土壤碳循环不仅关系到陆地生态系统生产力的形成，而且也影响到整个地球系统的能量平衡，影响到全球的气候变化。而全球气候变化又反过来影响土壤有机碳的分解，气候变化对土壤有机质存量的影响有两种方式：一是影响植物生长，从而改变每年回归土壤的植物残体的数量；二是改变植物残体的分解速率。

据记载，在过去的一个世纪中陆地和海洋温度增加了0.3～0.6℃，其中在20世纪90年代增加速度最快。温室气体中(张金屯1998)，CO₂、CH₄、N₂O和CFCs氢氟碳化物)对温室效应的贡献率分别为60％，20％，6％和14％，可以说CO₂是影响全球气候变化的主要气体。

(一)气候变化与土壤CO₂释放

土壤向大气释放的CO₂主要是土壤碳库中有机物质矿化作用所产生的，土壤有机质产生CO₂的过程也叫土壤呼吸。但从严格意义上讲土壤呼吸作用是指未受扰动的上壤中产生CO₂的所有代谢作用，包括3个生物学过程(植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(含碳物质的化学氧化作用)。土壤每年向大气释放的CO₂为50～76 Gt C，占陆地生态系统与大气间碳交换总量的2/3，同时也远远超过化石燃料燃烧每年向大气排放的5 Gt C。

大气中CO₂浓度的不断升高加剧了温室效应，可能导致全球变暖。全球变暖会大大刺激呼吸作用，导致更多的CO₂释放到大气捕获能量。基于一个固定的全球温度敏感性的Q值(如2.0)，如果全球温度升高2℃，土壤呼吸将释放出额外的超过10 GT/a的碳(C)，这比目前由于人类活动释放的碳还要多。额外的碳释放将使由于人类活动导致的变暖进一步加剧(骆亦其等2006)。

土壤呼吸即使发生较小的变化也会等于或超过化石燃料燃烧而进入大气的CO₂年输入量。所以土壤呼吸的变化能显著地减缓或加剧大气中CO₂的增加，进而影响气候变化。全球变暖将有利于增强土壤呼吸，释放出更多的CO₂，大气的CO₂浓度增加又进一步加剧了全球气候变暖的趋势。

减缓土壤呼吸作用的一项简单措施是减少土壤耕作。当土壤受到耕作扰动时，分解作用的条件(土壤充气性和水含量)被改变，引起土壤呼吸速率增快，从而导致土壤有机质含量下降。耕作也破坏了土壤团聚体，使得被稳定吸附的有机质暴露而加速其被分解的过程二另一方面，当天然植被转变成农田时，新鲜植物碎片输入到土壤中的数量也会减少。随着世界人口的不断增长和所需粮食作物生产的增加，未来要求有更多的土地面积用于耕作。这样农业土壤中有机质的流失就成为大气CO₂升高的一个重要原因。然而，适度的土壤耕作和有效的施肥、轮作等科学管理措施有可能使农业土壤成为CO₂的汇。

在农业土壤中，减少CO₂净释放和增加上壤碳储存是同等重要的，这一过程称为碳截留。增加土壤的碳储存意味着要增加碳输入量和(或)减少土壤的异氧呼吸作用。要增加土壤中有机残留物的输入量，应当做到在提高净初级生产力(NPP)的同时，还需要维持或增加返回到土壤中的NPP比例。

(二)气候变化与土壤CH4释放

在厌氧条件下矿化发酵产生CH₄，温度直接或间接地影响其矿化速度，即影响CH₄的产生量。CH₄的产生量在空间和时间上变化很大，主要决定于土壤条件、地形和植被覆盖度等因素。在大气对流层中CH₄平均滞留时间为8～12年，各种排放源的年排放总量在410～620 Tg范围内。据¹³C同位素测定推测，大气CH₄排放总量约70％是土壤生态系统产生的微生物活动引起和反当动物排放，其余来自化石燃料和生物的燃烧。

在气候变暖的情况下，全球土壤的CH₄的排放量可能增加。除自然生态系统外，大面积的农业生态系统，尤其是稻田也是CH₄的重要来源。由于全球温度的升高，各种植物的北界要向北发展，稻田种植面积的增加有可能导致CH₄释放量的增加。在全球尺度上，稻田生态系统CH₄排放量的变化可能与总产量相一致。