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碳循环是生态系统中最重要的生物地球化学循环之一。碳元素在大气、植物和土壤之间不断流动转换。植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳，将其转化为有机碳储存在体内。当植物死亡后，有机物进入土壤，通过微生物分解又将碳释放回大气，形成完整的循环过程。
生态系统中存在四个主要的碳库。土壤碳库是最大的碳储库，约含1600吉吨碳，主要以有机物和腐殖质形式存在。大气碳库含约850吉吨碳，主要是二氧化碳气体。生物碳库包含约550吉吨碳，储存在植物和动物体内。水体碳库约含1000吉吨碳，以溶解性碳化合物形式存在。这些碳库通过各种生物和物理过程相互交换碳元素。
碳进入生态系统主要通过三种途径。最重要的是光合作用，植物利用太阳能将大气中的二氧化碳和水转化为葡萄糖等有机化合物，这个过程发生在叶绿体中。化学合成是另一种方式，某些细菌能够在没有光照的条件下利用化学能固定二氧化碳。此外，大气沉降也会将碳颗粒物带入土壤，补充土壤碳库。光合作用是地球上最重要的碳固定过程。
碳从生态系统中释放主要通过四种途径。植物和动物的呼吸作用将有机物氧化分解，产生二氧化碳和水，同时释放能量供生命活动使用。微生物分解作用是另一个重要途径，细菌和真菌分解死亡的动植物组织，将有机碳转化为二氧化碳释放到大气中。森林火灾等燃烧过程也会快速释放大量储存的碳。这些输出过程与输入过程共同维持着碳循环的动态平衡。
完整的生态系统碳循环是一个复杂的动态系统。大气中的二氧化碳通过光合作用被森林和草地吸收，年吸收量约200吉吨。植物死亡后形成凋落物进入土壤，土壤中的有机碳通过微生物分解重新释放到大气中。在自然状态下，碳的输入和输出基本平衡，维持着生态系统的稳定。各个碳库之间通过生物和物理过程不断交换碳元素，形成完整的循环体系。