Back to report · Publisher record

Bossio et al. (2020). The role of soil carbon in natural climate solutions

Page 1

Figures and page graphics, page 1

The role of soil carbon in natural climate solutions

 

1 

 Authors:

 D. A. Bossio

1*

,

 

S. C. Cook-Patton

1

,

 

P. W. Ellis

1

, J. Fargione

1

, J. Sanderman

2

, P. 

2 

Smith

3

, S. Wood

1,4

, R. J. Zomer 

5

, M. von Unger

6

, I. M. Emmer

6

, and B. W. Griscom

7 

3 

Affiliations 

4 

1

The Nature Conservancy, 4245 N Fairfax Dr, Suite 100, Arlington, VA 22203, USA 

5 

2

Woods Hole Research Center, 149 Woods Hole Rd, Falmouth, MA 02540, USA 

6 

3

Institute of Biological and Environmental Sciences, University of Aberdeen, 23 St Machar 

7 

Drive, Aberdeen, AB24 3UU, UK 

8 

4

Yale School of Forestry and Environmental Studies, New Haven, CT 06511, USA

 

9 

5

Center for Mountain Ecosystem Studies Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of 

10 

Sciences, Kunming, China 

11 

6

Silvestrum Climate Associates LLC, San Francisco, CA 94102, USA 

12 

7

Conservation International, 2011 Crystal Dr #600, Arlington, VA 22202, USA 

13 

 

14 

*Corresponding Author. 

All correspondence and requests should be addressed to Deborah 

15 

Bossio, deborah.bossio@tnc.org.   

16 

 

17 

 

18 

 

19 

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Summary 

20 

Mitigating climate change requires clean energy and removing atmospheric carbon.  Building 

21 

soil carbon is an appealing way to increase carbon sinks and reduce emissions due to the 

22 

associated benefits to agriculture.  However, practical implementation of soil carbon climate 

23 

strategies lag behind the potential, partly because we lack clarity around the magnitude of 

24 

opportunity and how to capitalize on it. Here we quantify the role of soil carbon in natural (land-

25 

based) climate solutions (NCS), and review some of the project design mechanisms available to 

26 

tap into the potential. We show that soil carbon represents 25% of the 23.8 GtCO

2

eyr

-1 

NCS 

27 

potential of which 40% is protection of existing soil carbon and 60% is rebuilding depleted 

28 

stocks. Soil carbon comprises 9% of the mitigation potential of forests, 72% for wetlands, and 

29 

47% for agriculture and grasslands. Soil carbon is important to land-based efforts to prevent 

30 

carbon emissions, remove atmospheric carbon dioxide and deliver ecosystem services in addition 

31 

to climate mitigation. 

32 

 

 

33 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Protecting and restoring soil organic matter delivers many benefits to people and 

34 

nature

1,2

. Globally, soils hold three times more carbon than the atmosphere

3

, and the role of soil 

35 

organic matter as a regulator of climate has been recognized by scientists for decades

4

. Recent 

36 

work has highlighted the historical loss of carbon from this pool

3

, and the threat of future 

37 

accelerated loss under warming scenarios

4,5

. Soil organic carbon as a natural climate solution 

38 

(NCS) thus has a role both through restoring a carbon sink and protecting against further CO

2 

39 

emissions in response to predicted land use change and climate change.  

40 

This dual role for soil in the global carbon budget suggests climate benefits can be 

41 

achieved through strategies that both conserve existing soil organic carbon stocks (avoid loss), 

42 

and restore stocks in carbon-depleted soils

6

. There are important additional benefits. Protecting 

43 

and increasing soil carbon storage can (i) protect or increase soil fertility, (ii) maintain or 

44 

increase resilience to climate change, (iii) reduce soil erosion, and where implemented through 

45 

conservation of natural ecosystems iv) reduce habitat conversion, all in line with the United 

46 

Nations Sustainable Development Goals (SDG’s)

7

, the goals of the United Nationals Framework 

47 

Convention on Climate Change (UNFCCC) and the United Nations Convention on Combating 

48 

Desertification (UNCCD). As such, soil carbon is promoted as a common denominator amongst 

49 

a variety of global and national initiatives

7

. Although recent academic comment and perspective 

50 

pieces point the way towards accelerated action on soils

8,9

, there remains much uncertainty 

51 

around actionable pathways for achieving the global opportunity.  Here we examine the scientific 

52 

and policy context surrounding soil carbon projects, to aid prioritization and decision making. 

53 

 

54 

 

55 

 

56 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Status of soil carbon as a climate solution 

57 

Despite scientific consensus around its potential and multiple benefits, deployment of soil 

58 

carbon storage and sequestration for climate mitigation remains limited in practice. There is 

59 

growing interest in soil in international climate mitigation conversations, with the recognition of 

60 

‘wetland drainage and rewetting’ (WDR) as an accounting option under the Kyoto Protocol 

61 

(formalized in 2011), the launch of the ‘4 per 1000’ Initiative in Paris in 2015 and formal 

62 

recognition of soil carbon sequestration in the UNFCCC process in 2017 (COP23 decision 

63 

4/CP.23)

. 

To date there are only a few dozen projects that address soil organic carbon in 

64 

registered compliance or voluntary carbon markets. Fewer than 60 projects (half of them in 

65 

Australia) provided under 50 thousand tonnes of CO

2

-equivalent removals by soil in agriculture 

66 

and grassland projects per year

10

. This is less than 0.0001% of the estimated mitigation 

67 

potential

11

. As a comparison there are  1,500 carbon projects covering 12 Mha of land in the 

68 

forest sector

12

. The small soil carbon numbers are due in part to the sector’s near exclusion from 

69 

early carbon market mechanisms, notably the Kyoto Protocol’s Clean Development Mechanism 

70 

(CDM) which limited potential soil carbon mitigation to afforestation and reforestation projects. 

71 

Nevertheless, the past two decades have witnessed the emergence of a variety of robust 

72 

methodological approaches for the calculation of mitigation benefits and the issuance of ‘carbon 

73 

credits’ in a wide range of project categories covering croplands, grasslands, savannahs, as well 

74 

as peatlands and coastal wetlands. While still occupying no more than a niche in the toolbox for 

75 

international climate action, there is experience on soil carbon projects to provide confidence and 

76 

to support development of mitigation plans at larger scales

10

.  

77 

 

Experience with implementation has not yet caught up with aspirations in the political 

78 

arena. While soil targets for mitigation are included in only eight Nationally Determined 

79 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Contributions (NDCs) to the UNFCCC

9

, the UNFCCC is now exploring agriculture and soils  – 

80 

including with respect to “[improved] soil carbon, soil health and soil fertility under grassland 

81 

and cropland as well as integrated systems, including water management” as a more explicit part 

82 

of their agenda

13

. At the same time, nations are moving forward to invest in solutions and set 

83 

targets that address the food security and land use commitments of the United Nations 

84 

Sustainable Development Goals (SDGs). Beyond governments, a growing number of companies 

85 

are including soil organic carbon within their set of options to build the resilience and long-term 

86 

profitability of agricultural value chains

9

. The enthusiasm arises because, in general, soil carbon 

87 

enhancement practices are considered to have positive co-benefits, do not require additional land 

88 

area, have minimal water footprint, and are readily deployable considering that they do not 

89 

require changes in land use

11,14

.  

90 

The science supporting the global technical potential of soil carbon mitigation is 

91 

relatively well established, even though measuring changes in soil carbon is more difficult than 

92 

for plant biomass. Recent estimates of global soil carbon sequestration technical potential, i.e. 

93 

the level of mitigation that could be achieved when accounting only for biophysical constraints, 

94 

if there were no economic, social, institutional or other barriers to implementation, align around 

95 

2-5 Gt CO

2

 per year

11, 14-18

 albeit many of these estimates rely on the same underlying data. 

96 

Counter to this relative certainty, recent scholarly debates focused primarily on debunking claims 

97 

that soil carbon sequestration could fully offset current increases in atmospheric CO

2

19-21

 have 

98 

created confusion for practitioners. Yet, even these debates do not call into question the 

99 

significance of the global potential, and the multiple benefits of increasing global soil carbon 

100 

stocks.  

101 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Caveats surrounding soil carbon sequestration such as sink saturation and non-

102 

permanence risk (reversibility) have also been well explored in the soil science literature. Soil 

103 

carbon saturation refers to a maximum capacity of the soil to retain organic carbon

15

, meaning 

104 

that soil organic carbon does not increase indefinitely with the exception of some wetland 

105 

systems

16

. For most improved carbon management practices the rate at which soils will store 

106 

additional carbon therefore begins to decline after some decades, and eventually will reach a new 

107 

steady state when a higher carbon stock is achieved. The time period before a new steady state is 

108 

reached will vary greatly depending on soil type, management intervention, climate regime, and 

109 

pre-existing SOC depletion

15

, but is generally on the order of decades

22

. This aligns with the 

110 

need to reduce peak atmospheric CO

2

 levels and mitigate peak warming. With respect to non-

111 

permanence, maintaining high SOC stocks, such as with cover cropping and manuring in 

112 

croplands, requires some form of maintenance (continuation of improved soil carbon 

113 

management practices), even after a new steady-state is reached and no further mitigation 

114 

benefits accrue

14

. In other cases, i.e. when there is protection of existing soil carbon stocks, such 

115 

as avoided grassland conversion, it is likely that SOC levels are at steady-state, and the 

116 

management activity (in this case protection) also needs to be maintained to maintain those SOC 

117 

stocks 

23

. Nevertheless, SOC may be more resilient to fire, pests, and wind than carbon in 

118 

aboveground biomass in many environments

17

, and some forms of soil carbon, such as biochar, 

119 

can persist for millennia

18

.   

120 

Meanwhile, outside of soil science, carbon project design approaches have moved 

121 

forward to deal with heterogeneity, uncertainty, additionality, and non-permanence in particular 

122 

which are challenges for the entire Agriculture, Forestry and Land Use (AFOLU) sector. Soil 

123 

does not differ substantially from forestry in this regard, and because this has been a topic for 

124 

Page 7

Figures and page graphics, page 7

decades, significant experience exists in managing these risks as part of project and policy 

125 

design

24

. Some methods to account for and resolve these issues in soil carbon project design are 

126 

reviewed by

25

. The CDM issues temporary credits that are continuously renewed as long as the 

127 

removal benefit persists. If a reversal event occurs, renewal of the temporary credit concerned is 

128 

no longer possible (Decision 5/CMP.1; Decision 14/CMP.1).  

129 

An alternative approach to non-permanence of soil carbon sequestration is based on the 

130 

installation of portfolio-wide “buffer” reserves – each project contributes with a share of the 

131 

credits achieved – that works as an insurance scheme. For any event of intentional (subsequent 

132 

land degradation, land conversion) or unintentional (usually force majeure events such as 

133 

extreme weather events, storms, flooding, fire, and so on) that causes sink reversals or carbon 

134 

stock losses reversal risks, credits held in the buffer account will be released (in an amount 

135 

equivalent to the reversal or stock loss amount) and permanently canceled

26

. Most voluntary 

136 

carbon market standards operate with a buffer reserve

27

 based on some standardized or project-

137 

specific risk assessment. In Australian carbon farming associated with the government’s land 

138 

based strategies for climate mitigation follow a mixed approach that combines buffer reserves 

139 

with discount elements: farmers that would receive a certain amount of credits in a 100-year 

140 

permanence scenario (with maintenance obligations being transferred to subsequent landowners 

141 

within the 100-year window) will receive 20% less credits if they commit to 25-year stable 

142 

conditions only

10

; the discount comes on top of the general 5% buffer amount. No case is known 

143 

in which a buffer reserve was ever depleted, which suggests that, while important, permanence is 

144 

a manageable issue. As a caveat, this experience arises primarily from the forest sector, and 

145 

given that most soil carbon projects in the agriculture sector are relatively new, there has been 

146 

little time for permanence issues to appear. Soil carbon sequestration ambitions can benefit from 

147 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

this experience in the markets and the accepted protocols that now exist for most types of soil 

148 

carbon sequestration project types including for grasslands, peatlands and croplands

10

.  

149 

Practical solutions aside, the relevance of the non-permanence issue is also fading

28

. 

150 

While of great importance in the context of project-level offsetting, the non-permanence risk of 

151 

mitigation action within wider jurisdictional or national schemes is less a concern of 

152 

environmental integrity but of legal responsibility (liability). Within the Paris Agreement, in 

153 

particular, nations are expected “to include all categories of anthropogenic emissions or removals 

154 

in their nationally determined contributions and, once a source, sink or activity is included, 

155 

continue to include it” (Decision 1/CP.21, paragraph 31.c). Once soil carbon emissions are thus 

156 

covered under a target, the non-permanence issue in specific measures is solved at the higher-

157 

level accounting framework: Any reversal events will translate into a fresh obligation (a priori 

158 

for the government) to reduce or avoid emissions. As with permanence, issues of additionality 

159 

and leakage require strong safeguards and binding agreements. Australia’s direct action subsidy 

160 

approach may fund non-additional projects and therefore deliver less abatement than expected 

29

. 

161 

There are several other challenges to implementation of soil as a climate mitigation 

162 

strategy. Historically, there have been limited finance and policy options. The Kyoto 

163 

mechanisms failed to address soil carbon interventions. Then, carbon prices (the price paid per 

164 

tCO

2

e) collapsed following the 2008 global economic recession and the Copenhagen summit in 

165 

2009

10

 failed to generate a new agreement. Further, carbon pricing currently covers only about 

166 

20% of global emissions.  However, there are some signs that viability of climate financing for 

167 

soil is improving. There is increased action on agriculture under the Paris agreement. The Green 

168 

Climate Fund has established a funding window targeting land-use and agriculture. There are a 

169 

range of fresh private-sector initiatives on soil carbon that promise sufficient funding and 

170 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

transformational change

30,31

, and impact investors focusing on landscape, soil resources, and 

171 

payments for ecosystem services schemes

10

.  

172 

 

173 

Soil contribution to Natural Climate Solution Pathways 

174 

Experience and trends in the AFOLU market sector, emerging finance opportunities for 

175 

climate positive agriculture, and earlier global potential analyses provide the framework for 

176 

actions on soil carbon. Here we extend the analysis of Griscom et al. 

32

 to offer improved 

177 

guidance on the set of actions available for realizing the soil carbon climate mitigation 

178 

opportunity. The recent study by Griscom et al. 

32

 provides a framework for an integrated 

179 

assessment of the overall global mitigation potential of “natural climate solutions” (NCS). In the 

180 

Griscom et al. 

32

 study the potential of 20 conservation, restoration and improved land 

181 

management actions, including reforestation, planting trees in croplands, grazing land 

182 

management, peatland protection and others, to increase carbon storage and/or avoid greenhouse 

183 

gas emissions across global forests, wetlands, grasslands, and agricultural lands was determined 

184 

to be 23.8 Gt CO

2

e yr

-1

. This analysis estimated mitigation potentials constrained by a 

185 

requirement for additionality and by food security and biodiversity safeguards. A benefit of this 

186 

analysis is that researchers, policy makers and practitioners can prioritize across various sectors 

187 

of potential activity. An additional benefit is that by using a common framework, the analysis 

188 

avoids double counting across the various mitigation options, referred to as “pathways” - an 

189 

important consideration for national accounting with NDC commitments. While soil-related 

190 

ecosystem services are identified as a co-benefit in 16 of the 20 pathways, the specific 

191 

contribution of soil carbon storage (avoided losses and enhanced sinks) to each of these 

192 

pathways, and overall, was accounted for but not reported as a component distinct from biomass 

193 

Page 10

Figures and page graphics, page 10

carbon. Here we elaborate on Griscom et al. 

32

 by incorporating findings from a few key papers 

194 

published since 2017 and by separating out the contribution of soils to each pathway (see 

195 

methods). Table 1 describes the soil carbon protection and sequestration pathways, the annual 

196 

mitigation potential and benefits for sustainability. 

 

197 

Our results (Figure 1) show the global additional mitigation potential of protecting and 

198 

rebuilding soil carbon to be 5.5 Gt CO

2

e yr

-1

, representing 25% of the total mitigation potential 

199 

of the 20 NCS pathways. Of this, 4.3 Gt CO

2

e yr

-1 

comes from non-forest pathways, thus soil 

200 

carbon represents more than half of the 7.6 Gt CO

2

e yr

-1 

NCS potential of non-forested lands, 

201 

with safeguards for food security, fiber security and biodiversity conservation. Avoidable losses 

202 

represent 2.2 Gt CO

2

e yr

-1

, or 40%, of the total soil carbon mitigation potential of all NCS 

203 

pathways. Protection is important not only because the potential is large, but also because soil 

204 

carbon is lost more quickly than it can be gained

33

, and in many cases it is not possible to restore 

205 

to soil organic carbon to original levels on climate-relevant timescales

3,34

. These estimates do not 

206 

include land or agricultural management practices that reduce non-CO

2

 GHG emissions (i.e. N

2

O 

207 

and CH

4

) without protecting or enhancing soil carbon sinks, for example improved rice, nutrient 

208 

and livestock management strategies, which together constitute an additional 1.85 Gt CO

2

e yr

-1 

209 

32

.  

210 

The predominance of SOC protection and sequestration within the overall contribution of 

211 

NCS differs among different biomes (Figure 2). Across forest pathways, the SOC mitigation 

212 

potential of 1.2 Gt CO

2

e yr

-1 

is a small portion (9%) of the total and is split almost equally 

213 

between increased sequestration from reforestation and avoidable emissions through prevented 

214 

conversion. In grasslands and agriculture, 47% of the total potential mitigation (2.3 Gt CO

2

e yr

-1

) 

215 

arises from soil carbon protection and sequestration, while 20% involves other greenhouse gases 

216 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

involved with improved soil management practices. In wetland pathways soil carbon is estimated 

217 

to comprise 2.0 Gt CO

2

e yr

-1

, 72% of the total mitigation potential of wetland pathways. For 

218 

forest pathways, soil carbon can bring an additional component to mitigation accounting which is 

219 

largely dominated by the above ground tree biomass, while in wetland pathways soil carbon is 

220 

the main vehicle through which climate mitigation can be achieved (Table 1). In agriculture and 

221 

grassland pathways overall, soil carbon is approximately half of the abatement potential, and 

222 

importantly accounting for soil carbon can bring large areas of grasslands and croplands under 

223 

the Paris Agreement.  

224 

About half of the soil carbon mitigation potential, 2.8 Gt CO

2

e yr

-1

, is considered cost-effective 

225 

at $100/tCO

2

 (based on Griscom et al. 

32

methodology) which is one estimate of the amount that 

226 

society is expected to have to pay to mitigate climate change

35

. About one quarter, 1.2 Gt CO

2

e 

227 

yr

-1

, is considered to be low cost at $10/tCO

2

. Low-cost and cost-effective removal is, therefore, 

228 

equivalent to about 3% and 7%, respectively, of recent annual anthropogenic emissions of 

229 

carbon dioxide to the atmosphere. In other studies, negative costs have been estimated for soil 

230 

carbon sequestration, based on the co-benefits such as increased productivity and resilience of 

231 

soils

36

, and have suggested that many soil-based NCS are cost-effective even without supportive 

232 

climate policy. The IPCC recently concluded that the cost for soil carbon mitigation is below 

233 

$100/tCO

2

37

.  Despite the relatively low or negative costs, soil carbon actions are not yet 

234 

implemented due to other economic, social, institutional or other barriers as noted and 

235 

highlighted above.  

236 

 

237 

Soil science knowledge gaps

 

 

238 

Page 12

Figures and page graphics, page 12

Given the availability of project design mechanisms to realize the potential for soil 

239 

carbon mitigation actions (see Table 2 for example actions for each pathway), soil management 

240 

planning and prioritization at various scales would benefit from increasingly more accurate 

241 

system and practice-specific estimates of climate impacts. For agriculture and grassland 

242 

pathways, future work should disaggregate mitigation accounting to specific activities each with 

243 

their own mitigation estimates, trade-offs, and co-benefits. Tillage, cover cropping, enhanced 

244 

crop rotations and grazing management are in fact broad sets of activities, each with potentially 

245 

very different impacts on soil organic carbon

8

, different N

2

O emissions, and different 

246 

feasibilities. An activity that builds organic carbon on one soil type might be ineffective on a 

247 

different soil

38

. In wetland pathways, more research should focus on accurately predicting the 

248 

magnitude of increasing CH

4

 emissions when soil organic carbon is restored in wetland 

249 

environments, and improving estimates of the potential and existing carbon storage in peatland 

250 

soils. 

251 

Our estimates are lower overall than Fuss et al. 

11

 for the sequestration pathways, and 

252 

lower for agriculture than Zomer et al. 

39

, which used unconstrained cropland area availability. 

253 

We provide conservative estimates because we exclude interventions for which there is less 

254 

consensus on the impact, such as no-till

40

 and we use conservative estimates for pathways with a 

255 

large range in published numbers, such as biochar

41,42

 and optimal grazing

43

. Thus, agricultural 

256 

pathways in our analysis encompass only the best understood options for incremental change to 

257 

existing farming practices. Opportunities for greater innovation may result in higher per hectare 

258 

mitigation rates than those reflected here, but data are lacking to make robust global estimates of 

259 

their potential. Regenerative agriculture, organic farming, agroecology, silvo-pasture, climate 

260 

smart agriculture, agroforestry, and permaculture are all complex and not mutually exclusive 

261 

Page 13

Figures and page graphics, page 13

agricultural systems that can have significant positive impacts on soil organic carbon in specific 

262 

geographies, according to a recent literature review by Toensmeier

44

. Other, less well-

263 

established, opportunities for SOC management take advantage of the potential to build organic 

264 

matter into deeper soil layers through deep rooted grasses and new crop varieties

45

, and deep 

265 

inversion techniques

46

. Organic biosolids from cities are a large pool of organic material that are 

266 

often a pollution and waste disposal problem

47

, that could provide substrate to build soil health 

267 

and sequester carbon in soils. Exogenous organic matter additions can stimulate rangeland 

268 

productivity and sequester endogenous organic matter beyond the actual tonnage of 

269 

compost/biosolids applied

48

, but may pose a risk to native plant biodiversity

49

 and more research 

270 

is needed (and is underway) to understand how universal these findings are. Early research from 

271 

row-crop systems suggests endogenous vs. exogenous organic matter have similar effects

50

. 

272 

Soil carbon fluxes associated with forest pathways are often ignored, given the more 

273 

obvious changes observed in woody biomass, even though the contribution from forest pathways 

274 

to soil carbon sequestration is substantial (Fig 1). Conversion of forests to permanent croplands 

275 

and pastures often generates soil carbon emissions and forest restoration is expected to increase 

276 

soil carbon

34

. Recent estimates for the extent of potential reforestation vary widely

51,52

, and our 

277 

estimate is based on an intermediate spatial extent of potential reforestation (6.8 M km

2

), and 

278 

includes food security and biodiversity safeguards 

32

. However, the potential for additional soil 

279 

carbon storage from improved management practices on natural and plantation forests are much 

280 

more complex and more research is needed to include the potential soil carbon benefits in this 

281 

NCS framework.  

282 

 

283 

Looking forward

  

284 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

As the urgency to harness all available opportunities to mitigate catastrophic climate 

285 

change grows

53,54

, we emphasize that if we are to limit warming well below 2°C as called for by 

286 

the Paris Agreement, soil carbon can be an important way to increase carbon sinks and reduce 

287 

emissions. Soil carbon sequestration is not an alternative to emission reductions in other sectors, 

288 

but rather an additional opportunity for increasing currently insufficient ambition in existing 

289 

nationally determined contributions (NDCs) to the Paris Agreement. This opportunity should 

290 

neither be dismissed nor exaggerated. Our analysis disaggregates this opportunity across all land 

291 

sectors in a way that is relevant to target setting and prioritization efforts at scales from NDCs to 

292 

sub-national programs.  

293 

A strong benefit of soil carbon mitigation action is that it can positively engage rural 

294 

landowners and the agricultural sector as beneficiaries of mitigation incentives that are likely to 

295 

be produced by successful climate negotiations. Further, the majority of soil carbon pathways are 

296 

“no regrets” opportunities for climate mitigation, by delivering improved soil fertility, climate 

297 

resilience and other ecosystem services in addition to climate mitigation. As such, soil carbon 

298 

aligns targets across different international conventions (SDG, UNFCCC, UNCCD) and agendas 

299 

by providing measurable benefits towards diverse goals with a common metric. Prospects for soil 

300 

carbon sequestration action are promising because project design tools are sufficient to address 

301 

accounting challenges, and climate financing seems to be growing for the sector; notably, 

302 

because enhancing soil carbon brings multiple benefits, there are opportunities to incentivize 

303 

action beyond formal carbon markets. Policies in both the climate sector with a focus on 

304 

mitigation and the agriculture sector with a focus on soil health are needed to achieve significant, 

305 

cost effective soil carbon protection and enhancement to meet climate targets and improve 

306 

resilience.  

307 

Page 15

Figures and page graphics, page 15

 

308 

Methods 

309 

Estimating soil carbon mitigation potential in NCS pathways  

310 

Griscom et al. 

32

 identified 20 pathways by which natural systems could contribute to 

311 

mitigation of greenhouse gases. For these pathways, an analysis of over 300 publications was 

312 

conducted in concert with expert elicitation to define the maximum areal extent, the amount of 

313 

avoided emissions or sequestration rate (“flux”) and time until a new steady-state, and the 

314 

amount of total mitigation attainable at different costs informed by marginal abatement curves. 

315 

For complete sources see Griscom et al. 

32

 supplementary information. Pathways were 

316 

constructed carefully to estimate additional annual mitigation potential above a business-as-usual 

317 

baseline, to avoid double counting and to safeguard biodiversity and human needs for food, fiber 

318 

and fuel. The analysis also included estimates of uncertainty around extent, flux and mitigation 

319 

for each pathway, and propagated across all pathways. In this current work, we have separated 

320 

out the soil contribution of each pathway as briefly described below; full details of pathway 

321 

methods are found in Griscom et al. 

32

:   

322 

•

 

Avoided conversion of forested ecosystems (>25% tree cover) where they are threatened 

323 

by agriculture preventing the loss of soil carbon.  Don et al

55

 estimated that 17.4 Mg C 

324 

ha

-1

 are lost when forests are converted to various commercial agricultural uses. Powers 

325 

et al. 

56

 further found that conversion of forests for shifting cultivation results in a slightly 

326 

lower impact to soil carbon stocks (14.5 Mg C ha

-1

). These avoided emission values were 

327 

then applied to the 5.93 Mha of tropical forest that are lost annually with the assumption 

328 

that 54% of the loss goes to commercial agriculture and the remainder to shifting 

329 

cultivation. Most temperate and all boreal regions excluded due to lack of spatial data 

330 

Page 16

Figures and page graphics, page 16

and/or albedo considerations. Forested wetlands excluded to avoid double-counting with 

331 

wetland pathways. 

332 

•

 

Soil carbon sequestration arising through reforestation, including silvopastoral practices. 

333 

The reforestation pathway quantifies potential conversion from non-forest (< 25% tree 

334 

cover) to forest (> 25% tree cover) in areas that historically supported forests. This 

335 

pathway excludes afforestation of grass-dominated ecosystems to avoid negative 

336 

biodiversity impacts on grassland ecosystem

57,58

 

and croplands for food security reasons. 

337 

The pathway does allow for reforestation of potentially forested grazing lands based on 

338 

recent analyses that show the potential to shrink the footprint of livestock production 

339 

through improved efficiencies in production and/or shifts towards a more plant-based 

340 

diet

59,60

, but to avoid double counting, the mitigation potential from grazing pathways 

341 

was deducted from the mitigation potential for reforestation. To further avoid double 

342 

counting, the area of reforestation opportunity excluded wetland areas. Finally, the 

343 

reforestation pathway did not include opportunity assessments in boreal zones, since 

344 

changes in albedo can offset the climate benefits of carbon capture

61

, and excluded 

345 

opportunity within denser human settlements where widespread tree cover expansion is 

346 

constrained. The original NCS assessment included an average soil carbon accumulation 

347 

rate of 0.4 Mg C ha

-1

 yr

-1

 for tropical and subtropical reforestation from Powers et al

56

, 

348 

which we disaggregated here. We then further quantified the soil carbon accumulation for 

349 

temperate forests using a more recent study by Nave et al

34

. This analysis estimated that 

350 

reforesting stands accumulated between 0.11 to 0.34 Mg C ha

-1

 yr

-1

 in the topsoil. We 

351 

therefore used the midpoint of this range (0.23 Mg C ha

-1

 yr

-1

) to estimate potential soil 

352 

accumulation in temperate biomes.  

353 

Page 17

Figures and page graphics, page 17

•

 

Biochar amendment to increase the soil carbon pool of agricultural soils is a soil-only 

354 

pathway in Griscom et al

. 

32

 and remains unchanged in this analysis. Increased soil 

355 

carbon pool results from conversion of non-recalcitrant carbon (crop residue biomass) to 

356 

recalcitrant carbon (charcoal) through pyrolysis. Biochar carbon mitigation was estimated 

357 

using a mid-range estimate of available crop residues and multiplying this value by the 

358 

amount of persistent biochar assuming 79% is recalcitrant, a 50% conversion efficiency 

359 

during pyrolysis and a carbon content of crop residues of 45% of available crop residues.  

360 

•

 

Cover cropping is a soil-only pathway in Griscom et al. 

32

, and remains unchanged in this 

361 

analysis. We assumed that 50% of the 800 Mha of cropped land were amenable to cover 

362 

cropping. To this area we applied a mean sequestration rate of 0.32 Mg C ha

-1

 yr

-1 62

. 

363 

Effects of no-till and other potential conservation agriculture practices were not included 

364 

to avoid double-counting with cover crops, and unresolved questions about long-term 

365 

efficacy. 

366 

•

 

The trees in annual croplands pathway entails the expansion of three agroforestry 

367 

practices into annual croplands that currently have low (<10% tree cover). These include 

368 

expansion of farmer-managed natural regeneration across dry croplands in Africa (150 

369 

Mha), windbreaks over 50% of non-African croplands (318 Mha), and alley cropping 

370 

across 22% of non-African croplands (140 Mha). Note that windbreaks and alley 

371 

cropping were applied to non-African croplands to avoid double counting with farmer-

372 

managed natural regeneration. Estimates of soil carbon accumulation derive from a 

373 

literature review around the soil benefits of windbreaks, or shelterbelts based

63-65

 and 

374 

alley cropping

66-68

. We estimate that windbreaks capture an additional 0.69 Mg C ha

-1

 yr

-

375 

1

, whereas alley cropping capture an additional 0.59 Mg C ha

-1

 yr

-1

. Because we could not 

376 

Page 18

Figures and page graphics, page 18

find independent estimates of soil carbon accumulation for farmer managed natural 

377 

regeneration, we assumed 25% of the mitigation potential was attributable to soil 

378 

accumulation, averaging together the proportion of mitigation potential for alley cropping 

379 

and windbreaks. Silvopastoral systems were not included here to avoid double counting 

380 

with the reforestation pathway. 

381 

•

 

Avoided grassland conversion refers to avoided soil carbon loss by protecting grasslands 

382 

from conversion to croplands in areas where grasslands are threatened. For this pathway, 

383 

we updated the initial NCS analysis of Griscom et al. 

32

 by allowing 28% of soil carbon 

384 

to be lost down to 1 m in the soil based upon the findings of Sanderman et al

3

; and the 

385 

new soil carbon modeling for temperate and tropical grasslands based on ISRIC 

386 

database

3

.

 

Thus, we applied this soil carbon loss to the estimated 155 tC ha

-1

 in temperate 

387 

grasslands, and 122 tC ha

-1

 in tropical grasslands over 0.7 Mha and 1.0 Mha respectively 

388 

for temperate and tropical grasslands converted annually

69

.  

389 

•

 

Grazing – optimal intensity is a soil only pathway in Griscom et al.

32

 and remains 

390 

unchanged in this analysis representing changes in grazing intensity that optimize forage 

391 

removal and increase soil carbon on both rangeland and planted pasture. We assumed 

392 

additional sequestration potential of 0.06 MgC ha

-1 

yr

-1

 over 712 Mha of land. This 

393 

includes global rangelands and planted pastures. There is some spatial overlap with 

394 

Reforestation and Grazing – Legumes, therefore the mitigation potential of this pathway 

395 

was subtracted from Reforestation mitigation potential to avoid double-counting. 

396 

Accounting with Grazing – Legumes is additive, so no double-counting concerns.  

397 

•

 

Grazing – legumes,  sowing leguminous crops on planted pastures to increase soil carbon, 

398 

is a soil only pathway in Griscom et al

. 

32

, and remains unchanged in this analysis. The 

399 

Page 19

Figures and page graphics, page 19

pathway quantifies the net increase in soil carbon (after accounting for increases in N

2

O 

400 

emissions) in planted pastures due to the fertilizing effect of increased nitrogen fixation.

 

401 

We estimate an additional sequestration potential of 0.56 MgC ha

-1 

yr

-1

 over 72Mha of 

402 

land. This was restricted to global planted pastures. Spatial overlap with Reforestation 

403 

and Grazing – Optimal Intensity. Mitigation potential of this pathway was subtracted 

404 

from Reforestation mitigation potential to avoid double-counting. Accounting with 

405 

Grazing – Optimal Intensity is additive, so no double-counting concerns.

 

 

406 

•

 

Peatland restoration includes restoration of global non-tidal freshwater forested and non-

407 

forested wetlands. The restoration opportunity across tropical, temperate and boreal 

408 

peatlands estimated at 46 Mha was not changed

 

32

. Avoidable soil carbon losses of 5.44 

409 

tC ha

-1

 yr

-1 

for tropical peatlands, 3.55 tC ha

-1

 yr

-1 

for temperate peatlands, and 1.42 tC ha

-

410 

1

 yr

-1

 for boreal peatlands were estimated by assuming an avoided loss of 50% of the 

411 

original soil carbon

70-72

 occurring over a 20-year period. Due to the strong likelihood of 

412 

near-term increased CH

4

 emissions arising from increased soil organic carbon in 

413 

peatlands

73

, we do not include increased soil carbon sinks in freshwater peatlands upon 

414 

rewetting for restoration. In other words, we assumed that any possible enhanced carbon 

415 

sink was at risk of being offset by increased CH

4

 emissions

32

. Recent work shows that 

416 

this problem may be greater than expected also in coastal wetlands

74

.  

417 

•

 

Avoided peat impacts refers to avoided soil carbon loss by protecting threatened tropical, 

418 

temperate and boreal peatlands. It includes all threatened non-tidal freshwater forested 

419 

and non-forested wetlands estimated to cover 0.78 M ha yr

-1

 

72

. Avoidable soil carbon 

420 

fluxes were estimated to be 217 tC ha

-1

 for tropical peatlands

70,72

, 142 tC ha

-1

 for 

421 

Page 20

Figures and page graphics, page 20

temperate peatlands

71,72

 and 57 tC ha

-1

 for boreal peatlands

71,72

. Forested wetlands were 

422 

excluded from Avoided Forest Conversion pathway to avoid double-counting. 

423 

•

 

Restoration of coastal blue carbon ecosystems (mangroves, salt marshes and seagrass 

424 

meadows) typically leads to significant soil carbon accumulation. Mean literature 

425 

estimates of carbon sequestration rates during ecosystem restoration were applied to the 

426 

historic area lost of each of these ecosystems, 11 Mha, 2 Mha and 17 Mha respectively 

427 

for mangrove, salt marsh and seagrass and was not changed from Griscom et al.

 

32

. Here 

428 

both avoided losses of soil carbon and enhanced sequestration are included, and were 

429 

estimated based on addition sequestration at an average rate of 1.7 tC ha

-1 

yr

-1

 

75,76

, and 

430 

avoided fluxes averaging 3.4 tC ha

-1

 yr

-1

estimated by assuming a potential 50% loss of 

431 

the original soil carbon

77,78

 occurring over a 20-year period. 

432 

•

 

Avoided coastal impacts refer to the avoided soil carbon emissions by protecting 

433 

threatened blue carbon ecosystems (mangroves, salt marshes and seagrass meadows). 

434 

This pathway was updated from Griscom et al

.

32

 by using more recent lower estimates of 

435 

ongoing mangrove loss rates

79,80

. The soil portion was calculated based on estimates of 

436 

soil carbon stocks to 1m and expected losses resulting in avoidable fluxes of 197.47 tC 

437 

ha

-1

, 133.78 tC ha

-1

 and 77.43 tC ha

-1

 respectively over 0.05 Mha yr

-1 

of mangroves, 0.08 

438 

Mha yr

-1 

of salt marshes and 0.45 Mha yr

-1 

of seagrass meadows

77,78,80

. Mangroves were 

439 

excluded from Avoided Forest Conversion pathway to avoid double-counting.  

440 

 

441 

Uncertainty estimates 

442 

 

Uncertainty for maximum mitigation estimates of each pathway can be found in Griscom 

443 

et al. 

32

 In brief, methods consistent with IPCC good practice guidance were used when empirical 

444 

Page 21

Figures and page graphics, page 21

uncertainty estimation was possible.  For other pathways, the Delphi method of expert elicitation 

445 

involving two rounds of explicit questions about expert opinion on the potential extent and 

446 

intensity of flux were combined.   

447 

 

448 

Data Deposition 

449 

 

A global spatial dataset of reforestation opportunities is available on Zenodo 

450 

(

https://zenodo.org/record/883444

). Figures 1 and 2 have associated raw data that can be made 

451 

available upon request.  

452 

 

453 

References 

454 

1. 

Banwart, S. 

et al.

 Benefits of soil carbon: report on the outcomes of an international 

455 

scientific committee on problems of the environment rapid assessment workshop. 

456 

Carbon Management

 

5,

 185–192 (2014). 

457 

2. 

Wood, S. A. & Baudron, F. Soil organic matter underlies crop nutritional quality and 

458 

productivity in smallholder agriculture. 

Agriculture, Ecosystems and Environment

 

459 

266,

 100–108 (2018). 

460 

3. 

Sanderman, J., Hengl, T. & Fiske, G. J. Soil carbon debt of 12,000 years of human 

461 

land use. 

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of 

462 

America

 

114,

 9575–9580 (2017). 

463 

4. 

Jenkinson, D. S., Adams, D. E. & Wild, A. Model estimates of CO 2 emissions from 

464 

soil in response to global warming. 

Nature

 

351,

 304–306 (1991). 

465 

5. 

Pries, C. E. H., Castanha, C., Porras, R. C. & Torn, M. S. The whole-soil carbon flux 

466 

in response to warming. 

Science

 

355,

 1420–1423 (2017). 

467 

6. 

Smith, P. 

et al.

 Greenhouse gas mitigation in agriculture. 

Philosophical 

468 

Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences

 

363,

 789–813 (2008). 

469 

7. 

Smith, P. 

et al.

 Impacts of Land-Based Greenhouse Gas Removal Options on 

470 

Ecosystem Services and the United Nations Sustainable Development Goals. 

Annual 

471 

Reviews of Environment and Resources

 

44,

 annurev–environ–101718–033129 

472 

(2019). 

473 

8. 

Rumpel, C. 

et al.

 Put more carbon in soils to meet Paris climate pledges. 

Nature

 

474 

564,

 32–34 (2018). 

475 

9. 

Vermeulen, S. 

et al.

 A global agenda for collective action on soil carbon. 

Nature 

476 

Sustainability 2017 1:1

 

2,

 2–4 (2019). 

477 

10. 

Unger, Von, M. & Emmer, I. 

Carbon Market Incentives to Conserve, Restore and 

478 

Enhance Soil Carbon

. (The Nature Conservancy, 2018). 

479 

Page 22

Figures and page graphics, page 22

11. 

Fuss, S. 

et al.

 Negative emissions—Part 2: Costs, potentials and side effects. 

480 

Environmental Research Letters

 

13,

 063002 (2018). 

481 

12. 

Hamrick, K. & Gallant, M. 

Fertile ground: state of forest carbon finance

. (2017). 

482 

13. 

UNFCCC. 

Koronivia joint work on agriculture

, Decision 4/COP.23, at 

483 

https://unfccc.int/decisions (2018). 

484 

14. 

Smith, P. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. 

485 

Global Change Biology

 

22,

 1315–1324 (2016). 

486 

15. 

West, T. O. & Six, J. Considering the influence of sequestration duration and carbon 

487 

saturation on estimates of soil carbon capacity. 

Climatic Change

 

80,

 25–41 (2006). 

488 

16. 

Sommer, R. & Bossio, D. Dynamics and climate change mitigation potential of soil 

489 

organic carbon sequestration. 

Journal of Environmental Management

 

144,

 83–87 

490 

(2014). 

491 

17. 

Dass, P., Houlton, B. Z., Wang, Y. & Warlind, D. Grasslands may be more reliable 

492 

carbon sinks than forests in California. 

Environmental Research Letters

 

13,

 074027 

493 

(2018). 

494 

18. 

Wang, J., Xiong, Z. & Kuzyakov, Y. Biochar stability in soil: meta-analysis of 

495 

decomposition and priming effects. 

GCB Bioenergy

 

8,

 512–523 (2015). 

496 

19. 

Schlesinger, W. H. & Amundson, R. Managing for soil carbon sequestration: Let’s 

497 

get realistic. 

Global Change Biology

 

10,

 6141 (2018). 

498 

20. 

Amundson, R. & Biardeau, L. Opinion: Soil carbon sequestration is an elusive 

499 

climate mitigation tool. 

Proceedings of the National Academy of Sciences

 

115,

 

500 

11652–11656 (2018). 

501 

21. 

White, R. E., Davidson, B., Lam, S. K. & Chen, D. A critique of the paper `Soil 

502 

carbon 4 per mille' by Minasny et al. (2017). 

Geofisica Internacional

 

309,

 115–117 

503 

(2018). 

504 

22. 

McLauchlan, K. K., Hobbie, S. E. & Post, W. M. Conversion From Agriculture To 

505 

Grassland Builds Soil Organic Matter On Decadal Timescales. 

Ecological 

506 

Applications

 

16,

 143–153 (2006). 

507 

23. 

Smith, P. 2014. Do grasslands act as a perpetual sink for carbon? 

Global Change 

508 

Biology

 

20

, 2708–2711. doi: 10.1111/gcb.12561. 

509 

24. 

Gren, I.-M. & Aklilu, A. Z. Policy design for forest carbon sequestration: A review 

510 

of the literature. 

Forest Policy and Economics

 

70,

 128–136 (2016). 

511 

25. 

Murray, B. C., Sohngen, B. & Ross, M. T. Economic consequences of consideration 

512 

of permanence, leakage and additionality for soil carbon sequestration projects. 

513 

Climatic Change

 

80,

 127–143 (2006). 

514 

26. 

Joosten, H.,Couwenberg, J., von Unger, M., & Emmer I. Peatlands, Forests and the 

515 

Climate Architecture: Setting Incentives through Markets and Enhanced 

516 

Accounting. 

UBA Climate Change

 14/2016. 

517 

27. 

Unger, Von, M., Emmer, I., Joosten, H. & Couwenberg, J. 

Designing and 

518 

International Peatland Carbon Standard, Criteria, Best Practices and 

519 

Opportunities

. 

UBA Climate Change

 2019 forthcoming.  

520 

28. 

Federici, S., Lee, D. & Herold, M. 

Forest Mitigation: A Permanent Contribution to 

521 

the Paris Agreement?

 

Norwegian International Climate and Forest Initiative

, report 

522 

Nov 2018. 

523 

29 

Burke, Paul J. Undermined by adverse selection: Australia’s direct action abatement 

524 

subsidies. Economic Papers, 

35

 (3), 216–229 (2016)  

525 

Page 23

Figures and page graphics, page 23

30. 

Perera, O., Wuennenberg, L., Uzsoki, D. & Cuéllar, A. 

Financing Soil Remediation: 

526 

Exploring the use of financing instruments to blend public and private capital

. 

527 

(International Institute for Sustainable Development, 2018). 

528 

31. 

Liagre, L., Lara Almuedo, P., Besacier, C. & Conigliaro, M. 

Sustainable financing 

529 

for forest and landscape restoration: opportunities, challenges and the way forward

. 

530 

(FAO/UNCCD, 2015). 

531 

32. 

Griscom, B. W. 

et al.

 Natural climate solutions. 

Proceedings of the National 

532 

Academy of Sciences

 

114,

 11645–11650 (2017). 

533 

33. 

Sanderman, J. & Baldock, J. A. Accounting for soil carbon sequestration in national 

534 

inventories: a soil scientist’s perspective. 

Environmental Research Letters

 

5,

 034003 

535 

(2010). 

536 

34. 

Nave, L. E. 

et al.

 Reforestation can sequester two petagrams of carbon in US 

537 

topsoils in a century. 

Proceedings of the National Academy of Sciences

 

115,

 2776–

538 

2781 (2018). 

539 

35. 

Nordhaus, W. Estimates of the Social Cost of Carbon: Concepts and Results from 

540 

the DICE-2013R Model and Alternative Approaches. 

Journal of the Association of 

541 

Environmental and Resource Economists

 

1,

 273–312 (2015). 

542 

36. 

Smith, P. 

et al.

 in 

Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change

 811–922 

543 

(orbit.dtu.dk, 2014). 

544 

37. 

de Coninck, H. 

et al.

 

Chapter 4: Strengthening and implementing the global 

545 

response.

 In:  

Global Warming of 1.5 °C an IPCC special report on the impacts of 

546 

global warming of 1.5 °C above pre-industrial levels and related global greenhouse 

547 

gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the 

548 

threat of climate change.

 Intergovernmental Panel on Climate Change. (2018). 

549 

38. 

Sanderman, J. 

et al.

 Carbon sequestration under subtropical perennial pastures I: 

550 

Overall trends. 

Soil Research

 

51,

 760–770 (2014). 

551 

39. 

Zomer, R. J., Bossio, D. A., Sommer, R. & Verchot, L. V. Global Sequestration 

552 

Potential of Increased Organic Carbon in Cropland Soils. 

Scientific Reports

 

7,

 15554 

553 

(2017). 

554 

40. 

Powlson, D. S. 

et al.

 Limited potential of no-till agriculture for climate change 

555 

mitigation. 

Nature Climate Change

 

4,

 678–683 (2014). 

556 

41. 

Roberts, K. G., Gloy, B. A., Joseph, S., Scott, N. R. & Lehmann, J. Life cycle 

557 

assessment of biochar systems: estimating the energetic, economic, and climate 

558 

change potential. 

Environmental Science & Technology

 

44,

 827–833 (2010). 

559 

42. 

Lee, J. W., Hawkins, B., Li, X. & Day, D. M. in 

Advanced Biofuels and Bioproducts

 

560 

57–68 (Springer, New York, NY, 2013). doi:10.1007/978-1-4614-3348-4_6 

561 

43. 

Conant, R. T., Paustian, K. & Elliott, E. T. Grassland management and conversion 

562 

into grassland: effects on soil carbon. 

Ecological Applications

 

11,

 343–355 (2001). 

563 

44. 

Toensmeier, E. 

The Carbon Farming Solution

. (Chelsea Green Publishing, 2016). 

564 

45. 

Kell, D. B. Breeding crop plants with deep roots: their role in sustainable carbon, 

565 

nutrient and water sequestration. 

Annals of Botany

 

108,

 407–418 (2011). 

566 

46. 

McBratney, A., Koppi, T. & Field, D. J. Radical soil management for Australia: A 

567 

rejuvenation process. 

Geoderma Regional

 

7,

 132–136 (2016). 

568 

47. 

Ellen MacArthur Foundation. 

Urban Biocycles

. (Ellen MacArthur Foundation). 

569 

Page 24

Figures and page graphics, page 24

48. 

Ryals, R., Hartman, M. D., Parton, W. J., DeLonge, M. S. & Silver, W. L. Long-

570 

term climate change mitigation potential with organic matter management on 

571 

grasslands. 

Ecological Applications

 

25,

 531–545 (2015). 

572 

49. 

Gravuer, K., Gennet, S. & Throop, H. L. Organic amendment additions to 

573 

rangelands: A meta-analysis of multiple ecosystem outcomes. 

Global Change 

574 

Biology

 

25,

 1152–1170 (2019). 

575 

50. 

Oldfield, E. E., Wood, S. A. & Bradford, M. A. Direct effects of soil organic matter 

576 

on productivity mirror those observed with organic amendments. 

Plant and Soil

 

423,

 

577 

363–373 (2017). 

578 

51. 

Busch, J. 

et al.

 Potential for low-cost carbon dioxide removal through tropical 

579 

reforestation. 

Nature Publishing Group

 

9,

 463–466 (2019). 

580 

52. 

Bastin, J.-F. 

et al.

 The global tree restoration potential. 

Science

 

365,

 76–79 (2019). 

581 

53. 

IPCC. 

Global warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global 

582 

warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas 

583 

emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat 

584 

of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty

. 

IPCC

 

585 

(2018). 

586 

54. 

IPCC. 

Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, 

587 

desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and 

588 

greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems

. 

IPCC

 (2019). 

589 

55. 

Don, A., Schumacher, J. & Freibauer, A. Impact of tropical land‐use change on soil 

590 

organic carbon stocks – a meta‐analysis. 

Global Change Biology

 

17,

 1658–1670 

591 

(2011). 

592 

56. 

Powers, J. S., Corre, M. D., Twine, T. E. & Veldkamp, E. Geographic bias of field 

593 

observations of soil carbon stocks with tropical land-use changes precludes spatial 

594 

extrapolation. 

Proceedings of the National Academy of Sciences

 

108,

 6318–6322 

595 

(2011). 

596 

57. 

Bremer, L. L. & Farley, K. A. Does plantation forestry restore biodiversity or create 

597 

green deserts? A synthesis of the effects of land-use transitions on plant species 

598 

richness. 

Biodiversity and Conservation

 

19,

 3893–3915 (2010). 

599 

58. 

Brockerhoff, E. G., Jactel, H., Parrotta, J. A., Quine, C. P. & Sayer, J. Plantation 

600 

forests and biodiversity: oxymoron or opportunity? 

Biodiversity and Conservation

 

601 

17,

 925–951 (2008). 

602 

59.  

Erb, K.-H. 

et al.

 Exploring the biophysical option space for feeding the world 

603 

without deforestation. 

Nature Communications

 

7,

 11382 (2016). 

604 

60. 

Herrero, M. 

et al.

 Biomass use, production, feed efficiencies, and greenhouse gas 

605 

emissions from global livestock systems. 

Proceedings of the National Academy of 

606 

Sciences of the United States of America

 

110,

 20888–20893 (2013). 

607 

61. 

Li, Y. 

et al.

 Local cooling and warming effects of forests based on satellite 

608 

observations. 

Nature Communications

 

6,

 6603 (2015). 

609 

62. 

Poeplau, C. & Don, A. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of 

610 

cover crops – A meta-analysis. 

Agriculture, Ecosystems and Environment

 

200,

 33–

611 

41 (2015). 

612 

63. 

Chendev, Y.G., et al. Evolution of Soil Carbon Storage and Morphometric 

613 

Properties of Afforested Soils in the U.S. Great Plains. 

Soil Carbon Progress in Soil 

614 

Page 25

Figures and page graphics, page 25

Science

, eds. Hartemink AE, McSweeney K (Springer International Publishing, 

615 

Cham), pp 475–482  (2014).  

616 

64. 

Wang, F. 

et al.

 Biomass accumulation and carbon sequestration in four different 

617 

aged 

Casuarina equisetifolia

 coastal shelterbelt plantations in South China. 

PloS 

618 

One

 

8,

 e77449 (2013). 

619 

65. 

Sauer, T. J., Cambardella, C. A. & Brandle, J. R. Soil carbon and tree litter 

620 

dynamics in a red cedar–scotch pine shelterbelt. 

Agroforestry Systems

 

71,

 163–174 

621 

(2007). 

622 

66. 

Tsonkova, P., Böhm, C., Quinkenstein, A. & Freese, D. Ecological benefits 

623 

provided by alley cropping systems for production of woody biomass in the 

624 

temperate region: a review. 

Agroforestry Systems

 

85,

 133–152 (2012). 

625 

67. 

Lu, Sen, Meng, P., Zhang, J., Yin, C. & Sun, S. Changes in soil organic carbon and 

626 

total nitrogen in croplands converted to walnut-based agroforestry systems and 

627 

orchards in southeastern Loess Plateau of China. 

Environmental Monitoring and 

628 

Assessment

 

187,

 688 (2015). 

629 

68. 

Oelbermann, M. 

et al.

 Soil carbon dynamics and residue stabilization in a Costa 

630 

Rican and southern Canadian alley cropping system. 

Agroforestry Systems

 

68,

 27–

631 

36 (2006). 

632 

69. 

Ramankutty, N. & Foley, J. A. Estimating historical changes in global land cover: 

633 

Croplands from 1700 to 1992. 

Global Biogeochemical Cycles

 (1999). 

634 

70. 

Murdiyarso, D., Hergoualc'h, K. & Verchot, L. V. Opportunities for reducing 

635 

greenhouse gas emissions in tropical peatlands. 

Proceedings of the National 

636 

Academy of Sciences of the United States of America

 

107,

 19655–19660 (2010). 

637 

71. 

Adams, J. M. & Faure, H. A new estimate of changing carbon storage on land since 

638 

the last glacial maximum, based on global land ecosystem reconstruction. 

Global 

639 

and Planetary Change

 

16-17,

 3–24 (1998). 

640 

72. 

Joosten, H. 

The Global Peatland CO2 picture.

 (Wetlands International, 2009). 

641 

73. 

Nayak, D. 

et al.

 Management opportunities to mitigate greenhouse gas emissions 

642 

from Chinese agriculture. 

Agriculture, Ecosystems and Environment

 

209,

 108–124 

643 

(2015). 

644 

74. 

Rosentreter, J. A., Maher, D. T., Erler, D. V., Murray, R. H. & Eyre, B. D. Methane 

645 

emissions partially offset ‘blue carbon’ burial in mangroves. 

Science Advances

 

4,

 

646 

eaao4985 (2018). 

647 

75. 

Mcleod, E. 

et al.

 A blueprint for blue carbon: toward an improved understanding of 

648 

the role of vegetated coastal habitats in sequestering CO2. 

Frontiers in Ecology and 

649 

the Environment

 

9,

 552–560 (2011). 

650 

76. 

Bouillon, S. 

et al.

 Mangrove production and carbon sinks: A revision of global 

651 

budget estimates. 

Global Biogeochemical Cycles

 

22,

 n/a–n/a (2008). 

652 

77. 

Pendleton, L. 

et al.

 Estimating Global ‘Blue Carbon’ Emissions from Conversion 

653 

and Degradation of Vegetated Coastal Ecosystems. 

PloS One

 

7,

 e43542 (2012). 

654 

78. 

Jardine, S. L. & Siikamäki, J. V. A global predictive model of carbon in mangrove 

655 

soils. 

Environmental Research Letters

 

9,

 104013 (2014). 

656 

79. 

Hamilton, S. E. & Friess, D. A. Global carbon stocks and potential emissions due to 

657 

mangrove deforestation from 2000 to 2012. 

Nature Climate Change

 

8,

 240–244 

658 

(2018). 

659 

Page 26

Figures and page graphics, page 26

80. 

Sanderman, J. 

et al.

 A global map of mangrove forest soil carbon at 30 m spatial 

660 

resolution. 

Environmental Research Letters

 

13,

 055002 (2018). 

661 

81. 

Griscom, B. W. 

et al.

 We need both natural and energy solutions to stabilize our 

662 

climate. 

Global Change Biology

 

48,

 903 (2019). 

663 

 

664 

 

665 

 

666 

Acknowledgements

. This study was made possible by funding from the Craig and Susan 

667 

McCaw Foundation. 

668 

Author contributions. 

DB and BG designed the study; BG, SC, PW, JF, JS provided data 

669 

analysis; DB, BG, SC, PW, JF, JS, PS, SW, RZ, MvU, and IE interpreted the data and wrote the 

670 

paper.  

671 

 

672 

 

673 

 

674 

 

675 

 

676 

 

677 

 

678 

 

679 

 

680 

Page 27

Figures and page graphics, page 27

Figure Legends 

681 

Figure 1. Additional soil carbon storage potential for 12 natural pathways to climate mitigation. 

682 

We estimate annual maximum climate mitigation potential with safeguards for the reference year 

683 

2030. Light gray portions of bars represent cost-effective mitigation levels assuming a global 

684 

ambition to hold warming below 2°C (<100 USD MgCO

2

e

-1

 y

-1

). Dark grey portions of bars 

685 

indicate low cost (<10 USD MgCO

2

e

-1

 y

-1

) portions. Ecosystem service benefits linked with each 

686 

pathway are indicated by colored bars for biodiversity, water (filtration and flood control), food 

687 

and air filtration. Most pathways also contribute biomass carbon, (see Figure 2), with the 

688 

exception of pathways that are entirely soil carbon: biochar, cover cropping, both grazing 

689 

options, and avoided grassland conversion. More than half of the pathways (reforestation, cover 

690 

cropping, biochar, trees in croplands, grazing, improved pasture options and coastal wetland 

691 

restoration), represent enhanced soil carbon sinks, while the others are avoided soil carbon 

692 

losses. The remaining 8 of the 20 pathways from Griscom et al. 

32

 are not expected to have an 

693 

impact on soil organic carbon, and therefore have not been included in this figure.  

694 

 

695 

Figure 2. Maximum climate mitigation potential of soil in 2030 across forest, agriculture and 

696 

grassland, and wetland biome pathways with safeguards. Bars to the left indicate the magnitude 

697 

of potential sinks, whereas the bars to the right indicate magnitude of avoided emissions. Dark 

698 

portions of bars represent soil carbon; white portions of bars represent vegetative biomass; and 

699 

dotted portion of bar is avoided CH

4

 and N

2

O through improved nutrient, rice, and animal 

700 

management. Note that due to the strong likelihood of near-term increased CH

4

 emissions arising 

701 

from increased soil organic carbon in peatlands

73

, we do not included increased soil carbon sinks 

702 

in freshwater peatlands upon rewetting for restoration.  

703 

Page 28

Figures and page graphics, page 28

Tables 

704 

Table 1. Summary of soil carbon elements of natural climate solutions (NCS): the role of soil 

705 

and co-benefits for sustainable development. Cells in green indicate Forest pathways, in yellow 

706 

indicate grassland/agricultural pathways, and in blue indicate wetland pathways.

 

Adapted from 

707 

Table S2 and S5 in Griscom et al. 

32

.

 

708 

NCS Pathway 

Contribution of soil carbon  

Co-benefits for Sustainable development  

Avoided Forest 
Conversion 

1.2 Gt CO

2

e yr

-1

 for soil protection and 

carbon sequestration is about 9% of the 
mitigation benefit from these two forest 
pathways.  

Water retention and flow regulation. Biodiversity benefits. Maintains soil 
biological and physical properties ensuring health and productivity of 
forests. 

Reforestation 

Measured increase in soil fauna in reforested sites. Drought resilience. 
Water retention and flow regulation. 

Biochar 

1.1 Gt CO

2

e yr

-1

 biochar direct mitigation 

potential.  

Soil quality and fertility enhancement in temperate regions. 

Cover cropping 

0.41 Gt CO

2

e yr

-1

 is entirely soil carbon. 

Soil quality and fertility enhancement. Reduced agricultural water demands 
with appropriate cover crops. Reduced soil erosion and redistribution 
maintaining soil depth and water retention. 

Trees in Croplands 

0.28 Gt CO

2

e yr

-1

 in soil carbon is 40% 

of the total mitigation potential.  

Biodiversity, habitat connectivity, erosion control, water recharge, and 
reduced soil erosion. Tree planting helps capture airborne particles and 
pollutant gasses. 

Avoided Grassland 
Conversion 

0.23 Gt CO

2

e yr

-1

 is entirely soil carbon.  

Permanent grasslands provide "biological flood control" and maintain 
ecosystem water balance assuring adequate water resources. Important 
habitat for nesting and foraging birds.  

Grazing - Optimal 
Intensity 

0.15 Gt CO

2

e yr

-1

 is entirely soil carbon.  

Reduces disturbance to plant-insect interactions. Reduce water use on 
managed pastures, increase the soils ability to trap contaminants. 

Grazing - Legumes 
in Pastures 

0.15 Gt CO

2

e yr

-1

 is entirely soil carbon.  

Higher insect diversity, biological nitrogen fixation, improved soil structure, 
erosion protection and greater biological diversity. 

Peatland 
Restoration 

0.65 Gt CO

2

e yr

-1

 in soil carbon is 80% 

of the total mitigation potential. 

Restoring reestablishes diverse communities and increases faunal species 
that help develop soil structure and fertility. Waste water treatment and 
storm water remediation. Flood attenuation. Reduced fire risk lessening 
exposure to pollutants associated with lung and pulmonary disorders. 

Avoided Peatland 
Impacts 

0.54 Gt CO

2

e yr

-1

 in soil carbon is 72% 

of the total mitigation potential. 

Coastal Wetland 
Restoration 

0.52 Gt CO

2

e yr

-1

 in soil carbon is 62% 

of the total mitigation potential. 

Maintains the provision of structure, nutrients and primary productivity and 
nurseries for commercially important fish and shrimp. High economic value 
for water treatment. Benefits of cross-system nutrient transfer to coral reefs, 
coastal protection, and water quality regulation. 

Avoided Coastal 
Wetland Impacts 

0.24 Gt CO

2

e yr

-1

 in soil carbon is 79% 

of the total mitigation potential. 

709 

Page 29

Figures and page graphics, page 29

Table 2. Example activities to achieve mitigation potentials of soil carbon sequestration 

710 

pathways. Cells in green indicate Forest pathways, in yellow indicate grassland/agricultural 

711 

pathways, and in blue indicate wetland pathways.

 

Adapted from Table S7 in Griscom et al. 

32 

and 

712 

Griscom et al. 

81

. 

713 

 

714 

NCS Pathway 

General Activities  

 Specific Activities 

Avoided Forest Conversion 

PROTECTION 

 

Protected areas establishment 

and improved enforcement, 

improved land tenure, 

indigenous community 

management 

Improved citing of non-forest land use; forest certification; zero 
deforestation commitments; sustainable intensification of agriculture; 
diet shifts; avoided loss of high carbon forests.  

Avoided Grassland Conversion 

Prevent conversion of grasslands to tilled croplands; intensification of 
existing croplands.  

Avoided Peatland Impacts 

No-net-loss mitigation regulations; re- siting of oil palm plantation 
permits to non-peat locations.  

 

Avoided Coastal Wetland Impacts 

No-net-loss mitigation regulations; avoided harvest of mangroves for 
charcoal; avoided consumption of food products with acute impacts on 
coastal wetlands (e.g. mangrove replacing shrimp farms).  

Biochar 

MANAGEMENT 

Realignment of agriculture 

support programs, ecosystem 

services payments, 

certification schemes, 

improved land tenure, 

mitigation programs and 

markets 

Extension programs to build capacity on biochar management. 

Cover cropping 

Cultivation of additional cover crops in fallow periods; shift to reduced-
tillage or zero-tillage systems and other conservation agriculture 
practices may enhance soil carbon benefits of cover crops. 

Trees in Croplands 

Regulations and certification programs that promote windbreaks 
(shelterbelts), alley cropping, agroforestry systems and farmer managed 
natural regeneration (FMNR).  

Grazing - Optimal Intensity 

Maintaining forage consumption rates that enable maximum forage 
production.  

Grazing - Legumes in Pastures 

Sowing legumes in existing planted pastures.  

Reforestation 

RESTORATION 

Certification and mitigation 

programs, indigenous 

community management 

Regulations that advance minimum forest cover requirements; 
integration of trees into grazing lands (i.e. silvopastoral systems); diet 
shifts. 

Peatland Restoration 

Re-wetting and re-planting with native freshwater wetlands species. 

Coastal Wetland Restoration 

Re-wetting and re-planting with native salt-water wetlands. 

 

715 

 

 

716 

Page 30

Figures and page graphics, page 30

Figure 1 

717 

 

718 

 

719 

Figure 2 

720 

 

721 

 

722 

 

723 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Avoided Coastal Impacts

Coastal restoration

Avoided Peat Impacts

Peatland Restoration

Grazing - legumes

Grazing - optimal intensity

Avoided Grassland Conversion

Trees in annual croplands

Cover Cropping

Biochar - crop residue

Avoided Forest Conversion

Reforestation

Soil Carbon Mitigation Potential in 2030 (Pg CO

2e

yr

-1

)

low-cost

cost-effective

maximum with safeguards

climate mitigation

biodiversity
water

other benefits

air

food