碳及其化合物在生物圈内生命系统与非生命环境系统之间不断地合成、转化和分解的运动过程。碳是生命的基本元素。碳分子的特点是可以结合成一条长链，为复杂的有机分子——糖类、氨基酸、蛋白质、核酸提供骨架。生物体碳素的主要来源是大气中的CO ₂。碳循环是从植物固定CO₂合成生活有机物质开始，再回到CO₂的过程。它既受生化过程控制，也受物理过程影响。大气中的CO₂、生物体内的含碳有机物、地质沉积的含碳化合物、水体中的碳酸氢盐和碳酸盐离子等组成一个连续的碳循环系统。这个系统具有较强的自我调节机制。在自然状态下，大气中CO₂含量保持相对稳定，输入输出大致平衡，由于人类经济活动的强烈于扰，使大气中CO₂浓度剧增，导致全球气候恶化。

地球上绝大部分的碳都是以碳酸盐、煤炭、石油形式贮存在地层和海洋沉积物内，大气中碳的含量较少，主要以CO₂的形式存在。气态CO₂和溶解在水中的CO₂（呈各种碳酸氢盐）是植物制造生活有机物质的碳源。生物圈中的碳循环包括两个不同的循环途径：一是陆地生物与大气之间的碳素交换。植物（包括某些光合细菌）通过光合作用吸收大气中的CO₂，与水合成碳水化合物等有机物并释放出氧；植物固定的有机碳一部分用于自身的呼吸作用，提供生命活动所需要的能量，并产生CO₂。另一部分有机碳被动物采食后转入动物体内，动物呼吸排出CO₂；动植物残体经土壤微生物的分解作用，释放CO₂，返回大气中参与再循环。埋藏于地下的某些含碳有机物，由于空气不足或酸度太高，使微生物分解作用中断，积累的有机物逐渐转变成泥炭、煤、石油等能源物质，暂时出现循环的停滞。全球绿色植物每年吸收的CO₂约为285×10⁹吨，其中森林吸收约118×10⁹吨，占42%。所以，森林在陆地生物碳循环中起着重要的作用。二是海洋与大气之间的碳素交换，包括水生生物的有机碳循环和无机碳循环。海洋中的浮游植物同化溶解于海水中的CO₂，并释放出氧；水生动物利用浮游植物固定的碳合成自身需要的有机碳；最后有机碳分解释放出CO₂为浮游植物利用。在大气与海洋的交接面上，还有由风和浪的作用带动进行的CO₂的动态交换。CO₂能迅速溶于水，在水中产生一系列化学反应，最终形成碳酸氢盐和碳酸盐离子，水生植物就是利用这些离子进行光合作用的。当大气中CO₂浓度增加时，海洋表层吸收的CO₂就多；海水中CO₂浓度增高时，则转变成碳酸盐而沉积下来，从而调节了大气中CO₂的浓度。水体中的沉积物与陆地淋溶下来的碳酸盐类经过沉降作用和成岩作用形成碳酸盐岩石，出现部分碳元素循环的暂时停滞。碳酸岩的风化和溶解、化石燃料的燃烧以及火山活动，使这部分停滞的碳元素又回到循环系统中，完成碳素的生物地球化学循环（见图）。

生物圈内的碳循环

19世纪以来，全球碳循环受到人类活动的强烈干扰。人类大量使用煤、石油等化石燃料，每年释放到大气中的碳约50～60亿吨；每年因农业过度的土壤耕作返回大气的碳约20亿吨；加上大量森林的砍伐不但减少对CO₂的固定，而且使植株和土壤固定的碳被释放。尽管海洋能吸收近一半的额外碳源，也避免不了全球大气CO₂浓度的升高。工业化前的1800年，大气的CO₂含量约为275ppm，1958年为315ppm，1985年则达345ppm。CO₂含量上升的主要原因，1950年以前是由于砍伐森林、燃烧木材、开荒耕作，促进土壤有机碳分解的结果；1950年以后则是由于大量开采与燃烧化石能源造成的。CO₂浓度的升高虽然有利于提高植物的光合量，但由于CO₂的温室效应，导致南极冰层融化，冰盖缩小，海平面上升，这一趋势仍在继续。估计到21世纪时，如果没有新的能源代替，大气中CO₂含量将会增加一倍。因此，合理调控碳循环，维护碳循环系统的动态平衡是一个值得注意的全球性问题。