Back to report · Publisher record

Abramoff et al. (2022). Improved global-scale predictions of soil carbon stocks with Millennial Version 2

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

Available online 3 November 2021

0038-0717/© 2021 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY license (

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

).

Improved global-scale predictions of soil carbon stocks with Millennial 

Version 2 

Rose Z. Abramoff

a

,

*

, Bertrand Guenet

b

, Haicheng Zhang

c

, Katerina Georgiou

d

,

e

, Xiaofeng Xu

f

, 

Raphael A. Viscarra Rossel

g

, Wenping Yuan

h

, Philippe Ciais

a 

a

Laboratoire des Sciences du Climat et de l

’

Environnement, LSCE/IPSL, CEA-CNRS-UVSQ, Universit

´

e Paris-Saclay, F-91191, Gif-sur-Yvette, France 

b

Laboratoire de G

´

eologie, UMR 8538, Ecole Normale Sup

´

erieure, IPSL, PSL Research University, CNRS, Paris, France 

c

Universit

´

e Libre des Bruxelles, 1050, Bruxelles, Belgium 

d

Department of Earth System Science, Stanford University, Yang 

& 

Yamazaki Building, 473 Via Ortega, Stanford, CA, 94305-4216, USA 

e

Physical and Life Sciences Directorate, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, 94551, USA 

f

Biology Department, San Diego State University, San Diego, CA, 92130, USA 

g

Soil and Landscape Science, School of Molecular and Life Sciences, Curtin University, GPO Box U1987, Perth WA, 6845, Australia 

h

School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-Sen University, Zhuhai, 510245, Guangdong, China   

A R T I C L E  I N F O    

Keywords: 

Soil carbon modeling 

Microbial decomposition 

Mineral association 

Soil organic carbon stocks 

A B S T R A C T    

Soil carbon (C) models are used to predict C sequestration responses to climate and land use change. Yet, the soil 

models embedded in Earth system models typically do not represent processes that reflect our current under-

standing of soil C cycling, such as microbial decomposition, mineral association, and aggregation. Rather, they 

rely on conceptual pools with turnover times that are fit to bulk C stocks and/or fluxes. As measurements of soil 

fractions become increasingly available, it is necessary for soil C models to represent these measurable quantities 

so that model processes can be evaluated more accurately. Here we present Version 2 (V2) of the Millennial 

model, a soil model developed to simulate C pools that can be measured by extraction or fractionation, including 

particulate organic C, mineral-associated organic C, aggregate C, microbial biomass, and low molecular weight C. 

Model processes have been updated to reflect the current understanding of mineral-association, temperature 

sensitivity and reaction kinetics, and different model structures were tested within an open-source framework. 

We evaluated the ability of Millennial V2 to simulate total soil organic C (SOC), as well as the mineral-associated 

and particulate fractions, using three independent data sets of soil fractionation measurements spanning a range 

of climate and geochemistry in Australia (N 

=

495), Europe (N 

=

175), and across the globe (N 

=

659). When 

using all the data together (N 

=

1329), the Millennial V2 model predicted SOC (RMSE 

=

3.3 kg C m

−

2

, AIC 

=

675, 

R

2

in 

=

0.31, 

R

2

out 

=

0.26) better than the widely-used first-order decomposition model Century (RMSE 

=

3.4 

kg C m

−

2

, AIC 

=

696, 

R

2

in 

=

0.21, 

R

2

out 

=

0.18) across sites, despite the fact that Millennial V2 has an increase in 

process complexity and number of parameters compared to Century. Millennial V2 also reproduced the observed 

fraction of C in MAOM and larger particle size fractions for most latitudes and biomes, and allows for a more 

detailed understanding of the pools and processes that affect model performance. It is important to note that this 

study evaluates the spatial variation in C stock only, and that the temporal dynamics of Millennial V2 remain to 

be tested. The Millennial V2 model updates the conceptual Century model pools and processes and represents our 

current understanding of the roles that microbial activity, mineral association and aggregation play in soil C 

sequestration.   

* Corresponding author. 

E-mail addresses: 

rose.abramoff@lsce.ipsl.fr 

(R.Z. Abramoff), 

betrand.guenet@ens.fr 

(B. Guenet), 

Haicheng.Zhang@ulb.ac.be 

(H. Zhang), 

georgiou@stanford.edu

, 

georgiou1@llnl.gov 

(K. Georgiou), 

xxu@sdsu.edu 

(X. Xu), 

r.viscarra-rossel@curtin.edu.au 

(R.A. Viscarra Rossel), 

yuanwp3@mail.sysu.edu.cn 

(W. Yuan), 

philippe. 

ciais@lsce.ipsl.fr 

(P. Ciais).  

Contents lists available at 

ScienceDirect 

Soil Biology and Biochemistry 

journal homepage: 

www.elsevier.com/locate/soilbio 

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108466 

Received 21 May 2021; Received in revised form 14 October 2021; Accepted 18 October 2021   

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

2

1. Introduction 

Soils  are  not  only  a  vast  storage  pool  of  carbon  (C)  but  also  a 

potentially important feedback to climate change, as they store water, 

mineral nutrients and organic matter, and exchange materials with local 

waterways and the atmosphere. Exchanges of greenhouse gases between 

soils and the atmosphere are particularly relevant to C cycle-climate 

feedbacks,  and  are  controlled  jointly  by  biological  activity  including 

plant input and decomposition of organic matter by soil microorgan-

isms, and by physical processes controlling soil water and temperature 

(

Lajtha et al., 2018

). Soil decomposition models are used to assess cur-

rent soil organic matter (SOM) stocks and make predictions under future 

climate conditions. Most models project soil C loss in response to future 

warming, implying a positive feedback to climate change (

Sulman et al., 

2018

). Yet, large uncertainties arise from soil carbon-climate feedbacks 

due  to structural and parametric uncertainties of soil C models (

Luo 

et al., 2016

; 

Wieder et al., 2017

; 

Shi et al., 2018

; 

Ito et al., 2020

; 

Xu et al., 

2020

). These uncertainties can be partially constrained with data, but 

only if measurements can be directly related to modeled quantities. 

When  models are  constrained or evaluated using  data, it is often 

necessary to make assumptions about what modeled quantities repre-

sent and often the measurements themselves are proxies for underlying 

biogeochemical  processes  (

Bailey  et  al.,  2018

).  However,  the  most 

commonly-used SOM models define pools based on turnover time that 

are not easily or consistently related to physical measurements (

Parton 

et al., 1987

) or they define physically-based pools that use older defi-

nitions (

Jenkinson and Rayner, 1977

). Our best understanding of bio-

logical, physical, and chemical processes in soil has advanced in the 

decades since these models were popularized. In the past decade alone, 

many models have incorporated microbial decomposition (

Allison et al., 

2010

; 

German et al., 2012

; 

Wieder et al., 2014

) and stabilization of SOM 

via aggregation (

Segoli et al., 2013

; 

Stamati et al., 2013

) or mineral 

association  (

Wang et al., 2013

; 

Ahrens et al., 2015

; 

Tang and Riley, 

2015

), reflecting field and laboratory studies emphasizing the impor-

tance of these processes for SOM stocks and persistence (

Tisdall and 

Oades, 1982

; 

Torn et al., 1997

; 

Kallenbach et al., 2016

). 

There is a general consensus about which processes are important for 

controlling soil organic C (SOC) cycling (

Schmidt et al., 2011

; 

Lehmann 

et al., 2020

), yet there is less consensus about the best mathematical 

formulation of different processes (

Wieder et al., 2015a

; 

Sulman et al., 

2018

).  The  kinetics  of  chemical  reactions  can  be  approximated  in 

different  ways  depending  on  assumptions.  For  example, 

Michaelis-Menten kinetics assumes that the concentration of the sub-

strate  greatly  exceeds  the  concentration  of  the  enzyme  (forward 

Michaelis-Menten) or vice versa (reverse Michaelis-Menten) (

Michaelis 

and Menten, 1913

; 

Bailey, 1989

). Equilibrium Chemistry Approxima-

tion (ECA) makes no assumption about the relative concentrations of 

substrate versus enzyme (

Tang and Riley, 2013

; 

Tang, 2015

), and may 

therefore be the most generally applicable approximation of reaction 

kinetics. However, a recent study comparing multiple approximation 

methods suggested that because depolymerization is effectively limited 

by  enzyme  binding  sites,  reverse  Michaelis-Menten  may  be  more 

appropriate  than  ECA  for  modeling  decomposition  (

Tang  and  Riley, 

2019

).  Similar  to  kinetics  approximations,  equations  that  relate  soil 

temperature and moisture to soil processes vary widely in their forms, 

causing divergent model predictions (

Rodrigo et al., 1997

). The earliest 

models often used empirically-derived functions for temperature and 

moisture effects, but more recent models make use of relationships that 

approximate  thermodynamic  or  diffusive  principles,  respectively 

(

Arrhenius, 1889

; 

Davidson et al., 2012

; 

Ghezzehei et al., 2018

). Lastly, 

model representation of bond formation between organic matter and 

mineral  surfaces  varies  widely  across  models  (

Sulman  et  al.,  2018

), 

reflecting the still unknown contribution of dissolved organic C sorption 

(

Abramoff et al., 2021

) versus other forms of complexation that immo-

bilize OM (

Masiello et al., 2004

; 

Mikutta et al., 2011

; 

Weng et al., 2017

), 

including aggregation (

Van Veen and Kuikman, 1990

; 

von Lützow et al., 

2007

). 

The original framework of the Millennial model (

Abramoff et al., 

2018

) sought to update early models such as Century and Roth-C with 

two goals: 1) to define C pools which would be related more directly to 

field measurements, and 2) to reflect current understanding of soil mi-

crobial  and  physicochemical  processes.  To  that  end,  the  Millennial 

model included explicit representation of microbial activity, association 

with  minerals  via  sorption,  and  aggregation  of  organic  matter.  The 

original version (

Abramoff et al., 2018

) was compared with the SOM 

model currently used in many Earth System Models (e.g., E3SM, CESM, 

ORCHIDEE), Century (

Parton et al., 1987

), but was not tested against an 

independent dataset of measurements. Therefore, it remained an open 

question whether the Millennial model could indeed predict SOC stocks 

better than a first-order decomposition model 

– 

an important gap that 

we  address  herein.  In  this  study,  we  update  the  equations  of  the 

Millennial  model,  test  alternate  model  structures,  and  evaluate  the 

ability of the model to predict spatial variation in SOC stocks and un-

derlying soil fractions across multiple biomes based on first principles. 

2. Methods 

2.1. Model development from Version 1 

The original Millennial model (hence, Version 1 or V1) equations 

were  developed  to  facilitate  comparisons  with  the  Century  model 

(

Abramoff et al., 2018

). As such, many of the equations of this original 

version follow a similar structure to, or are borrowed directly from, the 

Century model. For example, the temperature and moisture scalars used 

in Millennial V1 are taken from the daily-time step version of the Cen-

tury model (

Del Grosso et al., 2005

; 

Parton et al., 2010

). In this paper, 

we  maintain  the  conceptual  model  as  presented  in 

Abramoff  et  al. 

(2018)

,  but  update  the  governing  equations  to  reflect  recent  de-

velopments in representations of temperature and moisture dynamics, 

microbial  mortality,  and  protection  of  organic  matter  by  association 

with minerals. The full equations of this new version, Millennial Version 

2 (V2), are presented in the next section, but the main differences be-

tween Millennial V1 and V2 are summarized in 

Table 1

. Specifically, the 

temperature function was updated from the Century temperature scalar 

used in 

Del Grosso et al. (2005) 

to the Arrhenius equation (

Davidson 

et al., 2012

; 

Abramoff et al., 2017

). The moisture function was updated 

from  the  Century  moisture  scalar  used  in 

Parton  et  al.  (2010) 

to  a 

relationship representing the effects of matric potential, oxygen limita-

tion,  and  diffusion  on  reaction  rates  (

Ghezzehei  et  al.,  2018

).  The 

maximum capacity of minerals to sorb organic matter was estimated in 

Millennial V1 using a relationship derived from 72 incubations of dis-

solved  organic  C  with  different  soil  types  (

Mayes  et  al.,  2012

).  In 

Millennial V2 we use a broader empirical relationship based on the C 

content of 

>

1200 measurements of mineral-associated organic matter 

(

Georgiou et al., 2021

). We updated the microbial mortality equation 

from  one  based  on  a  fixed  rate  constant  to  one  that  includes 

density-dependence of microbial biomass, sensu 

Georgiou et al. (2017)

. 

We  also  tested  several  alternate  approximations  of  reaction  kinetics, 

described in detail in Section 

2.3

. Millennial V1 has 23 fittable param-

eters, and Millennial V2 has 24 fittable parameters. 

2.2. Model description of Millennial V2 

The system of equations below follows the conceptual figure (

Fig. 1

), 

tracking  the  size  of  and  transfers  between  five  C  pools:  particulate 

organic matter (POM; denoted 

P 

in equations), low molecular weight 

carbon (LMWC, 

L

), aggregate C (AGG, 

A

), mineral-associated organic 

matter (MAOM, 

M

), and microbial biomass (MIC, 

B

). For all Millennial 

V2 equations below, descriptions, units, and default values for variables 

can be found in 

Table A1

. The change in POM (

P

) stock with time is 

governed by the balance between plant litter C input and aggregate C 

breakdown, aggregate C formation, and decomposition, 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

3

dP

/

dt

=

p

i

F

i

+

p

a

F

a

−

F

pa

−

F

pl

[1]  

where 

p

i 

is the proportion of C input allocated to POM; 

F

i 

is the flux of 

aboveground plant litter, root litter and root exudates; 

p

a 

is the pro-

portion of C in aggregate breakdown allocated to POM; 

F

a 

is aggregate C 

breakdown; 

F

pa 

is the aggregate carbon formation from POM; and 

F

pl 

is 

depolymerization  of  POM  into  LMWC.  Depolymerization  of  POM  is 

governed by the reverse Michaelis-Menten equation (

Tang and Riley, 

2019

), 

F

pl

=

V

pl

S

w

,

D

P

B

K

pl

+

B

[2]  

V

pl

=

α

pl

e

−

Ea

pl

/

[

R

(

T

+

273

.

15

)]

[3]  

S

w

,

D

=

(

θ

φ

)

0

.

5

[4]  

where 

V

pl 

is the maximum rate of POM decomposition modified by an 

Arrhenius  temperature  relationship  (

Davidson  et  al.,  2012

; 

Sierra, 

2012

), and is a function of a pre-exponential constant 

α

pl

, an activation 

energy 

Ea

pl

, the universal gas constant 

R

, and the soil temperature in 

Celsius (

T

). 

K

pl 

is the half-saturation constant, and 

B 

is the microbial 

biomass carbon. The moisture modifier 

S

w,D 

refers to the diffusion lim-

itation of substrates defined in 

Ghezzehei et al. (2018) 

as the square root 

of the ratio of the volumetric water content (

θ

) and the total porosity (

φ

). 

The formation (

F

pa

) of aggregate C (

A

) from POM is a function of the 

rate of aggregate formation (

k

pa

) and 

S

W

,

D

, 

F

pa

=

k

pa

S

w

,

D

P

[5] 

Similarly, soil aggregate C breakdown (

F

a

) into POM and MAOM is a 

function of the rate of breakdown 

(

k

b

) and 

S

W

,

D

. 

F

a

=

k

b

S

w

,

D

A

[6] 

The change in LMWC (

L

) depends on LMWC input, the leaching rate 

(

F

l

), decomposition of POM, adsorption to minerals (

F

lm

), and microbial 

uptake  (

F

lb

),  and  the  proportion  of  microbial  necromass  that  enters 

LMWC (

p

b

), microbial mortality (

F

bm

), and desorption (

F

ld

). In a multi-

layer  version  of  the  Millennial  model,  LMWC  would  also  depend  on 

leaching input from other soil layers, but in this single layer version we 

assume that the leaching input is included in the LMWC input, 

dL

dt

=

F

i

(

1

−

p

i

) −

F

l

+

F

pl

−

F

lm

−

F

lb

+ (

1

−

p

b

)

F

bm

+

F

ld

[7]  

where 

F

l 

is the LMWC leaching loss, 

F

l

=

k

l

S

w

,

D

L

[8]  

and where 

k

l 

is the leaching rate. Adsorption of LMWC to MAOM (

M

) 

follows  a  Langmuir-type  saturating  relationship 

sensu 

Wang  et  al. 

(2013)

, 

F

lm

=

S

w

,

D

K

lm

L

(

1

−

M

Q

max

)

[9]  

where 

K

lm 

is the binding affinity that is adjustable based on the pH. 

Q

max 

is the maximum sorption capacity (gC/m

2

), assuming a 1 m soil profile. 

K

lm 

is further defined by the parameters 

p

1

, 

p

2

, and the desorption co-

efficient (

K

ld

), 

K

lm

=

e

−

p

1

pH

−

p

2

K

ld

[10]  

where parameters 

p

1 

and 

p

2 

are the coefficients for computing the first 

term 

(

e

−

p

1

pH

−

p

2

in

​

L

/

mg

)

from the site-level pH. This term is derived 

from 

Mayes et al. (2012) 

and is equivalent to the equilibrium constant. 

By multiplying the equilibrium constant by the desorption coefficient, 

we obtain the coefficient of adsorption, following the principle that the 

equilibrium constant is equal to the ratio of the adsorption coefficient 

and desorption coefficient (i.e., 

K

eq 

=

K

ads

/K

des

) (

Wang et al., 2013

). The 

Table 1 

Main differences between Millennial V1 and Millennial V2. Please refer to 

Abramoff et al. (2018) 

for a full description of Millennial V1 equations, to Section 

2.2 

for a 

full description of Millennial V2 equations, and to 

Table A1 

for definitions of variables, their units, and values.  

Process 

Millennial V1 [Equation Number in 

Abramoff et al., 2018

] 

Millennial V2 [Equation Number in this paper (Section 

2.2

)] 

Temperature function 

S

t

=

t

2

+

(

t

3

π

)

atan

[

π

(

T

−

t

1

)]

t

2

+

(

t

3

π

)

atan

[

π

t

4

(

T

ref

−

t

1

)]

[3]  

V

x

=

α

x

e

−

Ea

x

/

[

R

(

T

+

273

.

15

)]

[3,14]  

Moisture function 

S

w

=

1

1

+

w

1

exp

(−

w

2

RWC

)

[4]  

S

w

=

e

λφ

[

k

a

,

min

+(

1

−

k

a

,

min

)

(

φ

−

θ

φ

)

0

.

5

](

θ

φ

)

0

.

5 

[4,15]  

Sorption to minerals 

Q

max

=

BD

10

c

1

log

(

%

clay

) +

c

2 

[11]  

Q

max

=

depth BD

%

claysilt p

c 

[11]  

Microbial mortality 

F

bm

=

k

mm

S

t

S

w

B 

[17]  

F

bm

=

k

bd

B

2 

[16]   

Fig. 1.

Conceptual model of Millennial V2, following Millennial V1 of 

Abramoff et al. (2018)

. Black boxes are soil C pools. Solid arrows indicate fluxes between pools 

(See 

Table A1 

for definitions). Colored boxes indicate modeled processes that have been updated or changed from Version 1. The dash line indicates that microbial 

biomass controls the depolymerization rate. POM 

=

particulate organic matter, LMWC 

=

low molecular weight carbon, MAOM 

=

mineral-associated organic matter. 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

4

maximum sorption capacity 

Q

max 

in g C kg

−

1 

soil can be estimated using 

the empirical equation from 

Georgiou et al. (2021)

, which depends on 

the clay and silt content in percent (

%claysilt

) and a coefficient (

p

c

). This 

expression  is  then  converted  to  model  units  of  g  C  m

−

2 

using  the 

site-level sampling depth (

depth

) in m and bulk density (

BD

) in kg soil 

m

−

3

. 

Q

max

=

depth BD

%

claysilt p

c

[11] 

Desorption of LMWC is a function of MAOM, 

Q

max

, and the desorp-

tion coefficient (

K

ld

) 

sensu 

Wang et al. (2013)

. 

F

ld

=

K

ld

M

Q

max

[12] 

Microbial uptake of LMWC is a function of microbial biomass and 

LMWC concentration, temperature, and water, 

F

lb

=

V

lb

S

w

,

B

B

L

K

lb

+

L

[13]  

V

lb

=

α

lb

e

−

Ea

lb

/

[

R

(

T

+

273

.

15

)]

[14]  

S

w

,

B

=

e

λφ

[

k

a

,

min

+

(

1

−

k

a

,

min

)

(

φ

−

θ

φ

)

0

.

5

]

S

w

,

D

[15]  

where 

V

lb 

is  the  maximum  uptake  rate  of  LMWC,  modified  by  an 

Arrhenius temperature relationship as in Equation 

(3)

, and 

K

lb 

is the 

half-saturation constant for microbial activity. The term 

S

w,B 

refers to 

the  total  moisture  sensitivity  of  biological  activity  (

Ghezzehei  et  al., 

2018

), where 

λ 

is the dependence of the rate on the matric potential (

φ

) 

and 

k

a

,

min 

is the minimum relative rate in saturated soil. This relationship 

incorporates  the  effects  of  matric  potential  (

e

λφ

),  oxygen  limitation 

[

k

a

,

min

+(

1

−

k

a

,

min

)

(

φ

−

θ

φ

)

0

.

5

]

and  diffusion  limitation  of  substrates 

(

S

W

,

D

). 

Microbial biomass mortality is calculated using a density-dependent 

formulation derived from 

Georgiou et al. (2017)

, where the mortality 

(

F

bm

) is a function of a fixed microbial death rate (

k

bd

), and the square of 

the microbial biomass pool 

B

, which can be derived from the logistic 

growth equation of population dynamics. 

F

bm

=

k

bd

B

2

[16] 

Both MAOM and POM can enter the aggregate C pool (

A

), 

dA

/

dt

=

F

ma

+

F

pa

−

F

a

[17]  

F

ma

=

k

ma

S

w

,

D

M

[18]  

where 

F

ma 

is the carbon flow from MAOM to aggregate C, and 

k

ma 

is the 

aggregate formation rate from MAOM. MAOM is formed by sorption of 

LMWC and microbial necromass, and is affected by transfer into and out 

of the aggregate C pool, 

dM

/

dt

=

F

lm

−

F

ld

+

p

b

F

bm

−

F

ma

+

F

a

(

1

−

p

a

)

[19]  

where 

F

bm 

is the carbon flow from microbial biomass to MAOM, namely 

buildup of microbial necromass. The partitioning of microbial necro-

mass  to  MAOM  versus  LMWC  (

p

b

)  is  not  controlled  by  Langmuir 

adsorption but rather assumes that MAOM is made up of both mineral 

surfaces which respond to sorption (Equations 

9 and 12

) as well as mi-

crobial necromass that forms mineral associations by other means, ac-

counting  for  the  observed  discrepancy  between  maximum  sorption 

capacities measured using DOC sorption experiments (

Abramoff et al., 

2021

) and the observed maximum capacity of the mineral fraction as a 

whole (

Georgiou et al., 2021

). 

Microbial biomass changes as a result of uptake, mortality, and loss 

via respiration, 

dB

/

dt

=

F

lb

−

F

bm

−

F

mr

[20] 

Uptake is partitioned into respiration (

F

mr

) and growth (

F

bg

) based on 

a temperature-dependent carbon use efficiency (CUE), 

F

mr

=

F

lb

{

1

−

[

CUE

ref

−

CUE

T

(

T

−

T

ae

−

ref

)]}

[21]  

F

bg

=

F

lb

[

CUE

ref

−

CUE

T

(

T

−

T

ae

−

ref

)]

[22]  

where 

CUE

ref 

is the reference CUE, and 

CUE

T 

is the CUE dependence on 

temperature. 

T

ae-ref 

and 

T 

are the reference and current soil temperature, 

respectively. Therefore, the total CO

2 

released through heterotrophic 

respiration is 

dCO

2

/

dt

=

F

mr

[23]  

2.3. Alternate approximations of reaction kinetics 

We  tested  three  methods  for  approximating  the  reaction  kinetics 

governing depolymerization and microbial uptake. In the Millennial V1 

model, we used the double Michaelis-Menten equation to approximate 

depolymerization and forward Michaelis-Menten for uptake. However, 

recent models use a variety of  kinetics approximations ranging from 

complex to simple. Here we test three of them: (1) a combination of 

reverse and forward Michaelis-Menten (MM), (2) equilibrium chemistry 

approximation (ECA), and (3) linear (LIN) kinetics. 

Following arguments from 

Tang and Riley (2019) 

on the different 

limiting factors for depolymerization and microbial uptake, we defined a 

model  using  reverse  Michaelis-Menten  kinetics  for  depolymerization, 

and  forward  Michaelis-Menten  kinetics  for  microbial  uptake. 

Michaelis-Menten approximations are arguably the most popular reac-

tion  kinetics  approximations  in  soil  microbial  decomposition  models 

(

Allison et al., 2010

; 

Davidson et al., 2012

; 

German et al., 2012

; 

Wang 

et al., 2013

; 

Wieder et al., 2014

). This model variant is the default for 

Millennial  V2,  and  depolymerization  and  uptake  are  described  by 

Equations 

2 and 13

, respectively, from the previous section. 

Second, we tested the equilibrium chemistry approximation, which 

is a more complex approximation than Michaelis-Menten because it is 

closer to the full reaction kinetics (

Tang, 2015

). The ECA is commonly 

used in models with microbial and/or mineral interactions (

Tang and 

Riley, 2015a

; 

Abramoff et al., 2017

). For this model variant, we replaced 

Equations 

2 and 13 

with 2a and 13a, respectively. 

F

pl

=

V

pl

S

w

,

D

P

B

K

pl

+

B

+

P

[2a]  

F

lb

=

V

lb

S

w

,

B

B

L

K

lb

+

L

+

B

[13a] 

Lastly,  linear  kinetics  is  the  simplest  approximation,  wherein  the 

reaction is linear with respect to each contributing pool. However, note 

that because the reaction rate depends on two pools, the interaction is 

second-order. For this model variant, we replaced Equations 

2 and 13 

with 2b and 13b, respectively. 

F

pl

=

V

pl

S

w

,

D

P

B

K

pl

[2b]  

F

lb

=

V

lb

S

w

,

B

B

L

K

lb

[13b]  

2.4. Parametric sensitivity, collinearity, and sensitivity to inputs 

For each model variant (V1, ECA, MM, LIN), we calculated a local 

parameter sensitivity index (

S

ij

), which summarizes the effect of each 

parameter 

j 

at timestep 

i 

for each model pool, 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

5

S

ij

=

dy

i

dθ

j

θ

j

y

i

[24]  

Where 

y 

is the model output and 

θ 

is the parameter value (

Soetaert and 

Herman, 2009

). We initialized the model using the steady-state C pools 

at  default parameter values, calculated using  the 

stode 

function of  R 

Version 4.0.4

’

s rootSolve Version 1.8.2.1 package (

Soetaert, 2009

), as in 

Wieder et al. (2015b)

. Then, we ran each instance of the model for 100 

years  using  the  same  repeated  global  average  year  of  forcing  from 

Abramoff et al. (2018)

, and evaluated the model output 

y 

at time step 

i 

=

100 years for each parameter value 

θ

. 

Collinearity describes the linear dependence of model parameters, 

and can be summarized in a collinearity index, 

γ

, where a change in one 

parameter can be compensated by 1-1/

γ 

by changing other parameters. 

For example, a model with 

γ 

=

20 can offset the effect of a parameter 

change by 95% by changing other parameters. 

γ 

has a lower bound of 1 

when all terms are orthogonal and an upper bound of infinity when all 

terms  are  linearly  dependent.  It  is  calculated  using  the  normalized 

sensitivity matrix 

S

ij 

with the 

collin 

function of R

’

s FME Version 1.3.6.1 

package, and is more fully described in 

Soetaert (2016)

, 

Abramoff et al. 

(2017)

, and 

Marschmann et al. (2019)

. Very high values can be common 

with multiple parameters; for example, in a 5-parameter model of bac-

terial growth described in 

Soetaert (2016)

, the collinearity index was 

2.4 

×

10

6 

when using all five parameters. 

Using the steady state version of the model we conducted an analysis 

of model sensitivity to inputs across the range of inputs represented in 

the  evaluation  sites  (see  2.6.1):  net  primary  production  [NPP; 

0.007

–

1.99 gC m

−

2 

d

−

1

], soil temperature [-3.47 

– 

29.9 

◦

C], volumetric 

water content [0.10

–

0.48 m

3

m

-3

], clay and silt percentage [1

–

98], and 

pH [2.8

–

7.9]. Model steady state solutions were evaluated at 10 soil 

temperatures,  10  volumetric  water  contents,  and  10  values  of  NPP 

equally spaced along the range in a full factorial design, for a total of 

1000 model evaluations. The three V2 model variants were very similar 

in their patterns, so we plotted only the model variant with the lowest 

collinearity index, V2 MM. We performed the same sensitivity analysis 

with  the  Century  model,  which  is  described  more  fully  in  the  next 

section. 

2.5. Century and gradient-boosted models 

Because the Century model is a commonly-used process-based model 

that is included in many terrestrial biosphere models, we used it as a 

point of comparison for the Millennial model. The Century model in-

cludes three soil pools (active, slow and passive) and two litter pools 

(structural  and  metabolic).  The  equations  governing  interactions  be-

tween the five Century model pools are defined in 

Parton et al. (1987)

, 

and are also well-described in 

Sierra and Muller (2015)

. We did not 

include the nitrogen and plant submodels that are described in 

Parton 

et al. (1987)

, focusing only on carbon cycling in this study. The default 

parameters are described in 

Table A2

, and the equations reproduced in 

Appendix B

. 

Both the Millennial and Century models are process-based models 

that use assumptions about soil processes to make SOC stock predictions. 

In order to evaluate the relationship between measured SOC stocks and 

the  model  forcing  inputs  (NPP,  soil  temperature,  volumetric  water 

content,  pH,  and  percentage  of  clay  and  silt)  without  making  any 

process-level assumptions, we created an empirical null model using a 

gradient-boosted machine learning (GBM) algorithm (R package: 

caret 

V6.0-86

, functions: 

createDataPartition, trainControl, train 

with method 

“

gbm

”

). GBM models were trained on 80% of the data and evaluated on 

the final 20% with 10-fold cross validation, repeated 10 times. Perfor-

mance metrics for this model include the out-of-sample R

2 

from cross- 

validation, the root-mean-square error, and mean absolute error. The 

relative influence of the forcing input predictors was calculated using 

the decrease in error when the predictor was used to split regression 

trees in the model (

Friedman, 2001

). 

2.6. Model simulations 

2.6.1. Data used to fit and evaluate models 

We  evaluated  the  Millennial  V2  and  Century  models  using  three 

datasets of  soil fractionation measurements.  For the  purposes  of this 

evaluation, we used size fractionation measurements separating MAOM 

from larger size fractions using a particle size upper bound that ranged 

from 50 to 60 

μ

m, depending on the dataset. It is important to note that 

according to these size fractionation protocols, and some mixed density- 

and size-fractionation protocols like that of 

Poeplau et al. (2017)

, the 

MAOM fraction is defined by size alone, but the aggregate and POM 

fractions,  though  we  do  not  isolate  them  in  this  evaluation,  can  be 

defined in different ways. Traditional fractionation protocols disperse 

the soil to measure POM and MAOM fractions, but measure micro- and 

macroaggregate fractions on soil that is minimally dispersed (

Poeplau 

et  al.,  2018

).  As  a  result,  aggregate  fractions  measured  by  sieving 

minimally-dispersed soil often contain POM and MAOM. For our pur-

poses, we define the aggregate fraction in Millennial V2 to be the stable 

microaggregates which remain after dispersion in the larger particle size 

fraction (

>

50

–

60 

μ

m), and therefore do not contain substantial MAOM. 

This is analogous to the 

“

heavy sand and stable aggregate fraction

” 

in 

Poeplau et al. (2017)

, or 

“

coarse, heavy POM

” 

within the framework of 

Robertson et al. (2019)

, who used a combination of size and density 

fractionation methods similar to 

Poeplau et al. (2017)

. For our purposes, 

and  to  be  inclusive  of  multiple  fractionation  methods,  we  focus  on 

separating the MAOM fraction from larger particle size fractions (POM 

and stable microaggregates) using a 10 

μ

m range for the upper bound of 

MAOM that encompasses most of the fractionation methods that are 

commonly used (

Poeplau et al., 2018

). In most fractionation protocols, 

microbial biomass and LMWC may be present in both MAOM and larger 

size fractions, but because these pools were on average less than 1% of 

the total modeled SOM, we grouped them into the larger size fractions, 

both for simplicity and to conserve the accuracy of the MAOM fraction 

measurement, as this was the only fraction explicitly measured by all of 

the datasets. 

The first dataset, Viscarra Rossel (VR), is derived from 495 Australian 

sites described in 

Viscarra Rossel and Hicks (2015) 

and 

Viscarra Rossel 

et al. (2019)

. Vegetation ranges from grass to forest with 155 grazed 

sites and 345 sites under minimal use or nature conservation. SOC stocks 

were reported in t/ha for the top 30 cm of soil and converted to g C m

−

2

. 

SOC was fractionated into three fractions, originally reported as par-

ticulate organic C (POC), humic organic C (HOC), and resistant organic 

C (ROC), corresponding to the 50

–

2000 

μ

m particle size fraction, the 

<

50 

μ

m particle size fraction, and charcoal measured using solid-state 

13

C  nuclear  magnetic  resonance  spectroscopy  (

Baldock  et  al.,  2013

). 

For  the  purposes  of  this  study,  we  define  MAOM  as  the  operational 

measurement of soil particles 

<

50 

μ

m (HOC), while the remaining C 

pools  are  considered  to  be  comprised  of  soil  particles  50

–

2000 

μ

m 

(POC). The VR dataset reported a number of soil and climate variables, 

including bulk density, pH, percent clay and silt, and net primary pro-

ductivity (NPP) derived from the land surface model BIOS2 (

Haverd 

et al., 2013

). Soil temperature (

◦

C) and soil moisture (mm

3 

mm

−

3

) were 

derived from the Global Land Data Assimilation System

’

s (GLDAS) Noah 

1

◦

x1

◦

V2.1 land surface model output for the top 0

–

10 cm, 10

–

40 cm, 

and 40

–

100 cm of soil (

Beaudoing and Rodell, 2016

). We calculated a 

weighted average for the three soil layers, depending on the proportion 

of soil in each layer which is determined by the depth of sampling at 

each site. 

The second dataset, Georgiou (KG), is derived from 659 globally- 

distributed sites described in 

Georgiou et al. (2021)

, including forest, 

grass, and crops experiencing varying land management. SOC concen-

trations were reported in g C kg

−

1 

soil and converted to g C m

−

2 

using 

the reported depth of sampling (median: 14 cm; 1st, 3rd quartile: 10 cm, 

20 cm; range: 6 cm

–

62 cm), and bulk density for the top 1 m of soil 

extracted from SoilGrids 250 m (

Hengl et al., 2017

) aggregated to 1 km. 

SOC  was  fractionated  into  MAOM,  defined  as  the  soil  particle  size 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

6

fraction 

<

60 

μ

m. The KG dataset reported percent clay and silt, but not 

pH which was derived for the top 1m of soil from SoilGrids in the same 

way  as  bulk  density.  NPP  was  derived  from  a  0.5

◦

x0.5

◦

global  data 

product of aboveground litter production (

Li et al., 2019

). Because NPP 

includes both above and belowground components, we estimated the 

belowground (i.e., root) litter production from the aboveground litter 

production  using  the  ratio  of  aboveground-to-belowground  biomass 

carbon  density  (Mg/ha)  from  gridded  global  maps  at  300  m  spatial 

resolution (

Spawn et al., 2020

). This makes the simplifying assumption 

that the ratio of aboveground-to-belowground biomass is analogous to 

the ratio of aboveground litter -to-fine root litter. However, the fraction 

of belowground biomass in 

Spawn et al. (2020) 

(median: 0.44, range: 

0

–

1) was similar to the fraction of NPP allocated to fine roots (median: 

0.47, range: 0.08

–

0.94) in a globally-distributed dataset (N 

=

112) (

Xia 

et al., 2019

), so we accept this first order assumption for estimating 

belowground litter production. The sum of the aboveground litter pro-

duction from 

Li et al. (2019) 

and the root production estimated from 

Li 

et al. (2019) 

and 

Spawn et al. (2020) 

was used as the NPP input to the 

Millennial V2 model for the KG dataset. Soil temperature and moisture 

were derived from GLDAS as described for the VR dataset. 

The  third  dataset,  LUCAS,  is  derived  from  175  European  sites 

included in the Land Use/Cover Area Frame Survey (

T

´

oth et al., 2013

), 

representing natural and re-vegetated forests and grassland. These sites 

measured soil fractions by size fractionation on topsoil with vegetation 

residues and litter removed, sampled from 0 to 20 cm (

Cotrufo et al., 

2019

). These measurements were used to evaluate the MEMS model, 

another  model  proposing  measurable  soil  C  pools  (

Robertson  et  al., 

2019

).  The  MAOM  pool  is  defined  as  the 

<

53 

μ

m  soil  particle  size 

fraction, while the remaining C pools are considered to be comprised of 

soil  particles  53

–

2000 

μ

m.  The  dataset  also  measures  ancillary  soil 

properties such as pH and percent clay and silt. Bulk density, NPP, soil 

temperature and soil moisture were not reported, and were derived in 

the same way as described for the KG dataset. All data used in this study 

are summarized in 

Table 2 

and a map of site locations plotted in 

Fig. S1

. 

2.6.2. Model fitting and evaluation 

When fitting the Millennial V2 model and the Century model across 

sites, we assumed that each site had reached a steady-state. As a result, 

we  could  fit  the  model  using  the  steady-state  solution  rather  than 

running  the  model  dynamically.  However,  whenever  the  collinearity 

index is greater than 20, it is not advisable to fit all of the parameters at 

once (

Soetaert, 2016

). Therefore, we chose to optimize parameters with 

a local parametric sensitivity index (Equation 

(24)

) greater than |0.25|, 

or 15/24 fittable parameters in the case of the Millennial V2 model and 

13/22 fittable parameters in the case of the Century model (see 

Table A1 

for parameters and their fitted values). Parameters were optimized by 

minimizing the sum of squared residuals between the model and ob-

servations using the 

modFit 

function of R Version 4.0.4

’

s FME Version 

1.3.6.1  package  with  the  Levenberg-Marquardt  algorithm.  Parameter 

lower bounds were either -Inf or 0, and upper bounds were either 1 or 

Inf. We calculated the coefficient of determination (R

2

) for observed and 

predicted pools across sites using the optimal parameter set from fitting. 

As  a model performance  metric, we  calculated the  root-mean-square 

error (RMSE) as 

RMSE

=

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

∑

n
i

=

1

(

SOC

obs

,

i

−

SOC

mod

,

i

)

2

n

√

[25]  

Where 

SOC

obs

,

i 

is the observed SOC at each site 

i

, 

SOC

mod

,

i 

is the modeled 

SOC at each site, and 

n 

is the number of sites. We also consider the mean 

absolute error (MAE) and mean bias error (MBE), 

MAE

=

∑

n
i

=

1

⃒

⃒

SOC

obs

,

i

−

SOC

mod

,

i

⃒

⃒

n

[26]  

MBE

=

∑

n
i

=

1

(

SOC

obs

,

i

−

SOC

mod

,

i

)

n

[27] 

We calculated the Akaike information criterion (AIC) as a perfor-

mance metric, which considers not only the error but also the number of 

model parameters, 

AIC

=

n

×

ln

⎛

⎝

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

∑

n
i

=

1

(

SOC

obs

,

i

−

SOC

mod

,

i

)

2

n

√

⎞

⎠

+

2

p

[28]  

where 

p 

is the total number of model parameters. 

For  the  purposes  of  finding  the  best  overall  parameter  set  and 

describing relationships between SOC stocks and environmental vari-

ables, we fit the model to the entirety of each dataset. This is also how we 

calculate the in-sample R

2

, denoted 

R

2

in 

in 

Tables 3 and 4

. However, for 

the purposes of cross-validation we fit the model to a random draw of 

80% of each dataset, holding back 20% for testing, repeated 10 times. 

Model performance indices 

R

2

out 

(out-of-sample R

2

), RMSE, MAE, MBE, 

and  AIC  are  calculated  by  comparing  modeled  values  to  the  testing 

dataset and averaging across the 10 repeated fits. 

To classify the range of predicted and observed C stocks by biome, we 

Table 2 

Sources of data used to fit the model (Particle Size Fractions), force the model (NPP, soil temperature, soil moisture), or define site-specific quantities (Clay, Silt, pH, 

Bulk Density).  

Dataset 

Region 

Particle Size Fractions 

NPP 

Soil temperature 

& 

moisture 

Clay 

& 

Silt 

pH 

Bulk Density 

VR 

Australia 

(

Viscarra Rossel and Hicks, 2015

;  

Viscarra Rossel et al., 2019

) 

BIOS2 (

Haverd et al., 

2013

) 

GLDAS (

Beaudoing and 

Rodell, 2016

) 

Viscarra Rossel 

et al. (2015) 

Viscarra Rossel 

et al. (2015) 

Viscarra Rossel 

et al. (2015) 

KG 

Global 

Georgiou et al. (2021) 

(

Li et al., 2019

;  

Spawn et al., 2020

) 

GLDAS (

Beaudoing and 

Rodell, 2016

) 

Georgiou et al. 

(2021) 

SoilGrids (

Hengl 

et al., 2017

) 

SoilGrids (

Hengl 

et al., 2017

) 

LUCAS 

EU 

(

Panagos et al., 2012

; 

Cotrufo 

et al., 2019

) 

(

Li et al., 2019

;  

Spawn et al., 2020

) 

GLDAS (

Beaudoing and 

Rodell, 2016

) 

T

´

oth et al. (2013) 

T

´

oth et al. (2013) 

SoilGrids (

Hengl 

et al., 2017

)  

Table 3 

Model fit of SOC to measured values. 

R

2

in 

=

coefficient of determination of the 

training dataset (i.e., in-sample), 

R

2

out 

=

coefficient of determination of the test 

dataset  (i.e., out-of-sample), RMSE 

=

root mean square error, MAE 

=

mean 

absolute error, MBE 

=

mean bias error. AIC 

=

Akaike Information Criterion. N is 

the number of SOC measurements included in each dataset.  

Dataset 

Model 

R

2

in  

R

2

out  

RMSE 

(kg C 

m

−

2

) 

AIC 

MAE 

(kg C 

m

−

2

) 

MBE 

(kg C 

m

−

2

) 

All (N 

=

1329) 

Millennial 

V2 

0.31 

0.26 

3.29 

675 

2.14 

−

1.01  

Century 

0.21 

0.18 

3.42 

696 

2.30 

−

0.72 

VR (N 

=

495) 

Millennial 

V2 

0.46 

0.37 

1.83 

163 

1.25 

−

0.63  

Century 

0.40 

0.32 

2.11 

189 

1.46 

−

1.17 

KG (N 

=

659) 

Millennial 

V2 

0.32 

0.21 

3.46 

372 

2.28 

−

1.18  

Century 

0.20 

0.02 

3.81 

398 

2.63 

−

0.35 

LUCAS 

(N 

=

175) 

Millennial 

V2 

0.04 

0.04 

5.03 

150 

3.71 

−

1.10  

Century 

0.04 

0.01 

5.21 

152 

3.77 

−

1.19  

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 7

Figures and page graphics, page 7

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

7

used the World Wildlife Fund Terrestrial Ecoregions Map which clas-

sifies vegetated land into 14 biomes (

Olson et al., 2001

). For comparison 

purposes, we made use of ancillary measurements collected by each of 

the datasets, specifically land type classification from the LUCAS data-

set, grouped into broadleaved, mixed forest, coniferous, mixed grass, 

pure  grass  and  re-vegetated.  Lastly,  to  evaluate  the  range  of 

model-predicted turnover time of soil C assuming that C stocks are at 

equilibrium, we used a global dataset of N 

=

470 estimates of turnover 

time (

Chen et al., 2013

). Turnover time is defined here as SOC/respi-

ration rate, assuming that steady-state has been reached (

Sierra et al., 

2017

). 

3. Results 

We estimated the mean parameter sensitivity of C stocks in the five 

model  pools  at  equilibrium  for  Millennial  V1  and  for  the  V2  model 

variants. Millennial V1 parameter sensitivity is lower than that of the V2 

variants for all pools except for the microbial biomass pool and LMWC 

(

Fig. S2

). The Millennial V2 variants have similar sensitivity to param-

eters, with the ECA kinetics variant having slightly greater sensitivity of 

C  stocks  to  parameter  values  across  all  pools  except  the  microbial 

biomass pool. The mean collinearity of parameters was highest for the 

Millennial V2 variant with linear kinetics, followed by Millennial V1. 

Note that Millennial V1 has one fewer fittable parameter than the V2 

variants which may lower the collinearity index for V1 (

Fig. 2

). How-

ever,  Millennial  V2  with  Michealis-Menten  kinetics  had  the  lowest 

collinearity of all the model variants for all pools, indicating that its 

parameters are more identifiable compared to the other model variants. 

Using this index, we can select V2 MM as the model which is comparable 

to the others in terms of parameter sensitivity, but has the most iden-

tifiable parameters, lending itself to easier parameter fitting. 

Steady-state  solutions  of  the  model  are  sensitive  not  only  to  the 

choice of parameters, as demonstrated above, but also the model inputs, 

including soil temperature, volumetric water content (VWC), and net 

primary production (NPP). Sensitivity analyses conducted across a range 

of model inputs show that increasing soil temperature causes all model 

pools to decrease in size, as a result of an increase in the reaction rate of 

depolymerization  and  uptake,  according  to  the  Arrhenius  equation 

(

Fig. 3

a). Except for the microbial biomass and LMWC pools (

Fig. S3

), all 

model pools are smaller at high VWC, which tends to increase the rate of 

C cycling and turnover in general (

Fig. 3

b). Conversely, all model pools 

have  a  positive  relationship  with  NPP,  with  all  pools  increasing  in 

response  to increased plant  inputs. The relationship with  NPP is not 

linear, however, but rather begins to saturate at the upper end of the 

observed  NPP  range  because  microbial  biomass  growth  increases 

decomposition  that  slows  the  C  accumulation  (

Fig.  3

c, 

Fig.  S3

). 

Increasing the percentage of clay and silt present in soil corresponds to 

an increase in SOC by decreasing the C that is available to microbes via 

mineral association until soil minerals become saturated. Conversely, 

increasing pH has the opposite effect, affecting a parameter that inhibits 

sorption to minerals which causes SOC to become available to microbes. 

In comparison to the Century model, effects of model inputs on steady 

state  SOC  are  qualitatively  similar  for  soil  temperature  and  VWC 

(

Fig.  S4

).  The  Century  model  relationship  between  SOC  and  NPP  is 

linear, reflecting the first-order kinetic relationship between inputs and 

decomposition  rates.  Further,  the  relationship  between  SOC  and  the 

percentage of clay and silt increases without saturating at values of clay 

and silt approaching 100% (

Fig. S4

). 

When  using  all  the  data  together  (N 

=

1329),  the  Millennial  V2 

model predicted SOC (RMSE 

=

3.3 kg C m

−

2

, AIC 

=

675, 

R

2

in 

=

0.31,

R

2

out 

=

0.26) better than the Century model (RMSE 

=

3.4 kg C m

−

2

, AIC 

=

696, 

R

2

in 

=

0.21, 

R

2

out 

=

0.18; 

Table 3

) across sites. The Millennial V2 

model also outperformed the Century model when fit to each dataset 

separately  (

Table  3

, 

Fig.  4

).  Of  the  three  datasets  used,  both  the 

Millennial  V2  and  Century  models  were  able  to  explain  the  greatest 

amount of site-level variation in SOC, MAOM and other fractions for the 

VR dataset, and the least for the LUCAS dataset (

Table 3

, 

Table 4

). We 

made very weak assumptions about the prior range of the parameters 

(-Inf/0, 1/Inf), yet most parameters fit to Millennial V2 were within the 

same order of magnitude as the default parameters and similar across 

datasets (

Table A1

). The half-saturation constant for microbial uptake 

had a large absolute and relative change from the default parameters 

after fitting. Other large absolute changes included the activation energy 

of uptake and decomposition, as well as the half-saturation constant for 

decomposition. On average, the LUCAS dataset

’

s fitted parameters were 

less  similar  to  the  default  parameters  than  those  of  the  VR  and  KG 

datasets,  suggesting  that  SOC  stocks  in  the  LUCAS  dataset  respond 

Table 4 

Millennial V2 model fit of MAOM and non-MAOM (POM 

+

AGG 

+

LMWC 

+

MIC) pools to measured values. 

R

2

in 

=

coefficient of determination of the training 

dataset (i.e., in-sample), 

R

2

out 

=

coefficient of determination of the test dataset (i. 

e., out-of-sample), RMSE 

=

root mean square error, MAE 

=

mean absolute error, 

MBE 

=

mean bias error. NS 

=

not significant at the P 

<

0.05 level. N is the 

number of SOC measurements included in each dataset.  

Dataset 

Pool 

N 

R

2

in  

R

2

out  

MAE (kg C 

m

−

2

) 

MBE (kg C 

m

−

2

) 

All 

MAOM 

1329 

0.40 

0.27 

1.58 

−

1.14  

non- 

MAOM 

670 

0.17 

0.24 

0.82 

−

0.077 

VR 

MAOM 

495 

0.42 

0.37 

0.89 

−

0.39  

non- 

MAOM 

495 

0.29 

0.16 

0.52 

−

0.24 

KG 

MAOM 

659 

0.40 

0.31 

1.38 

−

0.62 

LUCAS 

MAOM 

175 

0.15 

0.09 

1.99 

−

0.77  

non- 

MAOM 

175 

NS 

NS 

2.20 

−

0.33  

Fig.  2.

Mean  collinearity  of  parameters  for  four 

model variants, Millennial V1 (Original; 23 parame-

ters), V2 with Linear kinetics (V2 LIN; 24 parameters), 

V2  with  Michaelis-Menten  kinetics  (V2  MM;  24  pa-

rameters),  and  V2  with  Equilibrium  Chemistry 

Approximation  kinetics  (V2  ECA;  24  parameters). 

Collinearity  is  measured  using  the  index 

γ 

with  a 

lower  bound  of  1  and  an  upper  bound  of  infinity, 

where a change in one parameter can be compensated 

by 1-1/

γ 

by changing other parameters (Section 

2.4

). 

Values 

>

10

6 

are common for models with many pa-

rameters (

Soetaert, 2016

). AGG 

=

aggregates, LMWC 

=

low  molecular  weight  C,  MAOM 

=

miner-

al-associated  organic  matter,  MIC 

=

microbial 

biomass, POM 

=

particular organic matter. The error 

bars represent the standard error of different collin-

earity  indices  estimated  for  100  randomly-selected 

subsets of parameters.   

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 8

Figures and page graphics, page 8

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

8

differently to the observed environment. Fitted Century model param-

eters were also within the same order of magnitude as the default pa-

rameters, which were taken from 

Parton et al. (1987) 

and 

Del Grosso 

et al. (2005)

. Similar to Millennial V2, the Century model had more 

absolute and relative variation in parameters controlling responses to 

the  environment,  such  as  temperature  and  soil  moisture  parameters 

(

Table A2

). 

Millennial V2 and Century generally capture the total soil C stock 

across a latitudinal gradient (

Fig. 5

, 

Fig. S5

), although both models tend 

to underestimate the amount of MAOM at high latitudes (

Fig. 6

). It is 

important to note however, that while the other latitude bins have be-

tween 40 and 762 sites, the 

−

50

◦

S and 70

◦

N latitude bins have only 4 

and  8  sites  represented,  respectively.  In  the  observed  data,  MAOM 

makes up 73% (median; range: 2

–

100%) of the soil C stock, while in 

Millennial  V2  MAOM  is  68%  (median;  range:  35

–

69%)  of  SOC.  The 

Century model does not explicitly simulate a MAOM fraction, but its two 

slowest turnover pools, PASSIVE and SLOW, account for 64% (median; 

range: 59

–

66%) and 32% (median; range: 29

–

33%) of the soil C stock, 

respectively. The Millennial model

’

s non-MAOM pools include stable 

microaggregates (or heavy POM; 24% median; range: 23

–

34%), POM 

(or light POM; 8% median; range: 7

–

28%), microbial biomass C (0.1% 

median;  range:  0.04%

–

2.2%),  and  LMWC  (0.1%  median;  range: 

0.04

–

1.3%; 

Fig. 6

).  Literature estimates of  microbial biomass C vary 

widely, from 0.4% of total SOC in 

Fahey et al. (2005) 

to 2% in 

Walker 

et  al.  (2018)

.  However,  our  estimate  is  low  compared  to  existing 

global-scale estimates of ~2% for 0

–

30 cm (

Xu et al., 2013

). LMWC 

Fig. 3.

Response of each SOC pool of Millennial V2 evaluated at steady state with Michaelis-Menten kinetics to (a) soil temperature, (b) volumetric water content 

(VWC) (c) net primary production (NPP), (d) clay and silt percentage, and (e) pH. 

All

Viscarra Rossel

Georgiou

LUCAS

Centur

y

Millennial V2

0

10 20 30 0

10 20 30 0

10 20 30 0

10 20 30

0

10

20

30

0

10

20

30

Modeled C stock (kgC 

 

m

−

2

 

)

Obser

ved C stock (kgC 

 

m

−

2

 

)

Pool

MAOM
SOC

Fig. 4.

The relationship between modeled C stock by Century and Millennial Model V2 compared with observed C stock in the MAOM pool (yellow symbols) as well 

as total SOC stock (blue symbols). The Century model estimates SOC only. Model fit is shown for all three datasets combined (All) as well as for each dataset 

separately. The dashed line is the 1:1 line. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.) 

Fig.  5.

Boxplots  showing  the  distribution  of  the  observed  (green),  Century 

model-predicted  (pink),  and  Millennial  V2  model-predicted  (orange)  total  C 

stock for each 10

◦

bin of latitude. (For interpretation of the references to colour 

in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.) 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

9

could  be  analogous  to  dissolved  organic  C  (DOC)  if  there  is  enough 

moisture in the soil matrix, and if we do not consider DOC molecules 

that are too large to be taken up by microbes. Measured DOC concen-

trations  from  a  recent  global  synthesis  are  roughly  consistent  with 

Millennial V2 estimates, with a range of 0.1%

–

3% of SOC depending on 

the biome, with a global average of 0.2% (

Guo et al., 2020

). Including 

microbial biomass and DOC measurements as constraints could improve 

global predictions by informing the uptake and turnover parameters that 

control exchanges between these and other modeled pools. 

Millennial V2 generally captures the distribution of total SOC stocks 

across different biomes (

Fig. 7

, 

Fig. S6

) as well as the breakdown be-

tween MAOM and non-MAOM fractions (

Fig. 8

, 

Fig. S7

). The Millennial 

V2 model predicts total SOC stocks within the range of observed values 

for all but the montane biome (

Fig. 7

), although there is much more 

variation when each dataset is considered individually (

Fig. S8

). The 

Century model does not estimate the C stock in each soil fraction, but 

Millennial V2 is generally within the range of the observed values of C 

stocks in the MAOM and non-MAOM fractions (

Fig. 8

, 

Fig. S9

). Here it is 

possible to identify the fraction which contributes to poor model per-

formance in certain biomes. For example, Millennial V2 predicts MAOM 

C stocks well in tropical grasslands, but overestimates C stocks in the 

non-MAOM fraction. Conversely, Millennial V2

’

s poor performance in 

the  montane  and  desert  biomes  is  due  to  the  model  systematically 

underpredicting the MAOM fraction in these biomes. 

The Millennial V2 model may capture the observed variation in C 

stocks across a gradient of NPP better than the Century model (

Fig. S10

). 

Fig. 6.

Barplots showing the median total C stock that is observed, Century model-predicted, and Millennial V2 model-predicted, for each 10

◦

bin of latitude. Colors 

show the distribution of C pools in the observed data (gray 

=

MAOM, yellow 

=

non-MAOM), Century (light blue 

=

PASSIVE, orange 

=

SLOW, dark red 

=

ACTIVE, 

pink 

=

Structural Litter, purple 

=

Metabolic Litter), and Millennial V2 (gray 

=

MAOM, dark blue 

=

Aggregates, green 

=

POM, light orange 

=

LMWC, black 

=

microbial biomass). Metabolic Litter, LMWC, and microbial biomass pools may be too small to distinguish. (For interpretation of the references to colour in this figure 

legend, the reader is referred to the Web version of this article.) 

Fig. 7.

Box plots showing the distribution of observed (green), Century model- 

predicted (pink), and Millennial V2 model-predicted (orange) total C stock for 

each biome. Biome descriptions can be found in 

Table S1

. (For interpretation of 

the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the Web 

version of this article.) 

Fig. 8.

Box plots showing the distribution of observed (green) and Millennial 

V2 model-predicted (orange) C stock for each biome in the MAOM pool and 

non-MAOM pools. The Century model is not shown because it only predicts 

total C stock. Biome descriptions can be found in 

Table S1

. (For interpretation 

of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the 

Web version of this article.) 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

10

This may be due to the difference in the way NPP and C stock are rep-

resented in the two models. In the Century model, there is a constrained 

linear  relationship  between  NPP  and  C  stock  (

Fig.  S4c

),  whereas 

Millennial V2 has a less linear relationship (

Fig. 3

c, 

Fig. S3c

). The model 

also provides a reasonable distribution of turnover times compared to a 

global distribution of turnover times measured using SOC/respiration 

rate for the top 20 cm under an assumption of steady state (

Fig. 9

). 

Though the represented depth varies for different sites in our dataset, 

the median depth represented in the dataset was 20 cm (6 cm

–

62 cm). 

The median turnover time of Millennial V2 (17.2 years) is higher than 

that of 

Chen et al. (2013) 

(11.2 years), but it is much more similar to the 

observations than the median turnover time of the Century model (37.0 

years). 

Finally, we used GBM models described in Section 

2.5 

trained on 

each  of  the  three  datasets,  to  quantify  the  performance  of  a  purely 

empirical model in contrast to process-based models like Millennial V2 

and Century, as well as the extent to which the environmental forcings 

(e.g., NPP, soil temperature, pH) are related to the SOC stock. We found 

that the GBM model was able to predict C stocks better than the process- 

based models. Similar to Millennial V2 and Century, the GBM model was 

most able to predict C stocks for the sites in the VR dataset, followed 

closely by those in the KG dataset, and finally those in the LUCAS dataset 

(

Table 5

, 

Fig. S11

, 

Fig. S12

). For the VR and KG datasets, the model 

forcing with the greatest relative influence on the C stock was the soil 

temperature.  Unlike  the  other  two  datasets,  C  stocks  in  the  LUCAS 

dataset were not influenced by soil temperature, rather relying more 

heavily on the soil pH and a combination of the other forcings (

Table 5

). 

4. Discussion 

4.1. Millennial V2 and Century model performance 

Millennial V2 simulates spatial variation in soil C stocks, including 

measurable soil fractions, better than the widely-used Century model, 

based  on  several  model  performance  metrics,  including  RMSE,  AIC, 

MAE, MBE and R

2 

(

Table 3

). Millennial V2 also predicts the C contained 

within the MAOM pool, which generally contains older organic material 

than other fractions, especially at depth (

Conen et al., 2008

; 

Hicks Pries, 

2017

; 

Poeplau et al., 2018

). MAOM was generally observed to be the 

largest soil C pool across all dataset sites. Because Millennial V2 more 

explicitly simulates processes relating C pools to mineral capacity, pH, 

temperature and soil moisture, it better predicts not only the mean C 

stock across different sites (

Fig. 4

), but also better predicts the distri-

bution  of  C  stocks  across  latitudes  (

Fig.  5

),  within  different  biomes 

(

Fig. 7

) and across gradients of plant productivity (

Fig. S10

). We show in 

our sensitivity analyses (

Fig. 3

c) that the Century model has a first-order 

relationship relating plant inputs to rates of C gain and loss. This is a 

common  feature  of  models  without  explicit  representation  of 

microorganisms (

Georgiou et al., 2017

). Millennial V2 also considers 

NPP to be positively related to C stock, all else equal, but this relation-

ship is both non-linear and strongly modified by other environmental 

factors,  such  as  soil  temperature  and  pH.  As  a  result,  the  emergent 

relationship between NPP and C stock is less constrained to a positive 

linear relationship, as in the Century model (

Fig. S4c

), and can better 

match observations (

Fig. S10

; 

Georgiou et al., 2017

). 

Millennial V2 predicts C stocks across different biomes better than 

the Century model, but still has significant biases in some biomes. For 

example, Millennial V2 does not capture the observed distribution of C 

stocks in montane biomes (

Fig. 7

). However, while it remains difficult to 

diagnose model failures in Century, the measurable pool framework of 

the  Millennial  model  allows  us  to  better  understand  what  processes 

cause model failures. For example, we show that Millennial V2 accu-

rately predicts the larger particle size fractions (non-MAOM) in montane 

biomes,  and  rather  that  it  is  the  MAOM  fraction  that  is  consistently 

underestimated by Millennial V2 (

Fig. 8

). This may have to do with the 

weathering status and mineralogy of montane environments which may 

have  a  different  relationship  with  clay  than  do  other  biomes.  It  is 

important to note that the biomes for which Millennial V2 (and Century) 

do not predict C stocks well are also the biomes with the fewest obser-

vations, particularly the montane biome (N 

=

9). Temperate coniferous 

forests (N 

=

30), deserts (N 

=

63), boreal forest (N 

=

111), and tropical- 

moist  broadleaved  forests  (N 

=

171)  are  also  underrepresented  in 

certain  datasets  (

Fig.  S8

).  Therefore,  mismatches  in  distributions  of 

observed and predicted C stocks could be attributed to sample size ef-

fects,  understanding  that  C  stocks  have  a  high  spatial  heterogeneity 

within biomes. 

The choice of dataset affects the accuracy of both Millennial V2 and 

Century, not only due to sample size effects but due to the source and 

quality of ancillary data used. We used a GBM model to empirically 

quantify  the  relationship  between  the  environmental  factors  used  as 

model forcing (i.e., soil temperature, clay and silt content, NPP, soil 

moisture, pH) and C stocks (

Table 5

). Using this approach, it is clear that 

there is less of a relationship between environmental factors at LUCAS 

sites and the measured soil C stock, with only 15% of cross-validated 

variance explained, compared to over 60% for the other two datasets. 

The LUCAS sites also rank the influence of environmental factors on C 

stock differently than the other datasets, with pH being by far the most 

influential factor at LUCAS sites, compared to soil temperature at other 

sites. This may explain why Millennial V2 only explains 4% of variation 

in C stocks at LUCAS sites (compared to 31% and 46% for the other two 

datasets),  and  why  a  different  microbial-mineral  model  (

Robertson 

et al., 2019

) fit to LUCAS site data has a similar coefficient of determi-

nation, although models are generally able to capture mean C stocks 

across biome (

Figs. 7, 8

) and land type (

Fig. S13

) classifications. It is not 

immediately clear what may cause greater heterogeneity in the LUCAS 

dataset, but the fact that SOC stocks are more dependent on pH than soil 

temperature  suggests  a  potential  role  of  land  use  history  and  past 

management practices. 

Past and current land management may be a source of uncertainty 

across all the datasets, as well as unmet assumptions of steady state. For 

example, the KG dataset contains 284 cropland sites, which are likely to 

have changing C stocks. When we repeat our analysis excluding these 

sites (

Table S2

, 

Table S3

), some model performance metrics improved 

while others worsened (

Table S4

, 

Table S5

). In general, the coefficients 

of  determination  improved  while  metrics  based  on  error  worsened. 

Although  we  did  not  see  clear  evidence  for  model  improvement  by 

excluding these sites, the difference in model performance supports the 

idea that land use history and management may have important effects 

on the spatial variation in C stocks that cannot be captured by models 

that do not represent these processes. 

4.2. Comparing process-based models to empirical models 

The GBM model predicts steady-state C stocks with higher accuracy 

Fig. 9.

Density plots showing the distribution of turnover times in 

Chen et al. 

(2013) 

(denoted Observed; median [1st, 3rd quartiles] 

=

11.2 [7.4, 17.5]), the 

Century  model  (37.0  [31.6,  45.7]),  and  the  Millennial  V2  model  (17.2 

[11.6, 23.5]). 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 11

Figures and page graphics, page 11

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

11

than both the Millennial V2 and Century models, raising the question, 

why not replace process-based models entirely with empirical models? 

One reason is that a process-based model can be more generalizable. For 

example, when we used parameters that were fit to one dataset to pre-

dict stocks from a different dataset (

Table S6

), Millennial V2 was able to 

explain 3

–

46% of variation in the other two datasets. Conversely, the 

GBM model could only explain 0

–

22% of variation in the other datasets 

(

Table  S6

).  Therefore,  Millennial  V2  predictions  made  by  model  pa-

rameters that have been fit to a subset of global-scale data are likely 

more predictive than those made by an empirical model fit to the same 

data. Because process-based models are more generalizable, they may be 

more  reliable  under  novel  conditions,  whereas  empirical  models  are 

most  useful  for  interpolation.  The  same principle  can explain  why  a 

more  process-rich  model  like  Millennial  V2  appears  to  outperform  a 

more empirical model such as Century (

Fig. 4

). 

Another  benefit  of  process-based  models  is  the  ability  to  predict 

quantities other than the one that has been fitted. For example, by fitting 

the  model  to  C  stocks,  we  also  predicted  reasonable  turnover  times, 

which are related to both the stock size and the emission (respiration) 

rate. Because C emissions are arguably the most important model output 

for  understanding  climate  feedbacks  from  soil,  a  model  which  uses 

physical understanding to link stocks and emissions is inherently more 

valuable than an empirical model of only C stocks. Though not tested 

here,  previous  work  on  microbial  soil  models  has  also  shown  that 

process-based models can capture seasonal hysteresis in C fluxes where 

empirical  models  (with  no  explicit  representation  of  time)  cannot 

(

Abramoff et al., 2017

). Yet, empirical models may be able to improve 

process-based models by accelerating spin-up and parameterization, or 

by replacing certain model components. 

4.3. Future data and model needs 

The large variation in model performance depending on the sample 

size or the data source underscores the need for abundant and stan-

dardized data. Across these datasets, MAOM was measured using three 

different particle size thresholds (

<

50, 53, and 60 

μ

m), and POM and 

aggregates were not separated in the larger particle size fraction. Mea-

surements of small C pools that are sensitive to environmental factors, 

such as microbial biomass and low molecular weight C, were largely not 

available. Although microbial biomass is generally less than 5% of total 

SOC (

Xu et al., 2013

), it is the primary driver of C emissions from the 

soil, and small changes to this pool may have large effects on total SOC 

and C emissions. Recent work has also shown that DOC has a large po-

tential  to  contribute  to  C  storage,  especially  in  the  mineral  fraction 

(

Abramoff  et  al.,  2021

).  Therefore,  large,  standardized  datasets  of 

Millennial V2 pools (

Fig. 1

) and fluxes (e.g., respiration rate, enzyme 

activity)  will  allow  for  better  global-scale  parameterization  of  the 

model. 

Although Millennial V2 is more complex than many soil models, it 

has structural limitations that would benefit from future work, such as 

consideration of nitrogen (N) and phosphorus (P) limitations to C stor-

age (

Davies et al., 2020

; 

Spohn, 2020

), and depth-dependence of mi-

crobial activity and substrate availability (

Dove et al., 2021

). We further 

acknowledge that this study evaluates the spatial variation in C stock 

only, and that the temporal dynamics of Millennial V2 require further 

testing. Several long-term experiments exist across the world (

Richter 

et al., 2007

), but most have not made measurements of soil fractions at 

different time periods. Future measurement campaigns, such the Joint 

Research Center

’

s next planned sampling campaign for the LUCAS sites, 

will  add  much  needed  temporal  resolution  to  the  existing  dataset. 

Recent and developing spectroscopy-based methods may also allow for 

low-cost estimates of soil fractions from ongoing experiments as well as 

archived soils (

Baldock et al., 2013

; 

Ramírez et al., 2021

; 

Sanderman 

et al., 2021

), creating datasets of repeat measurements for model eval-

uation. C models are constantly evolving to represent the most updated 

knowledge of the soil system. We now seek to associate that knowledge 

more directly with measurable quantities, both to make models easier to 

constrain and also to ensure that model predictions are accurate for the 

right reasons, rather than the result of compensating biases. We hope 

that Millennial V2 and similarly representative models will allow for 

more  realistic  multiple  constraints  on  the  next  generation  of  soil 

biogeochemical models. 

Code and data availability 

The code for the models tested here are available on the github re-

pository: 

https://github.com/rabramoff/Millennial

. Millennial V1 and 

V2 are available in both R and Fortran. We have also included the scripts 

used to produce the figures and analyses presented in this manuscript as 

R  markdown  notebooks  within  the  same  repository: 

https://github. 

com/rabramoff/Millennial/tree/master/R/analysis

.  Some  small  data 

files are also included in the same folder. Other datasets are described in 

the manuscript with citations and when available their URLs are also 

provided in the analysis code. 

Declaration of competing interest 

The authors declare that they have no known competing financial 

interests or personal relationships that could have appeared to influence 

the work reported in this paper. 

Acknowledgements 

R.Z.A. thanks Jinyun Tang and Elisa Th

´

ebault for helpful discussion 

about model formulation. R.Z.A. was supported by the French govern-

ment  grant 

“

Make  Our  Planet  Great  Again

” 

and  by  a  Marie  Sk

ł

o-

dowska

–

Curie  Individual  Fellowship  (Grant  no.  834-169)  from  the 

European  Union

’

s  Horizon  2020  program.  K.G.  was  supported  as  a 

Lawrence Fellow at Lawrence Livermore National Lab (LLNL) by the 

LLNL-LDRD Program under Project No. 21-ERD-045 and the US DOE 

Office  of  Science,  Office  of  Biological  and  Environmental  Research, 

Genomic Science Program as part of the LLNL Microbes Persist Scientific 

Focus Area, SCW1632. Work at LLNL was conducted under the auspices 

of US DOE Contract DE-AC52-07NA27344. X.X. has been supported by 

the ORNL Terrestrial Ecosystem Science Scientific Focus Area (ORNL 

TES-SFA)  and  NGEE  Arctic  projects  and  DE-SC0014416,  which  are 

supported by the Office of Biological and Environmental Research in the 

Department of Energy Office of Science. 

Table 5 

Performance metrics of the gradient-boosted machine learning algorithm prediction of soil C stock and the relative influence of different model forcings for the 
different datasets. 

R

2

in 

=

coefficient of determination of the training dataset (i.e., in-sample), 

R

2

out 

=

coefficient of determination of the test dataset (i.e., out-of-sample), 

RMSE 

=

root mean square error, MAE 

=

mean absolute error, Soil Temp 

=

soil temperature, NPP 

=

net primary production.   

Relative Influence (%) 

Dataset 

R

2

in  

R

2

out  

RMSE (kg C m

−

2

) 

MAE (kg C m

−

2

) 

Soil Temp (

◦

C) 

pH 

Clay 

& 

Silt (%) 

Soil Moisture (mm

3 

mm

¡

3

) 

NPP (g C m

¡

2 

d

¡

1

) 

All 

0.66 

0.48 

2.74 

1.79 

38.8 

26.5 

13.5 

11.8 

9.48 

VR 

0.83 

0.68 

1.21 

0.87 

40.0 

21.2 

16.4 

7.33 

15.1 

KG 

0.78 

0.61 

2.34 

1.59 

31.0 

16.9 

14.7 

25.0 

12.3 

LUCAS 

0.34 

0.15 

4.76 

3.72 

7.03 

40.2 

19.6 

11.1 

22.1  

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 12

Figures and page graphics, page 12

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

12

Appendix A. Supplementary data 

Supplementary data to this article can be found online at 

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108466

. 

Appendices. 

Appendix A  

Table A1 

Parameters, constants, pools, fluxes and input variables used in the Millennial model V2. 

“

Calculated

” 

variables are pools or fluxes whose values are a function of 

parameters, initial values, and time.  

Equation 

Number 

Variable 

Definition 

Default 

values 

Fit Values: 

All 

Fit Values: 

VR 

Fit Values: 

KG 

Fit Values: 

LUCAS 

Units 

Sources 

1, 7 

p

i 

Proportion of C input allocated to 

POM 

0.66 

- 

- 

- 

- 

- 

Oleson et al. 

(2013) 

1, 19 

p

a 

Proportion of aggregate-C 

breakdown allocated to POM 

0.33 

0.33 

0.40 

0.34 

0.33 

- 

Oleson et al. 

(2013) 

2 

K

pl 

Half-saturation constant of POM 

decomposition to LMWC 

10,000 

6,443 

8,617 

7,735 

12,094 

g C m

−

2 

Wang et al. 

(2014) 

3 

a

pl 

Pre-exponential constant for V

pl 

2.5 

×

10

12 

1.8 

×

10

12 

2.6 

×

10

12 

2.3 

×

10

12 

1.8 

×

10

12 

g C m

−

2 

(g C 

m

−

2

) 

−

1 

d

−

1 

Abramoff et al. 

(2017) 

3 

Ea

pl 

Activation energy for V

pl 

64,320 

63,909 

63,339 

64,064 

64,646 

J mol

−

1 

Abramoff et al. 

(2017) 

3 

R 

Gas constant 

8.31446 

- 

- 

- 

- 

J K

−

1 

mol

−

1 

Abramoff et al. 

(2017) 

4, 15 

φ  

total porosity 

0.60 

0.60 

0.62 

0.61 

0.60 

mm

3 

mm

−

3 

site-specific 

5 

k

pa 

Rate of aggregate formation from 

POM 

0.020 

0.018 

0.012 

0.014 

0.026 

d

−

1 

Segoli et al. 

(2013) 

6 

k

b 

Breakdown rate of soil aggregate 

carbon 

0.019 

0.020 

0.026 

0.023 

0.015 

d

−

1 

Segoli et al. 

(2013) 

7, 19, 20 

p

b 

Partitioning of necromass to MAOM 

and LMWC 

0.50 

0.50 

0.52 

0.50 

0.61 

- 

- 

8 

k

l 

Leaching rate of LMWC 

0.0015 

- 

- 

- 

- 

d

−

1 

Abramoff et al. 

(2018) 

10, 12 

K

ld 

Specific desorption rate for LMWC 

and MIC 

1 

- 

- 

- 

- 

mg C L

−

1 

d

−

1 

Wang et al. 

(2014) 

10 

p

1 

Coefficient for estimating the 

binding affinity for LMWC sorption 

0.186 

0.12 

0.078 

0.21 

0.38 

- 

Mayes et al. 

(2012) 

10 

p

2 

Coefficient for estimating the 

binding affinity for LMWC sorption 

0.216 

- 

- 

- 

- 

- 

Mayes et al. 

(2012) 

10 

pH 

pH 

7 

- 

- 

- 

- 

- 

site-specific 

11 

BD 

Bulk density 

1000 

- 

- 

- 

- 

kg soil m

−

3 

site-specific 

11 

p

c 

Coefficient for estimating the 

maximum sorption capacity 

0.86 

- 

- 

- 

- 

- 

Georgiou et al. 

(2021) 

11 

% 

claysilt 

Percent of soil that is in the clay and 

silt fractions 

80 

- 

- 

- 

- 

% 

site-specific 

13 

K

lb 

Half saturation constant for 

microbial uptake 

290 

774.6 

710.8 

654.8 

100.3 

g C m

−

2 

Abramoff et al. 

(2017) 

14 

a

lb 

Pre-exponential constant for V

lb 

2.6 

×

10

12 

2.3 

×

10

12 

1.2 

×

10

12 

2.2 

×

10

12 

7.2 

×

10

12 

g C m

−

2 

(g C 

m

−

2

) 

−

1 

d

−

1 

Abramoff et al. 

(2017) 

14 

Ea

lb 

Activation energy for V

lb 

60,260 

57,865 

60,428 

60,058 

57,795 

J mol

−

1 

Abramoff et al. 

(2017) 

15 

λ  

Dependence of rate on matric 

potential 

2.1 

×

10

−

4 

- 

- 

- 

- 

kPa

−

1 

Ghezzehei et al. 

(2018) 

15 

k

a,min 

Minimum relative rate in saturated 

soil 

0.2 

- 

- 

- 

- 

- 

Ghezzehei et al. 

(2018) 

15 

φ  

matric potential 

−

15 

- 

- 

- 

- 

kPa 

site-specific 

16 

k

bd 

Microbial death rate 

0.0036 

0.0045 

0.0044 

0.0040 

0.0036 

m

2 

gC

−

1 

d

−

1 

Abramoff et al. 

(2017) 

18 

k

ma 

Rate of aggregate formation from 

MAOM 

0.020 

0.0048 

0.0052 

0.0038 

0.0052 

d

−

1 

Segoli et al. 

(2013) 

21, 22 

CUE

ref 

Reference CUE 

0.60 

0.19 

0.53 

0.40 

0.52 

-  

21, 22 

CUE

T 

CUE dependence on temperature 

0.012 

- 

- 

- 

- 

◦

C

−

1  

21, 22 

T

ae-ref 

Reference temperature for 

temperature control on CUE 

15 

- 

- 

- 

- 

◦

C  

1, 2, 5 

P 

POM      

g C m

−

2 

Calculated 

7, 8, 9, 13 

L 

LMWC      

g C m

−

2 

Calculated 

2, 13, 16, 20 

B 

Microbial biomass      

g C m

−

2 

Calculated 

9, 12, 18, 19 

M 

MAOM      

g C m

−

2 

Calculated 

6, 17 

A 

Aggregate C      

g C m

−

2 

Calculated 

1, 6, 17, 19 

F

a 

Aggregate breakdown      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

1, 5, 17 

F

pa 

Aggregate formation from POM      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

1, 2, 7 

F

pl 

Decomposition of POM into LMWC      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

7, 8 

F

l 

LMWC leaching loss      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

(

continued on next page

) 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 13

Figures and page graphics, page 13

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

13

Table A1 

(

continued

) 

Equation 

Number 

Variable 

Definition 

Default 

values 

Fit Values: 

All 

Fit Values: 

VR 

Fit Values: 

KG 

Fit Values: 

LUCAS 

Units 

Sources 

7, 9, 19 

F

lm 

Adsorption of LMWC to minerals      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

7, 13, 20, 21, 

22 

F

lb 

Uptake of LMWC by microbial 

biomass      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

7, 16, 19, 20 

F

bm 

Microbial mortality      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

12, 19 

F

ld 

Desorption      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

22 

F

bg 

Microbial growth      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

17, 18, 19 

F

ma 

Aggregate formation from MAOM      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

20, 22, 23 

F

mr 

Microbial respiration      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

2, 3 

V

pl 

Maximum rate of POM 

decomposition to LMWC      

d

−

1 

Calculated 

13, 15 

S

w,B 

Water scalar      

- 

Calculated 

2, 4, 5, 6, 8, 9, 

15,18 

S

w,D 

Diffusion limitation of substrates      

- 

Calculated 

9, 10 

K

lm 

LMWC and microbial necromass 

adsorption rate      

d

−

1 

Calculated 

9, 11 

Q

max 

Maximum sorption capacity      

g C m

−

2 

Calculated 

13, 14 

V

lb 

Potential LMWC uptake rate      

d

−

1 

Calculated 

1, 7 

F

i 

C input      

g C m

−

2 

d

−

1 

Input 

3, 16, 21, 22 

T 

Soil temperature      

◦

C 

Input 

4, 15 

θ  

volumetric water content      

mm

3 

mm

−

3 

Input 

23 

CO

2 

carbon dioxide production      

g C m

−

2 

d

−

1 

Output   

Table A2 

Parameters, pools, fluxes and input variables used in the Century model. 

“

Calculated

” 

variables are pools or fluxes whose values are a function of parameters, initial 

values, and time.  

Variable 

Definition 

Default 

values 

Fit Values: 

All 

Fit Values: 

VR 

Fit Values: 

KG 

Fit Values: 

LUCAS 

Units 

Sources 

w1 

Water scalar parameter 

30.0 

33.61 

17.38 

36.97 

22.61 

- 

Parton et al. (2010) 

w2 

Water scalar parameter 

9.00 

8.42 

10.55 

7.77 

7.84 

- 

Parton et al. (2010) 

t1 

x-axis location of inflection point 

15.4 

18.08 

16.83 

15.77 

18.15 

◦

C 

Del Grosso et al. (2005) 

t2 

y-axis location of inflection point 

11.75 

12.99 

10.39 

9.32 

13.78 

- 

Del Grosso et al. (2005) 

t3 

Distance from the maximum point to the 

minimum point (step size) 

29.7 

25.92 

30.10 

20.98 

28.91 

- 

Del Grosso et al. (2005) 

t4 

Slope of line at inflection point 

0.031 

0.038 

0.025 

0.032 

0.035 

- 

Del Grosso et al. (2005) 

c1 

Intercept of clay fraction relationship 

0.85 

0.83 

0.85 

0.85 

0.86 

- 

Parton et al. (1987) 

c2 

Slope of clay fraction relationship 

0.68 

0.67 

0.71 

0.74 

0.60 

- 

Parton et al. (1987) 

k

ls 

Turnover rate of structural litter pool 

0.01 

- 

- 

- 

- 

d

−

1 

Parton et al. (1987) 

k

lm 

Turnover rate of metabolic litter pool 

0.045 

- 

- 

- 

- 

d

−

1 

Parton et al. (1987) 

k

a 

Turnover rate of active pool 

0.020 

- 

- 

- 

- 

d

−

1 

Parton et al. (1987) 

k

s 

Turnover rate of slow pool 

5.0 

×

10

−

4 

6.7 

×

10

−

4 

1.9 

×

10

−

4 

5.2 

×

10

−

4 

4.0 

×

10

−

4 

d

−

1 

Parton et al. (1987) 

k

p 

Turnover rate of passive pool 

2.0 

×

10

−

5 

9.1 

×

10

−

6 

8.2 

×

10

−

6 

1.9 

×

10

−

5 

1.3 

×

10

−

5 

d

−

1 

Parton et al. (1987) 

p

li 

Proportion of plant residue to structural 

litter pool 

0.66 

0.62 

0.67 

0.64 

0.67 

- 

Analogous to Millennial litter 

partitioning assumption 

p

lma 

Fraction of metabolic litter to active pool 

0.45 

- 

- 

- 

-  

Parton et al. (1987) 

p

lsa 

Fraction of structural litter to active pool 

0.5 

- 

- 

- 

-  

Parton et al. (1987) 

p

lss 

Fraction of structural litter to slow pool 

0.7 

- 

- 

- 

-  

Parton et al. (1987) 

p

sa 

Fraction of slow pool to active pool 

0.42 

- 

- 

- 

- 

- 

Parton et al. (1987) 

p

sp 

Fraction of slow pool to passive pool 

0.03 

0.020 

0.029 

0.022 

0.041 

- 

Parton et al. (1987) 

p

pa 

Fraction of passive pool to active pool 

0.45 

- 

- 

- 

- 

- 

Parton et al. (1987) 

p

ap 

Fraction of active pool to passive pool 

0.004 

- 

- 

- 

- 

- 

Parton et al. (1987) 

LigFrac 

Fraction of litter that is lignin 

0.2 

0.20 

0.20 

0.21 

0.20 

- 

Zhang et al. (2018) 

%claysilt 

Percent of soil that is in the clay and silt 

fractions 

80 

- 

- 

- 

- 

% 

site-specific 

Fc 

Field capacity 

0.39     

mm

3 

mm

−

3 

Input: observed maximum 

volumetric water content 

F

i 

C input      

g C m

−

2 

d

−

1 

Input 

T 

Soil temperature      

◦

C 

Input 

θ  

volumetric water content      

mm

3 

mm

−

3 

Input 

StrLitter 

Structural litter pool      

g C m

−

2 

Calculated 

MetLitter 

Metabolic litter pool      

g C m

−

2 

Calculated 

ACTIVE 

Active pool      

g C m

−

2 

Calculated 

SLOW 

Slow pool      

g C m

−

2 

Calculated 

PASSIVE 

Passive pool      

g C m

−

2 

Calculated 

S

t 

Temperature scalar      

- 

Calculated 

S

w 

Water scalar      

- 

Calculated 

F

tex 

Soil texture effect on decomposition of 

active pool      

- 

Calculated 

F

ls 

Structural litter decomposition flux      

Calculated 

(

continued on next page

) 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 14

Figures and page graphics, page 14

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

14

Table A2 

(

continued

) 

Variable 

Definition 

Default 

values 

Fit Values: 

All 

Fit Values: 

VR 

Fit Values: 

KG 

Fit Values: 

LUCAS 

Units 

Sources 

g C m

−

2 

d

−

1 

F

lm 

Metabolic litter decomposition flux      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

F

a 

Active pool decomposition flux      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

F

s 

Slow pool decomposition flux      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated 

F

p 

Passive pool decomposition flux      

g C m

−

2 

d

−

1 

Calculated  

Appendix B 

Century model equations 

Model inputs are identical in description and units to those used in the Millennial model (

Table A1

). All other parameters are described in 

Table A2

, 

including their default and fitted values for each dataset. 

S

t

=

t

2

+

t

3

π

atan

[

t

4

*

π

(

T

−

t

1

)]

t

2

+

t

3

π

atan

[

t

4

*

π

(

30

−

t

1

)]

[B1]  

S

w

=

1

1

+

w

1

*

e

−

w

2

θ

fc

[B2]  

F

tex

=

c

1

−

c

2 %

claysilt

0

.

01

[B3]  

F

ls

=

StrLitter k

ls

S

t

S

w

e

−

3

LigFrac

[B4]  

F

lm

=

MetLitter k

lm

S

t

S

w

[B5]  

F

a

=

ACTIVE k

a

S

t

S

w

F

tex

[B6]  

F

s

=

SLOW k

s

S

t

S

w

[B7]  

F

p

=

PASSIVE k

p

S

t

S

w

[B8]  

dStrLitter

dt

=

p

li

F

i

−

F

ls

[B9]  

dMetLitter

dt

= (

1

−

p

li

)

F

i

−

F

lm

[B10]  

dACTIVE

dt

= (

1

−

LigFrac

)

p

lsa

F

ls

+

p

lma

F

lm

+

F

s

p

sa

+

F

p

p

pa

−

F

a

[B11]  

dSLOW

dt

=

LigFrac p

lss

F

ls

+

F

a

(

1

−

F

tex

−

p

ap

)

−

F

s

[B12]  

dPASSIVE

dt

=

F

a

p

ap

+

F

s

p

sp

−

F

p

[B13]  

References 

Abramoff, R., Xu, X., Hartman, M., et al., 2018. The Millennial model: in search of 

measurable pools and transformations for modeling soil carbon in the new century. 

Biogeochemistry 137, 51

–

71. 

https://doi.org/10.1007/s10533-017-0409-7

. 

Abramoff, R.Z., Davidson, E.A., Finzi, A.C., 2017. A parsimonious modular approach to 

building a mechanistic belowground carbon and nitrogen model. Journal of 

Geophysical Research Biogeosciences 1

–

17. 

https://doi.org/10.1002/ 

2017JG003796

. 

Abramoff, R.Z., Georgiou, K., Guenet, B., et al., 2021. How much carbon can be added to 

soil by sorption? Biogeochemistry Letters. 

https://doi.org/10.1007/s10533-021- 

00759-x

. BIOGEOCHEMISTRY.  

Ahrens, B., Braakhekke, M.C., Guggenberger, G., et al., 2015. Contribution of sorption, 

DOC transport and microbial interactions to the 14C age of a soil organic carbon 

profile: insights from a calibrated process model. Soil Biology and Biochemistry 88, 

390

–

402. 

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2015.06.008

. 

Allison, S.D., Wallenstein, M.D., Bradford, M a, 2010. Soil-carbon response to warming 

dependent on microbial physiology. Nature Geoscience 3, 336

–

340. 

https://doi.org/ 

10.1038/ngeo846

. 

Arrhenius, S., 1889. Über die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Inversion von 

Rohrzucker durch S

¨

auren. Zeitschrift für Physikalische Chemie 4, 226

–

248

. 

Bailey, C.J., 1989. Enzyme kinetics of cellulose hydrolysis. Biochemical Journal 262, 

1001

–

1002

. 

Bailey, V.L., Bond-Lamberty, B., DeAngelis, K., et al., 2018. Soil carbon cycling proxies: 

understanding their critical role in predicting climate change feedbacks. Global 

Change Biology 24, 895

–

905. 

https://doi.org/10.1111/gcb.13926

. 

Baldock, J.A., Sanderman, J., MacDonald, L.M., et al., 2013. Quantifying the allocation 

of soil organic carbon to biologically significant fractions. Soil Research 51, 

561

–

576. 

https://doi.org/10.1071/SR12374

. 

Beaudoing, H., Rodell, M., 2016. GLDAS Noah Land Surface Model L4 Monthly 1 X 1 

Degree V2, p. 1

. 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 15

Figures and page graphics, page 15

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

15

Chen, S., Huang, Y., Zou, J., Shi, Y., 2013. Mean residence time of global topsoil organic 

carbon depends on temperature, precipitation and soil nitrogen. Global and 

Planetary Change 100, 99

–

108. 

https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2012.10.006

. 

Conen, F., Zimmermann, M., Leifeld, J., et al., 2008. Relative stability of soil carbon 

revealed by shifts in 

δ

15N and C:N ratio. Biogeosciences 5, 123

–

128

. 

Cotrufo, M.F., Ranalli, M.G., Haddix, M.L., et al., 2019. Soil carbon storage informed by 

particulate and mineral-associated organic matter. Nature Geoscience 12, 989

–

994. 

https://doi.org/10.1038/s41561-019-0484-6

. 

Davidson, E.A., Samanta, S., Caramori, S.S., Savage, K., 2012. The Dual Arrhenius and 

Michaelis

–

Menten kinetics model for decomposition of soil organic matter at hourly 

to seasonal time scales. Global Change Biology 18, 371

–

384

. 

Davies, C.A., Robertson, A.D., McNamara, N.P., 2020. The importance of nitrogen for net 

carbon sequestration when considering natural climate solutions. Global Change 

Biology 1

–

2. 

https://doi.org/10.1111/gcb.15381

. 

Del Grosso, S.J., Parton, W.J., Mosier, A.R., et al., 2005. Modeling soil CO2 emissions 

from ecosystems. Biogeochemistry 73, 71

–

91. 

https://doi.org/10.1007/s10533-004- 

0898-z

. 

Dove, N.C., Torn, M.S., Hart, S.C., Tas¸, N., 2021. Metabolic capabilities mute positive 

response to direct and indirect impacts of warming throughout the soil profile. 

Nature Communications 12, 1

–

13. 

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22408-5

. 

Fahey, T.J., Siccama, T.G., Driscoll, C.T., et al., 2005. The biogeochemistry of carbon at 

Hubbard Brook. Biogeochemistry 75, 109

–

176. 

https://doi.org/10.1007/s10533- 

004-6321-y

. 

Friedman, J.H., 2001. Greedy function approximation: a gradient boosting machine. 

Annals of Statistics 29, 1189

–

1232

. 

Georgiou, K., Abramoff, R.Z., Harte, J., et al., 2017. Microbial community-level 

regulation explains soil carbon responses to long-term litter manipulations. Nature 

Communications. 

https://doi.org/10.1038/s41467-017-01116-z

. 

Georgiou, K., Jackson, R.B., Abramoff, R.Z., et al., 2021. Global capacity and controls of 

mineral-associated carbon in soils. Nature Geoscience under review

. 

German, D.P., Marcelo, K.R.B., Stone, M.M., Allison, S.D., 2012. The Michaelis-Menten 

kinetics of soil extracellular enzymes in response to temperature: a cross-latitudinal 

study. Global Change Biology 18, 1468

–

1479. 

https://doi.org/10.1111/j.1365- 

2486.2011.02615.x

. 

Ghezzehei, T.A., Sulman, B., Arnold, C.L., et al., 2018. On the role of soil water retention 

characteristic on aerobic microbial respiration. Biogeosciences Discussions 16, 

1187

–

1209. 

https://doi.org/10.5194/bg-2018-265

. 

Guo, Z., Wang, Y., Wan, Z., et al., 2020. Soil dissolved organic carbon in terrestrial 

ecosystems: global budget, spatial distribution and controls. Global Ecology and 

Biogeography 29, 2159

–

2175. 

https://doi.org/10.1111/geb.13186

. 

Haverd, V., Raupach, M.R., Briggs, P.R., et al., 2013. Multiple observation types reduce 

uncertainty in Australia

’

s terrestrial carbon and water cycles. Biogeosciences 10, 

2011

–

2040. 

https://doi.org/10.5194/bg-10-2011-2013

. 

Hengl, T., Jesus, JM De, Heuvelink, G.B.M., et al., 2017. SoilGrids250m : Global Gridded 

Soil Information Based on Machine Learning

. 

Hicks Pries, C.E., 2017. The whole-soil carbon flux in response to warming. Science 

1319, 1

–

9

. 

Ito, A., Hajima, T., Lawrence, D.M., et al., 2020. Soil carbon sequestration simulated in 

CMIP6-LUMIP models: implications for climatic mitigation. Environmental Research 

Letters. 

https://doi.org/10.1088/1748-9326/abc912

. 

Jenkinson, D.S., Rayner, J.H., 1977. The turnover of soil organic matter in some of the 

Rothamsted classical experiments. Soil Science 123, 298

–

305

. 

Kallenbach, C.M., Grandy, A., Frey, S.D., 2016. Direct evidence for microbial-derived soil 

organic matter formation and its ecophysiological controls. Nature Communications 

1

–

10. 

https://doi.org/10.1038/ncomms13630

. 

Lajtha, K., Bailey, V.L., McFarlane, K., et al., 2018. Ch. 12: soils. In: Cavallaro, N., 

Shrestha, G., Birdsey, R., et al. (Eds.), Second State of the Carbon Cycle Report 

(SOCCR2): A Sustained Assessment Report. U.S. Global Change Research Program, 

Washington, DC, USA, pp. 469

–

506

. 

Lehmann, J., Hansel, C.M., Kaiser, C., et al., 2020. Persistence of soil organic carbon 

caused by functional complexity. Nature Geoscience 13, 529

–

534. 

https://doi.org/ 

10.1038/s41561-020-0612-3

. 

Li, S., Yuan, W., Ciais, P., et al., 2019. Benchmark estimates for aboveground litterfall 

data derived from ecosystem models. Environmental Research Letters. 

https://doi. 

org/10.1088/1748-9326/ab2ee4

. 

Luo, Y., Ahlstr

¨

om, A., Allison, S.D., et al., 2016. Toward more realistic projections of soil 

carbon dynamics by Earth system models. Global Biogeochemical Cycles 30, 40

–

56. 

https://doi.org/10.1002/2015GB005239

. 

Marschmann, G.L., Pagel, H., Kügler, P., Streck, T., 2019. Equifinality , sloppiness , and 

emergent structures of mechanistic soil biogeochemical models. Environmental 

Modelling 

& 

Software 122, 104518. 

https://doi.org/10.1016/j. 

envsoft.2019.104518

. 

Masiello, C.A., Chadwick, O.A., Southon, J., et al., 2004. Weathering controls on 

mechanisms of carbon storage in grassland soils. Global Biogeochemical Cycles 18, 

1

–

9. 

https://doi.org/10.1029/2004GB002219

. 

Mayes, M.A., Heal, K.R., Brandt, C.C., et al., 2012. Relation between soil order and 

sorption of dissolved organic carbon in temperate soils. Soil Science Society of 

America Journal 76, 61

–

69. 

https://doi.org/10.2136/sssaj

. 

Michaelis, L., Menten, M.L., 1913. The kinetics of the inversion effect. Biochemische 

Zeitschrift 49, 333

–

369

. 

Mikutta, R., Zang, U., Chorover, J., et al., 2011. Stabilization of extracellular polymeric 

substances (Bacillus subtilis) by adsorption to and coprecipitation with Al forms. 

Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 3135

–

3154. 

https://doi.org/10.1016/j. 

gca.2011.03.006

. 

Oleson, K.W., Lawrence, D.M., Bonan, G.B., et al., 2013. Technical Description of Version 

4.5 of the Community Land Model (CLM). NCAR Tech., National Center for 

Atmospheric Research, Bounder

.  

Olson, D.M., Dinerstein, E., Wikramanayake, E.D., et al., 2001. Terrestrial ecoregions of 

the world: a new map of life on Earth. BioScience 51, 933

–

938

. 

Panagos, P., Van Liedekerke, M., Jonaes, A., Montanarella, L., 2012. European Soil Data 

Centre: response to European policy support and public data requirements. Land Use 

Policy 29, 329

–

338. 

https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2011.07.003

. 

Parton, W.J., Hanson, P.J., Swanston, C., et al., 2010. ForCent model development and 

testing using the Enriched Background Isotope Study experiment. Journal of 

Geophysical Research Biogeosciences 115, 1

–

15. 

https://doi.org/10.1029/ 

2009JG001193

. 

Parton, W.J., Schimel, D.S., Cole, C.V., et al., 1987. Analysis of factors controlling soil 

organic matter levels in Great plains grasslands. Soil Science Society of America 

Journal 51, 1173

–

1179

. 

Poeplau, C., Don, A., Six, J., et al., 2018. Isolating organic carbon fractions with varying 

turnover rates in temperate agricultural soils 

– 

a comprehensive method comparison. 

Soil Biology and Biochemistry 125, 10

–

26. 

https://doi.org/10.1016/j. 

soilbio.2018.06.025

. 

Poeplau, C., K

¨

atterer, T., Leblans, N.I.W., Sigurdsson, B.D., 2017. Sensitivity of soil 

carbon fractions and their specific stabilization mechanisms to extreme soil warming 

in a subarctic grassland. Global Change Biology 23, 1316

–

1327. 

https://doi.org/ 

10.1111/gcb.13491

. 

Ramírez, P.B., Calder

´

on, F.J., Haddix, M., et al., 2021. Using diffuse reflectance 

spectroscopy as a high throughput method for quantifying soil C and N and their 

distribution in particulate and mineral-associated organic matter fractions. Frontiers 

of Environmental Science 9, 1

–

13. 

https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.634472

. 

Richter, D. deB., Hofmockel, M., Callaham, M.A., et al., 2007. Long-term soil 

experiments: keys to managing earth

’

s rapidly changing ecosystems. Soil Science 

Society of America Journal 71, 266

–

279. 

https://doi.org/10.2136/sssaj2006.0181

. 

Robertson, A.D., Paustian, K., Ogle, S., et al., 2019. Unifying soil organic matter 

formation and persistence frameworks: the MEMS model. Biogeosciences Discussions 

16, 1225

–

124836. 

https://doi.org/10.5194/bg-2018-430

. 

Rodrigo, A., Recous, S., Neel, C., Mary, B., 1997. Modelling temperature and moisture 

effects on C-N transformations in soils: comparison of nine models. Ecological 

Modelling 102, 325

–

339. 

https://doi.org/10.1016/S0304-3800(97)00067-7

. 

Sanderman, J., Baldock, J.A., Dangal, S.R.S., et al., 2021. Soil organic carbon fractions in 

the Great Plains of the United States: an application of mid-infrared spectroscopy. 

Biogeochemistry. 

https://doi.org/10.1007/s10533-021-00755-1

. 

Schmidt, M., Torn, M.S., Abiven, S., et al., 2011. Persistence of soil organic matter as an 

ecosystem property. Nature 478, 49

–

56. 

https://doi.org/10.1038/nature10386

. 

Segoli, M., De Gryze, S., Dou, F., et al., 2013. AggModel: a soil organic matter model with 

measurable pools for use in incubation studies. Ecological Modelling 263, 1

–

9. 

https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2013.04.010

. 

Shi, Z., Crowell, S., Luo, Y., Moore, B., 2018. Model structures amplify uncertainty in 

predicted soil carbon responses to climate change. Nature Communications 9, 1

–

11. 

https://doi.org/10.1038/s41467-018-04526-9

. 

Sierra, C.A., 2012. Temperature sensitivity of organic matter decomposition in the 

Arrhenius equation: some theoretical considerations. Biogeochemistry 108, 1

–

15. 

https://doi.org/10.1007/s10533-011-9596-9

. 

Sierra, C., Muller, M., 2015. A general mathematical framework for representing soil 

organic matter dynamics. Ecological Monographs 16, 16881. 

https://doi.org/ 

10.1890/15-0361.1

. 

Sierra, C.A., Muller, M., Metzler, H., et al., 2017. The muddle of ages , turnover , transit , 

and residence times in the carbon cycle. Global Change Biology 23, 1763

–

1773. 

https://doi.org/10.1111/gcb.13556

. 

Soetaert, K., 2009. rootSolve: Nonlinear Root Finding, Equilibrium and Steady-State 

Analysis of Ordinary Differential Equations

. 

Soetaert, K., 2016. R Package FME: Inverse Modelling, Sensitivity, Monte Carlo

–

Applied 

to a Dynamic Simulation Model

. 

Soetaert, K., Herman, P.M.J., 2009. A Practical Guide to Ecological Modelling. Using R as 

a Simulation Platform. Springer

. 

Spawn, S.A., Sullivan, C.C., Lark, T.J., Gibbs, H.K., 2020. Harmonized global maps of 

above and belowground biomass carbon density in the year 2010. Scientific Data 7, 

1

–

22

. 

Spohn, M., 2020. Increasing the organic carbon stocks in mineral soils sequesters large 

amounts of phosphorus. Global Change Biology 4169

–

4177. 

https://doi.org/ 

10.1111/gcb.15154

. 

Stamati, F.E., Nikolaidis, N.P., Banwart, S., Blum, W.E.H., 2013. A coupled carbon , 

aggregation , and structure turnover (CAST) model for topsoils. Geoderma 212, 

51

–

64. 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.06.014

. 

Sulman, B., Moore, J., Abramoff, R., et al., 2018. Multiple models and experiments 

underscore large uncertainty in soil carbon dynamics. Biogeochemistry 141, 

109

–

123

. 

Tang, J., Riley, W.J., 2015. Weaker soil carbon-climate feedbacks resulting from 

microbial and abiotic interactions. Nature Climate Change 5, 56

–

60. 

https://doi. 

org/10.1038/nclimate2438

. 

Tang, J., Riley, W.J., 2019. Competitor and substrate sizes and diffusion together define 

enzymatic depolymerization and microbial substrate uptake rates. Soil Biology and 

Biochemistry 139, 107624. 

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.107624

. 

Tang, J.Y., 2015. On the relationships between the Michaelis 

– 

Menten kinetics , reverse 

Michaelis 

– 

Menten kinetics , equilibrium chemistry approximation kinetics , and 

quadratic kinetics. Geoscientific Model Development 8, 3823

–

3835. 

https://doi.org/ 

10.5194/gmd-8-3823-2015

. 

Tang, J.Y., Riley, W.J., 2013. A total quasi-steady-state formulation of substrate uptake 

kinetics in complex networks and an example application to microbial litter 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            

Page 16

Figures and page graphics, page 16

Soil Biology and Biochemistry 164 (2022) 108466

16

decomposition. Biogeosciences 10, 8329

–

8351. 

https://doi.org/10.5194/bg-10- 

8329-2013

. 

Tisdall, J., Oades, J., 1982. Organic matter and water-stable aggregates in soils. Journal 

of Soil Science 33, 141

–

163. 

https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1982.tb01755.x

. 

Torn, M.M.S., Trumbore, S.S.E., Chadwick, O.A.O., et al., 1997. Mineral control of soil 

organic carbon storage and turnover. Nature 389, 3601

–

3603. 

https://doi.org/ 

10.1038/38260

. 

T

´

oth, G., Jones, A., Montanarella, L., 2013. The LUCAS topsoil database and derived 

information on the regional variability of cropland topsoil properties in the 

European Union. Environmental Monitoring and Assessment 185, 7409

–

7425. 

https://doi.org/10.1007/s10661-013-3109-3

. 

Van Veen, J.A., Kuikman, P.J., 1990. Soil structural aspects of decomposition of organic 

matter by micro-organisms. Biogeochemistry 11, 213

–

233. 

https://doi.org/ 

10.1007/BF00004497

. 

Viscarra Rossel, R., Hicks, W., 2015. Soil organic carbon and its fractions estimated by 

visible 

– 

near infrared transfer functions. European Journal of Soil Science 438

–

450. 

https://doi.org/10.1111/ejss.12237

. 

Viscarra Rossel, R.A., Chen, C., Grundy, M.J., et al., 2015. The Australian three- 

dimensional soil grid: Australia

’

s contribution to the GlobalSoilMap project. Soil 

Research 53, 845

–

864. 

https://doi.org/10.1071/SR14366

. 

Viscarra Rossel, R.A., Lee, J., Behrens, T., et al., 2019. Continental-scale soil carbon 

composition and vulnerability modulated by regional environmental controls. 

Nature Geoscience. 

https://doi.org/10.1038/s41561-019-0373-z

. 

von Lützow, M., K

¨

ogel-Knabner, I., Ekschmitt, K., et al., 2007. SOM fractionation 

methods: relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology 

and Biochemistry 39, 2183

–

2207. 

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2007.03.007

. 

Walker, T.W.N., Kaiser, C., Strasser, F., et al., 2018. Microbial temperature sensitivity 

and biomass change explain soil carbon loss with warming. Nature Climate Change 

1. 

https://doi.org/10.1038/s41558-018-0259-x

. 

Wang, G., Jagadamma, S., Mayes, M.A., et al., 2014. Microbial dormancy improves 

development and experimental validation of ecosystem model. The ISME Journal 9, 

226

–

237. 

https://doi.org/10.1038/ismej.2014.120

. 

Wang, G., Post, W.M., Mayes, M.A., 2013. Development of microbial-enzyme-mediated 

decomposition model parameters through steady-state and dynamic analyses. 

Ecological Applications 23, 255

–

272. 

https://doi.org/10.1890/12-0681.1

. 

Weng, Z., Van Zwieten, L., Singh, B.P., et al., 2017. Biochar built soil carbon over a 

decade by stabilizing rhizodeposits. Nature Climate Change 7, 371

–

376

. 

Wieder, W.R., Allison, S.D., Davidson, E.A., et al., 2015a. Explicitly representing soil 

microbial processes in Earth system models. Global Biogeochemical Cycles 

1782

–

1800. 

https://doi.org/10.1002/2015GB005188

. Received.  

Wieder, W.R., Grandy, A.S., Kallenbach, C.M., et al., 2015b. Representing life in the 

Earth system with soil microbial functional traits in the MIMICS model. Geoscientific 

Model Development 8, 1789

–

1808. 

https://doi.org/10.5194/gmd-8-1789-2015

. 

Wieder, W.R., Grandy, A.S., Kallenbach, C.M., Bonan, G.B., 2014. Integrating microbial 

physiology and physio-chemical principles in soils with the MIcrobial-MIneral 

Carbon Stabilization (MIMICS) model. Biogeosciences 11, 3899

–

3917. 

https://doi. 

org/10.5194/bg-11-3899-2014

. 

Wieder, W.R., Hartman, M.D., Sulman, B.N., et al., 2017. Carbon Cycle Confidence and 

Uncertainty : Exploring Variation Among Soil Biogeochemical Models. 

https://doi. 

org/10.1111/gcb.13979

. 

Xia, J., Yuan, W., Lienert, S., et al., 2019. Global patterns in net primary production 

allocation regulated by environmental conditions and forest stand age: a model-data 

comparison. Journal of Geophysical Research Biogeosciences 124, 2039

–

2059. 

https://doi.org/10.1029/2018JG004777

. 

Xu, W., Chang, J., Ciais, P., et al., 2020. Reducing uncertainties of future global soil 

carbon responses to climate and land use change with emergent constraints. Global 

Biogeochemical Cycles 34, 1

–

25. 

https://doi.org/10.1029/2020GB006589

. 

Xu, X., Thornton, P.E., Post, W.M., 2013. A global analysis of soil microbial biomass 

carbon, nitrogen and phosphorus in terrestrial ecosystems. Global Ecology and 

Biogeography 22, 737

–

749. 

https://doi.org/10.1111/geb.12029

. 

Zhang, H., Goll, D., Manzoni, S., et al., 2018. Modeling the effects of litter stoichiometry 

and soil mineral N availability on soil organic matter formation using CENTURY- 

CUE (v1.0). Geoscientific Model Development 11, 4779

–

4796. 

https://doi.org/ 

10.5194/gmd-11-4779-2018

. 

R.Z. Abramoff et al.                                                                                                                                                                                                                            


Document Outline