Back to report · Publisher record

Rasmussen et al. (2018). Beyond clay: towards an improved set of variables for predicting soil organic matter content

Page 1

Figures and page graphics, page 1

B I O G E O C H E M I S T R Y L E T T E R S

Beyond clay: towards an improved set of variables
for predicting soil organic matter content

Craig Rasmussen

.

Katherine Heckman

.

William R. Wieder

.

Marco Keiluweit

.

Corey R. Lawrence

.

Asmeret Asefaw Berhe

.

Joseph C. Blankinship

.

Susan E. Crow

.

Jennifer L. Druhan

.

Caitlin E. Hicks Pries

.

Erika Marin-Spiotta

.

Alain F. Plante

.

Christina Scha¨del

.

Joshua P. Schimel

.

Carlos A. Sierra

.

Aaron Thompson

.

Rota Wagai

Received: 19 December 2017 / Accepted: 27 January 2018 / Published online: 3 February 2018

Ó

Springer International Publishing AG, part of Springer Nature 2018

Abstract

Improved quantification of the factors

controlling soil organic matter (SOM) stabilization
at continental to global scales is needed to inform
projections of the largest actively cycling terrestrial
carbon pool on Earth, and its response to environmen-
tal change. Biogeochemical models rely almost
exclusively on clay content to modify rates of SOM
turnover and fluxes of climate-active CO

2

to the

atmosphere. Emerging conceptual understanding,

however, suggests other soil physicochemical proper-
ties may predict SOM stabilization better than clay
content. We addressed this discrepancy by synthesiz-
ing data from over 5,500 soil profiles spanning
continental scale environmental gradients. Here, we
demonstrate that other physicochemical parameters
are much stronger predictors of SOM content, with
clay content having relatively little explanatory
power. We show that exchangeable calcium strongly
predicted SOM content in water-limited, alkaline
soils, whereas with increasing moisture availability
and acidity, iron- and aluminum-oxyhydroxides
emerged as better predictors, demonstrating that the
relative importance of SOM stabilization mechanisms
scales with climate and acidity. These results highlight
the urgent need to modify biogeochemical models to

Responsible Editor: Stuart Grandy.

Electronic supplementary material

The online version of

this article (

https://doi.org/10.1007/s10533-018-0424-3

) con-

tains supplementary material, which is available to authorized
users.

C. Rasmussen (

&

)

J. C. Blankinship

Department of Soil, Water and Environmental Science,
The University of Arizona, Tucson, AZ, USA
e-mail: crasmuss@email.arizona.edu

K. Heckman
US Forest Service Northern Research Station, Houghton,
MI, USA

W. R. Wieder
Climate and Global Dynamics Laboratory National Center
for Atmospheric Research & Institute of Arctic and
Alpine Research, University of Colorado, Boulder,
Boulder, CO, USA

M. Keiluweit
University of Massachusetts-Amherst, Amherst, MA,
USA

C. R. Lawrence
U.S. Geological Survey, Boulder, CO, USA

A. A. Berhe
University of California, Merced, Merced, CA, USA

S. E. Crow
University of Hawaii Manoa, Honolulu, HI, USA

J. L. Druhan
University of Illinois Urbana-Champaign, Champaign, IL,
USA

C. E. Hicks Pries
Dartmouth College, Hanover, NH, USA

123

Biogeochemistry (2018) 137:297–306
https://doi.org/10.1007/s10533-018-0424-3

Page 2

Figures and page graphics, page 2

better reflect the role of soil physicochemical proper-
ties in SOM cycling.

Keywords

Soil organic matter

Biogeochemistry

Carbon cycle

Introduction

A clear description of soil organic matter (SOM)
stabilization mechanisms is needed to inform society’s
ability to manage carbon and meet desirable climate
targets (Minasny et al.

2017

). An established and

tested hypothesis is that clay content, i.e., the mineral
fraction

\

2

l

m in size, principally determines SOM

storage and stabilization by promoting the sorption of
organic matter to mineral surfaces and aggregate
formation (Oades

1988

; Schimel et al.

1994

; Wagner

et al.

2007

). Clay content may also alter SOM stability

indirectly, by influencing microbial community com-
position, soil hydrology, drainage, and O

2

availability

(Andrews et al.

2011

; Fierer and Schimel

2002

). The

small size of clay particles imbues them with high
specific surface area, and clay particles typically
exhibit a combination of permanent structural charge
and variable pH-dependent surface charge. The com-
bination of charge and high surface area allows clay
sized particles to dominate mineral–mineral, mineral-
organic, mineral-metal, and mineral–water interac-
tions in soils (Sposito et al.

1999

). Thus, total clay

content has been used as a proxy for the direct effects
of aggregation and sorption, and indirect controls of
soil water content on SOM stability (Kahle et al.

2003

;

Mikutta et al.

2006

; Oades

1988

). These insights are

broadly applied in biogeochemical models (e.g.,
Coleman and Jenkinson

1996

; Parton et al.

1987

;

Wieder et al.

2015

) in which clay or clay

?

silt

content describes variation in SOM storage by mod-
ifying carbon fluxes into particular pools, and their
rate of turnover. All of these models predict slower
SOM turnover and higher SOM storage in more finely
textured soils (Fig. S1). Although numerically tract-
able, these relatively simplistic considerations of SOM
stabilization may not apply across diverse soil systems
or capture the efficacy of different clay-sized particles
for stabilizing SOM.

Current understanding suggests other physico-

chemical parameters may be better predictors of
SOM content and stabilization. Observational and
manipulative studies indicate that SOM content may
be more related to the amount of extractable metals,
here defined to include measures of exchangeable
cations, pedogenic oxyhydroxides, short–range-order
(SRO) phases, and organically complexed metals
(Kaiser and Guggenberger

2000

; Lawrence et al.

2014

; Percival et al.

2000

; Rasmussen et al.

2006

;

Torn et al.

1997

). These studies highlight the fact that

not all clay-sized particles are equivalent in their SOM
stabilization capacity. The clay fraction includes some
combination of phyllosilicates, crystalline and SRO
oxyhydroxides and aluminosilicates, and organo-
metal complexes, each of which vary in their surface
area, reactivity, solubility, and sorptive capacity
(Kaiser et al.

1997

; Sposito et al.

1999

). Furthermore,

silicate clays are often coated with Al- and Fe-
oxyhydroxides that contribute to their SOM stabiliza-
tion capacity. Clay content as a sole measure can thus
mask the diversity of mineral properties and may not
effectively capture specific SOM stabilization mech-
anisms. It follows that other soil properties may serve
as better surrogates of SOM stabilization than clay
content alone.

E. Marin-Spiotta
Department of Geography, University of Wisconsin –
Madison, Madison, WI, USA

A. F. Plante
University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA

C. Scha¨del
Center for Ecosystem Science and Society, Northern
Arizona University, Flagstaff, AZ, USA

J. P. Schimel
University of California – Santa Barbara, Santa Barbara,
CA, USA

C. A. Sierra
Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany

A. Thompson
Department of Crop and Soil Science and the Odum
School of Ecology, University of Georgia, Athens, GA,
USA

R. Wagai
National Agriculture and Food Research Organization,
Institute for Agro-Environmental Sciences, Tsukuba,
Japan

298

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

123

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Recently, several attempts have been made to

quantitatively link soil physicochemical variables
with SOM abundance and stability across larger,
regional spatial scales (Augustin and Cihacek

2016

;

Doetterl et al.

2015

; Garrido and Matus

2012

; Mathieu

et al.

2015

). In many of these studies, clay content was

not a significant predictor of SOM content or stability,
and climatic variables were identified as secondary in
importance compared to soil mineralogical and mor-
phological characteristics. Here, we address whether
other soil physicochemical parameters are better
predictors of SOM using a comprehensive set of soil
profile data from the US National Cooperative Soil
Survey Database that spans continental scale gradients
in climates, ecoregions, and soil taxa.

Materials and methods

Global soil, climate, and ecoregion datasets

Soil data were compiled from the U.S. Department of
Agriculture’s National Cooperative

Soil

Survey

(NCSS)

Soil

Characterization

Database

(

http://

ncsslabdatamart.sc.egov.usda.gov/

). The data consist

of 392,710 individual soil horizons sampled from
62,843 pedons described as part of NCSS activities.
Data were assessed for quality assurance and control
purposes by analyzing the distributions of each data
type and errors corrected where possible or excluded
when no obvious correction could be applied. Histosols
and all organic horizons were excluded; only 240
horizons occurred in Gelisols and were not included in
soil order specific analyses. The soil properties ana-
lyzed included SOC (%) used as a measure of SOM,
horizon midpoint depth (depth; cm), clay (%), clay

?

silt (%), pH in H

2

O, and extractable metals that

included exchangeable Ca as determined by ammo-
nium acetate extraction at pH 7.0 (C

aex

; cmol

?

kg

-

1

),

dithionite

extractable

iron

(Fe

d

;

%),

oxalate

extractable iron (Fe

o

; %) and aluminum (Al

o

; %). The

selected physicochemical variables were chosen to
encompass a range of soil properties related to various
proposed SOM stabilization mechanisms. This selec-
tion of variables also maximized the number of soil
horizons that could be included in the analysis while
maintaining a broad spectrum of soil properties. Soil
organic carbon data were compiled following Wills
et al. (

2007

), correcting total reported C for carbonate

C, and converting Walkley–Black organic carbon
values to the equivalent of combustion C.

The soil data were paired with properties extracted

from global maps of ecoregion, climate, and soil order.
Ecoregion data were compiled from the World Wild-
life Foundation terrestrial ecoregions map (Olson et al.

2001

). Climate data, including mean annual temper-

ature (MAT;

°

C), mean annual precipitation (MAP;

mm year

-

1

), and potential evapotranspiration (PET;

mm year

-

1

) were extracted from the 0.5 degree CRU

climate dataset of New et al. (New et al.

1999

). The

climate data were used to calculate an aridity index for
each location, defined as the ratio of annual PET/
MAP, where ratios

[

1 indicate water-limited systems

and values

\

1 indicate energy-limited systems. The

aridity index data were further divided into seven
humidity classes using hierarchical clustering, with
the number of classes chosen to maximize the number
of locations in each class and to correspond with
climate zones. Soil order information was extracted
from the NCSS database when available. For locations
lacking taxonomic information, soil order was
extracted from the NRCS Global Soil Region map
available at:

https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/

nrcs/detail/soils/use/?cid=nrcs142p2_054013

. Spatial

data were handled using ArcMAP 10.3.1 (ESRI,
Redlands, CA) and all statistical analyses performed
using JMP Pro v12.1.0 (SAS Institute, Cary, NC).

Statistical analyses and model development

The data were filtered such that only horizons with a
complete set of soil and climate variables were
included, providing a total of 5587 pedons with
28,819 horizons. To standardize variation among
variables and meet normality assumptions of the
applied statistical tests, all continuous predictors and
the soil organic carbon (SOC) data were transformed to
normal distributions using Box-Cox transformations,
followed by standardization to a mean of 0 and
standard deviation of 1. The transformed and stan-
dardized data allowed for direct comparison of regres-
sion coefficient estimates among predictor variables.

Regression analyses

Linear mixed model (LMM) regression was imple-
mented to determine the soil and climate parameters
that best explained the variance in SOC content. LMM

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

299

123

Page 4

Figures and page graphics, page 4

was selected to address the non-independent nature of
multiple horizons within one pedon. The models were
structured with pedon ID as a random effect, allowing
the slope and intercept of the relationship between soil
depth and SOC to vary by each pedon based on the a
priori knowledge of a relationship between soil depth
and SOC content (Jobbagy and Jackson

2001

). Three

LMM models were run: (1) using just soil depth as a
fixed effect, (2) using soil depth and the entire set of
the selected continuous physicochemical and climate
variables, including two-way interaction terms among
all variables, as fixed effects, and (3) a reduced final
model that included only those fixed effects that
contributed the most to the prediction of SOC based on
regression coefficient estimates and F-values. Specif-
ically, the final model only kept terms with regression
coefficient estimates

[

0.1 or

\

-

0.1 that corre-

sponded with F-values

[

400. The fixed-effect vari-

ables in the final model included depth, Al

o

, Ca

ex

, pH,

PET/MAP, and the pH by Al

o

interaction term

(Table

1

). The relative importance and contribution

of fixed effects was determined based on regression
coefficient estimates and F values.

Additionally, LMM modeling of SOC was per-

formed across pH classes. Soil-pH data were grouped
using hierarchical clustering, with the number of
classes chosen to maximize the number of samples in
each class. We then ran LMM for each pH class, using
pedon ID as the random variable and allowing both the
slope and intercept to vary with depth, and included
depth, Al

o

, and Ca

ex

as fixed parameters. The F-values

for each fixed parameter were reported in Fig.

2

b to

demonstrate the relative importance of each parameter
to account for SOC variance across pH classes. The
relative contribution of each fixed parameter by pH
class, in combination with soil physicochemical

property change by pH class (Fig.

2

a), was used to

develop the conceptual figure of change in dominant
SOM stabilization mechanism with pH (Fig.

3

).

Correlations by environmental categorical
variables

The conditional residuals of the soil depth-only LMM
were related to all soil physicochemical and climate-
continuous variables, parsed among three categorical
variables, using Spearman’s

q

(Fig.

1

). The categories

were humidity class ecoregion, and soil order. This
approach allowed us to include collinear variables left
out of the LMM. Significance was evaluated based on
a Bonferroni’s corrected

a

value of 0.0002 (

a

=

0.05/

250 individual correlations). Only categories with
n

[

400 soil samples were used for correlation

determination.

Results and discussion

Soil organic carbon and physicochemical
parameters

Linear mixed model (LMM) regression indicated that
soil depth was the strongest predictor of SOC, with a
significant trend of decreasing SOC content with
increasing depth. After accounting for depth, Al

o

and

Ca

ex

were the best predictors, followed by pH, the

interaction of pH and Al

o

, and PET/MAP (potential

evapotranspiration over mean annual precipitation).
Al

o

and Ca

ex

showed a positive relationship with SOC,

whereas pH, the pH-Al interaction term, and PET/
MAP exhibited weaker, negative relationships with
SOC (Table

1

).

Table 1

Fixed-effect parameters from the linear mixed model

Term

Degrees of
freedom

Regression
coefficient

95% lower

95% upper

F ratio

Prob

[

F

Depth

5782

-

0.579

-

0.589

-

0.569

12,616

\

0.0001

Al

o

26,054

0.306

0.298

0.314

5135

\

0.0001

Ca

ex

25,934

0.342

0.330

0.354

3202

\

0.0001

pH

23,444

-

0.258

-

0.270

-

0.245

1725

\

0.0001

pH

9

Al

o

27,852

-

0.141

-

0.148

-

0.134

1492

\

0.0001

PET/MAP

6468

-

0.108

-

0.121

-

0.096

279

\

0.0001

Intercept

5198

-

0.022

-

0.036

-

0.009

–

–

300

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

123

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Correlation analysis of the conditional residuals

from a LMM using only depth as the fixed effect was
performed to further explore SOC relationships among
the categorical variables of humidity class, ecoregion,
and soil order (Fig.

1

). There were few correlations of

SOC with climate variables within each category;
rather, a combination of either Fe

o

and Al

o

, or Ca

ex

and

clay or clay

?

silt best explained SOC. Exchangeable

Ca and soil texture exhibited the strongest correlation
in water-limited environments, whereas Al- and Fe-
oxyhydroxides exhibited the strongest correlations in
humid environments.

Among soil taxa, Entisols and Inceptisols, with

minimal pedogenic development, presented strong
positive correlations with nearly all soil properties
(Fig.

1

), likely owing to their large range of soil

properties, and the diversity of environmental condi-
tions in which these soils are found (Buol et al.

2011

).

At the other soil development and weathering extreme,
no significant correlation to any soil property was
observed for Oxisols. This may be due in part to the
rapid litter and SOC decomposition associated with
the warm, wet tropical climates typical of Oxisols
(Tiessen et al.

1992

). Oxisols are highly weathered and

dominated by quartz and crystalline, variable charge
Fe- and Al-oxides and kaolinite, with few to no
weatherable minerals (Buol and Eswaran

2000

). In

these

soils,

Fe-oxide

cementations

form

very

stable concretions (El Swaify

1980

) that serve as the

dominant mechanism for protecting SOM from
decomposition (Tiessen et al.

1994

). However, these

concretions also confound soil textural analysis by
resisting dispersion, biasing results towards a coarse
classification while physically behaving more simi-
larly to fine-textured soils. Taken together, these
observations suggest a general decrease in the range of
soil properties that can facilitate SOM stabilization
with increased soil weathering (Lawrence et al.

2015

;

Torn et al.

1997

).

Prevalence of extractable Ca and texture in dry
climates

The regression and correlation analyses reflected
strong positive correlation of SOC to Ca

ex

, clay

?

silt,

and clay in water-limited systems, that included
deserts, grasslands, savannas, and shrublands, largely
characterized by Aridisols, Mollisols and Alfisols
(Fig.

1

). These ecoregions with less precipitation

maintain circum-neutral to alkaline pH values, and
retain non-hydrolyzing base cations. These conditions
favor the formation of 2:1 phyllosilicates with an
abundance of negatively charged exchange sites
(Douglas

1989

; Kittrick

1971

). When divalent ions,

such as Ca

2

?

, occupy these exchange sites, they can

bind negatively charged organic moieties, such as the
carboxylic acid functional group common on SOM,
effectively forming a bridge with the underlying clay

Fig. 1

Heat maps indicating the Spearman correlation between

the conditional residuals of a mixed regression model using
pedon ID as a random factor and horizon depth as a fixed effect,
and soil physicochemical properties and climate parameters by
the categorical variables of

a

humidity class,

b

ecoregion, and

c

soil order. Spearman correlations are scaled from dark blue for

negative correlations to dark red for positive correlations. Those
correlations with P

[

0.0002 are considered not significant

(NS), based on Bonferroni’s corrected

a

value

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

301

123

Page 6

Figures and page graphics, page 6

(Mikutta et al.

2007

). Such cation bridging is widely

recognized as an important SOM stabilization mech-
anism (von Lu¨tzow et al.

2006

). In addition, exchange-

able Ca can cross-link two negatively charged organic
functional groups together, causing SOM aggregation
and immobilization (Kunhi Mouvenchery et al.

2012

).

Calcium has a stronger influence on SOM stabilization
in dry climates than other divalent cations because of
its higher relative abundance (Smith et al.

2014

) and

greater ionic radius, which facilitates stronger binding
energies (Muneer and Oades

1989

). The strong

correlation of SOC to exchangeable Ca and texture
in water-limited systems is consistent with previous
work highlighting a central role for texture in mod-
ulating SOM cycling (Amato and Ladd

1992

; Burke

et al.

1989

; Hassink

1997

; Nichols

1984

), work that

served as the foundation for current biogeochemical
models.

Prevalence of extractable Al and Fe in humid
climates

Soil carbon content in humid, forested ecoregions
(generally represented by Inceptisols, Ultisols, Andis-
ols, and Spodosols) exhibited strong positive correla-
tions with Fe

o

and Al

o

, a negative correlation with pH,

and little to no correlation with clay or clay

?

silt

(Fig.

1

). In these systems, the combination of water

availability, an abundance of low molecular weight
organic acids, or distinct primary mineral assem-
blages, facilitates high rates of mineral weathering that
may release Fe, Al, and Si faster than crystalline
minerals can precipitate (Shoji et al.

1993

). This can

lead to soil solutions that are oversaturated with
respect to SRO phases, that once formed, have high
surface areas and high densities of reactive hydroxyl
sites (Harsh et al.

2002

), allowing them to immobilize

large quantities of SOM. These SRO phases have also
been implicated as important drivers of aggregation,
which further protects SOM against decomposition
(Asano and Wagai

2014

; Rasmussen et al.

2005

). The

generally high SOM content in humid systems also
promotes Al and Fe-organic complexation and co-
precipitation of organo-metal complexes, which can
compete and occur in conjunction with SRO formation
(Dahlgren et al.

2004

). Both phases are important to

SOM stabilization (Wagai and Mayer

2007

), but the

analyses herein were based on SOC correlations with
oxalate-extractable Al or Fe, which includes both

organo-metal complexes and SRO phases, so we are
not able to directly separate these factors. We did not
include more direct measures of organo-metal com-
plexation because of the limited extent where it was
measured. However, as indicated below (Fig.

2

), for

those locations with such measures, we observed
strong gradients in the relative concentration of
organo-metal complexes and SRO phases with soil
pH.

Soil pH and stabilization mechanisms

Our results suggest a complicated and important
influence of soil pH on SOM content. The LMM
results indicated a significant role for pH, and the
interaction of pH and Al

o

in accounting for SOC

content, but pH was not significantly correlated with
SOC across most categories. Soil pH reflects the
overall chemical state of the soil system and dictates a
number of geochemical gradients, including the
speciation of dissolved metals, the reactivity and
charge of minerals and organic molecules, and the
predominant type of organo-mineral bond (Deng and
Dixon

2002

). Each of these influences SOM stabiliza-

tion, resulting in an overall influence of pH that is
nonlinear and driven by thresholds in aqueous speci-
ation and mineral stability, which are in turn modu-
lated by water availability and other soil-forming
factors.

Soil pH corresponded with distinct gradients in soil

properties (Fig.

2

a). In particular, Ca

ex

increased

significantly above pH 6.5, whereas Al

o

was greatest

at pH values

\

6.5. Although there were not enough

data to include them in the full analysis, two additional
values, the coefficient of linear extensibility (COLE),
and pyrophosphate extractable Al (Al

p

) were summa-

rized by pH class to further elucidate soil property
changes with pH. COLE provides a measure of soil
shrink-swell capacity that corresponds with clay
content and presence of expansible 2:1 phyllosilicates;
Al

p

is a common metric for organically complexed Al.

COLE increased above pH 6.5, whereas the ratio Al

p

/

Al

o

, which provides an estimate of the proportion of

organo-metal versus organo-mineral Al species,
increased at pH values less than 5.5, with Al

p

dominant at low pH.

Regression analyses across pH classes (Fig.

2

b),

using Al

o

to represent SRO phases and organo-metal

complexes and Ca

ex

to represent 2:1 clays and

302

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

123

Page 7

Figures and page graphics, page 7

exchangeable cations, indicated that, after accounting
for soil depth, Ca

ex

was the most important factor at

pH

[

6.5, and Al

o

was the dominant variable at

pH

\

6.5. The Ca-bridging mechanism is particularly

important in soils enriched in 2:1 phyllosilicates
(Laird

2001

), corresponding with the increase in

COLE at pH

[

6.5 (Fig.

2

a). The dominance of Al

o

and the increase in the Al

p

/Al

o

noted at pH

\

5.5

(Fig.

2

a) suggest that SRO is the dominant factor at pH

5.5–6.5, whereas at low pH, organo-metal complex-
ation is the dominant factor controlling SOC content
(Wagai and Mayer

2007

).

Here, we propose a conceptual model whereby the

dominant SOM stabilization mechanism varies as a
function of pH (Fig.

3

). The SOM stabilization

mechanisms vary with increasing soil pH from
predominantly organo-metal complexation, to associ-
ation with SRO phases, to Ca complexation and cation
bridging with phyllosilicates. Soil pH varies nonlin-
early with soil depth and soil-forming factors

(Fig. S5), and soil physicochemical properties vary
nonlinearly with pH (Fig.

2

a), leading to a complex

and indirect relationship between pH and SOM
content.

Implications for model improvement

Our analyses demonstrated that variables other than
clay content serve as better predictors of SOM content
in many systems. This observation implies that models
for continental to global scale SOM content may be
improved by inclusion of alternate mineralogical
proxies. Variables of particular importance include
exchangeable Ca, SRO Al- and Fe-oxyhydroxides,
and Al-, Fe- organo-metal complexes, and the relative
contribution of each parameter can be scaled with pH
(Fig.

3

). A step to improve models would be to

develop explicit functions that relate these variables to
specific rate and transfer coefficients.

Soil pH

4

5

6

7

8

9

Fi

xed Param

e

ter F

-Val

u

e

0

1000

2000

3000

4000

Al

o

Ca

ex

Depth

Soil pH

4

5

6

7

8

9

Al

p

/Al

o

 [%]

0

20

40

60

80

100

Al

o

 [%]

0.08

0.12

0.16

0.20

Ca

ex

 [cmol

+

 kg

-1

]

0

10

20

30

40

COLE

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

Alp/Alo
Alo
Caex
COLE

(A)

(B)

Fig. 2 a

The change in soil

physicochemical properties
important for predicting
SOC content by soil-pH
class, including the soil
content of oxalate
extractable Al (Al

o

), the

fraction of Al

o

that is

partitioned to Al- organo-
metal complexes as
measured by Na-
pyrophosphate
extractable Al (Al

p

), the

amount of Ca on the cation
exchange complex (Ca

ex

),

and the coefficient of linear
extensibility (COLE)
(parameter values are
medians within each pH
class).

b

Fixed parameter

F-values for Al

o

, Ca

ex

and

horizon depth from linear
mixed effect models using
pedon ID as the random
effect performed for each
pH class

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

303

123

Page 8

Figures and page graphics, page 8

For broad applicability in Earth system modeling, a

new set of global-scale data products are needed that
include the variables identified in our analysis. Cur-
rently, only data products on clay content and pH are
available at the global level (Hengl et al.

2017

), but as

this analysis shows, extractable metal data do exist for
a wide range of locations and soil taxa, and some
globally gridded information about soil mineral com-
position has been derived (Ito and Wagai

2017

;

Journet et al.

2014

). Given the large number of soil

profiles that contain these data, compiling this infor-
mation into large-scale data products should be a
priority. With the current state of soil data products,
global grids of soil pH may provide the most
immediate and tractable variable for modifying bio-
geochemical models and their treatment of different
SOM stabilization mechanisms (Fig.

3

). Implement-

ing such changes would strengthen the relationships
among our conceptual understanding of SOM stabi-
lization, model design and structure, and common
measurements of soil physicochemical properties.

Acknowledgements

This work was conducted as a part of the

‘‘What Lies Below? Improving quantification and prediction of
soil carbon storage, stability, and susceptibility to disturbance’’
Working Group supported by the John Wesley Powell Center for
Analysis and Synthesis, funded by the U.S. Geological Survey.
Additional support was provided by NSF EAR-1331408 and
EAR- 1123454 to Rasmussen, NSF CAREER BCS-1349952 to
Marin-Spiotta,

US

Department

of

Agriculture

NIFA

2015-67003-23485 and US Department of Energy TES DE-
SC0014374 to Wieder, and USDA-NIFA Hatch project
HAW01130-H to Crow. Any use of trade, firm, or product
names is for descriptive purposes only and does not imply
endorsement by the U.S. Government.

Author Contributions

This work is the result of two

workshops sponsored by the USGS John Wesley Powell
Center for Analysis and Synthesis in May of 2016 and May of
2017. The motivation and ideas for this work were generated
collaboratively among all authors during these workshops.
Rasmussen led manuscript development, data compilation, and
analysis. All authors contributed to writing/editing, statistical
analyses, and figure development.

References

Amato M, Ladd JN (1992) Decomposition of C-14-labeled

glucose and legume material in soils—properties influ-
encing the accumulation of organic residue-c and microbial
biomass-c. Soil Biol Biochem 24(5):455–464

Andrews DM, Lin H, Zhu Q, Jin LX, Brantley SL (2011) Hot

spots and hot moments of dissolved organic carbon export
and soil organic carbon storage in the shale hills catchment.
Vadose Zone Journal 10(3):943–954

Asano M, Wagai R (2014) Evidence of aggregate hierarchy at

micro- to submicron scales in an allophanic Andisol.
Geoderma 216:62–74

Augustin C, Cihacek LJ (2016) Relationships between soil

carbon and soil texture in the northern great plains. Soil Sci
181(8):386–392

Buol SW, Eswaran H (2000) Oxisols. In: Sparks DL (ed)

Advances in agronomy, vol 68. Academic Press, San
Diego, pp 151–195

Buol SW, Southard RJ, Graham RC, McDaniel PA (2011) Soil

genesis and classification. Wiley, Hoboken

Burke IC, Yonker CM, Parton WJ, Cole CV, Flach K, Schimel

DS (1989) Texture, climate, and cultivation effects on soil
organic-matter content in Us grassland soils. Soil Sci Soc
Am J 53(3):800–805

Coleman D, Jenkinson DS (1996) RothC-26.3 - A model for the

turnover of carbon in soil. In: Powlson DS, Smith P, Smith
JU (eds) Evaluation of soil organic matter models : using
existing long-term datasets. Springer, Berlin; New York,
pp 237–246

Dahlgren RA, Saigusa M, Ugolini FC (2004) The nature,

properties and management of volcanic soils. Adv Agron
82(82):113–182

Deng Y, Dixon JB (2002) Soil organic matter and organo-

mineral interactions. In: Dixon JB, Schulze DG (eds) Soil
Mineralogy with Environmental Applications. Soil Sci-
ence Society of America, Madison, pp 69–108

Doetterl S, Stevens A, Six J, Merckx R, Van Oost K, Pinto MC,

Casanova-Katny A, Munoz C, Boudin M, Venegas EZ,
Boeckx P (2015) Soil carbon storage controlled by inter-
actions between geochemistry and climate. Nat Geosci
8(10): 780

Douglas L (1989) Vermiculites. In: Dixon JB, Weed SB, Din-

auer RC (eds) Minerals in soil environments. vol no 1. Soil
Science Society of America, Madison, Wis., USA. p 635-
674

El Swaify SA (1980) Physical and mechanical properties of

Oxisols. In: Theng BKG (ed) Soils with variable charge.
New Zealand Society of Soil Science, Lower Hutt,
pp 303–324

0

50

100

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

Al-, Fe-complexes
SRO
Ca+clay

Relave contribuon (%)

Soil pH

Fig. 3

Proposed conceptual model of how horizon-level soil

pH controls the relative importance of SOM stabilization
mechanisms grading from Al- and Fe- organo-metal complexes
in acidic systems, to relative dominance by short-range-order
(SRO) materials in moderately acid soils, to exchangeable
calcium and clay content in circum-neutral to basic soils. The
conceptual model is based on results of mixed regression
modeling of soil organic carbon content across pH classes

304

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

123

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Fierer N, Schimel JP (2002) Effects of drying-rewetting fre-

quency on soil carbon and nitrogen transformations. Soil
Biol Biochem 34(6):777–787

Garrido E, Matus F (2012) Are organo-mineral complexes and

allophane content determinant factors for the carbon level
in Chilean volcanic soils? (vol 92C, pg 106, 2012).
CATENA 95:184–184

Harsh J, Chorover J, Nizeyimana E (2002) Allophane and

imogolite. In: Dixon JB, Schulze DG (eds) Soil Mineralogy
with Environmental Applications. Soil Science Society of
America, Madison, pp 291–322

Hassink J (1997) The capacity of soils to preserve organic C and

N by their association with clay and silt particles. Plant Soil
191(1):77–87

Hengl T, de Jesus JM, Heuvelink GBM, Gonzalez MR, Kili-

barda M, Blagotic A, Shangguan W, Wright MN, Geng
XY, Bauer-Marschallinger B, Guevara MA, Vargas R,
MacMillan RA, Batjes NH, Leenaars JGB, Ribeiro E,
Wheeler I, Mantel S, Kempen B (2017) SoilGrids250 m:
Global gridded soil information based on machine learn-
ing. Plos One 12(2)

Ito A, Wagai R (2017) Global distribution of clay-size minerals

on land surface for biogeochemical and climatological
studies. Sci Data 4:

Jobbagy EG, Jackson RB (2001) The distribution of soil nutri-

ents with depth: Global patterns and the imprint of plants.
Biogeochemistry 53(1):51–77

Journet E, Balkanski Y, Harrison SP (2014) A new data set of

soil mineralogy for dust-cycle modeling. Atmos Chem
Phys 14(8):3801–3816

Kahle M, Kleber M, Jahn R (2003) Retention of dissolved

organic matter by illitic soils and clay fractions: Influence
of mineral phase properties. Journal of Plant Nutrition and
Soil Science-Zeitschrift Fur Pflanzenernahrung Und Bod-
enkunde 166(6):737–741

Kaiser K, Guggenberger G (2000) The role of DOM sorption to

mineral surfaces in the preservation of organic matter in
soils. Org Geochem 31(7–8):711–725

Kaiser K, Guggenberger G, Haumaier L, Zech W (1997) Dis-

solved organic matter sorption on subsoils and minerals
studied by C-13-NMR and DRIFT spectroscopy. Eur J Soil
Sci 48(2):301–310

Kittrick JA (1971) Montmorillonite Equilibria and Weathering

Environment. Soil Sci Soc Am Pro 35(5):815–900

Kunhi Mouvenchery Y, Kucerik J, Diehl D, Schaumann GE

(2012) Cation-mediated cross-linking in natural organic
matter: a review. Rev Environ Sci Bio 11(1):41–54

Laird D (2001) Nature of clay-humic complexes in an agricul-

tural soil: II. Scanning electron microscopy analysis. Soil
Sci Soc Am J 65(5):1419–1425

Lawrence C, Harden J, Maher K (2014) Modeling the influence

of organic acids on soil weathering. Geochim Cosmochim
Acta 139:487–507

Lawrence CR, Harden JW, Xu XM, Schulz MS, Trumbore SE

(2015) Long-term controls on soil organic carbon with
depth and time: A case study from the Cowlitz River
Chronosequence, WA USA. Geoderma 247:73–87

Mathieu JA, Hatte C, Balesdent J, Parent E (2015) Deep soil

carbon dynamics are driven more by soil type than by
climate: a worldwide meta-analysis of radiocarbon pro-
files. Glob Change Biol 21(11):4278–4292

Mikutta R, Kleber M, Torn MS, Jahn R (2006) Stabilization of

soil organic matter: Association with minerals or chemical
recalcitrance? Biogeochemistry 77(1):25–56

Mikutta R, Mikutta C, Kalbitz K, Scheel T, Kaiser K, Jahn R

(2007) Biodegradation of forest floor organic matter bound
to minerals via different binding mechanisms. Geochim
Cosmochim Acta 71(10):2569–2590

Minasny B, Malone BP, McBratney AB, Angers DA, Arrouays

D, Chambers A, Chaplot V, Chen ZS, Cheng K, Das BS,
Field DJ, Gimona A, Hedley CB, Hong SY, Mandal B,
Marchant BP, Martin M, McConkey BG, Mulder VL,
O’Rourke S, Richer-de-Forges AC, Odeh I, Padarian J,
Paustian K, Pan GX, Poggio L, Savin I, Stolbovoy V,
Stockmann U, Sulaeman Y, Tsui CC, Vagen TG, van
Wesemael B, Winowiecki L (2017) Soil carbon 4 per mille.
Geoderma 292:59–86

Muneer M, Oades JM (1989) The Role of Ca-Organic Interac-

tions in Soil Aggregate Stability. 3. Mechanisms and
Models. Aust J Soil Res 27(2):411–423

New M, Hulme M, Jones PD (1999) Representing twentieth

century space-time climate variability. Part 1: development
of a 1961–90 mean monthly terrestrial climatology. J Clim
12:829–856

Nichols JD (1984) Relation of organic-carbon to soil properties

and climate in the southern great plains. Soil Sci Soc Am J
48(6):1382–1384

Oades JM (1988) The retention of organic-matter in soils.

Biogeochemistry 5(1):35–70

Olson DM, Dinerstein E, Wikramanayake ED, Burgess ND,

Powell GVN, Underwood EC, D’Amico JA, Itoua I, Strand
HE, Morrison JC, Loucks CJ, Allnutt TF, Ricketts TH,
Kura Y, Lamoreux JF, Wettengel WW, Hedao P, Kassem
KR (2001) Terrestrial ecoregions of the worlds: a new map
of life on Earth. Bioscience 51(11):933–938

Parton WJ, Schimel DS, Cole CV, Ojima DS (1987) Analysis of

factors controlling soil organic-matter levels in great-
plains grasslands. Soil Sci Soc Am J 51(5):1173–1179

Percival HJ, Parfitt RL, Scott NA (2000) Factors controlling soil

carbon levels in New Zealand grasslands: Is clay content
important? Soil Sci Soc Am J 64(5):1623–1630

Rasmussen C, Torn MS, Southard RJ (2005) Mineral assem-

blage and aggregates control carbon dynamics in a Cali-
fornia conifer forest. Soil Sci Soc Am J 69(6):1711–1721

Rasmussen C, Southard RJ, Horwath WR (2006) Mineral con-

trol of organic carbon mineralization in a range of tem-
perate

conifer

forest

soils.

Glob

Change

Biol

12(5):834–847

Schimel DS, Braswell BH, Holland EA, Mckeown R, Ojima DS,

Painter TH, Parton WJ, Townsend AR (1994) Climatic,
edaphic, and biotic controls over storage and turnover of
carbon in soils. Global Biogeochem Cycles 8(3):279–293

Shoji S, Nanzyo M, Dahlgren R (1993) Volcanic ash soils—

genesis, properties and utilization. Elsevier, Amsterdam

Smith D, Cannon WF, Woodruff LG, Solano F, Ellefsen KJ

(2014) Geochemical and mineralogical maps for soils of
the conterminous United States. In: Survey USG (ed). U.S.
Geological Survey. p 386

Sposito G, Skipper NT, Sutton R, Park SH, Soper AK, Great-

house JA (1999) Surface geochemistry of the clay miner-
als. Proc Natl Acad Sci USA 96(7):3358–3364

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

305

123

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Tiessen H, Salcedo IH, Sampaio EVSB (1992) Nutrient and Soil

Organic-Matter Dynamics under Shifting Cultivation in
Semiarid Northeastern Brazil. Agric Ecosyst Environ
38(3):139–151

Tiessen H, Cuevas E, Chacon P (1994) The Role of Soil

Organic-Matter in Sustaining Soil Fertility. Nature
371(6500):783–785

Torn MS, Trumbore SE, Chadwick OA, Vitousek PM, Hen-

dricks DM (1997) Mineral control of soil organic carbon
storage and turnover. Nature 389(6647):170–173

von Lu¨tzow M, Ko¨gel-Knabner I, Ekschmitt K, Matzner E,

Guggenberger G, Marschner B, Flessa H (2006) Stabi-
lization of organic matter in temperate soils: mechanisms
and their relevance under different soil conditions—a
review. Eur J Soil Sci 57(4):426–445

Wagai R, Mayer LM (2007) Sorptive stabilization of organic

matter in soils by hydrous iron oxides. Geochim Cos-
mochim Acta 71(1):25–35

Wagner S, Cattle SR, Scholten T (2007) Soil-aggregate for-

mation as influenced by clay content and organic-matter
amendment. J Plant Nutr Soil Sci 170(1):173–180

Wieder WR, Grandy AS, Kallenbach CM, Taylor PG, Bonan

GB (2015) Representing life in the Earth system with soil
microbial functional traits in the MIMICS model. Geosci
Model Dev 8(6):1789–1808

Wills SA, Burras CL, Sandor JA (2007) Prediction of soil

organic carbon content using field and laboratory mea-
surements of soil color. Soil Sci Soc Am J 71(2):380–388

306

Biogeochemistry (2018) 137:297–306

123


Document Outline