天然水中的碳酸物质与溶解氧和pH之间存在密切的联系。溶解氧较少的地方通常会导致总二氧化碳增加，从而降低pH值。
首先，水中氧气的增加是由大气中的溶解和植物光合作用引起的。氧气的减少主要是由氧化和生物呼吸引起的。此外，当溶解氧达到过饱和状态时，一部分会逸出到大气中。碳酸物质的增加是由大气中的溶解、生物呼吸、含碳物质的氧化、有机化合物的分解以及无机盐如碳酸钙的溶解等引起的。而碳酸物质的减少则是由植物光合作用、不溶性碳酸盐的沉淀、二氧化碳的生物化学固定以及逸出到大气中等引起的。
氧气通过呼吸或有机物的氧化会产生相当量的二氧化碳，而二氧化碳经光合作用可以产生几乎等量的氧气。虽然比值（O2／CO2）严格来说并不等于1，但可以近似认为是1。
因此，从原理上来说，无论以氧气还是总二氧化碳的变化为基础，都应该得到相同的结果来计算植物光合作用产生的有机物生产量。为了测定海水中有机物的生产量，斯蒂曼?尼尔森（Steeman Nielsen，1962）首创了使用放射性碳的方法。另一方面，赖利（G．P．Riley）等根据溶解氧的变化来测定海水中的有机物生产量。这两种方法得到的结果应该是一致的，但问题在于赖利测得的值约为尼尔森测定值的10倍，原因尚不明确。在我们进行的实验室研究中，使用放射性碳和溶解氧法得到的有机物生产量几乎完全一致。从原理上来说，放射性碳法比溶解氧法更优越，因此一般认为赖利等所得值过大可能是由于浮游植物的光合作用和呼吸作用以外的其他原因导致的。然而，在这种情况下，如果我们关注水中溶解氧和总二氧化碳的变化，两者之间的当量关系可能仍然成立。
在湖沼的表层，氧气充分溶解，但在湖沼底部附近往往形成嫌气性环境，尤其在成层期间这种倾向更加明显。在这种情况下，氧气和二氧化碳的关系变得非常复杂。
在缺乏氧气的环境中，相对于1个分子氧气，会生成2个分子二氧化碳。而在还原环境中，有机物的生化分解通常会生成二氧化碳。可以认为，相对于氧气的消耗，二氧化碳的生成量通常超过当量。
关于湖沼中碳酸物质的研究已经很多。在日本，有人对高须贺沼进行了研究，还有人对本崎湖和中纲湖进行了研究。
他们在高须贺沼和本崎湖测定了总二氧化碳、pH值和水温的垂直分布以及年变化，并发现在成层期和循环期之间存在显著差异。
除了像黑海这样的封闭海区或沿岸的浅海和海湾以及生产力特别高的海区外，海洋中直到海底都充分溶解了氧气，因此整体上形成了氧化环境。因此，与湖沼相比，海洋中氧气和二氧化碳的关系相对简单。
过去已经进行了一些关于海洋中碳酸物质溶解量的研究。这些测定结果表明，海水中二氧化碳的分压与大气中的二氧化碳分压不保持平衡。
沃坦伯格（H．Wattenberg，1933）测定了不同深度的海水的碱度比，并认为随着深度增加，碱度也增加。他认为这是由于海底沉积物中的碳酸钙溶解所致。雷维尔（Revelle）测定了北太平洋表层水的碱度，发现其值比大西洋表层水的值大，并指出北太平洋的高碱度与深层水和中层水的低氧含量相对应。莫伯格（E．G．Moberg，1934）等发现，碱度的垂直分布与钙的垂直分布非常相似。汤普森（T．G．Thompson）等测定了北太平洋华盛顿州外海直到2000米深的总二氧化碳，发现随着深度增加，总二氧化碳也增加，而氯度在10米处显示出极小值，并随深度增加。
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