מערכת אקולוגית כוללת בעלי חיים, צמחים, חיידקים ורכיבי בית הגידול הלא-חיים סביבם, כגון מים, אוויר ואדמה. כל אורגניזם חי דורש צורה מסוימת של ייצור אנרגיה. כל בעלי החיים זקוקים לנשימה, החלפת חמצן לפחמן דו חמצני, כדי להישאר בחיים. צמחים דורשים גם נשימה וחמצן, אך הם גם מקבעים או מסירים פחמן מהסביבה ומייצרים חמצן נותן חיים המשמש את בעלי החיים, מונע על ידי אנרגיית השמש שהם קוצרים באמצעות אברונים מיוחדים הנקראים כלורופלסטים. חילופי המערכת האקולוגית נטו מחושבים על ידי נוסחה המראה כמה פחמן מוכנס לסביבה בהשוואה לכמות שמוסרת. חילופי מערכות אקולוגיות נטו נקראים לעיתים גם "ייצור מערכות אקולוגיות נטו".
מחזור הפחמן
כדי לשמור על החיים על פני כדור הארץ כפי שהם כיום, יש לאזן פחמן באטמוספירה ופחמן הקבוע באורגניזמים ביולוגיים. אם לא, ייווצרו שינויי אקלים. בעלי חיים ואנשים מוסיפים יותר פחמן למערכת האקולוגית פשוט על ידי נשימה. פחמן אטמוספרי מיוצר גם באמצעות ריקבון, כאשר בעלי חיים מתים וחומר צמחי משחררים פחמן המאוחסן ברקמותיהם, ועל ידי בעירה של עצים, צמחים ודלקים מאובנים, כגון:
- שמן
- פֶּחָם
כדי לנטרל תופעות אלה, צמחים חיים מכונים "כיורי פחמן" מכיוון שהם מוציאים את הפחמן הדו-חמצני מהסביבה והופכים אותו לחמצן ולאנרגיית מזון.
גורמים ותנאים מרכזיים
יש צורך במספר גורמים לקביעת חילופי המערכת האקולוגית נטו. הראשון הוא ייצור ראשוני נטו, שהוא הכמות נטו של פחמן אורגני המוסר מהמערכת האקולוגית על ידי צמחים. צמחים הם אוטוטרופים, מה שאומר שהם מסוגלים ליצור חומרים מזינים ואנרגיה מחומרים אנאורגניים ואור שמש במהלך תהליך הנקרא פוטוסינתזה. הכמות הכוללת של פחמן קבוע - שהוצא מהמערכת האקולוגית - במהלך הפוטוסינתזה נקראת ייצור ראשוני גולמי. עם זאת, צמחים מפיצים פחמן גם במהלך הנשימה. לפיכך, הייצור הראשוני נטו מחושב על ידי הפחתת כמות הפחמן שמוציאים הצמחים במהלך הנשימה מכמות הפחמן הקבועה במהלך הייצור הראשוני הגולמי.
קביעת Exchange Exchange Ecosystem
בעוד שצמחים הם אוטוטרופים, בני אדם ובעלי חיים הם הטרוטרופים, כלומר הם דורשים חומרים מזינים אורגניים - מזון - מהסביבה ועליהם להשתמש בחמצן כדי לייצר אנרגיה ממזון המתעכל. נשימה הטרוטרופית מייצרת כמויות גדולות של פחמן שמוכנס למערכת האקולוגית. לפיכך, חילופי מערכות אקולוגיות נטו נקבעים על ידי הפחתת כמות הפחמן המיוצר על ידי נשימה הטרוטרופית מהייצור הראשוני נטו.
מאפיינים של מערכות אקולוגיות
מאזן פחמן הוא נכס בסיסי שמבטיח שמערכות אקולוגיות יהיו בר קיימא ובריאות. חילופי מערכות אקולוגיות נטו עוזרים לאמוד את איזון מחזור הפחמן. מכיוון שהוא מחושב על ידי הפחתה של כמה צמחי פחמן מתקנים או מסירים, מכמה פחמן שמכניסים למערכת האקולוגית, התוצאה הטובה ביותר תהיה ערך שלילי. לדוגמא, נתונים משנת 1992 עד שנת 2000 הראו כי ביערות במזרח ארצות הברית היו חילופי מערכות אקולוגיות נטו הנעים בין -84 ל -740. זה מצביע על כך שמסירים יותר פחמן ממה שמשתחרר. אם פחמן לא יוסר ביעילות, איכות האוויר והחיים במערכת אקולוגית יפגעו. גורמים נוספים שיש לקחת בחשבון לאיזון פחמן במערכת אקולוגית הוא זיהום ממפעלים ורכבים, בעוד שאוקיאנוסים מסירים גם פחמן מהאטמוספרה.
