Back to report · Publisher record

Koven et al. (2017). Higher climatological temperature sensitivity of soil carbon in cold than warm climates

Page 1

Figures and page graphics, page 1

UC Berkeley

UC Berkeley Previously Published Works

Title

Higher climatological temperature sensitivity of soil carbon in cold than warm climates

Permalink

https://escholarship.org/uc/item/7q68v57x

Journal

Nature Climate Change, 7(11)

ISSN

1758-678X

Authors

Koven, Charles D
Hugelius, Gustaf
Lawrence, David M
et al.

Publication Date

2017-11-01

DOI

10.1038/nclimate3421
 
Peer reviewed

eScholarship.org

Powered by the California Digital Library

University of California

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Higher Climatological Temperature Sensitivity of Soil Carbon in Cold Than Warm 

Climates  

C. D. Koven

1*

, G. Hugelius

2,3

, D. M. Lawrence

4

, W. R.  Wieder

4,5 

 

 

5 

 

Affiliations: 

1

Earth and Environmental Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, 

CA, USA 
 

10 

2

Department of Physical Geography & Bolin Centre of Climate Research, Stockholm University, 

Stockholm, Sweden 

 

3

 School of Earth, Energy, and Environmental Sciences, Stanford University, Stanford, CA, USA 

 

15 

4

Climate & Global Dynamics Laboratory, National Center for Atmospheric Research, Boulder, 

CO, USA 
 

5

Institute of Arctic & Alpine Research, University of Colorado, Boulder, CO, USA 

 

20 

 
*Correspondence to:  cdkoven@lbl.gov 

 

 

 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

 

 

2 

The projected loss of soil carbon to the atmosphere resulting from climate change is a potentially 

25 

large but highly uncertain feedback to warming. The magnitude of this feedback is poorly 

constrained by observations and theory, and is disparately represented in Earth system models 

(ESMs)

1-3

. To assess the climatological temperature sensitivity of soil carbon, we calculate 

apparent soil carbon turnover times

4

 that reflect long-term and broad-scale rates of 

decomposition.  Here, we show that the climatological temperature control on carbon turnover in 

30 

the top meter of global soils is more sensitive in cold climates than in warm ones and argue that 

it is critical to capture this emergent ecosystem property in global-scale models. We present a 

simplified model that explains the observed high cold-climate sensitivity using only the physical 

scaling of soil freeze-thaw state across climate gradients. Current ESMs fail to capture this 

pattern, except in an ESM that explicitly resolves vertical gradients in soil climate and C 

35 

turnover. An observed weak tropical temperature sensitivity emerges in a different model that 

explicitly resolves mineralogical control on decomposition.  These results support projections of 

strong carbon-climate feedbacks from northern soils

5,6

 and demonstrate a method for ESMs to 

capture this emergent behavior. 

 

40 

Carbon cycle feedbacks represent a large uncertainty on the terrestrial response to climate 

change

1-3

.  Much of this uncertainty arises from the dynamics of decomposing soil carbon under 

changing climate, in particular how the rate of carbon cycling through soils may change with 

warming.  Fast-timescale observations

7

 and general kinetic theory

8

 both suggest that 

decomposition rates should increase with warming. While this temperature response has long 

45 

been thought to provide a positive feedback to warming

9

, its magnitude is poorly quantified due 

to the many confounding factors affecting soil metabolic rates

8

. Furthermore, acclimatory 

responses by soil microbiota that reduce the effect of warming on decomposition rates at longer 

timescales have been proposed

10-12

 to explain the reduction in temperature sensitivity observed in 

experiments

13

. Given the size of global soil C stocks, especially at high latitudes

14

 and the 

50 

potential long-term vulnerability of soil C to warming, it is critical to accurately include these 

feedbacks in assessing emissions scenarios that are compatible with desired climate outcomes

15

. 

The current (Coupled-Model Intercomparison Project, phase 5; CMIP5) generation of ESMs 

actually show a relatively small contribution of climate-driven changes to carbon turnover times 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

 

 

3 

on soil carbon stocks, with the majority of projected soil carbon change instead occurring due to 

55 

changes in plant productivity

3

. The ESMs—which couple carbon cycle and climate processes—

typically use simplified temperature sensitivities

12

, omit realistic dynamics of soil microbial 

ecology

16

, show little predictive power in simulating current soil carbon stocks

17

, and 

systematically overestimate the transient sensitivity of soil carbon pools to productivity 

changes

18

. Equally troubling, the models omit crucial processes that may exacerbate warming-

60 

related carbon losses, in particular the representation of frozen carbon in permafrost soils

6

. Thus, 

although ESMs show high inter-model divergence in soil carbon predictions, they likely 

underestimate the actual uncertainty

16

 surrounding increased atmospheric greenhouse gas 

burdens and accelerated warming under climate change scenarios. 

It is difficult to directly evaluate the transient climate-response predictions made by ESM 

65 

soil carbon models, because dynamical observations of soil carbon responses to warming at the 

relevant timescale—multi-decadal to centennial—are scarce

16

 and ambiguous about both 

acclimation timescales and whether changes result from productivity or turnover responses

19

. An 

alternate approach is to look at model predictions across spatial gradients, since current soil 

conditions reflect the long-term accumulated effects of climate, vegetation, edaphic properties, 

70 

and landscape changes on soil organic matter formation

20

 (see Methods).  Indeed, the large 

spatial variation of soil carbon turnover times across climate gradients served as an early piece of 

evidence supporting the idea that warming would lead to soil carbon losses

21,22

.  

Because the balance of carbon inputs and decomposition determine soil carbon stocks, and 

because both of these controls are mediated by climate, it is useful to separate them by defining 

75 

an apparent turnover time, 

τ

, as the ratio of carbon losses via heterotrophic respiration to total 

carbon stocks.  Since, at steady state, carbon losses and inputs are equal, and because we have 

more robust global estimates of productivity than of heterotrophic respiration, we assume that 

soils are approximately at steady state in order to estimate 

τ

 as the ratio of carbon stocks to 

carbon inputs

4

. 

80 

  In figure 1 we show the global distribution of soil carbon stocks (fig. 1a), vegetation 

inputs to soil (fig. 1b), and 

τ

,

 as a function of temperature and precipitation (fig. 1c). These 

results illustrate that 

τ

 is 

clearly sensitive to both soil temperature and moisture, but here we are 

primarily interested in identifying the temperature control on soil carbon turnover.  Moisture may 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

 

 

4 

dominate turnover in places that are either highly moisture-limited

4

 or saturated, so we mask all 

85 

points where we expect moisture to exert a dominant control (fig. S1), to isolate the temperature-

dominated soil carbon 

τ

 response (fig. 1d).

 This relationship clearly shows a change in the 

sensitivity of inferred 

τ

 to climatological temperature over the interval, with stronger sensitivity 

in cold climates than in warm ones. We note, however, that considerable variation remains. The 

residual two-fold variation in turnover times (residual variance in log(

τ

) = 0.1; table S1) is also a 

90 

real and important feature of the data, and this may be driven by mineralogical or other 

factors

23,24

 beyond the simple climate metrics used here. We recognize that further research 

diagnosing the mechanisms responsible for this variation is critical, but here we focus on the 

central relationship between soil 

τ

 and temperature that emerges from our global analysis.   

Taking the derivative of the central soil 

τ

 to temperature relationship (fig. 1d), and placing 

95 

this in terms of the exponential form Q

10

, gives a “climatological Q

10

” (fig. 2), which

 

decreases 

with temperature, from Q

10

>5 in cold climates to Q

10

=1 (i.e. no temperature sensitivity) in hot 

climates. This climatological Q

10 

differs from the classical short-timescale Q

10 

in being 

diagnosed from the 

τ

, whereas short-timescale Q

10

 values are diagnosed based on instantaneous 

decay rates, 

k

 (where, at steady state, 

k

 = 1/ 

τ

). Short-timescale respiration observations show a 

100 

widespread Q

10

-like behavior with a value in the range of approximately 1.4

 based on eddy 

covariance fluxes

7

, or 1.5-2 based on soil incubations

8

.  Where the climatological 

Q

10 

value 

differs from the short-

 timescale Q

10

 value

, this is evidence for emergent behavior at longer 

timescales that leads to the divergence between short-

 

and long-

 timescale 

temperature 

sensitivities.  We thus divide the world heuristically into three roughly defined regimes (fig. 2): a 

105 

cold-climate high-sensitivity emergent domain (climatological 

Q

10

~2 to 5), a temperate non-

emergent domain (climatological 

Q

10

~1.4 to 2), and possibly a warm-climate low-sensitivity 

emergent domain (climatological 

Q

10

<1.4). 

To understand why the climatological 

Q

10 

exceeds short-timescale 

Q

10 

values in cold 

climates, we explore a hierarchy of simplified decomposition models. These derive 

τ

 values 

110 

based solely on modeled soil temperature (T) dynamics and differ only in the functional form of 

k

(T) and how this is scaled in space and time to calculate 

τ

 (fig. 3).

 We consider four cases. The 

first three differ only in the form of 

k

(T) and all use near-surface soil temperatures (10 cm): fixed 

Q

10 

over the entire temperature range, (fig. 3a); temperature-sensitive Arrhenius relationship

25

 

over the entire temperature range, (fig. 3b); fixed Q

10 

over thawed temperatures and no 

115 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

 

 

5 

respiration when soil is frozen (fig. 3c). The fourth case shown uses the same temperature 

function as the third, but diagnoses 

k

 using depth-resolved soil temperatures over the full 0-1m 

depth interval (fig. 3d). Only the fourth case is able to qualitatively capture the observed change 

in slope seen in the observations.

 

The implication of the curve in figure 3d is that the increase in temperature sensitivity in 

120 

cold climates can be explained simply as a result of the combined reductions in the thawed 

season length and thawed depth during the warm season.  Thus, vertical variation in soil climate 

must be accounted for to explain carbon stocks at high latitudes, even when considering carbon 

to only 1m depth. Models that explicitly resolve this process, by replacing traditional carbon 

cycle ordinary differential equations (ODEs) with a set of vertically resolved partial differential 

125 

equations (PDEs) that include transport, are one such approach, but suffer from high uncertainty 

in the rates of cold-soil vertical mixing processes, such as cryoturbation

6

.  Those long-term 

mixing processes also contribute significantly to the large amounts of carbon stored even deeper, 

below 1 meter depth

14,26

, which add further uncertainty and bias to global carbon cycle 

projections. That a simpler ODE approach using a depth-averaged 

k

 approximates the observed 

130 

relationship suggests that, at least in the near surface, such transport processes are sufficiently 

fast over long timescales for the soil to act as a well-mixed reservoir through which respiration 

can occur at any depth within the 0-1m interval.   

We contend that the climatological sensitivity of soil C to historical climate (fig. 1d) is an 

emergent ecosystem property that models should be expected to replicate. To test whether ESMs 

135 

are able to match these qualitative patterns, we compare predictions of 

τ

 from models used in the 

CMIP5

 carbon cycle experiments (fig. 4a-f, table S2)

1

. Most models show a linear relationship 

between log(

τ

) and MAAT, as would result from using fixed Q

10

 and a single-layer model that 

diagnoses 

k

 values from near-surface temperatures.  Some models show offsets and emergent 

behavior, but none are able to qualitatively capture both the increase in temperature sensitivity 

140 

through the entire range of cold climates as well as the reduction in temperature sensitivity in 

tropical climates shown by the global data. The inability of the models to match spatial gradients 

implies that the transient response to warming will likewise be biased, particularly in the cold-

climate regime where the ESMs show a systematic underestimate of the climate sensitivity on 

soil carbon turnover. That the ESMs also show weak turnover-driven soil carbon responses to 

145 

Page 7

Figures and page graphics, page 7

 

 

6 

warming

3

, and a net high-latitude carbon gain from warming

2

, is thus likely a shared artifact of 

the weak temperature control in these ESMs.

 

Because none of the CMIP5 models represent permafrost carbon dynamics, we diagnose the 

same relationship from a model which does represent permafrost carbon via a PDE approach, 

CLM4.5

27

 (fig. 4g-h). The two panels 4g and 4h differ only by a parameter, Z

τ

,

 that controls 

150 

decomposition rates 

k

 at depth, beyond the resolved climatologic controls. The parameter is 

defined as an e-folding depth, and a short value assumes that the base decomposition rate (

k

) of 

deeper soil horizons is intrinsically slower than surface soil carbon stocks (Fig. 4g). A long e-

folding depth assumes that carbon pools in surface and deep soil horizons have similar intrinsic 

decomposability, which allows climatologic controls (e.g., temperature) to more strongly 

155 

influence decomposition rates (Fig. 4h). The model is able to match the observed increase in 

sensitivity at cold climates, but only when the base rates of deep decomposition are more similar 

to those at the surface (fig. 4h).  Under these conditions CLM4.5 predicts a substantial (-23 Pg 

C/

˚C

) destabilizing carbon-climate feedback from the permafrost region

28

, which contrasts in 

sign with the stabilizing feedback projected by the CMIP5 ESMs from this region. The patterns 

160 

of 

τ

 in fig. 4h better match observations in fig. 1 than other models analyzed here (Table S1), 

suggesting that the corresponding projection of a strong permafrost carbon-climate feedback is 

also more realistic.

 

  The wide spread in 

τ

 (Fig 1d) and the low-sensitivity emergent domain observed in warm 

climates (Fig. 2) emerges from a model that includes mineral and microbial associations (fig. 4i).  

165 

This mineral/microbial model predicts longer 

τ

 values for the clay rich tropical soils

 and 

therefore a reduced sensitivity to temperature.  Because weathering rates increase with 

temperature in sufficiently moist ecosystems, clay amounts and temperature are positively 

correlated, which may explain the reduced tropical temperature sensitivity (fig. S3). However, 

the reduced sensitivity of tropical soil carbon is also consistent with nonlinear models that 

170 

predict a temperature optimum for decomposition

29

, though only at tropical temperatures

. 

Separating these potential causes is not possible with the static benchmark proposed here, but is 

of great importance, as they would lead to different trajectories under global warming.

 

  We propose that global temperature control on turnover, as expressed in spatial gradients, 

is a useful benchmark on dynamic models, which must predict these static relationships if we are 

175 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

 

 

7 

to have confidence in their transient responses. We recognize that projections of soil C response 

to warming are complicated by changes in plant productivity, organo-mineral stabilization, soil-

aggregate formation and shifts in belowground community structure and function

30

. Indeed, 

resolving these complex interactions should be a focus for the next generation of experiments 

and models

16

. The results shown here stress the importance of considering temperature effects on 

180 

decomposition across the full range of climates found on Earth, as well as vertically, even within 

the top meter of soils. The systematic underestimation by the CMIP5 models of the sensitivity of 

carbon turnover in cold climates belies their projections of weak soil turnover-driven feedbacks 

to warming. Thus the relationships shown here support stronger carbon – climate feedbacks—

particularly from northern regions—than current estimates suggest. 

185 

 

 

 

 

 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

 

 

8 

Figures 

190 

 

 

Fig. 1

. 

Global distributions of the inferred apparent turnover time (

τ

) of global soil organic 

matter as function of climatological temperature

. 

τ

 is calculated as the ratio of (a) carbon 

stocks to (b) net primary productivity. (c) 

τ

 plotted as function of Mean Annual Air Temperature 

195 

(MAAT). Each gridcell is colored by climatological precipitation. (d) As in (c), but after filtering 

out gridcells that are likely to be dominated by either aridity (P minus PET < threshold of -1000 

Page 10

Figures and page graphics, page 10

 

 

9 

mm/yr) or saturation (peatland fraction exceeds threshold of 50%)

. Best fit regression curve in 

(d) uses a quadratic regression of log(

τ

) versus MAAT, with 50% prediction intervals shown.

 

 

 

200 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

 

 

10 

 

 

 

Fig 2.

  

Inferred “climatological Q

10

” as a function of temperature

. Climatological Q

10

 is 

calculated from the derivative of the regression relationship between 

τ

 and MAAT in fig. 1d. We 

205 

define emergent domains  as those where the climatological Q

10

 differs appreciably from short-

term Q

10

 values (i.e Q

10 

> 2 or Q

10

 < 1.4). 

 

  

 

Page 12

Figures and page graphics, page 12

 

 

11 

 

210 

 

Fig. 3

 

A hierarchy of simplified models to explain the cold-climate emergent regime of high 

climatological temperature sensitivities

.  In all cases, 

τ

 is calculated using daily soil 

temperatures from a land surface model, applying a simplified decomposition function to derive 

daily decomposition rates (

k

), and inferring 

τ

 as the reciprocal of the mean decomposition 

215 

function 

k

. (a) Simple Q

10

=1.5 function evaluated. (b) Arrhenius temperature function. (c) 

Thawed-only Q

10

=1.5 function evaluated at 10cm depth. (c) Thawed-only Q

10

=1.5 function 

Page 13

Figures and page graphics, page 13

 

 

12 

averaged over the surface-1m depth interval.  Blue lines are the decomposition function as 

evaluated on MAAT.  Red lines are the best-fit curve and prediction intervals are from fig. 1d. 

 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

 

 

13 

 

220 

Fig. 4

 

A comparison of relationships between soil turnover times and climate as predicted 

by a suite of ESMs and offline land models. 

Inferred apparent turnover time, 

τ

, calculated as in 

figure 1 and colored by precipitation as in fig 1c, from soil models used in Earth system models. 

(a-f) CMIP5 models, each of which (other than GFDL-ESM2G) use single-layer soil temperature 

control on soil carbon turnover. (g-h) CLM4.5, which calculates vertically-resolved 

225 

Page 15

Figures and page graphics, page 15

 

 

14 

decomposition rates.  (g) and (h) differ by varying  a parameter (Z

τ

)

 that controls decomposition 

rates with depth independently from resolved temperature, moisture, and oxygen controls (i) 

MIMICS, which treats decomposition as a microbially-enabled and mineral-resolved nonlinear 

model, shows the wide scatter in moist tropical climates as observed, due to its consideration of 

mineralogical control on decomposition.  

230 

 

Acknowledgments:

 This research was supported by the Director, Office of Science, Office of 

Biological and Environmental Research of the US Department of Energy (DOE) under Contract 

DE-AC02-05CH11231 as part of their Regional and Global Climate Modeling (BGC-Feedbacks 

SFA), and Terrestrial Ecosystem Science Programs (NGEE-Arctic and NGEE-Tropics), and used 

235 

resources of the National Energy Research Scientific Computing Center, also supported by the 

Office of Science of the US Department of Energy, under Contract DE-AC02- 05CH11231. 

National Center for Atmospheric Research (NCAR) is sponsored by the National Science 

Foundation (NSF). The CESM project is supported by the NSF and the Office of Science (BER) 

of the US Department of Energy. Computing resources were provided by the Climate Simulation 

240 

Laboratory at NCAR’s Computational and Information Systems Laboratory, sponsored by NSF 

and other agencies. G. H. acknowledges funding from the Swedish Research Council (grant 

numbers E0689701 and E0641701), the EU JPI-climate COUP project and Marie Sklodowska 

Curie Actions, Cofund, Project INCA 600398. D.M.L. is supported by funding from the US 

Department of Energy BER, as part of its Climate Change Prediction Program, Cooperative 

245 

Agreement DE-FC03-97ER62402/ A010 and NSF Grants AGS-1048996 and ARC-1048987. 

W.R.W. is supported by funding from the US Department of Agriculture NIFA 2015-67003-

23485 and US Department of Energy TES DE-SC0014374. We acknowledge the World Climate 

Research Programme’s Working Group on Coupled Modeling, which is responsible for CMIP, 

and we thank the climate modeling groups (listed in Table S2 of this paper) for producing and 

250 

making available their model output. 

 

Author Contributions 

Page 16

Figures and page graphics, page 16

 

 

15 

CDK designed the study and performed analyses, based on ideas developed through discussions 

with DML, GH, and WRW.  WRW contributed MIMICS results, CDK and DML contributed 

255 

CLM4.5 results, and GH contributed NCSCD data. All authors wrote the manuscript. 

 

 

 

 

Page 17

Figures and page graphics, page 17

 

 

16 

References (Main Text) 

260 

 

1 

Arora, V. K.

 et al.

 Carbon-concentration and carbon-climate feedbacks in CMIP5 Earth system models. 

Journal of Climate

 

26

, 5289-5314, doi:10.1175/JCLI-D-12-00494.1 (2013). 

2 

Ciais, P.

 et al.

 in 

Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to 

the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change

   (eds T.F. Stocker

 et al.

)  

265 

(Cambridge University Press, 2013). 

3 

Koven, C. D.

 et al.

 Controls on terrestrial carbon feedbacks by productivity versus turnover in the CMIP5 

Earth System Models. 

Biogeosciences

 

12

, 5211--5228, doi:10.5194/bg-12-5211-2015 (2015). 

4 

Carvalhais, N.

 et al.

 Global covariation of carbon turnover times with climate in terrestrial ecosystems. 

Nature

 

514

, 213-217, doi:10.1038/nature13731 (2014). 

270 

5 

Ciais, P.

 et al.

 Large inert carbon pool in the terrestrial biosphere during the Last Glacial Maximum. 

Nature 

Geosci

 

5

, 74-79, doi:10.1038/ngeo1324 (2012). 

6 

Koven, C. D.

 et al.

 Permafrost carbon-climate feedbacks accelerate global warming. 

Proceedings of the 

National Academy of Sciences

 

108

, 14769--14774, doi:10.1073/pnas.1103910108 (2011). 

7 

Mahecha, M. D.

 et al.

 Global Convergence in the Temperature Sensitivity of Respiration at Ecosystem 

275 

Level. 

Science

 

329

, 838--840 (2010). 

8 

Davidson, E. & Janssens, I. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate 
change. 

Nature

 

440

, 165-173, doi:DOI 10.1038/nature04514 (2006). 

9 

Jenkinson, D., Adams, D. & Wild, A. Model Estimates Of CO2 Emissions from soil in response to global 
Warming. 

Nature

 

351

, 304--306 (1991). 

280 

10 

Allison, S. D., Wallenstein, M. D. & Bradford, M. A. Soil-carbon response to warming dependent on 
microbial physiology. 

Nature Geosci

 

3

, 336--340 (2010). 

11 

Wieder, W. R., Bonan, G. B. & Allison, S. D. Global soil carbon projections are improved by modelling 
microbial processes. 

Nature Clim. Change

 

3

, 909--912, doi:10.1038/nclimate1951 (2013). 

12 

Tang, J. & Riley, W. J. Weaker soil carbon-climate feedbacks resulting from microbial and abiotic 

285 

interactions. 

Nature Clim. Change

 

5

, 56-60, doi:10.1038/nclimate2438 (2015). 

13 

Bradford, M. A.

 et al.

 Thermal adaptation of soil microbial respiration to elevated temperature. 

Ecology 

Letters

 

11

, 1316--1327, doi:10.1111/j.1461-0248.2008.01251.x (2008). 

14 

Hugelius, G.

 et al.

 Estimated stocks of circumpolar permafrost carbon with quantified uncertainty ranges 

and identified data gaps. 

Biogeosciences

 

11

, 6573--6593, doi:10.5194/bg-11-6573-2014 (2014). 

290 

15 

Jones, C.

 et al.

 Twenty-First-Century Compatible CO2 Emissions and Airborne Fraction Simulated by 

CMIP5 Earth System Models under Four Representative Concentration Pathways. 

Journal of Climate

 

26

, 

4398--4413, doi:10.1175/JCLI-D-12-00554.1 (2013). 

16 

Bradford, M. A.

 et al.

 Managing uncertainty in soil carbon feedbacks to climate change. 

Nature Clim. 

Change

 

6

, 751--758 (2016). 

295 

17 

Todd-Brown, K. E. O.

 et al.

 Causes of variation in soil carbon simulations from CMIP5 Earth system 

models and comparison with observations. 

Biogeosciences

 

10

, 1717--1736, doi:10.5194/bg-10-1717-2013 

(2013). 

18 

He, Y.

 et al.

 Radiocarbon constraints imply reduced carbon uptake by soils during the 21st century. 

Science

 

353

, 1419-1424 (2016). 

300 

19 

Crowther, T. W.

 et al.

 Quantifying global soil carbon losses in response to warming. 

Nature

 

540

, 104--108 

(2016). 

20 

Jenny, H. 

Factors of soil formation: a system of quantitative pedology

.  (Courier Corporation, 1941). 

21 

Post, W. M., Emanuel, W. R., Zinke, P. J. & Stangenberger, A. G. Soil carbon pools and world life zones. 

Nature

 

298

, 156--159 (1982). 

305 

22 

RAICH, J. W. & SCHLESINGER, W. H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its 
relationship to vegetation and climate. 

Tellus B

 

44

, 81--99, doi:10.1034/j.1600-0889.1992.t01-1-00001.x 

(1992). 

23 

Doetterl, S.

 et al.

 Soil carbon storage controlled by interactions between geochemistry and climate. 

Nature 

Geosci

 

8

, 780--783 (2015). 

310 

24 

Giardina, C. P. & Ryan, M. G. Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not 
vary with temperature. 

Nature

 

404

, 858--861 (2000). 

Page 18

Figures and page graphics, page 18

 

 

17 

25 

LLOYD, J. & TAYLOR, J. ON THE TEMPERATURE-DEPENDENCE OF SOIL RESPIRATION. 

Functional Ecology

 

8

, 315-323 (1994). 

26 

Harden, J. W.

 et al.

 Field Information Links Permafrost Carbon to Physical Vulnerabilities of Thawing. 

315 

Geophys. Res. Lett.

 

39

, doi:10.1029/2012GL051958 (2012). 

27 

Koven, C. D.

 et al.

 The effect of vertically-resolved soil biogeochemistry and alternate soil C and N models 

on C dynamics of CLM4. 

Biogeosciences

 

10

, 7109-7131, doi:10.5194/bg-10-7109-2013 (2013). 

28 

Koven, C. D., Lawrence, D. M. & Riley, W. J. Permafrost carbon

−

climate feedback is sensitive to deep soil 

carbon decomposability but not deep soil nitrogen dynamics. 

Proceedings of the National Academy of 

320 

Sciences

 

112

, 3752--3757 (2015). 

29 

Wang, Y. P.

 et al.

 Responses of two nonlinear microbial models to warming and increased carbon input. 

Biogeosciences

 

13

, 887--902, doi:10.5194/bg-13-887-2016 (2016). 

30 

Sistla, S. A.

 et al.

 Long-term warming restructures Arctic tundra without changing net soil carbon storage. 

Nature

 

497

, 615--618 (2013). 

325 

 

Page 19

Figures and page graphics, page 19

Methods 

A central goal of this paper is to use observed spatial gradients in soil carbon turnover, in 

particular the relationship between apparent turnover and temperature, to develop a benchmark 

for dynamical models that are used to make projections of soil carbon storage in response to 

climate change.  We recognize that benchmarks derived from spatial gradients are insufficient to 

constrain transient responses, which is also why the direct use of spatial gradients to extrapolate 

forward in time (so-called space-for-time substitutions) is not possible. However, transient 

models must also make predictions about steady-state differences in soil carbon turnover across 

spatial climate gradients, which reflect a long-term climatological temperature sensitivity. 

Because such gradients are observable, we seek to use this information as a test of the dynamical 

models. We contend that this inverse “time-for-space” substitution can serve as a global, 

observationally-derived benchmark to ask where and whether the underlying processes 

represented in ESMs are consistent with the observations.  We note that the transient dynamics 

predicted by a given model may differ from that model’s steady-state spatial-gradient 

predictions, due to slow processes such as mineral associations that are important in governing 

spatial gradients, and whose transient effects may be highly timescale-dependent. We also note 

that the benchmarking approach here is fundamentally a consistency test, which is a necessary 

but insufficient constraint on model dynamics, that does not imply that any given model 

formulation provides a unique solution. We thus advocate that future experimental work also 

focus on understanding the transient soil carbon dynamics across the world’s climate regimes, 

and in particular focus on monitoring both the productivity and turnover responses to climate 

change. 

Soil carbon stocks are estimated by combining the Harmonized World Soilds Database 

(HWSD)

1

  and Northern Circumpolar Soil Carbon Database (NCSCD)

2

 soil carbon maps, using 

NCSCD where overlap occurs, and estimating productivity via the MODIS net primary 

productivity (NPP) product

3

 (fig. 1a & 1b).  Mean annual air temperatures (MAAT) are 

estimated from the CRU dataset

4

. Both NPP and soil carbon show relationships with 

temperature, however the log(NPP)-temperature relationship shows a more continuous slope (fig. 

1a) than the log(soil carbon)-temperature relationship (fig. 1b), which shows a clear difference 

between temperate-tropical and a cold-climate soils.  Inferred 

τ

 is plotted on a log scale because 

we expect it to have a roughly exponential relationship with temperature, following that of 

Page 20

Figures and page graphics, page 20

 

 

19 

respiration, and

 spans a range

 of about 2 orders of magnitude (fig. 1c & 1d). The full global 

dataset (Fig. 1c and S1a) shows a main set of points that span a curve of minimum turnover 

times for a given temperature, with a tail of points extending above this main population. Water 

also exerts a strong control on soil carbon turnover, with reduced decomposition in soils that are 

either dry or saturated. Since our main goal here is to focus on temperature controls to 

decomposition, we seek to separate and mask out those soils that are most strongly affected by 

having either too much or too little water.  

To isolate soils whose decomposition is limited by saturation, we use the thematic 

6 

classification in the NCSCD and HWSD databases to exclude those gridcells that have an areal 

7 

coverage of more than 50% peat soils, defined as the Histosol soil order or the Histel suborder of 

8 

Gelisols (permafrost soils) (fig. S1b). To identify soils whose decomposition is limited by 

9 

aridity, we derive the rainfall regime in each gridcell using the GPCC dataset 

5

 (fig. 1c).  We 

10 

note that, while long turnover times are associated with both cold climates or very dry climates, 

11 

only the former actually have large organic carbon stocks (fig. S1c). Furthermore, in cold 

12 

climates, soils may receive relatively little rainfall but still have abundant moisture because 

13 

evaporative demand in these climates is low. Thus, we mask out only those soils where demand 

14 

exceeds supply and soils are dry. We calculate the demand as a potential evapotranspiration 

15 

(PET) using the MODIS PET product

6

, and show the inferred 

τ

-temperature relationship as 

16 

controlled by precipitation minus PET (fig. S1d).  This supports the expectation that long-

17 

turnover low latitude soils are predominantly found in dry climates with a strong moisture 

18 

deficit. Finally, we exclude all points where this moisture deficit falls below a threshold level (-

19 

1000 mm y

-1

), to arrive at the filtered dataset that we use to define the regression curve in fig. 1d.   

20 

Once the points where 

τ

 is not primarily a function of temperature are removed, the 

21 

relationship between 

τ

 and temperature becomes clear.  The relationship in log(

τ

) versus 

22 

temperature is negative, with positive curvature. Although a linear regression shows high 

23 

significance (r

2

=0.62), it also leaves a residual error with systematic structure. We thus reject a 

24 

linear model relating log(

τ

) to temperature, and find that a quadratic model (fig. 1d, and table S1) 

25 

fits the relationship well, with r

2

=0.68 and little systematic residual bias. Thus, the relationship 

26 

between inferred 

τ

 and temperature is stronger than the hypothesized exponential in temperature 

27 

over the range of climate conditions. 

 

28 

Page 21

Figures and page graphics, page 21

 

 

20 

We calculate the curve in figure 2 based on the derivative of the central relationship in 

29 

figure 1b.  

Q

10 

is an exponential notation that is traditionally defined relative to the instantaneous 

30 

decomposition parameter 

k

 as: 

31 

𝑘

𝑇

=

 

𝑘

𝑇

!"#

𝑄

!"

!

!

!

!"#

!"

 

 

32 

The Q

10

 parameter can therefore be calculated as: 

33 

 

34 

𝑄

!"

=

𝑘

𝑇

𝑘

!"#

!"

!

!

!

!"#

 

 

35 

Since, by definition: 

36 

𝑘

=

1

𝜏

 

 

37 

we can redefine Q

10

 in terms of 

τ

: 

38 

𝑄

!"

=

𝜏

!"#

𝜏

𝑇

!"

!

!

!

!"#

 

 

39 

and calculate the Q

10

 at any point along the curve as the derivative of log(

τ

) with respect to 

40 

temperature

 via: 

41 

𝑄

!"

=

10

!

!"

!

 

!"#

 

(

!

)

!

 

!

 

 

42 

By choosing a polynomial regression in figure 1 of the form: 

43 

 

44 

log

𝜏

=

𝑎

𝑇

!

+

𝑏𝑇

+

𝑐

 

 

45 

these equations combine as: 

46 

𝑄

!"

=

10

!

!"

(

!

!"

!

!

)

 

 

47 

which is shown in figure 2. 

48 

Page 22

Figures and page graphics, page 22

 

 

21 

 

49 

We identify in figure 3 a framework to understand the implications of alternate ways of 

50 

representing the temperature sensitivity of soil carbon decomposition on resulting spatial 

51 

patterns. For results shown in figure 3, we diagnose daily decomposition rate values (

k)

 as a 

52 

function of daily soil temperatures, which are taken from a land model, CLM4.5,

 driven by bias-

53 

corrected reanalysis meteorological data (CRU-NCEP, available at 

54 

http://dods.ipsl.jussieu.fr/igcmg/IGCM/BC/OOL/OL/CRU-NCEP/ ). We then calculate the 

55 

equilibrium 

τ

 as the reciprocal of time-averaged 

k 

values, and plot log(

τ

) as a function of the 

56 

driving MAAT.  In each case, the 

k

, and therefore 

τ

, values are relative to an arbitrary offset to 

57 

align with the central estimate from figure 1d at 15 ˚C.

 

58 

In the simplest case, we use a fixed Q

10 

value (Q

10 

=1.5) across all temperatures, and we 

59 

diagnose 

k

 and 

τ

 using near-surface (10 cm depth) soil temperatures (fig. 3a). Log(

τ

) values show 

60 

the expected linear relationship against air temperature with only two emergent features. First, all 

61 

τ

 values fall slightly below the line relating MAAT to the log(

τ

) as diagnosed from that MAAT. 

62 

This offset is a result of the seasonal cycles in soil temperatures, which give a time-average 

τ

 that 

63 

is less than 

τ

 calculated from time-averaged temperatures, 

because the shape of the relationship 

64 

k

=f(T) has a positive curvature

. 

 Secondly there is a step offset at the transition from temperate to 

65 

cold climates attributable to the insulating effect of snow, which, where seasonally present, 

66 

elevates mean soil temperatures above mean air temperatures

 

7

.   

67 

As a next step in complexity, we consider a temperature-dependent Arrhenius-like 

68 

relationship

8

: 

69 

𝑘

=

𝑘

!"#

𝑒

!"#

.

!"

 

!

!"

.

!"

!

!

!

!

!!"

.

!"

 

 as a potentially more realistic model than a fixed 

Q

10

 

model across all temperatures (Fig. 3b). 

70 

Such an approach is a better match to the climatological temperature sensitivity in the cold-

71 

climate regime, but fares worse as compared to the observation-based relationship

 

in the warm-

72 

climate regime.  We note as well that, particularly in cold climates, the modeled annual-mean 

τ

 

73 

values fall well below the blue line that represents the 

τ

 evaluated from the annual mean 

74 

temperature.  This suggests that such chemical-kinetic factors, on their own, are not responsible 

75 

for the observed climatological cold-climate sensitivity. 

76 

A third step in complexity is to explicitly consider the role of soil freezing. Freezing is a 

powerful inhibitor of decomposition, and thus we can define the simplest freezing model as one 

Page 23

Figures and page graphics, page 23

 

 

22 

where Q

10

 is fixed (Q

10

 = 1.5, as in fig 3a) for thawed soils and ceases in frozen soils (

k

 = 0 when 

77 

T

soil

 < 0

˚C

).  This is a simplifying assumption; in natural ecosystems, limited decomposition 

78 

occurs even in frozen soils, but the log(

τ

) versus MAAT 

resulting

 

from the no-frozen-respiration 

79 

case 

(fig. 3c)

 is a useful approximation

. The result is a slight positive curvature to the 

80 

relationship

 

that compensates for the snow insulation offset. But the model still fails to match the 

81 

large increase in temperature sensitivity seen in the observations.   

82 

The fourth piece of complexity in figure 3 is to consider the vertical variation in soil 

83 

temperatures in addition to the seasonal variation. To do this, we diagnose 

k

 values at each model 

84 

soil level (9 levels) across the 0-1m soil depth interval, and then calculate 

τ

 as the reciprocal of 

85 

the mean 

k

 value averaged both in time and over the depth interval (fig. 3d).  This gives a curve 

86 

of log(

τ

) versus MAAT that approximates the observed one. We note that this behavior arises 

87 

from the step-function-like behavior in 

k

=f(T) due to freezing, which gives particularly high 

88 

sensitivity to small temperature changes around the freezing point.   

89 

Comparing the quadratic regression coefficients for the simplified models shown in figure 3 

90 

(table S1 and figure S4), the value of the quadratic parameter increases with each level of 

91 

complexity.  While each of the simplified models shown in figure 3 underestimates the curvature 

92 

as seen in the observations, only the fourth model begins to approach the observation-derived 

93 

curvature in the temperature sensitivity. This emphasizes the importance of representing how 

94 

freeze/thaw state scales both temporally and vertically in governing soil carbon decomposition. 

95 

For the models shown in figure 4, inferred 

τ

 is calculated as the ratio of carbon stocks to 

96 

NPP for each model over the recent historical period, in order to match the observation-based 

97 

results discussed above, and individual gridcells are colored by a given ESM’s precipitation as in 

98 

figure 1c, (fig. 4a-f).  The CMIP5 models used here are listed in table S2. For CMIP5 models 

99 

(fig. 4a-4f) and MIMICS (fig. 4i), we diagnose 

τ

 using total soil carbon stocks, since the models 

100 

do not provide depth-resolved soil carbon output. For CLM4.5 (fig. 4g-4h), we use stocks to 1m 

101 

as the carbon stocks in the 

inferred 

τ

 calculation.  We note that the lower boundary for soil 

102 

carbon both in the CMIP5 protocol and in any soil model that does not explicitly resolve depth  

103 

is not clearly defined, and that there may be errors in correspondence between our comparison of 

104 

model output and 0-1m integrated soil carbon stocks which could be reduced by models 

105 

explicitly defining the depth integral over which their stocks correspond; nonetheless we believe 

106 

this represents the best benchmark on the models. 

107 

Page 24

Figures and page graphics, page 24

 

 

23 

To create a metric of how well each model captures the pattern in the observed relationship 

108 

(Table S1), we use a binned RMSE scoring approach following

 

9

.

 We first filter all points in each 

109 

model using the same P-PET threshold using model-predicted P and MODIS PET as in the 

110 

observations (masked data shown fig. S5).  Next, we defined bins of 1˚C MAAT over the 

111 

interval of -15.5C to 28.5C, and for each model, took the mean value of log(

τ

) within each bin to 

112 

calculate an error score, 

e,

 as the RMSE for each bin 

i

 of the model prediction 

p

i

 relative to the 

113 

observational estimate 

o

i

 of the central estimate from fig. 1 evaluated at the bin center: 

114 

𝑒

=

𝑝

!

!

−

𝑜

!

!

 

In addition to the RMSE score, we also report in table S1 quadratic fit parameters between 

115 

MAAT and log(

τ

) for each of the models (regression curves shown in fig. S5), as well as the data 

116 

shown in figure 1D. For the regression, we mask arid areas using the same P minus PET criteria. 

117 

In all cases, the quadratic coefficient 

a

 derived from the regression is less than that from the 

118 

observations, and in some cases has the wrong sign; the three models that most closely approach 

119 

the magnitude of the quadratic term are GFDL-ESM2G, MIMICS and CLM4.5. We also report 

120 

the residual variance in log(

τ

) after subtracting the regression relationship, for the models and 

121 

data. Each of these metrics provides different benchmarking constraints on the dynamical 

122 

models; we leave them as separate constraints rather than merging into a single benchmark here. 

123 

Each of the models shown in figure 4 has unique characteristics, and some better 

approximate the observed curve than others. Four models (CCSM4

10

, MPI-ESM

11

, HadGEM2

1

, 

and IPSL-CM5A-LR

12

) show temperature responses that approximate the simple Q

10

 

relationship.  The GFDL-ESM2G

13

 model captures the range in turnover in cold-climates well. 

This model calculates 

k

 values based on a function of the mean temperature over a root-profile 

weighted depth interval (E. Shevliakova, personal communication), so includes more 

information about deeper soil climate than models that diagnose 

k

 values based only on near-

surface information; however we also note that much of the high cold-climate sensitivity in this 

models appears to be due to a large offset that occurs at around 

0

˚C, which may also arise from 

the anomalously cold high-latitude soil temperatures in that model

14,15

. MIROC-ESM

16

 also 

captures some aspects of the cold-climate sensitivity, particularly over the range of temperatures 

5˚C to -5˚C, which is consistent with its use of the Lloyd-Taylor equation for its temperature 

sensitivity

16

; however, we note that its temperature sensitivity reverses direction in the -5˚C to -

Page 25

Figures and page graphics, page 25

 

 

24 

10˚C range, and decreases below that. With the exception of MPI-ESM and MIMICS, all models 

124 

appear to underestimate the sensitivity of decomposition to dry conditions, as indicated by the 

125 

lack of long-turnover soils in arid conditions that is seen in fig. 1c. CLM4.5 tends to 

126 

underestimate turnover in the region near MAAT ~-5˚C, which indicates an underestimate on the 

127 

limitation of decomposition in warm permafrost conditions in that model. 

128 

All data and analysis scripts required to generate figures in this manuscript are available 

129 

online at: http://portal.nersc.gov/archive/home/c/cdkoven/www/soil_tau_temp

 

130 

 

131 

 

132 

 

133 

 

 

134 

Page 26

Figures and page graphics, page 26

 

 

25 

References (Methods) 

135 

 

136 

1 

FAO, IIASA, ISRIC, ISSCAS & JRC. Harmonized World Soil Database (version 1.2). (FAO and IIASA, 

137 

Rome, Italy and Laxenburg, Austria, 2012). 

138 

2 

Hugelius, G.

 et al.

 The Northern Circumpolar Soil Carbon Database: spatially distributed datasets of soil 

139 

coverage and soil carbon storage in the northern permafrost regions. 

Earth Syst. Sci. Data

 

5

, 3--13, 

140 

doi:10.5194/essd-5-3-2013 (2013). 

141 

3 

Zhao, M., Heinsch, F., Nemani, R. & Running, S. Improvements of the MODIS terrestrial gross and net 

142 

primary production global data set. 

Remote Sensing of Environment

 

95

, 164--176, doi:DOI 

143 

10.1016/j.rse.2004.12.011 (2005). 

144 

4 

Jones, P. D. H., I. Climatic Research Unit (CRU) time-series datasets of variations in climate with 

145 

variations in other phenomena. (University of East Anglia Climatic Research Unit, British Atmospheric 

146 

Data Centre, date of citation, 2008). 

147 

5 

Schneider, U.

 et al.

 

FD\_M\_V6\_050

, doi:10.5676/DWD_GPCC/FD_M_V6_050 (2011). 

148 

6 

Mu, Q., Zhao, M. & Running, S. W. Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration 

149 

algorithm. 

Remote Sensing of Environment

 

115

, 1781--1800, 

150 

doi:

http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2011.02.019

 (2011). 

151 

7 

Slater, A.

 et al.

 The representation of snow in land surface schemes: Results from PILPS 2(d). 

Journal of 

152 

Hydrometeorology

 

2

, 7-25 (2001). 

153 

8 

LLOYD, J. & TAYLOR, J. ON THE TEMPERATURE-DEPENDENCE OF SOIL RESPIRATION. 

154 

Functional Ecology

 

8

, 315-323 (1994). 

155 

9 

Slater, A. G., Lawrence, D. M. & Koven, C. D. Process-level model evaluation: A Snow and Heat Transfer 

156 

Metric. 

The Cryosphere Discuss.

 

2016

, 1-16, doi:10.5194/tc-2016-258 (2016). 

157 

10 

Oleson, K. W.

 et al.

 Technical Description of version 4.0 of the Community Land Model (CLM). 

158 

(NATIONAL CENTER FOR ATMOSPHERIC RESEARCH, P. O. Box 3000 BOULDER, COLORADO 

159 

80307-3000, 2010). 

160 

11 

Raddatz, T. J.

 et al.

 Will the tropical land biosphere dominate the climate-carbon cycle feedback during the 

161 

twenty-first century? 

Climate Dynamics

 

29

, 565-574, doi:DOI 10.1007/s00382-007-0247-8 (2007). 

162 

12 

Krinner, G.

 et al.

 A dynamic global vegetation model for studies of the coupled atmosphere-biosphere 

163 

system. 

Global Biogeochem. Cy.

 

19

, GB1015, doi:10.1029/2003GB002199 (2005). 

164 

13 

Milly, P. C. D.

 et al.

 An Enhanced Model of Land Water and Energy for Global Hydrologic and Earth-

165 

System Studies. 

Journal of Hydrometeorology

 

15

, 1739--1761, doi:10.1175/JHM-D-13-0162.1 (2014). 

166 

14 

Slater, A. G. & Lawrence, D. M. Diagnosing Present and Future Permafrost from Climate Models. 

Journal 

167 

of Climate

 

26

, 5608--5623, doi:10.1175/JCLI-D-12-00341.1 (2013). 

168 

15 

Koven, C. D., Riley, W. J. & Stern, A. Analysis of permafrost thermal dynamics and response to climate 

169 

change in the CMIP5 Earth System Models. 

Journal of Climate

, doi:10.1175/JCLI-D-12-00228.1 (2012). 

170 

16 

Sato, H., Itoh, A. & Kohyama, T. SEIB--DGVM: A new Dynamic Global Vegetation Model using a 

171 

spatially explicit individual-based approach. 

Ecological Modelling

 

200

, 279--307, 

172 

doi:

http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2006.09.006

 (2007). 

173