气候变化关乎人类社会可持续发展。海洋是地球上最大的活跃碳库，是气候变化的“缓冲器”。学科群在以碳为核心的基础研究方面取得一系列突出进展和成果。在碳的源汇格局及理化调控方面，提出大洋主控型边缘海（OceMar）碳循环理论框架（Dai et al., 2013; Cao et al., 2014），同时将物理与生物地球化学耦合、无机碳与营养盐耦合融于一个理论概念框架下以定量解析海-气CO2通量，将囿于海表pCO2的观测分析提升至三维一体的理论总结。通过量化跨等密度面输入上层海洋的无机碳与营养盐通量及其比值（Du et al., 2017），提出真光层“双层结构”新假说，以解析寡营养海区生物泵固碳机理及增汇潜力。在海洋惰性有机碳汇的形成过程和调控机制方面，提出了“微型生物碳泵”（MCP）理论（Jiao et al., 2010），对海洋惰性溶解有机碳（RDOC）库成因（被Nature文章称之为Enigma——难解之迷）给出了一个合理的解释。并进一步证明了MCP产生RDOC的主动和被动机制（Zhao et al., 2017; Jiao et al., 2018）；厘清了深海有机碳库“惰性说RDOCt”与“稀释说RDOCc”之争（Jiao et al., 2015）；通过模型估算了深海中RDOCt的相对比例在80%以上，证实了深海DOC库中大部分的RDOC分子由于化学构成而难以被微型生物利用（Wang et al., 2018）。MCP理论被Science文章评论为“巨大碳库的幕后推手”（Stone，2010)，Science进而出版了MCP增刊。此外，海洋氮循环调控生产力与海洋碳汇，产生温室气体，对气候造成关键性影响。通过真光层硝化作用的精细研究，提出营养盐通过调控硝化微生物与浮游植物对底物的竞争，决定真光层硝化的空间分布，并预测了其与新生产力的空间耦合关系，支持和丰富了寡营养盐海域真光层双层结构模型概念（Wan et al, 2018）。海洋微生物固氮是海洋碳汇的重要支撑，通过研究海洋中的优势固氮类群束毛藻对气候变化导致的海洋酸化的响应，揭示了酸化降低固氮速率、增加固氮酶表达，导致固氮效率下降（Hong et al., 2017; Shi et al., 2017；并进一步通过构建细胞数值模型，估算酸化对全球海洋束毛藻的固氮潜力的影响，指出海洋酸化通过影响固氮，可能会显著降低海洋碳汇潜能（Luo et al., 2019）。