生命元素——碳的循环就其本质来说就是空气（包括海洋）中的CO2到活着的有机体中，再从活着的有机体中通过多种途径以CO2的形式回到大气中，这样周而复始地不停地循环，在这个循环中，大气中CO2的浓度保持着一定的平衡。

CO2是空气中最主要的微量成分之一。它的最主要来源之一是海洋，海洋既从大气中吸收CO2，又向大气中输送CO2。全球平均起来，每年海洋向大气输送4.15×1011吨CO2，其形成的原因既有水生生物的呼吸、腐败，也有含钙的有机物在深层海水中可能溶解转化为碳酸盐，并被海水送回表层，分解成CO2。除了海洋外，自然界的火山爆发、动植物呼吸、森林火灾和有机体的腐败也是CO2的重要来源。它们始终保证着地球上正常的碳循环。科学家在对极地冰心的研究中发现，在公元1700年以前的数千年中，大气中CO2和CH4的浓度一直处于相对稳定状态，大约只是在百万分之200。

可是由于人类的干扰，碳循环打破了平衡。20世纪50年代，美国科学家选择了夏威夷的远离工业区的Mauna Loa山顶作为大气中二氧化碳含量的测量站。测量的结果表明（见图8-1），在1958—1968年的十年间，CO2的浓度从百万分之316上升到百万分之322，平均每年上升0.19%。1968—1974年的六年间，CO2的水平由百万分之322增加到百万分之331，年增量达0.46%。如今世界气象组织说2009年已达到百万分之386.8，2010年达到百万分之389，2011年是百万分之390.9。

目前大气中二氧化碳浓度的迅速增加，主要原因是人为来源，那就是人类无限制地大规模燃烧矿物燃料（煤和石油），其次是人类的高消费生活方式，还有就是大规模的砍伐森林以及战争。尤其是人类对巴西热带雨林的毁坏，构成了对碳循环严重的破坏行为，等于是摧毁了“地球之肺”。1995年8月卫星照片显示，亚马孙热带森林地区竟有7.2万个“刀耕火种”的烧荒亮点，这种荒唐的烧荒至今却仍在延续。据计算，森林的砍伐就使得大气中每年要增加20亿吨碳。战争的破坏同样也是惊人的，1991年伊拉克在海湾战争中纵火燃烧625口油井，并将原油大量倾入海湾，结果造成天降黑雨。2010年墨西哥湾漏油事件所泄漏的原油更是难以估量。

图8-1　夏威夷大气中二氧化碳浓度的月平均值

地球大气中的二氧化碳浓度原本是处在一个动态平衡之中的。大气中的碳元素进入生物界几乎全是由于植物的光合作用，每年通过光合作用流入生物界的碳元素的量相当于1.8×103亿吨，大气中的CO2大约20年就完全更新一次。海洋每年要吸收全球大约四分之一的二氧化碳排放量，现有的绿色植物每年要吸收5500亿吨的二氧化碳，释放4000亿吨氧气。

如果没有人类近乎丧失理智的碳消费行为和大量的污染，地球上的碳循环完全能够在自由状态下得到调整和维持。但是由于人类的干扰和破坏，这个碳的动态平衡如今已是处在一个失控状态了。二氧化碳和甲烷浓度人为地增加，打破了碳在生物循环中的平衡，构成了人类对碳循环严重的干扰，最终就导致了十分严重的使地球大气增温的效应，造成了地球环境的严重改变和破坏。

由于地球大气中的CO2（包括水蒸气、甲烷和氧化亚氮）对波长为13000～18000纳米的长波红外辐射具有强烈的吸收作用，因而只有太阳的短波长辐射才能进入到地球表面，从而使得地表在吸收了短波长辐射能量后，造成低层大气升温，同时CO2（包括其他温室气体）又阻挡了地表升温后向外辐射的长波长红外辐射，使得这一散热过程无法进行，引起了地球大气的增温效应，这个效应就称为温室效应。

科学家对地球大气中二氧化碳浓度增加导致地球增温后果的研究令人震惊，特别是在对金星的探测中发现金星表面的温度最高达447℃，原因就是金星的大气密度是地球大气的100倍，且96.5%以上是二氧化碳。这个发现无疑是对目前地球大气现状的当头棒喝。

就短期而言，大气中的二氧化碳浓度及甲烷等浓度的增加不仅会导致地球变暖，更重要的是它还将严重地改变地球的环境，引起气候的变化和海平面上升，其后果将严重危害人类的生存。

根据加拿大科学家的研究，每年通过化学燃料释放到大气当中的二氧化碳有50多亿吨。同时在热带地区每年都要砍掉不少森林，然后把它转换成农田，全世界森林面积以每年约1700万公顷的速度消失，也释放很多二氧化碳，大概有20亿吨左右，这两个是二氧化碳增多的主要原因。这充分说明正是人类的活动才使得大气中二氧化碳浓度在迅速增加。我们自然不希望金星环境演变的悲剧在地球上重演，因此，人类必须约束自己的行为。

人类对碳循环的扰动和破坏除了导致地球增温并引起一系列地球环境的严重破坏外，还有一个更重要的方面就是碳的生物循环也会遭受破坏。生物碳循环，包括有机碳化合物的合成与有机碳化合物的分解两个过程。植物、动物和微生物在碳循环中担当极其重要的角色，没有它们承担各自独特的任务，碳的生物循环也就无法进行。大气中二氧化碳浓度的增加，对生命中的碳循环来说，就意味着碳源的增加，而这一增加必然会引起生态的不平衡，诸如植物生长的加速，从而导致其他生命元素如氮元素循环的变化，进而影响到生命中的循环，从长远来说，其前景难以预料。尽管科学家目前对此长期后果还了解不多，但已有的研究已清楚地表明了，大气CO2浓度的升高将对生物圈产生直接和间接的影响。其中之一就是人类排放的过量二氧化碳正在改变海水的化学结构，加重其酸性程度，使许多海洋生物赖以生存的环境受到损害，这从珊瑚的生存危机中可见一斑。由于海水温度的升高，珊瑚失去了表层的微生物后，就变得透明了，露出了自己的真面目——石灰质的骨架。于是，地球各地海洋的珊瑚树都忽然开始像经过了一场漂白，因此越来越多的珊瑚树从此将不再复原。此外，形成珊瑚礁的珊瑚虫在海水温度升高的情况下还会过早死亡。联合国2009年12月14日公布的一项研究结论表明，越来越多的二氧化碳排放导致海洋吸收过量，化学平衡将被打破。据预计，到2050年，海洋酸度将提高150%，导致海洋生态系统受到难以适应的威胁。

实验室的一些实验已经表明，二氧化碳浓度的持续上升，不仅对全球气候的变化会产生重大影响，而且对植物的光合作用、水分利用、蛋白质合成及生物量等都会有不同程度的影响。美国农业部农业研究局的科学家最近在《科学与发展网络》上撰文称，在气候变化挑战面前，与确保食品供应数量同等重要的，是如何保持主要粮食作物的质量。因为陆续有实验发现，高浓度二氧化碳可能会“冲淡”农作物中蛋白质的含量。简单地说，因为多出来的二氧化碳常常转化成淀粉等碳水化合物，可能会造成同等重量的一粒稻谷或一株麦穗中，其他成分的相对含量下降。

高浓度二氧化碳从长远来看肯定将会影响到植物和农作物的生长，其对动物和人类的影响又将如何，现在看还是个未知数，但它必定会影响到碳在生命体中的循环过程，平衡一旦被破坏，以碳为基础的地球生命将谁也脱不了干系。