Back to report · Publisher record

Gaudaré et al. (2023). Soil organic carbon stocks potentially at risk of decline with organic farming expansion

Page 1

Figures and page graphics, page 1

1 

Soil organic carbon stocks potentially at risk of decline in organically farmed croplands 

1 

 

2 

Ulysse Gaudaré

1

, Matthias Kuhnert

2

, Pete Smith

2

, Manuel Martin

3

, Pietro Barbieri

4

, Sylvain 

3 

Pellerin

1

, Thomas Nesme

4

.  

4 

 

5 

1

 INRAE, UMR 1391 ISPA, CS 20032, Villenave d’Ornon, France. 

6 

2

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

7 

Aberdeen AB24 3UU, UK 

8 

3

 INRAE, Info&Sol, Orléans, France 

9 

4 

Bordeaux Sciences Agro, University of Bordeaux, UMR 1391 ISPA, CS 40201, Gradignan, 

10 

France. 

11 

 

12 

 

13 

Increasing  soil  organic  carbon  (SOC)  stocks  in  agricultural  lands  is  key  to  mitigate  climate 

14 

change  and  organic  farming  shows  promising  results.  Evidence  of  higher  SOC  stocks  in 

15 

organic  farms  compared  to  conventional  farms  reflects  current  situations  where  organic 

16 

farming  occupies  small  fractions  of  agricultural  areas,  with  access  to  ample  amounts  of 

17 

resources  for  organic  fertilisation.  Using  a  modelling  approach,  we  estimated  global  SOC 

18 

stocks following a 100% conversion to organic farming of global croplands under a normative 

19 

and an optimal organic scenario. We found that global soil carbon inputs would be reduced by 

20 

39%  and  29%  for  both  scenarios  respectively,  leading  to  a  9%  and  a conservation  of  global 

21 

SOC  stocks  reduction  (with  spatial  variations)  after  20  years  in  the  normative  and  optimal 

22 

organic  scenario,  respectively.  These  results  suggest  that  an  expansion  of  organic  farming 

23 

might reduce its potential to mitigate climate change through soil carbon sequestration unless 

24 

appropriate practices – such as widespread cover cropping and enhanced residue recycling – 

25 

are implemented. 

26 

 

27 

 

28 

 

29 

The  agricultural  sector  is  responsible  for  23%  of  global  anthropogenic  greenhouse  gas  (GHG) 

30 

emissions worldwide

1,2

, but there is an opportunity for mitigation of climate change through carbon 

31 

sequestration  in  agricultural  soils.  While  arable  lands  have  lost  up  to  half  of  their  organic  carbon 

32 

stocks since the industrial revolution

5

, agricultural practices could help increase soil organic carbon 

33 

stocks, by increasing carbon inputs to soils or by reducing soil carbon mineralisation

6

. 

34 

 

35 

Organic farming is proposed as a way to increase soil organic carbon (SOC) stocks

7

.

 

Meta-analyses 

36 

of field experiments have shown that organically managed cropland soils have, on average, higher 

37 

SOC stocks (+3.5 tC.ha

-1

) and soil carbon sequestration rate (+0.45 tC.ha

-1

.yr

-1

) than conventional 

38 

(i.e. non-organic) ones

8,9

. These results are largely explained by higher soil carbon inputs in organic 

39 

systems  through  both  enhanced  manure  application  rates  and  the  use  of  more  complex  crop 

40 

rotations with higher frequency of temporary pastures and cover crops

10

, resulting in higher organic 

41 

carbon  inputs  to  soils.  However,  concerns  have  been  raised  that  these  positive  effects  of  organic 

42 

farming  may  result  from  carbon  transfers  from  other  ecosystems  through  manure  and  compost 

43 

inputs, so that there may be no net change in carbon stocks over the whole land area

11

. Accounting 

44 

for  these  lateral  carbon  transfers  and  capturing  their  effects  is  therefore  essential  for  obtaining 

45 

accurate estimates of the potential of organic farming to sustain global SOC stocks. 

46 

 

47 

Organic  farming  occupies  less  than 2% of the global  utilized agricultural  area (UAA)

12

. Evidence 

48 

provided  by  meta-analyses  reflect  situations  where  organic  materials,  such  as  animal  manure  or 

49 

compost  are  readily  available  for  fertilisation  of  organically  managed  soils

13

.  In  contrast,  the 

50 

Page 2

Figures and page graphics, page 2

2 

expansion of organic farming might trigger competition for fertilising resources, possibly resulting 

51 

in  a reduction of  potential  for  soil carbon inputs and soil carbon sequestration. A recent  study has 

52 

shown  that  organic  farming  upscaling  to  100%  of  the  UAA  would  lead  to  a  56%  crop  yield 

53 

reduction due to severe nitrogen (N) limitation

14

 – a significant drop compared to the 20-30% yield 

54 

reduction previously reported by field-based meta-analyses

15,16

. This drop is mostly due to the ban 

55 

of  synthetic  N  fertilizers  in  organic  guidelines  that  reduces  both  the  range  of  N  fertilization 

56 

resources  (e.g.,  crop  residues,  livestock  manure)  and  their  global  availability,  with  large 

57 

consequences for soil fertilisation – a result confirmed by recent studies highlighting N fertilisation 

58 

limitation  when  organic  farming  is  upscaling

17–19

.  Expansion  of  organic  farming  is  thus  likely  to 

59 

have  major  consequences  for  soil  carbon  inputs  from  crop  residues  and  fertilising  materials, 

60 

potentially resulting in large changes in SOC stocks.  

61 

 

62 

Capturing these systemic feedbacks is key to accurately estimating soil carbon inputs in scenarios of 

63 

large-scale  organic  farming.  We  addressed  these  knowledge  gaps  by  combining  (i)  GOANIM,  a 

64 

spatially  explicit  model  simulating  cropland  N  cycle,  crop  productivity  and  livestock  populations 

65 

under scenarios of large organic farming expansion

14

 with (ii) RothC, a dynamic, first order kinetic 

66 

model simulating carbon dynamics in soils 

20,21

. We used GOANIM outputs about livestock manure 

67 

and crop residue production to estimate carbon fluxes between croplands, grasslands and livestock, 

68 

and  to  estimate  soil  carbon  inputs  (SCI)  in  scenarios  of  large  organic  farming  expansion  for 

69 

croplands. We  then  used  the  estimated  SCI  as  an  input  to  RothC  to  simulate  the  changes  in  SOC 

70 

stocks  under  different  time  horizons.  We  assessed  different  scenarios  combining  (i)  variations  in 

71 

organic farming practices (e.g., cover cropping, use of conventional manure on organic croplands, 

72 

residue  recycling)  and  (ii)  variations  in  the  level  of  organic  farming  expansion  globally,  each 

73 

compared with a baseline scenario of no changes in current agricultural practices. 

74 

 

75 

Although  all  organic  regulations  are  gathered  under  the  ban  of  synthetic  fertilisers

22

,  organic 

76 

farming encompasses a diverse set of farming practices, depending on regional regulations, farming 

77 

contexts  and  markets

16,23,24

.  In  particular,  organic  farmers  may  adopt  cropping  practices  that  are 

78 

known to improve soil carbon sequestration (e.g. cover cropping, extensive crop residues recycling, 

79 

diversified  crop  rotations  including  pasture). We  captured  this  variability  in  cropping  practices  by 

80 

considering both (i) a normative organic scenario in which organic farming is restricted to the ban 

81 

of  synthetic  fertilizers,  some  differences  in  crop  rotations,  no  cover-crops  and  a  redistribution  of 

82 

livestock  population  compared  to  conventional  farming  and  (ii)  an  optimal  organic  scenario  that 

83 

may favour carbon inputs to cropland soils mostly through extensive cover-cropping and enhanced 

84 

residue  recycling.  Note  that  the  assumptions  related  to  the  normative  scenario  were  well  aligned 

85 

with those of a previous study about organic farming expansion that resulted in drastic reduction of 

86 

global  cropland  production  and  livestock  population  reduction  in  a  fully  organically  managed 

87 

world,  with  a  large  shift  towards  ruminant  animal  species

14

.  In  contrast,  the  optimal  scenario  was 

88 

well  aligned  with  observational  data  that  show  that  covering  soils  by  catch  and  cover-crops  is  a 

89 

common practice that many organic farmers implement

10,11

. We hypothesized that, in the normative 

90 

organic scenario, both soil carbon inputs and SOC stocks would be negatively affected by a global 

91 

transition  to  organic  farming  whereas  those  negative  effects  can  be  partly  ameliorated  when 

92 

additional cropping practices are considered, as in the optimal organic scenario. Hereafter, we first 

93 

focus on results from a hypothetical 100% conversion of cropland areas  to organic farming before 

94 

analysing scenarios with an intermediate level of organic farming expansion. The scenarios are not 

95 

intended to be prescriptive; rather they are exploratory, offering a framework for analysis. Thus, the 

96 

primary goal of our modelling exercise is not to assess if organic farming will change SOC stocks, 

97 

but  rather  to  explore  if,  how  and  where  SOC  stocks  could  be  at  risk  of  decline  under  organic 

98 

farming expansion. 

99 

 

100 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

3 

 

101 

Results 

102 

 

103 

Carbon flows and stocks in an organic world 

104 

 

105 

SCI reduction in an organic world 

106 

 

107 

Table  1.

 

Global  soil  carbon  inputs  (PgC.yr

-1

)  for  croplands  under  both  100%  organic 

108 

scenarios and the baseline.

 

109 

 

 

Plant-based 

residues 

Manure 

Total 

Baseline 

 

2.50 

0.22 

2.72 

100% organic 

scenario 

Normative 

1.51 

0.11 

1.62 

Optimal 

1.77 

0.11 

1.87 

 

 

Ratio organic / 

baseline 

Normative 

0.61 

0.48 

0.60 

Optimal 

0.71 

0.48 

0.69 

 

110 

Globally,  we  found  a  40  and  31%  reduction  in  the  total  SCI  to  croplands  for  the  normative  and 

111 

optimal organic scenarios, respectively (

Table 1

). Such massive drop of SCI is primarily due to (i) 

112 

39% and 29% reduction in plant-based residues returned to the soil (-1 PgC.yr

-1

 and -0.7 PgC.yr

-1

), 

113 

followed by (ii) a 68% reduction in farmyard manure application rate (-0.11 PgC.yr

-1

) in both 100% 

114 

organic  scenarios  compared  to  the  baseline.  In  the  normative  organic  scenario,  the  reduction  in 

115 

plant-based residues returns is mainly due to a 51% reduction of annual crop dry matter production, 

116 

partially attenuated by increased frequency of temporary rotational pastures, resulting in an overall 

117 

47% reduction of cropland biomass production 

(Supplementary Table 1)

. The reduction in manure 

118 

application  rate  is  mainly  due  to  a  66%  reduction  in  the  global  livestock  population,  as  well  as 

119 

changes  in  animal  types  and  in  the  regional  distribution  of  livestock  populations.  In  the  optimal 

120 

organic  scenario,  the  additional  0.25  PgC.yr

-1

  carbon  inputs  compared  to  the  normative  organic 

121 

scenario is explained by 83% of additional SCI from the use of cover crops on 50% of organically 

122 

managed croplands (+0.21 PgC.yr

-1 

, +0.07 tC.ha

-1

.yr

-1

 on average). 

123 

 

124 

These global changes in soil carbon inputs mask large variations among world regions 

(Figure 1)

. 

125 

In some specific regions – such as Central Africa or Russia – soil carbon inputs are increased in the 

126 

normative  100%  organic  scenario  compared  to  the  baseline. This  is  explained  by  higher  inputs  as 

127 

plant-based residues 

(Supplementary Figure 1)

 due to (i) high manure application rates that help 

128 

to  sustain  high  crop  yields  in  organic  farming 

(Supplementary  Figure  1)

  and  (ii)  high  share  of 

129 

carbon  fixing  crops  –  such  as  temporary  pastures  –  in  organic  rotations

10,25

.  Note,  that  in  other 

130 

regions  –  such  as  Northern  Brazil  –  the  increase  in  plant-based  residues  resulting  from  more 

131 

frequent carbon fixing crops in organic rotations is offset by a drop in farmyard manure application, 

132 

resulting in reduced soil carbon inputs to cropland soils. In the optimal 100% organic scenario, we 

133 

found  that  regions  such  as  Central  Canada,  Eastern  Europe  or  Southern  Russia  have  a  higher  soil 

134 

carbon inputs compared to the baseline (

Figure 1b

). In those regions, additional soil carbon inputs 

135 

from cover crops are sufficient to compensate the reduction of soil carbon inputs due to drop in crop 

136 

production resulting from the ban of synthetic fertilizers (

Supplementary Figure 1

). 

137 

 

138 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

4 

 

139 

Figure  1.

 

Maps  of  annual

 

organic-to-baseline  ratios  of  soil  total  carbon  inputs  for  the  normative  (left)  and 

140 

optimal (right) 100% organic scenario.

 

141 

 

142 

 

143 

SOC stocks 

144 

 

145 

In the normative scenario, the transition to 100% organic farming would result in a 9, 13 and 18% 

146 

SOC stock reduction in croplands after 20, 50 and 100 years, respectively, compared to the baseline 

147 

(

Table 2

). This reduction would represent an overall loss of -6.8 PgC from croplands in the first 20 

148 

years  after  that  transition  and  a  mean  loss  of  0.23  tC.ha

-1

.yr

-1

.  However,  a  transition  to  100% 

149 

organic  farming  in  the  optimal  scenario  would  result  in  the  conservation  or  slight  increase  in 

150 

croplands  SOC  stock.  In  particular,  cropland  SOC  stocks  would  slightly  increase,  by  0.3  PgC  20 

151 

years after the transition to organic farming, leading to an average storage of 0.01 tC.ha

-1

.yr

-1

. 

152 

 

153 

Table  2.  Global  changes  in  SOC  stocks  (PgC)  in  croplands  after  20,  50,  and  100  years  following  conversion  to 

154 

organic farming. 

Ratios and differences between the organic and the baseline are indicated.

 

155 

 

 

Global soil organic carbon stocks [PgC] 

 

 

20 years 

50 years 

100 years 

Baseline 

75.7 

100% organic scenario 

Normative 

68.9 

65.5 

62.3 

Optimal 

76.1 

77.1 

78.5 

 

 

 

 

 

Ratio org / baseline 

Normative 

0.91 

0.87 

0.82 

Optimal 

1.00 

1.02 

1.04 

 

 

 

 

 

Difference org - 

baseline [tC.ha

-1

.yr

-1

]

 

Normative 

-0.23 

-0.23 

-0.18 

Optimal 

0.01 

0.03 

0.04 

 

156 

Again,  these  global  results  mask  spatial  variations  among  world  regions  (

Figure  2

).  In  the 

157 

normative  scenario,  cropland  SOC  stocks  increase  in  some  regions  (such  as  central Africa)  while 

158 

others they decrease in others (such as India and Mexico) (

Figure 2b

) – a result largely explained 

159 

by regional variations in soil carbon inputs (

Figure 1a

). In the optimal scenario, some of those latter 

160 

regions  (such  as  India)  would  experience  an  increase  in  cropland  SOC  stocks.  Those  regions  are 

161 

marked  by  high  potential  of  additional  SOC  stocks  per  hectare  due  to  cover  cropping  (

Figure  3

). 

162 

This  positive  effect  of  cover  crops  in  the  optimal  scenario  is  due  to  (i)  an  additional  soil  carbon 

163 

input of +0.07 tC.ha

-1

.yr

-1

 on average on global cropland soils and (ii) a ground covering effect that 

164 

reduces  soil  carbon  mineralisation.  Both  effects  result  in  an  additional  global  mean  increase  in 

165 

cropland SOC of +0.47 tC.ha

-1

.yr

-1

 over the 20 first years following conversion to organic farming. 

166 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

5 

 

167 

Figure 2.

 

Global changes in soil organic carbon (SOC) stocks (PgC) in croplands over time, and maps of the SOC 

168 

stock  ratios  between  the  100%  organic  scenarios  (either  normative  or  optimal)  and  the  baseline  at  20  years.

 

169 

Changes in global SOC stocks in croplands and spatial distribution are reported for the normative (red line) and optimal 

170 

(blue  line)  100%  organic  scenarios.  The  black  dashed  line  represents  the  global  SOC  stocks  for  croplands  in  the 

171 

baseline.

 

172 

 

173 

 

174 

Figure  3

. 

Additional  SOC  stocks  per  ha  [tC.ha

-1

.yr

-1

]  due  to  cover  cropping  in  the  optimal  organic    scenario 

175 

compared to the normative organic scenario.

 

176 

 

177 

In the normative scenario, SOC stocks reduced drastically in the first 20 years after transitioning to 

178 

organic farming (-0.5 % per ha and per

 

year on  average),  whereas the SOC  reduction would slow 

179 

down  thereafter  (-0.2  %  per  ha  and  per  year  on  average) 

(Supplementary  Figure  2)

.  This  rapid 

180 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

6 

decline in  the first  20 years followed by slower  loss after 20 years is  frequently observed in  field 

181 

studies

26,27

.  

182 

 

183 

 

184 

Intermediate scenarios of organic farming expansion 

185 

 

186 

Because converting the entire agricultural area to organic farming is a  drastic thought experiment, 

187 

we  also  explored  more  realistic  scenarios  of  intermediate  conversion  to  organic  farming.  In  those 

188 

intermediate  scenarios,  manure  surplus  from  conventional  farming  systems  –  i.e.  conventional 

189 

manure that is in excess compared with conventional cropland N requirements – may be applied on 

190 

organically  farmed  lands.  Therefore,  we  introduced  two  variants  of  our  normative  and  optimal 

191 

organic scenarios by considering (i) the application or (ii) the ban of conventional manure surplus 

192 

on organically managed lands. 

193 

 

194 

We found that, in situations without conventional manure application, changes in global SOC stocks 

195 

in croplands was linearly correlated with increasing share of the UAA under organic farming. This 

196 

linear  relationship  would  be  strongly  negative  in  the  normative  organic  scenarios,  reflecting  that 

197 

expanding normative organic systems would put SOC stocks in global croplands at risk. In contrast, 

198 

the  slightly  positive  relationship  between  global  SOC  stocks  and  share  of  UAA  under  organic 

199 

farming  in  the  optimal  organic  scenarios  suggests  that  sustaining  expansion  of  diversified  organic 

200 

systems would help to protect SOC stocks 

(Figure 4a)

. 

201 

 

202 

Using conventional manure surplus as an additional, external source of organic fertilising material 

203 

on organically managed croplands  – a practice often implemented by organic farmers

13,28

 – would 

204 

make SOC stocks non-linearly correlated with the share of the global UAA under organic farming 

205 

(Figure  4a)

.  In  both  the  normative  and  optimal  organic  scenarios,  applying  conventional  manure 

206 

would  help  to  increase  global  SOC  stocks  as  well  as  SOC  sequestration  rates 

(Figure  4a  and  b)

. 

207 

For  instance,  in  the  normative  scenario,  when  20%  of  the  global  UAA  is  converted  to  organic 

208 

farming, agricultural SOC stocks would be close to those reported in the baseline 20 years after the 

209 

conversion.  Transferring  animal  manure  from  conventional  to  organic  systems  increases  SOC 

210 

stocks  in  organically  managed  lands  through  both  direct  effects  (through  the  application  of 

211 

additional soil carbon input to organic soils) and indirect effects (by alleviating at least partly their 

212 

often reported N deficiency

14–16

 thereby boosting organic crop yields with positive feedback on crop 

213 

residues returns to soils).  

214 

Some  regions  –  such  as  the  UK,  Northern  India  and  Northern  China  –  would  see  their  cropland 

215 

SOC  stocks  increasing  compared  to  the  baseline  in  both  the  normative  and  optimal  scenarios 

216 

(

Figure 4c

). In those same regions, SOC stock would decrease in a scenario with 20% of the UAA 

217 

under  organic  farming  without  conventional  manure  application  compared  to  the  baseline.  This 

218 

regional effect is explained by the uneven geographic distribution of conventional manure surpluses 

219 

at  the  global  scale 

(Supplementary  Figure  3)

,  with  major  consequences  for  soil  carbon  inputs. 

220 

Interestingly, our results also show that SOC stocks in conventionally managed lands would remain 

221 

constant  with  or  without  the  use  of  conventional  manure  surplus  on  organically  managed  lands 

222 

(

Supplementary table 2

). This absence of an effect of transferring carbon from conventionally to 

223 

organically managed lands is explained by the small share (less than 1%) that conventional manure 

224 

surplus represents over the total soil carbon inputs in conventionally managed lands. 

225 

 

226 

Page 7

Figures and page graphics, page 7

7 

 

227 

Figure 4.

 

Evolution of global SOC stocks (PgC) at 20 years (a) and mean difference (organic minus baseline) of 

228 

SOC  sequestration  rate  (tC.ha

-1

.yr

-1

)  over  the  first  20  years  (b)  with  maps  of  SOC  stock  ratio  at  20  years  and 

229 

with 20% of the global UAA under organic farming (c). 

In both upper panels, the red lines represent the normative 

230 

organic  scenario  and  the  blue  line  the  optimal  organic  scenario.  The  dashed  lines  represent  situations  where 

231 

conventional manure surplus are applied on organically managed croplands whereas the solid lines represent situations 

232 

without conventional manure application.

 

233 

 

234 

Achieving  20%  of  the  global  UAA  under  organic  farming  –  although  being  far  above  the  current 

235 

1.5% share of organic farming – is the most realistic of the situations we simulated. In this situation, 

236 

we found that global SOC stocks would decrease by -2% to -1% in the normative organic scenario 

237 

(without  and  with  conventional  manure,  respectively)  whereas  they  would  increase  by  +0.1%  to 

238 

+1%  in  the  optimal  organic  scenario  (without  and  with  conventional  manure,  respectively).  This 

239 

would translate into a -0.118 tC.ha

-1

.yr

-1

 difference in SOC sequestration rate between organic and 

240 

conventional  farming  (with  conventional  manure)  in  the  normative  organic  scenario,  whereas  this 

241 

difference  would  increase  to  +0.124  tC.ha

-1

.yr

-1

  in  the  optimal  organic  scenario  (

Figure  4b

, 

242 

Supplementary table 2

). 

243 

 

244 

 

 

245 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

8 

Discussion and conclusion 

246 

 

247 

Contrary  to  what  is  sometimes  claimed

29,30

,  our results  suggest  that  global  SOC  stocks  may  be  at 

248 

risk  of  decline  if  organic  farming  expands,  especially  if  the  expansion  occurs  through  normative 

249 

organic  farming  systems.  This  would  result  from  a  drastic  reduction  in  global  soil  carbon  inputs 

250 

(SCI),  mostly  as  crop  residues  and  animal  manure  due  to  large  N  deficiency,  resulting  in  severe 

251 

decline in crop production, as well as a reduction in livestock populations

14

. In addition, our results 

252 

show that SOC stocks could be conserved under the optimal organic scenarios, thanks to extensive 

253 

cover-cropping  and  enhanced  residue  recycling.  Our  findings  are  in  contrast  to  previous  studies 

254 

reporting strong carbon sequestration potential of organic farming based on field observations at the 

255 

local scale

8

. These results highlight that soil carbon impacts of organic farming cannot be assessed 

256 

simply from extrapolation of local field observations without considering whole-system effects. The 

257 

assessment of the impacts of expansion of organic farming systems needs to consider the systemic 

258 

feedbacks  that  go  along  with  organic  farming  expansion  itself

31

,  in  particular    the  availability  of 

259 

fertilising resources and related effects on crop production

14,32

.  

260 

 

261 

Our results are,  however,  fairly  well aligned with local  reports  on  organic farming  expansion. For 

262 

instance, the N deficiency – and its resulting effects on crop biomass production –simulated by the 

263 

GOANIM model here is consistent with local observations that N fertilising resources may become 

264 

scarce if organic farming expands widely, as recently highlighted in France

33

, India

34

 or Bhutan

35

. In 

265 

addition,  our  results  on  limited  SOC  benefits  from  organic  farming  are  consistent  with  findings 

266 

from  a  recent  meta-analysis  that  organic  farming  may  not  increase  SOC  stocks  compared  to 

267 

conventional farming if there is no lateral carbon transfer from other agroecosystems

11

. Finally, our 

268 

global  estimates  of  0.124  tC.ha

-1

.yr

-1

  SOC  sequestration  rates  in  the  optimal  organic  scenario  and 

269 

under 20% of the global UAA under organic farming are close to the 0.07-0.14 tC.ha

-1

.yr

-1

 values 

270 

reported from an extensive meta-analysis on SOC sequestration potential of organic farming when 

271 

lateral carbon transfers are controlled

8

. 

272 

 

273 

Besides those global estimates,  our results also  show that a  range  of additional cropping practices 

274 

could sustain or increase SOC stocks in organically managed croplands. In particular, we found that 

275 

the  extensive  use  of  cover  crops  is  key  to  increase  SOC  stocks  through  both  increasing  SCI  and 

276 

reducing  SOC  mineralisation

36–39

.  Estimating  the  real  benefits  that  extensive  use  of  cover-crops 

277 

could bring for SOC stocks in organic farming at the global scale is subject to many uncertainties 

278 

given the lack of precise information on (i) potential areas available for cover cropping, (ii) spatially 

279 

explicit species composition of the cover crops and (iii) cover crops biomass potential production. 

280 

However,  the  potential  additional  SOC  stocks  offered  by  cover  crops  that  we  found  in  our  study 

281 

(0.29 tC.ha

-1

.yr

-1

) is very similar to the 0.32 tC.ha

-1

.yr

-1

 value reported in a recent meta-analysis

40

.   

282 

 

283 

Other  practices  –  such  as  agroforestry

41,42

,  enhanced  circularity

38,43

  and  increased  frequency  of 

284 

temporary N-fixing leys or cover-crops in organic rotations

15,16

 – may have positive impacts on N 

285 

resource  conservation  (by  avoiding  nitrate  leaching

45

),  N  supply  to  plants

38,44

  and  SOC  stocks. 

286 

External  fertilising  organic  materials  –  such  as  urban  compost,  green  wastes,  food  industry  by-

287 

products or eventually sewage sludge – could also provide N to soils as well as providing additional 

288 

soil  carbon  inputs

46

.  Modelling  the  benefits  brought  by  this  extensive  set  of  additional  cropping 

289 

practices  was  beyond  the  scope  of  this  study  but  our  results  suggest  that  making  organic  farming 

290 

more climate beneficial will require some of these additional practices. 

291 

 

292 

Modelling variations in soil organic carbon stocks in different farming scenarios at the global scale 

293 

has  some  limitations.  In  particular,  SOC  stocks  were  modelled  using  RothC,  a  model  that  has 

294 

proved  its  potential  to  accurately  simulate  SOC  changes  at  the  local

47

  and  large

48

  scales,  but  that 

295 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

9 

requires some specific modelling assumptions. Among them, we had to assume that carbon stocks 

296 

in the baseline are at the equilibrium

48

. It is likely that this assumption does not always reflect the 

297 

reality

49,50

  which  may  have  implications  for  our  findings.  However,  we  found  evidence  that  the 

298 

error brought  by this assumption was negligible with  only  1% reduction of global croplands  SOC 

299 

stocks after 100 years compared to the initial situation when SOC stocks were not considered at the 

300 

equilibrium in the baseline (see Supplementary Information). Another limitation may be related to 

301 

the  fact  that  the  soil  organic  carbon  mineralisation  tracks  nitrogen  mineralisation

51

  which  may 

302 

sustain  plant  growth,  a  factor  we  did  not  consider  in  our  study.  This  may  lead  to  a  slight  over-

303 

estimation  of  SOC  stock  reduction  due  to  over-estimating  the    reduction  in  soil  carbon  inputs 

304 

compared to the baseline, an effect that should be addressed in further analyses. 

305 

 

306 

The  estimates  of  global  changes  in  SOC  stocks  in  croplands  provided  by  this  study  should  be 

307 

complemented by similar estimates for grasslands. Indeed, carbon transfers between grasslands and 

308 

croplands  through  livestock  grazing  and  manure  collection  and  disposal  on  croplands  –  although 

309 

probably  minimal  at  the  global  scale  –  may  affect  local  SOC  stocks  under  grasslands,  especially 

310 

when livestock species and spatial distribution are modified in organic farming. However, we found 

311 

that  converting  global  agriculture  to  organic  farming  would  result  in  small  changes  in  grassland 

312 

SOC  stocks  (see  Supplementary  Information). Additionally,  the  region  with  the  biggest  effects  is 

313 

India, where information on grasslands management is highly uncertain

52–55

, calling for caution in 

314 

interpreting the estimates of grassland SOC stocks. 

315 

 

316 

Simulations were performed  considering recent past climate. However, ongoing climate change is 

317 

likely to affect (i) crop yields and livestock farming, with major consequences on soil carbon inputs 

318 

to  agricultural  soils  and  (ii)  SOC  mineralisation  through  a  series  of  processes  that  are  soil 

319 

temperature  and  moisture  dependent.  Accounting  for  those  climate  change  effects  would  make 

320 

sense  to  allow  mitigation  and  adaptation  the  be  explored  together.  However,  modelling  climate 

321 

change effects on SOC stocks in organic farming would require a series of additional and disputable 

322 

assumptions  (about  climate  change  effects  on  crop  yields,  cropping  area  spatial  distribution, 

323 

livestock  farming  and  animal  production

57

),  and  would  likely  result  in  increased  uncertainties.  . 

324 

More  importantly,  the  literature  critically  lacks  of  data  about  how  climate  change  effects  would 

325 

differ in organic vs. conventional farming

9

. Addressing these issues is necessary to derive accurate 

326 

estimates of SOC stocks in organic farming under future climate. 

327 

 

328 

This  study  provides  important  information  to  estimate  the  potential  of  organic  farming  to  reduce 

329 

GHG  emissions  from  agriculture.  Our  results  provide  an  alternative  estimate  of  changes  in  SOC 

330 

stocks  following  conversion  to  organic  farming,  to  those  which  upscale  SOC  stock  differences 

331 

based on field observations

17,59

. Because organic farming expansion is also likely to affect CH

4

 and 

332 

N

2

O emissions through a series of processes related to rice cultivation, animal husbandry, manure 

333 

management, and N fertilisation, deriving accurate estimates for those emissions is much needed in 

334 

order to complement our SOC stock change estimates provided in this study. 

335 

 

 

336 

Page 10

Figures and page graphics, page 10

10 

Methods 

337 

 

338 

The objective of this study was to estimate the potential impact of global organic farming expansion 

339 

on soil organic carbon (SOC) stocks. To do so, we used a modelling approach to estimate the SOC 

340 

stock changes in scenarios of global organic farming expansion compared to the currently observed 

341 

SOC  stocks.  Currently,  organic  farming  occupies  less  than  2%  of  the  global  agricultural  lands. 

342 

Therefore,  we  consider  that  the  currently  observed  SOC  stocks  are  those  observed  under 

343 

conventional  farming,  hereafter  called  the  baseline.  The  modelling  approach  was  based  on  two 

344 

separate steps, as explained below. 

345 

 

346 

First, we estimated the soil carbon inputs (SCI) in scenarios of large organic farming expansion and 

347 

in the baseline for croplands in a spatially explicit way (5 arc-min resolution, i.e. ~10x10km at the 

348 

equator).  In both  the organic scenarios and the baseline, we  estimated the SCI  as a sum  of (i)  the 

349 

amount of carbon that is returned to agricultural lands as plant residues (crop-based and grass-based 

350 

residues) and (ii) the amount of carbon excreted by animals as farmyard manure (FYM) applied to 

351 

lands after accounting for C losses  during manure storage. The SCI estimates for organic farming 

352 

scenarios  were  computed  using  outputs  from  the  GOANIM  model

14

.  GOANIM  is  a  spatially 

353 

explicit (5 arc-min resolution) linear optimisation model that simulates nitrogen flows to and from 

354 

croplands  and  grasslands  under  scenarios  of  organic  farming  upscaling.  GOANIM  calculates 

355 

cropland  N  budget  and  its  effects  on  crop  yield  for  61  crop  species.  The  optimising  module  of 

356 

GOANIM is designed to maximise food availability at the global scale (from both crop-based and 

357 

animal-based products) by spatially optimising the global livestock population and the N allocation 

358 

from  animal  manure  to  the  different  considered  crops.  We  used  the  latest  version  of  GOANIM, 

359 

accounting for (i) differences in feed rations and feed use efficiency between organic farming and 

360 

conventional  farming

60

,  (ii)  the  2019  refinement  of  the  IPCC  guidelines  values  on  manure 

361 

management  and  nitrogen  losses  (as  direct  N

2

O  emissions,  nitrate  leaching  and  ammonia 

362 

volatilisation)  and  (iii)  representation  of  non-productive,  young  animals.  Further  details  about  the 

363 

GOANIM model  can be found in  Barbieri  et  al.  2021

14

, especially  about  the case of  Sub-Saharan 

364 

Africa where drops in yields following the conversion to organic farming due to factors other than 

365 

N  limitation  (e.g.,  poor  pest  and  weed  control)  were  negligible.  In  addition,  two  organic  farming 

366 

scenarios were considered in this study: (i) a normative organic scenario in which organic farming 

367 

is restricted to the ban of synthetic fertilizers, differences in the type of crop grown in crop rotations 

368 

as reported by Barbieri et al. 2019

25

, no cover-crops and redesign of the global livestock population 

369 

as  reported  by  Barbieri  et  al.  2021

14

,  and  (ii)  an  optimal  organic  scenario  that  draw  upon  the 

370 

normative scenario but with cover cropping implemented on 50% of the bare soil periods between 

371 

two cash crops (in organically managed lands), increased root-shoot ratio and enhanced plant-based 

372 

residues recycling on croplands (see below for additional details on this optimal scenario). 

373 

 

374 

Second, we used the estimated SCI from both organic scenarios as inputs to the RothC

20,21

 model to 

375 

estimate  changes  in  SOC  stocks  over  the  0-30  cm  soil  depth,  in  context  of  large  organic  farming 

376 

upscaling, considering only annual crops (which represents 45 of the 61 crops in GOANIM, thereby 

377 

assuming no changes in carbon inputs to soils for perennial crops). RothC is a model that estimates 

378 

soil  organic  carbon  turnover  in  both  croplands  and  grasslands  according  to  SCI,  soil  covering, 

379 

climate  and  soil  properties.  RothC  considers  four  active  soil  organic  carbon  compartments:  the 

380 

resistant plant pool (RPM), the decomposable plant pool (DPM), the microbial pool (BIO) and the 

381 

humic  pool  (HUM). An  additional  inert  organic  matter  (IOM)  pool  is  considered  but  the  latter  is 

382 

supposed to be constant over time in RothC; it is thus assumed unchanged in the organic scenarios 

383 

vs.  in  the  baseline,  and  is  not  included  in  the  equations  below.  RothC  estimates  the  carbon  flows 

384 

among  the  four  active  compartments  as  well  as  the  amount  of  carbon  mineralised  from  each 

385 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

11 

compartment, with a monthly time step and through first order kinetic equations. In this study, we 

386 

used the continuous formulation of RothC

21

 summarized in equation (1). 

387 

 

388 

(1): 

𝑆𝑂𝐶′(𝑡) = ⍴(𝑡) ∗ 𝐴 ∗ 𝑆𝑂𝐶(𝑡) + 𝐵(𝑡)

 

389 

 

390 

Where 

SOC’(t)

  represent  the  derivative  of 

SOC

  with  respect  of  time, 

SOC(t)

  represent  the  SOC 

391 

stocks at time 

t

. 

A

 is a 4x4 matrix representing the mineralisation and carbon flows among the four 

392 

active  soil  organic  carbon  pools. 

⍴

(t)

  is  the  decomposition  rate  modifier  and  depends  on  the 

393 

climatic,  edaphic  and  soil  covering  conditions.  Note  that  soil  covering  affects  SOC  dynamics  by 

394 

reducing  its  mineralisation  rate  in  RothC.  We  assumed  similar  rates  of  soil  organic  carbon 

395 

stabilisation  and  mineralisation  in  both  the  organic  scenarios  and  the  baseline  –  a  rather 

396 

conservative  estimate  due  to  lack  of  consistent  data,  despite  preliminary  evidence  of  more  active 

397 

carbon cycling in organically managed soils

61

. Spatially explicit climatic data were retrieved from 

398 

the  AgMERRA  dataset

62

  combined  with  the  Penman  equation  to  estimate  potential 

399 

evapotranspiration. Spatially explicit data on soil clay content were retrieved from the harmonized 

400 

world  soil  database

63

.  Finally,  spatially  explicit  soil  covering  data  for  all  crops  considered  where 

401 

extracted from Sacks et al. 2010

64

. 

B(t)

 represents the soil carbon inputs at time 

t

 and was estimated 

402 

using equation (2):  

403 

 

404 

(2): 

𝐵(𝑡) = [(𝑎

𝑑𝑝𝑚

𝑎

𝑟𝑝𝑚

𝑎

𝑏𝑖𝑜

𝑎

ℎ𝑢𝑚

)

𝑐𝑟𝑜𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑒𝑠

𝑇

∗ (1 − %𝐹𝑌𝑀) +

405 

(𝑎

𝑑𝑝𝑚

𝑎

𝑟𝑝𝑚

𝑎

𝑏𝑖𝑜

𝑎

ℎ𝑢𝑚

)

𝑓𝑎𝑟𝑚𝑦𝑎𝑟𝑑𝑚𝑎𝑛𝑢𝑟𝑒

𝑇

∗ %𝐹𝑌𝑀] ∗ 𝑏

𝑡

 

406 

 

407 

Where 

a

dpm

, 

a

rpm

, 

a

bio

 and 

a

hum

 are four coefficients that define the proportions of the carbon inputs 

408 

to  soils  attached  to  the  four  active  soil  organic  carbon  pools  for  both  crop  residues  and  farmyard 

409 

manure.  Here, 

a

dpm

, 

a

rpm

, 

a

bio

  and 

a

hum

  were  parametrised  as  follows:  (0.6,0.4,0,0)  for  crop-based 

410 

residues,  (0.4,0.6,0,0)  for  grass  residues  and  (0.49,0.49,0,0.02)  for  farmyard  manure. 

%FYM

 

411 

represents  the share of farmyard manure in  total  soil carbon inputs  and 

b

t

  represents  the total  soil 

412 

carbon inputs at time 

t

 (in t C.ha

-1

). 

413 

 

414 

 

415 

Soil carbon input (SCI) estimation 

416 

 

417 

For both the organic scenarios and the baseline, we estimated the annual SCI using equation (3):  

418 

 

419 

(3):  

𝑆𝐶𝐼 = 𝐴𝑔𝐶 ∗ %𝑅𝑒𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒𝑑 + 𝐵𝑔𝐶 + 𝐹𝑌𝑀

𝑎𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑

 

420 

 

421 

Where SCI represents the inputs of organic carbon to either cropland or grassland soils (in t C.ha

-

422 

1

.yr

-1

). 

AgC

  and 

BgC

  (in  t  C.ha

-1

.yr

-1

)  are  respectively  the  above  and  belowground  plant  carbon 

423 

biomass (the latter being estimated over the 0-30 cm soil depth). 

%Recycled

 (in %) represents the 

424 

percentage of the 

AgC

 that remains on field. In croplands the 

%Recycled

 data were extracted from 

425 

the  GOANIM  model

14

.  In  grasslands, 

%Recycled

  represents  the  non-grazed  carbon  share  of  the 

426 

entire  grassland  biomass  production.  Finally,  FYM

applied

  (in  t  C.ha

-1

)  is  the  carbon  from  farmyard 

427 

manure applied to the cropland or grassland soils. We assumed that biomass quality and its related 

428 

carbon stabilisation and mineralisation properties were similar in both the organic scenarios and the 

429 

baseline due to inconsistent data in the literature

65

. We estimated AgC and BgC using equation (4) 

430 

and (5): 

431 

 

432 

(4):  

𝐴𝑔𝐶 = 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 ∗ 0.5 𝐻𝐼

⁄

 

433 

(5):  

𝐵𝑔𝐶 = 𝐴𝑔𝐶 ∗ 𝑅𝑆

 

434 

 

435 

Page 12

Figures and page graphics, page 12

12 

Where 

HI

 and 

RS

 represent the crop-specific harvest index (unit-less) and the root-shoot ratio (unit-

436 

less), respectively, for each of the considered 45 crop species. Both 

HI

 and 

RS

 values were retrieved 

437 

from Monfreda et al. 2008

66

 and Smil et al. 1999

67

. 

Yield

 refers to the crop yields (in tons DM.ha

-1

) 

438 

as  retrieved  from  Monfreda  et  al.  2008

66

(for  the  baseline)  or  from  the  GOANIM  model  (for  the 

439 

organic scenarios)

10

. To convert the estimated dry matter production in C, we used a 0.5 coefficient 

440 

value (in t C.t DM

-1

).  

441 

 

442 

FYM

applied

 was estimated using equation (6) and (7) 

443 

 

444 

(6):  

𝐹𝑌𝑀

𝑎𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑

=

𝐶

𝑒𝑥

∗(1−𝛽)

𝐻𝐴

 

445 

(7): 

𝐶

𝑒𝑥

= ∑ 𝑉𝑆

𝑎

∗ 𝑃𝑜𝑝

𝑎

𝑎

 

446 

 

447 

Where 

C

ex

  (in  tC.yr

-1

)  is  the  total  amount  of  carbon  excreted  by  the  livestock  population  as 

448 

farmyard  manure  and 

HA

  is  the  total  harvested  area  (ha). 

β

  represents  the  share  of 

C

ex

  that  is  not 

449 

applied  to  the  agricultural  lands.  In  croplands, 

β

  represents  the  share  of 

C

ex

  that  is  left  on  pasture 

450 

during  animal  grazing,  used  for  non-agricultural  purposes  (e.g.,  as  fuel)  and  is  lost  during  the 

451 

manure  management  process.  In  grasslands, 

β

  the  share  of 

C

ex

  that  is  not  left  on  pasture  during 

452 

animal grazing. 

β 

was estimated following the 2019 IPCC guidelines refinement

68

. The amount of 

453 

carbon lost in the manure management process was estimated according to Bareha et al. 2021

69

. In 

454 

equation  (7), 

Pop

a

  is  the  livestock  population  (in  heads)  for  each  of  the  nine  considered  animal 

455 

species 

a

. 

VS

 (in tC.head

-1

.yr

-1

) is the amount of volatile solid carbon excreted per animal and per 

456 

year and was estimated using equation 10.24 of the 2019 refinement of IPCC guidelines represented 

457 

in equation (8).  

458 

 

459 

Equation 8:  

𝑉𝑆 = [𝐺𝑟𝐸 ∗ (1 −

𝐷𝐸

100

) + (𝑈𝐸 ∗ 𝐺𝑟𝐸)] ∗ [(

1−𝐴𝑆𝐻

18.45

)]

 

460 

 

461 

Where, 

GrE

 is the gross energy intake (MJ.day

-1

), 

DE

 is the feed digestibility (%), 

UE

 is the urinary 

462 

energy (% of 

GrE

) and ASH is the ash content of the feed (% of DM). 

UE

 had a value of 0.02 for 

463 

pigs  and  0.04  for  all  other  animals.  In  the  organic  scenario,  the  estimation  of 

GrE

, 

DE

  and 

ASH

 

464 

where  made  using  the  feed  nutritional  composition  from  feedipedia  (feedipedia.org).  In  the 

465 

baseline, we used data from Herrero et al. 2013

70

 to estimate 

DE

 and 

ASH

 and used equation (9)

71

 to 

466 

estimate 

GrE

.  

467 

 

468 

Equation 9:  

𝐺𝑟𝐸 = 𝐶𝑃 ∗ 0.056 + 𝐹𝑎𝑡 ∗ 0.096 + (100 − 𝐶𝑃 − 𝐹𝑎𝑡 − 𝐴𝑆𝐻) ∗ 0.042

 

469 

 

470 

Where, 

CP

 is the crude protein content of the ration (%), 

Fat

 is the fat content of the ration (%) and 

471 

ASH

 is the mean ash content of the ration (%). 

CP

, 

Fat

 and 

Ash

 were retrieved from Herrero et al. 

472 

2013

70

. 

473 

We made sure that the 

VS

 excretion would remain in a range of 10 to 50% of the total C ingested by 

474 

livestock animals

72

. This helped to close the carbon cycle within both the organic scenarios and the 

475 

baseline, thereby avoiding any overestimation of soil carbon inputs.  

476 

 

477 

 

478 

SCI for the optimal organic scenario 

479 

 

480 

We  designed  the  optimal  organic  scenario  to  estimate  the  benefits  brought  by  a  more  carbon-

481 

oriented farming and to capture the potential effect of additional cropping practices on SOC stocks. 

482 

Based on a preliminary sensitivity analysis of SCI and SOC stocks to various cropping parameters 

483 

(see 

Supplementary  table  3

),  we  built  the  optimal  organic  scenario  on  the  assumption  that  the 

484 

Page 13

Figures and page graphics, page 13

13 

fraction  of  crop  residues  recycled  on  croplands  (

%Recycled

)  and 

RS

  would  be  increased.  More 

485 

precisely, we used equation (3) using modified 

%Recycled

, AgC and BgC (hereafter called AgC

opt

 

486 

and BgC

opt

) values, with 

%Recycled

 being increased by 10% and 

AgC

opt

 and 

BgC

opt

 being estimated 

487 

using equations (10), (11) and (12). 

488 

 

489 

(10): 

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 ∗ 0.5 ∗ (1 + 𝑅𝑆) 𝐻𝐼

⁄

 

490 

(11): 

𝐴𝑔𝐶

𝑜𝑝𝑡

=

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

(1+𝑅𝑆′)

 

491 

(12): 

𝐵𝑔𝐶

𝑜𝑝𝑡

= 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝐴𝑔𝐶

𝑜𝑝𝑡

 

492 

 

493 

Where 

Total

  is  the  total  carbon  biomass  produced. 

AgC

opt

  and 

BgC

opt

  are  the  total  carbon  in  the 

494 

above-ground and below-ground biomass in the optimal organic scenarios, respectively. Evidences 

495 

show  that 

RS

  is  up  to  twice  higher  for  crops  in  conditions  of  low  N  availability  compared  to 

496 

conditions of high N availability

73

. We estimated a modified 

RS’

 root-shoot ratio for situations of N 

497 

availability in the optimal organic croplands using equation (13): 

498 

 

499 

(13):  

{

𝑖𝑓𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 < 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

𝑚𝑎𝑥

𝑡ℎ𝑒𝑛𝑅𝑆

′

= (2 −

𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

𝑚𝑎𝑥

) ∗ 𝑅𝑆

𝑖𝑓𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 = 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

𝑚𝑎𝑥

𝑡ℎ𝑒𝑛𝑅𝑆

′

= 𝑅𝑆

 

500 

 

501 

Where Yield

max

 is the crop specific maximum attainable yield for organic farming (in tons C.ha

-1

) as 

502 

defined in the GOANIM model

14

.  

503 

 

504 

In addition, we also simulated extensive use of cover-crops in the optimal organic scenario based on 

505 

the observed higher share of cover-crops in organic crop rotations compared to conventional ones

10

. 

506 

The use of cover crops is limited by agronomic and pedo-climatic conditions. Based on a previous 

507 

meta-analysis on the extent of cover-crops, we considered that cover cropping could be potentially 

508 

applied  on  50%  of  global  croplands

40

  where  bare-soil  periods  exist  between  main  cash  crops. We 

509 

estimated  the  additional  SCI  from  cover  crops  using  equation  (14).  Meanwhile,  we  assumed  that 

510 

there were no cover crops in the baseline. 

511 

 

512 

(14): 

𝑆𝐶𝐼

𝑐𝑐,𝑖,𝑚𝑜𝑛𝑡ℎ

=

1.87

𝐺𝑀𝐵𝑆𝑃

∗𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡,𝑖

𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡,𝑤𝑜𝑟𝑙𝑑

 

513 

 

514 

Where 

SCI

cc,i,month

  (in  t  C.ha

-1

.

.

month

-1

)  is  the  soil  carbon  input  from  cover  crops  in  country 

i

  per 

515 

month of cover cropping. The 1.87 value (in t C.ha

-1

.

yr

-1

) is the global annual mean of soil carbon 

516 

input  from  cover  crops  estimated  by  Poeplau  et  al.  2015

40

.  We  divided  this  1.87  value  by  the 

517 

estimated  global  mean  duration  of  the  bare  soil  period  in  the  baseline  (

GMBSP

,  expressed  in 

518 

month).  To  account  for  the  variability  of  cover  cropping  productivity  among  countries  –  that  is 

519 

driven by climatic and farming factors

74

 – we multiplied this global mean cover-cropping biomass 

520 

production  by  the  ratio  of  the  country  specific  mean  yield  (

Yield

plant,i

)  to  the  global  mean  yield 

521 

(

Yield

plant,world

)  for  the  most  productive  crop  species  between  wheat  and  maize  in  the  country. 

522 

Finally, for each of the considered grid-cells, this monthly 

SCI

cc,i,month

 was multiplied by the average 

523 

bare-soil  period  (in  months)  between  main  cash  crops,  based  on  sowing  and  harvesting  dates 

524 

retrieved from Sacks et al. 2010

64

. 

525 

 

526 

Note that sharp differences in SCI for this optimal scenario may appear among countries in Figure 

527 

1,  such  as  between  Spain  and  France.  Those  differences  are  likely  due  to  differences  in  climate. 

528 

Because crop productivity is significantly lower in Spain compared to France due to its more arid 

529 

conditions, even small additional carbon inputs to soils from cover crops are likely to raise the SCI 

530 

ratio  above  1  in  Spain.  On  contrast,  because  of  higher  crop  productivity  in  France,  much  higher 

531 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

14 

carbon provisioning is needed from cover-crops to raise the SCI ratio above 1 in that country. The 

532 

same holds true for several Sub-Saharan African countries. Another explanations lie in the data and 

533 

model  parametrisation  we  used  in  our  simulations.  Several  parameters  –  such  as  the  biomass 

534 

productivity of cover crops – were in fact defined by country or climatic region. These effects are in 

535 

fact quite common in global databases, and they are in most cases an artefact from the interpolation 

536 

of climate data. 

537 

 

538 

 

539 

RothC parametrisation 

540 

 

541 

We  used  RothC  assuming  carbon  pools  to  be  at  steady  state  in  the  baseline.  This  necessary 

542 

assumption translates into a steady state assumption for climatic conditions and soil carbon inputs 

543 

over the years for both the organic farming scenarios and the baseline. Although partly unrealistic, 

544 

this assumption is  consistent with  the thought experiment  of large organic farming  expansion that 

545 

we report in this study. To remain in line with this steady state assumption in the baseline, we first 

546 

estimated  the  SCI  that  are  required  to  keep  baseline  SOC  stocks  at  their  current  level  (

SCI

0

)  by 

547 

using the method developed by Martin et al. 2007

21

 and summarized in equation (15). 

548 

 

549 

(15): 

𝑆𝐶𝐼

0

= (𝐼

4

− 𝐹) ∗ 𝑆𝑂𝐶

 *

 

550 

 

551 

Where 

SCI

0

  is  the carbon inputs  (in t  C.ha

-1

.yr

-1

) required to  maintain SOC stocks at  their current 

552 

level. 

F

 is a 4x4 matrix representing the mineralisation and carbon flows among the four active soil 

553 

organic carbon pools. 

F

 values depend on the climatic, edaphic and soil covering conditions. 

SOC

*

 

554 

is the current  active (i.e. not comprised in the IOM pool) SOC stocks that is assumed to be at the 

555 

equilibrium (in either croplands or grasslands). Total SOC stocks were retrieved  from  the AEZEF 

556 

dataset

75

  that  provides  estimates  of  soil  organic  carbon  stocks  for  croplands  on  the  first  30  cm  of 

557 

topsoils  per  country  and  for  18  agroecological  zones. 

SOC* 

was  estimated  after  subtracting  the 

558 

IOM content which was estimated using the Falloon’s et al. (1998) equation

47

. 

559 

 

560 

To  estimate  the  SCI  in  the  organic  farming  scenarios  (SCI

1

),  we  corrected  SCI

0

  by  the  ratio  of 

561 

SCI

org

 to SCI

baseline

 (

RCI

) as detailed in equation (16).  

562 

 

563 

(16): 

𝑆𝐶𝐼

1

= 𝑆𝐶𝐼

0

∗ 𝑅𝐶𝐼 =

𝑆𝐶𝐼

0

∗𝑆𝐶𝐼

𝑜𝑟𝑔

𝑆𝐶𝐼

𝑏𝑎𝑠𝑒𝑙𝑖𝑛𝑒

 

564 

 

565 

Where 

SCI

org

  and 

SCI

baseline

  are  the  soil  carbon  inputs  for  the  organic  farming  scenarios  and  the 

566 

baseline, respectively, estimated using the methods presented in the previous sections. We used 

SCI

1

 

567 

as input in the RothC model to estimate the changes in SOC stocks in the organic farming scenarios 

568 

– 20, 50 and 100 years after a global conversion to this farming system – using equation (1). We 

569 

assumed  constant  climate  data  over  the  simulation  periods.  This  assumption  is  disputable  given 

570 

current  and  future  climate  change,  but  it  remains  consistent  with  our  thought  experiment  that 

571 

consists  in  exploring  situations  of  drastic  expansion  of  organic  farming.  Further  studies  that  are 

572 

beyond  the  scope  of  this  article  would  be  needed  to  account  for  future  climate  scenarios.  The 

573 

estimated SCI

1

 is  expressed in  tC.ha

-1

.yr

-1

, though RothC requires monthly data. We assumed that 

574 

the annual soil carbon inputs were equally distributed between the twelve months of the year.  

575 

 

576 

In order to account for the observed differences in crop rotations between organic and conventional 

577 

farming

10

, we ran RothC in the organic farming scenarios for each of the 45 considered crop species 

578 

separately, and then, estimated a weighted mean of SOC stocks according to crop species harvested 

579 

areas, as detailed in equation (17).   

580 

 

581 

Page 15

Figures and page graphics, page 15

15 

(17): 

𝑆𝑂𝐶

𝑡,𝑚𝑒𝑎𝑛

=

∑ 𝑆𝑂𝐶

𝑡,𝑖

∗𝐻𝐴

𝑖

𝑖

𝐻𝐴

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

 

582 

 

583 

Where 

SOC

t,mean

  is  the  weighted  mean  of  SOC  stocks  at  time 

t

  and 

SOC

t,i

  is  the  SOC  stock 

584 

estimated by the run of RothC for each specific crop 

i,

 

HA

i

 represents the harvested area of crop 

i

 in 

585 

the organic farming scenarios and 

HA

total

 is the total harvested area (all crop considered). 

HA

i

 and 

586 

HA

total

 were retrieved from Barbieri et al. 2019

25

. 

587 

 

588 

 

589 

Limitations and uncertainties 

590 

Although the modelling foundations of our work are solid, its global extent requires a large set of 

591 

input  data  that  may  come  with  some  limitations.  In  particular,  both  the  baseline  and  the  organic 

592 

scenarios  required  detailed,  spatially  explicit  distribution  of  cropland  areas,  types  of  crops  grown 

593 

and  crop  yields.  These  data  were  derived  from  Ref

66

  and  Earthstat,  and  were  centred  circa  year 

594 

2000.  Many  changes  have  occurred  in  agriculture  during  these  last  20  years  (including  about 

595 

expanding irrigation and changes in varieties) that may affect our simulations. However, to the best 

596 

of  our  knowledge,  these  databases  remain  the  most  appropriate  given  their  global  extent,  higher 

597 

number  of  crop  species  considered,  and  data  quality  and  cross-validation.  Note  that  uncertainties 

598 

and  possibly  caveats  may  remain  in  those  databases,  e.g.  about  cropland  areas  in  the  island  of 

599 

Guinea or about grassland areas in India, as already mentioned. 

600 

 

601 

Finally,  several  of  our  input  data  may  be  affected  by  some  uncertainties.  The  complexity  of  the 

602 

GOANIM and RothC models and limited knowledge about several aspects of input data makes the 

603 

quantification  of  these  uncertainties  very  difficult.  However,  the  SOC  stocks  we  estimated  were 

604 

determined over long periods (20, 50 and 100 years). Long term averages show reduced errors on 

605 

estimated  variables  due  to  reduced  aggregation  effects  by  the  input  data  –  especially  the  climate 

606 

data

58

. In addition, this study is based on the comparison of organic farming to a baseline, that are 

607 

both  affected  by  the  same  errors  and  uncertainties.  Therefore,  concentrating  the  analysis  on  the 

608 

ratios (or differences) of organic to conventional estimation helps to reduce errors and uncertainties. 

609 

 

610 

 

611 

Data treatment & code availability 

612 

 

613 

All analyses were made using R x64 3.5.3. GOANIM was used in its most recent version deposited 

614 

in a public repository 

(

https://github.com/Pie90/GOANIM_public

)

. For RothC we used the 

615 

cin_month

 and 

runExplicitSol

 functions from the RothC package

76

 to respectively estimate SCI

0

, 

616 

and SOC stock evolution across time.  

617 

 

618 

 

619 

Conflicts of interest 

620 

 

621 

The authors declare no competing interests. 

622 

 

623 

Further correspondence 

624 

 

625 

Any correspondence and requests for materials should be addressed to Ulysse Gaudaré. 

626 

 

627 

 

628 

Acknowledgments 

629 

 

630 

Page 16

Figures and page graphics, page 16

16 

We would like to thank Romain Girault and Younes Behara for their help regarding carbon losses in 

631 

manure  management  process.  We  would  also  thank  Denis  Angers,  Eric  Ceschia  and  Christopher 

632 

Poeplau  for  their  inputs  on  how  to  consider  cover  crops.  This  work  was  funded  by  ADEME, 

633 

Bordeaux  Sciences  Agro  (Univ.  Bordeaux),  INRAE’s  intern  committee  on  organic  farming  (MP 

634 

Métabio) and Aberdeen’s university. Matthias Kuhnert and Pete Smith acknowledge support from 

635 

the CIRCASA project which received funding from the European Union's Horizon 2020 Research 

636 

and Innovation Programme under grant agreement no 774378.  

637 

 

638 

 

639 

Authors’ contributions 

640 

 

641 

U.G., M.K., S.P. and T.N. designed the study; U.G. performed the modelling work, with the help of 

642 

P.B. for the GOANIM model and M.K, and M.M. for the RothC model. All authors were involved 

643 

in the interpretation of results and contributed actively to writing and revising the manuscript. 

644 

 

645 

 

646 

References 

647 

 

648 

1.  Foley, J. A. 

et al.

 Solutions for a cultivated planet. 

Nature

 

478

, 337–342 (2011). 

2.  IPCC. 

AR6 Full Report

. (2021). 

3.  Fuss, S. 

et al.

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

Environ. Res. Lett.

 

13

, 063002 (2018). 

4.  Amelung, W. 

et al.

 Towards a global-scale soil climate mitigation strategy. 

Nat. Commun.

 

11

, 

1–10 (2020). 

5.  Lal, R. Agricultural activities and the global carbon cycle. 

Nutr. Cycl. Agroecosystems

 

70

, 103–

116 (2004). 

6.  Paustian, K. 

et al.

 Climate-smart soils. 

Nature

 

532

, 49–57 (2016). 

7.  Clark, M. & Tilman, D. Comparative analysis of environmental impacts of agricultural 

production systems, agricultural input efficiency, and food choice. 

Environ. Res. Lett.

 

12

, 

064016 (2017). 

8.  Gattinger, A. 

et al.

 Enhanced top soil carbon stocks under organic farming. 

Proc. Natl. Acad. 

Sci.

 

109

, 18226–18231 (2012). 

9.  Seufert, V. & Ramankutty, N. Many shades of gray—the context-dependent performance of 

organic agriculture. 

Sci. Adv.

 

3

, e1602638 (2017). 

10.  Barbieri, P., Pellerin, S. & Nesme, T. Comparing crop rotations between organic and 

conventional farming. 

Sci. Rep.

 

7

, 1–10 (2017). 

Page 17

Figures and page graphics, page 17

17 

11.  Alvarez, Roberto. Organic farming does not increase soil organic carbon compared to 

conventional farming if there is no carbon transfer from other agroecosystems. A meta-analysis. 

Soil Res

 

60

, 211–223 (2021). 

12.  IFOAM. 

Annual Report 2020.pdf

. (2020). 

13.  Nowak, B., Nesme, T., David, C. & Pellerin, S. Disentangling the drivers of fertilising material 

inflows in organic farming. 

Nutr. Cycl. Agroecosystems

 

96

, 79–91 (2013). 

14.  Barbieri, P. 

et al.

 Global option space for organic agriculture is delimited by nitrogen 

availability. 

Nat. Food

 

2

, 363–372 (2021). 

15.  Seufert, V., Ramankutty, N. & Foley, J. A. Comparing the yields of organic and conventional 

agriculture. 

Nature

 

485

, 229–232 (2012). 

16.  Ponisio, L. C. 

et al.

 Diversification practices reduce organic to conventional yield gap. 

Proc. R. 

Soc. B Biol. Sci.

 

282

, 1–7 (2015). 

17.  Muller, A. 

et al.

 Strategies for feeding the world more sustainably with organic agriculture. 

Nat. 

Commun.

 

8

, 1–13 (2017). 

18.  Erb, K. H. 

et al.

 Exploring the biophysical option space for feeding the world without 

deforestation. 

Nat. Commun.

 

48

, 829–834 (2016). 

19.  Billen, G. 

et al.

 Reshaping the European agro-food system and closing its nitrogen cycle: The 

potential of combining dietary change, agroecology, and circularity. 

One Earth

 

4

, 839–850 

(2021). 

20.  Coleman, K. 

et al.

 Simulating trends in soil organic carbon in long term experiments using 

RothC-26.3. 

Geoderma

 

81

, 29–44 (1997). 

21.  Martin, M. P., Cordier, S., Balesdent, J. & Arrouays, D. Periodic solutions for soil carbon 

dynamics equilibriums with time-varying forcing variables. 

Ecol. Model.

 

204

, 523–530 (2007). 

22.  Seufert, V., Ramankutty, N. & Mayerhofer, T. What is this thing called organic? – How organic 

farming is codified in regulations. 

Food Policy

 

68

, 10–20 (2017). 

23.  Puech, C., Baudry, J., Joannon, A., Poggi, S. & Aviron, S. Organic vs. conventional farming 

dichotomy: Does it make sense for natural enemies? 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

194

, 48–57 

(2014). 

Page 18

Figures and page graphics, page 18

18 

24.  Kirchmann, H., Kätterer, T., Bergström, L., Börjesson, G. & Bolinder, M. A. Flaws and criteria 

for design and evaluation of comparative organic and conventional cropping systems. 

Field 

Crops Res.

 

186

, 99–106 (2016). 

25.  Barbieri, P., Pellerin, S., Seufert, V. & Nesme, T. Changes in crop rotations would impact food 

production in an organically farmed world. 

Nat. Sustain.

 

2

, 378–385 (2019). 

26.  Dignac, M.-F. 

et al.

 Increasing soil carbon storage: mechanisms, effects of agricultural practices 

and proxies. A review. 

Agron. Sustain. Dev.

 

37

, 14 (2017). 

27.  Roberta_et_al_GCB_EnsembleModellingUncertainty_AAMCombined.pdf. 

28.  Oelofse, M., Jensen, L. S. & Magid, J. The implications of phasing out conventional nutrient 

supply in organic agriculture: Denmark as a case. 

Org. Agric.

 

3

, 41–55 (2013). 

29.  Leifeld, J. 

et al.

 Organic farming gives no climate change benefit through soil carbon 

sequestration. 

Proc. Natl. Acad. Sci.

 

110

, E984–E984 (2013). 

30.  IFOAM EU Group. Organic farming, climate change mitigation and beyond. (2016). 

31.  Nesme, T., Barbieri, P., Gaudaré, U., Pellerin, S. & Angers, D. Sound methods are needed to 

assess GHG mitigation potential of organic farming deployment. A comment on. 

Agric. Syst.

 

187

, 102994 (2021). 

32.  Smith, L. G., Kirk, G. J. D., Jones, P. J. & Pearce, B. D. The greenhouse gas impacts of 

converting food production in England and Wales to organic methods. 

Nat. Commun.

 

10

, 1–10 

(2019). 

33.  Nowak, B., Nesme, T., David, C. & Pellerin, S. Nutrient recycling in organic farming is related 

to diversity in farm types at the local level. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 10 (2015). 

34.  Dorin, B. Theory, Practice and Challenges of Agroecology in India. 

Int. J. Agric. Sustain.

 

20

, 

153–167 (2022). 

35.  Feuerbacher, A., Luckmann, J., Boysen, O., Zikeli, S. & Grethe, H. Is Bhutan destined for 

100% organic? Assessing the economy-wide effects of a large-scale conversion policy. 

PLOS 

ONE

 

13

, e0199025 (2018). 

36.  Lal, R. Soil carbon sequestration and aggregation by cover cropping. 

J. Soil Water Conserv.

 

70

, 

329–339 (2015). 

Page 19

Figures and page graphics, page 19

19 

37.  Mazzoncini, M., Sapkota, T. B., Bàrberi, P., Antichi, D. & Risaliti, R. Long-term effect of 

tillage, nitrogen fertilization and cover crops on soil organic carbon and total nitrogen content. 

Soil Tillage Res.

 

114

, 165–174 (2011). 

38.  Baethgen, W. E., Parton, W. J., Rubio, V., Kelly, R. H. & M. Lutz, S. Ecosystem dynamics of 

crop–pasture rotations in a fifty‐year field experiment in southern South America: Century 

model and field results. 

Soil Sci. Soc. Am. J.

 

85

, 423–437 (2021). 

39.  Crystal-Ornelas, R., Thapa, R. & Tully, K. L. Soil organic carbon is affected by organic 

amendments, conservation tillage, and cover cropping in organic farming systems: A meta-

analysis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

312

, 107356 (2021). 

40.  Poeplau, C. & Don, A. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of cover crops - 

A meta-analysis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

200

, 33–41 (2015). 

41.  Riggers, C., Poeplau, C., Don, A., Frühauf, C. & Dechow, R. How much carbon input is 

required to preserve or increase projected soil organic carbon stocks in German croplands under 

climate change? 

Plant Soil

 

460

, 417–433 (2021). 

42.  Ledo, A. 

et al.

 Changes in soil organic carbon under perennial crops. 

Glob. Change Biol.

 

26

, 

4158–4168 (2020). 

43.  Morais, T. G. 

et al.

 Agroecological measures and circular economy strategies to ensure 

sufficient nitrogen for sustainable farming. 

Glob. Environ. Change

 

69

, 102313 (2021). 

44.  Smith 

et al.

 Greenhouse gas mitigation in agriculture. 

Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci.

 

363

, 

789–813 (2008). 

45.  Abdalla, M. 

et al.

 A critical review of the impacts of cover crops on nitrogen leaching, net 

greenhouse gas balance and crop productivity. 

Glob. Change Biol.

 

25

, 2530–2543 (2019). 

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

change mitigation potential with organic matter management on grasslands. 

Ecol. Appl.

 

25

, 

531–545 (2015). 

47.  Falloon, P., Smith, P., Coleman, K. & Marshall, S. How important is inert organic matter for 

predictive soil carbon modelling using the Rothamsted carbon model? 

Soil Biol. Biochem.

 

32

, 

433–436 (2000). 

Page 20

Figures and page graphics, page 20

20 

48.  Martin, M. P. 

et al.

 Feasibility of the 4 per 1000 aspirational target for soil carbon: A case study 

for France. 

Glob. Change Biol.

 

27

, 2458–2477 (2021). 

49.  Meersmans, J. 

et al.

 Spatial analysis of soil organic carbon evolution in Belgian croplands and 

grasslands, 1960-2006. 

Glob. Change Biol.

 

17

, 466–479 (2011). 

50.  Chen, L., Smith, P. & Yang, Y. How has soil carbon stock changed over recent decades? 

Glob. 

Change Biol.

 

21

, 3197–3199 (2015). 

51.  Cai, A. 

et al.

 Carbon and Nitrogen Mineralization in Relation to Soil Particle-Size Fractions 

after 32 Years of Chemical and Manure Application in a Continuous Maize Cropping System. 

PLOS ONE

 

11

, e0152521 (2016). 

52.  Bouwman, A. F., Van der Hoek, K. W., Eickhout, B. & Soenario, I. Exploring changes in world 

ruminant production systems. 

Agric. Syst.

 

84

, 121–153 (2005). 

53.  Chang, J. 

et al.

 Combining livestock production information in a process-based vegetation 

model to reconstruct the history of grassland management. 

Biogeosciences

 

13

, 3757–3776 

(2016). 

54.  Fetzel, T. 

et al.

 Quantification of uncertainties in global grazing systems assessment. 

Glob. 

Biogeochem. Cycles

 

31

, 1089–1102 (2017). 

55.  Petz, K. 

et al.

 Mapping and modelling trade-offs and synergies between grazing intensity and 

ecosystem services in rangelands using global-scale datasets and models. 

Glob. Environ. 

Change

 

29

, 223–234 (2014). 

56.  Osborne, T., Rose, G. & Wheeler, T. Variation in the global-scale impacts of climate change on 

crop productivity due to climate model uncertainty and adaptation. 

Agric. For. Meteorol.

 

170

, 

183–194 (2013). 

57.  Rojas-Downing, M. M., Nejadhashemi, A. P., Harrigan, T. & Woznicki, S. A. Climate change 

and livestock: Impacts, adaptation, and mitigation. 

Clim. Risk Manag.

 

16

, 145–163 (2017). 

58.  Kuhnert, M. 

et al.

 Impact analysis of climate data aggregation at different spatial scales on 

simulated net primary productivity for croplands. 

Eur. J. Agron.

 

88

, 41–52 (2017). 

59.  Tuomisto, H. L., Hodge, I. D., Riordan, P. & Macdonald, D. W. Does organic farming reduce 

environmental impacts? - A meta-analysis of European research. 

J. Environ. Manage.

 

112

, 309–

320 (2012). 

Page 21

Figures and page graphics, page 21

21 

60.  Gaudaré, U. 

et al.

 Comparing productivity and feed-use efficiency between organic and 

conventional livestock animals. 

Environ. Res. Lett.

 

16

, 024012 (2021). 

61.  Lori, M., Symnaczik, S., Mäder, P., De Deyn, G. & Gattinger, A. Organic farming enhances soil 

microbial abundance and activity—A meta-analysis and meta-Regression. 

PLoS ONE

 

12

, 

e0180442 (2017). 

62.  Ruane, A. C., Goldberg, R. & Chryssanthacopoulos, J. Climate forcing datasets for agricultural 

modeling: Merged products for gap-filling and historical climate series estimation. 

Agric. For. 

Meteorol.

 

200

, 233–248 (2015). 

63.  Nachtergaele, F., van Velthuizen, H. & Verelst, L. 

Harmonized World Soil Database - Version 

1.1

. 43 (2009). 

64.  Sacks, W. J., Deryng, D., Foley, J. A. & Ramankutty, N. Crop planting dates: an analysis of 

global patterns: Global crop planting dates. 

Glob. Ecol. Biogeogr.

 

19

, 607–620 (2010). 

65.  García-Palacios, P. 

et al.

 Crop traits drive soil carbon sequestration under organic farming. 

J. 

Appl. Ecol.

 

55

, 2496–2505 (2018). 

66.  Monfreda, C., Ramankutty, N. & Foley, J. A. Farming the planet: 2. Geographic distribution of 

crop areas, yields, physiological types, and net primary production in the year 2000. 

Glob. 

Biogeochem. Cycles

 

22

, 1–19 (2008). 

67.  Smil, V. Nitrogen in crop production: An account of global flows. 

Glob. Biogeochem. Cycles

 

13

, 647–662 (1999). 

68.  IPCC. 

CHAPTER 10 EMISSIONS FROM LIVESTOCK AND MANURE MANAGEMENT

. 

(2019). 

69.  Bareha, Y., Affes, R., Moinard, V., Buffet, J. & Girault, R. A simple mass balance tool to predict 

carbon and nitrogen fluxes in anaerobic digestion systems. 

Waste Manag.

 

135

, 47–59 (2021). 

70.  Herrero, M. 

et al.

 Biomass use, production, feed efficiencies, and greenhouse gas emissions 

from global livestock systems. 

Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.

 

110

, 20888–20893 (2013). 

71.  Weiss, W. P. & Tebbe, A. W. Estimating digestible energy values of feeds and diets and 

integrating those values into net energy systems. 

Transl. Anim. Sci.

 

3

, 953–961 (2019). 

Page 22

Figures and page graphics, page 22

22 

72.  Soussana, J.-F. & Lemaire, G. Coupling carbon and nitrogen cycles for environmentally 

sustainable intensification of grasslands and crop-livestock systems. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

190

, 9–17 (2014). 

73.  Marschner, H. & Marschner, P. 

Marschner’s mineral nutrition of higher plants

. 

(Elsevier/Academic Press, 2012). 

74.  Justes, E. 

Réduire les fuites de nitrate au moyen de cultures intermédiaires

. (INRAE, 2012). 

75.  Gibbs, H., Yui, S. & Plevin, R. New Estimates of Soil and Biomass Carbon Stocks for Global 

Economic Models. 

GTAP Tech. Pap.

 

33

, 1–43 (2014). 

76.  Martin, M. P. RothC, a R package, INRAE (https://forgemia.inra.fr/manuel.martin/rothc). 

(2018). 

 

649