Back to report · Publisher record

Torn et al. (1997). Mineral control of soil organic carbon storage and turnover

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Nature © Macmillan Publishers Ltd 1997

letters to nature

170

NATURE

|

VOL 389

|

11 SEPTEMBER 1997

3. Zhang, G., Fournier, M. J., Mason, T. L. & Tirrell, D. A. Biological synthesis of monodisperse

derivatives of poly(

a

, L-glutamic acid): model rodlike polymers.

Macromolecules

25,

3601–3603

(1992).

4. Bujard, H.

et al

. A T5 promoter-based transcription-translation system for the analysis of proteins

in

vitro

and

in vivo

.

Meth. Enzymol.

155,

416–433 (1987).

5. Le Grice, S. F. J. & Gruninger-Leitch, F. Rapid purification of homodimer and heterodimer HIV-1

reverse transcriptase by metal chelate affinity chromatography.

Eur. J. Biochem.

187,

307–314 (1990).

6. Wulfman, D. S., Yousefian, S. & White, J. M. The synthesis of aryl diazomethanes.

Synth. Commun.

18,

2349–2352 (1988).

7. Robinson, C. & Ward, J. C. Liquid-crystalline structures in polypeptides.

Nature

180,

1183–1184

(1957).

8. Wee, E. L. & Miller, W. G. Liquid crystal-isotropic phase equilibria in the system poly-

g

-benzyl-

a

,

L

-

glutamate) solutions.

Nature

346,

44–45 (1990).

10. Flory, P. J. Phase equilibria in solutions of rod-like particles.

Proc. R. Soc. Lond. A

234,

73–89 (1956).

11. Kricheldorf, H. R.

a

-Aminoacid-N-carboxy-anhydrides and Related Heterocycles

170–176 (Springer,

New York, 1987).

12. Du Pre, D. B. & Samulski, E. T. in

Liquid Crystals The Fourth State of Matter

(ed. Saeva, F. D.) 203–247

(Dekker, New York, 1979).

13. Stroobants, A. & Lekkerkerker, H. N. W. Evidence for one-, two-, and three-dimensional order in a

system of hard parallel spherocylinders.

Phys. Rev. A

36,

2929–2945 (1987).

14. Watanabe, J. in

Ordering in Macromolecular Systems

(eds Teramoto, A., Kobayashi, M. & Norisuye, T.)

99–113 (Springer, Berlin, 1993).

15. Livolant, F. & Bouligand, Y. Liquid crystalline phases given by helical biological polymers (DNA,

PBLG and xanthan). Columnar textures.

J. Phys. (Paris)

47,

1813–1827 (1986).

16. Wen, X., Meyer, R. B. & Caspar, D. L. D. Observation of smectic-A ordering in a solution of rigid-rod

like particles.

Phys. Rev. Lett.

63,

2760–2763 (1989).

17. Albrecht, C., Lieser, G. & Wegner, G. Lamellar morphology of polydiacetylene thin films and its

correlation with chain lengths.

Prog. Colloid Polym. Sci.

92,

111–119 (1993).

18. Radzilowski, L. H. & Stupp, S. I. Nanophase separation in monodisperse rodcoil diblock polymers.

Macromolecules

27,

7747–7753 (1994).

19. Chen, J. T., Thomas, E. L., Ober, C. K. & Mao, G.-p. Self-assembled smectic phases in rod-coil block

copolymers.

Science

273,

343–346 (1996).

20. Duke, R. W., Du Pre, D. B., Hines, W. A. & Samulski, E. T. Poly(

g

-benzyl L-glutamate) helix-coil

transition. Pretransition phenomena in the liquid crystal phase.

J. Am. Chem. Soc.

98,

3094–3101

(1976).

21. Demus, D. & Richter, L.

Textures of Liquid Crystals

(Chemie, Weinheim, 1978).

22. Samulski, E. T. & Tobolsky, A. V. Solid ‘‘liquid crystal’’ films of poly-

g

-benzyl-L-glutamate.

Nature

216,

997 (1967).

23. Block, H.

Poly(

g

-benzyl-L-glutamate) and Other Glutamic Acid Containing Polymers

135–142

(Gordon & Breach, New York, 1993).

24. Stupp, S. I., Son, S., Lin, H. C. & Li, L. S. Synthesis of two-dimensional polymers.

Science

259,

59–63

(1993).

Acknowledgements.

This work was supported by the National Science Foundation Materials Research

Science and Engineering Center at the University of Massachusetts.

Correspondence and requests for materials should be addressed to D.A.T. (e-mail: tirrell@polysci.umass.
edu).

Mineral control of soil organic
carbon storage and turnover

Margaret S. Torn

*

, Susan E. Trumbore

*

,

Oliver A. Chadwick

†

, Peter M. Vitousek

‡

& David M. Hendricks

§

*

Earth System Science Department, University of California, Irvine,

California 92697-3100, USA

†

Department of Geography, University of California, Santa Barbara,

California 93106, USA

‡

Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford,

California 94305-5020, USA

§

Department of Soil and Water Science, University of Arizona, Tucson,

Arizona 85721, USA

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A large source of uncertainty in present understanding of the
global carbon cycle is the distribution and dynamics of the soil
organic carbon reservoir. Most of the organic carbon in soils is
degraded to inorganic forms slowly, on timescales from centuries
to millennia

1

. Soil minerals are known to play a stabilizing role,

but how spatial and temporal variation in soil mineralogy con-
trols the quantity and turnover of long-residence-time organic
carbon is not well known

2

. Here we use radiocarbon analyses to

explore interactions between soil mineralogy and soil organic
carbon along two natural gradients—of soil-age and of climate—
in volcanic soil environments. During the first

,

150,000 years of

soil development, the volcanic parent material weathered to
metastable, non-crystalline minerals. Thereafter, the amount of

non-crystalline minerals declined, and more stable crystalline
minerals accumulated. Soil organic carbon content followed a
similar trend, accumulating to a maximum after 150,000 years,
and then decreasing by 50% over the next four million years. A
positive relationship between non-crystalline minerals and
organic carbon was also observed in soils through the climate
gradient, indicating that the accumulation and subsequent loss of
organic matter were largely driven by changes in the millennial
scale cycling of mineral-stabilized carbon, rather than by changes
in the amount of fast-cycling organic matter or in net primary
productivity. Soil mineralogy is therefore important in determin-
ing the quantity of organic carbon stored in soil, its turnover time,
and atmosphere–ecosystem carbon fluxes during long-term soil
development; this conclusion should be generalizable at least to
other humid environments.

Our primary gradient was a chronosequence of six sites (300 yr to

4,100 kyr) located at the same elevation and climate in areas
dominated by native

Metrosideros polymorpha

trees and

Cibotium

tree ferns (Table 1)

3,4

. The soils formed from volcanic ash overlying

either lava or a lava-ash mixture. Soil organic carbon and radiocarbon

100

80

60

40

20

0

0

10

20

30

40

50

Soil carbon (%)

0.3 kyr

2.1 kyr

20 kyr

150 kyr

1,400 kyr

4,100 kyr

Substrate age

100

80

60

40

20

0

-1,000

-600

-200

200

No decay

1,000 yr

27,000 yr

170,000 yr

27,000 yr

37,000 yr

Turnover time

of deepest

horizon

Depth (cm)

∆

14

C of SOM (

‰

  

Depth (cm)

a

b

)

Figure 1

Chronosequences:

a

, carbon in soil organic matter (SOM) versus depth;

b

,

D

14

C of soil organic matter versus depth. Key for both panels in

a

. The depth

shown is the midpoint of each horizon. See Methods for details of analysis and

modelling. For the four youngest sites, modelled SOM turnover items are slow

relative to substrate age. They indicate that the soils are not at steady state and

are still accumulating C. At 300 yr, carbon and

14

C content were best explained by

assuming a constant C accumulation rate and infinitely slow turnover (the C

stabilized on minerals had effectively no turnover over 300 yr). The best fit for the

150-kyr site, assuming constant C inputs, was turnover of 175,000 yr. (The

precipitation gradient site with similar age, climate, and vegetation, Kohala-L, had

comparably depleted SOM; see Fig. 3.) If we model the same data assuming that

C ceased accumulating at the 150-kyr site tens of thousands of years ago, the

calculated turnover time is closer to 50,000 yr. The two oldest sites, with SOM

turnover much less than substrate age, can be assumed to be at steady state. The

third horizon (Bhs) at Kauai is a plinthite (stable iron oxide) layer with sharply

depleted radiocarbon content.

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Nature © Macmillan Publishers Ltd 1997

letters to nature

NATURE

|

VOL 389

|

11 SEPTEMBER 1997

171

content were measured by horizon down to the depth at which
relatively unweathered parent material was encountered (Table 1).
Soil depth remained nearly constant to 1 Myr, as a result of soil
collapse due to congruent dissolution of minerals. At the 4,100-kyr
site, however, the weathered lava extended

.

3 m deep. Between 1.2

and 1.3 m, organic content fell by nearly 100-fold to 0.01%, and we
stopped sampling at 1.5 m.

At all sites, carbon (C) content declined with depth, with the

steepest decline from the surface to 20–30 cm depth (Fig. 1a).
Nevertheless, a significant fraction of each site’s soil organic
matter (SOM) was below 20 cm, ranging from 33% at the two
youngest sites to 70% at the two intermediate-aged sites.

Radiocarbon content decreased with depth at all sites, with slope

depending on soil age (Fig. 2)

5–7

. To estimate average turnover time

of SOM (the reciprocal of the decomposition rate), we used

14

C/

12

C

ratios to constrain a non-equilibrium model of carbon stocks and
flows (see Methods). The surface horizons were dominated by fast-
cycling organic matter, shown by positive (‘bomb’)

D

14

C values

(Fig. 1b, Fig. 2b). In the subsurface horizons, soil C was depleted in

14

C, yielding modelled turnover times slower than 10,000 yr at the

20-kyr, 1,400-kyr and 4,100-kyr sites, and slower than 20,000 yr at
the 150-kyr site (Fig. 1b). The mineral horizons were clearly
dominated by long-residence-time C, often referred to as the passive
fraction of SOM

1

. At the youngest site, radiocarbon content in the

lowest soil horizons was consistent with C accumulating at a
constant rate with virtually no turnover.

The total stock of organic C in soil increased with substrate age up

to 150 kyr, to 60 kg m

−

2

, and then decreased to 31 kg m

−

2

at the

oldest site (Fig. 2a). Carbon inventory in the surface horizons (O
and A horizons) reached its maximum at 20 kyr, and varied less with
age than did deep soil C. A similar pattern was observed in the top
50 cm of these soils, based on 10 replicate soil pits per soil age

4

. Most

of the carbon sequestered after the first few thousand years of soil
development accumulated below 20 cm, in the passive fraction.
Similarly, most of the organic C lost in later soil development was
from the subsurface soil.

The decline in the quantity of soil C stored on older substrates

could result from a decline in productivity and/or an increase in
turnover. Net primary productivity does peak at 150 kyr, but is only
15% less at 4,100 kyr (ref. 8)—too small a decrease to explain the
50% loss of soil C. The profile-integrated turnover rate, however,
doubles between 150 and 4,100 kyr. Most of the decrease in soil
organic C late in soil development therefore can be attributed to
faster turnover of passive C, rather than to a decrease in plant
productivity.

What controls these changes in the storage and turnover of soil

organic C? Volcanic soils undergo dramatic changes in mineral
composition as they develop. Young volcanic soils are characterized
by high organic content and an abundance of non-crystalline
minerals (allophane, imogolite and ferrihydrite), which are the
primary weathering products. These relatively amorphous minerals
have a high degree of hydration, extensive surface area, and variable
charge

9,10

. As a result, they can form stable organic–mineral bonds

through anion and inner-sphere ligand-exchange reactions, and
their geometry may be well suited for physically protecting organic
matter

2,11

. Non-crystalline minerals are metastable. Given enough

0

20

40

60

0.1

1

10

100

1,000 5,000

-800

-400

0

400

0.1

1

10

100

1,000

5,000

0

250

500

0.1

1

10

100

1,000

5,000

0

250

500

0.1

1

10

100

1,000

5,000

Substrate age (kyr)

∆

 

14

C of SOM (

‰

Soil or

g

anic C (k

g m

–2

)

Non-crystalline

miner

als (k

g m

–2

)

Crystalline

miner

als (k

g m

–2

)

a

b

c

d

)

Figure 2

Soil inventory of carbon in soil organic matter (SOM;

a

),

D

14

C of SOM (

b

),

non-crystalline minerals (

c

), and crystalline minerals (

d

) versus age of soil

substrate. Filled circles, total profile; filled triangles, surface (O and A) horizons.

See Methods for details of soil inventory determinations.

0

5

10

15

20

21

0

15

30

45

60

Non-crystalline minerals (%)

R

2

 = 0.45

-1,000

-800

-600

-400

-200

0

200

0

15

30

45

60

75

R

2

 = 0.63

excluding 4,100 kyr site

Non-crystalline minerals (%)

∆

 

14

C of SOM (

‰

Soil carbon (%)

a

b

)

Figure 3

The quantity and turnover of soil C versus non-crystalline mineral

content for the six chronosequence sites.

a

, Soil C versus non-crystalline content

of mineral horizons (that is, excluding O and A horizons) from the chronose-

quence sites.

R

2

¼

0

:

44,

n

¼

35. Plotting symbols as in Fig.1a.

b

,

D

14

C versus non-

crystalline content of all horizons from the chronosequence sites. The solid line

shows the regression between mineral abundance and

D

14

C with chrono-

sequence

data,

excluding

4,100-kyr

site;

R

2

¼

0

:

62,

n

¼

39;

model:

D

14

C

¼

184

2

20 (noncrystalline %). The dashed line shows the regression for

the soil-age and precipitation gradients combined (precipitation gradient

n

¼

16,

described in Table 1); model:

D

14

C

¼

119

2

17 (noncrystalline %);

R

2

¼

0

:

63 for

data from all sites except 4,100 kyr,

n

¼

55. Plotting symbols for chronosequence

data as in Fig. 1a; symbols for precipitation gradient data are

L

, 150 kyr, and

W

,

400 kyr.

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Nature © Macmillan Publishers Ltd 1997

letters to nature

172

NATURE

|

VOL 389

|

11 SEPTEMBER 1997

time, they dehydrate to crystalline clays, including halloysite,
kaolinite, gibbsite, goethite and haematite

10,12

, that have a lower

surface area and charge density, and consequently a lower affinity
for SOM.

Mineral composition varied substantially with site age along the

chronosequence. The amount of non-crystalline minerals increased
up to 150 kyr and then declined with greater age (Fig. 2c). In
contrast, the amount of crystalline minerals remained low until
150 kyr, then increased steeply between 1,400 and 4,100 kyr (Fig.
2d), tracking the transition from Andisol to Oxisol.

We found that the abundance of non-crystalline minerals

accounted for

.

40% of the variation in organic C content across

all the mineral horizons, substrate ages, and soil orders (excluding
the O and A horizons dominated by fast-cycling plant litter; Fig. 3a).
Non-crystalline minerals also strongly influenced turnover of SOM.
Organic-matter

D

14

C was highly and negatively correlated with

abundance of non-crystalline mineral (

R

2

¼

0

:

62) except in the

oldest site, which had

,

10% non-crystalline content (Fig. 3b). In

contrast, there was no discernible correlation between the abun-
dance of crystalline minerals and C content or turnover across sites.
The amount of C stabilized per gram was much greater for non-
crystalline than for crystalline minerals.

Can this relationship between non-crystalline minerals and

organic C be used to predict turnover at other sites? To test this,
we analysed soil samples from a precipitation gradient of eight sites
formed on volcanic soils on the Island of Hawaii. Due to the effects
of climate on weathering processes, the six drier sites of this gradient
differed substantially in soil development and mineral composition
from the chronosequence soils. The amount of non-crystalline
minerals increased with precipitation across the precipitation gra-
dient (data not shown). We sampled 16 horizons (Table 1) and
found that the relationship between non-crystalline minerals and

D

14

C along the precipitation gradient was nearly identical to that

along the chronosequence (Fig. 3b). A linear regression from the
chronosequence accounted for 46% of the variance in

D

14

C on the

precipitation gradient; a regression with the two data sets combined
(

n

¼

55) yielded a coefficient of determination

R

2

¼

0

:

63 (Fig. 3b).

We conclude that the ability of these soils to retain C is due to the
capacity of non-crystalline minerals to stabilize large quantities of
organic C for thousands of years.

The mechanisms identified here may be generalizable to many

soils of humid environments, where weathering initially produces
metastable, reactive minerals that later transform to stable, less-
reactive products. In such environments common parent materials—
such as granite, siltstone, sandstone and basalt—that contain
feldspar, olivine, pyroxene or glass initially weather to non-crystalline
minerals. In addition, in cool, wet environments, pedogenic
processes create spodic horizons which have high concentrations
of non-crystalline minerals and organic matter, on a wide variety of
coarse-textured parent materials. In both cases, the non-crystalline
minerals transform over time to weakly reactive crystalline kaolin
and sesquioxide minerals

13

that have a much lower capacity to

stabilize C.

The weathering of other common minerals follows a similar

sequence of reactivity in humid environments. Biotite and musco-
vite micas initially weather to 2 : 1 clays such as vermiculite and
smectite; these in turn weather to kaolin (1 : 1 clay) and gibbsite with
large losses of mineral surface area and reactivity. These changes are
not as large as those observed in volcanic soils (Fig. 3)—globally, as
well as on our chronosequence, Andisols contain twice as much
organic soil C per m

2

as do Oxisols or any other soil order except

Histosols

14

—but the pattern of change in C storage and turnover

should be similar in kind to that shown here

15

. As mineral stability

increases over time, soil minerals lose capacity to stabilize SOM.

These results allow prediction of the direction and magnitude of

C fluxes caused by mineralogical changes associated with millennial
timescales of soil development. For example,

,

25% of the world’s

SOM is stored in soils that began developing after the last major
deglaciation

16,17

; the capacity of the mineral soils to store C will

change as they undergo further development, and they may even-
tually become long-term sources of atmospheric CO

2

.

Among the big uncertainties in our understanding of the global

carbon cycle are the current distribution of soil organic C, and how
much of this large reservoir of C exchanges with the atmosphere on
centennial and shorter timescales compared with millennial time-
scales. An understanding of mineral control over SOM storage and
turnover can improve our ability to model terrestrial carbon
cycling. In addition to the influence on long-term storage and
turnover shown here, C stabilization by non-crystalline minerals
also influences nutrient availability

9

and decomposition of labile

Table 1 Site descriptions

Site

Age of parent

material (yr)

Soil order

Elev.

(m)

Mean annual

temp. (

8

C)

Mean annual

precip. (mm)

Dominant vegetation

Horizons

Depth

(cm)

...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Chronosequence sites

...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Thurston

300

Inceptisol

1,176

16

2,500

Metrosideros

forest

Oe-4Bwb

0–38

Olaa

2,100

Inceptisol

1,200

16

2,500

Metrosideros

forest

Oe-C3

0–64

Laupahoehoe

20,000

Andisol

1,170

16

2,500

Metrosideros

forest

Oe-2CR

0–110

Kohala

150,000

Andisol

1,122

16

2,500

Metrosideros

forest

Oe-4CR1

0–98

Kolekole

1,400,000

Ultisol

1,210

16

2,500

Metrosideros

forest

Oa-CR2

0–100

Kokee

4,100,000

Oxisol

1,134

16

2,500

Metrosideros

forest

Oe-Crg

0–125

...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Precipitation gradient sites

...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Kohala-A

170,000

Andisol

77

23

160

Bufflegrass pasture

(

Cenchrus ciliaris

)

Bw3

69–104

Kohala-B

170,000

Mollisol

185

23

180

Bufflegrass pasture

Bw2

37–65

Kohala-D

170,000

Andisol

356

22

220

Bufflegrass pasture

Cr1

70–113

Kohala-E

170,000

Andisol

674

20

570

Bufflegrass pasture

Bw3

44–62

BC1

62–85

Kohala-H

170,000

Andisol

992

18

1,060

Kikuyu pasture

Bw2

36–52

(

Pennisetum clandestinum

)

Bw3

52–71

Kohala-J

170,000

Andisol

1,158

18

1,380

Kikuyu pasture

Bw2

47–67

Bw3

67–92

Kohala-L

170,000

Andisol

1,254

17

3,000

Metrosideros

forest

Bw1

25–40

Bw2

40–56

Cr1

56–73

Amalu

400,000

Andisol

1,494

14

2,000

Metrosideros

forest

2Bw1

25–31

2Bw2

31–46

2Bw3

46–62

2Bw4

62–80

...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

All the sites were located on the Island of Hawaii, except the 1,400-kyr (Kolekole, Molokai) and 4,100-kyr (Kokee, Kauai) chronosequence sites, and were on undissected shield surfaces or
broad ridge tops.

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Nature © Macmillan Publishers Ltd 1997

letters to nature

NATURE

|

VOL 389

|

11 SEPTEMBER 1997

173

substrates

18

in surface soils. Ecosystem models at present represent

the mineral soil environment with a soil-texture parametrization
which is used to partition flows of organic C into fast- and slow-
cycling pools

19,20

. We suggest that these models should include soil

mineralogy as well as texture in determining storage and turnover
times, based on the varying influence of different minerals

18

. Soil

mineral composition can be estimated from soil maps tied to soil
classification schemes, which reflect climate, parent material and
developmental stage of soil.

Our results show that across landscapes and over long timescales,

the largest changes in the quantity and turnover of soil organic
carbon may be due to variation in passive (mineral-stabilized)
carbon deep in the soil. Passive carbon pools in turn are controlled
by soil mineralogy, which exerts an influence on soil carbon storage
of the same magnitude as that attributed to climate or vegetation in
other studies

21–24

. The predictability of soil mineralogy, as it varies

spatially as a function of climate and parent material and temporally
as a function of soil development

25,26

, means that an understanding

of how minerals influence soil carbon dynamics should yield
significant improvements to our understanding of the role of soils
in the global carbon cycle.

M

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Methods

Carbon analysis and turnover calculation.

Soils for carbon analysis were

oven-dried at 110

8

C for 48 h, sieved (2 mm), ground, and analysed with a Carlo

Erba NA1500 autoanalyser. Radiocarbon content of SOM, measured by
Accelerator Mass Spectrometry at Lawrence Livermore National Laboratory on
targets prepared by sealed-tube, zinc reduction

27

, is expressed as

D

14

C, calcu-

lated as (

R

2

1)1,000.

R

, or fraction modern, is the per mil deviation from

14

C/

12

C ratio of oxalic acid in 1950

28

. Analytical error averaged 8‰ for values

close to modern. Carbonate was removed from Kohala B soils with dilute HCl
before radiocarbon analysis. Fast-cycling C (turnover time, years–century) has
positive

D

14

C because it has incorporated a significant proportion of the

14

C

that was released by atmospheric nuclear weapons testing from 1959 to 1963

5

.

Before weapons testing, atmospheric

D

14

C was approximately zero. Slow-

cycling C (turnover centuries–millennia) has negative

D

14

C owing to extensive

radioactive decay relative to

14

C inputs from more recently photosynthesized

organic material. We used a non-steady-state model to estimate turnover from
our measurements of C and radiocarbon content, and substrate age. Carbon
accumulation was modelled as

C

ð

t

Þ ¼

IT

ð

1

2

e

2

t

=

T

Þ

; radiocarbon content of

SOM was modelled as

R

SOM

ð

t

Þ ¼ ½

R

atm

ð

1

2

e

2

ð

l

þ

1

=

T

Þ

t

ÿ

=

½ð

1

þ

T

l

Þð

1

2

e

2

t

=

T

Þÿ

,

where

T

is turnover time,

C

0

¼

0,

I

is the annual C input to soil,

R

atm

is

fraction modern of the atmosphere, assumed equal to that of plant C input to
soil,

l

is half-life of

14

C (5,568 yr) and

t

is years of soil development. We assume

that C loss due to erosion is negligible relative to the rate of decomposition.

Soil inventory determination.

The C inventory is the sum of [(% C)(bulk

density)thickness] for each horizon. An analogous formula was used for
inventory of the mineral groups. The profile-total radiocarbon content is the
sum of [

R

(% C)(bulk density)thickness] for each horizon divided by total C

content of the profile, where

R

is fraction modern, defined above. Bulk density

of wax-coated clods was determined by displacement

4

. Soils for mineral

analysis were air-dried, sieved (

,

2 mm), ground and subject to sequential

extractions, with mass balance at each step, before analysis of Al, Fe, Si, and
mineral structure

29

. Organic matter was removed with hydrogen peroxide and

acetate. Non-crystalline mineral content was estimated by ammonium oxalate
dark extraction

30

. Crystalline sesquioxides and kaolin were extracted with

citrate dithionite

31

and NaOH

29

, respectively. These operationally defined

mineral fractions are expressed on a total-soil basis (including soil organic
matter). Mineral structures were identified by X-ray diffraction and Fourier-
transform infrared spectroscopy. Coarse fraction was negligible in the chrono-
sequence soils. To quantify collapse of the soil during weathering, zirconium
was used as a conservative element.

Received 30 December 1996; accepted 30 June 1997.

1. Schimel, D. S.

et al

. Climatic, edaphic, and biotic controls over storage and turnover of carbon in soils.

Glob. Biogeochem. Cycles

8,

279–294 (1994).

2. Oades, J. M. The retention of organic matter in soils.

Biogeochemistry

5,

35–70 (1994).

3. Vitousek, P. M., Turner, D. R. & Kitayama, K. Foliar nutrients during long soil development in

Hawaiian montane rain forest.

Ecology

76,

712–720 (1995).

4. Crews, T. E.

et al

. Changes in soil phosphorus fractions and ecosystem dynamics across a long

chronosequence in Hawaii.

Ecology

76,

1407–1424 (1995).

5. Goh, K. M., Rafter, T. A., Stout, J. D. & Walker, T. W. The accumulation of soil organic matter and its

carbon isotope content in a chronosequence of soils developed on aeolian sand in New Zealand.

J. Soil

Sci.

27,

89–100 (1976).

6. Scharpenseel, H. W. & Becker-Heidmann, P. Twenty-five years of radiocarbon dating soils: paradigm

of erring and learning.

Radiocarbon

34,

541–549 (1992).

7. Wang, Y., Amundson, R. & Trumbore, S. A model for soil

14

CO

2

and its implications for using

14

C to

date pedogenic carbonate.

Geochim. Cosmochim. Acta

58,

393–399 (1994).

8. Herbert, D. Primary productivity and resource use in

Metrosideros polymorpha

forest as influenced by

nutrient availability and hurricane Iniki. Thesis, Univ. Hawaii, Manoa (1995).

9. Jackman, R. H. Accumulation of organic matter in some New Zealand soils under permanent pasture.

II. Rates of mineralization of organic matter and the supply of available nutrients.

NZ J. Agric. Res.

7,

472–479 (1964).

10. Wada, K. in

Minerals in Soil Environments

(eds Dixon, J. B. & Weed, S. B.) 283–304 (Soil Sci. Soc. Am.,

Madison, 1986).

11. Martin, J. P. & Haider, K. in

Interactions of Soil Minerals with Natural Organics and Microbes

(eds

Huang, P. M. & Schnitzer, M.) 283–304 (Soil Sci. Soc. Am., Madison, 1986).

12. Schwertmann, U. & Taylor, R. M. in

Minerals in Soil Environments

(eds Dixon, J. B. & Weed, S. B.)

379–438 (Soil Sci. Soc. Am., Madison, 1989).

13. Allen, B. L. & Hajek, B. F. in

Minerals in Soil Environments

(eds Dixon, J. B. & Weed, S. B.) 199–278

(Soil Sci. Soc. Am., Madison, 1989).

14. Post, W. M. in

The Global Carbon Cycle

(ed. Heimann, M.) 277–302 (Springer, Berlin, 1983).

15. Kononova, M. M. in

Soil Components

Vol. 1

, Organic Components

(ed. Gieseking, J. S.) 475–520

(Springer, New York, 1975).

16. Schlesinger, W. H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soils.

Nature

348,

232–234 (1990).

17. Harden, J. W., Sundquist, E. T., Stallard, R. F. & Mark, R. K. Dynamics of soil carbon during

deglaciation of the Laurentide ice sheet.

Science

258,

1921–1924 (1992).

18. Saggar, S., Tate, K. R., Feltham, C. W., Childs, C. W. & Parshotam, A. Carbon turnover in a range of

allophanic soils amended with 14C-labelled glucose.

Soil Biol. Biochem.

26,

1263–1271 (1994).

19. Jenkinson, D. S. & Raynor, J. H. The turnover of soil organic matter in some of the Rothemsted

classical experiments.

Soil Sci.

123,

298–305 (1977).

20. Parton, W. J., Schimel, D. S., Cole, C. V. & Ojima, D. S. Analysis of factors controlling soil organic

matter levels in Great Plains grasslands.

Soil Sci. Soc. Am. J.

51,

1173–1179 (1987).

21. Townsend, A. R., Vitousek, P. M. & Trumbore, S. E. Soil organic matter dynamics along gradients in

temperature and land-use.

Ecology

76,

721–733 (1995).

22. Trumbore, S. E., Chadwick, O. A. & Amundson, R. Rapid exchange between soil carbon and

atmospheric carbon dioxide driven by temperature change.

Science

272,

393–396 (1996).

23. Eswaren, H., Berg, E. V. D. & Reich, P. Organic carbon in soils of the world.

Soil Sci. Soc. Am. J.

57,

192–

194 (1993).

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

Nature

298,

156–159 (1982).

25. Jenny, H.

Factors of Soil Formation

(McGraw-Hill, New York, 1941).

26. Hudson, B. D. The soil survey as paradigm-based science.

Soil Sci. Soc. Am. J.

56,

836–841 (1992).

27. Vogel, J. S. A rapid method for preparation of biomedical targets for AMS.

Radiocarbon

34,

344–350

(1992).

28. Stuiver, M. & Polach, H. Reporting of

14

C data.

Radiocarbon

19,

355–363 (1977).

29. Jackson, M. L., Lim, C. H. & Zelazny, L. W. in

Methods of Soil Analysis. Part 1; Physical and

Mineralogical Properties

(ed. Klute, A.) 102–149 (Am. Soc. Agronomy: Soil Sci. Soc. Am. Madison, 1986).

30. Parfitt, R. L. & Henmi, T. Comparison of an oxalate extraction method and an infrared spectroscopic

method for determining allophane in soil clays.

Soil Sci. Plant Nutr.

28,

183–190 (1982).

31. McKeague, J. A. & Day, J. H. Dithionite- and oxalate-extractable Fe and Al as aids in differentiating

various classes of soils.

Can. J. Soil Sci.

46,

13–22 (1966).

Acknowledgements.

We thank S. Zheng and T. Crews for technical assistance; Lawrence Livermore

National Laboratory’s Center for Accelerator Mass Spectrometry for radiocarbon analysis; The Nature
Conservancy, US National Park Service, Parker Ranch, Kahua Ranch, Hawaii Division of Forestry and
Wildlife, Hawaii Division of State Parks, and the Joseph Souza Center for access to field sites; and
E. Davidson, J. Gaudinski and J. Harden for comments on the manuscript. This work was supported by
National Science Foundation, Mellon Foundation, Joan Irvine Trust, and Jet Propulsion Lab-California
Institute of Technology on contract to NASA.

Correspondence should be addressed to M.S.T. (e-mail: torn@ess1.ps.uci.edu).

Eclogite xenoliths in west
African kimberlites as
residues from Archaean
granitoid crust formation

Hugh Rollinson

Department of Geography and Geology, Cheltenham and Gloucester College of
Higher Education, Francis Close Hall, Swindon Road, Cheltenham GL53 0BL, UK

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Eclogites are a comparatively rare but petrologically important
member of kimberlite xenolith suites. Their broadly basaltic
chemistry has led many authors to propose that they represent
ancient, subducted ocean crust

1–3

. Recent studies

4–6

, however, have

suggested an alternative origin and propose that kimberlitic
eclogites are residues from the process of Archaean granitoid
crust formation. Geochemical arguments in support of this new


Document Outline