Тропические леса являются одним из основных компонентов глобальных круговоротов воды и углерода на суше, в то время как их продуктивность ограничивается поступлением питательных веществ из почвы.
Транспирация тропических деревьев оказывает большое влияние на местные температуры и осадки в регионе, и большая часть тропиков была бы теплее и суше без лесов.
Из общего количества углерода (или энергии), зафиксированного в лесах путем фотосинтеза (GPP), более половины приходится на долю самих растений, оставляя 30-40% (NPP), которые примерно поровну делятся на полог, древесину и тонкие корни. Лесоматериалы составляют около 25% NPP. Изменение скорости энергооборота означает отсутствие простой взаимосвязи между производительностью и биомассой. Даже старовозрастные леса, как представляется, в настоящее время поглощают углерод, возможно, в результате удобрения за счет повышения уровня углекислого газа. Рост лесов зависит от эффективной рециркуляции питательных веществ. Тропические леса на старых, сильно выветрившихся почвах часто могут быть ограничены по содержанию фосфора, хотя азот может быть ограниченным на ранних этапах вторичной сукцессии и в горных лесах, а другие питательные вещества могут быть ограничены на отдельных почвах.
Вода
Дождевые осадки на тропические леса в конечном итоге теряются в виде стока, дренирования в подземные воды, физического испарения с поверхностей или биологического испарения, которое включает поглощение воды из почвы корнями, внутренний перенос и испарение из листьев и, в меньшей степени, с других поверхностей.
Испарение и транспирация обычно комбинируются как «эвапотранспирация», но полезно разделить компонент, находящийся под биологическим контролем. Довольно немногие измерения относительного вклада этих двух компонентов в суммарное испарение свидетельствуют о том, что транспирация преобладает в тропических лесах (около 70% от общего количества), возвращаясь примерно на треть (35%) общего количества осадков в атмосферу.
Корни растений имеют доступ к подземным водам на значительной глубине, в то время как испарение влияет только на воду на поверхности или около нее, поэтому неудивительно, что испарение больше.
Энергия и углерод
Энергия вырабатывается в процессе фотосинтеза и протекает через лесные экосистемы в виде углеродных связей до тех пор, пока не высвобождается в виде тепла. Энергия используется только один раз, в то время как углерод — циклично, но и энергия, и углерод проходят один и тот же путь через живые компоненты экосистем.
Скорость фиксации углерода (или энергии) путем фотосинтеза - это валовая первичная продуктивность (GPP). Это не может быть измерено напрямую, но может быть оценено по ковариационным измерениям водоворота чистого обмена экосистемы (NEE) диоксида углерода между навесом и атмосферой, а также дыхания экосистем (ER). Затем эти оценки с учетом местных особенностей были экстраполированы на более широкие масштабы с использованием прогнозных моделей, основанных на количестве фотосинтетического активного излучения (PAR), поглощенного растительностью (которое можно оценить с помощью спутников), плюс широко доступные климатологические данные. Однако, точность этих экстраполяций в тропических лесах представляется низкой, поскольку они не отражают сложного взаимодействия между засухой, фенологией и GPP.
Чистое производство и обмен в экосистемах
Чистое производство экосистем (NEP) — это чистое накопление углерода экосистемами — баланс между поступлением углерода в систему, главным образом путем фотосинтеза, и оставлением углерода в виде двуокиси углерода в результате дыхания растений, микроорганизмов и животных, а также в виде VOC, метана и вымыванием в подземные воды и ручьи.
Чистый экосистемный обмен (NEE) представляет собой чистый обмен углекислым газом между экосистемой и атмосферой - баланс между фотосинтезом и дыханием экосистем (ER) - и обычно является основным компонентом ЧЭП в лесах, по крайней мере в краткосрочной перспективе, когда эпизодические нарушения могут игнорироваться.
На практике NEE и NEP, как правило, рассматриваются как синонимы, т.е. NEE = NEP. В отличие от GPP, NPP и NEP, NEE может быть измерена непосредственно методом ковариации водоворота для оценки чистого потока углекислого газа над растительностью. Этот математически сложный метод включает в себя высокочастотные измерения вертикальной скорости ветра и концентрации газа. Общее дыхание экосистемы (ER) может быть оценено по NEE в ночное время, когда фотосинтез отсутствует, поэтому можно рассчитать GPP.
Питательные вещества почвы
Помимо углерода, водорода и кислорода, все растения нуждаются в макроэлементах азота (N), калия (K), кальция (Ca), магния (Mg), фосфора (P) и серы (S), а также в ряде микроэлементов. Для того чтобы рост произошел, они должны быть доступны в соответствующих формах и поставляться с достаточной скоростью.
Производительность большинства экосистем ограничена недостатком питательных веществ, при этом среднее глобальное снижение продуктивности наземных растений ниже потенциального уровня, оцениваемого в 16-28%. N и S, как и C, в значительной степени производятся из атмосферы и, таким образом, восполняются на протяжении всей жизни экосистемы. Напротив, большинство других питательных веществ поступает из минералов в породах, которые постепенно теряются из корневой зоны в результате выветривания, за исключением крутых неустойчивых склонов или районов, подверженных наводнениям или вулканической деятельности. Поступление пыли также может быть значительным для некоторых питательных веществ.
Азот и фосфор
Газ азот составляет 78 % атмосферы, но молекула N2 относительно стабильна, и азот попадает в круговороты питательных веществ суши только в естественных условиях и после биологической фиксации азота свободноживущими симбиотическими микробами, или под дождем после преобразования в аммиак молнией.
Биологическая фиксация, как симбиотическими, так и свободными живыми микроорганизмами, на сегодняшний день является наиболее важным из этих природных источников, хотя ее роль в тропических лесах еще недостаточно изучена.
Потенциально связывающие азот виды растений широко распространены во многих тропических лесах, но неясно, насколько этот потенциал реализуется на практике, и свободоживущие бактерии могут быть столь же или более важными. Однако, в последние годы антропогенные источники азота все больше доминируют в местных, региональных и глобальных азотных бюджетах, хотя в большинстве тропиков темпы выпадений все еще относительно низкие.
Другие элементы
Основные катионы, K, Ca и Mg, также получены из первичных горных пород, но они более подвижны в почве, чем P, и поэтому более легко истощены, и требуются растениями в больших количествах.
Широко освещались связи между распределением древесных пород в различных масштабах и наличием одного или нескольких видов K, Ca и Mg, а также ответы в экспериментах по фертилизации саженцев.
Микроэлементы бор (B), медь (Cu), железо (Fe), марганец (Mn), молибден (Mo) и цинк (Zn) необходимы не только в небольших количествах, но недостатки каждого из них были отмечены в сельскохозяйственных системах и плантациях, и есть некоторые экспериментальные доказательства их важности в естественных лесах.
Другие элементы могут оказывать негативное влияние на рост растений. Алюминий встречается в почвах в основном в виде безвредных оксидов и силикатов, но при pH.