森林生態系統是陸地中重要的碳匯和碳源，在這個系統中，森林的生物量、植物碎屑和森林土壤固定了碳素而成為碳匯，森林以及森林中微生物、動物、土壤等的呼吸、分解則釋放碳素到大氣中成為碳源。如果森林固定的碳大于釋放的碳就成為碳匯，反之成為碳源。在全球碳循環的過程中，森林是一個大的碳匯，但隨著森林破壞、退化的加劇以及一些干擾因素（如火災）的影響，森林生態系統就可能成為碳源，這將更加劇全球的溫室效應，導致生態的進一步惡化。通過國內外的一些研究表明，溫帶和北部寒帶森林是碳匯，如北方森林每年凈吸收碳量為0.4～0.6Pg碳，俄羅斯森林每年固碳0.36～0.45Pg碳。在溫帶，森林每年凈吸收碳量為0.17～0.35Pg碳，美國東南部的森林生態系統每年固碳0.07Gt碳。而熱帶森林地區由于過度砍伐森林以及土地利用方式的改變已成為碳源，在1980年向大氣凈釋放了1.0×105～2.6×105g碳。 

在森林生態系統中，植物首先通過光合作用吸收二氧化碳生成有機質貯藏在體內（Gp），這是森林吸收碳素的過程。而后，通過植物自身的吸收作用要釋放出一部分碳素（Ra）。另外，植物還會以枯枝落葉、根屑等形式把碳貯藏在土壤中，而土壤中的碳有一部分會被微生物和其他的異養生物通過分解和呼吸釋放到大氣中（Rh）。森林生態系統和大氣之間的碳通量是森林生長過程中固定的碳和干擾過程中釋放碳之間的差值。森林生態系統的凈生產量（NEP）可用下面的公式表示：NEP=Gp-Ra-Rh，如果在自然生長狀態下，按上面這個公式計算，一般森林生態系統的NEP為正，是個碳匯。然而，由于人類活動的干擾和破壞，尤其是對熱帶森林的亂伐或把其變成為用地等行為就會使森林生態系統的NEP為負，從而成為碳源，這應該引起人類的關注，采取有效措施防止森林變成碳源，從而緩和和扭轉全球氣溫變暖的趨勢。我國森林生態系統在陸氣系統碳循環中表現為碳匯，其NEP值為0.48Pg碳。

從人類認識到溫室氣體尤其是二氧化碳濃度的升高會使全球氣溫變暖，從而帶來一系列嚴重生態問題時，就展開了對碳素循環的研究。而森林生態系統作為吸收二氧化碳釋放氧氣的一個大碳匯，在碳循環中起著非常重要的作用。全球森林面積為41.61億公頃，其中熱帶、溫帶、寒帶分別占32.9%、24.9%和42.1%。全球陸地生態系統地上部的碳為562Gt，森林生態系統地上部的含碳量為483Gt，占了86%。全球陸地生態系統地下部含碳量為1 272Gt，而森林地下部含碳約927Gt，占整個世界土壤含碳量的73%。森林生態系統在碳循環中的作用主要取決于以下幾個方面： 

生物量。森林生態系統的生物量貯存著大量的碳素，如按植物生物量的含碳量為45%～50%計，那么整個森林生態系統的生物量將近一半是碳素含量。森林的生物量與其成長階段的關系最為密切，一般森林據其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林/過熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態系統中最大，而成熟林/過熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態系統中最大，而成熟林/過熟林由于其生物量基本停止增長，其碳素的吸收與釋放基本平衡。從森林的年齡結構來估算吸收碳素的潛力是決定森林生態系統碳匯功能的一個主要方面。

林產品。森林生態系統林產品的固碳量是個變化很大的因子。一般林產品根據其使用壽命可分為短期產品和長期產品。像燃料用木、紙漿用木等屬于短期產品，而膠合板、用木則屬于長期產品。林產品使用壽命的長短在很大程度上也決定著森林生態系統的碳匯功能。

植物枯枝落葉和根系碎屑。這一部分含碳量在整個森林生態系統中占的比例雖少，但也是一個不容忽略的碳庫，減緩它的沉淀和分解對于森林生態系統的固碳量也起到一定的作用。 

森林土壤。這是森林生態系統中最大的碳庫。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差別，在北部森林中森林土壤占有84%總碳量；溫帶森林土壤中的碳占到其總碳量的62.9%；在熱帶森林中，土壤中的含碳量占整個熱帶森林生態系統碳貯量的一半。全球森林土壤的含碳量為660～927Gt，是森林生態系統地上部的2～3倍。國內外很多學者都認識到森林土壤碳庫的重要作用，紛紛對其展開研究。目前，研究土壤碳庫及其碳循環和全球變化已成為土壤學的一個新的發展方向。