Back to report · Publisher record

Quesada et al. (2020). Variations in soil chemical and physical properties explain basin-wide Amazon forest soil carbon concentrations

Page 1

Figures and page graphics, page 1

SOIL, 6, 53–88, 2020
https://doi.org/10.5194/soil-6-53-2020
© Author(s) 2020. This work is distributed under
the Creative Commons Attribution 4.0 License.

SOIL

Variations in soil chemical and physical properties

explain basin-wide Amazon forest soil carbon

concentrations

Carlos Alberto Quesada

1

, Claudia Paz

1,2

, Erick Oblitas Mendoza

1

, Oliver Lawrence Phillips

3

,

Gustavo Saiz

4,5

, and Jon Lloyd

4,6,7

1

Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus, Cx. Postal 2223 – CEP 69080-971, Brazil

2

Universidade Estadual Paulista, Departamento de Ecologia, CEP 15506-900, Rio Claro, São Paulo, Brazil

3

School of Geography, University of Leeds, LS2 9JT, UK

4

Department of Life Sciences, Imperial College London, Silwood Park Campus, Buckhurst Road, Ascot,

Berkshire SL5 7PY, UK

5

Department of Environmental Chemistry, Faculty of Sciences, Universidad Católica de la Santísima

Concepción, Concepción, Chile

6

School of Tropical and Marine Sciences and Centre for Terrestrial Environmental and Sustainability Sciences,

James Cook University, Cairns, 4870, Queensland, Australia

7

Universidade de São Paulo, Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto, Av Bandeirantes,

3900, CEP 14040-901, Bairro Monte Alegre , Ribeirão Preto, São Paulo, Brazil

Correspondence:

Carlos Alberto Quesada (quesada.beto@gmail.com)

Received: 26 April 2019 – Discussion started: 11 June 2019

Revised: 8 November 2019 – Accepted: 2 December 2019 – Published: 11 February 2020

Abstract.

We investigate the edaphic, mineralogical and climatic controls of soil organic carbon (SOC) concen-

tration utilising data from 147 primary forest soils (0–30 cm depth) sampled in eight different countries across
the Amazon Basin. Sampled across 14 different World Reference Base soil groups, our data suggest that sta-
bilisation mechanism varies with pedogenetic level. Specifically, although SOC concentrations in Ferralsols and
Acrisols were best explained by simple variations in clay content – this presumably being due to their relatively
uniform kaolinitic mineralogy – this was not the case for less weathered soils such as Alisols, Cambisols and
Plinthosols for which interactions between Al species, soil pH and litter quality are argued to be much more
important. Although for more strongly weathered soils the majority of SOC is located within the aggregate frac-
tion, for the less weathered soils most of the SOC is located within the silt and clay fractions. It thus seems that
for highly weathered soils SOC storage is mostly influenced by surface area variations arising from clay content,
with physical protection inside aggregates rendering an additional level of protection against decomposition. On
the other hand, most of the SOC in less weathered soils is associated with the precipitation of aluminium–carbon
complexes within the fine soil fraction, with this mechanism enhanced by the presence of high levels of aromatic,
carboxyl-rich organic matter compounds. Also examined as part of this study were a relatively small number of
arenic soils (viz. Arenosols and Podzols) for which there was a small but significant influence of clay and silt
content variations on SOM storage, with fractionation studies showing that particulate organic matter may ac-
count for up to 0.60 of arenic soil SOC. In contrast to what were in all cases strong influences of soil and/or
litter quality properties, after accounting for these effects neither wood productivity, above-ground biomass nor
precipitation/temperature variations were found to exert any significant influence on SOC stocks. These results
have important implications for our understanding of how Amazon forest soils are likely to respond to ongoing
and future climate changes.

Published by Copernicus Publications on behalf of the European Geosciences Union.

Page 2

Figures and page graphics, page 2

54

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

1

Introduction

The soil organic carbon (SOC) pool is a function of the
amount and quality of organic material entering the soil and
its subsequent rate of mineralisation, which can be controlled
by the various stabilisation processes that protect SOC from
decomposition (Bruun et al., 2010). For example, organic
carbon may be stabilised in mineral soils through interactions
with oxides and clay minerals (Kahle et al., 2004; Kaiser and
Guggenberger, 2003; Mikutta et al., 2007; Saidy et al., 2012;
Saiz et al., 2012; Wiseman and Püttmann, 2006), with SOC
physically entrapped in soil aggregates (Baldock and Skjem-
stad, 2000) and/or stabilised by intermolecular interactions
between SOC and the surface of clays and Fe and Al hydrox-
ides (Oades, 2018). Thus, chemical adsorption on mineral
specific surface area (SSA) has an important role in C stabil-
isation (Kahle et al., 2003; Saggar et al., 1996, 1999; Saidy
et al., 2012).

Specific surface area is itself dependent on clay miner-

alogy, with low-activity clays (LACs) being 1

:

1 alumino-

silicates such as kaolinite (hereafter simply referred to as
1

:

1 clays) with low SSA and low cation exchange capacity

(

I

E

). This contrasts with high-activity clays (HACs) which

are 2

:

1 alumino-silicates such as smectites and illites (here-

after simply referred to as 2

:

1 clays) with a much larger

I

E

and SSA (Basile-Doelsch et al., 2005; Lützow et al., 2006).
Hydrous Fe and Al oxides also provide reactive surface ar-
eas for organic matter binding, with the content of Fe and Al
oxides in soils often reported as strongly correlated to C con-
tent (Eusterhues et al., 2005; Kleber et al., 2005; Saidy et al.,
2012; Wiseman and Püttmann, 2006). Hydrous iron and Al
oxides nevertheless show different surface properties to those
of clays. Specifically, whilst surface charges of clays are pre-
dominantly negative in the tropics (Sanchez, 1976), hydrous
oxides generally have positive charges and associated anion
exchange capacities, which can further substantially vary in
extent in different oxide types and levels of crystallinity (Cor-
nell and Schwertmann, 2003). Thus, the SSA of clay and ox-
ide mixtures, their chemical nature, and the types of charge
predominant in organic matter may all play an important role
in the C stabilisation process (Saidy et al., 2012).

For acidic soils, SOC stabilisation by Fe and Al oxides is

likely to be dominated by ligand exchange (a pH-dependent
process) involving carboxyl groups of SOC and simple OH
groups on the surface of the oxides (Kaiser and Guggen-
berger, 2003; Lützow et al., 2006; Wagai and Mayer, 2007): a
similar sorption mechanism to that occurring on the edges of
1

:

1 clay minerals such as kaolinite (Oades, 2018). Iron and

Al oxides can also increase the stabilisation of SOC through
interactions with clay minerals via a promotion of the forma-
tion of aggregates which then serve to preserve SOC (Kita-
gawa, 1983; Wagai and Mayer, 2007), also forming bridges
between kaolinite and charges in organic matter which are

mainly conferred by cationic amino (R-NH

2

) and sulfhydryl

(R-SH) groups (Wiseman and Püttmann, 2006). Other fac-
tors such as the pH of soil and the organic matter loading
present in the system also influence C stabilisation by min-
eral surfaces (Saidy et al., 2012).

Hydrous oxides themselves also vary in their capacity to

stabilise C, with amorphous Fe and Al oxides having com-
paratively higher capacity to stabilise C than more crystalline
oxides (Kleber et al., 2005; Mikutta et al., 2005). For ex-
ample, on a mass basis, the C sorption capacity of ferrihy-
drite is 2.5 times higher than that of goethite (Kaiser et al.,
2007), while amorphous Al oxides have a greater sorption
capacity than ferrihydrite (Kaiser and Zech, 2000). Despite
these complexities, because many heavily weathered soils
consist primarily of kaolinite (Sanchez, 1976) it is common
to find strong relationships between [SOC] and soil clay frac-
tion when only soils dominated by 1

:

1 clays are considered

(Burke et al., 1989; Dick et al., 2005; Feller and Beare, 1997;
Telles et al., 2003).

A second process that may also protect organic matter

against microbial decay and which should be much more rel-
evant to 2

:

1 clays soils is the co-precipitation of dissolved

organic matter (DOM) with Fe and Al (Baldock and Skjem-
stad, 2000; Boudot et al., 1989; Nierop et al., 2002; Scheel
et al., 2007). DOM can be precipitated in the presence of Al,
Fe and their hydroxides, with an efficiency of up to 90 % of
all DOM present in the solution of some acidic forest soils
(Nierop et al., 2002). The extent to which DOM precipitates
is largely influenced by soil pH, with higher pH values lead-
ing to an increase in precipitation (Nierop et al., 2002). This
is because pH affects both the solubility of DOM (which
decreases at low pH) and the speciation of Al. At higher
pH levels (> 4.2) the formation of hydroxide species such as
Al(OH)

3

and tridecameric Al (Al

13

) controls the solubility of

Al, but with Al

+

3

predominating at lower pH. Moreover, the

chemical nature of the carbon inputs into a soil may also po-
tentially influence the nature and extent of any DOM precip-
itation reactions, with high molecular weight derived from
lignin and tannins (e.g. aromatic compounds) with a large
number of functional groups likely to be preferentially pre-
cipitated from DOM (Scheel et al., 2007, 2008).

The retention of such precipitated DOM in the soil can

contribute substantially to total soil C pools and is consid-
ered one of the most important processes of SOC stabilisa-
tion (Kalbitz and Kaiser, 2008). Indeed, mineralisation rates
of such metal–DOM precipitates have been reported to be
28 times lower than that of original DOM, with the resis-
tance of precipitates against microbial decay increasing with
aromatic C content and large C : N ratios. This then results in
a relatively stable pool that accumulates in the soil (Scheel
et al., 2007). Exchangeable Al concentrations are often very
high for Amazon Basin forest soils (Quesada et al., 2011),
and with Al–OM co-precipitations particularly important in

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 3

Figures and page graphics, page 3

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

55

such developing soils (Kleber et al., 2015), stabilisation of
DOM by precipitation with Al is likely to be of consider-
able importance, especially in the western area of the Ama-
zon Basin where actively evolving soils dominate (Quesada
et al., 2010).

Given the range of potential mechanisms discussed above,

no single soil property should be considered likely to have
overriding control of SOC concentrations for Amazon Basin
forest soils. And indeed, although there is a current per-
ception that clay content alone exerts strong influence over
SOC concentration of Amazon forest soils (Dick et al., 2005;
Telles et al., 2003), all of this work has been done with
highly weathered soils and with SOC from soil characterised
by 2

:

1 mineralogical assemblages not showing any sort of

simple clay content dependency (Quesada and Lloyd, 2016).
This suggests that for such soils – as has already been shown
to be the case for other regions of the world with similar pe-
dogenetic levels (Bruun et al., 2010; Percival et al., 2000) –
variations in clay quality, oxide content and metal–DOM in-
teractions are likely to be just as, if not more, important in
influencing the extent of SOC stabilisation.

With the forest soils of the Amazon Basin varying sub-

stantially in their chemical and physical properties (Quesada
et al., 2010, 2011), it is important to consider how the dif-
ferent soils of the basin may differ in the mechanisms by
which they stabilise and store SOC. Specifically, we hypoth-
esised that soil groups with contrasting pedogenetic develop-
ment should differ in their predominant mechanism of SOC
stabilisation, and that soils which share more similar chemi-
cal and mineralogical characteristics should also share simi-
lar mechanisms of SOC stabilisation. Specifically, we ratio-
nalised that strongly weathered soils dominated by 1

:

1 clays

should have their C pools influenced primarily by clay con-
tent. On the other hand, given that Al is the main product
of weathering in the less weathered soils of western Ama-
zonia (Quesada et al., 2011), and with clay contents already
shown to not explain their SOC densities well (Quesada and
Lloyd, 2016), we hypothesised that interactions between Al
and organic matter were likely to be the main stabilisation
mechanism for such soils.

Finally, soil organic matter (SOM) is a complex mixture

of carbon compounds and different soil minerals. SOM con-
sists of various functional pools, which are stabilised by dif-
ferent mechanisms, each associated with a given turnover
rate. Aiming to simplify this complexity, several soil organic
matter partitioning methods have been developed to sepa-
rate SOM in different operationally defined pools or frac-
tions with contrasting chemical and physical characteristics
(Denef et al, 2010). Such fractionation methods provide ad-
ditional support for understanding soil carbon stabilisation
mechanisms and also provide useful constraints for models
of soil carbon dynamics (Trumbore and Zheng, 1996; Zim-
mermann et al., 2007).

Here we explore the climatic, edaphic and mineralogical

conditioning of soil carbon pools across the diverse forest

Figure 1.

Geographic distribution of 147 study sites across the

Amazon Basin, according to the different soil groups. Each point is
a 1 ha forest inventory permanent plot. Geographical locations have
been manipulated in the map to allow visualisation of site clusters
at this scale.

soils of the Amazon Basin, focusing on three major ques-
tions:

1. What are the major edaphic and climatic factors ex-

plaining observed variations in soil organic C across the
basin?

2. Are the likely contrasting stabilisation mechanism pat-

terns hypothesised to operate also consistently related to
different SOC physicochemical fraction distributions?

3. How should the contrasting SOC retention mechanisms

identified above influence our understanding of the
likely responses of the Amazon Basin forests to future
changes in climate?

2

Materials and methods

2.1

Study sites and sampling

Soils of 147 1 ha primary forest plots, representing 14 soil or-
ders, were sampled across the Amazon Basin as part of this
study (Table 1). These include forests in Brazil, Venezuela,
Guyana, French Guyana, Ecuador, Colombia, Peru and Bo-
livia (Fig. 1).

Details of soil sampling protocol, laboratory analysis and

soil classification can be found in Quesada et al. (2010,
2011), which described a subset of the soils detailed here.
For each site at least five soil cores were taken across the
1 ha plot to the depth of 2.0 m, with an additional 2.0 m soil
pit also sampled in each plot. Within each soil core, sam-
ples were collected over the following standardised depths:

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 4

Figures and page graphics, page 4

56

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

T

ab
le
1.

Climate

and

site

details

and

summary

of
soil

ph
ysical

and

chemical

characteristics

(0.0–0.3

m).

Abbre

viations

used:

T

A:
mean

annual

temperature;

P

A:
mean

annual

pre-

cipitation;

EV
:

ele
v

ation;

6

B

:

sum

of
bases;

IE:

ef

fecti

v

e

cat
ion

exchange

capacity;

6

B

(

R

):
total

reserv

e

bases;

Ch:

Chlorite;

Gi:

gibbsit

e;
Go:

goethite;

He:

Haematite;

Il:
Illite;

Ka:

kaolinite;

Mi:

Mica;

Mu:

Musco

vite;

Or/K:

orthoclase/K-feldspar;

Pl:

Plagioglase;

Sm:

Smectite;

Albite:

Al;

Microcline:

Mc;

ND

–

not

determined.

Soils

from

the

are
nic

group

(Arenosols/Podzols)

follo

wed

by

F

indicate

seasonally

flooded

white

sands.

F

or
the

mineralogies,

blank

columns

indicat

e

that

measurements

were

not

made;

∗

:

identification

uncertain;

0:
none

identified.

Sites

ha
v

e

been

numbered

and

ordered

according

to
their

upper

-layer

(0.0–0.3

m)

soil

C
content

as
gi

v

en
in
T

able

A1

(Appendix).

Soil

Classification

Locat

ion

T

A

P

A

E

V

pH

P

article

fraction

6

B

I

E

6

B(R)

Mineralogy

(

◦

C)

(mm)

(m)

Sand

Clay

Silt

(mmol

c

kg

−

1

)

1

◦

2

◦

1

Plinthosols

Braz

il,
Acre

25.1

1705.1

260

4.57

0.61

0.16

0.22

7.1

13.2

189.3

Ka

Mu,

Go,

He

2

Gle

ysols

Per
u,
north

26.3

2751.5

126

4.26

0.53

0.21

0.27

4.0

36.2

40.6

Mi

Ka

3

Cambisols

Per
u,
south

25.2

2457.0

358

4.53

0.23

0.36

0.41

11.0

15.4

206.5

Ka

Or/K,

Mu,

Ch

4

Podzols

F

Brazil,

Roraima

27.9

1836.0

46

4.91

0.78

0.05

0.17

1.1

2.8

20.1

5

Plinthosols

Braz

il,
Acre

25.0

1689.5

259

4.45

0.62

0.17

0.22

7.4

14.1

215.0

Mu

Ka,

Gi,

He

6

Ferralsols

V

enez

uela

28.0

2382.0

70

4.68

0.79

0.16

0.06

1.1

5.8

20.6

7

Alisols

Per
u,
south

25.4

2457.6

216

4.21

0.40

0.22

0.38

7.5

23.0

463.6

8

Podzols

Bra

zil,

Amazonas

27.1

2289.2

92

4.10

0.96

0.02

0.02

3.1

20.1

3.1

Pl

He,

Ch

9

Alisols

Per
u,
south

25.3

2536.5

216

4.41

0.18

0.29

0.53

5.7

29.6

362.1

Il-Sm

Mi,

Ka,

Al,

Go,

Gi

10

Re
gosol

Bra

zil,

Mato

Grosso

25.6

2353.1

280

5.34

0.77

0.12

0.11

20.2

22.3

109.0

Ka

Gi,

He,

Or/K

11

Acrisols

Bra

zil,

P

ará

26.8

2191.6

55

3.74

0.84

0.11

0.06

0.2

1.3

44.7

12

Acrisols

Braz

il,
Acre

26.0

1919.8

194

4.13

0.62

0.23

0.15

6.2

9.1

85.1

13

Ferralsols

V

enez

uela

28.1

2337.0

58

4.16

0.85

0.14

0.02

1.3

7.6

21.7

14

Ferralsols

Braz

il,
Mato

Grosso

25.5

1613.1

352

4.20

0.78

0.16

0.06

1.5

5.8

38.2

Ka

Gi,

Go,

He

15

Luvisols

Per
u,
south

25.2

2457.0

358

6.12

0.29

0.08

0.63

32.9

36.3

326.3

Mu

Ka,

Pl,
Or/K,

He,

Gi

16

Gle

ysols

Bra

zil,

Roraima

27.2

1839.0

60

4.40

0.73

0.17

0.10

4.2

8.3

41.1

17

Arenosols

F

Peru,

north

26.3

2751.5

127

4.14

0.94

0.03

0.04

1.7

4.0

13.0

Il-Sm

Ka

18

Ferralsols

Braz

il,
P

ará

26.7

2211.9

35

4.09

0.73

0.22

0.04

2.4

10.6

63.7

19

Plinthosols

Braz

il,
Acre

25.9

1907.0

203

4.23

0.19

0.18

0.62

10.2

29.2

145.9

Il-Sm

Ka

20

Alisols

Per
u,
south

25.4

2457.6

216

4.32

0.20

0.40

0.40

7.0

35.6

578.0

Il-Sm

Mi,

Ka,

Al

21

Gle

ysols

Per
u,
south

25.4

2457.6

217

4.05

0.17

0.39

0.44

3.4

41.4

486.0

Mi

Ka,

Il-Sm,

Al

22

Arenosols

Guyana

26.4

2813.3

125

4.73

0.96

0.02

0.02

2.5

3.4

8.0

23

Plinthosols

Braz

il,
Amazonas

26.4

2593.7

71

3.98

0.26

0.20

0.54

1.2

10.1

44.5

24

Ferralsols

Braz

il,
P

ará

26.7

2211.9

44

4.02

0.80

0.14

0.06

2.0

6.4

52.2

25

Plinthosols

Braz

il,
Mato

Grosso

25.3

1509.7

281

4.65

0.66

0.24

0.10

7.4

12.7

51.3

Ka

Gi,

He

26

Ferralsols

Braz

il,
Mato

Grosso

25.0

1854.4

326

4.19

0.86

0.10

0.04

1.2

12.1

9.5

Ka

Gi,

Mi

27

Acrisols

Bol

ivia

23.3

1142.6

447

5.88

0.75

0.10

0.14

17.8

18.2

230.1

Ka

Gi,

He,

Or/K,

Pl

28

Cambisols

Bol

ivia

24.8

813.4

310

6.06

0.48

0.18

0.35

51.3

51.6

679.7

Ka

Gi,

Go,

He,

Mu

29

Ferralsols

Boli

via

23.9

1451.2

299

4.63

0.74

0.20

0.06

1.6

12.5

48.8

Ka

Gi,

Go,

He,

Pl

30

Arenosols

Peru,

nor
th

26.3

2751.5

126

4.07

0.82

0.02

0.16

4.2

4.9

4.1

Mu

∗

Ch

31

Acrisols

Guyana

26.4

2813.3

124

4.24

0.81

0.15

0.05

3.4

10.0

17.6

32

Fluvisols

Peru,

south

25.1

2399.4

381

5.08

0.02

0.48

0.50

64.9

65.7

435.1

33

Plinthosols

Braz

il,
Acre

25.9

1946.3

205

5.19

0.18

0.20

0.63

31.0

41.8

546.4

34

Plinthosols

Braz

il,
Amazonas

26.3

2553.3

70

4.01

0.22

0.19

0.59

4.2

14.4

62.7

35

Plinthosols

Braz

il,
Amazonas

26.3

2553.3

70

3.94

0.14

0.13

0.73

4.6

16.0

44.0

36

Acrisols

Braz

il,
P

ará

26.8

2178.1

38

3.96

0.24

0.46

0.30

2.6

15.6

18.7

Ka

Sm

37

Arenosols

Guyana

26.7

2282.1

97

4.79

0.97

0.01

0.02

4.0

4.5

6.9

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 5

Figures and page graphics, page 5

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

57

T

ab

le

1.

Continued.

Soil

Classification

Locat

ion

T

A

P

A

E

V

pH

P

article

fraction

6

B

I

E

6

B(R)

Mineralogy

(

◦

C)

(mm)

(m)

Sand

Clay

Silt

(mmol

c

kg

−

1

)

1

◦

2

◦

38

Acrisols

Braz

il,

Mato

Grosso

25.6

2353.1

274

4.65

0.79

0.11

0.10

15.7

20.4

66.8

Ka

Gi

39

Alisols

Peru,

south

25.3

2536.5

216

5.06

0.02

0.46

0.52

49.9

56.7

978.3

Ka

Mu,

Or/K,

Ch,

He

40

Ferralsols

Boli

via

24.2

1456.7

198

4.70

0.58

0.36

0.06

13.2

20.1

36.5

Ka

Gi,

Sm

41

Ferralsols

Braz

il,

P

ará

26.8

2191.6

43

4.23

0.52

0.39

0.09

2.7

13.6

77.7

42

Plinthosols

Colom

bia

25.8

2804.1

106

4.50

0.21

0.42

0.37

10.0

62.1

327.0

Il-Sm

Ka,

Mi

43

Acrisols

Guyana

25.7

2932.2

124

4.44

0.82

0.13

0.05

2.8

10.9

31.0

44

Ferralsols

Guyana

26.6

2633.8

108

4.25

0.79

0.18

0.03

2.7

13.0

21.8

45

Ferralsols

Guyana

26.6

2633.8

106

4.03

0.76

0.20

0.04

2.9

11.2

22.0

46

Acrisols

Braz

il,

P

ará

26.8

2178.1

40

4.00

0.64

0.25

0.11

3.0

18.1

10.8

Ka

Gi

47

Lixisols

V

enez

uela

25.3

1364.4

291

5.43

0.71

0.10

0.19

17.8

17.9

45.2

Ka

Sm,

Mi

48

Cambisols

Peru,

nor

th

26.3

2805.5

97

5.15

0.10

0.28

0.62

50.7

57.2

496.4

Il-Sm

Ka,

Mi,

Al,

Mc

49

Plinthosols

V

enez

uela

25.8

2810.2

98

4.13

0.38

0.31

0.31

2.8

44.4

233.4

Il-Sm

Ka,

Mi,

Gi

50

Podzols

F

Brazil,

Amazonas

27.1

2289.2

100

4.73

0.89

0.09

0.02

1.3

3.1

1.6

51

Gle

ysols

V

enez

uela

28.0

2499.0

89

4.61

0.83

0.14

0.03

1.9

8.8

20.4

52

Cambisols

Braz

il,

Acre

25.7

1803.7

278

5.56

0.39

0.25

0.35

73.7

73.7

564.9

Ka

Pl,

Or/K,

Mu,

He

53

Alisols

Bol

ivia

25.0

3076.8

229

4.24

0.43

0.25

0.32

4.8

18.0

304.4

54

Plinthosols

Colom

bia

25.8

2804.1

107

4.29

0.19

0.43

0.38

10.2

62.60

385.1

Il-Sm

55

Cambisols

Peru,

south

25.4

2457.6

219

4.22

0.47

0.29

0.24

2.2

33.80

185.1

Il-Sm

Ka,

Mi,

Gi

56

Cambisols

Ecuador

24.9

3172.3

261

4.95

0.47

0.30

0.23

77.9

84.80

928.5

Il-Sm

Ka

57

Ferralsols

Boli

via

23.9

1451.2

300

4.39

0.73

0.21

0.06

1.7

15.2

50.1

Ka

Gi,

He,

Mu

58

Alisols

Bra

zil,

Rondônia

27.2

2208.0

78

3.81

0.20

0.34

0.46

2.0

30.0

78.6

59

Plinthosols

Braz

il,

Acre

25.9

1907.0

205

5.07

0.16

0.25

0.59

50.0

56.2

345.3

Il-Sm

Mi,

Ka

60

Cambisols

Peru,

south

25.6

2095.9

203

5.60

0.15

0.25

0.60

85.5

86.9

1047.9

61

Ferralsols

Braz

il,

Amazonas

26.9

2409.0

114

4.29

0.25

0.62

0.13

2.6

16.6

45.0

62

Ferralsols

Guyana

26.6

2633.8

101

4.37

0.82

0.15

0.03

3.6

12.2

19.4

63

Leptosols

Frenc

h

Guyana

25.0

3329.2

140

4.34

0.60

0.32

0.08

4.5

24.0

74.0

64

Cambisols

Peru,

south

25.4

2457.6

218

3.91

0.40

0.44

0.17

2.2

44.7

272.8

Il-Sm

Mi,

Ka,

Al,

Mc

65

Alisols

Col

ombia

25.8

2777.6

120

4.13

0.58

0.20

0.22

2.4

26.0

80.1

Ka

Il-Sm,

Mi,

Gi

66

Alisols

Bra

zil,

Rondônia

27.2

2208.0

83

3.82

0.27

0.26

0.48

1.2

29.3

75.0

67

Arenosols

Guyana

26.8

2158.5

102

4.53

0.90

0.01

0.09

3.0

7.8

28.3

68

Ferralsols

Frenc

h

Guyana

24.9

3329.2

140

4.40

0.52

0.38

0.10

4.6

13.2

72.6

Ka

Gi,

Go

69

Alisols

Peru,

nor

th

26.3

2805.5

97

5.20

0.32

0.27

0.40

68.8

92.1

464.1

Il-Sm

Ka,

Sm,

Gi

70

Plinthosols

Peru,

nort

h

26.3

2814.8

113

4.55

0.38

0.47

0.14

7.9

37.7

275.4

Ka

Il-Sm

71

Ferralsols

Braz

il,

Mato

Grosso

25.3

1509.7

281

4.20

0.47

0.45

0.08

4.8

22.0

103.0

Ka

Gi,

He,

Go,

Or/K

72

Ferralsols

Braz

il,

P

ará

26.9

2197.2

42

4.03

0.46

0.48

0.06

2.7

17.0

71.1

73

Cambisols

Ecuador

24.9

3172.3

266

4.63

0.36

0.29

0.35

89.8

124.7

835.0

Il-Sm

Ka,

Mi

74

Plinthosols

Boli

via

25.0

3076.8

229

4.07

0.30

0.23

0.47

4.2

9.7

261.9

75

Arenosols

Guyana

26.8

2289.6

98

4.86

0.97

0.03

0.00

4.6

6.0

6.3

76

Acrisols

Guyana

26.8

2289.6

98

4.20

0.59

0.36

0.05

4.1

19.1

27.7

77

Ferralsols

Braz

il,

P

ará

25.4

1883.1

145

3.78

0.23

0.66

0.10

4.0

21.4

10.7

Ka

Sm

78

Plinthosols

V

enez

uela

25.8

2810.2

98

3.97

0.24

0.36

0.40

2.9

53.4

296.3

Il-Sm

Ka,

Mi,

Gi

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 6

Figures and page graphics, page 6

58

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

T

ab
le
1.

Continued.

Soil

Classification

Locat

ion

T

A

P

A

E

V

pH

P

article

fraction

6

B

I

E

6

B(R)

Mineralogy

(

◦

C)

(mm)

(m)

Sand

Clay

Silt

(mmol

c

kg

−

1

)

1

◦

2

◦

79

Fluvisols

Peru,

south

25.0

3192.2

274

4.51

0.02

0.50

0.47

47.5

58.1

952.4

80

Ferralsols

Braz

il,
P

ará

26.7

2211.9

42

3.79

0.33

0.54

0.14

4.1

22.8

61.6

Ka

Go,

Gi

81

Cambisols

Peru,

south

25.5

2079.3

203

5.93

0.05

0.31

0.64

78.9

80.7

1253.3

82

Acrisols

Guyana

26.8

2387.0

90

4.07

0.60

0.34

0.06

3.3

18.0

28.5

83

Alisols

Peru,

nor
th

26.3

2777.8

126

4.47

0.78

0.10

0.13

1.3

24.6

114.7

Il-Sm

Mi,

Ka

84

Plinthosols

V

enez

uela

27.9

2510.0

114

4.44

0.63

0.30

0.07

2.6

10.0

21.1

85

Alisols

Bra

zil,

Rondônia

27.7

923.5

83

3.64

0.48

0.34

0.18

1.6

23.8

40.4

86

Plinthosols

Peru,

nort

h

26.3

2751.5

127

4.46

0.33

0.34

0.33

10.8

51.3

94.0

Il-Sm

Ka,

Gi

87

Alisols

Ecua

dor

25.3

3008.9

237

4.61

0.43

0.34

0.23

33.8

51.0

441.8

Ka

Il-Sm,

Mi

88

Acrisols

Peru,

nor
th

26.3

2814.8

113

4.42

0.32

0.46

0.22

5.4

37.1

224.9

Ka

Sm,

Gi

89

Alisols

Bra

zil,

Rondônia

26.2

2205.4

78

3.63

0.47

0.18

0.35

1.5

23.1

32.6

90

Gle

ysols

Peru,

nor
th

26.7

2645.1

140

4.31

0.62

0.16

0.22

4.1

17.8

172.0

Ka

He

91

Gle

ysols

Ecua

dor

25.3

3008.9

235

4.39

0.03

0.57

0.40

71.0

78.3

832.3

Il-Sm

Ka,

Sm

92

Cambisols

Peru,

south

25.5

2079.3

203

6.07

0.05

0.42

0.52

68.2

68.2

1225.3

Mica

Il,
Ka

93

Acrisols

V

enez

uela

26.2

3425.0

109

4.79

0.88

0.08

0.03

3.0

12.2

6.5

Ka

Gi,

Mi

94

Acrisols

Bol

ivia

24.1

1270.3

268

6.30

0.49

0.31

0.20

21.3

22.2

209.0

Ka

He,

Pl

95

Ferralsols

Braz

il,
Amazonas

27.1

2289.2

100

4.34

0.08

0.85

0.05

1.9

21.4

96

Alisols

Peru,

nor
th

26.3

2814.8

114

3.99

0.38

0.18

0.45

3.8

29.9

185.2

97

Cambisols

Boli

via

24.3

1066.0

373

5.23

0.55

0.18

0.26

60.7

61.9

283.4

98

Ferralsols

Braz

il,
Amazonas

27.0

2444.4

111

4.17

0.30

0.59

0.11

2.9

12.4

34.9

99

Cambisols

Braz

il,
Roraima

27.0

1855.0

153

4.25

0.43

0.36

0.22

9.5

16.1

120.0

100

Acrisols

V

enez

uela

26.2

3425.0

99

5.03

0.89

0.05

0.06

1.8

11.3

1.9

Ka

Sm,

Mi

101

Alisols

Ecua

dor

23.8

3710.7

431

4.49

0.40

0.33

0.27

11.1

26.6

333.9

Ka

Mi,

Gi

102

Alisols

Per
u,
north

26.3

2814.8

113

4.03

0.39

0.46

0.15

3.0

30.7

85.4

103

Alisols

Bra

zil,

Rondônia

26.2

2205.4

87

3.84

0.60

0.17

0.24

1.8

19.7

32.1

104

Luvisols

Bra

zil,

Acre

25.7

1883.8

228

4.26

0.14

0.55

0.31

25.8

45.9

461.1

105

Alisols

Ecuador

23.8

3710.7

432

4.77

0.41

0.29

0.30

20.4

30.5

330.2

Ka

Mi

106

Ferralsols

Braz

il,
Amazonas

27.1

2245.7

95

4.24

0.16

0.68

0.16

2.4

28.1

4.7

Ka

Sm,

Gi

107

Acrisols

Peru,

nor
th

26.8

2630.0

122

3.98

0.44

0.22

0.34

2.6

20.2

68.8

Ka

Go.

Gi

108

Gle

ysols

Col

ombia

25.8

2799.9

120

4.34

0.32

0.34

0.34

5.5

35.1

150.0

Ka

Mu,

Gi,

He,

Go

109

Gle

ysols

Bra

zil,

Roraima

27.3

1840.0

62

4.51

0.78

0.15

0.06

2.6

7.3

22.3

110

Plinthosols

Braz

il,
Amazonas

26.4

2593.7

71

4.00

0.36

0.18

0.45

1.9

14.9

47.3

111

Ferralsols

Braz

il,
Amazonas

27.1

2245.7

93

3.98

0.09

0.78

0.13

3.5

21.6

42.1

112

Ferralsols

Braz

il,
Amapá

26.8

2377.1

80

4.05

0.04

0.81

0.15

5.3

21.5

25.5

Ka

Gi

113

Cambisols

Peru,

south

25.5

2079.3

203

5.96

0.08

0.31

0.61

80.1

81.2

1304.2

114

Cambisols

Braz

il,
Acre

25.8

1652.5

236

5.92

0.25

0.37

0.38

80.3

80.4

845.6

Ka

Mu,

Pl,
Or/K,

He

115

Alisols

Bra

zil,

Roraima

27.3

1841.0

126

4.08

0.33

0.44

0.23

3.8

16.4

73.9

116

Fluvisols

Peru,

south

25.2

2477.1

356

6.72

0.01

0.45

0.54

85.3

85.9

1688.1

Ka

Mu,

Ch,

Pl,
Go

117

Ferralsols

Braz

il,
Amazonas

27.1

2193.2

110

4.27

0.13

0.46

0.41

1.9

17.5

24.3

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 7

Figures and page graphics, page 7

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

59

T

ab

le

1.

Continued.

Soil

Classification

Locat

ion

T

A

P

A

E

V

pH

P

article

fraction

6

B

I

E

6

B(R)

Mineralogy

(

◦

C)

(mm)

(m)

Sand

Clay

Silt

(mmol

c

kg

−

1

)

1

◦

2

◦

118

Acrisols

Frenc

h

Guyana

24.9

3329.2

140

4.16

0.33

0.57

0.10

5.3

21.3

31.2

119

Ferralsols

Braz

il,

P

ará

26.9

2175.8

43

4.13

0.23

0.68

0.09

2.7

8.5

70.5

120

Ferralsols

Braz

il,

P

ará

26.7

2211.6

45

4.27

0.14

0.79

0.08

3.1

17.7

68.3

121

Ferralsols

Braz

il,

Amazonas

27.1

2193.2

112

4.14

0.10

0.69

0.20

1.0

11.3

30.2

122

Alisols

Ecuador

23.8

3710.7

431

4.37

0.42

0.31

0.28

9.0

32.4

288.2

Ka

Mi,

Il-Sm

123

Podzols

F

Colombia

25.8

2799.9

120

4.27

0.75

0.01

0.25

6.4

7.1

3.3

Mu

Ch

124

Cambisols

Bol

ivia

24.3

1066.0

373

6.84

0.58

0.19

0.23

75.6

75.9

566.7

125

Fluvisols

Peru,

south

25.2

2457.0

356

6.41

0.48

0.52

0.00

84.5

85.2

1688.7

Mu

Ka,

Ch,

Or/K,

Pl

126

Ferralsols

Braz

il,

P

ará

25.1

2015.9

197

3.84

0.03

0.89

0.08

6.4

29.7

16.6

Ka

0

127

Ferralsols

Braz

il,

Mato

Grosso

25.1

1665.8

373

4.10

0.46

0.49

0.05

2.3

19.5

28.3

Ka

Gi,

Go,

He,

Mu

128

Acrisols

Frenc

h

Guyana

24.9

3329.2

140

4.76

0.12

0.68

0.20

10.9

15.5

87.9

Ka

Gi,

Go

129

Lixisols

Fre

nch

Guyana

24.9

3329.2

140

4.85

0.18

0.65

0.17

13.6

16.9

65.5

130

Ferralsols

Braz

il,

Amazonas

27.1

2289.2

106

3.94

0.20

0.68

0.12

3.7

21.9

5.0

Ka

0

131

Ferralsols

Braz

il,

Amazonas

27.1

2193.2

105

3.56

0.08

0.54

0.38

2.4

11.6

30.0

132

Lixisols

Frenc

h

Guyana

24.9

3329.2

140

4.74

0.17

0.62

0.21

16.2

17.4

64.2

133

Acrisols

Braz

il,

Amazonas

26.9

2457.9

119

4.29

0.08

0.81

0.11

2.7

15.4

43.3

134

Ferralsols

Braz

il,

Amazonas

27.1

2245.7

93

4.08

0.10

0.80

0.10

4.9

19.8

8.6

135

Fluvisols

Ecuador

23.8

3710.7

394

5.09

0.35

0.32

0.34

81.7

81.9

1181.6

Il-Sm

Ka,

Sm

136

Plinthosols

Braz

il,

Roraima

27.2

1841.0

59

4.43

0.43

0.38

0.19

4.0

14.2

72.1

137

Cambisols

Boli

via

24.2

1383.6

248

5.67

0.63

0.18

0.19

76.5

76.6

755.3

Il-Sm

Ka,

Mi

138

Gle

ysols

Bra

zil,

Roraima

27.2

1840.0

64

4.61

0.60

0.26

0.14

2.9

8.6

24.7

139

Podzols

F

Peru,

north

26.3

2777.8

124

4.07

0.60

0.08

0.32

6.8

8.5

10.5

Pl

Ch,

Ka,

He

140

Cambisols

Bra

zil,

Roraima

27.1

1846.0

85

4.02

0.33

0.43

0.25

3.1

15.3

64.0

141

Leptosols

V

enez

uela

26.3

2820.7

366

5.26

0.53

0.16

0.30

23.5

27.7

142

Umbrisols

Boli

via

24.2

1456.7

195

4.74

0.29

0.36

0.35

6.6

25.5

259.7

143

Umbrisols

Boli

via

24.2

1456.7

195

4.90

0.29

0.36

0.35

8.7

20.8

179.5

Ka

Il,

Mi

144

Cambisols

Bol

ivia

24.2

1383.6

248

6.17

0.84

0.07

0.09

50.7

52.2

715.1

Mi

Ka

145

Podzols

F

V

enezuela

26.2

3425.0

99

4.88

18.2

18.6

146

Gle

ysols

Peru,

nor

th

26.3

2801.3

114

4.03

6.20

62.3

147

Podzols

F

Peru,

north

26.7

2646.5

127

4.25

0.69

0.06

0.25

3.9

7.1

20.0

Mu

∗

Ch

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 8

Figures and page graphics, page 8

60

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

0–0.05, 0.05–0.10, 0.10–0.20, 0.20–0.30, 0.30–0.50, 0.50–
1.00, 1.00–1.50 and 1.50–2.00 m. They were collected using
an undisturbed soil sampler (Eijkelkamp Agrisearch Equip-
ment BV, Giesbeek, the Netherlands) and/or collected from
the pit walls at the same depths. All samples were air dried as
soon as possible with roots, detritus, small rocks and particles
over 2 mm then removed in the laboratory. Samples, sieved
at 2 mm, were used in the laboratory for analysis. Through-
out this paper only results for surface soils (0–0.30 m) are
reported, which is the layer that hold the bulk of soil C in
tropical forest systems (Batjes and Dijkshoorn, 1999).

2.2

Soil classification

Soils were classified according to their Reference Soil Group
(RSG), which represents the great order level in the World
Reference Base for Soil Resources (IUSS (International
Union of Soil Science) Working Group WRB, 2014). Our
classification were based on the requisite field and laboratory
observations taken following the standard approach from
WRB Guidelines for Soil Descriptions (Jahn et al., 2006).

2.3

Laboratory analysis

Soil samples were analysed at different institutions depend-
ing on sampling location: Max-Planck Institute für Biogeo-
chemie (MPI), Jena, Germany; Instituto Venezuelano de In-
vestigaciones Cientificas (IVIC), Caracas, Venezuela; or In-
stituto Nacional de Pesquisas da Amazonia (INPA), Manaus,
Brazil. All laboratories were linked through inter-calibration
exercises and strictly adhered to the same methodologies and
sample standards. For the Venezuelan soils, only cation ex-
change capacity was measured at IVIC, with all remaining
analysis being determined at MPI and INPA. Soil total re-
serve bases were analysed at INPA and Leeds laboratories
(University of Leeds, School of Geography). For samples
collected after 2008 (i.e. not included in Quesada et al. 2010)
all analyses were performed at INPA.

Chemical analysis

Soil pH was determined in H

2

O as 1

:

2

.

5. Exchangeable

cations were determined at soil pH using the silver thiourea
method (Ag-TU; Pleysier and Juo, 1980), with the analysis
of filtered extracts then done by atomic absorption spectrom-
etry (AAS) at INPA and IVIC or by ICP-OES at MPI. Each
sample run was checked and standardised with extracts from
the Montana SRM 2710 soil standard reference (National In-
stitute of Standards of Technology, Gaithersburg, MD, USA).
Effective cation exchange capacity (

I

E

) was calculated as the

sum of [Ca]

E

+

[Mg]

E

+

[K]

E

+

[Na]

E

+

[Al]

E

, where

[

X

]

E

represents the exchangeable concentration of each element in
mmol

c

kg

−

1

soil. Total phosphorus was determined by acid

digestion at 360

◦

C using concentrated sulfuric acid followed

by H

2

O

2

as described in Tiessen and Moir (1993). In the

same acid digestion extract, total concentration for Ca, Mg,
K and Na was determined and the weathering index Total
Reserve Bases,

6

RB

, calculated. This index is based on to-

tal cation concentration in the soil and is considered to give
a chemical estimation of weatherable minerals (Delvaux et
al., 1989; Quesada et al., 2010), with

6

RB

equal to [Ca]

T

+

[Mg]

T

+

[K]

T

+

[Na]

T

, where

[

X

]

T

represents the total con-

centration of each element in mmol

c

kg

−

1

soil.

Leaf litter lignin estimates were available for 72 of the

147 sites, having been obtained using the acid detergent fi-
bre method (Van Soest, 1963) as part of the studies of Que-
sada (2008) and Paz (2011).

2.4

Determination of soil organic C and its fractions

Concentrations of total SOC and N were determined in an
automated elemental analyser (Nelson and Sommers, 1996;
Pella, 1990). All samples were free of carbonates as con-
firmed by their acidic nature (Table 1). The partitioning of
SOC in its different fractions was also performed for a subset
of sites (

n

=

30) previously selected by Paz (2011) to account

for the large variation in weathering, climate and chemical
properties of soils occurring across forest sites in the Ama-
zon Basin. The fractionation was done in compound samples
by depth (0–5, 5–10, 10–20 and 20–30 cm) to better repre-
sent the soil conditions in the 1 ha sampling plot. The frac-
tionation scheme followed Zimmermann et al. (2007), which
yields five different fractions of labile C associated with the
clay and silt (

C

+

S

), resistant C associated with clay and

silt (

R

C

+

S

), C associated with sand and stable aggregates

(

S

+

A

), particulate organic matter (POM), and the dissolved

organic C (DOC) component. Samples were dispersed us-
ing a calibrated ultrasonic probe operating with an output
energy of 22 J mL

−

1

. They were subsequently wet sieved to

separate < 63 µm particles (

C

+

S

) from > 63 µm soil particles

(POM and

S

+

A

). The entire < 63 µm solution was then cen-

trifuged for 4 min at 1200 rpm. The

C

+

S

obtained after cen-

trifugation was oven dried at 40

◦

C for 48 h and subsequently

weighed. The

R

SOC

was obtained by incubating 1 g of

C

+

S

with 150 mL of sodium hypochlorite 6 % (adjusted to pH 8).
After this reaction, the remaining material was washed with
distilled water and oven dried at 40

◦

C for 48 h. The labile

C

+

S

fraction was determined as the difference of total C as-

sociated with clay and silt and the

R

C

+

S

. The DOC sample

was obtained by vacuum filtering a 50 mL aliquot of the total
water volume used in the wet sieving (after centrifugation)
through a membrane filter of 0.45 µm and C was determined
using a TOC analyser.

S

+

A

and POM were separated fol-

lowing the procedures described in Wurster et al. (2010) and
Saiz et al. (2015). In short, 25 mL of sodium polytungstate
solution (1.8 g cm

−

3

, Sometu - Europe™, Berlin, Germany)

was added to the > 63 µm dried samples placed in 50 mL cen-
trifuge tubes. Samples were then centrifuged for 15 min at
1800 rpm and left to rest overnight. After this time, samples
were left in the freezer for approximately 3 h, after which

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 9

Figures and page graphics, page 9

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

61

POM and

S

+

A

was separated by washing the frozen su-

pernatant with distilled water. Both fractions were washed
with distilled water to remove any residue of polytungstate
solution and then dried at 40

◦

C for 48 h. All fractions were

analysed in the same way as SOC.

Given that some tropical soils have aggregates that are

very strong and resistant to disruption by sonication, the
> 63 µm fraction often contains clay aggregates and therefore

S

+

A

represents the entire coarse fraction. The recovery of

C

after fractionation averaged 97.7 %.

2.5

Selective mineral dissolution

Soil samples were extracted for Fe and Al using estab-
lished standard techniques as described in detail in Van
Reeuwijk (2002). In short, replicate samples were shaken
for 16 h using dithionite–citrate and Na–pyrophosphate so-
lutions. The extraction with ammonium oxalate–oxalic-acid
solution at pH 3 was performed in the dark by shaking for
4 h. All extracts were determined for Fe and Al concentra-
tions in AAS. These methods provide useful quantitative es-
timates of soil oxide composition (Parfitt and Childs, 1988).
The dithionite–citrate solution dissolves all iron oxides, such
as goethite, gibbsite, ferrihydrite, halloysite and allophane,
but with hematite and goethite only partially dissolved. Al-
though this mineral dissolution method has a broad capacity
to estimate Fe and Al in such minerals, it does not differ-
entiate its various crystalline forms or between short-range
(amorphous) minerals and crystalline structures. The ammo-
nium oxalate – oxalic acid solution on the other hand, specifi-
cally dissolves short-range order minerals such as allophane,
imogolite, ferrihydrite, Al–humus complexes, lepidocrocite,
Al–vermiculite and Al hydroxy interlayer minerals. There-
fore, the difference between the two methods is often used
to estimate the amount of crystalline minerals in the soil,
viz. (Fe

d

-Fe

o

), while negative values indicate the predom-

inance of short-range minerals. Further interpretation of se-
lective dissolution data according to Parfitt and Childs (1988)
is shown in Table 2.

2.6

Soil physical properties

Soil particle size distribution was determined using the
pipette method (Gee and Bauder, 1986) is are reported here
as a fraction (ranging from 0 to 1). Soil bulk densities were
determined using samples collected inside the soil pits at the
same depths of other samples using standard container rings
of known volume (Eijkelkamp Agrisearch Equipment BV,
Giesbeek, the Netherlands). These were subsequently oven
dried at 105

◦

C until constant weight.

2.7

Mineralogy

Bulk soil mineralogical characterisation (less than 2 mm)
was attained through X-ray diffractometry (XRD) using
a PW1050 unit (Philips Analytical, the Netherlands) attached
to an X-ray generator DG2 (Hiltonbrooks Ltd, Crewe, UK).
XRD analyses require sample particle size to be very fine in
order to obtain adequate statistical representation of the com-
ponents and their various diffracting crystal planes, as well
as to avoid diffraction-related artefacts (Bish and Reynolds,
1989). Therefore, samples were ground with a mortar
and pestle using acetone to avoid sample degradation from
heat. Powdered samples were then mounted in holders by a
back-filling method with the aid of a micro-rugose surface to
minimise preferred orientation of the phases present. Sam-
ples were continuously scanned from 3 to 70

◦

(2

θ

) Ni-

filtered CuK

α

radiation (

λ

=

1

.

54185

A

◦

) working at 40 kV

and 40 mA. The scanning parameters were 0.020

◦

step size

and 1.0 s step time. Interpretation and semi-quantitative anal-
ysis of the scans were achieved using the Rietveld refinement
method built in to the Siroquant software (SIROQUANT;
Sietronics Pty Ltd, Canberra, Australia). All samples were
analysed at the Facility for Earth and Environmental Analy-
sis at the University of St. Andrews, Scotland, UK.

2.8

Climatic and terrain elevation data

Mean annual temperature (

T

A

) and precipitation (

P

A

) data

come from BioClim (https://www.worldclim.org, last ac-
cess: 13 July 2018) and site elevation (

E

V

) estimates ob-

tained from the Shuttle Radar Topography Mission database
(SRTM).

2.9

Statistical analysis

All analyses were carried out using the R statistical platform
(R Development Core Team, 2016). In the exploratory data
phase, the non-parametric Kendall

τ

was used to quantify

the strength of bivariate associations with the aid of the cor-
relation function available within the agricolae package (de
Mendiburu, 2013). Multivariate ordinary least squares (OLS)
regression was then performed relating SOC to other soil
properties with candidate variables chosen with reference to
the Kendall rank correlations matrices, after which there was
an exhaustive exploration of regression models taking into
account the a priori hypothesis outlined in the Introduction.
As a check to ensure that we had not overlooked any of the
measured variables as important potential determinants of
[C] regression models, we also then checked for the mini-
mum Akaike information criterion (AIC) regression models
using the dredge function available within MuMIn (Barto´n,
2013) and used variance inflation factor (VIF) to account
for possible collinearity in AIC selected models. Principal
coordinates of soil mineralogical compositions were under-
taken using the princomp function after first transforming the

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 10

Figures and page graphics, page 10

62

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Table 2.

A guide for interpretation of selective dissolution data following Parfait and Childs (1988).

Form

Description

Fe

d

Dissolves almost all iron oxides not differentiating between crystalline and short-range oxides. Provides estimates of
total amount of iron oxides in the soil.

Fe

o

Estimates short range minerals such as ferrihydrite and possibly other amorphous minerals. Do not extract crystalline
oxides.

Fe

p

Extracts a variety of Fe forms and thus does not specifically relate to any particular form of Fe in soil. Should not be
used to estimate Fe-humus complexes.

Al

d

Probably arises from Al substitution in both crystalline and amorphous oxides. Free Al and interlayer Al. Similar to
Fe

d

it provides wide estimates of Al oxides in the soil.

Al

o

Estimates Al in short-range minerals, such as allophane and imogolite. May also represent Al substitution in ferrihydrite
and the presence of Al hydroxy interlayer minerals. Do not extract crystalline Al hydroxides.

Al

p

Correspond to Al-humus complexes in most soils such as those occurring in Podzols and Andosols.

Fe

d

-Fe

o

Provides estimation of crystalline oxides only. Excludes the content of ferrihydrite and other short-range oxides which
are extracted by Fe

o

.

data using the acomp function available within the compo-
sitions package (van den Boogaart and Tolosana-Delgado,
2008). Kruskal–Wallis multiple comparison tests (Siegel and
Castellan Jr., 1998) were undertaken using the kruskalmc
command available within the pgirmess package (Giraudoux,
2013).

3

Results

3.1

Clustering of soils types

The distribution of the sampled sites across the Amazon
Basin is shown in Figure 1, with the soils sampled divided a
priori into three “clusters” according to their World Resource
Base RSG classification (IUSS, 2014): (1) the typically more
strongly weathered Acrisol and Ferralsol soil types domi-
nated by low-activity clays (LACs); (2) other less weath-
ered soils types (the Alisol, Cambisol Fluvisol, Gleysol, Lep-
tosol, Lixisol, Luvisol, Plinthosol, Regosol and Umbrisol soil
groups) typically dominated by high-activity clays (HACs);
(3) exceptionally sandy soils (Arenosols and Podzols) which
we here refer to as “arenic” soil types. From Fig. 1 the major-
ity of the LAC soils sampled come from the eastern area of
the basin, with the majority of the HAC soils found closer to
the Andes Cordillera. Arenic soils are less abundant than ei-
ther LAC or HAC soils and were sampled in both the eastern
and western portions of the basin.

The contrasting chemistry of the three soil groups is shown

in Fig. 2, where soil effective cation exchange capacity,

I

E

,

is plotted as a function of soil clay fraction,

8

clay

(0 to 0.3 m

depth), with different symbols for each RSG and with the
contrasting

I

E

vs.

8

clay

domains indicated by different back-

ground colours. This shows a minimal overlap between the
arenic soil types and LAC and HAC soil types, with some of

the former having relatively high

I

E

despite their very low

clay content. There is some overlap between the LAC and
HAC soil clusters at intermediate

I

E

and/or

8

clay

, though

with it also being clear that none of the sampled LAC soils
were characterised by a high

I

E

and that none of the HAC

soils had a very high or very low clay content.

3.2

Mineralogical analysis

Distinctions between the LAC and HAC clusters are further
illustrated in Fig. 3, where for a subset of the main dataset,
mineralogical analysis of the bulk soil had been undertaken
using X-ray diffraction (XRD) spectroscopy and for which
the results of a principal components analysis (PCA) ordi-
nation are shown in Fig. 3a. Here it can be seen that the
first PCA axis (PCA1) serves to primarily differentiate the
soils according to their clay activity with the 1

:

1 clay min-

erals gibbsite, goethite and kaolinite, all with large negative
weightings on the PCA1 axis and with the 2

:

1 potassium

feldspar, plagioclase, smectite–illite and chlorite minerals all
with positive weightings. Accordingly (although mineralogy
is not used in the RSG classification system), almost all sites
within our RSG-based LAC cluster are located with negative
scores along the PCA1 axis and with almost all HAC soils
with positive values. All four arenic soils analysed had high
PCA scores.

The contrast between the three soil groups is further shown

in Fig. 3b where, shown as a compositional plot, the contrast-
ing relationships between the 1

:

1 and 2

:

1 minerals are con-

sidered along with variations in quartz content. This diagram
emphasises the almost total lack of 2

:

1 minerals found with

the LAC soil cluster, with these soils essentially being a mix-
ture of 1

:

1 minerals (primarily kaolinite: see Table 1) and

quartz in varying proportions. On the other hand, the HAC

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 11

Figures and page graphics, page 11

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

63

Figure 2.

Contrasting chemical characteristics of the three soil

groups, evidenced by the relationship between top-soil clay frac-
tion and effective cation exchange capacity (0–30 cm). Triangles
with yellow background represent the arenic soil group, consist-
ing of Arenosols (green) and Podzols (black). Filled circles with
pink background represent the low-activity clay soils (LACs) which
consists of Ferralsols (yellow) and Acrisols (red). Soils with high-
activity clay (HAC) are shown as open squares with light blue
background. They are the Alisol (black), Cambisol (pink), Fluvi-
sol (grey), Gleysol (green), Leptosol (brown), Lixisol (red), Luvi-
sol (purple), Plinthosol (blue), Regosol (cyan) and Umbrisol (light
green) soil groups.

soils are all characterised by a high quartz content and with
less than 20 % 1

:

1 minerals present. Also of note, two Cam-

bisols, one Regosol and one Gleysol had 2

:

1 minerals con-

stituting less than 1 % in their fine-earth fraction. Not unex-
pectedly, having a quartz content of > 97 %, all four arenic
soils are found clustered in the bottom right-hand corner of
the compositional triangle.

3.3

Univariate and bivariate comparisons

Using data averaged over the upper 0.3 m of the sampled
soil profiles, Fig. 4 shows as boxplots the contrasts between
our three a priori soil groups in terms of the following: car-
bon density [C]; total reserve bases

6

RB

; effective cation ex-

change capacity

I

E

; fractional sand, silt and clay contents

(

8

sand

,

8

silt

and

8

clay

); and concentrations of dithionite and

oxalate extractable aluminium and iron, viz. [Al]

d

, [Al]

o

,

[Fe]

d

and [Fe]

o

(original data available in Table 1 and Ap-

pendix Table A1). This shows that, although there was no sig-
nificant difference between the three clusters in [C] (Fig. 4a;
Kruskal–Wallis test;

p>

0

.

05), there were significant differ-

ences in the underlying chemistry at

p<

0

.

05 not only be-

tween the arenic soil cluster and both the LAC and HAC
clusters for

6

RB

(Fig. 4b),

I

E

, (Fig. 4c), [Al]

d

(Fig. 4d),

[Al]

o

(Fig. 4e), [Fe]

d

(Fig. 4f) and [Fe]

o

(Fig. 4g) but also

with HAC soils with higher

6

RB

,

I

E

, [Fe]

d

and [Fe]

o

than

the soils in the LAC cluster (

p<

0

.

05). For pH, the situation

was more complicated, with the HAC soils having higher val-
ues than the LAC soils (

p<

0

.

05) but showing no difference

between the arenic soils and either the LAC or HAC soils.
Despite there being many differences in soil properties sig-
nificant at

p<

0

.

05 or better (non-parametric Kruskal–Wallis

test), considerable overlap existed in LAC and HAC for all
seven soil chemical properties presented in Fig. 4.

In terms of soil texture, as would reasonably be expected,

8

sand

was significantly higher at

p<

0

.

05 for the arenic ver-

sus LAC and/or HAC clusters (Fig. 4i). As would be ex-
pected, we also observed significantly lower

8

clay

for the

arenic soils (

p>

0

.

05, Fig. 4j). On the other hand, there was

no difference between

8

silt

for the arenic vs. LAC soils, both

of which, in turn, had a significantly lower

8

silt

than the soils

of the HAC cluster (

p<

0

.

05; Fig. 4k). As is also evident from

Fig. 2, there was much more variation in

8

clay

for the LAC

soils compared to the HAC soils, with

8

clay

ranging from

0.05 to 0.89 and 0.07 to 0.57 for LAC and HAC respectively.

Using Kendall’s

τ

as a non-parametric measure of associ-

ation, correlations between a wide range of soil and climate
properties potentially involved in differences in soil carbon
storage are shown in Table 3. This takes the form of four one-
sided correlation matrices, viz. one half-triangle for each of
the arenic, LAC and HAC clusters as well as for the (com-
bined) dataset as a whole. Here, with

n>

30 for the LAC

and HAC clusters we have indicated in bold all cases where

τ >

0

.

30 for these two groupings (as well as the combined

dataset) with this associating roughly with the probability of
Type-II error being less than 0.05. For the arenic soil cluster
with

n

=

13 the equivalent value is

τ >

0

.

52 and where one or

more of the four groupings has

p>

0

.

05, this has been indi-

cated for all four matrices using italicised characters to help
cross-referencing across the four diagonal matrices.

Table 3 shows that, whilst there are many correlations

which are significant at

p

=

0

.

05 or better, in only a few

cases were there significant correlations found for the same
bivariate combinations in two or more of the three soil clus-
ters and/or when the three clusters are considered together.
For example, although there is clear association between soil
texture and soil carbon density for the LAC soils (

τ

= −

0

.

56

and

τ

=

0

.

54 for

8

sand

and

8

clay

respectively), this is not

the case for the HAC soils (

τ

=

0

.

06 and

τ

=

0

.

19), and the

association is also much less clear for the arenic grouping
(

τ

= −

0

.

17 and

τ

= −

0

.

24). Consequently, when all three

soil clusters are considered together we find

τ

of only

−

0.21

and 0.31 for

8

sand

and

8

clay

. That is to say, when all soils

are considered together there is much weaker association be-
tween soil carbon concentration and soil texture than when
LAC soils are considered on their own. This is also the case

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 12

Figures and page graphics, page 12

64

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

T

ab
le
3

.

K

endall’

s

τ

correlations

between

a

wide

range

of
soil

and

climate

properties

potentially

in

v

olv
ed
in
dif
ferences

in
soil

carbon

storage.

F

our

one-sided

correlation

matrices

are

sho

wn,

one

for

each

of
the

arenic,

LA
C
and

HA

C
clusters

as
well

as
for

the

(combined)

dataset

as
a

whole.

Here,

with

n>

30
for

the

LA
C
and

HA

C
clusters

we

ha
v

e

indicated

in

bold

all
cases

where

τ

>

0.30

for

these

tw
o

groupings

(as

well

as
the

combined

dataset)

with

this

associating

roughly

wit
h

the

probability

of
T

ype-II

error

being

less

than

0.05.

F

or
the

arenic

soil

cluster

with

n

=

13
the

equi

v

alent

v

alue

is

τ

>

0

.

52,

and

we

ha
v

e

indicated

all
cases

where

one

or
more

of
the

four

groupings

has

p

>

0

.

05,

using

italicised

characters

to
help

cross-referencing

across

the

four

diagonal

matrices.

[C]

CN

T

a

P

a

E

v

D

b

sand

clay

silt

pH

I

E

[

P

]

t

TRB

[Fe]

d

[Fe]

o

[Fe]

do

[Al]

d

[Al]

o

[Al]

do

Lo
w-acti

vity

clay

soils

All

[C]

0.08

0.19

0.13

−

0.05

−

0.47

−

0.56

0.54

0.28

−

0.12

0.37

0.08

−

0.09

0.27

0.27

0.23

0.37

0.30

0.14

soils

CN

0.14

0.02

−

0.07

−

0.01

−

0.07

0.04

−

0.02

−

0.16

−

0.16

0.01

−

0.09

−

0.44

−

0.05

0.10

−

0.03

0.10

0.11

−

0.05

combined

T

a

0.01

0.33

0.16

−

0.52

−

0.21

−

0.27

0.27

0.10

−

0.28

−

0.06

−

0.29

−

0.21

−

0.14

0.03

−

0.18

−

0.24

−

0.16

−

0.04

P

a

0.06

−

0.08

−

0.10

−

0.10

−

0.01

0.05

−

0.01

−

0.08

0.12

−

0.07

−

0.17

−

0.16

−

0.19

−

0.08

−

0.06

−

0.15

−

0.18

0.01

E

v

0.00

−

0.32

−

0.61

0.00

−

0.07

0.09

−

0.11

0.00

0.30

0.08

0.12

0.12

0.09

0.13

0.04

0.16

0.14

−

0.02

D

b

−

0.33

−

0.10

−

0.07

−

0.08

0.08

0.48

−

0.48

−

0.26

0.09

−

0.32

0.00

0.05

−

0.20

−

0.31

−

0.11

−

0.20

−

0.18

−

0.06

Sand

−

0.21

0.34

0.07

−

0.05

−

0.04

0.14

−

0.87

−

0.46

0.22

−

0.41

−

0.16

−

0.07

−

0.37

−

0.32

−

0.21

−

0.33

−

0.28

−

0.10

Clay

0.31

−

0.16

−

0.03

0.03

−

0.02

−

0.23

−

0.59

0.33

−

0.22

0.38

0.16

0.04

0.36

0.27

0.22

0.31

0.27

0.10

Silt

0.05

−

0.43

−

0.17

0.05

0.16

0.02

−

0.51

0.10

−

0.10

0.30

0.16

0.21

0.25

0.35

0.08

0.28

0.26

0.03

pH

0.01

−

0.21

−

0.31

−

0.02

0.36

0.20

0.05

−

0.13

0.06

−

0.06

0.07

0.17

−

0.16

−

0.04

−

0.14

0.03

0.04

−

0.10

I

E

0.13

−

0.47

−

0.31

0.06

0.30

−

0.03

−

0.40

0.25

0.42

0.19

0.32

0.04

0.28

0.32

0.13

0.43

0.45

−

0.09

[

P

]

t

0.17

−

0.48

−

0.35

−

0.03

0.28

0.05

−

0.36

0.26

0.38

0.24

0.49

0.30

0.41

−

0.09

0.37

0.36

0.17

0.20

TRB

0.02

−

0.64

−

0.39

0.02

0.36

0.09

−

0.34

0.17

0.47

0.31

0.60

0.60

0.31

−

0.11

0.31

0.09

−

0.01

0.28

[Fe]

d

0.18

−

0.32

−

0.19

−

0.02

0.16

−

0.04

−

0.33

0.34

0.24

0.05

0.34

0.51

0.38

0.16

0.75

0.44

0.19

0.32

[Fe]

o

0.13

−

0.41

−

0.26

0.02

0.24

−

0.10

−

0.36

0.27

0.35

0.17

0.52

0.37

0.46

0.39

−

0.09

0.40

0.53

−

0.36

[Fe]

do

0.12

−

0.15

−

0.04

−

0.03

0.05

0.02

−

0.20

0.27

0.06

−

0.08

0.10

0.31

0.15

0.66

0.05

0.25

−

0.03

0.49

[Al]

d

0.28

−

0.15

−

0.25

0.03

0.12

−

0.24

−

0.22

0.35

0.10

0.00

0.28

0.32

0.21

0.49

0.43

0.32

0.66

0.02

[Al]

o

0.19

−

0.19

−

0.29

0.04

0.20

−

0.20

−

0.19

0.30

0.10

0.08

0.37

0.23

0.26

0.25

0.56

0.01

0.62

−

0.32

[Al]

do

0.05

0.08

0.18

−

0.04

−

0.14

0.03

−

0.04

0.05

−

0.03

−

0.19

−

0.17

0.03

−

0.09

0.18

−

0.31

0.43

−

0.03

−

0.41

Arenic

soils

[C]

CN

T

a

P

a

E

v

D

b

sand

clay

silt

pH

I

E

[

P

]

t

TRB

[Fe]

d

[Fe]

o

[Fe]

do

[Al]

d

[Al]

o

[Al]

do

High-

[C]

0.30

−

0.03

0.02

−

0.01

−

0.29

0.06

0.19

−

0.20

0.08

0.08

0.21

0.02

0.14

0.05

0.08

0.29

0.17

−

0.01

acti

vity

CN

0.15

0.33

−

0.15

−

0.32

−

0.17

0.39

−

0.21

−

0.37

−

0.20

−

0.40

−

0.35

−

0.56

−

0.13

−

0.31

0.00

0.03

−

0.12

0.15

clay

T

a

−

0.32

−

0.03

−

0.13

−

0.61

−

0.05

0.08

−

0.11

−

0.04

−

0.33

−

0.28

−

0.32

−

0.41

−

0.02

−

0.21

0.06

−

0.20

−

0.27

0.23

soils

P

a

0.31

0.16

−

0.70

0.02

−

0.19

−

0.11

0.18

0.03

−

0.12

0.08

−

0.03

0.06

0.05

0.06

0.03

0.18

0.18

−

0.08

E

v

0.26

−

0.33

−

0.40

0.31

0.19

−

0.01

0.04

0.01

0.40

0.29

0.22

0.44

0.02

0.15

−

0.01

0.05

0.18

−

0.18

D

b

−

0.17

0.33

0.00

0.09

−

0.45

−

0.07

−

0.10

0.16

0.21

0.04

0.07

0.14

0.03

−

0.08

0.10

−

0.33

−

0.30

0.15

sand

−

0.24

0.09

0.19

−

0.12

−

0.24

0.22

−

0.43

−

0.63

−

0.01

−

0.28

−

0.30

−

0.31

−

0.18

−

0.19

−

0.06

0.02

0.03

−

0.03

clay

0.00

−

0.03

0.19

−

0.03

0.12

−

0.56

−

0.33

0.05

−

0.04

0.21

0.32

0.19

0.26

0.18

0.13

0.20

0.18

−

0.06

silt

0.23

−

0.11

−

0.32

0.19

0.35

−

0.22

−

0.87

0.20

0.01

0.25

0.13

0.30

0.03

0.11

−

0.02

−

0.15

−

0.12

0.05

pH

−

0.03

0.55

0.26

−

0.16

−

0.47

0.34

0.37

−

0.06

−

0.42

0.32

0.32

0.43

0.08

0.22

−

0.05

−

0.02

0.09

−

0.17

I

E

0.43

−

0.04

−

0.23

0.20

−

0.01

0.06

−

0.11

−

0.14

0.18

−

0.25

0.35

0.65

0.13

0.41

−

0.09

0.06

0.26

−

0.24

[

P

]

t

0.24

−

0.45

−

0.22

0.15

0.48

−

0.34

−

0.45

0.15

0.53

−

0.65

0.41

0.51

0.36

0.25

0.21

0.19

0.12

0.00

TRB

0.00

−

0.03

0.03

−

0.18

0.18

−

0.30

−

0.15

0.09

0.29

0.09

−

0.08

0.27

0.16

0.41

−

0.06

0.03

0.22

−

0.24

[Fe]

d

0.26

−

0.16

0.08

−

0.34

0.10

−

0.11

0.20

−

0.14

−

0.22

0.11

−

0.01

−

0.08

0.02

0.20

0.62

0.39

0.10

0.19

[Fe]

o

−

0.06

−

0.32

−

0.04

−

0.04

0.01

0.16

−

0.17

0.05

0.03

−

0.12

−

0.05

−

0.02

−

0.26

0.20

−

0.18

0.33

0.58

−

0.46

[Fe]

do

0.13

0.00

0.40

−

0.39

−

0.10

−

0.23

0.24

0.06

−

0.26

0.18

−

0.04

−

0.06

0.24

0.36

−

0.45

0.20

−

0.16

0.49

[Al]

d

0.15

0.08

0.29

−

0.13

−

0.13

0.05

−

0.12

0.36

−

0.02

0.29

0.04

0.12

0.00

0.21

0.14

0.21

0.58

−

0.12

[Al]

o

0.27

−

0.03

0.06

0.05

0.15

−

0.04

0.13

0.20

−

0.18

0.12

−

0.02

0.16

0.16

0.38

−

0.02

0.45

0.48

−

0.54

[Al]

do

−

0.18

−

0.06

0.13

−

0.20

−

0.06

−

0.22

−

0.16

−

0.09

0.22

−

0.22

−

0.02

0.02

0.02

−

0.29

0.14

−

0.30

−

0.21

−

0.73

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 13

Figures and page graphics, page 13

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

65

Figure 3.

Contrasting mineralogical characteristics of the different soils in this study.

(a)

Principal components analysis (PCA) ordination

on semi-quantitative X-ray diffraction (XRD) spectroscopy data.

(b)

Compositional plot showing contrasting relationships between the 1

:

1

and 2

:

1 minerals considered along with variations in quartz content.

for the relationship between [C] and soil bulk density,

D

b

,

for which we find

τ

= −

0

.

47 for LAC soils but markedly

lower values for the HAC and arenic soils (

τ

= −

0

.

29 and

τ

= −

0

.

17 respectively), as well as for the combined dataset

(

τ

= −

0

.

33).

In a similar vein, although a high cation exchange capacity

(

I

E

) is clearly associated with a high [C] for LAC soils (

τ

=

0

.

37) and perhaps the arenic soils as well (

τ

=

0

.

43), for the

HAC soils we find a

τ

of only

−

0.08 for the [C] vs.

I

E

. Not

surprisingly then, for the dataset as a whole

τ

=

0

.

13 for the

I

E

vs. [C] correlation.

On the other hand (simple physically based bivariate cor-

relations such as

T

a

vs.

E

v

aside) there are cases where

the strength of the bivariate associations seems to be con-
sistent across all three soil groups. For example, taking the
relationship between total phosphorus, [P]

t

, and mean an-

nual air temperature,

T

a

, shows

τ

= −

0

.

29,

τ

= −

0

.

32 and

τ

= −

0

.

22 for the LAC, HAC and arenic soils respectively

and with the combined dataset yielding

τ

= −

0

.

35. A second

example is the relationship between dithionite extractable
aluminium [Al]

d

and

8

clay

for which we find

τ

=

0

.

31 for

LAC soils,

τ

=

0

.

20 for HAC soils and

τ

=

0.36 for arenic

soils, with

τ

=

0

.

35 for the dataset as a whole. Although we

found many correlations between the variation oxalate and
dithionite extraction metrics for Fe and Al, it was only [Al]

d

that, on its own, showed any marked association with [C],
with this being for the LAC soils (

τ

=

0

.

37). However, we

do also note that

τ

=

0

.

29 for the HAC soils and

τ

=

0

.

28

for the dataset as a whole.

Also of note are the many cases where there are reasonably

high

τ

values found for both the LAC and HAC soils, but not

for the arenic ones: for example in the correlations between

total reserve bases,

6

B

, and organic matter CN (carbon–

nitrogen) ratio for which we observe

τ

= −

0

.

44 for LAC

soils and

τ

= −

0

.

56 for HAC soils, but with a value of only

τ

= −

0

.

03 for the soils in the arenic cluster.

3.4

Carbon and soil texture associations

With a high

τ

observed for several [C] vs. soil texture re-

lationships (Sect. 3.3), the correlations between soil carbon
content and

8

clay

are shown in Fig. 5, with a separate panel

used for each of the three soil clusters and with each panel
having different ranges for both the

x

and

y

ordinates. For

the LAC soils (Fig. 5a) a strong linear relationship exists
(

r

2

=

0

.

58), with there being little apparent difference be-

tween the Ferralsol and Acrisol RSGs. But when the LAC
OLS regression line is repeated again within the arenic soil
group [C] vs.

8

clay

graph of Fig. 5b (for which we also note

that the variability in

8

clay

is only 1

/

10 of that for Fig. 5a,

with [C] being 4 times larger) it is clear not only that does
soil clay content exert little or any control over [C] for these
sandy soils, but also that many of the Podzols have [C] well
in excess of even the highest clay content LAC soils. With the
LAC OLS regression line again repeated for the HAC soils in
Fig. 5c it is similarly clear that many of the HAC soils have
[C] appreciably higher than is expected on the basis of the
highly significant LAC [C] vs.

8

clay

relationship, but with

no detectable [C] vs.

8

clay

correlation when considered on

their own (

r

2

=

0

.

01).

The underlying OLS regressions of Fig. 5 are outlined in

more detail in Table 4. Here, as well as providing a [C] vs.

8

clay

OLS regression summary for the combined dataset as

a whole, we also examined the effects of including

8

silt

in

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 14

Figures and page graphics, page 14

66

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Table 4.

Summary of OLS regression coefficients for soil organic carbon and texture associations.

b

SE

β

t

p

Lower

Upper

LAC soils:

r

2

=

0

.

57,

p<

0

.

001, AIC

=

292.1

intercept

9.56

1.03

–

9.31

0.000

7.50

11.62

Clay fraction

17.91

2.15

0.762

8.32

0.000

13.60

22.24

LAC soils:

r

2

=

0

.

61,

p<

0

.

001, AIC

=

288.6

intercept

8.50

1.08

–

7.84

0.000

6.32

10.68

clay fraction

16.58

2.13

0.716

7.75

0.000

12.24

20.89

silt fraction

14.39

6.19

0.212

2.32

0.024

1.94

26.83

LAC soils:

r

2

=

0

.

61,

p<

0

.

001, AIC

=

286.7

intercept

8.44

1.06

–

7.96

0.000

6.32

10.57

(clay

+

silt) fractions

16.23

1.79

0.789

9.07

0.000

12.63

19.82

HAC soils:

r

2

=

0

.

00,

p<

0

.

335, AIC

=

628.2

intercept

16.16

3.21

–

5.04

0.000

9.78

22.54

clay fraction

9.58

9.87

0.088

0.97

0.335

−

10.07

29.22

HAC soils:

r

2

=

0

.

05,

p<

0

.

006, AIC

=

625.3

intercept

21.67

4.02

–

5.41

0.000

13.70

29.69

clay fraction

9.26

9.64

0.088

0.96

0.340

−

9.94

28.44

silt fraction

−

16.29

7.40

−

0.196

−

2.21

0.037

−

31.03

−

1.55

HAC soils:

r

2

=

0

.

05,

p<

0

.

259, AIC

=

627.8

intercept

23.36

4.03

–

5.81

0.000

15.35

31.37

(clay

+

silt) fractions

−

6.87

6.04

−

0.103

−

1.14

0.259

−

18.90

5.16

Arenic soils:

r

2

=

0

.

07,

p<

0

.

206, AIC

=

119.92

intercept

8.35

14.55

–

0.574

0.579

−

24.07

40.77

clay fraction

431.39

319.17

0.352

1.352

0.206

−

279.75

1142.55

Arenic soils:

r

2

=

0

.

23,

p<

0

.

119, AIC

=

118.26

intercept

−

0.38

14.04

–

−

0.03

0.979

−

32.13

31.38

clay fraction

143.77

80.24

0.254

1.79

0.107

−

37.75

325.30

silt fraction

228.66

310.22

0.254

0.74

0.480

−

473.18

930.39

Arenic soils:

r

2

=

0

.

31,

p<

0

.

035, AIC

=

116.34

intercept

1.09

12.08

–

0.09

0.930

−

25.84

28.01

(clay

+

silt) fractions

154.67

63.43

0.225

2.44

0.035

13.26

296.07

All soils:

r

2

=

0

.

01,

p<

0

.

13, AIC

=

1154.3

intercept

16.14

1.96

–

8.220

0.000

12.25

20.15

clay fraction

7.98

5.23

0.106

1.524

0.130

−

2.37

18.32

All soils:

r

2

=

0

.

00,

p<

0

.

32, AIC

=

1156.3

intercept

15.96

2.43

–

6.58

0.000

11.18

20.79

clay fraction

7.98

5.25

0.106

1.52

0.131

−

2.41

18.36

silt fraction

0.68

6.01

0.007

0.10

0.917

−

11.25

12.51

All soils:

r

2

=

0

.

01,

p<

0

.

232, AIC

=

1155.2

intercept

16.01

2.43

–

6.59

0.000

11.20

20.80

(clay

+

silt) fractions

4.80

3.96

0.084

1.21

0.228

−

3.03

12.63

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 15

Figures and page graphics, page 15

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

67

Figure 4.

Contrasts between the three soil clusters for selected variables. Statistical differences are given through the non-parametric

Kruskal–Wallis test.

(a)

SOC concentration,

(b)

total reserve bases,

(c)

effective cation exchange capacity,

(d)

soil pH,

(e)

dithionite–citrate

extractable Al,

(f)

Al

o

oxalate extractable Al,

(g)

Fe

d

dithionite–citrate extractable Fe,

(h)

oxalate extractable Fe,

(i)

sand fraction,

(j)

clay

fraction and

(k)

silt fraction.

the [C] vs.

8

clay

regression models: this being either as an

additional term or as part of a single (

8

silt

+

8

clay

) predictor

– the latter, of course, also being equal to [1

−

8

sand

]. Com-

paring the equations for LAC, this analysis shows that the
addition of the

8

silt

term to the [C] vs.

8

clay

regression in-

creases the

r

2

from 0.57 (Table 4a) to 0.61 (Model b) with

a change in Akaike’s information criterion (

1

AIC) of

−

3.9

and with the coefficients for both terms having very similar
slopes, viz. 16

.

6

±

2

.

1 g C kg

−

1

clay and 14

.

4

±

6

.

2 g C kg

−

1

silt. For these LAC soils, taking silt and clay together as the
one soil texture metric (Table 4c) yields a similar

r

2

with an

intermediate slope of 16

.

2

±

1

.

8 g C kg

−

1

(clay

+

silt).

Despite the strong relationships found for the LAC soils

for both

8

clay

and

8

silt

, no correlation was evident for the

HAC soils and, of the three models tested, none had a

r

2

greater than 0.05 (Table 4d–f). For the arenic soils, the ad-
dition of

8

silt

term to a simple [C] vs.

8

clay

model led to

a

1

AIC of only

−

1.7 (compare equations of Table 4g and

h). Nevertheless, where a summation term (

8

clay

+

8

silt

)

was tested as a single predictor variable this resulted in a
marked improvement over and above the [C] vs.

8

clay

re-

lationship with a

1

AIC of

−

3.6 and

r

2

of 0.31 (Table 4i). It

is worth noting that Table 4i shows that the fitted slope for the
arenic soils was 155

±

63 g C kg

−

1

(clay

+

silt), a value nearly

10 times that found for the LAC soils (Table 4c). When all
three soils groupings were considered together there was no
significant relationship between [C] and

8

clay

, this being the

case for either with

8

clay

considered on its own, or for

8

clay

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 16

Figures and page graphics, page 16

68

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Figure 5.

Associations between soil organic C and clay fraction for the three soil groups.

(a)

Low-activity clay (LAC),

(b)

arenic soils and

(c)

soils containing high-activity clays (HACs). Only LAC shows a significant regression. Non-significant regressions in arenic and HAC

soils are shown as dotted lines.

considered in conjunction with

8

silt

, and with all three mod-

els tested having

r

2

≤

0

.

01 and

p>

0

.

13 (Table 4j–l).

3.5

Soil carbon chemical and mineralogical associations

As already noted in Sect. 3.1, of the many strong correla-
tions between the aluminium and iron oxide measured and
soil carbon concentration, one of the strongest and the most
consistent across the three soil groups was the [C] vs. Al

d

relationship, and this relationship is shown for all three soil
groupings in Fig. 6 (log–log scale) with the appropriate re-
gression coefficients shown in Table 5 (models m to o). Rea-
sonably strong relationships were found between [C] and Al

d

for both the LAC (Fig. 6;

r

2

=

0

.

27,

p<

0

.

0001) and HAC

soils (Fig. 6c;

r

2

=

0

.

23,

p<

0

.

0001), but not for the arenic

grouping (Fig. 6b;

r

2

=

0

.

09

p>

0

.

17). Here direct compari-

son with the soil texture models of Table 4 according to the
AIC values is confounded by slightly different datasets for
the HAC soils (due to Al

d

only having been determined for

77 of the 83 HAC soils), with the relationships examined here
being log–log as opposed to linear. Nevertheless, the very
different

r

2

between the two model types (with

r

2

=

0

.

27

much lower for the [C] vs. Al

d

relationship than for any of

the [C] vs. soil texture models for the LAC soils, for which

r

2

>

0

.

57, and with this being the other way around for the

HAC soils –

r

2

=

0

.

23 for the [C] vs. Al

d

relationship but

none of the soil texture models have

r

2

>

0

.

05) suggests that

for the HAC soils Al

d

is a much better predictor of [C] than

soil texture. In addition, simple soil texture metrics were the
better predictors for the LAC soils.

With any role of [Al]

d

in the modulation of [C] also likely

to be dependent on soil pH (see Introduction) we then probed
potential interactions of [Al]

d

and pH, at the same time eval-

uating the potential role of other measured mineralogical fac-
tors. This was done by testing a range of multivariate models
and selecting on the basis of AIC, the net result of which is
shown in Table 6 (model

q

). This model, which also involves

both pH and [Fe]

o

, has a

1

AIC of

−

17.7 as compared to the

univariate [Al]

d

model of Table 5n, suggesting a drastic im-

provement through the addition of the two additional terms.
Nevertheless, using data for 41 of the 77 HAC sites for which
we had leaf litter lignin content (

3

) measurements, there was

a clear relationship between the model residuals of Eq. (6q)
in Table 6 (Fig. 7a), with this relationship also being evi-
dent (though to a lesser extent) when a simpler model involv-
ing just [Al]

d

and pH was applied (

r

2

=

0

.

25, AIC

=

85.1;

Fig. 7b). In both cases residuals increase with increasing

3

,

meaning that at high

3

the models tend to underestimate [C]

and vice versa at low

3

.

With this lignin effect being consistent with any pH de-

pendent [Al]

d

precipitation reaction mechanism as originally

postulated, we thus probed a possible role of

3

as a factor in-

teracting with both pH and Al

d

using the more limited dataset

of 41 HAC sites for which the requisite data were available.
Model comparisons are shown in Table 7. Starting first with a
simple model of [C] as a function of [Al]

d

, [Fe]

o

and pH (Ta-

ble 7t, which is the same model as Table 6q but in this case
with the reduced “leaf lignin only” dataset), the addition of a

3

term clearly results in a marked improvement in the model

fit (Table 7u;

r

2

=

0

.

46,

1

AIC

= −

3.50). Moreover, for this

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 17

Figures and page graphics, page 17

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

69

Figure 6.

The association between soil organic C and dithionite extractable Al (Al

d

) for the studied soils. The regression line for LAC soils

(a)

is repeated as a dotted line in

(b)

(arenic) and

(c)

(HAC) for comparison.

Table 5.

Summary of OLS regression coefficients for soil organic carbon and dithionite extractable Al.

b

SE

β

t

p

Lower

Upper

LAC soils:

r

2

=

0

.

27,

p<

0

.

0001, AIC

=

30.26

intercept

2.36

0.100

–

23.69

0.000

2.16

2.57

[Al]

d

0.372

0.084

4.39

0.000

0.201

0.542

HAC soils:

r

2

=

0

.

23,

p<

0

.

0001, AIC

=

95.83

intercept

2.50

0.08

–

31.25

0.000

2.34

2.66

log [Al]

d

0.300

0.060

5.00

0.000

0.180

0.419

Arenic soils:

r

2

=

0

.

09,

p

=

0

.

17, AIC

=

37.05

intercept

3.42

0.433

–

7.96

0.000

2.47

4.38

[Al]

d

0.343

0.236

0.17

0.174

−

0.176

0.863

All soils:

r

2

=

0

.

08,

p<

0

.

0004, AIC

=

200.18

intercept

2.69

0.052

52.13

0.000

2.59

2.79

[Al]

d

0.141

0.039

3.65

0.000

0.06

0.217

reduced dataset at least, the [Fe]

o

term then becomes redun-

dant (Table 7v;

r

2

=

0

.

47,

1

AIC

= −

2.0).

The goodness of fit of Eq. (7v) is shown in Fig. 8 where

the fitted soil carbon densities,

[ ˆ

C

]

, are plotted as a function

of the actual values (log–log scale). This shows that Eq. (7v)
provides a reasonable and unbiased fit across a wide range of
[C] for HAC soils, though with two locations (viz. POR-02,
a Plinthosol in the west of the basin, and RIO-12, a Lixisol
on the basin’s northern periphery) being substantially over-
estimated by the model.

Probing the effect of litter quality on soil C storage further,

we examined the relationship of

3

with both leaf litter and

soil C : N ratios (denoted

8

L
CN

and

8

S
CN

respectively), this ex-

ercise being undertaken with a view to see if we could find
statistically significant relationships between

3

and one or

both of

8

L
CN

and

8

S
CN

. This was so as to allow incorporation

of litter quality surrogate measures into an analysis using the

full HAC soil dataset. As is shown in Fig. 9, there were in-
deed significant log–log relationships between

3

and both

8

L
CN

and

8

S
CN

for both HAC soils (but not for LAC soils and

not between

8

L
CN

and

8

S
CN

for HAC soils), with the HAC

3

vs.

8

S
CN

giving a better fit (

r

2

=

0

.

32,

p<

0

.

0001; Fig. 9b).

Considering that the correlation between [C] and the C : N

ratio in HAC soils is very low (

τ

=

0

.

1, Table 3), we then

took

8

S
CN

as our best available surrogate for litter quality and

tested the effect of adding this variable to the original HAC
model as given in Table 6q, finding that this term provided for
a substantial reduction in AIC when added to a model already
including pH, [Al]

d

and [Fe]

o

. Further, upon the inclusion

of the

8

S
CN

term the negative [Fe]

o

term became, as for the

lignin models of Table 7, redundant (Table 6s).

The goodness of fit of the equation of Table 6s is shown in

Fig. 10, where the fitted soil carbon densities

[ ˆ

C

]

are plotted

as a function of the actual values (log–log scale). This shows

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 18

Figures and page graphics, page 18

70

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Figure 7.

The effect of litter lignin content, a surrogate for the abundance of aromatic C compounds, on the residuals of model regressions

in Table 6q

(a)

and a simplified additional model with only pH and Al

d

included

(b)

.

Table 6.

Summary of OLS regression coefficients for soil organic carbon in HAC soils.

b

SE

β

t

p

Lower

Upper

VIF

HAC soils: log[C] (mg g

−

1

),

r

2

=

0

.

32,

p<

0

.

001, AIC

=

78.09

intercept

1.490

0.313

–

4.77

0.000

0.867

2.113

pH

0.241

0.066

0.359

3.66

0.000

0.109

0.372

1.18

log [Al]

d

(mg g

−

1

)

0.403

0.071

0.673

5.66

0.000

0.261

0.544

1.62

log [Fe]

o

(mg g

−

1

)

−

0.156

0.055

−

0.347

−

2.84

0.006

−

0.266

−

0.047

1.72

HAC soils: log[C] (mg g

−

1

),

r

2

=

0

.

55,

p<

0

.

001, AIC

=

46.42

intercept

−

1.387

0.522

–

−

2.56

0.010

−

2.429

−

0.344

pH

0.262

0.054

0.399

4.91

0.000

0.155

0.368

1.18

log [Al]

d

(mg g

−

1

)

0.314

0.059

0.524

5.30

0.000

0.195

0.432

1.71

log [Fe]

o

(mg g

−

1

)

−

0.010

0.050

−

0.018

−

0.20

0.844

−

0.110

0.090

2.19

Soil C : N ratio

1.132

0.181

0.567

6.29

0.000

0.777

1.500

1.36

HAC soils: log[C] (mg g

−

1

),

r

2

=

0

.

56,

p<

0

.

001, AIC

=

44.46

intercept

−

1.417

0.496

–

−

2.85

0.006

−

2.406

−

0.426

pH

0.259

0.050

0.395

5.12

0.000

0.158

0.359

1.08

log [Al]

d

(mg g

−

1

)

0.307

0.045

0.513

6.78

0.000

0.216

0.396

1.01

Soil C : N ratio

1.155

0.160

−

0.573

−

7.24

0.000

0.837

1.474

1.07

that Eq. (6s) provides a reasonable and unbiased fit across a
wide range of [C] for HAC soils, though with the same two
locations that were overestimated by the lignin model (Fig. 9)
being similarly overestimated.

3.6

Alternative models

Although we have used AIC to assist with model selection
in Sect. 3.3, 3.4 and 3.5, candidate models had been in all
cases guided by the background knowledge and hypothesis
as outlined in Sect. 1. It is therefore worth pointing out that if
one takes a simple information-criterion-guided model selec-

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 19

Figures and page graphics, page 19

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

71

Table 7.

Summary of coefficients from OLS regression models for HAC soils. Interactions of soil organic carbon, soil pH, leaf litter lignin

content (

∧

) and dithionite extractable Al.

b

SE

β

t

p

Lower

Upper

VIF

HAC soils: log[C] (mg g

−

1

),

r

2

=

0

.

38,

p<

0

.

001, AIC

=

42.37

intercept

0.887

0.482

–

1.84

0.073

−

0.090

1.864

pH

0.286

0.091

0.395

3.13

0.003

0.101

0.471

1.09

log [Al]

d

(mg g

−

1

)

0.469

0.107

0.673

4.37

0.000

0.251

0.687

1.58

log [Fe]

o

(mg g

−

1

)

−

0.055

0.087

−

0.092

−

0.63

0.532

−

0.233

0.122

1.47

HAC soils: log[C] (mg g

−

1

),

r

2

=

0

.

46,

p<

0

.

001, AIC

=

38.77

intercept

−

0.488

2.556

–

−

1.91

0.064

−

10.07

0.300

pH

0.318

0.087

0.449

3.62

0.000

0.140

0.496

1.12

log [Al]

d

(mg g

−

1

)

0.415

0.104

0.584

3.97

0.000

0.203

0.626

1.70

log [Fe]

o

(mg g

−

1

)

0.019

0.089

0.006

0.22

0.830

−

0.161

0.200

1.70

log [

∧

] (mg g

−

1

)

0.942

0.410

0.341

2.29

0.027

0.109

1.774

1.20

HAC soils: log[C] (mg g

−

1

),

r

2

=

0

.

47,

p<

0

.

001, AIC

=

36.83

intercept

−

4.676

2.340

–

−

2.00

0.054

−

9.417

0.065

pH

0.319

0.086

0.452

3.70

0.000

0.143

0.494

1.12

log [Al]

d

(mg g

−

1

)

0.428

0.083

0.618

5.18

0.000

0.261

0.595

1.07

log [

∧

] (mg g

−

1

)

0.909

0.377

0.323

2.41

0.021

−

0.145

1.674

1.04

Figure 8.

Fitted vs. observed SOC densities for regression

model 7v (Table 7).

tion approach then it is possible to find models with a lower
AIC than those presented in Tables 4 and 6. For example,
for LAC soils there is a model involving all of

8

sand

,

8

clay

,

[Al]

d

, [Al]

o

[Fe]

d

, [Fe]

do

and

8

S
CN

which provides a signif-

icantly better fit than Eq. (b) of Table 4 (

1

AIC of

−

19.9).

But for this model many of the terms had VIF > 10 and after
removal of these terms then the simpler [C]

=

8

sand

+

8

clay

equation is only 0.2 AIC units higher.

Likewise, if one applies a “blind” information criterion

selection criterion to the HAC soils then it is possible to
find a log–log model significantly better than that of Ta-

ble 6s, which retains the [Al]

d

term but with log

6

RB

substituting pH and, moreover, with an additional

8

clay

term included (

r

2

=

0

.

65,

p<

0

.

0001,

1

AIC

= −

20.5). Fur-

ther, modifying this “blindly selected” equation, by rein-
serting our previously rationalised pH term in preference
to log

6

RB

term (thus effectively adding a

8

clay

term to

the Equation of Table 6s), results in a markedly inferior
fit (

1

AIC

= +

10.3). Nevertheless, the resulting equation,

viz. [C]

=

pH

+

log[Al]

d

+

log(

8

S
CN

)

+

8

clay

(

r

2

=

0

.

63), is

still a marked improvement on the equation of Table 7v
(

1

AIC

= −

10.2).

For the smaller arenic soils dataset (

n

=

10) the lowest

AIC linear model is as in Table 4h (i.e. with, combined to-
gether, clay and silt only;

r

2

=

0

.

31,

p

=

0

.

035). However

we do note that there does exist a virtually uninterpretable
log–log model found through the AIC minimisation proce-
dure which involves all of pH (negative coefficient),

8

sand

[Al]

d

, [Fe]

d

and

8

S
CN

(positive coefficients) with an impres-

sive sounding

r

2

=

0

.

85 (but due to the low degrees of free-

dom for which

p

is only < 0.039).

3.7

Checking for model biases

In order to check if there were any systematic biases in the
final models used (the models as presented in Table 4b for
LAC soils, Table 4i for arenic soils and Table 6s for HAC
soils), standardised model residuals were examined in rela-
tion to the soil variables

8

sand

,

8

clay

,

8

silt

, [Al]

d

, [Al]

o

[Fe]

d

,

pH and CN ratio along with mean annual temperature

T

A

and mean annual precipitation

P

A

climate variables and two

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 20

Figures and page graphics, page 20

72

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Figure 9.

The relationship of leaf litter lignin content with both leaf litter and soil C : N ratios.

(a)

Soil C : N ration as a function of leaf litter

C : N ratio,

(b)

soil C : N ratio as a function of leaf litter lignin concentration and

(c)

leaf litter C : N ratio as a function of leaf litter lignin.

Figure 10.

Fitted vs. observed SOC densities for regression

model 6s (Table 6).

vegetation-associated characteristics available for over 100
of the study sites, viz. the above-ground wood productivity
and above-ground biomass. These data are essentially as in
Quesada et al. (2012) but in an updated and expanded form
(Brienen et al., 2015). These relationships are shown in the
Appendix Fig. A1, which shows that there was little if any
evidence of systematic model bias, with the strongest asso-
ciation found for the standardised residuals being with

P

A

(

τ

=

0

.

09,

p

=

0

.

18).

3.8

SOC fractions and mineralogy

Further adding to our analysis, Table 8 shows results for
soil carbon fractions for a subset of our study sites (

n

=

30).

The [C] range in this reduced dataset is similar to the main
dataset, with LAC soils ranging from 8.8 to 25.3 mg g

−

1

,

with the arenic group ranging from 4.2 to 108.6 mg g

−

1

and with the HAC soils ranging from 5.5 to 24.8 mg g

−

1

. It

also shows very similar relationships between the relevant
edaphic parameters and [C] as found for the larger dataset
and described in Sect. 3.2. Comparing the Kendall

τ

from

Table 8 with results from Table 3, we find very similar cor-
relations for both LAC and for all groups combined, but
with [C] in the reduced dataset having stronger correlations
with clay content and Al

d

in LAC soils (

τ

=

0

.

64,

p<

0

.

01

and

τ

=

0

.

61,

p<

0

.

01, respectively). The main difference

between datasets occurs in HAC soils, where the reduced
dataset used for fractionations shows stronger correlations
between [C] and both clay content and

I

E

(

τ

=

0

.

49,

p<

0

.

02

and

τ

=

0

.

72,

p<

0

.

001, respectively) than is the case in the

larger dataset (Table 3).

Soil C fractionations revealed fundamental differences be-

tween the three soil groups as shown in detail in Fig. 11. LAC
soils (Fig. 11a) had an average fraction of 0.49 (or 49 %) C
in clay-rich aggregates (sand and aggregates fraction,

S

+

A

),

with this increasing with [C] up to 0.74. This increase in

S

+

A

fraction in high [C] soils seems to occur at the expense

of the labile clay and silt fraction (

C

+

S

), which represents

a fraction of 0.20 of soil carbon on average, but only 0.09 in
the higher [C] soils. The proportion of C in POM and DOC
fractions varied little across the range of soil [C], while the
resistant carbon associated with clay and silt (

R

C

+

S

) aver-

aged 0

.

2

±

0

.

07 and showed no clear pattern.

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 21

Figures and page graphics, page 21

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

73

T

ab

le

8.

K

endall’

s

τ

correlations

for

soil

or

g

anic

carbon

fractions

and

a

range

of

soil

and

mineralogical

properties.

F

our

one-sided

correlation

m

atrices

are

sho

wn

for

each

of

the

arenic,

LA

C

and

HA

C

clusters

as

well

as

for

the

(combined)

dataset

as

a

whole.

Data

sho

wn

here

are

a

subset

of

our

entire

dataset

(

n>

30).

W

e

ha

v

e

indicated

in

bold

all

cases

where

the

probability

of

T

ype-II

error

is

less

than

0.05.

F

or

the

entire

dataset,

a

τ

>

0

.

22

is

associated

with

a

probability

of

p

<

0

.

05.

F

or

the

HA

C

soil

cluster

with

n

=

13

the

equi

v

alent

v

alue

is

τ

>

0

.

36,

and

for

LA

C

with

n

=

12

the

v

alue

is

τ

>

0

.

39.

F

or

the

arenic

soil

cluster

,

with

only

n

=

5,

the

associated

probability

of

p

<

0

.

05

requires

a

τ

>

0

.

80.

W

e

ha

v

e

indicated

all

cases

where

one

or

more

of

the

four

groupings

has

p

>

0

.

05

–

using

italicised

characters

to

help

cross-referencing

across

the

four

diagonal

matrices.

Lo

w-acti

vity

clay

soils

[C]

CN

[

C

]

cs

[

C

]

r

[

C

]

sa

[

C

]

pom

[

C

]

doc

Sand

Clay

Silt

pH

I

E

TRB

[Fe]

d

[Fe]

o

[Fe]

do

[Al]

d

[Al]

o

q

1

q

2

All

[C]

−

0.03

0.24

0.33

0.55

0.55

0.48

−

0.67

0.64

0.30

−

0.03

0.33

0.12

0.53

−

0.09

0.55

0.61

−

0.03

−

0.48

−

0.52

soils

CN

0.20

0.30

0.39

−

0.18

0.00

0.30

−

0.24

0.21

−

0.06

−

0.45

0.21

−

0.61

−

0.14

0.09

−

0.24

−

0.06

0.15

0.12

0.03

combined

[

C

]

cs

0.43

−

0.09

0.79

−

0.21

0.21

0.45

−

0.27

0.24

0.45

−

0.36

0.36

−

0.27

0.11

0.12

0.15

0.33

0.00

0.03

−

0.24

[

C

]

r

0.49

0.07

0.56

−

0.12

0.42

0.55

−

0.36

0.33

0.30

−

0.33

0.39

−

0.36

0.08

0.03

0.12

0.30

0.03

0.00

−

0.27

[

C

]

sa

0.42

0.42

−

0.10

−

0.01

0.15

0.27

−

0.52

0.55

0.03

0.18

0.30

0.15

0.44

−

0.06

0.39

0.27

0.06

−

0.39

−

0.48

[

C

]

pom

0.44

0.20

0.42

0.31

0.10

0.21

−

0.33

0.30

0.27

−

0.06

0.18

0.03

0.29

−

0.24

0.39

0.33

−

0.24

−

0.21

−

0.18

[

C

]

doc

0.68

0.33

0.32

0.46

0.48

0.17

−

0.52

0.61

0.03

−

0.24

0.48

−

0.27

0.26

0.00

0.27

0.39

0.06

−

0.39

−

0.55

sand

−

0.31

0.18

−

0.27

−

0.32

−

0.05

−

0.03

−

0.29

−

0.91

−

0.21

0.18

−

0.48

0.21

−

0.44

−

0.06

−

0.33

−

0.52

−

0.12

0.27

0.55

clay

0.34

−

0.06

0.11

0.32

0.23

−

0.14

0.48

−

0.66

0.12

−

0.21

0.52

−

0.18

0.41

0.09

0.30

0.48

0.15

−

0.30

−

0.64

silt

0.01

−

0.27

0.43

0.15

−

0.31

0.15

−

0.12

−

0.32

−

0.02

0.06

0.06

0.15

0.29

0.24

0.15

0.33

-0.06

0.15

−

0.24

pH

−

0.07

−

0.53

0.17

−

0.01

−

0.32

0.01

−

0.21

−

0.06

−

0.06

0.33

−

0.33

0.30

−

0.23

−

0.03

−

0.18

−

0.18

0.03

0.00

−

0.09

I

E

0.20

−

0.34

0.37

0.31

−

0.09

0.13

0.11

−

0.41

0.35

0.16

0.32

−

0.36

0.11

−

0.03

0.18

0.12

0.09

−

0.18

−

0.33

TRB

0.02

−

0.66

0.35

0.17

−

0.35

−

0.02

−

0.15

−

0.25

0.15

0.40

0.58

0.42

0.29

−

0.06

0.33

0.09

−

0.30

−

0.21

0.12

[Fe]

d

0.29

−

0.25

0.16

0.38

0.01

−

0.04

0.27

−

0.38

0.49

0.03

0.13

0.34

0.34

0.08

0.69

0.72

−

0.14

−

0.32

−

0.35

[Fe]

o

0.03

−

0.32

0.24

0.32

−

0.23

−

0.04

0.02

−

0.32

0.34

0.16

0.22

0.40

0.42

0.47

−

0.24

0.24

0.58

0.24

−

0.15

[Fe]

do

0.21

−

0.19

−

0.01

0.20

0.15

−

0.20

0.26

−

0.24

0.37

−

0.15

−

0.01

0.17

0.15

0.58

0.04

0.45

−

0.30

−

0.52

−

0.24

[Al]

d

0.21

−

0.01

−

0.02

0.24

0.19

−

0.18

0.32

−

0.36

0.55

−

0.09

−

0.15

0.15

0.05

0.64

0.34

0.43

0.12

−

0.33

−

0.61

[Al]

o

0.09

−

0.02

−

0.01

0.22

0.10

−

0.20

0.22

−

0.32

0.47

−

0.03

−

0.06

0.22

0.07

0.32

0.53

0.11

0.63

0.12

−

0.27

q

1

−

0.16

−

0.22

0.28

−

0.03

−

0.44

0.20

−

0.35

0.10

−

0.31

0.34

0.39

0.04

0.29

−

0.20

0.04

−

0.32

−

0.46

−

0.35

0.30

q

2

−

0.35

−

0.16

−

0.09

−

0.30

−

0.22

−

0.13

−

0.35

0.26

−

0.30

0.09

0.12

0.03

0.15

−

0.26

−

0.03

−

0.19

−

0.28

−

0.08

0.10

High-acti

vity

clay

soils

[C]

CN

[

C

]

cs

[

C

]

r

[

C

]

sa

[

C

]

pom

[

C

]

doc

sand

clay

silt

pH

I

E

TRB

[Fe]

d

[Fe]

o

[Fe]

do

[Al]

d

[Al]

o

q

1

q

2

[C]

0.10

0.74

0.62

0.43

0.72

0.73

−

0.26

0.49

0.10

0.36

0.72

0.49

0.38

0.28

−

0.05

0.18

0.18

0.23

−

0.26

CN

0.40

−

0.05

0.28

0.37

0.18

0.25

0.44

−

0.21

−

0.33

−

0.28

−

0.08

−

0.31

0.05

0.10

−

0.03

0.15

0.21

−

0.41

0.18

[C]

cs

1.00

0.40

0.56

0.22

0.67

0.60

−

0.36

0.59

0.21

0.31

0.62

0.64

0.38

0.38

−

0.05

0.23

0.23

0.49

−

0.31

[C]

r

0.80

0.60

0.80

0.19

0.44

0.76

−

0.13

0.41

−

0.03

0.18

0.44

0.36

0.62

0.41

0.13

0.41

0.31

0.10

−

0.49

[C]

sa

0.60

0.40

0.60

0.40

0.45

0.32

0.17

−

0.04

−

0.12

0.19

0.25

−

0.09

0.04

−

0.04

0.01

−

0.06

−

0.09

−

0.09

0.14

[C]

pom

1.00

0.40

1.00

0.80

0.60

0.54

−

0.23

0.36

0.08

0.18

0.49

0.31

0.36

0.51

−

0.28

0.31

0.41

0.15

−

0.13

[C]

doc

1.00

0.40

1.00

0.80

0.60

1.00

−

0.09

0.41

−

0.07

0.30

0.60

0.38

0.49

0.36

0.09

0.17

0.20

0.12

−

0.30

sand

−

0.60

−

0.40

−

0.60

−

0.40

−

0.60

−

0.60

−

0.60

−

0.56

−

0.69

−

0.33

−

0.33

−

0.51

−

0.10

−

0.26

0.18

0.00

−

0.15

−

0.41

0.33

clay

0.20

0.00

0.20

0.00

0.60

0.20

0.20

−

0.60

0.26

0.31

0.41

0.64

0.28

0.44

−

0.15

0.13

0.28

0.49

−

0.46

silt

0.60

0.40

0.60

0.40

0.60

0.60

0.60

−

1.00

0.60

0.33

0.23

0.36

−

0.05

0.05

−

0.08

−

0.10

0.10

0.21

−

0.13

pH

0.32

0.53

0.32

0.53

−

0.11

0.32

0.32

0.11

−

0.53

−

0.11

0.59

0.56

0.26

0.00

0.18

−

0.05

−

0.10

0.46

−

0.23

I

E

0.11

0.11

0.11

−

0.11

0.53

0.11

0.11

−

0.11

0.11

0.11

0.00

0.56

0.26

0.21

−

0.08

0.00

0.05

0.36

−

0.13

TRB

0.60

0.00

0.60

0.40

0.20

0.60

0.60

−

0.60

0.60

0.60

−

0.11

−

0.32

0.28

0.23

0.00

0.13

0.13

0.64

−

0.36

[Fe]

d

0.00

−

0.20

0.00

0.20

−

0.40

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.32

−

0.53

0.40

0.44

0.21

0.64

0.28

0.13

−

0.62

[Fe]

o

−

0.60

−

0.40

−

0.60

−

0.40

−

1.00

−

0.60

−

0.60

0.60

−

0.60

−

0.60

0.11

−

0.53

−

0.20

0.40

−

0.36

0.49

0.74

0.08

−

0.36

[Fe]

do

0.60

0.00

0.60

0.40

0.60

0.60

0.60

−

0.20

0.60

0.20

−

0.11

0.11

0.60

0.00

−

0.60

0.05

−

0.41

0.05

−

0.23

[Al]

d

0.00

−

0.60

0.00

−

0.20

0.00

0.00

0.00

0.00

0.40

0.00

−

0.11

−

0.11

0.40

0.60

0.00

0.40

0.49

0.03

−

0.36

[Al]

o

0.60

0.00

0.60

0.40

0.60

0.60

0.60

−

0.20

0.60

0.20

−

0.11

0.11

0.60

0.00

−

0.60

1.00

0.40

−

0.03

−

0.15

q

1

−

0.20

0.00

−

0.20

0.00

−

0.60

−

0.20

−

0.20

0.20

−

0.60

−

0.20

0.53

−

0.53

−

0.20

0.40

0.60

−

0.60

0.00

−

0.60

−

0.21

q

2

0.00

−

0.20

0.00

−

0.20

0.40

0.00

0.00

0.00

0.40

0.00

−

0.74

0.32

0.00

−

0.60

−

0.40

0.40

−

0.20

0.40

−

0.80

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 22

Figures and page graphics, page 22

74

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Figure 11.

Proportion of total soil carbon in the different pools for

the three soil groups varying as a function of their SOC content.

(a)

LAC,

(b)

arenic and

(c)

HAC soils. Dissolved organic carbon

(DOC), particulate organic matter (POM), sand and aggregates (

S

+

A

), silt and clay (

S

+

C

), and resistant SOC associated with silt and

clay fractions.

On the other hand, the arenic group have most of their car-

bon associated with POM and

S

+

A

fractions (average pro-

portion of 0.47 and 0.25, respectively) (Fig. 11b, Table 8),
with the fraction of POM reaching 0.70 in soils with higher
overall [C]. Seasonally wet sands (denoted with

F

follow-

ing the soil type in Table 1) had the highest POM fractions,
averaging 0.6 of total [C], but despite the differences in [C]
related to soil drainage, POM and

S

+

A

fraction were still

the main stores of SOC in well drained sands (0.33 and 0.3
of total [C], respectively).

HAC soils consistently had most of their [C] associated

with the clay and silt fraction (0.43) and the resistant carbon
(0.28) associated with clay and silt (

R

C

+

S

). On average 0.72

of [C] was found in these two fine-earth fractions (Fig. 11c).
The

S

+

A

fractions only had on average 0.13 of HAC soils

[C], while POM and DOC had 0.13 and 0.01 respectively.
In general, the HAC fractions varied little in proportion to
increasing [C].

Soil C fractions in the three groups also differed in the

way they relate to other edaphic properties such as texture,
the abundance of Fe and Al oxides, and bulk soil mineralogy
(Table 8). In LAC, soil carbon associated with both

C

+

S

and

R

C

+

S

fractions did not show any significant correlation with

Fe and Al oxides, nor with clay content, but

C

+

S

was corre-

lated with soil silt content (Kendall

τ

=

0

.

45,

p<

0

.

025). On

the other hand, the

S

+

A

fraction, the main pool of SOC, was

significantly correlated to clay content (

τ

=

0

.

55,

p<

0

.

01).

S

+

A

was also negatively correlated with our PCA axis 1,

which indicates a positive relationship with the abundance of
1

:

1 clay minerals (see Sect. 3.2) as axis 1 (

q

1

Table 8) rep-

resents to a large degree the abundance of kaolinite, Goethite
and Gibbsite (Kendall

τ

= −

0

.

39,

p<

0

.

05).

S

+

A

was also

negatively correlated to sand content (Kendall

τ

= −

0.52,

p<

0

.

01),

S

+

A

was also significantly correlated to Fe ox-

ides (Kendall

τ

=

0

.

44,

p<

0

.

03 and 0.39

p<

0

.

05 for Fe

d

and Fe

d-o

; Table 8). The DOC fraction was significantly cor-

related to clay (Kendall

τ

=

0

.

61

p<

0

.

01),

I

E

(Kendall

τ

=

0

.

48,

p<

0

.

02) and Al

d

(Kendall

τ

=

0

.

39

p<

0

.

05). DOC

was also correlated to

q

1

(Kendall

τ

= −

0

.

39,

p<

0

.

05). The

POM fraction was significantly correlated to Fe

d

−

o

(Kendall

τ

=

0

.

39,

p<

0

.

05).

The small number of arenic soils in this analysis (

n

=

5)

makes correlations unreliable and difficult to interpret. At

n

=

5, a Kendall

τ

=

0

.

8 does not differentiate critical values

at

p

=

0

.

1 and 0.05, and significance can only be attained for

Kendall

τ

=

1. Therefore, correlations in Table 8 should be

taken just as a guidance for the direction of the relationship
and are not considered further here.

HAC fractions showed totally different correlations to

edaphic properties when compared to LAC soils. For exam-
ple, the

C

+

S

fraction was significantly correlated to clay

content (

τ

=

0

.

59,

p<

0

.

01),

I

E

(

τ

=

0

.

62,

p<

0

.

01) and with

the weathering index TRB (

τ

=

0

.

64,

p<

0

.

01).

C

+

S

also

showed a positive correlation with PCA axis 1, indicating a
positive correlation with the abundance of 2

:

1 clays (

τ

=

0

.

49,

p<

0

.

02).

R

C

+

S

in HAC soils also showed an effect

of both Fe

d

and Al

d

(Kendall

τ

=

0

.

62,

p<

0

.

01 and 0.41,

p<

0

.

04, respectively) and

I

E

(Kendall

τ

=

0

.

44,

p<

0

.

03).

In striking difference to LAC,

S

+

A

in HAC soils was

an insignificant storage for SOC and showed no significant
correlation to the concentration of any oxides, clay content
or any other of the measured parameters. DOC on the other
hand behaved in a more similar manner to LAC soils, also
showing significant associations with

I

E

(

τ

=

0

.

60

p<

0

.

01)

and clay content (

τ

=

0

.

41,

p<

0

.

04) and an iron oxide ef-

fect (Fe

d

:

τ

=

0

.

49,

p<

0

.

02). POM on the other hand was

correlated to Fe

o

(

τ

=

0

.

51,

p<

0

.

02) and Al

o

a (

τ

=

0

.

41,

p<

0

.

05) and

I

E

(

τ

=

0

.

49,

p<

0

.

02, respectively).

3.9

Carbon stocks versus carbon concentrations

Although the analysis here has focused on soil carbon con-
centrations, for carbon inventory purposes the actual carbon
stock (i.e. carbon per unit ground area:

C

S

) is usually of more

interest, and with the two being related according to

C

s

=

0

Z

d

[

C

]

z

·

ρ

z

·

d

z,

(1)

where [C]

z

and

ρ

z

represent the carbon concentrations and

bulk density of the soil at depth

z

below the soil sur-

face respectively and

d

is the maximum sampling depth.

Thus with the actual calculations done layer by layer (viz.
0 to 0.05 m, 0.05 to 0.10 m, 0.10 to 0.20 m and 0.20 to
0.30 m) Fig. 12a–c show the relationship between [C] and

ρ

for the three soil groups with regressions shown that

were significant at

p<

0

.

05 or better. This shows a rea-

sonably strong relationship for the LAC soils across the 0
to 0.3 m depth (Fig. 12a, log(

ρ

)

=

0.881–0.298

×

log[C]:

r

2

=

0

.

43,

p<

0

.

001) and with a similar though somewhat

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 23

Figures and page graphics, page 23

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

75

less convincing relationship being observed for the HAC
soils (Fig. 12b, log(

ρ

)

=

0.678–0.219

×

log[C]:

r

2

=

0

.

25,

p<

0

.

001) but no readily discernable relationship evident for

the arenic soils (Fig. 12c, log(

ρ

)

=

0.697–0.233

×

log[C]:

r

2

=

0

.

20,

p<

0

.

08).

These negative [C] vs.

ρ

associations across all three soil

groupings necessitate that

C

S

is a saturating function of [C]

as is shown in Fig. 12d–f, with the slopes of the log–log scal-
ing relationships being 0

.

62

±

0

.

05 for LAC soils (Fig. 12d),

0

.

71

±

0

.

05 for the HAC soils (Fig. 12e), 0

.

23

±

0

.

15 for the

arenic soils (Fig. 12f) and 0

.

59

±

0

.

04 for the dataset as a

whole. This means, for example, that – on average – an in-
crease in [C] of 50 % will result in an increase in

C

S

of only

(1.5

0

.

59

−

1) or just 27 %.

This negative covariance between [C] vs.

ρ

also means

that within a given soil group variation in

C

S

is typically

much less than for [C]. For example, as is shown in Ta-
ble 9, the 12 RSGs examined show a lower coefficient of
variation for

C

S

than is the case for [C], with this difference

being especially marked for Cambisols (0.63 for [C] vs. 0.39
for

C

S

). Also shown in Table 9 are the mean

C

S

values for

the 12 RSGs we have examined as compared to the values
given by Batjes (1996), for which we note that in the ma-
jority of cases our estimates are surprisingly close, with one
exception being the Alisols for which our estimate of around
46 t C ha

−

1

is only 53 % that of the Batjes (1996) estimate of

ca. 86 t C ha

−

1

to 0.3 m depth. Our Leptosols and Podzol

C

S

estimates are also much higher than those of Batjes (1996).

4

Discussion

According to our analysis, the three soil groups studied here
are characterised by different soil C stabilisation mecha-
nisms. Specifically, highly weathered soils, dominated by
low-activity clays such as Ferralsols and Acrisols (our LAC
group) have SOC densities that are strongly dependent on
their clay and silt contents. However, such simple relation-
ships with fine-earth fractions could not explain SOC vari-
ations for the less weathered soils. For the HAC group-
ing, SOC stabilisation is predominantly related to interac-
tions with Al, and the formation of Al/organic matter co-
precipitates. For our arenic soils group, it appears that most
of the SOC present is in loose particulate organic matter form
and is therefore not stabilised by mineral interactions, though
with a surprisingly strong effect of their small clay and silt
content variations.

Such differences in the stabilisation mechanisms can arise

from the different soils examined being at contrasting pedo-
genetic development stages and/or differences in parent ma-
terial. Highly weathered soils such our LAC group have been
under constant tropical weathering rates for timescales that
range from 100 million to 2 billion years (Hoorn et al., 2010;
Quesada et al., 2011), with some of the central and eastern
Amazon Basin soils having suffered several cycles of weath-

ering (Herrera et al., 1978; Irion, 1978; Quesada and Lloyd,
2016). This extreme weathering of LAC soils has resulted in
a deep uniformity in their mineralogy, which is dominated
by kaolinite (Sombroek, 1984), and in the depletion of rock-
derived elements. It has also resulted in the development of
favourable soil physical properties such as free drainage, low
bulk densities and the formation of very deep soil horizons
(Quesada et al., 2010).

Nevertheless, it also needs to be remembered that the

Amazon Basin has a complex mosaic of soils, with ca. 40 %
having young and intermediate pedogenetic development
levels (Quesada et al., 2011; Richter and Babbar, 1991;
Sanchez, 1976). Most of these less weathered soils occur in
the west of the basin and were influenced by the uprising of
the Andean Cordillera (Hoorn et al., 2010), thus having much
younger geological ages. Much of the soil formation process
in this region only came into effect after the Pliocene, with
most of the substrate in that region having less than 2 million
years (Hoorn and Wesselingh, 2011; Quesada et al., 2011;
Quesada and Lloyd, 2016). Soils in that region have a di-
verse mineralogy, with a high abundance of 2

:

1 clays and

sometimes also some rock-derived easily weatherable miner-
als (Irion, 1978; Quesada et al., 2010, 2011; Sombroek, 1966,
this study). One important characteristic of many HAC soils
is the very high amount of Al that is released through the
weathering of 2

:

1 clays (Marques et al., 2002). High active

clays are unstable in environments depleted of silica, alkaline
and alkaline earth cations, thus releasing soluble aluminium
from the octahedral internal layers of the 2

:

1 clay minerals,

with such Al release also increasing with depth (Quesada et
al. 2011).

The arenic soil group on the other hand is strongly influ-

enced by its parent material. It comprises the Arenosol and
Podzol reference groups, with the latter also being predom-
inantly sandy in Amazonia (Do Nascimento et al., 2004).
Both soil types are thought to have evolved from the weath-
ering of aeolian and riverine sediments of siliceous rocks,
or in some cases, being locally weathered and deposited in
colluvial zones through selective erosion (Buol et al., 2011;
Driessen et al., 2000). As quartz usually makes up more than
90 % of their mineral fraction, their surface exchange capac-
ity is very small, resulting in very low nutrient levels as a
consequence of a high degree of leaching (Buol et al., 2011;
Quesada et al., 2010, 2011). The very low nutrient content
of these soils, often associated with high groundwater levels,
results in the formation of thick root mats in the soil sur-
face (Herrera et al., 1978) which then strongly influences the
amount and vertical distribution of their SOC stocks.

Therefore, our HAC, LAC and arenic soils groups consist

of very different soils, with contrasting geological formation
and chemical and physical properties. Not surprisingly, such
wide variations also resulted in different mechanisms of SOC
stabilisation.

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 24

Figures and page graphics, page 24

76

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Figure 12.

Variations in bulk density

(a)

LAC,

(b)

HAC and

(c)

arenic soils, and top-soil SOC stocks, and SOC stocks of

(d)

LAC,

(e)

HAC

and

(f)

arenic soils as a function of SOC content. Significant regression lines (see text for details) for each soil group are plotted together for

comparison.

Table 9.

Mean soil organic carbon stocks (0–30 cm) for 12 RSGs examined in this study. Stocks from Batjes (1996) are also given for

comparison. CV stands for coefficient of variation.

RSG

n

Soil carbon concentration

Soil carbon stock

SOTER-LAC estimated

soil carbon stock

Mean (mg g

−

1

)

CV

Mean (t ha

−

1

)

CV

Mean (t ha

−

1

)

CV

Acrisol

18

16.3

0.35

49.5

0.27

44.0

0.50

Alisol

20

16.6

0.28

45.6

0.27

85.7

0.42

Arenosol

6

12.3

0.23

29.6

0.31

20.7

0.50

Cambisol

19

21.3

0.63

58.9

0.39

55.9

0.61

Ferralsol

34

17.1

0.35

47.3

0.26

50.5

0.48

Fluvisol

5

21.0

0.33

54.6

0.33

34.2

0.52

Gleysol

10

24.5

1.03

70.1

0.84

67.4

0.62

Leptosol

2

32.0

0.75

115.2

0.63

51.5

0.63

Lixosol

3

21.9

0.36

65.4

0.17

38.5

0.45

Luvisol

2

15.3

0.57

43.8

0.46

46.7

0.51

Plinthosol

18

14.2

0.40

41.1

0.44

34.0

0.48

Podzol

7

48.3

0.92

98.9

1.32

54.9

0.54

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 25

Figures and page graphics, page 25

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

77

4.1

Mechanisms of SOC stabilisation

4.1.1

SOC stabilisation in low-activity clay soils

Since soil C content might reasonably be expected to de-
pend, at least in part, on specific surface area (SSA) because
a higher density of exchange sites per unit volume should
result in more soil carbon stabilisation through mineral–
organic-matter associations (Saidy et al., 2012), the uniform
mineralogy of 1

:

1 soils means that, as shown in Fig. 5 and

elsewhere (Burke et al., 1989; Dick et al., 2005; Feller and
Beare, 1997; Telles et al., 2003), for LAC soil organic C
scales linearly with clay content since the variation in clay
content is the main source of variation in SSA.

The observed variation in clay fractions across LAC soils

studied here was large, from 0.05 to 0.89. This reflects dif-
ferences in parent material, with Acrisols tending to have
sandier top soils (West et al., 1997). Central and East Ama-
zonia are known for having very clay-rich soils, often having
clay content well above 60 % (Chauvel et al., 1987; Som-
broek, 1966), with such clays originating from ancient fluvio-
lacustrine sediments deposited on the Barreiras and Alter do
Chão geological formations locally known as Belterra clays
(Sioli, 1984; Sombroek, 1966, 2000). Other regions where
Ferralsols dominate, such as the southern fringe of the basin
(Quesada et al., 2010), often have much sandier soils.

The uniformity in the clay vs. C relationships shown by

our best OLS models indicates an overruling effect of clay
content and with some effect from silt (Table 4). The supe-
rior predictive power of sand content (

−

[clay

+

silt]), com-

pared to clay, as a main determinant of SOC in highly
weathered tropical soils has already been shown by Saiz et
al. (2012), with these authors concluding that sand content
shows less confounding effects than that of clay in these sys-
tems. The association of clay with aluminium and iron ox-
ides in highly weathered tropical soils may promote the for-
mation of sesquioxides. Saiz et al. (2012) have shown that
these particles confer the soil a coarse-like texture, which
exerts a strong influence on soil bulk density and water re-
tention properties. Furthermore, results from Fig. 3a, c also
suggest a wide variation of Fe oxides to occur on LAC soils,
with Fig. 6 and Tables 3 and 5 indicating that the abundance
of Al

d

is also correlated with SOC. This could be related to

increments in SSA resulting from the greater abundance of
such minerals (Eusterhues et al., 2005; Kleber et al., 2005;
Wiseman and Püttmann, 2006; Saidy et al., 2012) in which an
increment in the number of exchange sites may provide addi-
tional stabilisation of carbon via direct complexation (Parfitt
et al., 1997; Schwertmann et al., 2005) and with direct inter-
actions between SOC, Fe and Al oxides, with clay particles
(Wiseman and Püttmann, 2006) also being important. How-
ever, Fe and Al hydroxides may also indirectly protect car-
bon from decomposition through their role in the formation
of stable aggregates which make carbon physically inaccessi-
ble to decomposers (Kitagawa, 1983; Six et al., 2004; Wagai

and Mayer, 2007). This may be of importance for LAC soils
since stable clay aggregates were found to store most of the
SOC (Sect. 3.5).

Using the Zimmerman et al. (2007) soil carbon fraction-

ations to gain further insights into the stabilisation mecha-
nisms that underlie soil organic matter dynamics (Denef et
al., 2010), Fig. 11a shows that the sand and aggregate (

S

+

A

)

fraction is responsible for holding most of the SOC in LAC
soils. This fraction is essentially formed by a mixture of clay,
silt, oxides and organic matter, and within this fraction ag-
gregation may promote increased SOC protection as it influ-
ences the accessibility of substrate to microorganisms, thus
limiting the extent that the diffusion of reactants and prod-
ucts from extracellular synthesis (i.e. soil enzymes) can reach
the organic matter (Sollins et al., 1996). For example, pore
spaces inside aggregates can be too small to allow access
of bacteria (Van Veen and Kuikman, 1990) and efficient en-
zyme diffusion (Sollins et al., 1996). This then retains SOC
in inaccessible micropores inside aggregates (Baldock and
Skjemstad, 2000), which ultimately protects SOC from de-
cay, explaining the positive correlation often found between
the level of soil aggregation and SOC concentration (Six et
al., 2004; Tisdall and Oades, 1982).

Soil aggregation level is also affected by other chemi-

cal, microbial, plant, animal and physical processes, many
of which seem to be favoured by the tropical climate and
thriving biological activity of the tropical moist forest envi-
ronment. For instance, microbial activity releases polysac-
charides that act as binding agents in soil aggregates (Lynch
and Bragg, 1985; Oades, 1993) and fungal hyphae are known
to bind solid particles together (Sollins et al., 1996). Plant
roots also influence soil aggregation by releasing exudates
that can directly flocculate colloids and bind or stabilise ag-
gregates (Glinski and Lipiec, 1990). Root exudates may also
foster microbial activity which can lead to aggregate forma-
tion and stabilisation. Plant roots and associated hyphae can
also enmesh soil particles by acting as a “sticky string bag”
(Oades, 1993) which binds soil particles. Further, the pres-
sure exerted by roots and soil fauna on soil promotes aggre-
gation (Oades, 1993; Sollins et al., 1996). Soil fauna (includ-
ing earthworms, termites, collembola, beetles, isopods and
millipeds) form fecal pellets and excrete binding agents that
form aggregates (Oades, 1993; Sollins et al., 1996). Never-
theless, the presence of Fe and Al oxides in these soils may
also favour the formation of soil aggregates (Kitagawa, 1983;
Wagai and Mayer, 2007) since they act as binding agents
with clays in a process thought to be associated with the large
abundance of aggregates in Ferralsols and Acrisols (Paul et
al., 2008; Sanchez, 1976; Sollins et al., 1996).

Soil C stabilisation on the surface of Amazonian Ferralsols

and Acrisols (1

:

1 clays) is thus interpreted here as the sum-

mation of the effect of variations in kaolinite clay content
(varying SSA) and the additional physical protection given
by the extensive level of aggregation common to these soils.

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 26

Figures and page graphics, page 26

78

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

4.1.2

Processes of C stabilisation in arenic soils

Since quartz is devoid of significant surface area and ex-
change sites, the retention of SOC in sand-rich soils is diffi-
cult to predict on the basis of soil physiochemical properties
as there is no, or very little, mineral–organic-matter interac-
tion. Thus, the bulk SOC variation in our arenic soil group
most likely reflects varying edapho-environmental condi-
tions such as groundwater levels and/or moisture regimes,
vertical root distribution and/or litter quality. However, small
changes in clay and silt content were still found to have large
effects on soil [C] (Table 4), with this OLS regression giv-
ing a slope 10 times greater than that of LAC soils. This
is similar to what Hartemink and Huting (2008) found for
150 Arenosols in southern Africa, where soil carbon con-
tent varied from about 0.5 to 12 g kg

−

1

alongside a change in

clay fraction ranging from effectively zero to just 0.12. Sim-
ilar findings (i.e. 0.8 to 14.5 g kg

−

1

) were also obtained on

heavily coarse-textured soils sampled along a 1000 km mois-
ture gradient spanning from southern Botswana into southern
Zambia (Bird et al., 2004).

In addition, groundwater fluctuations and the often ex-

tremely low nutrient availability of these soils often result
in the formation of root mats, covering the top 10 to 50 cm of
the soil surface with an impressive mixture of roots and or-
ganic matter in different stages of decomposition (Herrera et
al., 1978). Such soil mats may reasonably be expected to ex-
ert a strong influence on soil SOC concentrations, since they
concentrate the inputs of organic matter into a single layer
close to the surface. Moreover, because many of these soils
are seasonally waterlogged (Quesada et al., 2011) the associ-
ated anaerobic conditions should also inhibit decomposition.
It is therefore not a surprise that we observed some of the
highest [C] in these soils.

Our fractionation results again provided additional infor-

mation for the understanding of SOC retention, with the bulk
of the SOC in arenic soils found as free particulate organic
matter, and with this proportion increasing as [C] increases
(Fig. 11b). This was particularly the case for seasonally wet
sands (up to 60 % of SOC), but with POM also being a sig-
nificant fraction of the total SOC even in the drier sands
(

∼

30 %). The implication here is that chemical recalcitrance

of organic matter may also have a role in these soils: favour-
ing the maintenance of residual, slowly decaying organic par-
ticles.

High chemical recalcitrance may be common in such ex-

tremely dystrophic arenic soils, with total P levels often as
low as 10 mg kg

−

1

. Total P in LAC soils is ca. 10 times

greater than in arenic soils, and generally 20–50 times greater
in HAC soils (Quesada et al., 2010). Such a low level of nu-
trient content often results in high levels of plant investment
in secondary defense compounds against herbivory (Coley et
al., 1985; Fine et al., 2004), and such chemical recalcitrance
may affect the decomposition process and thus slightly in-
crease residence time of uncomplexed C in the soil. This may

affect POM levels particularly, considering that the most re-
calcitrant part will have a slower turnover, or be left unde-
composed following microbial attack. This is given support
by the observations made by Luizão and Schubart (1987),
who found that leaf litter decomposition in Amazonian white
sands takes twice as long than for Ferralsols and Acrisols
during the dry season, and nearly 7 times longer in the wet
season when decomposition is more dynamic in the non-
white sand soils. Organic acids from residual decomposition
from these soils are known to colour the rivers of the region –
the Rio Negro, with its head waters within a vast white sand
forest region (Quesada et al., 2011), gets its name by virtue
of its high humic and fulvic acid content (Fittkau, 1971).

4.1.3

SOC stabilisation in high-activity clay soils

Our results suggest that Al–organic-matter (Al–OM) interac-
tion, or co-precipitation is a fundamental mechanism of SOC
stabilisation for the less weathered HAC forest soils of the
Amazon Basin, with the OLS models presented here involv-
ing complex interactions between Al species (Al

d

), soil pH

and the abundance of aromatic, carboxyl-rich organic mat-
ter. The complexity of the models and their high ability to
explain SOC densities suggest that this mechanism is funda-
mental to an understanding of HAC soil C storage.

To our knowledge this is the first time that Al–OM inter-

actions have been suggested as a key factor explaining SOC
densities for Amazon forest soils. Nevertheless, with DOC
being ubiquitously present in such a highly dynamic sys-
tem, and with exchangeable Al often abundant as has already
been shown to be the case in western Amazon soils (Que-
sada et al., 2010, 2011; Marques et al., 2002; this study),
it is intuitive that Al–OM interactions should encompass a
continuum from low-polymeric metal–organic complexes to
highly crystalline phases with surface attached organic mat-
ter (Kleber et al., 2015). Thus Al–OM interactions forming
co-precipitates are likely to be a widespread mechanism that
has previously been overlooked because most of the studies
in the Amazon Basin have to date only focused on highly
weathered soils such as Ferralsols and Acrisols (i.e. Telles et
al., 2003). Nevertheless, with less weathered soils occupying
circa 40 % of the Amazon Basin (Quesada et al., 2011), it is
important to further investigate the role of Al–OM interac-
tions, in particular with regard to their influence over SOC
mean residence times (MRTs), since they are likely to be dif-
ferent from what is known for Ferralsols. For example, MRT
of SOC in Amazon Ferralsols is about 10 years (Trumbore
and Barbosa De Camargo, 2009) as determined by

14

C stud-

ies, but to our knowledge, no

14

C information is available

for western Amazon soils, nor is such information is avail-
able for MRT of Al–OM co-precipitates. As organic poly-
electrolytes reorganise on mineral surfaces over time, they
form additional polar covalent bonds, and this ageing process
can then lead to a decreased desorbability of OM (Kleber et

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 27

Figures and page graphics, page 27

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

79

al., 2015). This means that MRT of Al–OM co-precipitates
could well extend to decades or even centuries.

In that respect, it is clear that organic matter becoming

co-precipitated with Al results in it becoming more resis-
tant to microbial decay (Kalbitz and Kaiser, 2008; Nierop et
al., 2002). At Al–OM concentrations typical of forest soils,
up to 80 % of DOC can co-precipitate (Nierop et al., 2002;
Scheel et al., 2007), with mineralisation rates of Al–OM co-
precipitates formed from DOM much lower than the com-
pounds from which the original, unprecipitated DOM origi-
nates (Boudot et al., 1989; Scheel et al., 2007). For instance,
using incubations, Scheel et al. (2007) found that the min-
eralisation extent of Al–OM precipitates ranged from 0.5 %
to 7.7 % while the DOM that originated the precipitates had
much higher rates (5 % to 49 %). Kalbitz and Kaiser (2008)
found that up to 50 % of total SOC in their study site was
stabilised from DOM following Al–OM interaction, with the
authors suggesting that Al co-precipitation has a stronger ca-
pacity to reduce mineralisation than sorption in phyllosili-
cates.

The formation of Al–OM co-precipitates is influenced by

several factors and interacting processes with, according to
the extensive review from Kleber et al. (2015), the most im-
portant factors being the prevalent metal-to-carbon ratios in
the soil solution (M

/

C), the presence of aromatic organic

compounds, the pH value of soil solution and the metal
species present (in which Fe also may have a role). Increas-
ing M

/

C ratios increase the probability of reaction with OM

while the solution pH controls the solubility and speciation
of metals (Al, Fe). With an increasing pH, the efficiency of
the process increases, causing larger amounts of precipitates
(Scheel et al., 2007). Also, co-precipitation occurs preferen-
tially with aromatic, carboxyl-rich organic structures such as
those derived from lignin and tannin decomposition due to
their higher affinity for Al complexation sites (Scheel et al.,
2007, 2008; Kleber et al., 2015), interactions which were also
made clear through the importance of litter lignin content and
soil C : N ratio in our OLS results. With regard to metal spe-
ciation, our OLS models selected for dithionite extractable
Al (Al

d

) which, having a broad capacity to extract Al bear-

ing minerals, we interpret as a continuum of likely different
forms such as free Al (Al

+

3

), Al from Al-interlayer miner-

als, Al–OM complexes, and both crystalline and amorphous
Al hydroxides (particularly at higher pH values).

In interpreting the use of soil C : N ratios as a surrogate

for litter quality it needs to be borne in mind, however, that
because log(C : N)

=

log[C]

−

log[N], this means that em-

bedded in equation 6s is what is known as a “whole-part”
correlation (Chayes, 1971) Formula and randomisation tech-
niques exist to estimate the extent to which slopes and corre-
lation coefficients may be biased by the presence of the same
terms on both sides for OLS regression equations if their (co-
)variances and/or correlations are known (Bartko and Pet-
tigrew, 1968; Lloyd et al., 2013). But unfortunately, due to
complex interactions between the fitted terms in such a situ-

ation, these cannot be readily applied in a multivariate con-
text (Lloyd et al., 2013). Nevertheless we can say that, even
though the observed (bivariate) correlation between log[C]
and log(CN) for the HAC soils in our dataset is relatively
low (

r

2

=

0

.

23) it is almost certain that the relatively steep

log–log slope of 1.16 for the log(CN) effect within Table 6
is inflated. Thus, caution would need to be exercised in ap-
plying this equation in any sort of predictive framework. Fur-
ther insights into carbon stabilisation mechanisms may again
be found from the fractionations study. Specifically, Fig. 11c
suggests that for HAC the Al–OM precipitates are held to-
gether within

C

+

S

fractions, this despite there being no sim-

ple correlations with clay fraction in the extended dataset.
Although this could perhaps be attributed to the use of only
a subset of sites used in the fractionation analysis, where the
reduced dataset shows stronger associations between [C] and
clay content, we suggest that such colloidal sized Al–OM
precipitates should be stored alongside the fine-earth frac-
tion. Remarkably 75 % of SOC that occurs is associated with

C

+

S

(and its resistant fraction) in these soils, with this frac-

tion being reasonably consistent across a range of soil [C].

4.2

Possible influences of confounding factors

As noted in the Introduction, our approach to modelling the
[C] storage potential has been primarily hypothesis based,
but also as noted in Sect. 3.6, there were some models that
– on the basis of their AIC – are statistically superior to
those presented as best models here. For example, in mod-
elling the [C] storage of HAC soils solely on the basis of soil
mineralogical properties, then a model also including both
Fe

o

and Al

o

seemed to be the best (equation of Table 6q).

Nevertheless, following our rationalisation that plant organic
matter quality inputs should also be important, once the sur-
rogate soil CN ratio metric was added to the model, then the
difficult-to-explain apparent negative Fe

o

effect became re-

dundant (equations of Tables 6r and 6s). Likewise in Sect. 3.6
we also noted that total reserve bases seemed to be a better
predictor than pH in a model of soil C stocks with [Al]

d

and

CN ratio as covariates. We chose pH for our final model on
the basis of its known effect on the SOC precipitation process
and with the apparent Total Reserve Bases effect rationalised
as a simple consequence of its high correlation with pH in
HAC soils (

τ

=

0

.

52,

p<

0

.

0001; Table 3).

Also, not included in our final models were the effects

of either mean annual temperature or precipitation, which,
as well as showing poor associations with SOM storage for
all three of our soil groups when considered individually as
well as when all soils were pooled together as a whole, also
showed no significant association with model residuals (Ap-
pendix Fig. 1). Nor – as is suggested by the lack of any sys-
tematic bias of model residuals with above-ground wood pro-
ductivity – was there any suggestion of variations in carbon
inputs influencing forest C stocks. This suggests that, across
the temperature and precipitation range of our dataset, litter

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 28

Figures and page graphics, page 28

80

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

input quality and soil mineral stabilisation mechanisms are
the primary determinants of the SOM storage variations: a
result which is consistent with microbial decomposition rates
acclimating to both temperature (Bradford et al., 2008) and
precipitation (Deng et al., 2012).

Our findings do not negate the possibility that future cli-

mate changes will have a significant impact on soil car-
bon stocks in the Amazon Basin. For example, Cotrufo et
al. (2013) have postulated that although interactions of or-
ganic materials within the soil mineral matrix are the ulti-
mate controllers of SOM stabilisation over long timescales,
it is the microbially mediated delivery of organic products
to this matrix that provides the critical link between plant
litter inputs and what products are available for stabilisa-
tion. In this respect a consideration of depths substantially
greater than the upper 0.3 m examined here must also be
critical for the accurate determination of any future changes
in climate stocks, as below 0.3 m Amazon Basin forest soil
C are generally quite low, and there is likely existing reac-
tive mineral surfaces yet to be saturated with SOM (Que-
sada, 2008; Quesada et al., 2010). Moreover, any future in-
puts into these lower layers, for example as might be medi-
ated though increased litter inputs as a consequence of CO

2

fertilisation (Lloyd and Farquhar, 2008), are likely to be mi-
crobially derived (Schrumpf et al., 2013). Quite likely the
extent of any such additional stabilisation of SOM at these
lower depths will differ between HAC, LAC and arenic soils
in accordance with the different stabilisation mechanisms as
suggested throughout this paper. But in the absence of more
detailed information and, indeed, precise confirmations as to
the apparent different mechanisms involved in SOM storage
as suggested here, then whether or not it is really the case
that Amazon forest soil C stocks are currently increasing in
response to higher litter inputs with soil developmental stage
also influencing that response must remain a matter of simple
conjecture.

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 29

Figures and page graphics, page 29

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

81

Appendix A

Figure A1.

Standardised regression model residuals plotted against selected climatic, edaphic and vegetation variables.

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 30

Figures and page graphics, page 30

82

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Table A1.

Soil carbon and associated measures of the study soils (0.0–0.3 m). [C]: C concentration; CN: carbon–nitrogen ratio;

ρ

: bulk

density;

R

C

: total soil C; Fe

d

: dithionite extractable iron; Fe

o

: oxalate extractable iron; Al

d

: dithionite extractable aluminium; Al

o

: oxalate

extractable aluminium; Al

o

: pyrophosphate extractable aluminium.

Soil

[C]

CN

ρ

R

C

Fe

d

Fe

o

Fe

d

–Fe

o

Al

d

Al

o

Al

p

(mg g

−

1

)

(kg dm

−

3

)

(Mg ha

−

1

)

g kg

−

1

1

5.03

9.04

1.05

14.26

19.61

2.54

17.08

4.71

2.46

0.60

2

6.78

11.07

1.15

119.23

2.01

0.00

2.01

1.79

0.77

3

6.79

7.64

1.43

24.50

3.15

0.80

2.35

0.78

0.60

0.54

4

6.80

22.67

1.30

21.90

0.24

0.19

0.05

0.28

0.03

0.27

5

7.51

10.52

1.17

25.11

13.90

11.57

2.33

2.69

4.42

0.57

6

7.60

12.67

1.11

23.80

4.65

1.13

3.52

0.87

1.00

1.68

7

7.73

7.00

1.27

25.96

11.25

3.44

7.81

1.55

0.93

1.09

8

7.93

15.94

1.34

42.57

0.25

0.22

0.04

0.17

0.18

0.12

9

8.20

7.20

1.26

27.02

11.24

5.43

5.81

2.20

3.16

0.98

10

8.31

9.97

1.21

48.02

4.50

2.38

2.12

0.69

0.82

1.36

11

8.31

13.07

1.40

35.01

8.60

1.61

6.99

1.40

0.53

1.54

12

8.49

7.80

1.29

29.95

17.04

0.66

16.38

2.01

0.80

0.83

13

9.00

12.86

1.17

30.05

5.60

1.11

4.49

0.86

0.71

1.12

14

9.03

14.53

1.03

27.81

20.46

1.02

19.44

1.65

0.69

2.27

15

9.07

8.04

1.38

29.66

6.24

0.62

5.62

0.88

0.77

0.14

16

9.10

13.00

1.33

35.07

14.60

1.43

13.17

1.33

0.44

0.82

17

9.12

14.19

0.89

21.69

0.37

0.34

0.03

0.03

18

9.41

11.88

1.38

37.06

7.65

0.35

7.30

1.76

0.72

2.14

19

9.43

9.34

1.32

32.36

14.40

4.73

9.67

2.23

2.83

1.72

20

9.77

6.71

1.08

28.50

15.43

6.16

9.27

3.05

3.97

1.35

21

10.12

7.29

1.18

30.78

11.04

7.04

4.00

2.52

4.01

1.46

22

10.14

22.79

1.34

35.31

0.30

0.07

0.23

0.12

0.33

0.06

23

10.52

12.57

21.66

1.60

0.79

0.81

0.49

0.75

0.80

24

10.52

12.35

1.46

43.57

7.35

0.54

6.81

1.77

0.86

2.17

25

10.61

13.65

1.02

32.88

0.57

0.55

0.02

2.78

1.68

2.94

26

10.71

14.23

1.31

39.13

3.18

1.37

1.81

2.49

6.60

1.16

27

10.75

9.56

1.34

45.40

28

10.76

9.56

1.27

48.91

29

10.85

12.99

1.15

33.01

9.59

6.28

3.31

6.47

13.08

2.11

30

11.26

13.47

0.95

16.36

0.68

0.56

0.12

0.24

0.11

0.03

31

11.28

13.22

1.29

38.63

6.03

0.68

5.35

1.69

0.87

1.69

32

11.50

7.52

1.40

38.91

4.77

1.17

3.60

0.79

0.89

0.21

33

11.60

7.16

1.37

33.97

28.62

3.00

25.62

2.54

1.14

0.86

34

11.61

9.58

1.06

55.28

10.14

5.03

5.11

1.65

0.94

1.16

35

11.66

11.32

25.81

0.23

0.15

0.08

0.31

0.59

0.62

36

11.68

16.10

1.43

46.93

7.40

6.43

0.97

2.81

7.30

1.19

37

11.77

22.47

1.23

34.37

1.26

0.09

1.17

0.11

0.31

0.03

38

11.88

10.08

1.31

43.66

6.12

1.83

4.29

2.75

7.64

2.03

39

11.99

7.05

1.25

37.36

14.87

5.20

9.68

1.24

6.37

0.86

40

12.09

11.68

1.01

33.12

11.54

6.37

5.17

7.71

15.97

0.02

41

12.17

11.46

1.05

39.92

10.62

0.68

9.94

2.51

1.53

1.73

42

12.33

8.18

0.85

28.95

20.53

8.55

11.98

4.13

5.67

1.92

43

12.60

12.90

1.23

39.71

4.26

0.96

3.30

1.04

0.92

1.84

44

12.65

14.28

1.24

41.86

6.66

0.69

5.97

2.04

0.95

1.96

45

12.69

11.69

1.35

45.64

6.24

0.96

5.28

1.83

1.17

2.20

46

12.85

16.87

0.99

36.07

6.76

3.14

3.62

3.89

9.89

1.14

47

12.88

11.43

1.47

54.28

76.11

50.27

25.84

10.00

14.20

1.03

48

13.03

8.34

0.97

33.32

35.32

10.88

24.44

4.30

4.31

1.52

49

13.08

9.52

1.07

38.04

11.44

10.08

1.36

4.31

7.37

1.47

50

13.35

17.63

34.87

1.20

0.88

0.32

1.30

3.16

3.32

51

13.40

14.89

1.26

42.55

0.22

0.20

0.02

0.46

0.82

0.53

52

13.54

9.90

1.25

31.89

7.72

6.12

1.60

1.63

3.48

0.58

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 31

Figures and page graphics, page 31

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

83

Table A1.

Continued.

Soil

[C]

CN

ρ

R

C

Fe

d

Fe

o

Fe

d

–Fe

o

Al

d

Al

o

Al

p

(mg g

−

1

)

(kg dm

−

3

)

(Mg ha

−

1

)

g kg

−

1

53

13.65

8.58

1.29

45.24

20.01

1.84

18.17

3.69

1.66

2.60

54

13.73

8.55

0.85

31.36

20.71

15.97

4.74

5.62

8.85

1.84

55

14.18

10.38

1.23

46.31

13.81

8.50

5.31

6.26

8.99

2.02

56

14.23

8.03

1.14

41.99

15.87

8.30

7.57

3.83

6.90

1.22

57

14.25

13.84

1.15

43.24

7.47

3.02

4.45

4.18

14.53

3.00

58

14.40

11.08

0.92

44.70

32.60

2.53

30.07

4.76

1.54

2.63

59

14.41

9.86

1.36

50.54

26.80

12.77

14.03

2.82

3.72

3.62

60

14.46

6.80

1.32

40.82

14.49

9.93

4.56

1.34

1.12

0.41

61

14.87

11.62

0.76

31.39

5.19

2.74

2.45

1.48

1.20

0.92

62

14.87

14.66

1.12

46.06

5.25

0.57

4.68

1.72

1.04

2.99

63

14.93

12.63

1.40

63.47

11.82

1.41

10.41

3.38

2.10

2.57

64

15.11

9.37

1.09

43.71

13.93

10.64

3.29

3.23

8.43

1.87

65

15.11

15.77

1.14

43.09

3.08

1.94

1.14

2.35

3.91

1.71

66

15.40

12.83

0.92

40.55

28.85

2.06

26.79

4.32

1.48

3.21

67

15.44

16.08

1.10

41.04

4.20

0.15

4.05

0.36

0.48

0.76

68

15.65

12.18

1.15

49.26

10.23

2.88

7.35

3.13

3.64

2.95

69

15.68

8.91

1.15

40.69

17.57

13.13

4.44

3.50

6.65

1.45

70

15.89

9.35

0.91

37.79

32.32

19.93

12.38

7.68

12.92

0.67

71

15.92

14.96

0.90

43.15

44.70

2.36

42.34

4.96

3.16

4.09

72

15.97

11.81

1.36

57.74

12.00

0.90

11.10

2.62

1.91

2.43

73

16.01

7.96

1.28

52.90

17.77

8.16

9.61

4.55

7.43

2.35

74

16.06

9.16

1.00

38.89

14.73

2.17

12.56

2.85

1.69

1.92

75

16.16

31.81

0.99

28.95

0.72

0.08

0.64

0.21

0.26

0.10

76

16.25

13.15

1.07

46.40

10.50

1.17

9.33

2.75

1.44

2.37

77

16.40

13.67

0.98

44.21

18.34

5.36

12.98

5.33

11.12

0.96

78

16.40

9.79

1.07

45.01

16.24

11.59

4.65

4.68

7.32

1.80

79

16.79

6.98

1.08

41.36

22.14

5.90

16.24

2.95

2.86

1.55

80

16.79

13.15

1.13

51.93

15.72

1.20

14.52

3.47

1.70

2.42

81

16.85

6.78

1.41

52.47

16.55

11.13

5.42

1.50

0.86

0.50

82

17.02

15.00

0.97

43.39

3.50

1.10

2.40

1.98

2.33

2.01

83

17.11

12.70

1.15

66.72

7.73

7.42

0.31

2.90

5.58

1.74

84

17.20

14.33

1.07

46.18

21.45

1.45

20.00

2.12

1.11

2.51

85

17.32

11.65

1.02

41.95

86

17.35

10.77

0.89

43.74

7.23

5.37

1.85

3.11

4.57

1.25

87

17.40

9.20

1.01

44.51

22.17

7.42

14.74

5.49

8.64

2.01

88

17.84

10.62

0.87

41.30

22.57

10.48

12.08

5.37

9.32

2.28

89

17.93

11.96

0.92

70.74

7.07

1.92

5.15

2.18

1.24

2.04

90

18.02

10.14

1.06

54.78

9.63

3.94

5.69

1.54

1.85

1.23

91

18.16

7.49

0.90

38.83

18.45

13.74

4.71

6.13

12.86

1.81

92

18.35

7.58

1.37

55.53

23.89

21.99

1.89

4.25

8.34

0.61

93

18.40

17.36

1.22

64.33

2.11

2.11

3.88

2.25

94

18.48

10.80

1.29

69.52

95

18.84

16.82

0.92

48.09

9.15

2.24

6.91

2.13

1.60

1.87

96

18.97

10.83

0.71

40.47

15.87

1.73

14.14

3.62

2.06

12.22

97

19.80

11.65

1.27

67.10

15.55

1.58

13.97

2.54

1.88

1.26

98

20.05

12.23

0.92

44.10

6.89

2.83

4.06

2.04

1.52

1.22

99

20.10

11.82

1.23

71.13

22.00

2.41

19.59

1.83

0.84

1.23

100

20.49

18.68

1.14

63.59

101

20.87

10.06

0.98

51.94

12.72

6.46

6.26

5.62

9.49

2.56

102

21.01

10.72

0.96

52.89

14.70

2.13

12.57

3.60

2.07

3.68

103

21.40

12.49

0.92

40.49

12.63

1.41

11.22

3.50

1.24

2.65

104

21.46

8.82

1.27

57.95

37.53

5.34

32.19

4.70

3.25

3.72

105

21.53

9.82

0.96

51.38

16.61

14.91

1.70

6.88

13.92

1.65

106

21.68

13.35

0.98

60.36

6.95

2.65

4.30

3.39

7.61

1.61

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 32

Figures and page graphics, page 32

84

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Table A1.

Continued.

Soil

[C]

CN

ρ

R

C

Fe

d

Fe

o

Fe

d

–Fe

o

Al

d

Al

o

Al

p

(mg g

−

1

)

(kg dm

−

3

)

(Mg ha

−

1

)

g kg

−

1

107

21.76

11.69

0.96

53.12

14.82

1.65

13.17

3.89

2.05

4.19

108

21.85

13.71

0.82

38.35

16.61

15.48

1.13

4.51

10.66

1.79

109

21.90

16.85

0.97

46.77

1.20

0.90

0.30

0.44

0.80

0.76

110

21.99

13.83

48.94

16.75

3.54

13.21

3.07

1.36

2.30

111

22.70

11.65

0.89

52.62

7.70

2.98

4.72

2.45

1.98

1.49

112

22.73

13.15

0.99

63.55

19.64

10.34

9.30

9.47

37.03

1.85

113

22.77

6.82

1.60

80.81

17.42

11.91

5.51

1.48

0.88

0.40

114

22.83

10.88

1.27

69.23

10.57

8.53

2.04

1.86

4.45

0.68

115

23.00

15.33

0.93

58.49

11.41

2.31

9.10

2.83

1.77

1.22

116

23.09

9.07

1.15

78.66

23.52

7.08

16.44

1.66

1.45

0.24

117

23.20

13.47

0.91

56.77

9.02

2.59

6.43

2.68

1.83

1.52

118

23.21

12.93

0.98

60.79

26.40

2.12

24.28

5.73

1.75

4.32

119

23.34

12.53

0.94

55.58

13.50

1.04

12.46

3.90

2.77

3.26

120

23.53

11.93

1.09

57.84

19.62

0.87

18.75

4.97

2.55

3.10

121

23.65

12.24

0.97

59.31

9.75

2.89

6.86

3.02

1.89

2.17

122

24.03

10.83

1.05

60.18

12.33

4.92

7.41

5.15

7.97

2.84

123

24.30

22.03

1.34

3.12

0.60

0.41

0.19

0.09

0.02

0.03

124

24.30

11.05

1.27

74.80

16.70

1.36

15.34

0.95

1.01

0.59

125

24.76

9.49

1.05

68.86

21.66

6.28

15.38

1.77

1.44

0.66

126

25.39

15.15

0.77

52.49

14.82

1.09

13.73

3.28

2.26

1.60

127

25.48

16.20

0.86

67.13

21.55

2.85

18.70

3.88

2.25

4.09

128

25.57

11.35

1.13

77.51

36.21

1.60

34.61

7.66

3.27

2.61

129

25.82

10.79

0.94

64.92

58.14

2.19

55.95

9.61

2.77

2.50

130

25.87

17.21

1.02

70.11

8.44

3.55

4.89

4.71

11.92

1.26

131

26.57

12.57

0.89

61.29

9.71

3.12

6.59

3.02

1.97

2.37

132

26.86

9.86

1.03

76.89

53.64

2.19

51.45

9.60

1.99

1.69

133

27.00

11.82

0.82

55.83

8.72

3.58

5.14

3.32

2.49

2.57

134

27.09

11.56

0.93

64.68

7.71

2.64

5.07

2.51

1.82

1.85

135

28.80

9.05

0.79

45.16

10.39

9.63

0.76

3.83

8.40

2.47

136

30.80

15.40

1.18

95.49

67.20

2.03

65.17

5.88

1.24

1.72

137

30.82

10.75

0.88

81.36

21.34

12.14

9.20

7.99

31.37

2.36

138

32.80

14.26

0.88

74.97

3.70

1.41

2.29

2.49

4.70

2.79

139

41.81

20.72

0.63

53.70

0.24

0.08

0.16

0.10

0.21

0.01

140

46.70

16.10

1.36

115.48

21.40

3.17

18.23

3.74

3.14

2.53

141

49.08

13.36

1.32

166.86

20.10

2.87

17.23

10.49

2.55

1.81

142

60.47

11.31

14.50

20.27

11.69

143

61.44

11.77

0.60

97.92

9.02

8.34

0.67

19.53

43.52

10.26

144

63.43

12.51

0.43

87.72

11.14

5.25

5.89

7.36

22.54

8.61

145

89.26

25.82

1.58

363.55

0.36

0.34

0.02

1.34

2.75

1.18

146

93.06

12.50

0.89

219.25

147

119.82

20.79

0.34

42.19

0.90

0.10

0.80

0.45

0.54

0.27

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 33

Figures and page graphics, page 33

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

85

Data availability.

All data used in the figures and analysis here

are made available in the tables, with the exception of the above-
ground wood productivity and above-ground biomass data (Ap-
pendix Fig. A1), which are available in Brienen et al. (2015).

Author contributions.

CAQ and EOM conducted field sampling.

CAQ, CP and GS performed laboratory analysis. OLP and JL sup-
ported the study and the maintenance of the RAINFOR network.
All authors reviewed and commented on the manuscript. CAQ and
JL performed data analysis and wrote the manuscript.

Competing interests.

The authors declare that they have no con-

flict of interest.

Acknowledgements.

This paper is a product of the RAINFOR

network. It integrates the effort of several researchers, technicians
and field assistants across Amazonia. We thank the following indi-
viduals in particular: Michael Schwarz, Gabriel Batista de Oliveira
Borges, Claudia Czimczk, Jens Schmerler, Alexandre J. B. Santos,
Gareth Lloyd, Timothy R. Baker, Sandra Patiño, Yadvinder Malhi,
Jonas O. Moraes Filho, Orlando F. C. Junior, José Edivaldo Chaves
and Raimundo Nonato de Araújo Filho.

Financial support.

Support for RAINFOR has come princi-

pally from the Natural Environment Research Council (grant
nos. NE/D005590/1 (“TROBIT”), NE/B503384/1, NE/D01025X/1,
NE/I02982X/1, NE/F005806/1 and NE/I028122/1), the Gordon and
Betty Moore Foundation (grant no. 1656), the European Research
Council (advanced grant no. 291585, “T-FORCES”) and the EU
Seventh Framework Programme (grant nos. GEOCARBON283080,
AMAZALERT-282664). Jon Lloyd was supported by a Royal So-
ciety of London Research Merit Award and a São Paulo Excellence
Chair.

Review statement.

This paper was edited by Elizabeth Bach and

reviewed by two anonymous referees.

References

Baldock, J. A. and Skjemstad, J. O.: Role of the soil matrix and

minerals in protecting natural organic materials against biologi-
cal attack, Org. Geochem., 31, 697–710, 2000.

Bartko, J. J. and Pettigrew, K. D.: The Teacher’s Corner: A Note on

the Correlation of Parts with Wholes, Am. Stat., 22, p. 41, 1968.

Barto´n, K.: MuMIn: Multi-model inference, R package version 1.9.

13, The Comprehensive R Archive Network (CRAN), Vienna,
Austria, 1–76, 2013.

Basile-Doelsch, I., Amundson, R., Stone, W. E. E., Masiello, C. A.,

Bottero, J. Y., Colin, F., Masin, F., Borschneck, D., and Meu-
nier, J. D.: Mineralogical control of organic carbon dynamics in
a volcanic ash soil on La Réunion, Eur. J. Soil Sci., 56, 689–703,
2005.

Batjes, N. H.: Total carbon and nitrogen in the soils of the world,

Eur. J. Soil Sci., 47, 151–163, 1996.

Batjes, N. H. and Dijkshoorn, J. A.: Carbon and nitrogen stocks in

the soils of the Amazon Region, Geoderma, 89, 273–286, 1999.

Bird, M. I., Veenendaal, E. M., and Lloyd, J. J.: Soil carbon in-

ventories and

δ

13

C along a moisture gradient in Botswana,

Glob. Change Biol., 10, 342–349, https://doi.org/10.1046/j.1365-
2486.2003.00695.x, 
2004.

Bish, D. L. and Reynolds, R. C.: Sample preparation for X-ray

diffraction, Rev. Mineral. Geochem., 20, 73–99, 1989.

Boudot, J. P., Hadj, A. B., Steiman, R., and Seigle-Murandi, F.:

Biodegradation of synthetic organo-metallic complexes of iron
and aluminium with selected metal to carbon ratios, Soil Biol.
Biochem., 21, 961–966, 1989.

Bradford, M. A., Davies, C. A., Frey, S. D., Maddox, T. R., Melillo,

J. M., Mohan, J. E., Reynolds, J. F., Treseder, K. K., and Wallen-
stein, M. D.: Thermal adaptation of soil microbial respiration to
elevated temperature, Ecol. Lett., 11, 1316–1327, 2008.

Brienen, R. J. W., Phillips, O. L., Feldpausch, T. R., Gloor,

E., Baker, T. R., Lloyd, J., Lopez-Gonzalez, G., Monteagudo-
Mendoza, A., Malhi, Y., Lewis, S. L., Vasquez Martinez, R.,
Alexiades, M., Alvarez Davila, E., Alvarez-Loayza, P., Andrade,
A., Aragao, L. E. O. C., Araujo-Murakami, A., Arets, E. J. M.
M., Arroyo, L., Aymard C, G. A., Banki, O. S., Baraloto, C., Bar-
roso, J., Bonal, D., Boot, R. G. A., Camargo, J. L. C., Castilho, C.
V., Chama, V., Chao, K. J., Chave, J., Comiskey, J. A., Cornejo
Valverde, F., da Costa, L., de Oliveira, E. A., Di Fiore, A., Er-
win, T. L., Fauset, S., Forsthofer, M., Galbraith, D. R., Grahame,
E. S., Groot, N., Herault, B., Higuchi, N., Honorio Coronado, E.
N., Keeling, H., Killeen, T. J., Laurance, W. F., Laurance, S., Li-
cona, J., Magnussen, W. E., Marimon, B. S., Marimon-Junior, B.
H., Mendoza, C., Neill, D. A., Nogueira, E. M., Nunez, P., Pal-
lqui Camacho, N. C., Parada, A., Pardo-Molina, G., Peacock, J.,
Pena-Claros, M., Pickavance, G. C., Pitman, N. C. A., Poorter,
L., Prieto, A., Quesada, C. A., Ramirez, F., Ramirez-Angulo, H.,
Restrepo, Z., Roopsind, A., Rudas, A., Salomao, R. P., Schwarz,
M., Silva, N., Silva-Espejo, J. E., Silveira, M., Stropp, J., Tal-
bot, J., ter Steege, H., Teran-Aguilar, J., Terborgh, J., Thomas-
Caesar, R., Toledo, M., Torello-Raventos, M., Umetsu, R. K., van
der Heijden, G. M. F., van der Hout, P., Guimaraes Vieira, I. C.,
Vieira, S. A., Vilanova, E., Vos, V. A., and Zagt, R. J.: Long-term
decline of the Amazon carbon sink, Nature, 519, 344–348, 2015.

Bruun, T. B., Elberling, B., and Christensen, B. T.: Lability of soil

organic carbon in tropical soils with different clay minerals, Soil
Biol. Biochem., 42, 888–895, 2010.

Buol, S. W., Southard, R. J., Graham, R. C., and McDaniel, P.

A.: Soil genesis and classification, John Wiley & Sons, 543 pp.,
2011.

Burke, I. C., Yonker, C. M., Parton, W. J., Cole, C. V., Schimel, D.

S., and Flach, K.: Texture, climate, and cultivation effects on soil
organic matter content in US grassland soils, Soil Sci. Soc. Am.
J., 53, 800–805, 1989.

Chauvel,

A.,

Lucas,

Y.,

and

Boulet,

R.:

On

the

gene-

sis of the soil mantle of the region of Manaus, Cen-
tral Amazonia, Brazil, Cell. Mol. Life Sci., 43, 234–241,
https://doi.org/10.1007/bf01945546, 1987.

Chayes, F.: Ratio correlation: a manual for students of petrology

and geochemistry, University of Chicago Press, 99 pp., 1971.

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 34

Figures and page graphics, page 34

86

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Coley, P. D., Bryant, J. P., and Chapin, F. S. I.: Resource avail-

ability and plant antiherbivore defense, Science, 230, 895–899,
https://doi.org/10.1126/science.230.4728.895, 1985.

Cornell, R. M. and Schwertmann, U.: The iron oxides: structure,

properties, reactions, occurrences and uses, John Wiley & Sons,
137 pp., 2003.

Cotrufo, M. F., Wallenstein, M. D., Boot, C. M., Denef, K., and

Paul, E.: The M icrobial E fficiency-M atrix S tabilization
(MEMS) framework integrates plant litter decomposition with
soil organic matter stabilization: do labile plant inputs form sta-
ble soil organic matter?, Glob. Change Biol., 19, 988–995, 2013.

Delvaux, B., Herbillon, A. J., and Vielvoye, L.: Characterization

of a weathering sequence of soils derived from volcanic ash
in Cameroon: Taxonomic, mineralogical and agronomic impli-
cations, Geoderma, 45, 375–388, https://doi.org/10.1016/0016-
7061(89)90017-7, 
1989.

de Mendiburu, F.: Statistical procedures for agricultural re-

search. Package “Agricolae”, version 1.4-4, Comprehensive
R Archive Network, Institute for Statistics and Mathemat-
ics, Vienna, Austria, available at: http://cran.r-project.org/web/
packages/agricolae/agricolae.pdf 
(last access: 15 May 2019),
2013.

Denef, K., Plante, A. F., and Six, J.: Characterization of soil or-

ganic matter, in: Soil carbon dynamics: An integrated methodol-
ogy, Cambridge University Press, 91–126, 2010.

Deng, Q., Hui, D., Zhang, D., Zhou, G., Liu, J., Liu, S., Chu, G., and

Li, J.: Effects of precipitation increase on soil respiration: a three-
year field experiment in subtropical forests in China, PLoS One,
7, e41493, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0041493, 2012.

Dick, D. P., Gonçalves, C. N., Dalmolin, R. S., Knicker, H., Klamt,

E., Kögel-Knabner, I., Simões, M. L., and Martin-Neto, L.: Char-
acteristics of soil organic matter of different Brazilian Ferralsols
under native vegetation as a function of soil depth, Geoderma,
124, 319–333, 2005.

Do Nascimento, N. R., Bueno, G. T., Fritsch, E., Herbillon, A.

J., Allard, T., Melfi, A. J., Astolfo, R., Boucher, H., and Li,
Y.: Podzolization as a deferralitization process: a study of an
Acrisol–Podzol sequence derived from Palaeozoic sandstones in
the northern upper Amazon Basin, Eur. J. Soil Sci., 55, 523–538,
2004.

Driessen, P., Deckers, J., Spaargaren, O., and Nachtergaele, F.: Lec-

ture notes on the major soils of the world, Food and Agriculture
Organization (FAO), 334 pp., 2000.

Eusterhues, K., Rumpel, C., and Kögel-Knabner, I.: Stabilization

of soil organic matter isolated via oxidative degradation, Org.
Geochem., 36, 1567–1575, 2005.

Feller, C. and Beare, M. H.: Physical control of soil organic matter

dynamics in the tropics, Geoderma, 79, 69–116, 1997.

Fine, P. V., Mesones, I., and Coley, P. D.: Herbivores promote habi-

tat specialization by trees in Amazonian forests, Science, 305,
663–665, 2004.

Fittkau, E. J.: Esboco de uma divisao ecologica da regiao Amazon-

ica, edited by: Idrobo, I. M., 363–372, 1971.

Gee, G. W. and Bauder, J. W.: Particle-size analysis, in: Methods

in Soil Analysis, Part 1, Physical and Mineralogical Methods,
edited by: Klute, A., American Society of Agronomy and Soil
Science Society of America, Madison, Wisconsin, USA, 383–
409, 1986.

Giraudoux, P.: pgirmess: data analysis in ecology, R package ver-

sion 1.5. 8, R Foundation for Statistical Computing Vienna, Aus-
tria, 64 pp., 2013.

Glinski, J. and Lipiec, J.: Soil physical conditions and plant roots.

CRC press. Boca Raton, FL, 250 pp., 1990.

Hartemink, A. E. and Huting, J.: Land cover, extent, and properties

of Arenosols in Southern Africa, Arid Land Res. Manag., 22,
134–147, 2008.

Herrera, R., Jordan, C. F., Klinge, H., and Medina, E.: Amazon

ecosystems: Their structure and functioning with particular em-
phasis on nutrients, Interciencia, 3, 223–232, 1978.

Hoorn, C. and Wesselingh, F.: Amazonia: landscape and species

evolution: a look into the past, John Wiley & Sons, 447 pp., 2011.

Hoorn, C., Wesselingh, F. P., Ter Steege, H., Bermudez, M. A.,

Mora, A., Sevink, J., Sanmartín, I., Sanchez-Meseguer, A., An-
derson, C. L., and Figueiredo, J. P.: Amazonia through time: An-
dean uplift, climate change, landscape evolution, and biodiver-
sity, Science, 330, 927–931, 2010.

Irion, G.: Soil infertility in the Amazonian rain forest, Naturwis-

senschaften, 65, 515–519, https://doi.org/10.1007/BF00439791,
1978.

IUSS: (International Union of Soil Science) Working Group WRB:

70 World Reference Base for Soil Resources 2014, International
Soil Classification System For Naming Soils And Creating Leg-
ends For Soil Maps, Rome, 2014.

Jahn, R., Blume, H.-P., Asio, V. B., Spaargaren, O., and Schad, P.:

Guidelines for soil description, FAO, Rome, 97 pp., 2006.

Kahle, M., Kleber, M., Torn, M. S., and Jahn, R.: Carbon storage in

coarse and fine clay fractions of illitic soils, Soil Sci. Soc. Am.
J., 67, 1732–1739, 2003.

Kahle, M., Kleber, M., and Jahn, R.: Retention of dissolved organic

matter by phyllosilicate and soil clay fractions in relation to min-
eral properties, Org. Geochem., 35, 269–276, 2004.

Kaiser,

K.

and

Guggenberger,

G.:

Mineral

surfaces

and

soil

organic

matter,

Eur.

J.

Soil

Sci.,

54,

219–236,

https://doi.org/10.1046/j.1365-2389.2003.00544.x, 2003.

Kaiser, K. and Zech, W.: Sorption of dissolved organic nitrogen by

acid subsoil horizons and individual mineral phases, Eur. J. Soil
Sci., 51, 403–411, 2000.

Kaiser, K., Mikutta, R., and Guggenberger, G.: Increased stability

of organic matter sorbed to ferrihydrite and goethite on aging,
Soil Sci. Soc. Am. J., 71, 711–719, 2007.

Kalbitz, K. and Kaiser, K.: Contribution of dissolved organic matter

to carbon storage in forest mineral soils, J. Plant Nutr. Soil Sci.,
171, 52–60, 2008.

Kitagawa, Y.: Goethite and hematite in some solls from the amazon

region, Soil Sci. Plant Nutr., 29, 209–217, 1983.

Kleber, M., Mikutta, R., Torn, M. S., and Jahn, R.: Poorly crystalline

mineral phases protect organic matter in acid subsoil horizons,
Eur. J. Soil Sci., 56, 717–725, 2005.

Kleber, M., Eusterhues, K., Keiluweit, M., Mikutta, C., Mikutta, R.,

and Nico, P. S.: Mineral–organic associations: formation, prop-
erties, and relevance in soil environments, in Advances in agron-
omy, Elsevier, 130, 1–140, 2015.

Lloyd, J. and Farquhar, G. D.: Effects of rising temperatures and

[CO

2

] on the physiology of tropical forest trees, Philos. T. R.

Soc. B, 363, 1811–1817, https://doi.org/10.1098/rstb.2007.0032,
2008.

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/

Page 35

Figures and page graphics, page 35

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

87

Lloyd, J., Bloomfield, K., Domingues, T. F., and Farquhar, G. D.:

Photosynthetically relevant foliar traits correlating better on a
mass vs. an area basis: of ecophysiological relevance or just a
case of mathematical imperatives and statistical quicksand?, New
Phytol., 199, 311–321, 2013.

Luizão, F. J. and Schubart, H. O. R.: Litter production and decom-

position in a terra-firme forest of Central Amazonia, Experientia,
43, 259–265, 1987.

Lynch, J. M. and Bragg, E.: Microorganisms and soil aggregate sta-

bility, in: Advances in soil science, Springer, 133–171, 1985.

Marques, J. J., Teixeira, W. G., Schulze, D. G., and Curi, N.: Min-

eralogy of soils with unusually high exchangeable Al from the
western Amazon Region, Clay Miner., 37, 651–661, 2002.

Mikutta, R., Kleber, M., and Jahn, R.: Poorly crystalline miner-

als protect organic carbon in clay subfractions from acid subsoil
horizons, Geoderma, 128, 106–115, 2005.

Mikutta, R., Mikutta, C., Kalbitz, K., Scheel, T., Kaiser, K., and

Jahn, R.: Biodegradation of forest floor organic matter bound
to minerals via different binding mechanisms, Geochim. Cos-
mochim. Ac., 71, 2569–2590, 2007.

Nelson, D. W. and Sommers, L. E.: Total carbon and total nitrogen,

in: Methods of Soil Analysis: Part 3 – Chemical Methods, edited
by: Sparks, D. L., American Society of Agronomy/Soil Science
Society of America, Madison, WI, 961–1010, 1996.

Nierop, K. G., Jansen, B., and Verstraten, J. M.: Dissolved organic

matter, aluminium and iron interactions: precipitation induced by
metal/carbon ratio, pH and competition, Sci. Total Environ., 300,
201–211, 2002.

Oades, J. M.: The role of biology in the formation, stabilization

and degradation of soil structure, in: Soil Structure/Soil Biota
Interrelationships, Elsevier, 377–400, 1993.

Oades,

J.

M.:

An

Introduction

to

Organic

Matter

in

Mineral

Soils,

in:

Minerals

in

Soil

Environments,

edited

by:

Dixon,

J.

B.

and

Weed,

S.

B.,

89–159,

https://doi.org/10.2136/sssabookser1.2ed.c3, 2018.

Parfitt, R. L. and Childs, C. W.: Estimation of forms of Fe and Al-a

review, and analysis of contrasting soils by dissolution and Moss-
bauer methods, Soil Res., 26, 121–144, 1988.

Parfitt, R. L., Theng, B. K. G., Whitton, J. S., and Shepherd, T. G.:

Effects of clay minerals and land use on organic matter pools,
Geoderma, 75, 1–12, 1997.

Paul, S., Flessa, H., Veldkamp, E., and López-Ulloa, M.: Stabiliza-

tion of recent soil carbon in the humid tropics following land use
changes: evidence from aggregate fractionation and stable iso-
tope analyses, Biogeochemistry, 87, 247–263, 2008.

Paz, C. P.: Distribuição das frações do carbono orgânico nos so-

los de florestas maduras na bacia Amazônica: o papel das pro-
priedades do solo, da qualidade da liteira e do clima, MSc thesis,
Instituto Nacional de Pesquisas da Amazôˆnia, Brazil, 62 pp.,
2011.

Pella, E.: Elemental organic analysis, Part 2, State of the art, Am.

Lab., 22, 28–32, 1990.

Percival, H. J., Parfitt, R. L., and Scott, N. A.: Factors controlling

soil carbon levels in New Zealand grasslands is clay content im-
portant?, Soil Sci. Soc. Am. J., 64, 1623–1630, 2000.

Pleysier, J. L. and Juo, A. S. R.: A single-extraction method us-

ing silver-thiourea for measuring exchangeable cations and effec-
tive CEC in soils with variable charges, Soil Sci., 129, 205–211,
1980.

Quesada, C. A. and Lloyd, J.: Soil–Vegetation Interactions in Ama-

zonia, in: Interactions Between Biosphere, Atmosphere and Hu-
man Land Use in the Amazon Basin, edited by: Nagy, L., Fors-
berg, B. R., and Artaxo, P., Springer Berlin Heidelberg, Berlin,
Heidelberg, 267–299, 2016.

Quesada, C. A., Lloyd, J., Schwarz, M., Patiño, S., Baker, T. R., Cz-

imczik, C., Fyllas, N. M., Martinelli, L., Nardoto, G. B., Schmer-
ler, J., Santos, A. J. B., Hodnett, M. G., Herrera, R., Luizão, F.
J., Arneth, A., Lloyd, G., Dezzeo, N., Hilke, I., Kuhlmann, I.,
Raessler, M., Brand, W. A., Geilmann, H., Moraes Filho, J. O.,
Carvalho, F. P., Araujo Filho, R. N., Chaves, J. E., Cruz Junior, O.
F., Pimentel, T. P., and Paiva, R.: Variations in chemical and phys-
ical properties of Amazon forest soils in relation to their gene-
sis, Biogeosciences, 7, 1515–1541, https://doi.org/10.5194/bg-7-
1515-2010, 
2010.

Quesada, C. A., Lloyd, J., Anderson, L. O., Fyllas, N. M., Schwarz,

M., and Czimczik, C. I.: Soils of Amazonia with particular ref-
erence to the RAINFOR sites, Biogeosciences, 8, 1415–1440,
https://doi.org/10.5194/bg-8-1415-2011, 2011.

Quesada, C. A., Phillips, O. L., Schwarz, M., Czimczik, C. I., Baker,

T. R., Patiño, S., Fyllas, N. M., Hodnett, M. G., Herrera, R.,
Almeida, S., Alvarez Dávila, E., Arneth, A., Arroyo, L., Chao,
K. J., Dezzeo, N., Erwin, T., di Fiore, A., Higuchi, N., Hono-
rio Coronado, E., Jimenez, E. M., Killeen, T. J., Lezama, A. T.,
Lloyd, G., López-González, G., Luizão, F. J., Malhi, Y., Mon-
teagudo, A., Neill, D. A., Núñez Vargas, P., Paiva, R., Peacock,
J., Peñuela, M. C., Peña Cruz, A., Pitman, N., Priante Filho, N.,
Prieto, A., Ramírez, H., Rudas, A., Salomão, R., Santos, A. J.
B., Schmerler, J., Silva, N., Silveira, M., Vásquez, R., Vieira,
I., Terborgh, J., and Lloyd, J.: Basin-wide variations in Amazon
forest structure and function are mediated by both soils and cli-
mate, Biogeosciences, 9, 2203–2246, https://doi.org/10.5194/bg-
9-2203-2012, 
2012.

Quesada, C. A. N.: Soil vegetation interactions across Amazonia,

University of Leeds (School of Geography), 236 pp., 2008.

R Development Core Team: R: A Language and Environment for

Statistical Computing, edited by: Austria, R., Foundation for Sta-
tistical Computing Vienna Austria, 0(01/19), ISBN 3-900051-
07-0, 2012.

Richter, D. D. and Babbar, L. I.: Soil diversity in the tropics, Else-

vier, Adv. Ecol. Res., 21, 315–389, 1991.

Saggar, S., Parshotam, A., Sparling, G. P., Feltham, C. W., and

Hart, P. B. S.:

14

C-labelled ryegrass turnover and residence

times in soils varying in clay content and mineralogy, Soil Biol.
Biochem., 28, 1677–1686, 1996.

Saggar, S., Parshotam, A., Hedley, C., and Salt, G.:

14

C-labelled

glucose turnover in New Zealand soils, Soil Biol. Biochem., 31,
2025–2037, 1999.

Saidy, A. R., Smernik, R. J., Baldock, J. A., Kaiser, K., Sander-

man, J., and Macdonald, L. M.: Effects of clay mineralogy and
hydrous iron oxides on labile organic carbon stabilisation, Geo-
derma, 173, 104–110, 2012.

Saiz, G., Bird, M. I., Domingues, T. F., Schrodt, F., Schwarz, M.,

Feldpausch, T. R., Veenendaal, E. M., Djagbletey, G., Hien, F.,
Compaore, H., Diallo, A., and Lloyd, J.: Variation in soil car-
bon stocks and their determinants across a precipitation gra-
dient in West Africa, Glob. Change Biol., 18, 1670–1683,
https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2012.02657.x, 2012.

www.soil-journal.net/6/53/2020/

SOIL, 6, 53–88, 2020

Page 36

Figures and page graphics, page 36

88

C. A. Quesada et al.: Variations in soil chemical and physical properties

Saiz, G., Bird, M., Wurster, C., Quesada, C. A., Ascough, P.,

Domingues, T., Schrodt, F., Schwarz, M., Feldpausch, T. R.,
Veenendaal, E., Djagbletey, G., Jacobsen, G., Hien, F., Com-
paore, H., Diallo, A., and Lloyd, J.: The influence of C

3

and C

4

vegetation on soil organic matter dynamics in contrasting semi-
natural tropical ecosystems, Biogeosciences, 12, 5041–5059,
https://doi.org/10.5194/bg-12-5041-2015, 2015.

Sanchez, P. A.: Properties and Management of Soils in the Tropics,

Wiley, New York, 618 pp., 1976.

Scheel, T., Dörfler, C., and Kalbitz, K.: Precipitation of dissolved or-

ganic matter by aluminum stabilizes carbon in acidic forest soils,
Soil Sci. Soc. Am. J., 71, 64–74, 2007.

Scheel, T., Haumaier, L., Ellerbrock, R. H., Rühlmann, J., and Kalb-

itz, K.: Properties of organic matter precipitated from acidic for-
est soil solutions, Org. Geochem., 39, 1439–1453, 2008.

Schrumpf, M., Kaiser, K., Guggenberger, G., Persson, T., Kögel-

Knabner, I., and Schulze, E.-D.: Storage and stability of or-
ganic carbon in soils as related to depth, occlusion within ag-
gregates, and attachment to minerals, Biogeosciences, 10, 1675–
1691, https://doi.org/10.5194/bg-10-1675-2013, 2013.

Schwertmann, U., Wagner, F., and Knicker, H.: Ferrihydrite–humic

associations, Soil Sci. Soc. Am. J., 69, 1009–1015, 2005.

Siegel, S. and Castellan Jr., N.: Nonparametric statistics for the

behavioural sciences, 2nd Edn., McGraw-Hill, Boston, 399 pp.,
1998.

Sioli, H.: The Amazon and its main affluents: hydrography, mor-

phology of the river courses, and river types, in: The Amazon,
Springer, 127–165, 1984.

Six, J., Bossuyt, H., Degryze, S., and Denef, K.: A history of re-

search on the link between (micro) aggregates, soil biota, and
soil organic matter dynamics, Soil Till. Res., 79, 7–31, 2004.

Sollins, P., Homann, P., and Caldwell, B. A.: Stabilization and

destabilization of soil organic matter: mechanisms and controls,
Geoderma, 74, 65–105, 1996.

Sombroek, W. G.: A Reconnaissance of the Soils of the Brazilian

Amazon Region, Centre for Agricultural Publications and Docu-
mentation, Wageningen, 292 pp., 1966.

Sombroek, W. G.: Soils of the Amazon region, in The Amazon,

Springer, 521–535, 1984.

Sombroek, W. G.: Amazon landforms and soils in relation to bio-

logical diversity, Acta Amazon., 30, 81–100, 2000.

Telles, E. de C. C., de Camargo, P. B., Martinelli, L. A., Trumbore,

S. E., da Costa, E. S., Santos, J., Higuchi, N., and Oliveira Jr., R.
C.: Influence of soil texture on carbon dynamics and storage po-
tential in tropical forest soils of Amazonia, Global Biogeochem.
Cy., 17, 1–12, 2003.

Tiessen, H. and Moir, J. O.: Total and Organic Carbon, in: Soil Sam-

pling and Methods of Analysis, edited by: Carter, M. R., 187–
199, Lewis Publishers, Boca Raton, FL, 1993.

Tisdall, J. M. and Oades, J.: Organic matter and water-stable aggre-

gates in soils, J. Soil Sci., 33, 141–163, 1982.

Trumbore, S. and Barbosa De Camargo, P.: Soil carbon dynamics,

Amazonia and Global Change, 186, 451–462, 2009.

Trumbore, S. E. and Zheng, S.: Comparison of fractionation meth-

ods for soil organic matter

14

C analysis, Radiocarbon, 38, 219–

229, 1996.

van den Boogaart, K. G. and Tolosana-Delgado, R.: “Composi-

tions”: a unified R package to analyze compositional data, Com-
put. Geosci., 34, 320–338, 2008.

van Lützow, M., Kögel-Knabner, I., Ekschmitt, K., Matzner, E.,

Guggenberger, G., Marschner, B., and Flessa, H.: Stabilization
of organic matter in temperate soils: mechanisms and their rele-
vance under different soil conditions – a review, Eur. J. Soil Sci.,
57, 426–445, 2006.

Van Reeuwijk, L. P.: Procedures for soil analysis, 6th Edn., Interna-

tional Soil Reference Information Centre, ISRIC, Wageningen,
The Netherlands, 2002.

Van Soest, P. J.: Use of detergents in the analysis of fibrous feeds,

2. A rapid method for the determination of fiber and lignin, J.
Assoc. Off. Agr. Chem., 46, 829–835, 1963.

Van Veen, J. A. and Kuikman, P. J.: Soil structural aspects of decom-

position of organic matter by micro-organisms, Biogeochemistry,
11, 213–233, 1990.

Wagai, R. and Mayer, L. M.: Sorptive stabilization of organic matter

in soils by hydrous iron oxides, Geochim. Cosmochim. Ac., 71,
25–35, 2007.

West, L. T., Beinroth, F. H., Sumner, M. E., and Kang, B. T.: Ul-

tisols: Characteristics and impacts on society, in: Advances in
Agronomy, Vol. 63, Elsevier, 179–236, 1997.

Wiseman, C. L. S. and Püttmann, W.: Interactions between mineral

phases in the preservation of soil organic matter, Geoderma, 134,
109–118, 2006.

Wurster, C. M., Saiz, G., Calder, A., and Bird, M. I.: Recovery of

organic matter from mineral-rich sediment and soils for stable
isotope analyses using static dense media, Rapid Commun. Mass
Sp., 24, 165–168, 2010.

Zimmermann, M., Leifeld, J., Schmidt, M. W. I., Smith, P., and

Fuhrer, J.: Measured soil organic matter fractions can be related
to pools in the RothC model, Eur. J. Soil Sci., 58, 658–667, 2007.

SOIL, 6, 53–88, 2020

www.soil-journal.net/6/53/2020/


Document Outline