Metsät toimivat elintärkeinä hiilinieluina, joilla on keskeinen rooli ilmastonmuutoksen hillitsemisessä; ne eivät ainoastaan varastoi hiiltä, vaan myös muovaavat hiilen kiertoa biosfäärissä.

Hiilensidontaa ja kasvien kasvua voidaan pitää kasvikunnan yhteisenä ihmeenä, eli fotosynteesinä. Fotosynteesi eli yhteyttäminen muuttaa auringon valon kemialliseksi energiaksi ja tuottaa vedestä ja hiilidioksidista happea ja sokeria. Tämä prosessi sitoo hiiltä puun runkoon, oksiin ja lehtiin.

Kaikki kasvavien kasvien kasvuprosessi toimii samantyyppisesti. Hiilensidonta ei rajoitu vain puiden osiin, vaan se tapahtuu myös metsän maaperässä.

Lehtien, oksien ja juurten mädäntyessä maahan, hiili vapautuu ja sitoutuu maaperän orgaaniseen ainekseen.

Myös meressä tapahtuu fotosynteesiä. Plankton ja muut organismiryhmät suorittavat samankaltaisen prosessin kuin maalla olevat kasvit. Kun planktonit kuolevat ja vajoavat merenpohjaan, ne voivat kuljettaa merenpohjaan mukanaan hiiltä, joka voi säilyä siellä. 

Leväkukinnat ja koralliriutat ovat myöskin merkittäviä hiilensidontalähteitä. Meillä päin ei ole koralleja, mutta pohjoisen meriruohoniityt ovat merkittäviä hiilidioksidin sitojia sekä varastoja. 

Hiilivarasto metsissä

Puut hiilivarastona: 

Nuoret ja nopeasti kasvavat metsät ovat erityisen tehokkaita hiilinieluja, koska ne sitovat enemmän hiiltä kuin vanhemmat metsät. Vanhetessaan metsä hidastaa kasvuaan ja muuttuu hiilivarastoksi, joka pitää sisällään sidotun hiilen.

Puut ovat hiilivarastoja myös lopputuotteena. Sillä on merkitystä, mitä puutavarasta tehdään. Lopputuote määrittää hiilivaraston pitkäikäisyyden. Esimerkiksi 100m2 hirsitaloon on sitoutuneena noin 6000kg hiiltä.

Biomassa hiilivarastona:

Elävä biomassa toimii myös hiilen varastona. Osa hiilestä päätyy maaperään kun lehdet, oksat ja muu kasvimateriaali rapistuu ja hajoaa. Maaperä toimii pitkäaikaisena hiilivarastona ja hiili voi pysyä siellä vuosisatoja tai pidempään.

Hiilivaraston muutosta kuvaa vuosittainen hiilitase.

Hiilenkierto metsässä

Fotosynteesi

Fotosynteesi on biologinen prosessi, jossa kasvit, levät ja tietyt bakteerit muuntavat auringonvalon energian kemialliseksi energiaksi. Yhteyttäminen tapahtuu kasvin viherhiukkasissa eli kloroplasteissa. 

Yhteyttämisessä hiilidioksidista ja vedestä syntetisoidaan hiilihydraatteja ja sivutuotteena syntyy happea. Ks yllä oleva kuva.

Fotosynteesi on perusta hiilen kierrolle talousmetsissä, koska se on ensisijainen keino, jolla hiili sitoutuu ekosysteemiin. Hiilen sidonta fotosynteesin kautta ei ole vakio, vaan se vaihtelee useiden tekijöiden, kuten valon saatavuuden, lämpötilan, ravinteiden saatavuuden ja veden mukaan. Nämä tekijät vaihtelevat vuodenajan, sääolosuhteiden ja metsänhoidon käytäntöjen mukaan. Lisäksi eri puulajit ja kasvit ovat tehokkaampia hiilen sitomisessa kuin toiset, mikä vaikuttaa siihen, kuinka paljon hiiltä metsäekosysteemi voi sitoa kokonaisuudessaan.

Soluhengitys

Puissa tapahtuu myös soluhengitystä. Soluhengityksessä osa hiilestä palautuu takaisin ilmaan eli tulee ns. aineenvaihdunnan ylijäämätuotetta. Kuitenkin hiilensidonta on kasvavissa puissa suurempaa.  

Soluhengitystä tapahtuu myös muussa metsän kasvillisuudessa. Metsän eläimet vapauttavat myös hengityksessä hiilidioksidia. 

Biomassan kasvu 

Kun fotosynteesi tuottaa glukoosia, kasvit käyttävät tätä orgaanista yhdistettä kasvaakseen ja rakentaakseen soluja, mikä lisää niiden biomassaa. Biomassa viittaa kaikkiin organismeihin tietyllä alueella, ja tässä yhteydessä erityisesti puun runkoon, oksiin, lehtiin ja juuriin varastoituneeseen hiileen. Mitä enemmän metsä kasvaa, sitä enemmän hiiltä se sitoo, mikä tekee metsistä tärkeitä hiilinieluja.

Biomassan kasvunopeus vaihtelee puulajin mukaan ja siihen vaikuttaa myös metsän ikä, ilmasto-olosuhteet ja ravinteet. Nuoret, nopeasti kasvavat metsät kykenevät sitomaan hiiltä nopeammin kuin vanhat metsät. Tämä on yksi syy siihen, miksi metsän uudistaminen ja uudelleenistutus ovat tärkeitä hiilen sidonnan kannalta.

Metsät ovat tehokkaita hiilensitojia, mutta ne toimivat myös hiilenlähteinä. Kun kasvit kuolevat ja puut lahoavat niistä vapautuu hiiltä ilmakehään. Metsä on hiilinielu niin kauan kuin sen biomassan määrä kasvaa vuositasolla.  

Maaperä

Kun metsän kasvit ja puut kuolevat, niiden orgaaninen aines hajoaa. Tämä prosessi on tärkeä, koska se vapauttaa ravinteita takaisin ekosysteemiin uusien kasvien käyttöön ja samalla varastoi hiiltä maaperään. Maaperän hiili on peräisin monista lähteistä, kuten kuolleista lehdistä, kaatuneista puista ja juurista.

Maaperän mikro-organismit, kuten bakteerit ja sienet, hajottavat orgaanista ainesta. Tämä vapauttaa hiiltä ja muita ravinteita. Osa hiilestä kulkeutuu takaisin ilmakehään, kun taas osa jää maaperään liuenneena orgaanisena aineena tai hajoamiselle resistentteinä hiiliyhdisteinä. Turvemailla hiiltä vapautuu myös metaanin muodostumisessa. Lisäksi metsissä tapahtuu eroosiota ja huuhtoutumista, jolloin hiiltä voi poistua.

Maaperän kyky varastoida hiiltä riippuu useista tekijöistä, kuten maaperän tyypistä, lämpötilasta, kosteudesta, orgaanisen aineksen määrästä ja maankäytön käytännöistä. Esimerkiksi syvämultaiset maaperät voivat varastoida enemmän hiiltä kuin ohutmultaiset tai kivikkoiset maaperät. Kivennäismaiden ja turvemaiden maaperän hiilivarasto on erilainen. Metsäojitetuilla soilla turve on suurin hiilivarasto, kun taas ravinteikkailla kasvupaikoilla turve toimii hiilen lähteenä.

Maaperän hiilivarastot ovat tärkeitä, koska ne voivat säilyttää hiiltä vuosikymmeniä, vuosisatoja tai jopa vuosituhansia. Tämä auttaa hillitsemään ilmastonmuutosta pitkällä aikavälillä.