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海洋是重要的CO 2 汇，其碳储量高达38 000 Gt。根据测算，在平均每年由人为释放的5.5±0.5 Gt碳（C）中，有3.2 ±0.2 Gt碳被留在了大气中，有2.0±0.8 Gt碳被海洋吸收，约占40%。根据人为释放CO 2 会使海水溶解态无机碳 13 C/ 12 C比率减小的原理测算,1970—1990年海洋的碳吸收值为（2.1±1.5）Gt/a,根据人为释放CO 2 造成O 2 /N 2 比率变化的原理测算,1989—1994年海洋的吸收值为（1.9±0.5）Gt/a（C ），普遍的认识是海洋平均每年的吸收值为1.5~2.5 Gt（C）。
在海洋里,CO 2 溶解于水，并通过整个海洋表面不断与大气进行交换，其碳交换量达到90 Gt/a（C ），尤其当波浪破碎时这种交换更为充分。在海洋表层100 m左右的海水中,CO 2 交换较为迅速，但与更底层海水的交换十分缓慢（CO 2 从海洋表层进入深海需要几百年到几千年时间），因此海洋并不像根据大气-海洋CO 2 交换模式所揭示的，能为增加的大气CO 2 即刻提供碳汇。就短期变化而言，只有表层海水在碳循环中起主要作用。CO 2 在海水-大气界面的交换是一个双向动力学过程，其定量计算目前普遍采用双扩散模型，即CO 2 在海水-大气界面的交换与其分压差成正比：
式中,F为CO 2 在海-气界面的净通量，正值表示大气向海洋输入CO 2 ，负值表示海洋向大气释放CO 2 ,K w 为风速系数,S为CO 2 在海水中的溶解度,P大气CO 2 为大气CO 2 分压,P海水CO 2 为海水CO 2 分压,K为风速和溶解度对海-气界面CO 2 通量的交换系数。交换系数K与风速的关系相当复杂，实际上除了风速外,K还与温度、涡动、扩散和湍流有关。不同学者设计了各种K与风速的模式但计算结果相差很大。
由于海洋CO 2 的观测资料较少且精度较差，很难得到海洋吸收人为CO 2 的区域分布图。Trans等和Keeling等从不同的角度计算了海洋不同纬度带的海洋吸收值，但二者数值有较大出入。Toggweiler、金心等对以上2人的数值进行了分析、模拟与比较后指出：海洋碳的吸收与释放有明显的纬度特征，分别在赤道（释放）和南北半球的中纬度地区（吸收）存在极大值；在大气中碳由南向北输送，在海洋中碳由北向南输送。Keeling的计算结果表明，全球海洋年吸收碳2.3 Gt:N15°以北海域吸收碳2.3 Gt/a,S15.6°~N15°之间海域释放碳1.1 Gt/a,S 15°~50°之间海域吸收碳1.1 Gt/a,S50°以南海域释放吸收平衡。以上说明在北半球海洋是一个主要的碳汇。在北半球的碳吸收主要一部分是大气CO 2 通过温盐环流进入深层海底，参与到全球碳循环，在输送到南半球的过程中为海洋吸收转化。
学术界对海洋生物作用吸收CO 2 的研究不多，影响其作用的因素主要是从两极到赤道海洋表层、从陆架区到深海区的生物生产力的差异，以及从海洋表层到深层的物质输送过程。海洋中生命物质的总量不是很大（主要在混合层），但具有很高的循环速率。海洋生物经受一系列快速生命循环，当它们死亡和腐烂时，其体内的碳将向下输送到海水深处或海底。就碳循环而言，死亡的生物将不再参与几百年或几千年的循环。这一过程对碳循环的贡献称作生物泵，生物泵的作用是减少表层水中的净碳含量，从而使得海洋表层可以获得更多的大气CO 2 以恢复表层平衡。邢如楠经过有生物泵过程和无生物泵过程的海洋吸收大气CO 2 对比试验，结果表明生物泵过程大大加强了海洋吸收大气中CO 2 的能力。生物泵对确定冰期的大气和海洋的CO 2 浓度具有重要作用，在冰期的寒冷期内，海洋中增强的生物活动可能是造成大气CO 2 维持低浓度水平的原因之一。但是，生物泵对少于几百年时间尺度过程的影响较小，换言之，生物泵对本世纪由人类活动所产生的大气中过量CO 2 的吸收（清除）的贡献微乎其微。在生物泵的过程中，海洋浮游细菌的作用也很关键，浮游细菌将颗粒有机物和溶解有机物分解利用形成自身的颗粒有机物并被原生动物捕食构成微食物循环。
陆地表面的岩石、土壤与生物等经各种自然应力，产生大量的有机与无机碳，以及河流自生的有机碳，经由河流进入海洋。河流输送的碳主要有4种形态（不同于其他碳交换过程以CO 2 为主），即溶解态有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）、溶解无机碳（DIC,主要包括CO 2 、CO 23 - 和HCO 3 ）和颗粒无机碳CO 2 （PIC,主要是未溶解的碳酸盐）。通过河流输入海洋的碳约为1 Gt/a,其中约60%为无机碳,40%为有机碳。对DOC的研究较为深入，其年通量为0.205 Gt,POC的年通量为0.173 Gt,对占河流碳通量主要份额的无机碳的研究较少，这将是今后一个时期的碳循环研究的主要任务之一。
河流碳通量与碳循环的其他环节不同，如在大气-海洋、大气-陆地生态系统等循环环节中，碳的交换是双向同时进行的，而河流碳通量在特定的时间和地区是由陆地单向流入海洋的。
自然环境的任何波动都会在河流碳通量上反映出来，通过研究河流碳通量的变化可以研究岩石圈的风化剥蚀、土地利用状况的改变等陆地碳循环因素。自工业革命以来，由于人类活动的增强，对地表水文、水化学、植被和土壤结构性质的影响程度在不断加大，毁林开荒、大规模机械耕作都会增加土壤的侵蚀速率，大量土壤有机质被淋溶、冲刷进入河湖，汇入海洋，工业排废、富营养化和酸雨等现代环境问题都会影响河流碳通量，并且在很大程度上是加强了河流碳通量，使得淡水和近海形态成为附加的碳汇。
海洋是碳酸盐沉积的主要场所，由陆地水文系统输送到海洋的碳酸盐成分，主要在温热带海底沉积，但是随着水深和压力的增加，碳酸盐的沉降速度减小而溶解度加大，达到一定深度时沉降速度将等于溶解速度，该深度以下将不会发生沉积。据测算，中新世以来海洋碳酸盐沉积量平均为19 Gt/a（C ），但现代陆地水文系统供给的溶解态碳酸盐为12 Gt/a（C ），对这一差别较合理的解释是，海洋中存在的碳-水-钙循环平衡，增加了对深海海底碳酸盐的溶蚀，在这个过程中，海洋每年约需要从大气中吸收碳3 Gt/a。