土壤碳循环是全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收支中占主导地位。土壤碳库大约有1550皮克有机碳和950皮克无机碳（0～1米土层），是大气碳库（760皮克）的3.3倍，生物碳库（560皮克）的4.5倍，是陆地生态系统中最大的有机碳库。地下一米以下的碳往往以碳酸盐及有机氮形式存在，不计入碳循环。

土壤碳循环包括碳储存与碳输出两个部分。碳储存主要通过植物的枯枝败叶、动物的排泄物及动、植物残体凋落于土壤表面，形成凋落物层，在同化作用下形成土壤有机碳。土壤有机碳根据微生物可利用程度分为易分解有机碳、难分解有机碳和惰性有机碳。易分解者有较高的生物利用率与损失率，难分解者则有较高的残留率，一般占土壤有机质的60%～80%。且有相当多的部分参加到腐殖质的形成作用中了。地球上约1/3的土壤有机碳存储于森林生态系统，1/3存储于草原和热带稀树草原，其余分布于湿地、农田及其他生物群系。

土壤碳输出作用主要包括：①土壤呼吸。产生二氧化碳、甲烷重新释放到大气中。②植物根系吸收。③地表侵蚀和淋溶作用等。其中，土壤呼吸包括微生物呼吸、根呼吸和动物呼吸三个生物学过程以及含碳矿物质的化学氧化作用。侵蚀作用使土壤碳主要以颗粒态丢失，而淋溶作用则使土壤碳以溶解态被地表径流/地下水携带进入水体，构成自然界碳循环的另一重要环节。

土壤微生物是土壤有机碳分解的主体，同时也是土壤异养呼吸的主要来源。宏基因组学的发展推动了对土壤微生物调节地球化学循环的机理研究。借助高通量测序技术和基因芯片技术已经能够检测微生物基因组中上万个与碳循环有关的功能基因的相对丰度，其中包括与淀粉、半纤维素、纤维素、木质素、几丁质、芳香烃等不同有机碳降解相关的基因、碳固定基因、产甲烷及甲烷氧化基因等。微生物参与土壤碳循环分子生物学机理的相关研究推动了对全球土壤碳循环的认识，将微生物参与土壤过程的相关参数纳入全球碳循环模式也将提高全球变化背景下对未来气候预测的准确性。