20世纪80年代，根据入射光强度光合作用有效辐射和叶绿素效率的影响，考虑了酶动力学，特别是羧化酶的量和活性对于光合作用速率的作用，C3和C4植物在叶片水平上光合作用的生物化学机理模式逐渐发展起来，其间模式结合叶片较真实的光合作用速率与气孔导度之间定量关系的参数化模型，把光合作用生化过程与冠层内的水、热物理输运的物理过程紧密联系在一起，把生化过程的参数化模型从叶片扩展到冠层尺度上，从而开始较为系统地描述了碳循环过程和能量、水分平衡过程相互影响、相互作用的研究。但是由于模式中仍然采用大叶模型，没有把那些光能够直接照射到的叶片和那些光未能直接照到的叶片区分开来考虑，而两种叶片各自固有的光合作用速率的整体平均，与大叶模式中，用整体平均接收的辐射来估计整体平均的光合作用速率有很大不同。因此在90年代，模式中进一步把冠层中那些光能够直接照射到的叶片和那些光未能直接照到的叶片区分考虑，使得模式模拟结果更接近于真实情况。生态系统碳氮循环的耦合作用表现在冠层光合作用的碳固定过程，植物组织呼吸、土壤凋落物与土壤有机质分解、地下部分根系周转与呼吸等过程，这些过程存在反馈机理和非线性作用，最终决定生态系统的碳平衡。因此2000年以来，模式中逐渐加入碳氮循环过程的模拟（见碳循环模式）。

碳循环不仅是生态系统对全球变化响应的综合表现，还直接和大气二氧化碳浓度的变化相关，从而影响到全球气候的稳定，因而成为全球变化研究的重要内容之一。随着科学研究的深入和社会发展的需求，碳循环研究已逐渐从人类二氧化碳排放到海洋与陆地全球分布的基本问题，转变为区域碳收支的确定，以及在气候变化与人类活动双重影响下全球碳循环的响应及反馈。大量、独立的数据进一步明确了自工业革命以来，大气中二氧化碳、甲烷浓度显著增加，而化石燃料的燃烧、土地利用变化等人类活动是导致温室气体浓度增加的主要原因。

目前生物地球化学模式估算的未来化石燃料燃烧排放量结果差异较大，仍然存在较大不确定性，而这种不确定性不仅因为气候预估结果存在不确定性，而且因为生态系统碳循环的主要过程对气候变化的响应及其反馈非常复杂，还无法准确模拟。大部分生物地球化学模式中碳循环模块仍处于发展阶段，还没有考虑冻土、湿地的碳反馈以及碳、氮循环之间的相互作用。未来生物地球化学模式有待进一步的研究完善，以提高对生态系统碳、氮、水循环的耦合关系以及多种环境要素间协同作用的认识。