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地球系统的碳循环与碳平衡是地球释放CO 2 等气体的理论基础。它主要是指碳元素在固体、流体及生物地球子系统之间移动规律性。它不仅与全球变化，尤其是全球气候有关，还与整个地球系统的运行过程有关，是属于地球化学过程、物理过程和生物过程的综合。
Berry、Blorkman（2006）指出：
（1）自然界中的水循环，生物圈的碳循环和大气圈的C-O循环是一个统一的系统，以2.7×1017 g/h的速度进行地球化学过程，是在生命物质的参与下完成的。
（2）在地球物质循环的过程中，能够划分出两种碳质量流：其一与水循环的气候周期密切相关，其速率为5.2×1020 g/h,形成了从地表到几千米深度的碳质量流；其二，由埋藏更深的“海水”运动所造成，其速度为2.7×1017 g/h,地表与地下水形成一个整体。
（3）陆地部分的水循环的综合速率为2.0±0.5×1019 g/h,这个值的87%~90%是由气候周期的水循环完成的，而10%~13%则由地下水完成，地下水滞留时间约为250~10 000年。
（4）地表水、地下水与海洋水形成了统一的整体，并经过大洋中脊来循环，时间长达8亿年左右。
20世纪90年代末至21世纪初,IGBP、IHDP、WCRP等国际科学组织发动和组织了全球碳循环的新一轮研究（IGBP,IHDP,WCRP,2001 ），涉及碳循环的方方面面。新一轮国际碳计划提出的主要科学问题是：
（1）格局与变革。
●碳源与碳汇格局随时间如何变化？
●大陆和盆地尺度的碳源与碳汇空间分布格局如何？
●人类活动（化石燃料的燃烧和土地利用）对碳源和碳汇格局的贡献是什么？
●在碳循环中区域和次区域对全球碳收支的影响如何？
（2）过程、控制和相互作用。
●控制过去和工业革命前大气CO 2 浓度的机理是什么？
●什么机理控制着当前陆地和海洋的碳通量？
●什么机理控制着人为碳通量和碳储库？
●反馈机制是如何工作从而放大或减少了人为和非人为碳通量的？
（3）未来全球碳循环动力学如何？
●当前陆地碳汇特征在未来是否会消失？甚至会变成碳源？
●下世纪（21世纪）海洋吸收碳的物理和生物驱动器将发生什么变化？如何影响海洋储库？
●随着工业、商业、交通、居住系统以及土地利用的变化，碳通量将会怎样变化？
●面对碳循环的挑战，人类将会怎样响应？
陈泮勤指出：每年大气与陆地生态系统之间的通量交换约有60 Pg C,大气与海洋之间的交换约为90 Pg C。目前看来，海洋和陆地都扮演着碳汇的角色。陆地生态圈对碳（C）的净吸收约为1.4 Pg/a（陆地生态系统吸收了3 Pg,但热带地区土地利用的变化又向大气排放了1.6 Pg/a ），海洋吸收了大约1.7 Pg/a的碳。