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－森林生態系的碳循環

森林為生物群系之一，就植物社會觀點來看，森林為一以樹木及其他木本植群佔優勢的植物社會 如就生物社會之觀點，則森林可視為以木本植物佔優勢之動植物集合體 就生態系觀點視之，樹木控制了地理及物化之環境作用，故森林為生態系的一種，其中生物與環境因子發生廣大的作用，形成能量之傳遞 (能流)及物質之交替循環(物流)等。

  • 森林生態系

    1. 無機物質: 包括物質循環中的碳､氮､二氧化碳､水等物質 ;
    2. 有機化合物: 如蛋白質､碳水化合物､脂肪及腐植質等，存在於生物及無生物界 ;
    3. 氣候機制 : 如輻射能､溫度及其他物理因子 ;
    4. 生產者: 即自營生物，如綠色植物，能由簡單之無機物製造食物者 ;
    5. 大形消費者或攝食者: 即異營生物，一般指動物而言，能消化其他生物之有機物者 ;
    6. 小形消費者或腐解者: 亦為異營生物，主要為細菌及真菌，可分解複雜之有機體，本身吸收一部分分解物，以維持生活，同時放出無機養分，供給生產者再度利用，或放出有機物，作為其他生物組成份子之能源，有時對其他組成份子施以抑制或促進之作用。

    關於生態系的一般構造概念，參見下圖 :

  • 光合作用與呼吸作用

    1. 利用太陽能將空氣中的CO2固定成碳水化合物，即稱為光合作用。樹木的光合作用主要是在葉子的葉肉細胞內進行，利用太陽能將CO2素及水作成碳水化合物而放出氧氣。碳水化合物是構成植物的主要物質。
    2. 植物亦如動物一般，能藉呼吸作用將糖氧化為CO2及水，並釋放可供利用的化學能。呼吸作用使用極大量的碳水化合物，以溫帶地區的大型喬木而言，呼吸作用要消耗光合作用所固定之碳水化合物的60%左右，而熱帶喬木則較溫帶喬木要消耗更多的光合產物。
    3. 光合作用主要在葉部進行，呼吸作用則在所有活細胞內進行。
    4. 此外，在樹木的一生中，呼吸細胞總數會不斷增加，而光合細胞總數對已成長的樹木而言，卻是固定的，因此光合作用與呼吸作用的比值，在樹木成熟後便逐漸下降。

  • 二氧化碳對林木的影響

    1. 林木所需的CO2直接攝取自大氣及土壤。一般大氣中的CO2量為300ppm(0.03%)，或為330ppm。這是指大氣中長期的CO2平均濃度，在局部區域，或同一天中的不同時段，CO2濃度變化量甚大，例如在林冠下層甚至可達800ppm，而在潮濕無風的林床附近，CO2含量可高達1800ppm。夜晚森林通常潮濕無風，此時光合作用停止，但呼吸作用仍在進行，到黑夜將盡時，林內CO2含量會達最高峰 ; 但白天樹冠附近的CO2濃度變化約只為±25ppm，對林木光合作用不會形成顯著影響。
    2. CO2雖有週期性的變異，但整個生態系會維持平衡，不致影響林木的發育，故在一般植群生態研究中，CO2並不足以構成限制因子。此外，若無其他條件限制，大氣中的CO2增加本可促進樹木生長，因為CO2的供應量會改變光合作用的速率，但是樹木的生長又受制於土壤中氮量的供應，所以森林可能也無法從大氣中的CO2 增加而受益。

  • 碳循環

    大氣中的CO2為碳素主要來源。陸地上的植物每天經由光合作用固定的CO2約為0.18×10*12噸，其中森林的固定量約為0.13×10*12噸，佔70%。植物本身的呼吸，可將60%以上的碳素歸還大氣，其餘則部分經由動物呼吸而逸入大氣中，部分由微生物分解有機物而放出CO2。包括有機物分解放出CO2､植物地下部分呼吸及土壤動物呼吸還原CO2，皆屬土壤呼吸。當通氣不良而產生嫌氣性細菌作用，就會有甲烷生成。 

    1. 陸地生態系碳循環模式，圖示如下

    2. 世界上植物利用的CO2量，空氣中存在的CO2，與海水中所溶解的CO2，此三者若換算成碳量，便可加以比較。見下表 : 

    生長地
    面積
    (平方公里)
    平均每年每方公里 所固定之碳 (噸/平方公里)

    每年固定之碳總量 (噸)

    每年固定之碳總量損失量(噸
    海洋 361x10*6 375 13.5x10*10  
    陸地 149x10*6 130 1.6x10*10  
    總計     15.1x10*10 18.8x10*10

    陸地部份
    森林 44x10*6 250 11x10*9  
    種植 27x10*6 160 4x10*9  
    草原 31x10*6 36 1.1x10*9  
    沙漠 34x10*6 7 0.2x10*9  
    兩極 13x10*6 0 ...............  
    小計 149x10*6   16.3x10*9 1.9x10*10

    全世界每年有二千億噸的碳自CO2生成植物質。此量相當於吸收七千億噸的CO2，與產生約五千億噸的固體物質。世界上有 90%的光合作用係由海水與淡水之藻類產生，其餘則由野生或栽培的陸地植物所固定。陸地上的各種植物所固定之碳量不同，例如平均每年每噸玉米約儲存一噸的碳，而甘蔗儲碳量為其二十倍，至於沙漠灌木則為1/20。覆蓋地表面積廣大的森林並非為最有效的光合作用植物，草原和沙漠植物的貢獻則更少 ; 不過，佔陸地面積1/4的森林，已足以對大氣中CO2產生相當的抵消作用和吸收作用，據估計，一公頃的熱帶天然林一年約可吸收250噸的CO2。海洋中的含碳量較大氣中更多，以CO2 和碳酸鹽方式存在。每年被光合作用固定的碳為2×10*11噸，僅代表世界上可用CO2的0.4%。換言之，地表含有可資利用的CO2，足以支持光合作  用250年。平均每250年地面上的CO2必經光合作用而成植物質，然後又經呼吸作用返回?span class="eng">CO2形式。

  • 石化燃料與溫室效應

    1. 植物形成的化石燃料，主要為煤：

    2. 由於植物光合作用的速率遠超過利用光合有機碳化合物的呼吸作用，從古至今長期累積下來，過剩的光合作用產物乃得以煤及石油的型態儲存於地殼內。今日一些蘊藏豐富､作為近代工業用煤之源的煤床，主要是由古生代石炭紀(距今約310~350萬年前)的巨大森林所形成。 煤炭的形成，和泥炭有關。泥炭是由於樹木陷入沼澤中，以致無足夠氧氣可供細菌和真菌產生破壞作用，經久而造成 在積水和大量死木同時存在的地方都得以產生泥炭。泥炭受海底地形移動影響，加上河流不斷將泥土沖積到沼澤地，使泥炭被埋藏得愈來愈深，形成褐煤 (一種低級煤)。壓力的累積，使褐煤進一步轉變成煙煤 (軟煤 )，再進一步則形成無煙煤。一呎 (約0.3公尺) 厚的煙煤乃由原本20呎厚的植物質壓縮而成。

    3. 自古以來，大氣中的CO2幾乎保持不變，光合作用和呼吸作用達成平衡。但自近代人類使用煤及石油等燃料，以及大量砍伐森林，使大氣中的CO2含量漸增，大氣科學家甚至預測下個世紀? span class="eng">CO2會增至600ppm。近年來大氣中CO2濃度增加之趨勢，參見下圖 :


本網頁最後維護日期1999/07/03