碳是有機(jī)物的基本骨架單元，是組成一切生物體的最基本元素。自然界中，碳主要存儲(chǔ)在巖石圈、水圈、生物圈及大氣圈中，碳元素在它們中間不停地進(jìn)行著流動(dòng)和交換，這種生物地球化學(xué)循環(huán)被稱(chēng)為碳循環(huán)。

 

在巖石圈中，碳元素主要以碳酸鹽的形式存在，容量大且活動(dòng)十分緩慢，是主要的碳庫(kù)。在大氣圈中，碳元素主要是以是二氧化碳和一氧化碳的形式存在；碳元素在水圈中既以無(wú)機(jī)形式存在（如溶解于水中的無(wú)機(jī)態(tài)碳），也以有機(jī)形式存在（如有機(jī)物）；在生物圈中，碳元素則以形式十分多樣的有機(jī)物的形態(tài)存在。

 

大氣圈、水圈和生物圈中的碳元素流動(dòng)和交換迅速而活躍。以陸地生態(tài)系統(tǒng)為例，植物作為生產(chǎn)者，從大氣圈中吸收二氧化碳，通過(guò)光合作用將碳元素固定并最終轉(zhuǎn)化為葡萄糖、淀粉等有機(jī)物滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)需求。動(dòng)物作為消費(fèi)者，通過(guò)直接或者間接進(jìn)食植物，將植物固定的碳元素轉(zhuǎn)化為自身的組成部分。這是大氣中的碳元素向生物圈流動(dòng)的過(guò)程。

 

另一方面，動(dòng)植物通過(guò)呼吸作用，將自身合成的一部分有機(jī)物分解，生成二氧化碳返還到大氣中。同時(shí)，植物的凋落物、殘?bào)w以及根系分泌物，動(dòng)物的排泄物、殘?bào)w等被微生物分解利用，形成二氧化碳?xì)w還至大氣中。另外，部分的動(dòng)植物殘?bào)w在被分解之前被掩埋形成沉積物，最終轉(zhuǎn)變成有機(jī)燃料，當(dāng)它們?nèi)紵龝r(shí)，其中的碳也以二氧化碳的形式排入大氣。這些過(guò)程又使生物圈中的碳元素返還到大氣圈中。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，水中所溶解的二氧化碳、水生植物、動(dòng)物、微生物之間也存在著類(lèi)似的碳循環(huán)。

 

長(zhǎng)期以來(lái)，生物圈固定和釋放的碳處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。工業(yè)時(shí)代之后，人類(lèi)開(kāi)始大量利用化石燃料，燃料燃燒釋放出大量的二氧化碳，從而導(dǎo)致大氣中的二氧化碳濃度升高，溫室效應(yīng)隨之增強(qiáng)，引起全球氣候變化。據(jù)報(bào)道，2020年1月的全球平均氣溫破紀(jì)錄，成為自1880年有氣象記錄以來(lái)的最熱1月。有學(xué)者預(yù)測(cè)，人類(lèi)在未來(lái)將會(huì)面臨溫度升高、更極端的天氣、水資源壓力、海平面上升以及海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞等環(huán)境問(wèn)題。同時(shí)，有研究表明，空氣中二氧化碳濃度升高會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物（如大豆，小麥等）食用部分中的鐵、鋅含量降低，從而影響人類(lèi)食物中的養(yǎng)分含量。不過(guò)，也有學(xué)者認(rèn)為，從大尺度來(lái)看，目前出現(xiàn)的全球氣候變化是地球氣候的正常波動(dòng)。同時(shí)有研究表明，大氣中二氧化碳濃度升高可以顯著增強(qiáng)植物的光合作用，提高植物產(chǎn)量以及水分利用率，隨著大氣二氧化碳濃度的不斷增加，地球上幾乎所有植物的光合速率和生物量都出現(xiàn)了增長(zhǎng)，這一過(guò)程可以使植物和土壤捕獲和固定更多的碳，從而對(duì)化石燃料燃燒釋放的二氧化碳有部分抵消作用。