1. 碳的循环

   1. 碳在自然环境中的循环

碳在各圈层中的浓度如下（括号内数字为元素的丰度次序）： 地球整体：350mg/kg（14）

地壳：200mg/kg（17）

海洋：无机碳 28mg/kg（10）；有机碳 2mg/kg（15）

大气：CO2360×10^-6（V/V）（4）；CH41.7×10^-6（V/V）（7）

环境中碳（特别是含碳有机物）的存在形态非常多歧，这与碳元素的如下性质相关：①碳元素具有四个共价性较强的价键，可通过各种各样的结合方式联结大量基团；②C—C 键具有很大强度，可形成非常长的长链结构；③ 碳原子有形成双键和多重键的能力，更加增大了生成多种有机分子的可能性。

地球上的碳主要集中在岩石之中，石灰岩中的碳（约占岩石层中总碳的3/4）主要以石灰石（CaCO3）和白云石（CaCO3·MgCO3）形态存在；沉积性页岩中的碳（约占岩石层中总碳的 1/4）主要以分散性有机物形态存在。散布在其他圈层（水体、大气、陆生生物、土壤腐植质、化石燃料、海生生物等）中的碳大约只占地球上总碳的 0.1％。

大气中碳的主要存在形态有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。在地球形成初期，作为大气组分之一的甲烷，随同氢、氨和水蒸气，通过发生在大气中的辐射或放电作用，导致了氨基酸等生命原始物质的形成。二氧化碳则逐渐被海水吸收，并以碳酸钙形式沉积海底，达成了目前二氧化碳在大气-海水- 沉积物之间的平衡状态。

天然水系中碳的主要存在形态有组成平衡碳酸系统的各种组分：CO2

（aq）、H2CO3、HCO3-、CO32-。在水质测定中，这些形态的浓度之和构成了水

样的总无机碳（TIC）参数。存在于水体中的有机碳组分可划分为溶解性有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）两类。一般以含碳组分能否通过 0.45μm 滤膜作为区分此二者的判据。水体中 DOC 来源主要是浮游生物排泄物中可溶成分和生物尸体细胞经胞溶作用产生的溶出物。水中 DOC 可进一步作为异养微生物的营养物料，在海水中还有部分可转化为高分子腐植质。严格说来，在作水样中总有机碳（TOC）项目测定前，应先过滤除去 POC 组分，随之测得的结果实际上就是 DOC。组成水样 POC 的有难分解和易分解的两部分。前者为生物尸体的骨骼碎屑，后者如生物粪便物等为是。

自然环境中碳循环景象如图 2-5 所示。

碳是构成生物体的主要元素，所以碳循环，特别是二氧化碳的循环对生物体有极大意义。环境中二氧化碳的行为至少与下列一些环境过程密切相关：①大气和海洋的起源和演化；②地球表层岩石的形成和变异；③生命诞生；④地球表层热量的收支状况；⑤水体中碳酸平衡；⑥绿色植物等自养者的光合作用和生产力；⑦有机物氧化，包括呼吸作用，燃料燃烧、机体腐烂分解等。对这些过程中于当今环境有现实意义者，将在以后有关章节详加阐述。