碳、氧、氢、氮、磷、硫、硅、铁等生源物质（生源要素或营养物质）是维持生命活动所必需的元素，维系生源物质的生物地球化学循环是水生态系统的基本功能。

水生态系统物质循环可根据元素或物质类型分类，如碳在水生态系统中的循环称为碳循环，相应也有氧循环、氢循环、氮循环、磷循环、硫循环、气态物质循环和沉积型元素循环等。水循环承载着生态系统中一切物质和生命活动，没有水循环，水生态系统物质循环和能量流动就无法开启，生命就会死亡。

生物地球化学循环和能量流动是水生态系统的两个基本过程。通过这两个过程使系统不同营养级之间和生物、非生物环境之间组成一个完整的功能单位，维持系统内部的物质平衡。水生态系统物质循环在环境、生产者、消费者、分解者之间进行，物质在循环中多次利用、重复利用，这也是水生态系统物质循环的基本特征，与水生态系统中能量流动具有根本区别。

水生态系统从大气、土壤和水体等环境要素中获得营养物质，通过浮游植物、细菌（微生物）、水生植物等吸收过程进入系统，最后再通过残体、尸体等重新回归环境。水生态系统中复杂的物质循环（生物地球化学循环）过程和作用关系可以用库和流通量进行简化概括。水生态系统通过食物链（网）参与物质循环的组成单元（环境介质、生产者、消费者和分解者等）分为存储库和交换库（或循环库），物质生物地球化学循环就是某种元素或物质在库与库之间的转化和迁移过程。存储库主要由水生态系统中的非生物要素部分组成，如岩石、土壤、沉积物等，存储库的元素数量远远超过正常结合在生命系统中的数量，具有容量大、活动慢的特征；交换库（或循环库）主要是水生态系统中的生物组成因子，如水生植物库、浮游动物库，在生物地球化学循环中某种元素或物质可以达到一定数量的累积。物质在水生态系统库与库之间的单位时间的流通量称为流通率，用单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值表示，特定流通过程对有关库的相对重要性用周转率和周转时间表示。周转率表示出入一个库的流通率除以库中的营养物质的总量，周转时间是库中营养物质总量除以流通率。

在物质循环中，周转率越大，周转时间就越短。对水生态系统物质循环过程的研究主要集中在生态系统水平和生物圈水平。重点是研究元素在生态系统中输入和输出，以及在生态系统中主要生物和非生物成分之间的交换。对生物圈水平上的物质循环，主要研究水、碳、氧、氮、磷等物质或元素的全过程循环。