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生命的维持不仅依靠于能量的供应，而且依赖于生命必需物质（各种元素）的供应。物质循环是指各种物质和元素，从环境到生物体，又从生物体到环境的这种往返不停的运动。

对生物元素循环研究通常从两个尺度上进行，即全球循环和局域循环。全球循环，即全球生物地球化学循环，代表了各种生态系统局域事件的总和。各种局域生态系统在物质循环上也不是完全封闭的，营养物可以通过气候的、物质的和生物的种种过程而彼此联系。全球生物地球化学循环是从全球角度对物质循环的大尺度研究，它对于深入分析人类活动对全球气候变化的影响有十分重要的意义，特别是全球碳循环尤其如此。

全球生物地球化学循环分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。在气体循环中，大气和海洋是主要储存库，有气体形式的分子参与循环过程，如氧、二氧化碳等循环。而参与沉积型循环的物质，其分子和化合物没有气体形态，并主要通过岩石风化和沉积物分解成为生态系统可利用的营养物质，如磷、钙等。气体型循环和沉积型循环都受太阳能驱动，并都依托于水循环。

碳循环研究的意义在于：（1）碳是构成生物有机体的最重要元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题；（2）人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的重要原因。

碳循环包括的主要过程是：（1）生物的同化过程和异化过程，主要是光合作用和呼吸作用；（2）大气和海洋之间的二氧化碳交换；（3）碳酸盐的沉淀作用。

其它主要的元素循环有氮循环、磷循环、硫循环等。

自然界中的各种元素循环是密切关联和相互作用着的，而且表现在不同层次上。