碳是有機物的基本骨架單元，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行著流動和交換，這種生物地球化學循環(huán)被稱為碳循環(huán)。

 

在巖石圈中，碳元素主要以碳酸鹽的形式存在，容量大且活動十分緩慢，是主要的碳庫。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機形式存在（如溶解于水中的無機態(tài)碳），也以有機形式存在（如有機物）；在生物圈中，碳元素則以形式十分多樣的有機物的形態(tài)存在。

 

大氣圈、水圈和生物圈中的碳元素流動和交換迅速而活躍。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、淀粉等有機物滿足自身生長需求。動物作為消費者，通過直接或者間接進食植物，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的過程。

 

另一方面，動植物通過呼吸作用，將自身合成的一部分有機物分解，生成二氧化碳返還到大氣中。同時，植物的凋落物、殘體以及根系分泌物，動物的排泄物、殘體等被微生物分解利用，形成二氧化碳歸還至大氣中。另外，部分的動植物殘體在被分解之前被掩埋形成沉積物，最終轉(zhuǎn)變成有機燃料，當它們?nèi)紵龝r，其中的碳也以二氧化碳的形式排入大氣。這些過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、動物、微生物之間也存在著類似的碳循環(huán)。

 

長期以來，生物圈固定和釋放的碳處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)。工業(yè)時代之后，人類開始大量利用化石燃料，燃料燃燒釋放出大量的二氧化碳，從而導致大氣中的二氧化碳濃度升高，溫室效應隨之增強，引起全球氣候變化。據(jù)報道，2020年1月的全球平均氣溫破紀錄，成為自1880年有氣象記錄以來的最熱1月。有學者預測，人類在未來將會面臨溫度升高、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)境問題。同時，有研究表明，空氣中二氧化碳濃度升高會導致農(nóng)作物（如大豆，小麥等）食用部分中的鐵、鋅含量降低，從而影響人類食物中的養(yǎng)分含量。不過，也有學者認為，從大尺度來看，目前出現(xiàn)的全球氣候變化是地球氣候的正常波動。同時有研究表明，大氣中二氧化碳濃度升高可以顯著增強植物的光合作用，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，這一過程可以使植物和土壤捕獲和固定更多的碳，從而對化石燃料燃燒釋放的二氧化碳有部分抵消作用。