學把這樣的過程稱為自發過程或自動過程。例如，熱自發地從高溫物體傳到低溫物體，直到兩者的溫度相同為止。而與此相反的過程都不能自發地進行，可見自發過程的共同規律就在於單向趨於平衡狀態，決不可能自動逆向進行。或者說任何自發過程都是熱力學的不可逆過程。應當指出的是：不應把自發過程理解為不可能逆向進行，問題在於是自動還是消耗外功，藉助外功是可逆向進行的。例如，生態系統中複雜的有機物質分解為簡單的無機物質是一種自發過程，但無機物質決不可能自發地合成為有機物質，藉助於外功太陽能卻可以實現，這就是光合作用，不過這不是自發或自動的。既然任何自發過程總是單向趨於平衡狀態，決不可能自動逆向進行，由此可以推測體系必定有一種性質，它只視體系的狀態而定而與過程的途徑（或進行的方式）無關。可以大致打一個比喻：假定有水位差的存在，水自動地從高水位流向低水位的趨向必定存在，但水流是快是慢顯然都不可能改變水向低水位方向流動的自發傾向。這就是說，要研究給定的始態和終態條件下自發過程的方向，可以不考慮過程的細節和進行的方式。為了判斷自發過程進行的方向和限度，可以找出能用來表示各自發過程共同特徵的狀態函式。熵（entropy）和自由能就是熱力學中兩個最重要的狀態函式，它們只與體系的始態和終態有關而與過程的途徑無關。
第二定律
能量流動食物鏈類型
在任何生態系統中都存在著兩種最主要的食物鏈，即捕食食物鏈（grazingfoodchain）和碎屑食物鏈（detritalfoodchain），前者是以活的動植物為起點的食物鏈，後者是以死生物或腐屑為起點的食物鏈。
在大多數陸地生態系統和淺水生態系統中，生物量的大部分不是被取食，而是死後被微生物所分解，因此能流是以通過碎屑食物鏈為主。
例如，在潮間帶的鹽沼生態系統中，活植物被動物吃掉的大約只有10%，其他90%是在死後被腐食動物和小分解者所利用，這裡顯然是以碎屑食物鏈為主。據研究，一個楊樹林的生物量除6%是被動物取食外，其餘94%都是在枯死後被分解者所分解。在草原生態系統中，c被家畜吃掉的牧草通常不到四分之一，其餘部分也是在枯死後被分解者分解的。
碎屑食物鏈可能有兩個去向，這兩個去向就是微生物或大型食碎屑動物，這些生物類群對能量的最終消散所起的作用已經引起了生態學家的重視。但這些生物又構成了許多其他動物的食物。
捕食食物鏈雖然是人們最容易看到的，但它在陸地生態系統和很多水生生態系統中並不是主要的食物鏈，只在某些水生生態系統中，捕食食物鏈才會成為能流的主要渠道。
在陸地生態系統中，淨初級生產量只有很少一部分通向捕食食物鏈。例如，在一個鵝掌楸-楊樹林中，淨初級生產量只有2.6%被植食動物所利用。1975年，Andrews等人研究過一個矮草草原的能流過程，此項研究是在未放牧、輕放牧和重放牧三個小區進行的，他們發現，即使是在重放牧區，也只有15%的地上淨初級生產量被食草動物吃掉，約占總淨初級生產量的3%。實際上，在這樣的草原上，家畜可以吃掉地上淨初級生產量的30～50%，在這種牧食壓力下，矮草草原會將更多的淨生產量集中到根部。輕放牧有刺激地上部分淨初級生產量生產的效果。在輕放牧區和重放牧區內，被家畜消耗的能量大約有40～50%又以畜糞的形式經由碎屑食物鏈還給了生態系統。
一般說來，生態系統中的能量在沿著捕食食物鏈的傳遞過程中，每從一個環節到另一個環節，能量大約要損失90%，也就是能量轉化效率大約只有10%。因此，每4.2×106焦的植物能量通過動物取食只能有4.2×105焦轉化為植食動物的組織或4.2×105焦轉化為一級肉食動物的組織或4.2×103焦轉化為二級肉食動物的組織。從這些事實不難看出，為什麼地球上的植物要比動物多得多，植食動物要比肉食動物多得多，一級肉食動物要比二級肉食動物多得多…這不論是從個體數量、生物量或能量的角度來看都是如此。越是處在食物鏈頂端的動物，數量越少、生物量越小，能量也越少，而頂位肉食動物數量最少，以致使得不可能再有別的動物以它們為食，因為從它們身上所獲取的能量不足以彌補為搜捕它們所消耗的能量。
一般說來，能量從太陽開始沿著捕食食物鏈傳遞幾次以後就所剩無幾了，所以食物鏈一般都很短，通常只由4～5個環節構成，很少有超過6個環節的。
除了碎屑食物鏈和捕食食物鏈外，還有寄生食物鏈。由於寄生物的生活史很複雜，所以寄生食物鏈也很複雜。有些寄生物可以藉助於食物鏈中的捕食者而從一個寄主轉移到另一個寄主，外寄生物也經常從一個寄主轉移到另一個寄主。其他寄生物也可以藉助於昆蟲吸食血液和植物液而從一個寄主轉移到另一個寄主。
生態系統中能量流動的主要路徑為，能量以太陽能形式進入生態系統，以植物物質形式貯存起來的能量，沿著食物鏈和食物網流動通過生態系統，以動物、植物物質中的化學潛能形式貯存在系統中，或作為產品輸出，離開生態系統，或經消費者和分解者生物有機體呼吸釋放的熱能自系統中丟失。生態系統是開放的系統，某些物質還可通過系統的邊界輸入如動物遷移，水流的攜帶，人為的補充等。
生態系統能量的流動是單一方向的。能量以光能的狀態進入狀態進入生態系統後，就不能再以光的形式存在，而是以熱的形式不斷地逸散於環境中。
營養級
食物鏈和食物網是物種和物種之間的營養關係，這種關係錯綜複雜，無法用圖解的方法完全表示，為了便於進行定量的能流和物質循環研究，生態學家提出了營養級（trophiclevel）的概念。一個營養級是指處於食物鏈某一環節上的所有生物種的總和。例如，作為生產者的綠色植物的所有自養生物都位於食物鏈的起點，共同構成第一營養級。所有以生產者（主要是綠色植物）為食的動物都屬於第二營養級，即植食動物營養級。第三營養級包括所有以植食動物為食的肉食動物。依此類推，還可以有第四營養級（即二級肉食動物營養級）和第五營養級。
生態系統中的能流是單向的，通過各個營養級的能量是逐級減少的，減少的原因是：（1）各營養級消費者不可能百分之百地利用前一營養級的生物量，總有一部分會自然死亡和被分解者所利用；（2）各營養級的同化率也不是百分之百的，總有一部分變成排泄物而留於環境中，為分解者生物所利用；（3）各營養級生物要維持自身的生命活動，總要消耗一部分能量，這部分能量變成熱能而耗散掉，這一點很重要。生物群落及在其中的各種生物之所以能維持有序的狀態，就得依賴於這些能量的消耗。這就是說，生態系統要維持正常的功能，就必須有永恆不斷的太陽能的輸入，用以平衡各營養級生物維持生命活動的消耗，只要這個輸入中斷，生態系統便會喪失功能。
由於能流在通過各營養級時會急劇地減少，所以食物鏈就不可能太長，生態系統中的營養級一般只有四五級，很少有超過六級的。
能量通過營養級逐級減少，如果把通過各營養級的能流量，由低到高畫成圖，就成為一個金字塔，稱為能量錐體或金字塔（pyramidofenergy）。同樣如果以生物量或個體數目來表示，就能得到生物量錐體和數量錐體。3類錐體合稱為生態錐體（ecologicalpyramid）。
一般說來，能量錐體最能保持金字塔形，而生物量錐體有時有倒置的情況。例如，海洋生態系統中，生產者（浮游植物）的個體很小，生活史很短，根據某一時刻調查的生物量，常低於浮遊動物的生物量。這樣，按上法繪製的生物量錐體就倒置過來。當然，這並不是說在生產者環節流過的能量要比在消費者環節流過的少，而是由於浮游植物個體小，代謝快，生命短，某一時刻的現存量反而要比浮遊動物少，但一年中的總能量還是較浮遊動物多。數量錐體倒置的情況就更多一些，如果消費者個體小而生產者個體大，如昆蟲和樹木，昆蟲的個體數量就多於樹木。同樣，對於寄生者來說，寄生者的數量也往往多於宿主，這樣就會使錐體的這些環節倒置過來。但能量錐體則不可能出現倒置的情形。
效率
在生產力生態學研究中，估計各個環節的能量傳遞效率是很有用的。能流過程中各個不同點上能量之比值，可以稱為傳遞效率（transferefficiency）。Odum曾稱之為生態效率，但一般把林德曼效率稱為生態效率。由於對生態效率曾經給過不少定義，而且名詞比較混亂，Kozlovsky（1969）曾加以評述，提出最重要的幾個，並說明其相互關係。攝食量（I）：表示一個生物所攝取的能量；對植物來說，它代表光合作用所吸收的日光能；對於動物來說，它代表動物吃進的食物的能量。
同化量（A）:對於動物來說，同化量表示消化道後吸收的能量（吃進的食物不一定都能吸收）。對分解者來說是指細胞外的吸收能量；對植物來說是指在光合作用中所固定的日光能，即總初級生產量（GP）。
呼吸量（R）：指生物在呼吸等新陳代謝和各種活動中所消耗的全部能量。
生產量（P）：指生物在呼吸消耗後淨剩的同化能量值，它以有機物質的形式累積在生物體內或生態系統中。對植物來說，它是淨初級生產量（NP）；對動物來說，它是同化量扣除維持呼吸量以後的能量值，即P=A-R。
可利用以上這些參數可以計算生態系統中能流的各種效率。一般認為，生態效率為10%~20%。最重要的是下面3個：
同化效率
指植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例，或被動物攝食的能量中被同化了的能量比例。同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能。
或=被動物消化吸收的能量/動物攝食的能量。
生產效率
指形成新生物量的生產能量占同化能量的百分比。生產效率=n營養級的淨生產量/n營養級的同化能量。
有時人們還分別使用組織生長效率（即前面所指的生長效率）和生態生長效率，則生態生長效率=n營養級的淨生產量/n營養級的攝入能量。
消費效率
指n+1營養級消費（即攝食）的能量占n營養級淨生產能量的比例。消費效率=n+1營養級的消費能量/n營養級的淨生產量。
所謂林德曼效率（Lindemansefficiency）是指n+1營養級所獲得的能量占n營養級獲得能量之比，相當於同化效率、生長效率與消費效率的乘積。但也有學者把營養級間的同化能量之比值視為林德曼效率。
一般說來，大型動物的生長效率要低於小型動物，老年動物的生長效率要低於幼年動物。肉食動物的同化效率要高於植食動物。但隨著營養級的增加，呼吸消耗所占的比例也相應增加，因而導致在肉食動物營養級淨生產量的相應下降。從利用效率的大小可以看出一個營養級對下一個營養級的相對壓力，而林德曼效率似乎是一個常數，即10%，生態學家通常把10%的林德曼效率看成是一條重要的生態學規律。
但最新對海洋食物鏈的研究表明，在某些情況下，林德曼效率可以大於30%。對自然水域生態系統的研究表明，在從初級生產量到次級生產量的能量轉化過程中，林德曼效率大約為15～20%；就利用效率來看，從第一營養級往後可能會略有提高，但一般說來都處於20～25%的範圍之內。這就是說，每個營養級的淨生產量將會有75～80%通向碎屑食物鏈。
生態效率的概念也可用於物種種群的研究。例如，非洲象種群對植物的利用效率大約是9.6%，即在3.1×106J/m2的初級生產量中只能利用3.0×105J/m2；草原田鼠（Microtus）種群對食料植物的利用效率大約是1.6%，而草原田鼠營養環節的林德曼效率卻只有0.3%，這是一個很低的值。我們通常認為是很重要的一些物種，最終發現它們在生態系統能量傳遞中所起的作用卻很小。例如，1970年，G．C．Varley曾計算過棲息在Wytham森林中的很多脊椎動物的利用效率，這些動物都依賴櫟樹為生，其中大山雀的利用效率為0.33%，鼩鼱的利用效率為0.10%，林姬鼠為0.75%，即使是這裡的優勢種類，也只能利用該森林淨初級生產量的1%。草原生態系統中的植食動物通常比森林生態系統中的植食動物能利用較多的初級生產量。在水生生態系統中，食植物的浮遊動物甚至可以利用更高比例的淨初級生產量。1975年，Whittaker對不同生態系統中淨初級生產量被動物利用的情況提供了一些平均數據，這些數據表明，熱帶雨林大約有7%的淨初級生產量被動物利用，溫帶闊葉林為5%，草原為10%，開闊大洋40%和海水上涌帶35%。可見，在森林生態系統中，淨生產量的絕大多數都通向了碎屑食物鏈。
