คำจำกัดความของการแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิ

ระบบนิเวศประกอบด้วยสัตว์ พืช จุลินทรีย์ และองค์ประกอบที่อยู่อาศัยที่ไม่มีชีวิตรอบตัว เช่น น้ำ อากาศ และดิน สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดต้องการการผลิตพลังงานบางรูปแบบ สัตว์ทุกตัวต้องการการหายใจ การแลกเปลี่ยนออกซิเจนกับคาร์บอนไดออกไซด์จึงจะมีชีวิตอยู่ได้ พืชต้องการการหายใจและออกซิเจนเช่นกัน แต่พวกมันยังแก้ไขหรือกำจัดคาร์บอนออกจากสิ่งแวดล้อมและผลิต ออกซิเจนที่ให้ชีวิตที่สัตว์ใช้ เชื้อเพลิงจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่พวกมันเก็บเกี่ยวโดยใช้ออร์แกเนลล์พิเศษที่เรียกว่า คลอโรพลาสต์ การแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิคำนวณโดยสูตรที่แสดงให้เห็นว่ามีการปล่อยคาร์บอนเข้าสู่สิ่งแวดล้อมมากน้อยเพียงใดเมื่อเทียบกับปริมาณที่กำจัดออกไป การแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิบางครั้งเรียกว่า "การผลิตระบบนิเวศสุทธิ"

เพื่อรักษาชีวิตบนโลกอย่างที่เป็นอยู่ตอนนี้ คาร์บอนในชั้นบรรยากาศและคาร์บอนที่ตรึงอยู่กับสิ่งมีชีวิตทางชีววิทยาจำเป็นต้องสมดุลกัน มิฉะนั้นจะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ สัตว์และผู้คนเพิ่มคาร์บอนให้กับระบบนิเวศโดยการหายใจเพียงอย่างเดียว คาร์บอนในบรรยากาศยังถูกผลิตขึ้นโดยการสลายตัว เนื่องจากสัตว์ที่ตายแล้วและสสารจากพืชปล่อยคาร์บอนที่สะสมอยู่ในเนื้อเยื่อของพวกมัน และโดยการเผาไหม้ของต้นไม้ พืช และเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น:

• น้ำมัน
  
• ถ่านหิน

เพื่อต่อต้านผลกระทบเหล่านี้ พืชที่มีชีวิตจะเรียกว่า "อ่างคาร์บอน" เนื่องจากพวกมันกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากสิ่งแวดล้อมและเปลี่ยนเป็นออกซิเจนและพลังงานอาหาร

จำเป็นต้องมีปัจจัยหลายประการเพื่อกำหนดการแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิ ประการแรกคือการผลิตขั้นต้นสุทธิ ซึ่งเป็นปริมาณสุทธิของคาร์บอนอินทรีย์ที่ถูกกำจัดออกจากระบบนิเวศโดยพืช พืชเป็นออโตโทรฟ ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถสร้างสารอาหารและพลังงานจากสารอนินทรีย์และแสงแดดในระหว่างกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง ปริมาณคาร์บอนคงที่ทั้งหมด - ถูกกำจัดออกจากระบบนิเวศ - ระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเรียกว่าการผลิตขั้นต้นขั้นต้น อย่างไรก็ตาม พืชยังปล่อยคาร์บอนระหว่างการหายใจ ดังนั้น การผลิตขั้นต้นสุทธิจึงคำนวณโดยการลบปริมาณคาร์บอนที่พืชปล่อยออกมาในระหว่างการหายใจออกจากปริมาณคาร์บอนคงที่ในระหว่างการผลิตขั้นต้น

แม้ว่าพืชจะเป็นออโตโทรฟ แต่มนุษย์และสัตว์ต่างก็เป็นเฮเทอโรโทรฟ ซึ่งหมายความว่าพวกมันต้องการสารอาหารอินทรีย์ -- อาหาร -- จากสิ่งแวดล้อม และต้องใช้ออกซิเจนเพื่อผลิตพลังงานจากอาหารที่ย่อยแล้ว การหายใจแบบ heterotrophic ทำให้เกิดคาร์บอนจำนวนมากที่ถูกใส่เข้าไปในระบบนิเวศ ดังนั้น การแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิจึงถูกกำหนดโดยการลบปริมาณคาร์บอนที่เกิดจากการหายใจแบบเฮเทอโรโทรฟิกออกจากการผลิตขั้นต้นสุทธิ

ความสมดุลของคาร์บอนเป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่ทำให้ระบบนิเวศมีความยั่งยืนและมีสุขภาพดี การแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิช่วยวัดความสมดุลของวัฏจักรคาร์บอน เนื่องจากคำนวณโดยการลบจำนวนพืชคาร์บอนที่ตรึงหรือขจัดออก จากจำนวนคาร์บอนที่ใส่เข้าไปในระบบนิเวศ ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดคือค่าลบ ตัวอย่างเช่น ข้อมูลจากปี 1992 ถึงปี 2000 แสดงให้เห็นว่าป่าไม้ในภาคตะวันออกของสหรัฐอเมริกามีการแลกเปลี่ยนระบบนิเวศสุทธิตั้งแต่ -84 ถึง -740 สิ่งนี้บ่งชี้ว่ามีการกำจัดคาร์บอนมากกว่าที่ปล่อยออกมา หากไม่กำจัดคาร์บอนอย่างมีประสิทธิภาพ คุณภาพของอากาศและชีวิตในระบบนิเวศก็จะได้รับผลกระทบไปด้วย ปัจจัยอื่นๆ ที่ควรพิจารณาความสมดุลของคาร์บอนในระบบนิเวศคือมลพิษจากโรงงานและยานพาหนะ ในขณะที่มหาสมุทรยังกำจัดคาร์บอนออกจากชั้นบรรยากาศด้วย