Back to report · Publisher record

Mäkipää et al. (2024). Is the organic carbon-to-clay ratio a reliable indicator of soil health?

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Jukuri, 

open repository of the Natural Resources Institute Finland (Luke)              

 

  

 

 

 

All material supplied via

 Jukuri

 is protected by copyright and other intellectual property rights. 

Duplication or sale, in electronic or print form, of any part of the repository collections is prohibited. 
Making electronic or print copies of the material is permitted only for your own personal use or for 
educational purposes. For other purposes, this article may be used in accordance with the publisher’s 
terms. There may be differences between this version and the publisher’s version. You are advised to 
cite the publisher’s version.

 

This is an electronic reprint of the original article.  
This reprint 

may differ

 from the original in pagination and typographic detail. 

 

Author(s): 

Raisa Mäkipää, Lorenzo Menichetti, Eduardo Martínez-García, Tiina Törmänen, Aleksi 
Lehtonen

 

Title: 

Is the organic carbon-to-clay ratio a reliable indicator of soil health?

 

Year: 

2024

 

Version: 

Published version

 

Copyright: 

The Author(s) 2024

 

Rights: 

CC BY 4.0

 

Rights url: 

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

 

 

 

Please cite the original version: 

Raisa Mäkipää, Lorenzo Menichetti, Eduardo Martínez-García, Tiina Törmänen, Aleksi Lehtonen, Is the 
organic carbon-to-clay ratio a reliable indicator of soil health?, Geoderma, Volume 444, 2024, 116862, 
ISSN 0016-7061, 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116862

.  

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Geoderma 444 (2024) 116862

Available online 27 March 2024

0016-7061/© 2024 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license (

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

).

Is the organic carbon-to-clay ratio a reliable indicator of soil health? 

Raisa M

¨

akip

¨

a

¨

a , Lorenzo Menichetti

*

, Eduardo Martínez-García , Tiina T

¨

orm

¨

anen , 

Aleksi Lehtonen 

Natural Resources Institute Finland (Luke), Latokartanonkaari 9, FI-00790 Helsinki, Finland   

A R T I C L E  I N F O    

Handling Editor: L. Morgan Cristine  

Keywords: 

Soil organic carbon (SOC) 

SOC:Clay ratio 

European mineral soils 

LUCAS soil survey 

Forest soil, agricultural soil 

Soil monitoring 

A B S T R A C T    

Climate action plans under the Paris Climate Agreement and other national commitments aimed at improving 

soil-based  ecosystem  services  require  the  operational  monitoring  of  soil  carbon  (C).  The  European  Union  is 

aiming to enhance  soil health, and  as part of the proposed  Soil Monitoring Law, the European Commission 

recommends the monitoring of the soil C loss indicator among other soil health indicators. In this study, we 

evaluate the feasibility of the proposed soil C loss indicator by assessing its performance using the EU-wide 2009 

LUCAS soil survey data. The proposed indicator is the soil organic carbon (SOC) to clay ratio, with a threshold 

value of 1:13. The results are also compared with the C stock changes reported by countries to the climate 

convention (UNFCCC). Our results reveal that the variation in SOC and clay content at European scale exceeds 

that of the data used to develop the proposed indicator. We also found that the variation in the SOC content was 

influenced not only by clay content but also by climate and land-use reflecting C input levels. Therefore, the 

defined threshold is inadequate for detecting degraded soils if the SOC and clay content are beyond the con-

ditions used to establish the criteria. Furthermore, major discrepancies were observed between the soil carbon 

stock changes reported by the national greenhouse gas (GHG) inventories and the proportions of degraded soils 

identified by using the soil C loss indicator. We conclude that employing a single indicator such as SOC:Clay ratio 

with one threshold value for all soils across various land covers, management practices, and climatic conditions, 

as defined by the European Commission for the Soil Monitoring Law, is inappropriate for monitoring soil C loss.   

1. Introduction 

Anthropogenic  activities  have  considerably  depleted  initial  soil 

organic carbon (SOC) stocks, thus directly and negatively affecting soil 

health, its functioning, and capacity to deliver ecosystem services such 

as food security, water security, climate regulation or biodiversity pro-

tection (

Kopittke et al., 2023

). Soil health refers to ‘the ability of the soil 

to  sustain  the  productivity,  diversity,  and  environmental  services  of 

terrestrial  ecosystems

’ 

(

FAO  ITPS,  2020

).  Yet,  the  concept  remains 

elusive and cannot be quantitatively measured (

Janzen et al., 2021

). As 

a result, considerable efforts have concentrated on identifying a set of 

measurable biological, chemical, and/or physical indicators to facilitate 

the  assessment  of  soil  health.  These  indicators  should  represent  soil 

processes,  properties,  and  ecosystem  services,  but  they  must  also  be 

sensitive to management and be feasible for practical use (

Doran and 

Zeiss, 2000

). In this context, the SOC content is the most widely used 

indicator (

Bünemann et al., 2018

). In developing a plan for restoring soil 

health, the loss of SOC has been considered as one of the measures of soil 

degradation by the European Commission in the proposed Soil Moni-

toring Law, which aims to turn all soils within the European Union into 

healthy state by 2050 (

Panagos et al., 2022

). In the proposed law, the 

SOC content and SOC:Clay ratio were suggested to be an indicator of the 

soil C loss (

European Commission, 2023

). 

Monitoring of the soil C serves both international climate policy and 

national targets set for soil productivity and C stocks. Currently, moni-

toring of the SOC stock changes is a part of the national greenhouse gas 

inventories  (

IPCC,  2006;  European  Environment  Agency,  2023

)  and 

countries may have included soil C sequestration in their climate action 

plans as set in the Paris Climate Agreement (

UNFCCC, 2023

). Loss of 

SOC  on  mineral  soils  can  be  measured  by  repeated  sampling  (e.g., 

Grüneberg et al., 2014; Ortiz et al., 2013

). However, most countries use 

modeling to report changes in SOC stocks in their national greenhouse 

gas (GHG) inventories following IPCC guidelines (

IPCC, 2019

), since 

repeated  measurements  for  soil  carbon  monitoring  are  both  labor- 

intensive and expensive (

M

¨

akip

¨

a

¨

a et al., 2008

). On the other hand, the 

soil  C  stability  and  direction  of  change  of  the  SOC  stock  might  be 

* Corresponding author. 

E-mail address: 

lorenzo.menichetti@luke.fi 

(L. Menichetti).  

Contents lists available at 

ScienceDirect 

Geoderma 

journal homepage: 

www.elsevier.com/locate/geoderma 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116862 

Received 16 December 2023; Received in revised form 8 March 2024; Accepted 15 March 2024   

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Geoderma 444 (2024) 116862

2

assessed using indicators based on measured SOC content and other soil 

variables.  According  to 

Drexler  et  al.  (2022)

,  the  interpretation  of 

measured SOC contents as a C loss indicator relies on i) the comparison 

of SOC values with a set of baseline values derived from representative 

datasets (

De Rosa et al., 2023; De Vos et al., 2015; Nunes et al., 2021

), 

and/or ii) the use of desirable SOC thresholds or reference values. These 

thresholds can vary according to relationships between SOC and soil 

properties (

Carter, 2002; Loveland and Webb, 2003

), the use of SOC 

values of undisturbed control sites values (

Maharjan et al., 2020; Poe-

plau and Don, 2013

), and/or the use of proxies such the proposed SOC: 

Clay ratio (

Johannes et al., 2017; Prout et al., 2021

). 

The amount of clay is proposed to be a major factor influencing the 

ability  of  a  soil  to  retain  SOC  (

Hassink,  1997

),  related  to  the  SOC- 

stabilizing properties of clay (

Krause et al., 2018; Siebers et al., 2018

). 

Dexter et al. (2008) 

suggested that a SOC:Clay ratio of 1:10 is the limit 

for  clay  to  protect  SOC.  This  approach  was  further  reassessed  by 

Johannes et al. (2017) 

and 

Prout et al. (2021) 

defining thresholds for 

SOC:Clay ratios of 1:8, 1:10, and 1:13 to indicate the boundaries be-

tween  ‘very  good

’

, 

’

good

’

,  ‘moderate

’

,  and  ‘degraded

’ 

levels  of  soil 

structural conditions, respectively. In view of this, the European Soil 

Monitoring Law proposes to use a SOC:Clay ratio of 1:13 as the threshold 

for identifying degraded European mineral soils (

European Commission, 

2023

). 

In this study, we tested the performance of SOC:Clay ratio as an in-

dicator of soil C loss on the soil data obtained from the Soil Module of 

2009 Land Use and Coverage Area Frame Survey (LUCAS) survey in 

combination with other datasets for soil class, climate zone, and soil C 

stock changes. The LUCAS soil survey dataset covers a wide range of 

land covers, soil types, and SOC-clay content data across the EU. The 

principal objective was to evaluate applicability of the SOC:Clay ratio 

and its 1:13 threshold as a normalized ‘soil health

’ 

metric for identifying 

carbon loss of European mineral soils and to compare this indicator with 

the C stock changes reported by countries to the climate convention 

(UNFCCC).  Secondary  objectives  were  to  analyze  distribution  of  the 

degraded soils across land cover and climatic zones, and to examine the 

potential  of  additional  variables  in  predicting  variation  of  the  SOC 

content. 

2. Material and methods 

We relied  on the  2009 LUCAS soil survey (

https://esdac.jrc.ec.eu 

ropa.eu/content/lucas-2009-topsoil-data

) comprising a total of 21,859 

data points in Europe. Since soil texture data (incl clay content) were 

collected during the LUCAS soil sampling in 2009, a more recent LUCAS 

soil survey was not used in this study. The data points are georeferenced 

and represent a composite soil sample of four subsamples to a depth of 

approximately 20 cm (measured after removing the organic layer and 

vegetation residues), collected in a radius of 100 m from the relative 

LUCAS point. Further details can be found in the documentation of the 

dataset (

T

´

oth et al., 2013

). 

The land cover data from each data point was obtained from the 

primary  2009  LUCAS  dataset  (

https://ec.europa.eu/eurostat/web/lu 

cas/data/primary-data/2009

).  This  dataset  was  cross-referred  with 

several datasets using spatial join, with the aim of determining both the 

soil class and climatic zone of each point. For determining climate zones, 

we relied on the current K

¨

oppen-Geiger climate classification from 

Beck 

et  al.  (2023)

.  The  soil  classification,  which  was  based  on  the  World 

Reference Base (WRB) for Soil Resources (

IUSS Working Group WRB, 

2015

), was obtained from the European Soil Database v2.0 to define the 

soil class (

https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/european-soil-databa 

se-v20-vector-and-attribute-data

). In further selection, we excluded all 

points with SOC content above 200 g kg

−

1 

dw, identified as Histosols by 

the WRB. This is because the high organic content in Histosols is likely a 

result of either extremely high inputs or extremely reduced decompo-

sition, and as such, Histosols may not be sensitive to processes related to 

clay protection mechanisms. 

We considered coarse land cover classes, namely Artificial (A in 2009 

LUCAS classification), Cropland (B), Forest (C), Shrubland (D), Grass-

land (G), Bare land (F), Water land (G), and Wetlands (H). We studied 

the distribution of ‘healthy/degraded soils

’ 

in this dataset, defined by 

the 1:13 (or 0.077) SOC:Clay ratio, according to land cover, countries, 

and climatic zones. In addition, we assessed the explanatory potential of 

the different variables included in the dataset to explain the SOC vari-

ance. For this, we trained a random forest model on 70 % of the data 

points, with the remaining 30 % reserved for model validation. Subse-

quently, we used this model to determine the importance of each vari-

able in predicting SOC. The implementation used for this analysis was 

the 

paRF 

command (

Zhang et al., 2021

) in the 

BAGofT 

package in R 

software (version 4.3.1), and the metaparameter 

mtry 

(i.e., number of 

variables to sample at each split) was optimized via 

caret

. Three random 

forests (RF) models were trained (Eqs. (1)-(3)): 

SOC

≈

f

(

r

coarse

,

r

clay

,

r

sand

,

r

silt

,

pH

CaCl

2

,

CaCO

3

,

Country

,

LC

,

lat

,

long

,

)

(1)  

SOC

≈

f

(

r

coarse

,

r

clay

,

r

sand

,

r

silt

,

pH

CaCl

2

,

CaCO

3

,

Country

,

LC

,

lat

,

long

,

WRB

)

(2)  

SOC

≈

f

(

r

coarse

,

r

clay

,

r

sand

,

r

silt

,

pH

CaCl

2

,

CaCO

3

,

Country

,

LC

,

lat

,

long

,

CEC

)

(3)  

where ‘r

’ 

is each specific soil fraction, ‘

pH

CaCl

2

’ 

is pH (measured in 0.01 

M CaCl

2

), ‘CaCO

3

’ 

is calcium carbonate content, ‘Country

’ 

is the indi-

vidual country, ‘

LC’ 

is the land cover class, while ‘lat

’ 

and ‘long

’ 

are the 

latitude and longitude, respectively. We note that variables ‘N

’ 

nitrogen, 

‘P

’ 

phosphorous, ‘K

’ 

and potassium, which are also included in the 2009 

LUCAS soil survey, were excluded from Eq. (1) because they are always 

strongly correlated with SOC, being also elements present in organic 

matter. The parameter WRB in Eq. (2) represents the soil class according 

to WRB, while the parameter ‘CEC

’ 

in Eq. (3) represents cation exchange 

capacity of soil. 

Variable  importance  is  calculated  as  mean  decrease  in  impurity, 

which is averaged across the trees in the forest. This is based on the 

reduction in impurity (Gini impurity) that each feature brings to the 

trees within the model. This metric quantifies the contribution of each 

feature to the overall homogeneity of the nodes and leaves by averaging 

the impurity decrease attributed to that feature across all trees in the 

forest. The more a feature decreases impurity, the more important it is 

considered for the model

’

s predictive accuracy. The metric has only a 

value relative to each trained model. 

Finally, we also compared the proportion of healthy/degraded soils 

(based  on  criteria  SOC:Clay  with  threshold  of  1:13)  in  each  country 

according to land cover types with the emission data obtained from the 

annual EU greenhouse gas inventory as submitted to the UNFCCC (

Eu-

ropean Environment Agency, 2023

). These data are developed based on 

various methodologies. Greenhouse gas inventories report their soil C 

stock changes based on methods that are in line with IPCC good practice 

guidelines (

Penman et al., 2003

). These methods vary according to their 

Tier levels from default emission factors to state-of-art soil models and to 

repeated soil inventories (

European Environment Agency, 2023

). 

3. Results 

3.1. Land cover and indicated soil C loss 

Over the two dimensions of SOC and clay content, which were pro-

posed to be a basis of the soil C loss indicator, the distribution of the data 

points in what is classified as degraded space was clearly influenced by 

land cover. In this analysis, we focused on the three main land cover 

classes, i.e., cropland, grassland, and forest, which represent 44.6 %, 

21.8 % and 28.6 % of the total points, respectively (see Supplementary 

Table S1

). Our results show a much higher proportion of degraded soils 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Geoderma 444 (2024) 116862

3

among croplands in comparison to grasslands and forests (

Fig. 1

). The 

share of degraded soil increased in the order forests (4.2 %) 

<

grasslands 

(15.7 %) 

<

croplands (51.0 %; Supplementary 

Table S2

). Within other 

land  cover classes (Supplementary 

Table S2

), bare lands showed the 

highest proportion of degraded soils (69.7 %), while these soils were less 

represented  in  shrublands  and  wetlands  (18.8  %  and  4.0  %, 

respectively). 

The median of the SOC content in cropland, grassland, and forest on 

mineral soils (when observations above 200 g kg

−

1 

dw were excluded) 

were 14.2, 15.8, and 18.2 g kg

−

1 

dw, respectively, whereas their median 

of clay content 210, 150, and 70 g kg

−

1 

dw, respectively. Thus, grassland 

and forest contained more SOC in comparison to cropland, while the 

clay content of the soil was highest in cropland (

Fig. 1

, Supplementary 

Table S3

). 

3.2. SOC:Clay as soil C loss indicator and reported C losses by countries 

According to the SOC:Clay ratio, it is estimated that on average 29.1 

% of  the mineral soils analyzed in the 2009 LUCAS survey are  non- 

healthy (i.e., degraded; 

Fig. 2

). However, there is a large variation in 

the  proportion  of  degraded  soils  between  studied  countries,  ranging 

from 1.2 % in Ireland to 68.5 % in Spain (

Fig. 2

b). 

The SOC:Clay ratio is proposed as an indicator of the soil C loss. 

Therefore,  the  results  that  were  based  on  the  indicator  values  were 

compared to the soil C stock changes reported in the national GHG in-

ventories  (

Fig.  2

a).  Based  on  the  last  10  years  of  United  Nations 

Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) data for mineral 

soils  (and  excluding  countries  within  a 

±

0.5  t  C  ha

−

1 

which  were 

considered  neutral),  all  grasslands  and  most  of  the  forests  (except 

Ireland)  acted  as  C  sinks.  Croplands  in  several  countries  (Belgium, 

Finland, France, Germany, Netherlands, Poland, Portugal, and Slovenia) 

acted  instead as C  sources. In  those countries,  proportion of  healthy 

croplands according to SOC:Clay ratio varied from 55 % in Slovenia to as 

high as 71 % in Germany. Interestingly, our findings reveal that Spain 

has neutral C soils in all reported land covers according to their GHG 

reporting to the UNFCCC, but only around 30 % of soils were classified 

as healthy with C loss indicator. In Estonia, the proportion healthy soils 

vary between 20 and 50 % depending on land-use, but simultaneously 

all these land-uses have been reported as carbon sinks by the UNFCCC 

reporting. The comparison of results between reporting of soil C stock 

changes to the UNFCCC and the proposed soil health indicator highlights 

inconsistencies  between  measures  that  are  aiming  to  monitor  soil  C 

losses. 

Our analysis also draws attention to the latitudinal gradient and its 

correspondence with climatic conditions on the dominance of healthy 

soils across the 2009 LUCAS survey. The healthiest soils are concen-

trated in northern European countries, while more degraded soils are 

found in southern countries (

Fig. 2

b). Among the climatic zones repre-

sented  in  the  dataset  (

Fig.  3

),  the  colder  climates,  i.e.,  Continental 

subartic (Dfc), and Continental humid with warm summers (Dfb), pre-

sented 98.5 % and 85.7 % of healthy soils, respectively. These regions 

are situated in northern Europe. The northern part of the boreal region 

has a Dfc climate, while the southern boreal region and the majority of 

eastern  Europe  are  characterized  by  Dfb  climate  (

Supplementary 

Fig. S1

). 

Temperate oceanic (Cfb) regions, mainly in UK, France, certain parts 

in  Germany,  as  well  as  mountain  ranges  in  Italy,  had  76  %  of  soils 

classified as healthy (

Fig. 3

). Moreover, the Mediterranean climate with 

warm summers (Csb) had 68 % of the points classified as healthy. These 

regions are characterized by a Mediterranean climate that has oceanic 

influences,  such  as  those  found  in  northern  Portugal  and  Spain.  In 

contrast, Mediterranean areas with hot summers (Csa) only 45 % of the 

soils  was  classified  as  healthy.  These  regions  are  characterized  by 

Mediterranean macchia vegetation with some xeric adaptation, as in the 

south-west part of Italy and Spain. Similarly, the Hot humid continental 

climate (Dfa) only included 48 % of healthy soils. It should be noted that 

soils from this climate are primarily present in Hungary, representing 98 

% of all data points recorded for this climate class. 

The  Oceanic  subtropical  (Cfa)  climate  accounts  for  only  42  %  of 

healthy  soils  (

Fig.  3

).  This  climate  is  common  in  highly  productive 

agricultural regions around the Mediterranean basin, such as Pianura 

Padana in Italy. While the climate is hot, it is also typically quite humid. 

Finally, Arid (BWk and BWh) and Semi-arid steppe climates (BSk and 

BSh)  are  predominantly  situated  in  central  Spain,  with  smaller  pro-

portions in southern Italy and in Greece. These regions only included 30 

%, 25 %, 20 %, and 0 % of healthy soils, respectively. They represent the 

driest  Mediterranean  areas,  such  as  most  of  Puglia  in  Italy  and  the 

western  part  of  central  Spain,  where  agriculture  requires  significant 

adaptation to cope with the arid conditions. 

3.3. Importance of variables in explaining the SOC variance 

The 10 most important predictors in the first model (Eq. (1), 

Fig. 4

) 

determining variation of the SOC content were: 1) clay, 2) pH, 3) if land 

Fig. 1.

Distribution of the soil organic carbon (SOC) and clay content for different land covers (cropland, forest, and grassland). Density plots of SOC and clay 

contents for each land cover are shown in panel a). Panel b) shows the 2-dimension density distribution of the data points of the 2009 LUCAS soil survey on 

croplands, croplands, and grasslands in the same space. Dashed line in panels a) and b) represents the SOC:Clay threshold of 1:13. Less represented land-use classes 

are not plotted for readability and SOC contents above 200 g kg

−

1 

dry weight (dw) were excluded, since they were considered to represent organic soils where the 

SOC:Clay content is not proposed to be a relevant indicator. 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Geoderma 444 (2024) 116862

4

cover was a cropland or any other class, 4) latitude, 5) longitude, 6) sand 

fraction, 7) calcium carbonate (CaCO

3

) content, 8) coarse fraction, 9) silt 

fraction, and 10) if land cover was grassland or any other class. 

In terms of linear correlations (i.e., Pearson

’

s correlation and R

2 

of a 

linear regression), from the lowest correlation to the highest, the vari-

ables correlated with organic C as follows: Clay (Pearson

’

s 

=

0, R

2 

=

0), 

silt (Pearson

’

s 

=

-0.01, R

2 

=

0), sand (Pearson

’

s 

=

0.01, R

2 

=

0), K 

(Pearson

’

s 

=

-0.01,  R

2 

=

0),  P  (Pearson

’

s 

=

0.02,  R

2 

=

0),  coarse 

(Pearson

’

s 

=

0.11, R

2 

=

0.01), CaCO

3 

(Pearson

’

s 

=

-0.12, R

2 

=

0.02), 

Longitude (Pearson

’

s 

=

0.12, R

2 

=

0.01), CEC (Pearson

’

s 

=

0.27, R

2 

=

0.08), Latitude (Pearson

’

s 

=

0.32, R

2 

=

0.11), pH(CaCl

2

) (Pearson

’

s 

=

-0.36, R

2 

=

0.13), and N (Pearson

’

s 

=

0.84, R

2 

=

0.71). 

The first random Forest (RF) model (Eq. (1)) could explain 50 % of 

the  variance  on  the  independent  validation  dataset  (

Supplementary 

Fig. S2

), which even fall to 49 % when including the WRB soil classes as 

predictors (Eq. (2)). However, the introduction of CEC (Eq. (3)) signif-

icantly contributed to explaining a large portion of the SOC variability, 

as the only available information on C inputs to the soil were the land 

cover  classes.  On  the  independent  validation  dataset,  this  model 

explained 73 % of the variance. 

Fig. 2.

Proportions of healthy (non-degraded) mineral soils by the three major land cover classes and country included in the 2009 LUCAS soil survey (a) and the 

proportion of healthy/degraded soils by country (b). The colors in panel (a) show the carbon stock change for each land cover based on the last 10 years of 

greenhouse gas inventory reporting under United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) for mineral soils. Blue bars denote carbon sink, while 

orange bars indicate carbon source. Pink bars denote 

“

neutral

” 

countries, within a 

±

0.5 t C ha

−

1 

change. Grey bars denote missing data. The small labels under each 

bar denote the land covers cropland (C), forest (F), and grassland (G). The colors in panel (b) correspond to degraded (red, shaded) and healthy (green) soils. 

Fig. 3.

Proportion of soil data classified as healthy (green) or degraded (red shaded) based on the SOC:Clay 1:13 threshold for different K

¨

oppen climatic zones (a), 

with the density distribution of their latitude (b) and longitude (c). Density distributions are calculated on all the points considered with kernel density estimation, 

darker color corresponds to higher point density. 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Geoderma 444 (2024) 116862

5

4. Discussion 

4.1. The SOC:Clay ratio as indicator of soil carbon loss 

Observed discrepancies between soil carbon stock changes reported 

by  the  national  GHG  inventories  and  proportions  of  degraded  soils 

identified by using the soil C loss indicator showed that a simple indi-

cator such as SOC:Clay ratio with one threshold value for all soils across 

land cover classes, management practices and climate conditions cannot 

serve soil health monitoring as proposed by the European Commission 

for the Soil Monitoring Law. Although, monitoring of a simple indicator 

of the soil C loss cannot replace soil carbon inventory that builds on 

repeated soil measurements or comprehensive soil C modelling (

Euro-

pean Environment Agency, 2023

), the SOC:Clay ratio may be a valid 

indicator for soil structural quality that protects SOC on local scale as 

proposed in the studies where approach was developed (

Dexter et al., 

2008; Johannes et al., 2017; Prout et al., 2021

). In soils with SOC:Clay 

<

1:13, majority of the SOC is assumed to be protected by mineral matter 

and when the ratio is 

>

1:13 there is assumed to be unprotected SOC 

which  may  be  relatively  easily  mineralized  in  case  of  management 

change or changes in environmental conditions. For a soil health indi-

cator that is relevant on a larger scale, variation in the SOC and clay 

content should be considered and threshold values specific to different 

land cover classes, edaphic and climatic conditions should be developed 

(

Rabot et al., 2024

). For example, in a dataset encompassing 3800 sites 

of croplands, grasslands, and forest soils throughout the UK where in-

dicator based on SOC:Clay ratio was tested, the median clay content 

varied from 242 g kg

−

1 

dw in forest soils to 260 g kg

−

1 

dw in permanent 

grassland soils (

Prout et al., 2021

). In the European wide 2009 LUCAS 

soil  survey  data,  however,  the  median  clay  contents  of  forest  and 

grassland soils across Europe were 80 and 180 g kg

−

1 

dw, respectively. 

Thus,  the  SOC:Clay  threshold  values  derived  by 

Prout  et  al  (2021) 

cannot be applicable for soils across different land-use classes in Europe. 

The SOC:Clay ratio in the 2009 LUCAS soil survey data indicate that 

a large proportion of the cropland soils is non-healthy (degraded), while 

the  soils  of  forests and grasslands exhibited  higher SOC  content and 

lower clay content being therefore considered healthy if 1:13 threshold 

is applied (

Fig. 1

). There are, however, several limitations to consider 

when using the SOC:Clay ratio and its associated degradation threshold 

as a soil health indicator across different land cover types. For instance, 

clay content is not directly affected by the land cover (vegetation) and 

management  history,  which  are  drivers  of  C  inputs  to  the  soil  and 

together with microbial activity determine SOC dynamics (

Wiesmeier 

et al., 2013; Prout et al., 2021

). Croplands tend to have, since they are 

usually located in the bottom part of the soil catena, higher clay content 

but simultaneously lower SOC content when compared to forests (

Fig. 1

) 

due to lower C inputs that forest and grassland soils. Due to their higher 

inputs, forest and grassland soils have usually more C than cropland soils 

(

Morais et al., 2019

). This suggests that land management is much more 

intensive  in  agriculture,  which  has  annually  repeated  agricultural 

practices,  compared  to  forestry,  where  there  can  be  several  decades 

between operations (e.g., soil preparation, thinning, and final felling). In 

any case, it appears clear the importance of C inputs to determine levels 

of SOC stocks. On the other hand, relatively low clay content of forest 

soils may relate to land cover history, i.e., areas with higher clay content 

were more fertile and converted to croplands, while soils with lower clay 

content remained as forests and grasslands. All this means that SOC:Clay 

ratio  alone  without  also  considering  C  inputs  to  the  soil,  is  not  a 

consistently sensitive indicator for detecting soil carbon loss on different 

land-use classes. Consequently, it is necessary that such soil health in-

dicators are tailored to specific conditions and land covers. The problem 

can of course be mitigated by subsetting the SOC variability into main 

classes, for example cropland/forest/grassland, but still it is likely that 

there will be a significant part of the SOC variability explained by C 

inputs, which are variable also within each major class. The finer clas-

sification, based on some proxy of C inputs, we use, the more we would 

mitigate  the  problems  of  the  SOC:Clay  indicator  at  the  expense  of 

reducing its general applicability. 

Our study found an influence of soil types (Supplementary 

Table S4

), 

but often in interaction with land cover and climate. It is well known 

that different soil types inherently contain varying levels of SOC and 

clay (

Prout et al., 2021

). According to our analyses, Vertisols were the 

most  degraded  class,  despite  being  rich  in  high-active  clay  minerals 

(

K

¨

ogel-Knabner and Amelung, 2021

), likely due to cumulative loss of C 

during their intensive and long-term use in agriculture. The second and 

third most degraded soil classes where Calcisols and Solonchaks, which 

are soils with high concentration of calcium and sodium salts (respec-

tively) and are found in arid and semi-arid regions, which suggests an 

impact of climate and limited productivity on their degradation status. 

On the other hand, Podzols, which are usually soils having sandy to 

loamy sand texture and not particularly rich in clay, where the second 

least degraded class. This is likely due to Podzols being usually char-

acterized by slow microbial activity in cool climate and forest

’

s high C 

input,  partly  persistent  towards  decomposition,  to  the  soil.  Cryosols 

were the less degraded class, and these soils are usually on marginal 

lands such as tundra but here cold climate associated with cryogenic 

processes (

Ping et al., 2008; K

¨

ogel-Knabner and Amelung, 2021

) is likely 

to  play  a  role  slowing  down  decomposition.  Thus,  influence  of  soil 

classes seemed to be consequence of many different processes. 

According to applied SOC:Clay ratio as an indicator for soil C loss, the 

proportion on non-degraded healthy mineral soils was highest in the 

cool climate of northern Europe and Ireland, while in the Mediterranean 

region a large proportion of the soils were degraded (

Fig. 2

b and 

Fig. 3

). 

Relying solely on the SOC:Clay ratio oversimplify the multiple processes 

involved in soil C dynamics and penalizes regions or countries with land 

covers and soil properties that lead to lower SOC:Clay ratios. Recently, 

Poeplau and Don (2023) 

carried out a study on German soils, in which 

they  criticized  the  SOC:Clay  ratio  as  an  inappropriate  metric  for 

measuring SOC loss sensitivity. The authors argued that this indicator is 

highly reliant on clay and is highly susceptible to strong bias, but it is 

also being partially insensitive to SOC changes. Our research expands on 

the analyses of the use of this indicator in the wider EU region, high-

lighting  the  limitations  of  the  proposed  indicator.  We  suggest  that 

sensitivity of a certain soil to C losses is more strongly influenced by land 

cover,  intensity  of  land  management,  and  climate  rather  than  clay 

content (

Fig. 1 

and 

Fig. 3

). Soil C stocks are affected by land-use and land 

management practices, since intensive management and frequent dis-

turbances reduce both mean biomass stocks over rotations and annual 

organic matter inputs to soil (

Lorenz and Lal, 2010

). Climate and soil 

fertility define productivity, which affects biomass and organic matter 

inputs to soil. In addition, while the ability of soils to store organic C into 

Fig. 4.

Relative importance of the first 10 explanatory variables defined by the 

first Random Forest model (Eq. (1)). Note that the relative variable importance 

is proportional to the fraction of explained variance for each variable, but not 

the same thing. Colour is proportional to the relative importance and is added 

only for readability purposes. 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               

Page 7

Figures and page graphics, page 7

Geoderma 444 (2024) 116862

6

soil particles is partly determined by their clay content, the type of clay 

minerals present also affects this process (

Georgiou et al., 2022

). There 

are regional patterns in this respect, e.g., northern EU regions are richer 

than southern regions in vermiculite and less in smectite (

Ito and Wagai, 

2017

). As soil formation proceeds, clay composition undergoes changes. 

Soils that are enriched in subsoil by certain type of clay minerals are 

considered  in  international  soil  classification  systems  (IUSS  Working 

Group  WRB  2022).  Thus,  existing  soil  maps  are  connected  to  clay 

mineralogy. However, it is hard to define a precise geographical pattern 

of clay activity. Including clay mineralogy into the predictive models of 

SOC might contribute to explain more variance. However, it is difficult 

to speculate on the extent of this contribution without high spatial res-

olution soil data or clay mineralogy data related to each specific LUCAS 

sample. 

4.2. What variables are the most important in determining soil organic 

carbon content? 

Although  the  SOC  content  does  not  necessarily  determine  the 

fragility of SOC and trends of SOC stock changes, the same variables that 

impact SOC stocks can assist in identifying potential future trends and 

the risk of SOC losses. Therefore, a good predictor of SOC content may 

also be a good predictor of soil C health. 

According to our analysis, the relationship between SOC and inde-

pendent  variables  appears  to  be  rather  complex  and  likely  with  in-

teractions  between  the  main  drivers:  soil  C  protection/stabilization, 

climate, and C inputs to the soil (and therefore land cover). We showed 

that an important predictor of SOC was whether a sampling point is on 

cropland or not, which is the most impacting land cover for soil C. 

Based on the statistical analyses (random forest) conducted in this 

study, the clay content was identified as one of the main predictors of the 

variation of soil organic matter when CEC was not considered. However, 

the model only accounted for 50 % of the total variance in the validation 

dataset,  so  there  is still  a  lot of  unexplained variation.  Moreover,  in 

terms of linear correlation, the explanatory power of clay fraction was 

among the lowest of all the variable tested, suggesting that although clay 

can  indeed  contain  information  about  soil  C,  the  relationship  is  not 

linear and is influenced by other variables (e.g., land cover). Therefore, 

although clay is known as a good proxy for some of the processes related 

to soil C loss (in particular, all the processes influencing the protection of 

soil C through adsorption; 

Xu et al., 2016

), the clay fraction alone is a 

poor indicator of soil C content. 

When also cation exchange capacity (CEC) was included in the model 

(Eq. (3)), it emerged as more important than clay, and the predictive 

power of the model increased substantially to a 73 % of the variance of 

the  validation  dataset  explained  by  it.  This  might  be  related  to  clay 

exchange  sites,  but  may  also  be  attributed  to  the  ability  of  organic 

matter to retain soluble ions because of its abundance of weak bonding 

sites (

Hallsworth and Wilkinson, 1958

). This makes hard to determine if 

the accumulation of SOC might be a result of the effect of organic matter 

on CEC or the cause. The good predictive power of pH in all models 

could have a similar explanation. 

Silt, coarse, and sand fractions were all identified as good predictors, 

among the texture descriptors, together with clay, suggesting that part 

of the variance due to soil physical processes is related also to coarser 

fractions. These may also provide information regarding hydrology or 

other processes associated with soil C, which is not present in clay. 

Additionally, another important predictor was latitude. Latitude has 

a strong influence on temperature, which in turn strongly affects SOC 

decomposition  (

Lloyd  and  Taylor,  1994

).  Similarly,  longitude  is  also 

important, particularly in combination with latitude as it contains in-

formation about the distance from the sea and/or large mountain ranges 

and therefore the precipitation patterns. The interaction between lati-

tude  and  longitude  collectively  provides  information  on  climate.  Ac-

cording to our analysis, soil class (WRB) was not a good predictor of 

SOC. We can only speculate about the reason for that, but it is possible 

that the information contained in the soil classification, which is highly 

multivariate and not quantitative, may not be suitable for describing the 

processes  associated  with  SOC  protection  in  a  general  enough  way. 

Another possibility is soil edaphic variability, which is always a concern 

when using soil maps due to their relatively coarse resolution compared 

to soil variability, which may result in inaccurate data. 

4.3. Limitations of the study: Representativity of the LUCAS sampling 

The LUCAS soil survey has proven crucial in mapping the variability 

of  European  soils  (

Orgiazzi  et  al.,  2017

).  However,  as  an  extensive 

sampling  effort  requires  coordination  of  multiple  actors,  the  survey 

presents potential sources of bias. For example, there is a documented 

spatial bias in the exclusion of soils located at an altitude higher than 

1500 m.a.s.l. (

Schmidt et al., 2018

). Furthermore, sampling protocol can 

be challenged, since the organic layer of the boreal forest soils, which is 

highly sensitive to disturbance induced loss of soil C, is not considered. 

Additionally, a sampling protocol, where sampling of the organic layer is 

not considered and separation of organic layer and uppermost mineral 

soil layer is not specified, may result in varying quantities of organic 

layer being included in the soil sample that represents the upper mineral 

soil layer. This can lead to biased results on the soil carbon content of 

that layer (see 

T

´

oth et al., 2013

). 

Ziche et al. (2022) 

compared the 2015 

LUCAS soil with German national soil inventory data. They found much 

higher variability and a bias towards higher values of C and N in the 

LUCAS data, possibly because of imprecision in how the organic layer 

was separated from the mineral layer. 

Panagos et al. (2020) 

had re-

ported the same issue, again concerning forest soils. Also, 

T

´

oth et al., 

(2013) 

reported that in some cases part of the organic layer might have 

been sampled together with mineral soils in the 2009 sampling. The 

identification  of  the  organic  layer  in  forest  soils  is  difficult  also  for 

trained soil scientists, and it is reasonable to imagine that the LUCAS 

sampling, relying on more general professionals, could have faced this 

problem.  This  might  have  increased  the  variability  and  reduced  the 

significance of any predictive relationship of SOC, including the SOC: 

Clay ratio. 

5. Conclusions 

The SOC:Clay ratio with a threshold value of larger than 1:13 for 

healthy  soils  as  proposed  by  the  European  Commission  in  the  Soil 

Monitoring Law might be a very speditive indicator of soil C loss, but its 

general applicability as such is only within narrow ranges of SOC values, 

clay contents, land-use, and climate. Although there is evidence of the 

linkage between SOC:Clay ratio and soil structural quality, which in-

dicates  soil  functioning  and  protection  of  SOC  by  mineral  matter 

(

Johannes et al., 2017; Prout et al., 2021

), this process may not be the 

most important. By examining the points of the 2009 LUCAS soil dataset, 

we found that the variation in the SOC content was influenced not only 

by clay content but also by climate and land-use reflecting C input levels. 

Thus, the defined threshold is inadequate for detecting degraded soils if 

the SOC and clay content are beyond the conditions used to establish the 

criteria. 

More efficient monitoring of the soil C and the risk of soil degrada-

tion  could  be  achieved  by  utilizing  other  potential  indicators  beside 

SOC:Clay ratio, such as more strictly process-based approach that ex-

amines  the  ratio  between  particulate  and mineral  associated  organic 

matter (POM and MAOM, respectively) as a warning signal of soil C 

fragility (

Whalen et al., 2022

). However, such a method requires rela-

tively expensive analyses and monitoring network. A more cost-efficient 

strategy could rely on SOC models, which already account land-use and 

climate  effects,  to  determine  the  reference  maximum  achievable  C 

stocks  for  the  entire  EU.  Thereafter,  the  measured  levels  may  be 

compared  to  the  reference.  However,  the  lessons  learned  from  the 

model-based setting of the forest reference level for 2021

–

2025 under 

the Land Use, Land Use Change, and Forestry (LULUCF) regulation and 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               

Page 8

Figures and page graphics, page 8

Geoderma 444 (2024) 116862

7

then determining LULUCF 2030 target based on mean values of the re-

ported C sinks suggest that it may be challenging to develop and agree 

method that could provide solid scientific basis for the threshold of the 

healthy soil. 

Currently, the national GHG inventories report SOC loss (or positive 

change in the SOC stock) through repeated SOC stock measurements or 

modelling  (e.g., 

European  Environment  Agency,  2023

).  Given  the 

inconsistency between  the soil C stock change estimates of  the GHG 

inventories and the SOC:Clay ratio as an indicator of soil C loss (

Fig. 2

), 

we conclude that the ratio is unsuitable for the monitoring of the SOC 

changes. Since many countries do not estimate soil C stock changes for 

all land-use classes or they continue using default emissions factors in 

their reporting under the UNFCCC, it is evident that both identification 

of non-healthy soils with a set of indicators and reporting of soil C stock 

changes under UNFCCC with higher Tier methods need repeated soil 

measurements  and/or  advanced  soil  modelling.  Therefore,  our  study 

highlights the importance of implementing repeated soil measurements 

by  national  soil  monitoring  frameworks  and  further  developing  soil 

health indicators, scope, and relevant thresholds for SOC status evalu-

ation. This will provide solid data for the local implementation of the 

European Soil Monitoring Law across different land-uses and biomes. 

CRediT authorship contribution statement 

Raisa M

¨

akip

¨

a

¨

a: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Writing 

– 

original draft, 

Supervision,  Resources,  Project  administration,  Funding  acquisition, 

Conceptualization. 

Lorenzo Menichetti: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, 

Writing 

– 

original draft, Visualization, Methodology, Formal analysis, 

Conceptualization. 

Eduardo  Martínez-García: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Writing 

– 

original draft. 

Tiina T

¨

orm

¨

anen: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Writing 

– 

original draft. 

Aleksi Lehtonen: 

Writing 

– 

review 

& 

editing,  Writing 

– 

original  draft,  Funding  acquisition, 

Conceptualization. 

Declaration of competing interest 

The authors declare that they have no known competing financial 

interests or personal relationships that could have appeared to influence 

the work reported in this paper. 

Data availability 

Data used in this study is available as OpenData as described in the 

manuscript 

Acknowledgements 

We acknowledge the LUCAS Soil survey for providing the European 

soil data and the national GHG inventories that created the UNFCCC 

data on soil carbon stock changes by the countries and land-use types. 

This  study  received  funding  from  the  European  Union

’

s  Horizon 

2020  and  Horizon  Europe  research  and  innovation  programs  under 

Grant  Agreements  number  101000289  for  the  HoliSoils  project  and 

number 101091010 for the Soil Mission project Benchmarks. The study 

has  been  done  with  affiliation  to  the  UNITE  Flagship  funded  by  the 

Finnish Research Council (decision no 337655). 

Appendix A. Supplementary data 

Supplementary data to this article can be found online at 

https://doi. 

org/10.1016/j.geoderma.2024.116862

. 

References 

Beck, H.E., McVicar, T.R., Vergopolan, N., Berg, A., Lutsko, N.J., Dufour, A., Zeng, Z., 

Jiang, X., van Dijk, A.I.J.M., Miralles, D.G., 2023. High-resolution (1 km) k

¨

oppen- 

Geiger maps for 1901

–

2099 based on constrained CMIP6 projections. Sci. Data 10, 

724. 

https://doi.org/10.1038/s41597-023-02549-6

. 

Bünemann, E. K., Bongiorno, G., Bai, Z., Creamer, R. E., De Deyn, G., de Goede, R., 

Fleskens, L., Geissen, V., Kuyper, T. W., M

¨

ader, P., Pulleman, M., Sukkel, W., van 

Groenigen, J. W., Brussaard, L. (2018). Soil quality 

– 

A critical review. Soil Biol. 

Biochem., 120, 105

–

125. 10.1016/j.soilbio.2018.01.030. 

Carter, M.R., 2002. Soil quality for sustainable land Management. Agron. J. 94, 38

–

47. 

https://doi.org/10.2134/agronj2002.3800

. 

De Rosa, D., Ballabio, C., Lugato, E., Fasiolo, M., Jones, A., Panagos, P., 2023. Soil 

organic carbon stocks in european croplands and grasslands: how much have we lost 

in the past decade? Glob. Chang. Biol. 00, e16992

. 

De Vos, B., Cools, N., Ilvesniemi, H., Vesterdal, L., Vanguelova, E., Carnicelli, E., 2015. 

Benchmark values for forest soil carbon stocks in Europe: results from a large scale 

forest soil survey. Geoderma 251

–

252, 33

–

46. 

https://doi.org/10.1016/j. 

geoderma.2015.03.008

. 

Dexter, A.R., Richard, G., Arrouays, D., Czy

˙

z, E.A., Jolivet, C., Duval, O., 2008. 

Complexed organic matter controls soil physical properties. Geoderma 144 (3

–

4), 

620

–

627. 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2008.01.022

. 

Doran, J.W., Zeiss, M.R., 2000. Soil health and sustainability: managing the biotic 

component of soil quality. Appl. Soil Ecol. 15 (1), 3

–

11. 

https://doi.org/10.1016/ 

S0929-1393(00)00067-6

. 

Drexler, S., Broll, G., Flessa, H., Don, A., 2022. Benchmarking soil organic carbon to 

support agricultural carbon management: a german case study. J. Plant Nutr. Soil 

Sci. 185, 427

–

440. 

https://doi.org/10.1002/jpln.202200007

. 

Proposal for a DIRECTIVE OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on 

Soil Monitoring and Resilience (Soil Monitoring Law). Brussels, 5.7.2023, COM 

(2023) 416 final, 2023/0232 (COD). 

European Environment Agency (2023). Annual European Union greenhouse gas 

inventory 1990

–

2021 and inventory report 2023. Submission to the UNFCCC 

Secretariat. EEA/PUBL/2023/044. 2023. 

FAO ITPS (2020). Towards a Definition of Soil Health. Soil Letters. 2020. Food and 

Agriculture Organization of the United Nations (FAO) and Intergovernmental 

Technical Panel on Soils (ITPS). 

Georgiou, K., Jackson, R.B., Vindu

ˇ

skov

´

a, O., Abramoff, R.Z., Ahlstr

¨

om, A., Feng, W., 

Harden, J.H., Pellegrini, A.F.A., Polley, H.W., Soong, J.L., Riley, W.J., Torn, M.S., 

2022. Global stocks and capacity of mineral-associated soil organic carbon. Nat. 

Commun. 13, 3797. 

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31540-9

. 

Grüneberg, E., Ziche, D., Wellbrock, N., 2014. Organic carbon stocks and sequestration 

rates of forest soils in Germany. Glob. Chang. Biol. 20, 2644

–

2662. 

https://doi.org/ 

10.1111/gcb.12558

. 

Hallsworth, E.G., Wilkinson, G.K., 1958. The contribution of clay and organic matter to 

the cation-exchange capacity of the soil. J. Agric. Sci. 51, 1

–

3. 

https://doi.org/ 

10.1017/S0021859600032743

. 

Hassink, J., 1997. The capacity of soils to preserve organic C and N by their association 

with clay and silt particles. Plant Soil 191, 77

–

87. 

https://doi.org/10.1023/A: 

1004213929699

. 

IPCC (2006) 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Available 

at: http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/index.htm. 

IPCC (2019) Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas 

Inventories. Available at: https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/index. 

IUSS Working Group WRB (2015) World Reference Base for Soil Resources 2014, Update 

2015. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends 

for Soil Maps. World Soil Resources Reports N

o

. 106, Rome. FAO. 

Ito, A., Wagai, R., 2017. Global distribution of clay-size minerals on land surface for 

biogeochemical and climatological studies. Sci. Data 

4

, 170103. 

https://doi.org/ 

10.1038/sdata.2017.103

. 

Janzen, H.H., Janzen, D.W., Gregorich, E.G., 2021. The ‘soil health

’ 

metaphor: 

Illuminating or illusory? Soil Biol. Biochem. 159, 108167 

https://doi.org/10.1016/j. 

soilbio.2021.108167

. 

Johannes, A., Matter, A., Schulin, R., Weisskopf, P., Baveye, P.C., Boivin, P., 2017. 

Optimal organic carbon values for soil structure quality of arable soils. Does clay 

content matter? Geoderma 302, 14

–

21. 

https://doi.org/10.1016/j. 

geoderma.2017.04.021

. 

K

¨

ogel-Knabner, I., Amelung, W., 2021. Soil organic matter in major pedogenic soil 

groups. Geoderma 384, 114785. 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114785

. 

Kopittke, P.M., Minasny, B., Pendall, E., Rumpel, C., McKenna, B.A., 2023. Healthy soil 

for healthy humans and a healthy planet. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 52, 

4308

–

4324. 

https://doi.org/10.1080/10643389.2021.2024484

. 

Krause, L., Rodionov, A., Schweizer, S.A., Siebers, N., Lehndorff, E., Klumpp, E., 

Amelung, W., 2018. Microaggregate stability and storage of organic carbon is 

affected by clay content in arable Luvisols. Soil Till. Res. 182, 123

–

129. 

https://doi. 

org/10.1016/j.still.2018.05.003

. 

Lloyd, J., Taylor, J.A., 1994. On the temperature dependence of soil respiration. Funct. 

Ecol. 8, 315

–

323. 

https://doi.org/10.2307/2389824

. 

Lorenz, K., Lal R. (2010) Carbon sequestration in forest Ecosystem. Springer Press. . 

Loveland, P., Webb, J., 2003. Is there a critical level of organic matter in the agricultural 

soils of temperate regions: a review. Soil Tillage Res. 70 (1), 1

–

18. 

https://doi.org/ 

10.1016/S0167-1987(02)00139-3

. 

Maharjan, B., Das, S., Acharya, B.S., 2020. Soil health gap: a concept to establish a 

benchmark for soil health management. Global Ecol. Conserv. 23, e01116

. 

M

¨

akip

¨

a

¨

a, R., H

¨

akkinen, M., Muukkonen, P., Peltoniemi, M., 2008. The costs of 

monitoring changes in forest soil carbon stocks. Boreal Environ. Res. 13, 120

–

130

. 

Morais, T.G., Teixeira, R.F.M., Domingos, T., 2019. Detailed global modelling of soil 

organic carbon in cropland, grassland and forest soils. PLoS One 14 (9), e0222604

. 

Nunes, M.R., Veum, K.S., Parker, P.A., Holan, S.H., Karlen, D.L., Amsili, J.P., van Es, H. 

M., Wills, S.A., Seybold, C.A., Moorman, T.B., 2021. The soil health assessment 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Geoderma 444 (2024) 116862

8

protocol and evaluation applied to soil organic C. Soil Sci. Soc. Am. J. 85, 

1196

–

1213. 

https://doi.org/10.1002/saj2.20244

. 

Orgiazzi, A., Ballabio, C., Panagos, P., Jones, A., Fern

´

andez-Ugalde, O., 2017. LUCAS 

soil, the largest expandable soil dataset for Europe: a review. Eur. J. Soil Sci. 69 (1), 

140

–

153. 

https://doi.org/10.1111/ejss.12499

. 

Ortiz, C.A., Liski, J., G

¨

arden

¨

as, A.I., Lehtonen, A., Lundblad, M., Stendahl, J., 

Å

gren, G.I., 

Karltun, E., 2013. Soil organic carbon stock changes in swedish forest soils 

– 

a 

comparison of uncertainties and their sources through a national inventory and two 

simulation models. Ecol. Model. 251, 221

–

231. 

https://doi.org/10.1016/j. 

ecolmodel.2012.12.017

. 

Panagos, P., Ballabio, C., Scarpa, S., Borrelli, P., Lugato, E., Montanarella, L. (2020) Soil 

related indicators to support agro-environmental policies. EUR 30090 EN. 

Publications Office of the European Union, Luxembourg. 10.2760/011194. 

Panagos, P., Montanarella, L., Barbero, M., Schneegans, A., Aguglia, L., Jones, A., 2022. 

Soil priorities in the European Union. Geoderma Reg. 29, e00510

. 

Penman, J., Gytarsky, M., Hiraishi, T., Krug, T., Kruger, D., Pipatti, R., Buendia, L., Miwa, 

K., Ngara, T., Tanabe, K. 

& 

Wagner, F. (2003). IPCC Good practice guidance for land 

use, land-use change and forestry, Institute for Global Environmental Strategies 

(IGES), Japan. 

Ping, C.L., Michaelson, G.L., Kimble, J.M., Romanovsky, V.E., Shur, Y.L., Swanson, D.K., 

Walker, D.A., 2008. Cryogenesis and soil formation along a bioclimate gradient in 

Arctic North America. J. Geophys. Res. 113, G3. 

https://doi.org/10.1029/ 

2008JG000744

. 

Poeplau, C., Don, A., 2013. Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to 

different land-use changes across Europe. Geoderma 192, 189

–

201. 

https://doi.org/ 

10.1016/j.geoderma.2012.08.003

. 

Poeplau, C., Don, A., 2023. A simple soil organic carbon level metric beyond the organic 

carbon-to-clay ratio. Soil Use Manag. 39, 1057

–

1067. 

https://doi.org/10.1111/ 

sum.12921

. 

Prout, J.M., Shepherd, K.D., McGrath, S.P., Kirk, G.J.D., Haefele, S.M., 2021. What is a 

good level of soil organic matter? an index based on organic carbon to clay ratio. 

Eur. J. Soil Sci. 72, 2493

–

2503. 

https://doi.org/10.1111/ejss.13012

. 

Rabot, E., Saby, N.P.A., Martin, M.P., Barr

´

e, P., Chenu, C., Cousin, I., Arrouays, D., 

Angers, D., Bispo, A., 2024. Relevance of the organic carbon to clay ratio as a 

national soil health indicator. Geoderma 443, 116829. 

https://doi.org/10.1016/j. 

geoderma.2024.116829

. 

Schmidt, S., Ballabio, C., Alewell, C., Panagos, P., Meusburger, K., 2018. Filling the 

European blank spot 

– 

Swiss soil erodibility assessment with topsoil samples. J. Plant 

Nutr. Soil Sci. 181 (5), 737

–

748. 

https://doi.org/10.1002/jpln.201800128

. 

Siebers, N., Bauke, S.L., Tamburini, F., Amelung, W., 2018. Short-term impacts of forest 

clear-cut on P accessibility in soil microaggregates: an oxygen isotope study. 

Geoderma 315, 59

–

64. 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.11.024

. 

T

´

oth, G., Jones, A., Montanarella, L. (2013). LUCAS Topsoil Survey. Methodology, data 

and results. JRC Technical Reports. Luxembourg. Publications Office of the 

European Union, EUR26102 

– 

Scientific and Technical Research series. Doi: 

10.2788/97922. 

UNFCCC (2023) Nationally determined contributions under the Paris Agreement. 

Synthesis report by the secretariat, UN Climate Change Conference 14 Nov 2023 

FCCC/PA/CMA/2023/12 https://unfccc.int/documents/632334. 

Whalen, E.D., Grandy, A.S., Sokol, N.W., Keiluweit, M., Ernakovich, J., Smith, R.G., 

Frey, S.D., 2022. Clarifying the evidence for microbial- and plant-derived soil 

organic matter, and the path towards a more quantitative understanding. Glob. 

Chang. Biol. 28, 7167

–

7185. 

https://doi.org/10.1111/gcb.16413

. 

Wiesmeier, M., Hübner, R., Barthold, F., Sp

¨

orlein, P., Geu

ß

, U., Hangen, E., Reischl, A., 

Schilling, B., von Lützow, M., K

¨

ogel-Knabner, I., 2013. Amount, distribution and 

driving factors of soil organic carbon and nitrogen in cropland and grassland soils of 

southeast Germany (Bavaria). Agr. Ecosyst. Environ. 176, 39

–

52. 

https://doi.org/ 

10.1016/j.agee.2013.05.012

. 

Xu, X., Shi, Z., Li, D., Rey, A., Ruan, H., Craine, J.M., Liang, J., Zhou, J., Luo, Y., 2016. 

Soil properties control decomposition of soil organic carbon: results from data- 

assimilation analysis. Geoderma 262, 235

–

242. 

https://doi.org/10.1016/j. 

geoderma.2015.08.038

. 

Zhang, J., Ding, J., Yang, Y., 2021. Is a classification procedure good enough? a 

goodness-of-fit assessment tool for classification Learning. J. Am. Stat. Assoc. 118 

(542), 1115

–

1125. 

https://doi.org/10.1080/01621459.2021.1979010

. 

Ziche, D., Grüneberg, E., Riek, W., Wellbrock, N. (2022) Comparison of the LUCAS 2015 

inventory with the second National Forest Soil Inventory: Comparability and 

representativeness of two soil inventories conducted in Germany. Johann Heinrich 

von Thünen Institut, Thünen-Report 94, 62 S. 

R. M

¨

akip

¨

a

¨

a et al.                                                                                                                                                                                                                               


Document Outline