תוֹכֶן
מערכת אקולוגית כוללת בעלי חיים, צמחים, חיידקים ורכיבי בית הגידול שאינם חיים סביבם, כמו מים, אוויר ואדמה. כל אורגניזם חי דורש צורה מסוימת של ייצור אנרגיה. כל בעלי החיים דורשים נשימה, החלפת חמצן לפחמן דו חמצני, כדי להישאר בחיים. צמחים דורשים גם נשימה וחמצן, אך הם גם מקבעים או מוציאים פחמן מהסביבה ומייצרים חמצן נותן חיים המשמש את בעלי החיים, המונעים על ידי אנרגיה סולארית שהם קוצרים באמצעות אברונים מיוחדים הנקראים כלורופלסטים. החלפת המערכת האקולוגית נטו מחושבת על ידי נוסחה המראה כמה פחמן מכניסים לסביבה בהשוואה לכמה שמוסרים. חילופי מערכות אקולוגיות נטו נקראות לעתים גם "ייצור מערכות אקולוגיות נטו".
מחזור הפחמן
כדי לשמור על החיים על פני האדמה כפי שהם כעת, יש לאזן בין פחמן באטמוספרה ופחם קבוע באורגניזמים ביולוגיים. אם לא, ייווצר שינוי באקלים. בעלי חיים ואנשים מוסיפים יותר פחמן למערכת האקולוגית פשוט על ידי נשימה. פחמן אטמוספרי מיוצר גם על ידי ריקבון, שכן בעלי חיים מתים וחומר צמחי משחררים פחמן שנאגר ברקמותיהם ועל ידי בעירה של עצים, צמחים ודלקים מאובנים, כמו נפט ופחם. כדי לנטרל השפעות אלה מכונים צמחים חיים "כיורי פחמן" מכיוון שהם מוציאים את הפחמן הדו-חמצני מהסביבה והופכים אותו לחמצן ואנרגיית מזון.
גורמי מפתח ותנאים
דרושים מספר גורמים בכדי לקבוע את חילופי המערכות האקולוגיות נטו. הראשון הוא ייצור ראשוני נטו, שהוא הכמות נטו של פחמן אורגני שהוצא מהמערכת האקולוגית על ידי צמחים. צמחים הם אוטוטרופים, מה שאומר שהם מסוגלים ליצור חומרים מזינים ואנרגיה מחומרים אורגניים ואור שמש במהלך תהליך שנקרא פוטוסינתזה. הסכום הכולל של הפחמן הקבוע - שהוסר מהמערכת האקולוגית - במהלך פוטוסינתזה נקרא ייצור ראשוני גולמי. עם זאת, צמחים גם מפטרים פחמן במהלך הנשימה. לפיכך, הייצור העיקרי נטו מחושב על ידי הפחתת כמות הפחמן המוענקת על ידי הצמחים במהלך הנשימה מכמות הפחמן הקבועה במהלך הייצור הראשוני הגולמי.
קביעת חילופי מערכות אקולוגיות נטו
בעוד שצמחים הם אוטוטרופים, בני אדם ובעלי חיים הם הטרוטרופים, כלומר הם זקוקים לחומרים מזינים אורגניים - מזון - מהסביבה ועליהם להשתמש בחמצן כדי לייצר אנרגיה ממזון מעוכל. נשימה היטרוטרופית מייצרת כמויות גדולות של פחמן המוכנס למערכת האקולוגית. מכאן שהחלפת מערכות אקולוגיות נטו נקבעת על ידי הפחתת כמות הפחמן המיוצר על ידי נשימה הטרוטרופית מהייצור הראשוני נטו.
מאפייני מערכות אקולוגיות
איזון פחמן הוא מאפיין בסיסי שמבטיח שמערכות אקולוגיות קיימות ובריאות. החלפת מערכות אקולוגיות נטו עוזרת לאמוד את איזון מחזור הפחמן. כפי שהוא מחושב על ידי הפחתת כמה צמחי פחמן מתקנים או מסירים, מכמה פחמן שמוכנס למערכת האקולוגית, התוצאה הטובה ביותר תהיה ערך שלילי. לדוגמא, נתונים משנת 1992 עד 2000 הראו כי ביערות במזרח ארצות הברית היו חילופי מערכות אקולוגיות נטו שנעו בין -84 ל -740. זה מצביע על כך שמסירים יותר פחמן ממה שמשתחרר. אם לא יוסרו פחמן ביעילות, איכות האוויר והחיים במערכת אקולוגית תסבול. גורמים נוספים שיש לקחת בחשבון לצורך איזון הפחמן במערכת אקולוגית הוא זיהום ממפעלים וכלי רכב, ואילו אוקיינוסים מוציאים פחמן מהאטמוספרה.