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在陆地生态系统中，土壤中储存的碳是植物体储存碳量的2.5~3倍。很多研究者分别从植被类型、土壤类型及利用模型等不同角度对全球土壤中的有机碳储量作了估计，但由于还具有很大的不确定性，各研究者的数据都不尽相同，但大多集中在1400~1500 Gt之间（土层深度为1 m ），无机碳储量在800 Gt左右（碳酸盐在土壤中的积累主要发生在荒漠和半荒漠区，这一碳库为780~930 Gt）。
土壤具有储存转化有机碳的作用，土壤的矿化作用（包括根的呼吸、土壤动物和微生物的代谢作用）是自然生态系统中重要的CO 2 释放过程，其对全球碳循环的影响是一种长时间尺度的。土壤 14 C研究表明，土壤有机碳存留时间随纬度升高而延长。高纬度地区土壤层更有能力储存碳。冰后期以来，大气CO 2 浓度迅速增加，同时也有大面积泥碳湿地形成。大量的碳以有机土壤或泥碳的形式积累储存在陆地，总计达120~260 Gt。但是日益加强的土地利用加速了土壤的碳呼吸，动、植物残体和有机质分解增强，土壤储存的碳大幅度减少，通过水土、大气输出而成为重要的碳源。伴随着高纬度地区温度的大幅上升，高纬度地区的冻土带和泥炭地中储存的CO 2 和CH 4 也将逐步释放出来，这些地区的难于分解的碳，随着温度升高也将加速分解，并最终以超过光合作用固碳能力的水平向大气中释放。据预测，未来60年中，全球温度升高0.03 ℃，将使土壤有机质释放61 Gt C的CO 2 。
农业土壤中储存的碳量虽然只占到全球土壤碳储量的8%~10 %，据Buringh估算，全球农业土壤中的碳储量为142 Gt。由于土地利用变化程度在近百年来尤为剧烈，对全球碳循环以及碳储存具有重要影响，土壤碳库也是当前碳循环研究的重点。由于新增人口对粮食需求的扩大以及人们饮食结构的改变，人类对土地利用的变化在20世纪90年代进入了一个更为迅速的时期，每年有1200万km 2 林地转化为耕地,250万km 2 林地转化为草地。目前全球耕地面积已经超过15亿km 2 ，造成土壤上生物量碳损失达93 Gt。自然生态系统转化为耕地引起的净初级生产力（NPP）降低等因素还使1m土壤剖面中的碳量减少了25%~30 %，而1996年的IPCC指南认为土壤碳的损失量为25%~49%。耕作层（0~20 cm）的损失最大，可达到40%。森林被转化为农田的开始20年内，尤其是开始的5年内碳的损失较严重，在20~50年后可建立起新的平衡。据估计，到2025年耕地面积将增加到20亿km 2 ，届时土壤碳库对全球碳循环的影响将更为显著。
森林土壤的碳输入过程受植物的枯枝落叶与根系的产量和分解所调解，而碳输出过程则主要由土壤呼吸（包括微生物的异养呼吸、土壤动物的呼吸及根系的自养呼吸）所决定。一个普遍的规律是，森林土壤始终表现为碳源的作用，但在一些森林系统中地上部分的凋落物能够补充因土壤呼吸丢失碳的33%（Raich and Nadelhoffer,1989）。因此，正确估计环境变化与土壤碳滞留之间的关系将是解决森林土壤碳循环不确定性的关键。