亞馬遜森林真的是「地球之肺」嗎？
― 森林會製造氧氣，但自己也用掉差不多的量
「亞馬遜森林製造了地球兩成的氧氣」。每次森林大火的新聞一出，這句話就會再度流傳開來。然而，成熟的森林幾乎會把自己製造的氧氣全部用光。而空氣中的氧氣，就算森林全部燒掉也不會造成困擾，因為儲量實在太大。那麼，森林就不重要了嗎？並非如此。森林重要的理由，其實在氧氣之外的地方。
電視上播著冒著煙燃燒的亞馬遜森林。畫面下方寫著「地球之肺正在燃燒」。
看著這畫面的人，心裡會有點喘不過氣的感覺。「森林要是這樣一直減少，呼吸的空氣會不會消失？」
可是，就算在深山裡待上好幾天，也不會因為氧氣太濃而頭暈。即使站在沙漠正中央，呼吸也一樣正常。森林附近和沙漠，空氣中氧氣的比例幾乎相同。這是為什麼呢？
「地球之肺」這個說法為何言過其實？有兩個理由
樹木在白天進行光合作用製造氧氣，但不論白天黑夜都會用呼吸消耗氧氣。此外，分解落葉和倒木的菌類與昆蟲，也會用掉氧氣。在成熟的森林裡，製造量和消耗量幾乎相等。
空氣中大約21%是氧氣，數量多到令人難以想像。就算把全世界的陸地植物都燒光，用掉的氧氣也只占這筆「存款」的大約0.1%。
第一點說的是「森林雖是氧氣工廠，但並沒有把氧氣往外輸出」。第二點說的是「就算工廠停工，倉庫裡還有幾千年份的庫存」。接下來依序說明。
森林製造的氧氣，會在森林裡被用光
植物利用光，從二氧化碳和水製造出糖。這個過程中會產生氧氣，這就是光合作用。到這裡，都是學校教的內容。
然而，植物要靠自己製造的糖來維生。用氧氣分解糖、取出能量，就是呼吸作用。呼吸作用正好是光合作用反方向的反應。據估計，植物自身大約會用掉自己製造的糖的一半，用於呼吸。
剩下的糖，會變成葉子、樹幹和根。但葉子終究會落下，樹木也終有一天會倒下。這些被菌類和昆蟲吃掉、分解的時候，又會用掉氧氣。熱帶森林溫暖又潮濕，這種分解進行得特別快。
於是，在成熟的森林裡，「光合作用釋放的氧氣」和「呼吸與分解用掉的氧氣」幾乎相等。如果森林還在持續長大，兩者之間就會有差距；但一座延續了幾百年的森林，重量幾乎不再改變。重量不變，就代表進與出是平衡的。
研究人員的估算也顯示，亞馬遜森林對空氣「淨增加」的氧氣幾乎是零。2019年那場大火發生時，英國的生態學者就曾指出這一點，引發討論。
就算森林全部燒掉，空氣中的氧氣也只會減少0.1%
那麼，如果森林真的消失了，空氣中的氧氣會減少多少呢？這是可以計算的。木材燃燒時，木材裡的碳會與空氣中的氧結合，變成二氧化碳。用掉的氧氣量，由燃燒的碳量決定。
地球上陸地植物所含的碳，估計總共約4500億噸。把這些全部燒掉，會用掉大約1兆2000億噸的氧氣。看起來是個很大的數字，但空氣中的氧氣約有1200兆噸，也就是整整1000倍之多。
請試著移動圖1的滑桿。左邊的長條是空氣中的氧氣，右邊的長條是二氧化碳。就算把陸地植物全部燒光，左邊的氧氣長條幾乎不會動。21%只會變成大約20.93%而已。
圖1中真正顯眼的，反而是右邊的長條。二氧化碳只占空氣中極小的一部分，所以增加同樣的量，比例上的變化就很大。森林燒毀之所以令人擔心，並不是因為「氧氣會減少」，而是因為「原本儲存在森林裡的碳，會以二氧化碳的形式釋放到空氣中」。
答案是「沒有被分解、而是埋入地底的植物和浮游生物」。屍體一旦被分解，製造出來的氧氣就會被用回去。但如果埋在海底或沼澤底部而躲過分解，那部分氧氣就會留在空氣中。經過幾億年的累積，才形成現在的21%。煤炭和石油，正是當時被埋藏下來的東西。燃燒它們，等於是把過去留存的氧氣一點一點地用回去。實際觀測也發現，空氣中的氧氣確實正在極其緩慢地持續減少。
據估計，地球整體光合作用中，大約一半是由海洋中的微小浮游生物完成的。這是事實。不過即使在海洋中，製造出來的氧氣大部分也會被浮游生物自身，以及吃它們的生物的呼吸所用掉。「製造的量」和「淨剩下的量」是兩件不同的事，這一點和森林一樣。
總結
成熟的森林，會把光合作用釋放的氧氣，幾乎全部透過自己的呼吸和落葉分解用光。而且空氣中的氧氣量多到不成比例，就算把陸地植物全部燒光，也只會減少大約0.1%。就氧氣而言，「地球之肺」這個說法確實言過其實。但森林是龐大碳元素的「金庫」。一旦燒毀或遭砍伐，裡面的碳就會以二氧化碳的形式釋放到空氣中。此外，森林還支撐著降雨的水循環，以及無數生物的棲息地。
森林與其說是氧氣工廠，更像是碳的金庫。
一旦失去它，令人困擾的不是呼吸的空氣，而是金庫裡的內容物。
森林中儲存的碳量，詳見「一個人排放的二氧化碳，要靠幾棵樹才能吸收完？」；落葉的分解，詳見「森林裡的落葉，為什麼不會堆積成山？」。地球生物的重量分布，請參考「如果把地球上所有生物都放上磅秤，最重的會是什麼？」。
- 把養金魚水缸用的水草（如金魚藻）放進裝水的透明杯子裡，放在陽光下，葉子會冒出小氣泡。這些氣泡就是光合作用釋放出的氧氣。
- 用箱子把杯子罩住使其變暗，過一段時間後觀察，氣泡幾乎不再冒出。即使在黑暗中，水草仍持續用呼吸消耗氧氣。
- 如果在水中滴入一點理化教室常用的「BTB液」，會看得更清楚。在光亮處，二氧化碳減少，水會偏藍色；在黑暗處，呼吸作用使二氧化碳增加，水會偏黃色。
在一株水草裡，白天「製造」占優勢，夜晚則只剩下「消耗」。把整座森林以一天、一年為單位加總起來，這兩者幾乎互相抵銷——這就是本文想說的事。
想深入了解的人請看 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理化到大學專業科目，會明確標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中理化課教的範圍
- 高中高中「生物」「化學」「地球科學」教的範圍
- 高中＋高中課程的進階內容，或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（生態學、地球化學）的內容
- 研究中連大學也還不會當作「定論」教授、研究人員目前仍在研究的話題
國中用語：這個現象是有名字的
- 光合作用：植物利用光能，從二氧化碳和水製造出糖的作用，過程中會產生氧氣。
- 呼吸作用：生物利用氧氣分解糖、取出能量的作用，過程中會產生二氧化碳。植物不論白天夜晚都會進行。
- 分解者：吃落葉和屍體並加以分解的菌類、細菌、小型昆蟲等。分解時會用掉氧氣。
國中高中用公式驗證：把陸地植物全部燒光，氧氣會減少多少？
本題要算的量是「燒毀植物時，空氣中氧氣比例的減少量」。先算出燃燒所用掉的氧氣重量，再與空氣中氧氣的總量比較。
| 用符號表示 | C ＋ O₂ → CO₂ ， M(O₂) ＝ M(C) × 32 ÷ 12 |
| 用文字表示 | 用掉的氧氣重量 ＝ 燃燒的碳重量 × （氧氣分子1個的重量 ÷ 碳原子1個的重量） |
| 公式的來源 | 燃燒時，1個碳原子會與1個氧氣分子結合（化學反應式）。原子數目守恆，所以重量比為32比12（質量守恆定律） |
| 陸地植物所含的碳 | 估計約4500億噸（450吉噸） |
| 空氣中氧氣的總量 | 估計約1200兆噸（120萬吉噸） |
| 空氣中氧氣的比例（體積） | 約20.95% |
| 目前二氧化碳的濃度 | 約420ppm |
| 大氣二氧化碳每1ppm對應的碳量 | 約2.12吉噸 |
符號與單位的意義：M(C) 為燃燒的碳重量（吉噸），M(O₂) 為用掉的氧氣重量（吉噸）。1吉噸等於10億噸，ppm 是表示百萬分之一的單位。
| 碳的重量 × 32 | 450 × 32 ＝ 14400 |
| ÷ 12，得出用掉的氧氣（吉噸） | 14400 ÷ 12 ＝ 1200 |
| 佔空氣中氧氣的比例 | 1200 ÷ 1200000 ＝ 0.001 |
| 氧氣比例下降的幅度（百分點） | 20.95 × 0.001 ≒ 0.021 |
| 燒毀後氧氣的比例（%） | 20.95 － 0.021 ≒ 20.93 |
| 二氧化碳的增加量（ppm） | 450 ÷ 2.12 ≒ 212 |
| 燒毀後的二氧化碳（ppm） | 420 ＋ 212 ＝ 632 |
氧氣只會減少整體的0.1%（千分之一），比例從20.95%變成20.93%。而同樣數量的碳，會讓二氧化碳從420ppm增加到約630ppm，增加五成之多。因為每減少1個氧氣分子，就會增加1個二氧化碳分子，所以增減的「分子數」是相同的。看起來差異這麼大，是因為兩者原本的總量相差約500倍。圖1的長條，就是依照這個計算結果來變動的。
高中高中＋把「製造量」和「淨剩餘量」分開來看
高中在生態系中，植物透過光合作用製造的有機物總量，稱為「總生產量」。從中扣除植物自身的呼吸消耗量，就是「淨生產量」。淨生產量再扣除以落葉、枯枝形式失去的量，以及被動物吃掉的量，剩下的部分，就是森林重量的增加量（生長量）。
高中＋在成熟的森林（頂極群落）中，生長量幾乎為零。由淨生產量製造出來的有機物，會經由落葉等途徑流向分解者，再透過呼吸作用變回二氧化碳。把整座森林看成一個箱子，流出的氧氣和流入的氧氣相互平衡，對空氣的淨貢獻幾乎消失——這就是本文的結論。
大學淨初級生產、淨生態系生產與大氣氧氣收支
在生態學中，總初級生產（GPP）扣除植物呼吸量後，稱為淨初級生產（NPP）。再進一步扣除分解者等異營生物的呼吸量，就是淨生態系生產（NEP），這才是真正直接關係到與空氣之間淨交換量的數值。根據渦流相關法等觀測，成熟熱帶林的 NEP 被認為非常接近零，有些年份甚至是正值、有些年份是負值。另一方面，大氣中的氧氣，被認為是在地質時代中，有機碳和黃鐵礦被埋入沉積物後逐漸累積而成的。在現今的大氣中，精密測量已確認：由於化石燃料的燃燒，氧氣與氮氣的比例（O₂/N₂ 比）正逐年些微下降。
📖 公式推導與更深入的內容：碳循環（維基百科） ／ 斯克里普斯海洋研究所 大氣氧氣觀測計畫（英語）
研究中目前仍未完全釐清的事
- 亞馬遜森林現在是否仍在吸收二氧化碳？ 在森林遭砍伐、乾燥化日益嚴重的東南部，有觀測報告指出，森林的淨收支已轉為釋放二氧化碳。至於整座森林整體的狀況如何，目前仍有爭論。
- 氧氣比例為何長期穩定在21%前後？ 有一種說法認為，氧氣過多會使森林大火更容易發生，進而讓植物減少、氧氣供應也隨之減少，形成一種自我調節機制。但這個機制到底發揮多少作用，目前尚不清楚。
- 森林究竟製造了多少雨水？ 據稱亞馬遜森林會透過葉片蒸發水分，把水氣帶往內陸形成降雨。至於森林減少到什麼程度，這套降雨機制就會崩潰，目前的估計範圍仍相當大。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的解釋」。森林在氧氣以外的價值，仍有許多尚未被完全測定。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化二年級「植物身體的作用」（光合作用與呼吸作用） | 理由1、觀察區塊 |
| 高中 | 基礎化學「化學反應式與量的關係」／生物「生態系與物質循環」 | 用公式驗證、總生產量與淨生產量 |
| 高中＋ | 生物「頂極群落與演替」 | 成熟森林的收支 |
| 大學 | 生態系生態學、地球化學（碳循環、大氣氧氣收支） | 淨初級生產與淨生態系生產 |
| 研究中 | 熱帶林碳收支觀測、大氣氧氣長期變動 | 研究篇章 |
| ― | 與生活的連結 | 把新聞裡「地球之肺」這句話，重新當作碳的故事來理解 |
- Bar-On, Y. M., Phillips, R., Milo, R. (2018) The biomass distribution on Earth. Proceedings of the National Academy of Sciences 115(25)
- Scripps O2 Program（斯克里普斯海洋研究所 大氣氧氣觀測計畫）
- Keeling, R. F., Shertz, S. R. (1992) Seasonal and interannual variations in atmospheric oxygen and implications for the global carbon cycle. Nature 358
- IPCC (2021) Climate Change 2021: The Physical Science Basis. 第5章 Global Carbon and Other Biogeochemical Cycles and Feedbacks
- 維基百科「碳循環」
※本文為大眾科普解說。文中數值為幫助理解機制所用的概估值。森林的含碳量與大氣中氧氣總量，依資料來源不同可能有數成的差異。