碳是有机物的基本骨架单元，是组成一切生物体的最基本元素。自然界中，碳主要存储在岩石圈、水圈、生物圈及大气圈中，碳元素在它们中间不停地进行着流动和交换，这种生物地球化学循环被称为碳循环。
在岩石圈中，碳元素主要以碳酸盐的形式存在，容量大且活动十分缓慢，是主要的碳库。在大气圈中，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无机形式存在（如溶解于水中的无机态碳），也以有机形式存在（如有机物）；在生物圈中，碳元素则以形式十分多样的有机物的形态存在。
大气圈、水圈和生物圈中的碳元素流动和交换迅速而活跃。以陆地生态系统为例，植物作为生产者，从大气圈中吸收二氧化碳，通过光合作用将碳元素固定并最终转化为葡萄糖、淀粉等有机物满足自身生长需求。动物作为消费者，通过直接或者间接进食植物，将植物固定的碳元素转化为自身的组成部分。这是大气中的碳元素向生物圈流动的过程。
另一方面，动植物通过呼吸作用，将自身合成的一部分有机物分解，生成二氧化碳返还到大气中。同时，植物的凋落物、残体以及根系分泌物，动物的排泄物、残体等被微生物分解利用，形成二氧化碳归还至大气中。另外，部分的动植物残体在被分解之前被掩埋形成沉积物，最终转变成有机燃料，当它们燃烧时，其中的碳也以二氧化碳的形式排入大气。这些过程又使生物圈中的碳元素返还到大气圈中。在水生生态系统中，水中所溶解的二氧化碳、水生植物、动物、微生物之间也存在着类似的碳循环。
长期以来，生物圈固定和释放的碳处于一个动态平衡状态。工业时代之后，人类开始大量利用化石燃料，燃料燃烧释放出大量的二氧化碳，从而导致大气中的二氧化碳浓度升高，温室效应随之增强，引起全球气候变化。据报道，2020年1月的全球平均气温破纪录，成为自1880年有气象记录以来的最热1月。有学者预测，人类在未来将会面临温度升高、更极端的天气、水资源压力、海平面上升以及海洋和陆地生态系统遭到破坏等环境问题。同时，有研究表明，空气中二氧化碳浓度升高会导致农作物（如大豆，小麦等）食用部分中的铁、锌含量降低，从而影响人类食物中的养分含量。不过，也有学者认为，从大尺度来看，目前出现的全球气候变化是地球气候的正常波动。同时有研究表明，大气中二氧化碳浓度升高可以显著增强植物的光合作用，提高植物产量以及水分利用率，随着大气二氧化碳浓度的不断增加，地球上几乎所有植物的光合速率和生物量都出现了增长，这一过程可以使植物和土壤捕获和固定更多的碳，从而对化石燃料燃烧释放的二氧化碳有部分抵消作用。
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