碳循環研究整合大氣化學、海洋生物地球化學、陸域生態學與地質學，是理解過去氣候與預測未來暖化的定量框架。
陸域碳通量與渦度協方差法
全球 FLUXNET 網絡以渦度協方差（eddy covariance）直接量測生態系與大氣的 CO₂ 淨交換量（NEE = Reco − GPP），Baldocchi（2003, Global Change Biology 9:479）回顧此方法的技術與應用。渦度通量數據驅動了 CASA、BIOME-BGC 等生態系模型的參數化，也支持 upscaling 到全球（Jung et al., 2011, Journal of Geophysical Research 116:G00J07）。
海洋碳泵
(1) 溶解度泵（solubility pump）：高緯冷水溶解更多 CO₂ 後沉入深海。(2) 生物泵（biological pump）：浮游植物光合固碳→顆粒有機碳（POC）沉降→深海封存。Sinking flux 隨深度衰減遵循 Martin curve：F(z) = F₁₀₀(z/100)^(−b)，b ≈ 0.86（Martin et al., 1987, Deep-Sea Research 34:267），但 b 在不同海域差異大（Buesseler et al., 2007, Science 316:567）。(3) 碳酸鹽反泵（carbonate counter-pump）：鈣化生物形成 CaCO₃ 反而釋放 CO₂（Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O），與生物泵方向相反。
海洋酸化
工業革命以來海洋 pH 已從 ~8.21 下降至 ~8.10（Δ[H⁺] ≈ +26%）。Orr et al.（2005, Nature 437:681）預測 21 世紀末 RCP8.5 情境下 pH 將再降 0.3–0.4 單位，屆時南大洋表層 Ω(aragonite) < 1，文石（aragonite）將不飽和——翼足目（pteropods）等浮游生物的殼會溶解，連鎖影響食物網。
土壤碳與永凍土碳反饋
全球永凍土碳庫約 1,460–1,600 Gt C（Schuur et al., 2015, Nature 520:171），暖化解凍後有機碳被微生物分解釋放 CO₂ 和 CH₄，形成正回饋。估計 2100 年將釋放 5–15% 永凍土碳，等效 130–160 Gt CO₂，可使全球增溫額外 0.13–0.27°C。
碳移除技術
BECCS（bionenergy with CCS）、DACCS（direct air capture）、增強風化（enhanced weathering）、海洋鹼化等負排放技術（NASEM, 2019, Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration）各有碳移除潛力與成本差異，IPCC AR6 WG3 指出多數 1.5°C 路徑需每年 > 5 Gt CO₂ 負排放。