在海洋自然保护区内一切利用生物资源和破坏生境的活动都被禁止，使本来受到过度捕捞和生境破坏双重威胁的海洋生物得以在受保护的自然生境中生息和恢复。在世界范围的大量实践表明海洋自然保护区的建立能显着提高保护区内海洋生物的生物量、物种多样性、生物密度、个体大小和繁殖能力。例如，在加勒比海的萨巴岛和圣卢西亚岛，由于珊瑚礁保护区的建立，1／3常年栖息于保护区内的鱼种的个体变大、生物量增加，圣卢西亚保护区内的鱼类生物量比保护区外高50％。
无论是在热带珊瑚礁区，还是在温带河口、海湾和海藻场以及亚热带沿岸水域，受到人类开发利用的物种在自然保护区的丰度和个体大小都增加了。Halpern对世界范围的89项海洋自然保护区研究的相关数据进行了统计，结果显示，在实施全面保护后，保护区内的海洋生物资源得到极大的恢复，资源生物的生物量、生物密度、个体大小和物种多样性分别提高了431％、200％、82％和71％。
不仅如此，海洋自然保护区内大多受到保护的鱼种，产卵群体的平均年龄和产卵量增加，鱼卵的孵化率和幼鱼的成活率显着提高，繁衍后代的能力明显增强。例如，美国西海岸俄勒冈州的鲸鱼湾从1967年开始实施保护后，15种鱼的数量已分别增加了0．4～6倍，个体平均大小提高了13％～25％，产卵量提高了3～25倍。这与年龄适中的大个体产卵雌鱼的数量增加有关，因为这些雌鱼的个体大、肥满度高、竞争力强和繁殖季节长，从而保证了高质量的鱼卵、鱼苗生产和种群的恢复。
海洋自然保护区为生物资源的恢复提供了良好的生境条件，随着保护区内受保护物种个体数量增加，密度增大，保护区内空间不足的问题将会逐渐呈现，这时，部分个体将离开保护区寻求新的生存和发展空间，使保护区外的生物资源增加，这种效应称为溢出效应溢出效应是大自然对人类保护野生生物资源的一种回报，如果把自然保护区建设比喻为“贮蓄”，则资源的溢出就是“利息”，是可以年复一年收获的自然回报。加勒比海圣卢西亚岛海域的研究表明，随着自然保护区内鱼类丰度的提高，保护区外的渔获量也同步提高，经过5年的保护后，保护区外的渔获量几乎提高了3倍。北美洲乔治滩的研究也表明，拖网作业禁渔区设置5年后，保护区外的黑线鳕的单网渔获量从3kg提高到33kg，增加了10倍之多。
以上的溢出效应主要是以资源生物的成体溢出为特征的。自然保护区生物溢出的另一种形式是植物的种子以及动物的卵和幼体的溢出，这种溢出效应也相应被称为种苗效应。在海洋自然保护区内，大型海藻释放出的孢子、许多海洋鱼类的浮性卵和幼体以及底栖无脊椎动物的浮游幼体，由于缺乏运动能力或运动能力弱，会随海流扩散到保护区外的海域，甚至很远的海区。这些从保护区溢出的种子、卵或幼体对于保护区外自然海区中因受到严重过度捕捞或生境破坏而繁殖力低下的物种资源维持与恢复将发挥极其重要的作用。以前述的乔治滩为例，从1994年设立禁渔区以来，在种苗效应的帮助下，保护区外围已形成了密集的扇贝分布区，2002年的扇贝产量比设区前增加了近3倍。此外，海洋自然保护区的种苗效应还有助于保护区外自然生态系统的恢复。
设立海洋自然保护区不但能够保护那些受干扰小、接近自然状态的海洋生境和生态系统，而且对曾经受到较大干扰已出现退化的自然生境和生态系统的恢复也作用巨大。
一方面，自然保护区的建立排除了人类活动对受保护生境或生态系统的直接干扰（如生态系统过度捕捞和生境破坏），能有效抑制其退化趋势；另一方面，自然保护区的建立同时对保护区内所有物种及其物理环境实施保护，使物种间以及生物与环境之间的自然关系得以恢复，将进而使退化的生境和生态系统逐渐回复其合理的自然状态。
以新西兰的研究为例。在新西兰的某些沿海水域，大量捕获龙虾曾经导致以大型海藻为食的海胆过量增殖，使这些海域的海藻生境几近消失。但在对这些海域实施自然保护禁止捕捉龙虾后，大型海藻又逐渐恢复了，原来栖息于海藻场的各种鱼类也回来了，整个生态系统得以重新建立起来。
海洋碳库包括无机碳和有机碳两大类。无机碳主要是溶解态的CO2和H2O形成的复杂平衡体系（除CO2外还有H2CO3、HCO3－和CO3－等组分的电离平衡体系）。有机碳库有溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC），二者通常以能否通过0．2～0．45μm孔径的有机物来人为地划分，其实DOC和POC是密切联系的。海洋各碳库中以溶解有机碳库含量最大，其次是非生命的有机碎屑，各种生物的总碳量所占比例最小。
海洋有机颗粒主要在表层产生，并且都有向下沉降的趋势，在沉降过程中不断被各种消费者和微生物反复利用与分解。因此，随着深度的增加，Poc的量会很快下降，其沉降速率与粒径大小有关。细菌和超微型浮游植物的沉降速率几乎等于零，原生动物摄食这些超微型生物后产生的粪粒也很小，大部分在真光层内分解和进行营养物质再循环。
在海洋的沉积物表层，直接或间接来源于生产者的碎屑经微生物和其他异养生物的反复利用后基本上都能被分解与矿化。剩余的少部分是不能被消费者同化的难降解物质，最终被埋藏在沉积物中。因此，在稳定状态下，沉积＝再生＋埋藏。
事实上被埋藏在沉积物中的难腐解物质是一类统称为腐殖质的“不明有机物”，其来源与成分是很复杂的，除了海洋自身产生的外，还有从陆地和大气输入的。这些物质只有少部分能利用传统分析方法确定其类别。
Burdige（2007）指出，海洋沉积物中的上述不明有机物的形成机制可能包括。
（1）生物大分子碎屑在降解过程中产生的中间产物（如低分子量单糖、氨基酸或分子质量更高的肽）通过非生物过程的化学反应形成难分解的、生物无法利用的复杂缩合物。
（2）生物体产生抗水解、生物难利用的高分子物质，由于生物对沉积物有机库中不同组分的选择性利用，使得这些难分解的剩余大分子在沉积物中保存下来。
（3）活性有机物可能通过与无机或有机基质的相互作用（或受之保护）而难以被生物降解。
有机物被埋藏的百分比与沉积速率有关。在高生产力的浅水区，可能有高达10％的有机物被积累在沉积物中，而大部分海洋的这种积累很少达到1％。沿岸的盐沼植物及陆源碎屑在还原性环境中更不易分解，所以更多地埋藏在沉积物里。这种情况与分解木质素的真菌在缺氧条件下难以存活以及环境中存在的硫化物、氨等有毒物质对真菌产生的毒性效应有关。因此，盐沼沉积物可形成所谓的“泥炭沼”
随着工业化的发展，人类大量使用石油、煤等化石燃料，加上森林砍伐、植被破坏，大气中的CO2含量持续快速增加。据估计，至2015年全世界CO2排放量将达到94×18t，至21世纪中期，大气中的C02含量将比工业化前增加1倍以上。此外，陆地湿地、农田和海洋向大气释出的CH4也不容忽视。CO2和CH4都是很重要的温室气体。一般认为，由此产生的温室效应将使气候变暖、海面上升，对全球生态系统和人类生活产生严重影响。海洋是地球上最大的碳库，比大气碳库大50倍，因此人们寄希望于海洋能大量吸收大气中的CO2以减轻温室效应的危害。
大气CO2可通过海一气交换而进入海洋表层，但要实现海洋对大气CO2的净吸收效应，其前提条件是必须存在导致海洋表层的碳向深层转移的过程工某些海洋生物的细胞壁或外壳、骨架等是Ca2＋与CO2－，一结合形成的不溶性碳酸钙，称为钙化作用。例如，钙板金藻的钙质板和原生动物有孔虫的钙质外壳，它们被摄食消化后形成的残留物可向海底沉降构成钙质软泥。据报道，单个颗石藻细胞的沉降速率仅0．14m／d，而以颗石藻为食的浮游动物，其粪团的沉降速率达160m／d还有，在某些浅海区，造礁珊瑚也构成大量的碳酸钙沉积。这些碳酸钙成分的物质沉降和堆积到海底的过程称为碳酸盐泵，它实质上也是一种生物泵。碳酸盐泵与软组织泵一样都有将海洋表层碳转移到深海从而与海一气交换过程隔绝的作用，因而是海洋在碳的生物地化循环中起汇作用的机制。如果没有这种机制，海洋就不可能对大气CO2起净吸收的作用。