生物圈中的碳以有机碳和无机碳形式不断生成、分解、转移、再生并相互转化的物质循环过程。在陆地和海洋上存在两个相对独立的碳循环系统。一个是从CO₂到生命有机体，再到CO₂的碳素内循环，此循环与农业生产关系密切。另一个是碳从CO₂到生命有机体后，没有转化成CO₂，而是由有机体转变成化石碳和碳酸盐，经过开发燃烧或碳酸盐氧化后，又重新转变为Co₂，这是碳素外循环。内循环周期以年计、月计，甚至以周计；外循环的周期是以地质年代计算的。在海洋和大陆之间的CO₂，是通过空气的运动紧密地耦联在一起的。据计算大气中约有2.4×10⁴亿吨的CO₂，绿色植物每年大约需要消耗此量的1/20～1/35。如果没有相反的过程把CO₂归还到大气中，大约经过20～35年，大气中的CO₂将消耗殆尽，直接或间接靠光合积累生长的植物、动物将不能继续生活下去。碳循环维持了整个人类的生存和生物圈的生态平衡。

早在19世纪，地球化学家们已研究了碳在大气圈、海洋和地壳内的数量与分布。1934年V.M.戈尔斯施米特就提出了碳循环图。生物圈中的碳循环是从绿色植物光合作用固定CO₂开始的。植物固定的碳，一部分被动物所消耗并通过呼吸作用释放出CO₂，动物和植物死亡后，在有氧的条件下，有机质的一部分被土壤中的微生物所分解，它们中的碳被氧化成CO₂，并回到空气中。CO₂的净生产率因植被的类型不同而有很大差异。热带雨林地区，森林生长迅速，每平方米的森林面积上每年所固定的碳为1～2公斤。北极冻土地带和沙漠地区只能固定上述数量的1%。中纬度的森林和耕地，其同化量为每平方米0.2～0.4公斤。森林不仅是陆地上CO₂的主要消耗者，也是生物固碳的主要贮藏所。每年大约有120～150亿吨的碳转化为木材。在海洋中也进行类似的碳循环。它们由浮游生物固定CO₂开始。浮游生物被鱼类或其它动物食用，这些动物不断地呼吸放出CO₂补充到水中。动、植物尸体分解，有机碳又变成CO₂回到水中。海水中的CO₂。可以自给自足。参加内循环的碳只占地球上总碳量的千分之几，但它是整个碳循环的原动力。

动、植物尸体的另一部分，在地壳深层或海底缺氧的条件下，形成油母页岩、煤、石油和碳酸盐等有机碳和无机碳。在自然条件下，有机碳只有通过火山作用或岩石风化作用才能以CO₂的形式被释放回大气中。海洋深层的碳酸盐是地球上碳的最大贮藏所。只有当深层水和表层水进行交换时，才能被氧化释放一部分CO₂，回到海水中。海洋中最深层的水要完全更新至少需要1000年。所以，海洋中的碳素转换是碳循环中最缓慢的一个环节。

在自然条件下，生物圈的碳循环基本是平衡的（见图）。人类的活动对碳循环有重大影响。每年有50～60亿吨的化石碳燃烧，形成的CO₂约有1/3留在大气中，2/3溶于海水中。20世纪以来，大气中的CO₂从290μl/L增加到320μl/L，其中约1/5是70年代增加的，这种现象仍在继续，已经引起了人们的关注，因为大气中CO₂不断增加，可能引起全球温度上升、降水重新分配和气候变迁。但也有人认为CO₂浓度升高后，会刺激植物光合作用，增加生物固碳量，同时海洋会吸收多余的CO₂，建立新的平衡。

在碳循环中，凡能把CO₂固定为有机碳的物质称为CO₂库（又称二氧化碳汇）；凡能供给植物光合作用所需CO₂的直接和间接来源，称为二氧化碳源。植物是CO₂的唯一的库。动、植物的呼吸，有机质的分解，火山爆发，化石碳的燃烧以及岩石风化都可以放出CO₂到大气和水中，它们都是植物光合作用所需CO₂的源。CO₂源和库之间没有截然的分界，植物是CO₂的源，又是CO₂的库，在人们讨论陆地植物的光合作用时，往往把大气和土壤视为CO₂的源，因为各种途径释放的CO₂，在补充植被下层对CO₂的需要有着特殊的意义，在一定程度上弥补了植被内乱流交换弱、CO₂供应不足使光合强度减少的矛盾。CO₂来源多的地方（城市、工矿区）和季节（冬季），大气中CO₂浓度就高；凡是光合作用旺盛进行的时期（夏季、白天），大气中CO₂浓度就低。土壤呼吸释放CO₂的数量因天气条件、土壤肥力和土壤湿度而异，就白天平均值而言，土壤呼吸提供的CO₂占植物光合作用所需的10%～20%。特殊肥沃的土壤呼吸放出的CO₂数量相当于植物光合作用固定量。

碳素循环图

从人类的利益看，应加速碳素的内循环，给人类创造更多的财富；控制外循环，防止因人类对石油、煤等的开发和燃烧所带来的一系列严重后果。