Hiilen kierto

Hiilen sitominen ja vapautuminen on monen biologisen prosessin summa.

Ensimmäinen ja tärkein hiilensidonnan vaihe on vihreiden kasvinosien yhteyttäminen, eli kasvien kyky muodostaa orgaanisia molekyylejä ilmakehän hiilidioksidista ja vedestä auringonvalon energialla. Näistä molekyyleistä rakennetaan uusia kasvinosia ja ylläpidetään olemassa olevien osien elintoimintoja. Kasvien biomassan kuivapainosta noin puolet on hiiltä.

Yhteyttämästään hiilestä eli yhteytystuotoksesta puut käyttävät noin puolet kasvuun eli biomassan rakentamiseen. Osa tästä kohdennetaan pitkäikäisiin tuki- ja kuljetusrakenteisiin kuten runkoon, oksiin ja paksuihin juuriin. Toinen osa käytetään nopeasti lakastuviin osiin kuten lehtiin, hienojuuriin tai kuoreen. Kun nämä lakastuvat ja tippuvat, muodostavat ne maan pinnalle karikekerroksen, jota maan mikrobit hajottavat vapauttaen samalla hiilidioksidia. Kun koko puu aikoinaan kuolee, myös sen pitkäikäisiin osiin kuten runkoon varastoitunut hiili vapautuu mikrobitoiminnan seurauksena hitaasti takaisin ilmakehään.

Samaan aikaan, kun elävä kasvi käyttää yhteyttämäänsä hiiltä biomassan kasvuun, osa yhteytystuotoksesta vapautuu takaisin ilmakehään kasvien hengityksen seurauksena. Hengitys tarkoittaa hiilidioksidipäästöjä, jotka syntyvät jäännöstuotteena kasvisolujen ja mikrobien vapauttaessa itselleen kemiallista energiaa hapettamalla orgaanisia molekyylejä. Yleensä hengityksen vapauttama hiilidioksidimäärä on noin puolet yhteyttämällä sidotusta hiilestä.

Puun latvus

Kasvin lehdet pidättävät ilman hiilidioksidia yhteyttämällä ja vapauttavat sitä hengittämällä. Yhteytys tarvitsee valoa, kun taas hengitystä tapahtuu niin valossa kuin pimeässäkin. Lämpötila ja veden saatavuus vaikuttavat voimakkaasti molempiin tekijöihin.

Mitä lämpimämpää ja valoisampi ilma on, sitä voimakkaammin animoidut hiilidioksidimolekyylit liikkuvat kohti latvusta. Hiilidioksidimolekyylit pääsevät lehtien sisään sen pinnalla sijaitsevien ilmarakojen kautta. Latvuksesta kuitenkin myös vapautuu hiilidioksidia, sillä yhteyttämisen lisäksi lehdet myös hengittävät. Jos valoa ei ole, yhteyttämistä ei tapahdu ja animaatiossa näkyy vain hengityksen tuottama hiilidioksidivirta latvuksesta ilmakehään. Lämpötila on tärkein puiden aktiivisuuteen ja siten myös hengitykseen vaikuttava tekijä.

Runko

Puun runko muodostuu pitkäikäisestä sekä lehtiin ja juuriin verrattuna melko passiivisesta kuljetus- ja tukisolukosta, joka päästää rungon elävien sisäosien solujen aktiivisuuden tuottamaa eli hengityksessä vapautunutta hiilidioksidia. Jossakin rungon osissa voi kuitenkin esiintyä myös yhteyttämistä.

Rungon aktiivisuutta eli hengitystä säätelee lähinnä lämpötila. Aurinkoisena päivänä rungon lämpötila voi nousta ympäristöä korkeammaksi, mikä kiihdyttää rungon aktiivista toimintaa ja siten hiilidioksidin vapautumista rungosta.

 

Pintakasvillisuus

Boreaalisten metsien kasvillisuusrakenne muodostuu puista sekä monilajisesta pintakasvillisuudesta joka yhteyttää, haihduttaa ja hengittää samoilla periaatteilla kuin puiden latvus. Hiilidioksidi- ja vesivirtojen suuruudet vaan ovat pienemmät pintakasvillisuuden koon ja vähäisemmän valon saatavuuden takia. Pintakasvillisuutta ovat esimerkiksi varvut, heinät, ruohot ja sammalet.

Maa

Maan alla elää myös monitahoinen pieneliöstö eli mikrobisto, jonka toiminnasta vapautuu hiilidioksidia maahan ja sitä kautta ilmakehään. Yli puolet maan kokonaishiilidioksidipäästöstä eli maahengityksestä saattaa olla peräisin näistä mikroskooppisista organismeista, jotka hajottavat kariketta ja kaikenlaista maan kuollutta orgaanista ainetta.

Toinen puoli maan hiilidioksidipäästöistä tulee kasvien juurista, jotka ankkuroivat kasvin fyysisesti maahan. Lähes kolmannes puun biomassasta voi olla juurissa. Juurten pääasiallinen tehtävä on veden ja epäorgaanisten ravinteiden saaminen maasta kasvin käyttöön. Ravinneionien imeytyminen ja kuljettaminen sekä juurten kasvu ja ylläpito kuluttaa energiaa, eli vapauttaa hiilidioksidia maahan ja sitä kautta ilmakehään. Juurten hiilidioksidipäästöjä kutsutaan juurten hengitykseksi.

Maan lämpötila ja kosteus vaikuttavat voimakkaasti juurten ja mikrobien toimintaan. Maahengitys on suurinta lämpimässä ja kohtuullisen kosteassa maassa.