生态系统的物质循环是指

地球的碳元素遍布四大主要的储存库，它们是大气、海洋（包括中下层水体）、陆地（由土壤和植被构成）以及沉积物和岩石圈中（如图1所示）。

（1）大气碳库

大气中的碳主要以二氧化碳（CO2）的形式存在。在生物的光合作用和呼吸作用的驱动下，大气中的碳每3至4年便可完成一次彻底的更新。

（2）海洋碳库

海洋中的碳以多种形式存在，包括溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）。约98%的海洋碳以无机碳形式存在，主要为碳酸氢钠，其余部分则是有机碳。尽管游离的CO2在海洋中所占比例不足1%，但它可以被许多海洋初级生产者直接利用。这三种DIC的相对比例受到海水pH值的影响。

约97%的海洋碳位于中下层。表层海水与大气之间的碳交换可在短期内发生，其速率受到风速、海面温度及表层海水的CO2浓度的影响。而更深层次的水体与表层水体之间的碳交换过程则较为缓慢，通过生物泵，有机残渣及其中的碳酸钙会逐渐沉入深层。

（3）陆地碳库

陆地生物圈是碳元素的最大生物储存库。其中，植被中的碳含量与大气中的碳含量相当，约为6500亿吨，远高于海洋生物的储存量。

（4）岩石与沉积物碳库

这个碳库的碳元素总量占据了地球总碳量的99%以上，约108亿吨。该碳库的循环速度非常缓慢，周转时间长达数百万年。其碳循环主要受到与岩石循环相关的地质过程的影响，包括板块的运动、火山爆发、地壳和岩石风化等。

从世纪乃至更短的时间尺度来看，对全球碳循环有重要影响的是大气、陆地和海洋这三个碳库（如图2所示）。

图2展示了全球碳循环中重要的库（方框）和通量（箭头），单位为亿吨。

陆地生态系统的总初级生产量（GPP）约为每年1200亿吨，而净初级生产量（NPP）约为每年600亿吨。由于陆地生态系统的NPP略高于陆地异养生物呼吸作用损失的碳量，因此陆地成为一个净碳储存库。

在海洋生态系统中，虽然生物碳元素含量相对较低，但因其快速的更新速度（每2至3周更新一次），使得其GPP和NPP与陆地生态系统相近。约有80%的NPP通过呼吸作用重新回到环境中，而剩下的20%则通过生物泵被输送到更深的海底。

人类活动对全球碳循环产生了深远的影响。化石燃料的燃烧、水泥制造过程中的碳酸盐分解以及土地利用方式的改变都会影响陆地与大气之间的碳交换。人类活动所造成的碳释放量大约相当于陆地生态系统异养生物呼吸释放量的10%左右，这无疑加剧了全球碳循环的复杂性。

参考资料：F.S.Chapin III等所著的《陆地生态系统生态学原理》（第二版）。