土壤中的生物作用主要靠多种微生物，其中包括微植物和微动物（图1-17）。前者在有机质的转化中起着更为重要的作用，当土壤含有机质20—40克每千克土时，微生物的重量可达每公顷3.6—18×103公斤新鲜细胞物质，可以说，微生物是土壤有机质转化的主要动力。
1．细菌 在土壤微生物中，无论数量还是活动范围细菌均是最大的一个类群。在条件适宜时，每克土壤可含细菌数十亿个。土壤中的细菌有两类：一类是自养型及兼性自养细菌，靠太阳能或化学能而生活。如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫磺细菌、硫化细菌，以及利用简单碳氢化合物为能源的细菌和过氧化氢的细菌。另一类是异养型细菌，需依靠有机物中的碳作为能源而生活，它又分为好气性、嫌气性和兼气性三种。
好气细菌中有好气芽孢杆菌、无芽孢杆菌包括固氮菌、根瘤菌以及粘细菌等。在有氧气情况下，能强烈分解有机质，形成CO2、NH3、H2O和各种无机盐类。
嫌气细菌中主要有嫌气固氮菌、果胶分解菌、纤维素分解菌、蛋白质分解菌和硝酸盐还原菌、硫酸盐还原菌等。它们在少氧条件下，进行有机质分解，但分解速度比较缓慢，并形成分解不彻底的产物。有些嫌气细菌，如嫌气固氮细菌，有固氮能力，能增加土壤的氮素。尚有一些嫌气细菌，如乳酸细菌，反硝化细菌等能形成维生素，生长素等，可以刺激植物生长发育。但也有不利于土壤肥力提高的细菌，如丁酸细菌累积硫化氢，反硝化细菌使硝酸盐还原为N2，引起氮肥损失。
由于细菌种类繁多，因此在各种环境条件下都可以有相应的细菌类群生长繁育，但是大多数适于在中性至微碱性的环境中生活。
2．真菌 土壤中生活的真菌类型很多，有酵母、霉菌和蕈类。真菌在土壤中多以菌丝状态存在，它的个体虽然不多，但其生物总量远大于细菌和放线菌。真菌在土壤中分布很广泛也很活跃，在酸性和好气条件下最为活跃。因此，在酸性森林土，泥炭土和土壤表层较多。真菌在土壤中，如果条件适宜，能将有机质彻底分解，并能参加腐殖质的形成，又由于菌丝体的作用，能把土粒结合成团聚体，使土壤物理性状得到改善。
3．放线菌 放线菌在进化系统中介于细菌和真菌之间，它同真菌的相似处是具有由菌丝组成的菌丝体。土壤中放线菌的数量仅次于细菌，每克土壤中一般有几千至几十万个，最多可超过二百万个。常等于细菌数量的1－10％，个别情况下可达70％，它对营养要求不甚苛刻，较能耐旱，广泛分布于各种土壤，直到地壳深层的矿藏里。尤其是在碱性、较干旱和有机质丰富的土壤中特别多，对有机质的分解，特别是对木质素等难分解的物质有很大作用。在分解有机质过程中，除形成简单化合物和一般中间产物之外，有些种类能释放出能溶于醚、醇等有机济剂中的一些挥发性有机化合物和抗菌素，能抑制其他微生物发展。
4．藻类 藻类是土壤微植物区系中最高级的类型，但其总量仅占微生物群落的微小部分。在土壤表层或土壤常见藻类有蓝绿藻、绿藻、硅藻等。蓝绿藻能固定氮素而形成蛋白质，尤其在渍水土壤（如稻田）中是这样。
除了微植物以外，土壤中还广泛分布着微小动物，如原生动物、轮虫、线虫等，它们对土壤上下层物质的掺和、有机质的转化起着不同的作用。
（三）土壤有机物质的转化
进入土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的参与下，一方面把复杂的有机质分解为简单的化合物，最后变成无机化合物的过程，叫做矿质化过程。另一方面是分解后的较简单的产物被土壤微生物重新合成，形成更复杂的有机质，即土壤腐殖质。这个由简单到复杂的过程，叫做腐殖质化过程。在有机质分解和合成过程中，生物化学过程始终是主要过程，因此影响微生物的生命活动的因素，如水分、空气、温度、pH、养分等，都将对有机质的转化，包括其方向、速度和产物的种类及数量发生影响。
1．矿质化过程
1）不含氮的碳水化合物的转化：包括葡萄糖及其他单糖、淀粉、纤维素与半纤维素。简单糖类容易分解，而多糖类则较难分解，尤其是与粘粒矿物结合的多糖，往往是抗分解的。纤维素等大分子的碳水化合物的分解比较缓慢，而木质素分解最慢。
碳水化合物在不同的通气条件和不同的菌种作用下，可以形成不同的产物，如：
4H2+CO2→CH4+2H2O
以上各式表明，不含氮的碳水化合物矿化的结果，在好气条件下，产生CO2和H2O，在嫌气条件下，产生CH4、CO2和H2O。这些CO2是植物光合作用的重要碳源。而在排水不良的土壤，如沼泽土及低洼地段的水稻土中，则有CH4的逸出。
2）含氮的有机物质的转化：土壤中的含氮有机物质主要有蛋白质、腐殖质、生物碱、尿素等，土壤中含氮有机物的转化主要有三个相连而又各异的过程，即氨化，硝化和反硝化过程。
（1）氨化 有机态氮的氨化包括氨基酸的水解和脱氨基。
水解作用：蛋白质首先通过蛋白分解酶的作用而水解，形成氨基酸，即：
氨化作用：氨基酸经微生物分解作用而释放氨的过程，称为氨化作用。它可通过以下途径进行：
水解脱氨基：
氧化脱氨基：
还原脱氨基：
从上述反应可以看到，无论通过水解、氧化或还原，都可以使氨基酸分解而产生氨，因此，包括好气性和嫌气性的多种氨化细菌都可以在上述转化中起作用。
（2）硝化 土壤中产生的氨在亚硝化细菌作用下，氧化成硝酸或硝酸盐，称为硝化作用。硝化作用经过两个阶段：一是氨氧化为亚硝酸，二是亚硝酸氧化为硝酸。
硝酸在土壤中转变为硝酸盐是植物氮素养料的直接来源，另外NH4+也能作为植物氮源。进行硝化作用的土壤条件是PH值6－9，通气良好，而且C/N小于20∶1，酸性强的土壤施用石灰有利于硝化作用的进行，因为当土壤趋于中性后，包括硝化细菌在内的微生物的数量明显增多。
（3）反硝化 当土壤的通气条件较差，例如，土壤淹水或紧实时，如果土壤的pH值较高，而且C∶N的比值也大，则易于反硝化的进行：
5C6H12O6+24KNO3→24KHCO3+6CO2+12NO2↑+18H2O
反硝化作用的氮素损失，随土壤的有机质含量、NO3—N的数量、pH值和温度的增高而增高。为了防止氮素的损失，应采取生产措施，如调节通气状况，调节土壤酸碱条件，促使氨化，硝化作用的进行，控制它们进行的速度，并抑制反硝化过程。
3）含磷有机化合物的分解：如核蛋白、卵磷脂等经过有机磷细菌的磷脂酶，分解产生磷酸。
核蛋白→核素→核酸→磷酸（H3PO4）
卵磷脂→甘油磷酸脂→H3PO4
4）含硫有机化合物的分解：如含硫蛋白质经过生物化学作用、分解产生硫酸。
含硫蛋白质→含硫氨基酸→H2S→H2SO4
2H2S+O2→S2+2H2O+热量
2S+2H2O+3O2→2H2SO4+热量