Ekosystém zahŕňa zvieratá, rastliny, mikróby a neživé zložky biotopu okolo nich, ako je voda, vzduch a pôda. Každý živý organizmus vyžaduje určitú formu výroby energie. Všetky zvieratá potrebujú na prežitie dýchanie, výmenu kyslíka za oxid uhličitý. Rastliny tiež vyžadujú dýchanie a kyslík, ale tiež fixujú alebo odstraňujú uhlík z prostredia a produkujú ho životodarný kyslík používaný zvieratami, poháňaný slnečnou energiou, ktorú zbierajú pomocou špecializovaných organel nazývaných tzv chloroplasty. Čistá výmena ekosystémov sa počíta podľa vzorca, ktorý ukazuje, koľko uhlíka sa vloží do životného prostredia v porovnaní s tým, koľko sa ho odstráni. Čistá výmena ekosystémov sa tiež niekedy nazýva „výroba čistého ekosystému“.
Uhlíkový cyklus
Na udržanie života na Zemi v súčasnosti je potrebné vyvážiť uhlík v atmosfére a uhlík fixovaný v biologických organizmoch. Ak nie, dôjde k zmene podnebia. Zvieratá a ľudia dodávajú ekosystému viac uhlíka jednoduchým dýchaním. Atmosférický uhlík sa tiež produkuje rozpadom, keď mŕtve zvieratá a rastlinné látky uvoľňujú uhlík uložený v ich tkanivách a spaľovaním stromov, rastlín a fosílnych palív, ako sú:
- olej
- uhlie
Na potlačenie týchto účinkov sa živé rastliny označujú ako „uhlíkové záchytky“, pretože odstraňujú oxid uhličitý z prostredia a transformujú ho na kyslík a energiu jedla.
Kľúčové faktory a podmienky
Na určenie čistej výmeny ekosystémov je potrebných niekoľko faktorov. Prvou je čistá prvovýroba, čo je čisté množstvo organického uhlíka odstráneného z ekosystému rastlinami. Rastliny sú autotrofy, čo znamená, že sú schopné tvoriť živiny a energiu z anorganických látok a slnečného žiarenia počas procesu nazývaného fotosyntéza. Celkové množstvo uhlíka fixovaného - odstráneného z ekosystému - počas fotosyntézy sa nazýva hrubá primárna výroba. Rastliny však tiež vydávajú uhlík počas dýchania. Čistá prvovýroba sa preto počíta odčítaním množstva uhlíka vydaného rastlinami počas dýchania od množstva uhlíka stanoveného počas hrubej primárnej výroby.
Stanovenie čistej ekosystémovej výmeny
Zatiaľ čo rastliny sú autotrofy, ľudia a zvieratá sú heterotrofi, čo znamená, že vyžadujú organické živiny - jedlo - z prostredia a na výrobu energie z natrávenej potravy musia používať kyslík. Heterotrofné dýchanie produkuje veľké množstvo uhlíka, ktorý sa vkladá do ekosystému. Čistá výmena ekosystémov sa teda určuje odčítaním množstva uhlíka produkovaného heterotrofným dýchaním od čistej primárnej produkcie.
Vlastnosti ekosystémov
Uhlíková bilancia je základnou vlastnosťou, ktorá zaisťuje udržateľnosť a zdravie ekosystémov. Čistá výmena ekosystémov pomáha merať rovnováhu uhlíkového cyklu. Pretože sa počíta tak, že sa odčíta množstvo uhlíka, ktoré ho opraví alebo odstráni, od množstva uhlíka vloženého do ekosystému by najlepším výsledkom bola záporná hodnota. Napríklad údaje z rokov 1992 až 2000 ukázali, že lesy na východe USA mali čistú výmenu ekosystémov v rozmedzí od -84 do -740. To naznačuje, že sa odstraňuje viac uhlíka ako sa z neho uvoľňuje. Ak sa uhlík neodstráni efektívne, utrpí to kvalita vzduchu - a života - v ekosystéme. Ďalším faktorom, ktorý je potrebné vziať do úvahy pre uhlíkovú rovnováhu v ekosystéme, je znečistenie z tovární a vozidiel, zatiaľ čo oceány tiež odstraňujú uhlík z atmosféry.