自然界中，一种元素从一处“跑”到另一处是很罕见的，然而碳元素却能在生物的作用下，每时每刻都在大气、海洋、陆地之间“跑”来“跑”去，并在不同形态间来回“切换”，最终形成了一个完整的循环往复、流动不已的过程，这就是通常所说的碳循环。
碳元素在地球上的存在形式
在地球上，碳元素以不同的形式存在于岩石、土壤、大气、水体、生物体等各个部分之中，这些部分就像仓库一样储存着碳元素，因此学术上通常将它们称为“碳库”。
岩石圈是地球上最大的碳库，据推测，地球上90%的碳元素都存储其中，主要以碳酸盐和化石燃料的形式存在。自然过程中，岩石圈里碳元素活动非常之缓慢，与其他碳库之间缺乏快速、明显的元素流动，实际上仅起到了贮存的作用。
相比于岩石圈，大气、土壤、海洋、生物这些碳库则显得活跃很多。虽然这些库容量不大，但却是碳循环的主体。在这些碳库中，海洋碳库的容量最大，大约含有39万亿吨碳，主要以无机盐的形式存储于中层和深层海水中；陆地植被和土壤中储存的碳约2.3万亿吨，主要以各种形式的有机物存在；大气中的碳含量最小，大约在7600亿吨左右，主要以二氧化碳的形式存在。
1990年的碳循环过程（单位以10亿吨碳计）
碳循环的过程
在自然环境下，碳循环的主要形式是从大气碳库开始的。陆地生态系统中的植物通过光合作用，将大气中的二氧化碳固定在有机物中，储藏于植物体内。食草动物吃了植物以后，经消化、合成，一部分碳通过呼吸作用、以二氧化碳的形式回到大气中，另一部分则成了动物体的组分。同样，食肉动物捕食了食草动物后，也会发生类似的过程。动物排泄物、动植物残体中的碳则进入土壤碳库中，最终通过细菌、真菌等微生物的分解作用，也转化为二氧化碳，再回到大气中。据测算，在工业化之前，陆地生态系统每年通过光合作用固定的碳元素大约在1200亿吨左右，而通过呼吸作用返回到大气中的碳元素大约在1196亿吨上下，基本保持平衡的状态。
除了这个过程，碳循环还会以溶解、沉积、释放的过程在碳库之间发生交换，其中最为典型的交换发生在大气和海洋之间。由于地球的表面70%是海洋，这么大的面积，当然会溶解不少二氧化碳。在化学平衡的作用下，这些碳以二氧化碳分子、碳酸氢根离子和碳酸根离子的形式共存于海洋的表层。在一定条件下，这些碳也可以再次以二氧化碳的形式返回大气。据估算，在工业化之前，每年海洋从大气中吸收700亿吨碳，同时释放706亿吨碳。
人类对碳循环的影响
在农耕文明时期，人类主要是通过毁林、开荒等行为影响碳循环过程，作用并不是很大。但进入工业时代之后，人类大量使用化石能源，极大地改变了碳循环过程。化石燃料中的碳是几亿年前地球存储下来的，原本比较稳定，很难和其他碳库发生关系。但是人类把它们都从地底下挖出来烧掉，一下子加快了它们和其他碳库间的交换。化石燃料中的碳最主要的排放形式，就是以二氧化碳的形式进入大气。据估算，在20世纪90年代，人类平均每年要向大气排放64亿吨碳。
相比大自然的碳循环总量，人类活动的排放量并不大，但是长期持续下来依然会造成极为可观的影响。据测算，工业化之前，大气碳库中的碳仅有5970亿吨，也就是说，目前大气碳库中大约20%的碳是人类活动排放的。可以说，人类活动已经深刻地改变了地球的碳循环过程。（文中图片和具体数据引自IPCC第四次报告）
相关领域的最新进展
研究人员在青藏高原冻土碳库评估方面取得新进展
冻土是指零摄氏度以下并含有冰的各种岩土和土壤，主要分布在北半球的寒冷地区。过去几十年，持续的气候变暖使全球冻土分布区出现了以冻土活动层厚度增加、热融喀斯特加剧等为标志的融化现象。显著的冻土融化很可能会导致冻土中长期封存的大量有机碳被分解释放，形成对气候变暖的强烈正反馈。为了深入认识这种反馈关系，必须先研究清楚冻土碳库的大小及其分布特征。然而，由于缺乏足够的地面观测资料以及有效的尺度转换方法，目前学术界对于冻土碳库的估算仍存在很大的不确定性。
中国科学院植物研究所杨元合研究组以青藏高原多年冻土区为研究对象，通过2013年至2014年连续2年的大范围取样，获得了342个3米深度和177个50厘米深度的土壤剖面样品。在此基础上，研究人员发展了基于地面观测、卫星遥感、气候要素和土壤信息等多源数据与支持向量机相结合的碳库估算方法体系，系统评估了青藏高原3米深度冻土碳库的大小及其分布特征。研究结果发现，青藏高原3米深度冻土碳库的大小为153.1亿吨，其中44%储存在1-3米的深层土壤中；冻土碳库呈现出从研究区东南向西北递减的趋势。
该研究结果表明青藏高原多年冻土区是一个重要的碳库。这意味着持续的气候变暖可能导致这部分碳被微生物分解释放，进而对我国陆地生态系统碳循环产生深远影响。值得一提的是，该研究构建的深层土壤碳数据库为校验地球系统模型提供了基准，研究中发展的大尺度碳库估算方法体系为降低区域碳库估算中的不确定性提供了新的思路。
该研究结果近期在线发表在 Global Change Biology期刊上。杨元合研究组博士生丁金枝是该论文的第一作者。研究得到了科技部重大科学研究计划、国家自然科学基金、中科院-北京大学“率先合作团队”和中组部“青年千人计划”项目的资助。
科研人员于2013年至2014年对青藏高原多年冻土区大范围取样，获得342个3米深度和177个50厘米深度的土壤剖面样品
青藏高原冻土碳库呈现出从研究区东南向西北递减的趋势
