Back to report · Publisher record

Cotrufo et al. (2023). The robust concept of mineral‐associated organic matter saturation: A letter to Begill et al., 2023

Page 1

Figures and page graphics, page 1

5986

 

|

 

  

wileyonlinelibrary.com/journal/gcb

 

Glob Change Biol. 

2023;29:5986–5987.

© 2023 John Wiley & Sons Ltd.

Received: 25 June 2023 

|

 Accepted: 31 July 2023

DOI: 10.1111/gcb.16921  

L E T T E R   T O   T H E   E D I T O R

The robust concept of mineral- associated organic matter 

saturation: A letter to Begill et al., 2023

Sequestration of persistent soil organic carbon (SOC) is seen as a cost- 
effective and scalable CO

2

 removal strategy, so it is critical to under-

stand whether soils have a finite capacity to store mineral- associated 
organic  C  (MAOC)— on  average  more  persistent  than  particulate 
organic  C  (POC).  Since  the  conceptualization  of  “soil  C  saturation” 
around the turn of the century, many have embraced it and studied 
its upper limits, found to vary up to 78– 86 g C kg

−1

 fine fraction (Feng 

et al., 

2014

; Georgiou et al., 

2022

), its controls, and effects on SOC 

dynamics (e.g., Cotrufo et al., 

2019

; Six et al., 

2002

; Sokol et al., 

2022

).

Using  soils  from  the  German  Agricultural  Soil  Inventory,  Begill 

et  al.  (

2023

)  have  questioned  the  concept  of  soil  C  saturation. They 

posit that the available mineral surface area is not a physical limitation 
on MAOC accumulation because organic matter (OM) can bind to other 
OM bonded to minerals, in unlimited “skyscraper- like” structures. We 
challenge their conclusion here based on the following points.

1.  Physical  fractionation  method:  The  fine  fraction  most  likely 

contains  particulate  organic  matter  (POM)

The conceptual definitions of fractions do not fully correspond to 
their procedural definitions (Leuthold et al., 

2022

). Begill et al. dis-

persed aggregates using sonication, which is known to disintegrate 
POM and disperse OM in solution even at energies below 100 kJ 
(Leuthold  et  al., 

2022

).  They  also  used  flocculant  to  precipitate 

the  OM  in  solution  (

<

50 

μ

m)  as  mineral- associated  OM  (MAOM). 

To discount POM contamination, they noted the consistent C- to- 
nitrogen (N) ratio (10.7) of their fine fractions (

Figure

 

1a

), assuming 

POM has a higher C:N than that. However, the latter has been con-
tradicted by observations of C:N ratios of 10– 12 for fine POM (Six 
et al., 

1998

). Furthermore, since they selected soils with C:N 

<

 13, 

several  may  have  POM  C:N ≤ 10.7  and,  for  soils  with  C:N  ratios 
of  10.7– 13,  a  minor  shift  from  the  linear  relation  would  indicate 
POM contamination. That is what their data show; all fine fractions 
with high C contents have C:N 

>

 10.7 (

Figure

 

1a

), suggesting POM 

contamination.

Potential overestimation of MAOC by Begill et al. (

2023

) is further 

suggested by slightly higher contributions of MAOC to SOC than other 
studies, with average values of 86% for cropland and 72% for grassland, 
versus global and continental- scale averages of 72%– 79% for croplands 
and 70%– 72% for grasslands (Lugato et al., 

2021

; Sokol et al., 

2022

).

2.  Dominance  of  Gleysols  among  high  organic  carbon  soils

Gleysols  are  fundamentally  different  from  mineral  soils  for  which 
the C saturation concept was defined. They accumulate C because 
of  prevalent  anoxic  conditions  and  not  necessarily  through  physi-
cochemical stabilization (Six et al., 

2002

). For the POM- rich Gleys-

ols,  POM  contamination  to  the  fine  fraction  would  certainly  be 
expected.  Gleysols  should  therefore  be  avoided  when  assessing 
MAOC saturation.

This article is a Letter to the Editor by Begill et al., 

https://doi.org/10.1111/gcb.16804

. See also response to this letter by Poeplau et al., 

https://doi.org/10.1111/gcb.16920

.  

F I G U R E   1

 (a) Reproduction of carbon (C) versus nitrogen (N) in the fine fraction samples from Begill et al. (

2023

, figure 5). Ratios of C:N 

for the high C samples were extracted using 

plotdigitizer

 (

https://plotd igiti zer.com/app

) and are reported in red. (b) Second- order polynomial 

versus linear fit of the relationship between soil organic carbon (SOC) and mineral- associated organic carbon (MAOC) for European 
croplands (CR), forest (FR), and grassland (GR) soils. Data are from Cotrufo et al. (

2019

) and Lugato et al. (

2021

). Regression models were 

tested using the 

anova

 function of R software version 4.0.5 (MAOM_vs_SOC_model_regression.r), available at 

https://github.com/eluga to/

SOC_satur ation

. [Colour figure can be viewed at 

wileyonlinelibrary.com

]

Page 2

Figures and page graphics, page 2

   

|

  5987

LETTER TO THE EDITOR

3.  Support  for  previous  report  of  C  saturation

Begill et al. (

2023

) questioned our observation of MAOC saturation 

in  European  grasslands  and  forests  (Cotrufo  et  al., 

2019

)  because 

there  were  no  soils  with 

>

47 g MAOC kg

−1

soil.  The  samples  were 

selected to represent the distribution of total SOC and soil texture 

observed across over 

∼

20,000 European sampling locations (Lugato 

et al., 

2021

). Thus, that all the soils had 

<

47 g MAOC kg

−1

 soil was a 

finding rather than the result of a biased selection.

While  we  recognize  that  our  data  were  sparser  for  higher  SOC 

soils, there is adequate evidence for saturation behavior (

Figure

 

1b

) for 

all land uses: polynomial fits of the MAOC- to- SOC relationship were 
statistically better and different from linear fits at 

p

 

<

 .001 (

Figure

 

1b

).

Observing the MAOC- to- SOC relationships presented by Begill 

et al. (figure 3), it appears that a second- order polynomial might have 
fit better than the linear relationships for the low and medium fine 
fraction  soils  (figure  3a,b),  suggesting  a  saturation  behavior,  while 
the linear relationship for the high fine fraction soils (figure 3c), may 
be driven by a few samples with very high SOC (possibly Gleysols).

4.  Is  organic  matter  associated  with  organic  matter  bonded  to 

minerals  equally  stable?

Rather than challenging the C saturation concept, the growing evi-
dence for a patchy “skyscraper” model for what we define as MAOC 
and the range in 

14

C ages for MAOC (Six et al., 

2002

), should serve as 

a reminder that separating a MAOC fraction by size and/or density 
is not necessarily sufficient to identify the persistent SOC pool. It 
is well known that MAOM can exchange with dissolved OM (Kle-
ber et al., 

2021

), and some process- based models already represent 

two MAOM pools: a dynamic MAOM and a more stable MAOM. Yet, 
data are needed to calibrate and verify these models. Identifying the 
most effective and scalable method to separate and characterize the 
dynamic exchangeable (possibly OM bound to OM) from the stable 
MAOM (possibly OM bound to minerals) is critical to better inform 
the broad and active field of soil C sequestration.

CONFLIC T OF INTEREST STATEMENT
MFC discloses to be a cofounder of Cquester Analytics LLC. The au-
thors have no conflict of interests.

DATA AVAIL ABILIT Y STATEMENT
The data that support the findings of this study are available from 
Zenodo at 

https://doi.org/10.5281/zenodo.8227702

.

M. Francesca Cotrufo

1

Jocelyn M. Lavallee

1,2

Johan Six

3

Emanuele Lugato

4

1

Department of Soil and Crop Sciences, Colorado State 

University, Fort Collins, Colorado, USA

2

Environmental Defense Fund, New York, New York, USA

3

Department of Environmental Systems Science, ETH Zurich, 

Zurich, Switzerland

4

European Commission, Joint Research Centre (JRC), Ispra, Italy

Correspondence

M. Francesca Cotrufo, Department of Soil and Crop 

Sciences, Colorado State University, Fort Collins, CO 80526, 

USA.

Email: 

francesca.cotrufo@colostate.edu

ORCID

M. Francesca Cotrufo   

https://orcid.org/0000-0002-6191-8953

 

Jocelyn M. Lavallee   

https://orcid.org/0000-0002-3028-7087

 

Johan Six   

https://orcid.org/0000-0001-9336-4185

 

Emanuele Lugato   

https://orcid.org/0000-0002-8947-352X

 

REFERENCES

Begill, N., Don, A., & Poeplau, C. (2023). No detectable upper limit of 

mineral- associated organic carbon in temperate agricultural soils. 

Global Change Biology

, 

29

,  4662– 4669. 

https://doi.org/10.1111/

gcb.16804

Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J., & Lugato, E. (2019). 

Soil carbon storage informed by particulate and mineral- associated 
organic matter. 

Nature Geoscience

, 

12

, 989– 994.

Feng, W., Xu, M., Fan, M., Malhi, S. S., Schoenau, J. J., Six, J., & Plante, A. 

F. (2014). Testing for soil carbon saturation behavior in agricultural 
soils receiving long- term manure amendments. 

Canadian Journal of 

Soil Science

, 

94

, 281– 294.

Georgiou, K., Jackson, R. B., Vindušková, O., Abramoff, R. Z., Ahlström, A., 

Feng, W., Harden, J. W., Pellegrini, A. F. A., Polley, H. W., Soong, J. L., 
Riley, W. J., & Torn, M. S. (2022). Global stocks and capacity of mineral- 
associated soil organic carbon. 

Nature Communications

, 

13

, 3797.

Kleber, M., Bourg, I. C., Coward, E. K., Hansel, C. M., Myneni, S. B., & 

Nunan,  N.  (2021).  Dynamic  interactions  at  the  mineral– organic 
matter interface. 

Nature Reviews Earth & Environment

, 

2

, 402– 421.

Leuthold, S. J., Haddix, M. L., Lavallee, J., & Cotrufo, M. F. (2022). Physical 

fractionation techniques. In 

Reference module in Earth systems and 

environmental sciences

.  Elsevier. 

https://doi.org/10.1016/B978- 0- 

12- 82297 4- 3.00067 - 7

Lugato, E., Lavallee, J. M., Haddix, M. L., Panagos, P., & Cotrufo, M. F. 

(2021).  Different  climate  sensitivity  of  particulate  and  mineral- 
associated soil organic matter. 

Nature Geoscience

, 

14

, 295– 300.

Six, J., Conant, R. T., Paul, E. A., & Paustian, K. (2002). Stabilization mech-

anisms of soil organic matter: Implications for C- saturation of soils. 

Plant and Soil

, 

241

, 155– 176.

Six, J., Elliott, E. T., Paustian, K., & Doran, J. W. (1998). Aggregation and 

soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland 

soils. 

Soil Science Society American Journal

, 

62

, 1367– 1377.

Sokol,  N.  W.,  Whalen,  E.  D.,  Jilling,  A.,  Kallenbach,  C.,  Pett- Ridge,  J., 

&  Georgiou,  K.  (2022).  Global  distribution,  formation  and  fate  of 
mineral- associated soil organic matter under a changing climate: A 
trait- based perspective. 

Functional Ecology

, 

36

, 1411– 1429.

 13652486, 2023, 21, Downloaded from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16921 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License


Document Outline