Back to report · Publisher record

Villela et al. (2026). Soil carbon debt from land use change in Brazil

Page 1

Figures and page graphics, page 1

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

https://doi.org/10.1038/s41467-026-68340-4

Received: 16 January 2025
Accepted: 30 December 2025

Cite this article as: Villela, J.M.,

Damian, J.M., Gonçalves, D.R. 

et al.

Soil carbon debt from land use

change in Brazil. 

Nat Commun (2026).

https://doi.org/10.1038/

s41467-026-68340-4

João M. Villela, Júnior M. Damian, Daniel R. P. Gonçalves, Luis G. Barioni, Maurício R.

Cherubin & Carlos E. P. Cerri

We are providing an unedited version of this manuscript to give early access to its
findings. Before final publication, the manuscript will undergo further editing. Please
note there may be errors present which affect the content, and all legal disclaimers
apply.

If this paper is publishing under a Transparent Peer Review model then Peer

Review reports will publish with the final article.

© The Author(s) 2026. Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing,
adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source,
provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included
in the article's Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article's Creative
Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission
directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit 

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

.

Nature Communications

Article in Press

Soil carbon debt from land use change in Brazil

Page 2

Figures and page graphics, page 2

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

Soil carbon debt from land use change in Brazil 

João  M.  Villela

1

,  Júnior  M.  Damian

2

,  Daniel  R.  P.  Gonçalves

3

,  Luis  G.  Barioni

2

,  Maurício  R. 

Cherubin

1,4

 & Carlos E. P. Cerri

1,4

* 

1

Department of Soil Science, Luiz de Queiroz College of Agriculture,  University of São Paulo, 

Av. Pádua Dias, 11, Piracicaba, São Paulo, 13418-260, Brazil.  

2

Embrapa  Digital  Agriculture,  Av.  Dr.  André  Tosello,  209,  Campinas,  São  Paulo,13083-886, 

Brazil. 

3

Graduate  Program  in  Agronomy,  State  University  of  Ponta  Grossa,  Av.  General  Carlos 

Cavalcanti, 4748, Ponta Grossa, Paraná, 84030-900, Brazil. 

4

Center  for  Carbon  Research  in  Tropical  Agriculture  (CCARBON),  University  of  São  Paulo, 

Avenida Pádua Dias, 11, Piracicaba, São Paulo, 13418-900, Brazil. 

*

Corresponding author: cepcerri@usp.br 

 
Abstract: 

 

 
Carbon farming is a fundamental strategy for mitigating climate change. Brazil, with 276 million 
hectares of agricultural land, has strong potential to lead this agenda, but uncertainty  about soil 
carbon (C) debt hinders understanding of its true mitigation capacity. Here, we estimate the soil 
carbon gap, the difference between soil organic carbon (SOC) stocks under native vegetation and 
agricultural  land  across  Brazil’s  six  biomes,  which  represents  the  theoretical  potential  for  soil 
recarbonization. A meta-analysis using a comprehensive national SOC database (4,290 records, 
0–30  cm)  is  used  to  estimate  an  overall  carbon  debt  of  1.40  ±  0.1  Pg  C.  The  results  show  that 
sustainable  practices  such  as  crop rotation,  intercropping,  no-tillage,  and  integrated  agricultural 
systems  enhance  SOC  recovery.  These  findings  highlight  Brazil’s  capacity  to  drive  global 
emissions  mitigation,  guide  low-carbon  policies,  and  position  the  country  as  a  key  actor  in  the 
emerging global carbon market. 
 

Introduction 

 

Quantifying  the  soil  carbon  (C)  gap  resulting  from  land-use  change  is  fundamental  for 

understanding  the  magnitude  of  human-induced  depletion  and  the  potential  for  soil  carbon 

recovery 

1,2

.  Beyond  defining  static  baselines,  the  carbon  gap  framework  provides  a  dynamic 

indicator of how far land-use systems have diverged from their natural equilibrium and how much 

carbon can be  regained through restoration or  improved  management

3–6

.  By integrating current 

soil  organic  carbon  (SOC)  stocks  and  their  potential  under  reference  conditions,  this  approach 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

reveals  spatial  patterns  of  carbon  resilience  across  biomes,  linking  soil  processes  to  land-use 

history and management intensity

7,8

. 

In the context of Brazil’s Nationally Determined Contributions (NDCs, 2024) under the 

Paris  Agreement,  which  target  a  59–67%  reduction  in  greenhouse-gas  emissions  by  2035  and 

carbon neutrality by 2050

9

, the carbon gap concept offers a practical basis for climate mitigation 

and sustainable agriculture. Agriculture, responsible for about 24-35%

10,11

 of national emissions, 

plays a dual role as both a source and a sink of carbon. Assessing the soil carbon gap supports 

national low-carbon programs such as the ABC⁺ Programme (now RenovAgro), informs the design 

of  credible  soil-based  carbon  credits,  and  identifies  priority  regions  for  sequestration  and 

restoration, serving as a practical basis for evaluating and improving the Agriculture and Land Use 

Change  initiatives 

12–14

.  As  such,  it  bridges  scientific  evidence,  policy  targets,  and  market 

mechanisms to promote soil-centered climate action at scale. 

In this study, we compiled a comprehensive database of 4,290 SOC

stocks

 spanning Brazil’s 

major biomes (Amazon, Caatinga, Cerrado, Atlantic Forest, Pampa, and Pantanal) to establish a 

consistent baseline of SOC

stocks

 in native and agricultural areas, at depths of 0–10, 0–20, 0–30, and 

0–100 cm. A total of 1,247 paired observations of native vegetation (NV) and agricultural systems 

(AGR) were analyzed to quantify the carbon gap and estimate the theoretical soil recarbonization 

potential for the 0–30 cm layer, where most management-induced changes occur. We assessed the 

variability of SOC

stocks

 across biomes and the effects of land-use conversion (NV to AGR), taking 

into  account  the  main  soil  and  climate  classes,  as  well  as  the  age  of  agricultural  systems. 

Furthermore, we assessed the influence of different management intensity  levels by  classifying 

management systems into three hierarchical levels encompassing five categories: (i) single-crop 

systems (annual crops, perennials, or grassland); (ii) two-crop systems (rotations or intercropping); 

and (iii) multi-crop systems (integrated agricultural systems). 

 

Results and Discussion 

SOC

stocks

 baseline of native vegetation and agriculture in Brazilian biomes 

 

The Atlantic Forest (rainforest) presented the highest average values of SOC

stocks

 under NV 

and  AGR  in  the  four  layers  analyzed  (0–10,  0–20,  0–30  and  0–100  cm),  whereas  the  lowest 

SOC

stocks

 were found in the Pantanal (tropical wetland) and Caatinga (dryland forest) biomes (Fig. 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

1, Supplementary Tables S1-3, Data1). In the 0–10 cm layer, the Atlantic Forest's NV SOC

stocks

 

were higher (

p

<0.001) than those of the Caatinga (86%) and Cerrado (savannah) (36%), while its 

value under AGR surpassed the Pantanal’s and Caatinga’s by 154% and 62%, respectively. In the 

subsequent layer, the SOC

stocks

 under NV in the Atlantic Forest were 42–107% greater (

p

<0.001) 

than in the Caatinga, Pantanal, Amazon (rainforest), and Pampa (native grassland), while under 

AGR, they exceeded these biomes’ stocks by 12–188%. The measures in the Atlantic Forest under 

AGR were also larger (10-108%) than in the aforementioned biomes in the 0–30 cm layer, while 

under NV, they were greater by 29-116%, except in the Pampa. In the 0–100 cm layer, the Atlantic 

Forest presented higher SOC

stocks

 than the Amazon and Caatinga, both under NV (79-88%) and 

AGR (54-63%).  

 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

 

 

 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

The SOC

stocks

 in the Cerrado were also larger (

p

<0.001) than those in the Caatinga in the 

first three layers under NV (34-60%) and in all layers under AGR (47-86%). The biome exhibited 

greater SOC

stocks

 (

p

<0.001) than the Pantanal in the first three layers under AGR, with a difference 

range of 90-157%, and then the Amazon in the last three, with a range of 18-44%. The levels were 

also higher (

p

<0.001) than those of the Pampa (17%) in the AGR 0–20 cm layer and of the Amazon 

in the AGR 0–30 cm (18%). 

The Pampa and the Amazon biomes’ SOC

stocks

 also presented differences (

p

<0.001) from 

values for the Caatinga under AGR's first three layers (45-68%) and from the Pampa under NV’s 

0–10 cm layer (59%).  The SOC

stocks

 in both biomes also exceeded (

p

 < 0.001) those in the Pantanal 

in the 0–10 and 0–20 cm layers under AGR by 90–131%. Finally, the SOC

stocks

 under AGR were 

52% and 62% higher (

p

<0.001) in the 0–100 cm layer in the Pampa than those in the Amazon and 

Caatinga, respectively. 

The  climate  is  an  important  factor  controlling  SOC  storage  at  regional  scales,  in  which 

precipitation and temperature influence plant growth, the input of organic material, and its rate of 

decomposition  and  mineralization

15,16,17

.We  identified  a  reduction  in  SOC

stocks

  with  increasing 

temperature,  corroborating  previous  studies

18,19

.  Brazil  is  covered  by  three  climate  zones 

(Köppen’s climate classification): Tropical (A), Humid Subtropical (C), and Dry (B), distributed 

across 81%, 14%, and 5% of the territory, respectively

20

. Our results confirmed higher SOC

stocks

 

in more humid and cold regions (i.e., Humid Subtropical>Tropical>Dry) (Supplementary Tables 

S4-5; Supplementary Fig. S1). The differences (

p

<0.05) in layers 0–10, 0–20 and 0–30 cm between 

SOC

stocks

 of the Humid Subtropical and Dry zones were 70-91% (NV) and 58-168% (AGR), while 

between Tropical and Dry, they were 31-62% (NV) and 50-131% (AGR) (Supplementary Tables 

S6-9), and between Subtropical and Tropical, they were 17-40% (NV) and 12-16% (AGR). More 

specifically,  SOC

stocks

  under  NV  and  AGR  in  most  soil  layers  of  the  biomes  occurred  in  the 

following  climatic  order:  Tropical  rainforest-Af,  Temperate

  (

no  dry  season/warm  summer

)

-Cfb 

and  Temperate  (dry  winter/warm  summer)-Cwb  >  Temperate  (dry  winter/hot  summer)-Cwa, 

Temperate (no dry season/hot summer)-Cfa, Tropical Monsoon-Am, Tropical Savannah (summer 

rain)-Aw, Tropical Savannah (winter rain)-As > Arid (steppe/ hot)-BSh (Supplementary Tables 

S10,11). 

In addition to climatic effects, variations in soil bulk density (BD) further influenced SOC 

distribution  across  biomes  and  land  uses  (Supplementary  Fig.  S3).  Under  NV,  BD  reflected 

Page 7

Figures and page graphics, page 7

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

intrinsic soil-forming processes, including mineralogy, clay content, and pedogenic development. 

The lowest BD values were observed in Amazon and Atlantic Forest soils (1.05–1.25 Mg m⁻³), 

whereas higher values occurred in the Pampa and Caatinga (1.25–1.45 Mg m⁻³). After agricultural 

conversion,  BD  increased  across  all  biomes,  indicating  compaction  and  structural  loss.  These 

changes  were  closely  associated  with  the  magnitude  of  SOC

stocks

  reductions,  highlighting  the 

interaction between physical degradation and carbon depletion. 

Across all evaluated biomes, SOC

stocks

 under NV and AGR in topsoil (0–10, 0–20, and 0–

30 cm layers) for the five main soil classes decrease in this order: Inceptisol > Oxisol > Ultisol > 

Entisol  >  Alfisol  (see  Supplementary  Tables  S12  and  13,  Supplementary  Fig.  S2).  Under  NV, 

SOC

stocks

 in the first three Inceptisol soil layers were 58–142% higher (

p

<0.05) than in Alfisol and 

44-127%  higher  than  Entisol,  while  under  AGR,  the  differences  were  53-94%  and  100-130%, 

respectively.  When  comparing  the  stocks  in  Inceptisol  with  the  ones  in  Ultisol,  there  was  less 

variation, which averaged 47% in the first two layers under NV and 43% in the topsoil under AGR. 

Finally, Inceptisol SOC

stocks 

were, on average, 16% greater than Oxisol SOC

stocks

 in the 0–10 and 

0–30 cm layers. 

The SOC

stocks

 of Oxisol also exceeded those of Entisol by 23-83% in the topsoil under NV 

and  by  72-106%  under  AGR.  Relative  to  Alfisol,  Oxisol  SOC

stocks

  were  31-67%  higher  in  the 

topsoil under AGR and, on average, 85% in the 0–20 and 0–30 cm layers under NV. Compared to 

Ultisol, Oxisol SOC

stocks

 in the topsoil were, on average, 25% higher under AGR and 17-30% in 

the 0–20 and 0–30 cm layers under NV. Ultisol was 40% higher than Entisol in the 0–30 cm layer 

under NV and 19-55% higher in the topsoil under AGR. 

The highest SOC

stocks

 observed in Inceptisol are due to the formation of histic O or humic 

A horizons with high accumulation of organic matter, which occur in environments with rugged 

relief and low temperatures throughout the year

21,22

. The high SOC

stocks

 in Oxisol can be explained 

by the high stability of aggregates, influenced by the strong association of SOC with Fe and Al 

sesquioxides.  Organo-mineral  interaction  is  the  main  driver  of  carbon  stabilization  in  Brazilian 

tropical soils

23

. The lower SOC

stocks

 observed in Alfisol can be associated with two major drivers: 

i) lower annual carbon inputs by the Caatinga forest and agriculture in Brazilian drylands, and ii) 

sandy  texture,  which  reduces  carbon  protection  and  stabilization,  favoring  carbon  losses  by 

mineralization and erosion processes 

24,25,26,27

. 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

Overall, the high proportion of areas with a subtropical climate, the presence of soils that 

favor carbon accumulation and high altitudes, as identified in our analysis (Supplementary Fig. 

S4ab,    Supplementary  Table  S14),  contributed  to  the  higher  SOC

stocks

 

observed  under  NV  and 

AGR areas within the Atlantic Forest biome, as was also observed in a previous study in this same 

biome

28

.  These  characteristics  reveal  the  large  mitigation  potential  in  the  biome,  already 

demonstrated  by  adopting  best  management  practices

29,30,31,32,33,34,35,36

.  Only  in  this  biome, 

approximately  20Mha

37

  of  pastures  are  classified  into  medium  and  low  vegetative  vigor, 

commonly termed “degraded”, available for recovery. In contrast, drier climates (semi-arid) and 

soils  highly  susceptible  to  erosion,  such  as  Alfisol  and  Entisol,  led  to  lower  SOC

stocks

  for  the 

Caatinga and Pantanal. 

In  the  Cerrado,  the  highland  tropical  climate  in  the  Central  Plateau  combined  with  the 

significant presence of Oxisol contributed to the high levels of SOC

stocks

 in the biome

27

. On the 

other  hand, in  the  Amazon,  despite presenting  high  rainfall rates,  high  temperatures  reduce  the 

SOC storage potential due to the increased mineralization rate

38

. However, studies of the Amazon 

have  shown  that  adequate  management  of  integrated  agricultural  systems

22,39

  and  improved 

grassland

40,41,42,43

 can generate accumulations equal to or greater than NV's. 

Despite the extensive database on SOC in native and agricultural areas, substantial gaps 

remain, particularly in the Pantanal, where only three studies are available and without any data 

for the 0–100 cm layer. Similarly, the Caatinga, Amazon, and Pampa show limited data coverage 

at deeper depths, and records of NV in the Pampa are absent. Future research should, therefore, 

prioritize  standardized  sampling  of  deeper  soil  layers  (0–100  cm)  and  long-term  monitoring, 

especially  in  underrepresented  regions,  such  as  the  Pantanal,  to  enhance  the  spatial 

representativeness of national SOC

stocks 

assessments.  

 
Soil carbon gap between native vegetation and agriculture  

 

Considering all biomes, the gaps between SOC

stocks

 under NV and AGR in the 0–10, 0–20, 

and 0–30 cm layers were respectively -4.4 Mg ha

-1

, confidence interval (CI): [-5.0, -3.8], - 6.9 Mg 

ha

-1

,  CI  [-7.7,  -6.1],  and  -5.1  Mg  ha

-1

,  CI  [-6.0,  -4.3]  (Fig.  2b;  Supplementary  Table  S15  and 

Data2). These results revealed that NV-to-AGR conversion resulted in the total loss of 1.4±0.1 Pg 

C in the 0–30 cm layer (Fig. 2c; Supplementary Table S16.), which is equivalent to an emission 

of 5.2 Pg CO

2

eq for the whole country’s agricultural area. Although the estimated value indicates 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

a substantial negative effect of land-use change on SOC

stocks

, it also highlights the large carbon 

sink  potential  and  presents  an  excellent  opportunity  to  recarbonize  agricultural  soils  in  Brazil. 

Accumulation potential across biomes varied widely, mainly due to the agricultural management 

practices,  but  also  to  the  size  of  the  gap  between  SOC

stocks

  of  NV  and  AGR,  to  the  amount  of 

agricultural land available, and to other variables, including biophysical characteristics, climate, 

soil class and mineralogy. About 72% of this potential is distributed among the Cerrado (0.53 Pg 

C)  and  Atlantic  Forest  (0.48  Pg  C)  biomes,  which  hold  the  largest  agricultural  areas  in  Brazil, 

respectively 93 Mha and 72 Mha (Fig. 2c, Supplementary Table S16). Approximately 23% of the 

total potential is in the Amazon (0.19 Pg C) and Caatinga (0.14 Pg C) biomes, which have the third 

and  fourth  largest  agricultural  areas  (67  and  33  Mha,  respectively).  The  lowest  potentials  were 

found in the Pampa (0.05 Pg C) and Pantanal (0.01 Pg C) biomes, which comprise only 5% of the 

total agricultural area. 

Gaps in SOC

stocks

 in biomes varied significantly (36-64% differences between maximum 

and minimum values). The Atlantic Forest presented the largest gaps in SOC

stocks

 in the three layers 

(0–10  cm:  -6.2  Mg  ha

-1

,  0–20  cm:  -7.6Mg ha

-1

,  and  0–30  cm:  -6.7  Mg  ha

-1

).  In  contrast,  the 

Amazon and Caatinga exhibited the smallest gaps in SOC

stocks

 in the three layers, with the lowest 

value in the 0–10 cm layer observed in the Caatinga (-2.2 Mg ha

-1

), and in the 0–10 and 0–30 cm 

layers  in  the  Amazon  (-3.7  Mg  ha

-1

  and  -2.8  Mg  ha

-1

,  respectively).  These  contrasting  patterns 

suggest that climatic and pedogenic factors strongly mediate the response of SOC

stocks

 to land-use 

conversion. 

To  explore  the  mechanisms  underlying  this  variability,  we  assessed  the  influence  of 

potential moderators (i.e., mean annual temperature, accumulated precipitation, and latitude) on 

the observed differences between soil layers and biomes. The explanatory power of the moderating 

variables ranged widely from 1% to 35% of the total heterogeneity across studies (Supplementary 

Table S17-22). Variability was investigated in more depth through subgroup analyses, considering 

climate  and  soil  classes,  system  conversion  age,  and,  at  a  more  detailed  level,  temperature  and 

precipitation classes in each biome. Based on the average values of the 0–10, 0–20, and 0–30 cm 

layers,  the  subtropical  climate  class  presented  the  greatest  reductions,  from  –11.8%  to  –22.7% 

(average = –17.2%), followed by the tropical climate, from –7.5% to –19.4% (average = –13%) 

(Supplementary  Table  S23).  The  arid  climate  showed  the  lowest  average  percentage  loss  in 

SOC

stocks

 (–11.7%) and lacked evidence of a significant effect. This result suggests that  NV-to-

Page 10

Figures and page graphics, page 10

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

AGR  conversion  does  not  substantially  alter  carbon  dynamics,  possibly  due  to  the small  initial 

difference between stocks under the two land uses.  

In  tropical  climate  regions,  the  Atlantic  Forest  showed  the  largest  losses  in  SOC

stocks

  (–

17.4%),  followed  by  the  Caatinga  and  Cerrado  (–12.3%),  then  the  Amazon  (–10.5%).  Under 

subtropical climates, similar losses were observed in the Atlantic Forest and Pampa (approximately 

–17.4%), while the Cerrado showed smaller reduction (- 9.8%). In Atlantic Forest areas under the 

classes Cfa, Cfb, Cwa, and Cwb, which represent approximately 66% of the biome area, losses 

ranged from -4.4 to -29% and under Aw, present in about 20% of the biome, ranged from -18.1 to 

-26%  (Supplementary  Tables  S24).  In  the  Cerrado,  losses  observed  under  the  Aw  class,  which 

covers  about  75%  of  the  biome,  were  smaller  (-10.4%  to  -15.2%),  while  losses  under  the  Aw 

climate  (about  73%  of  the  biome)  in  the  Pantanal  exceeded  those  in  the  Atlantic  Forest  and 

Cerrado,  by  an  average  of  -22.5%.  In  the  Amazon,  losses  related  to  the  Am  class,  which 

corresponds to about half of the biome, ranged from  -7.5% to -13.6%. In the Pampa, Cfa class 

losses, which encompass almost the entire biome, ranged from -11.8% to -22.3%. 

The  difference  between  carbon  losses  resulting  from  agricultural  conversion  under 

subtropical  and  tropical  or  arid  climates,  ranging  from  32%  to  47%,  is  related  to  the  greater 

sensitivity of soils in cold regions to disturbances. The magnitude of carbon loss is closely linked 

to initial soil carbon levels. Carbon-rich soils, though naturally stable, undergo greater absolute 

losses  when  converted  to  agriculture  due  to  enhanced  organic  matter  decomposition  from  soil 

disturbance  and  oxygen  exposure

11,12

.  Consequently,  carbon-dense  biomes  such  as  the  Atlantic 

Forest and Pampa, covered by subtropical climates, tend to exhibit larger carbon gaps after land-

use conversion. In contrast, in tropical and arid climate regions, the effect of conversion is less 

pronounced, since the difference in SOC

stocks

 is smaller, resulting from faster decomposition and 

intense carbon turnover, which may have reflected in the smaller gaps recorded in the Caatinga 

and Amazon. 

The analysis of the different soil classes, integrating the three evaluated layers, indicated 

that  average  carbon  losses  decrease  with  the  degree  of  pedogenetic  development:  Entisol  ≈ 

Inceptisol  (-29%  and  -28%)  >  Ultisol  (-21%)  >  Oxisol  (-11%),  demonstrating  the  greater 

susceptibility of young soils to C loss after land-use conversion (Supplementary Table S25). The 

Atlantic Forest showed the greatest carbon losses in Inceptisol (-33%), followed by the Cerrado (-

28%), and the Pampa and Amazon biomes (both with -13%). The percentage loss recorded in the 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

Atlantic Forest Ultisols was almost double (-24%) that observed in the Caatinga (-11%). In Oxisol, 

the Atlantic Forest showed the greatest loss (-15%), followed by the Cerrado and Amazon with -

11% and -9%, respectively. The greatest carbon loss in Entisol was observed in the Pantanal (-

25%), followed by the Caatinga (-23%) and Amazon (-20%). The losses observed in the Caatinga’s 

Inceptisols,  the  Amazon’s  and  Pampa’s  Ultisols,  the  Pampa’s  and  Caatinga’s  Oxisols,  and  the 

Cerrado’s Entisols did not show statistical significance, possibly due to the influence of factors 

such as the management system or climatic conditions. 

The  analysis  of  the  average  age  of  conversion  of  agricultural  systems  revealed  that  the 

Pampa and Atlantic Forest have the oldest systems (≈31 years), followed by the Cerrado (26 years), 

Caatinga (19 years), Amazon (18 years), and Pantanal (16 years). When evaluating the effect of 

conversion age (0–15, 16–30, and >30 years) on SOC

stocks

, it was found that carbon losses occur 

across  biomes,  being  more  intense  in  the  first  15  years  after  conversion  (Supplementary  Table 

S26).  The  Amazon  showed  significant  losses  of  approximately  -11%  in  the  first  15  years  after 

conversion, which were reduced to -7% between 16 and 30 years, without statistical significance. 

In systems older than 30 years, losses remained around -9%, indicating low recovery of SOC

stocks

 

over time. In the Atlantic Forest, SOC stocks decreased by approximately -15% in systems up to 

30 years old and by -19% in older systems. Although the difference is modest, this pattern suggests 

that SOC losses may persist over time following conversion to AGR, highlighting the biome’s 

vulnerability to land use change. The Caatinga recorded a significant reduction of -17% in the first 

15  years  after  conversion,  decreasing  in  subsequent  periods,  ranging  from  -15%  to  -6%,  but 

without statistical significance. In the Cerrado, carbon loss during the first 15 years was lower (-

9.4%) compared to the Caatinga (-17%), Atlantic Forest (-15%), and Amazon (-11%), increasing 

to -12% in the subsequent periods. 

The Pampa biome was the only one to show an increase in SOC

stocks

 (2%) in systems up to 

15  years  old,  although  this  increase  was  not  statistically  significant.  This  result  may  reflect 

transitions  in  management  (tillage  to  no-tillage  or  to  integrated  agricultural  systems)  or  the 

presence  of  residual  C  from  the  original  vegetation.  Finally,  the  Pantanal  biome  recorded  the 

greatest C loss, averaging 24% up to 30 years, reflecting the high sensitivity of the biome's Entisol 

soils to the conversion process. 

The proportion of studies in certain age groups across biomes, soil and climate classes may 

be reflected in the estimated C gap. The largest gaps observed in the Atlantic Forest and Pampa 

Page 12

Figures and page graphics, page 12

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

biomes may be related to the higher proportion of studies in systems over 30 years old (48% and 

53%, respectively), age groups that showed the most pronounced losses compared to systems in 

other  age  groups.  In  contrast,  the  smaller  gaps  in  the  Amazon  and  Caatinga  may  reflect  the 

predominance (~80%) of data from systems up to 30 years old, which exhibited a dual behavior: 

while some results were close to zero, the 16–30 year group showed negative but non-significant 

results, indicating high variability and low C losses. 

The larger C gap in the 0–20 layer may be related to the disturbance caused by mechanical 

tillage

44,45

,  which  accelerates  the  decomposition  of  soil  organic  matter  (aggregates  disruption, 

increased microbial activity, and aeration) and, consequently, reduces the  SOC contents in the soil 

surface

46

. The high variability between SOC

stocks

 gaps in the biomes, mainly in the 0–10 and 0–30 

cm layers, can be explained by the different edaphoclimatic conditions, soil management, and land 

use history in the ecoregions

47,18,23

. 

Our  estimate  of  SOC  debt  (1.40  ±  0.1  Pg  C)  in  the  0-30  cm  layer  in  agricultural  lands 

represents the aggregate total for Brazil compiled from all biomes and is consistent with a global 

study which also estimated national SOC loss for Brazil (1.6 Pg C

4

), although without biome-scale 

resolution.  Thus,  our  estimate  provides  a  more  detailed  understanding  than  large-scale  studies, 

allowing  us  to  identify  regional  patterns,  biome  responses,  and  management  factors  associated 

with SOC changes. It is important to emphasize that our estimate represents theoretical potential, 

based  on  a  hypothetical  scenario  assuming  the  restoration  of  original  SOC

stocks

  through  soil 

recarbonization, and should therefore be interpreted with caution. Another aspect that should be 

considered and acknowledged as a methodological limitation is the use of SOC levels under NV 

as a fixed reference in estimates. Although this approach is widely adopted, in contexts involving 

degraded  native  ecosystems  or  highly  improved  agricultural  lands,  this  assumption  may  not  be 

fully applicable, potentially resulting in an underestimation or overestimation of the SOC gap and 

accumulation potential.  

Despite  these  limitations,  our  results  provide  the  best  quantitative  benchmark  for  the 

achievable SOC

stocks

 to this date. It allows us to estimate an order of magnitude of the opportunity: 

by  recarbonizing  approximately 

1/3

  of  the  estimated  potential,  we  could  achieve  the  59-67% 

emissions reduction target for 2035 (1.51-1.71 Pg CO2eq, base year: 2005) in Brazil's NDC

2

. In 

practice, the target would be achieved by harnessing approximately 40-45% of the recarbonization 

potential accumulated in the Atlantic Forest and Cerrado (3.8 Pg CO2eq).  

Page 13

Figures and page graphics, page 13

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

 

 

 

 

Impact of agricultural system management on SOC

stocks

 

 

In a more detailed analysis of the SOC

stocks

 gap in Brazilian agricultural lands, we assessed 

the impacts of converting NV to different agricultural production systems on SOC

stocks

 at combined 

depths of 0–10, 0–20, and 0–30 cm (Fig. 3, Supplementary Table S3 and Supplementary Data3-

11). Considering all biomes, NV-to-monocropping conversion showed the highest percentage of 

change, -22.2%, CI: [-27.0, -17.0%], followed by NV-to-crop rotation/intercropping, -13.0%, [-

19.6, -16.0%] (Fig. 3). The Atlantic Forest and Pampas showed the highest relative reductions in 

SOC under monoculture (–33.0% and –32.1%, respectively), while the Atlantic Forest also had 

the highest loss under crop rotation/intercropping (–23.6%) (Table S27). In contrast, the Cerrado 

and Amazon recorded the smallest reductions under both systems, ranging from –15.8% to –8.1% 

under  monoculture  and  from  –17.4%  to  –9.3%  under  rotation/intercropping.  The  Caatinga 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

exhibited intermediate relative changes, with SOC

stocks

 losses of -22.7% under monocropping and 

-12.4% under crop rotation and intercropping. 

Grasslands presented, on average, a SOC

stocks

 

change of -9.4%, CI [-14.3, -4.1] SOC

stocks

 

in  comparison  with  NV.  The  greatest  loss  was  observed  in  the  Pantanal,  with  -16.3%,  and  the 

smallest in the Cerrado (-10.0%) and Atlantic Forest (-11.4%) biomes. The Caatinga and Amazon 

did not present a significant difference (

p

> 0.05). 

Perennial crops showed similar mean SOC

stocks

 variations (9.9%, CI [-18.1, -1.0]) to those 

of grasslands (-9.4%). The Atlantic Forest had the smallest difference (-8.8%), while the Cerrado 

and Caatinga recorded larger ones (-10.4% and -9.3%), without statistical significance, possibly 

due to high variability between areas or partial stabilization of SOC

stocks 

in systems with low soil 

disturbance and continuous input of organic residues. 

Integrated  agricultural  systems  had  the  lowest  relative  change  (-8.6%,  IC  [-10.7,  -4.7]), 

showing  average  losses  lower  than  those  observed  in  monoculture,  crop  rotation/intercropping, 

and grassland, respectively 61%, 34%, and 9%. Compared to NV, integrated agricultural systems 

showed the largest difference in the Amazon (-14.8%), and the smallest significant difference in 

the Cerrado (-7.8%), followed by the Pampa (-10%). The differences in the Atlantic Forest (-1.2%) 

and Caatinga (-8.6%) were not statistically significant (Fig. 3, Supplementary Table S27). These 

results  revealed  the  benefits  of agricultural  intensification,  understood within the  framework of 

sustainable intensification, in which yields increase without adverse environmental impacts or the 

conversion of additional non-agricultural land

48

, mainly by biodiversification, to preserve/restore 

SOC

stocks

. 

Our  results  also  showed  the  positive  effect  of  intensification  through  the  comparison 

between both crop rotation/intercropping and integrated agricultural systems with monocropping. 

The crop rotation and intercropping system presented an average gain of +8.9%, IC [+13.5, +4.4], 

with  the  Pampa  increasing  the  most  (+22%),  followed  by  the  Amazon  (+14.0%),  and  Cerrado, 

with  the  lowest  value  (+8.4%),  while  the  Atlantic  Forest’s  increase  (+8.6%)  had  no  statistical 

significance. Under integrated agricultural systems, the average gain related to monocropping was 

+12.5%, IC [+20.5, +5.1], i.e., 40% higher than the crop rotation and intercropping value, with the 

Cerrado  showing  a  gain  of  15.3%.  There  was  no  significant  difference  (

p

>  0.05)  between  the 

Atlantic Forest under both systems and the Amazon under integrated agricultural systems. 

Page 15

Figures and page graphics, page 15

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

We also compared SOC

stocks

 losses from NV to no-tillage and conventional tillage systems. 

Our results confirmed  that  losses  under no-tillage (-11.4%, CI [-15.7, -6.9%])  were 47%  lower 

than under conventional tillage (-21.4%, CI [-25.4, -17.3). The Pampa and Atlantic Forest recorded 

the most significant losses under the conventional system, respectively -32.7% and -27.2%. The 

loss  in  the  Pampa  was  88–110%  greater  than  in  the  Cerrado  (-17.2%),  Caatinga  (-17.4%),  and 

Amazon (-15.6%) biomes, while in the Atlantic Forest it exceeded these biomes by 58–74%. Under 

the no-tillage system, the Atlantic Forest recorded the greatest loss of SOC

stocks

 (-21.9%), followed 

by the Pampa (-10.6%), while the Cerrado and Amazon presented the smallest losses of -8.0% and 

-7.4%, respectively. We also evaluated the effect of the no-tillage system on different soil depths 

to identify possible variations associated with the stratification induced by this management. The 

results  (Supplementary  Fig.  S5)  indicated  a  small  variation  between  the  original  mean  value  (-

11.4%) and those obtained in the stratified analysis (0–10 cm = -14.0%; 0–20 cm and 0–30 cm ≈ 

-10.0%), with a more pronounced difference in the 0–10 cm layer and slightly smaller ones in the 

subsequent layers. 

Soil carbon losses induced by land-use change are well-documented in the literature. Our 

results, ranging from -9.4% to -26.3%, are comparable with previous studies in the tropical

49

 and 

global scale

50

. However, these values can be even more variable (-11.4% to -95.6%), depending 

on context, when evaluated in a global perspective

51,52,53,54

. Our study showed that the magnitude 

of SOC

stocks

 losses in different agricultural systems decreases with the increase in their degree of 

intensification  and  diversification,  confirming  the  benefits  induced  by  crop  rotation, 

intercropping

55,56,57,58,59,60,61

,  and  integrated  agricultural  systems 

62,63,64,65,66,67,68

,  reported  in 

different regions around the world. 

For  NV-to-grassland  conversion  (-4.1%  to  -14.3%),  our  results  corroborate  studies  of 

tropical zones

49

 and of global scope (-9.8% to -14.4%)

69

, although other studies reported a positive 

effect  (11.5%  to  8.2%)

51,52

.  Best  management  practices  (defoliation  regime,  plant  species 

manipulation,  biodiversity,  fertilization,  improved  grazing,  grass-legume  intercropping,  and 

irrigation)

70,71,72,73

 and continuous grassland maintenance

74

, in addition to the effect of local soil 

and climate conditions

75,1

, may explain the positive response.  

The  absence  of  significant  differences  observed  in  the  Caatinga  and  Amazon  biomes 

denotes  the  variation  in  the  maintenance  status  of  Brazilian  grassland  areas.  The  greater  losses 

observed in the other biomes reflect the current condition of Brazilian grasslands, with ca. 60% of 

Page 16

Figures and page graphics, page 16

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

the area found at intermediate and severe levels of degradation

40

. In this sense, grassland recovery 

is an important technology in Brazil, as it can boost SOC

stocks

 by 14-23%

76

. It has been adopted by 

national  climate  mitigation  initiatives  (ABC

+

  Programme

77

  and  National  Program  for  the 

Conversion of Degraded Pastures into Sustainable Agricultural and Forestry Production

78

), which 

project the recovery of 40 Mha as a target

77

. 

Evidence from this study highlights the role of integrated agricultural systems as effective 

strategies for maintaining and rebuilding SOC

stocks

, with the smallest differences observed in the 

Pampa  and  Cerrado  and  statistically  non-significant  differences  in  the  Atlantic  Forest  and 

Caatinga.  Compared  with  monocropping,  using  the  technology  in  the  Cerrado  showed  great 

potential  to  increase  SOC

stocks

,  with  values  close  to  those  reported  in  a  global  study  (+17%  to 

+23%)

1

. The ABC+ Programme's portfolio of solutions includes plans to expand these systems by 

4 Mha, with the potential to mitigate up to 34 million Mg CO2eq.  

The benefits of no-tillage over conventional tillage revealed in this study were consistent 

with estimates previously reported for Brazil (6-26%)

79,80

. Our analysis demonstrates the potential 

of no-tillage as an alternative to replace conventional tillage based on differences from NV. The 

area with no-tillage in Brazil increased significantly between 2006-2017 (17.9 to 33.0 Mha)

81

, (4–

16% in SOC

stocks

), replacing conventional tillage

82

. The ABC

+

 Program set a goal to expand the 

system by 12.5 Mha by 2030, expecting to mitigate 12 million Mg CO

2

eq. 

Although our results reveal the positive effects of agricultural intensification, these benefits 

depend  on  local  conditions  such  as  climate,  soil  type,  and  duration  of  management.  When 

supported  by  conservation-oriented  practices,  such  as  no-tillage,  crop  rotation  diversification, 

cover cropping, residue retention, and the use of organic amendments, intensification can enhance 

SOC  inputs,  improve  aggregation  and  biological  activity,  and  foster  long-term  carbon 

stabilization

2,83

, while promoting positive feedbacks to crop yield and climate resilience

84,85

. 

It is important to note that the SOC

stocks

 gap estimates presented here represent a technical 

potential  based  on an  idealized  reference of  NV. In  reality, native ecosystems  may  be  partially 

degraded, and improved agricultural systems can already recover part of their SOC

stocks

. Thus, our 

values should be interpreted as indicative of the upper limit of carbon restoration potential, rather 

than as directly attainable field targets.  

 

Page 17

Figures and page graphics, page 17

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

 

 

In conclusion, this national-scale study provided quantitative evidence of the soil carbon 

debt of 1.40 ± 0.1 Pg (0–30 cm) induced by historic land-use change of NV to AGR across the 

Brazilian  biomes.  In  addition,  it  revealed  the  positive  effect  of  sustainable  management 

intensification  (i.e.,  crop  rotation  and  intercropping,  no-tillage,  and  integrated  agricultural 

systems) on increasing SOC

stocks

,

 

which helps close this carbon gap over time. Finally, these results 

support  the  formulation  of  regionally  adapted  intervention  strategies,  which  could  strengthen 

Brazil’s climate policies and help mitigate global climate change.    

 

Page 18

Figures and page graphics, page 18

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

 

Methods

 

We performed a first-order meta-analysis to examine the impacts of land-use change from native 
vegetation (NV) to agricultural (AGR) habitats on SOC

stocks

 of the six Brazilian biomes. A meta-

analysis  was  performed  using  data  from  372  studies  (Cerrado:141,  Atlantic  Forest:129, 
Amazon:38, Pampa:34, Caatinga:28 and Pantanal:3) from the last three decades (Supplementary 
Fig. S6 and Discussion). Our analysis examined the gap between SOC

stocks

 under NV and AGR, 

the soil C gap, which we consider our technical potential for C accumulation. We also assessed 
the  magnitude  of  the  positive  and  negative  effects  of  different  agricultural  production  and 
management systems on SOC

stocks

. 

 

Systematic literature search 

The  systematic  review  was  conducted  by  searching  the  Web  of  Science,  Scopus,  and  Scielo 
databases (see Supplementary Fig. S6 and S7 for details) for relevant studies using data collected 
in the Brazilian territory until June 2024, without language restriction. We employed the following 
combinations  of  keywords:  “soil  carbon  stock*  OR  soil  carbon  OR  soil  organic*  AND  CU= 
(Brazil)”. 
Studies were selected based on the following eligibility criteria: i) having presented SOC

stocks

 data 

or  data  that  allowed  the  calculation  of  SOC

stocks

  (soil  organic  matter  and  soil  bulk  density);  ii) 

studies carried out in Brazil, with data on geographic coordinates or the name of the municipality 
or  biome.  Using  these  criteria,  we  found  4,290  data  points,  776  of  which  pertained  to  primary 
native vegetation and 3,514 to agriculture (Supplementary Data1).  

Data collection

 

We  collected  the  following  data  from  text,  tables,  or  figures  in  the  selected  studies  (using 

WebPlotDigitizer 

https://automeris.io/WebPlotDigitizer):land-use  classes  (NV  or  AGR),  soil 

(U.S. soil taxonomy) and climate classes (in the absence of information, we used the data available 
in

20

), agricultural systems (monocropping, crop-rotation and intercropping, grasslands, perennial 

crops, and integrated agricultural systems), SOC

stocks

 in the soil layers (0-10, 0-20, 0-30 and 0-100 

cm), numbers of observations, and standard deviations. These were recorded in a data framework. 
SOC

stocks 

estimates  for  the  different  soil  depth  intervals  represent  independent  measurements 

derived  from  the  available  data  and  should  not  be  interpreted  as  cumulative  profiles.  Because 
complete soil profiles were not consistently reported across studies, the values for each depth layer 
reflect  discrete  sampling  intervals  rather  than  integrated  depth  totals.  SOC

stocks

  data  were 

standardized by converting the values from “kg m

-2

,” “g m

-2

,” “t ha

−1

,” “kg ha

−1

,” or “percentage” 

to “Mg ha

−1

”. The SOC concentration data (g kg

−1

) were converted to SOC

stock

 (Mg C ha

−1

) from 

the soil bulk density (BD) and specific depth (cm) using the following equation

86,52

: 

 

𝑆𝑂𝐶 𝑠𝑡𝑜𝑐𝑘 (𝑀𝑔 𝐶 ℎ𝑎

−1

) =

𝑆𝑂𝐶 𝑥 𝐵𝐷 𝑥 𝑙𝑎𝑦𝑒𝑟 𝑡ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠

10

                         (1) 

 
Classification and comparison of management systems 

The  "agriculture"  land-use  class  was  subdivided  into  agricultural  production  and  management 
systems,  described  as  follows.  “Monocropping”  involves  a  single  cultivated  agricultural  crop 
species.  Grassland,  eucalyptus,  pine,  and  other  perennial  fruit  crops  were  redistributed  to  other 
categories.  Crop  rotation  (planned  alternation  of  crop  species  over  time)  and  intercropping 
(changes between growing seasons) form a category of agricultural systems where two or more 

Page 19

Figures and page graphics, page 19

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

crops are grown sequentially in the same field, and. Such systems that included grassland in the 
cycle  were  transferred  to  the  “Grassland”  category,  which  comprises  cultivated  and  native 
grassland. The latter accounts for 3% of the total category data set. “Perennial crops” are planted 
forest species such as Eucalyptus spp. and Pinus spp., which represent 65% of the data set, as well 
as  other  perennial  fruit  species.  “Integrated  agricultural  systems”  encompass  crop–livestock 
integration,  crop–forest  integration,  forest–livestock  integration,  and  crop–livestock–forest 
integration.  “Conventional  tillage”  is  soil  preparation  using  techniques  that  promote  soil 
disturbance,  such  as  plowing,  harrowing,  and  leveling,  whereas  “No-tillage”  systems  do  not 
disturb the soil with tillage: seeds are sowed directly into straw or the previous crop’s residues. 
The  study  evaluated  the  effects  of  monocropping,  crop  rotation  and  intercropping,  grasslands, 
perennial  crops,  and  integrated  agricultural  systems  again  NV  baselines.  Additionally, 
conventional  tillage  and  no-tillage  management  systems  were  compared  to  both  NV  and  to 
monocropping agricultural production systems. 

Meta-analysis 

From the primary database, we selected a subset based on the following eligibility criteria for the 
meta-analysis: presenting paired data on SOC

stocks

 with their respective standard deviations (SD) 

and number of observations. For studies lacking SD values for SOC

stocks 

measurements, missing 

SDs  were  imputed  using  the  approach  based  on  median  coefficients  of  variation

87,88

,  following 

these steps: (1) calculated coefficients of variation (CV) from available SD and SOC

stocks 

values; 

(2) estimated the median CV separately for each dataset (treatment and control); and (3) computed 
missing SDs by multiplying the median CV by the reported SOC

stocks 

for that group. To maintain 

natural variability and minimize bias, imputation was stratified by biome, land-use class, and soil 
layer.  We  tested  the  effect  of  different  imputation  assumptions  by  conducting  a  sensitivity 
analysis

89

,  which  showed  only  marginal  change  in  means  and  95%  confidence  intervals  with 

different imputed SD values, indicating our findings were robust (Supplementary Table S28 and 
Fig. S8). The final database contains data from 2004-2024 (considering the 20-year IPCC steady-
state period), presented in 1,247 pairwise comparisons (NV vs. AGR) and grouped by layer depth 
(0–10 cm, 0–20 cm, and 0–30 cm) and by biome. 
We selected the weighted mean difference (MD) as a dependent variable of the meta-analysis to 
measure the effect size of the NV-to-AGR transition. The MD and Natural log of response ratio 
(lnRR) were calculated to measure the effect of different agricultural and management systems on 
SOC

stocks

 using the following equations: 

 

MD = 𝜇

𝑒−

𝜇

𝑐

                                                    (2) 

 

lnRR = ln

𝜇

𝑒

𝜇

𝑐

=ln ln (𝜇

𝑒

)   −ln ln (𝜇

𝑐

) 

                                     (3)                                                                                 

where  μ

c

  and  μ

e

  correspond  to  the  average  SOC

stocks

  before  (control)  and  after  (treatment)  the 

change in land-use/management practices

46

, respectively.  

To quantify the effect size of the NV-to-AGR transition, we compared estimates obtained from 
two  models:  a  random-effects  model  and  a  linear  mixed-effects  model

90

.  Both  types of  models 

were  fitted  using  restricted  maximum  likelihood  estimation.  For  the  mixed-effects  model,  we 
evaluated the inclusion of nine moderator variables, both categorical and continuous, categorized 
by temporal dynamics, climate and soil classes, geography, and soil management systems, nested 

Page 20

Figures and page graphics, page 20

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

by biome and soil layer. We used p-values (considered significant when <0.05, indicating a direct 
effect)  and  R²  (the  proportion  of  explained  heterogeneity)  as  primary  criteria  for  including  or 
excluding  moderators.  As  secondary  criteria,  we  examined  indicators  related  to  heterogeneity 
diagnostics: τ² (between-study variance), I² (proportion of variance due to heterogeneity), and H² 
(heterogeneity  ratio),  which  quantify  the  magnitude  of  remaining  heterogeneity

90

.  In  practical 

terms, a significant increase (p < 0.05) in explained heterogeneity (R²), along with reductions in 
heterogeneity  indicators  compared  to  the  random-effects  model,  indicates  that  the  variable 
contributes to explaining variability. Based on these statistical indicators and on the main objective 
of  our  meta-analysis,  which  was  to  estimate  the  technical  potential  for  carbon  accumulation  in 
agricultural soils across different biomes from the effect of NV-to-AGR transition on SOC

stocks

, 

our  model  ultimately  included  only  three  moderator  variables:  latitude  (°),  mean  annual 
temperature (°C), and cumulative annual precipitation (mm). 
To enhance interpretability of coefficients, these continuous moderators were centered and scaled 
prior to their inclusion in the models. Additionally, a subgroup meta-analysis was performed to 
complement  the  global  meta-analysis  and  investigate  the  effects  of  new  moderating  variables, 
which included climate and soil classes (described in Supplementary Tables S4 and S12), as well 
as  the  age  of  the  agricultural  system,  considering  the  year  of  conversion  and  the  date  of  soil 
sampling. The age classes were 15, 30, and over 30 years. This complementary approach allowed 
for a more granular investigation into specific contextual factors that might not have been fully 
captured by the global variables from the primary model, providing a nuanced understanding of 
SOC

stocks

 dynamics across different biomes and management contexts. 

For the step of the meta-analysis procedure where we assessed the effect of different agricultural 
and management systems on SOC

stocks

, the data of the three soil layers (0–10, 0–20, and 0–30 cm) 

were analyzed jointly using the random-effects model (Supplementary Data3-11). To address the 
non-independence  of  overlapping  soil  depth  measurements  within  the  same  study  site,  we 
employed multilevel hierarchical models

91

, using the rma.mv function. This approach explicitly 

models the nested structure of our data (soil depths nested within studies) through random effects 
(random = ~ 1 | study_id/depth_raw). This methodology allows us to: (1) utilize all available 0 – 
rather  than discarding 60%  of observations  by selecting only one depth  per study; (2) properly 
account  for  the  correlation  between  overlapping  soil  layers  from  the  same  location;  (3)  avoid 
pseudoreplication  and  the  consequent  underestimation  of  variance;  and  (4)  provide  more 
conservative and accurate statistical inferences. This approach is considered the gold standard for 
meta-analyses dealing with non-independent observations and has been widely recommended in 
the ecological meta-analysis literature. In the case of the comparison between no-tillage and NV, 
in addition to the general analysis considering the three soil layers (Fig. 3), the effect of each layer 
was  also  evaluated  individually  (Supplementary  Fig.  S5)  to  detect  differences  associated  with 
carbon  stratification.  The  results  indicated  that  the  0–10  cm  layer  presented  greater  SOC

stocks

 

depletion (14.6%) than the 0–20 and 0–30 cm layers, which presented an average loss of 11.6%.

 

All effect size calculation procedures were performed in the R software, using the MD (raw mean 
difference,  e.g.

92

)  and  ROM  (log-transformed  ratio  of  means,

87

)  functions  of  the  R  package 

“Metafor”

90

,  considering  that  the  effect  sizes  varied  randomly  between  the  comparisons.  The 

effects measured to assess changes in SOC

stocks

 of agricultural and management systems (ln RR) 

were transformed and expressed as a percentage change using the following equation

93

: 

∆ SOC stock (%) =  exp   [ ln (RR)   − 1] x 100

                                              (4) 

Page 21

Figures and page graphics, page 21

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

The  overall  effect  sizes  and  95%  confidence  intervals  (CI)  were  also  calculated  using  the 
“Metafor” package. Statistically significant changes in SOC

stocks 

were considered valid when the 

95% CI value did not overlap zero. The CIs of SOC

stocks

 effect sizes for NV-to-AGR transition 

were shown in forest plots (Fig. 2), where negative values indicated C losses. For agricultural and 
management systems, although results were not presented in forest plots (Fig. 3; Supplementary 
Table S27), we also interpreted negative percentages as C losses and positive ones as C gains. 

Sensitivity analyses and publication biases 

We assessed the potential for publication bias (Supplementary Fig. S9 and S10) using the funnel 
plot  and  Egger’s  test

94

.  The  test  assesses  the  existence  of  publication  bias  through  regression 

analysis using the effect size and its precision (standard error). A significant intercept (indexed by 
b),  i.e.,  with  p<0.05,  suggests  publication  bias

95

.  To  assess  the  sensitivity  of  the  results  to 

publication  bias,  Rosenthal's  fail-safe  number

96

  was  applied,  which  estimates  the  number  of 

hypothetical studies with a null effect required to nullify the significance of the combined effect 
(Supplementary Table S17-20). The trim-and-fill procedure was also used to adjust the mean effect 
value and thus take possible missing studies into account. The findings from the combination of 
the three methods confirm that the results of the meta-analyses by biome are, for the most part, 
statistically robust and little affected by publication bias. The extremely high Rosenthal's fail-safe 
N values and the absence of trim-and-fill adjustments reinforce the reliability of the estimates. The 
Cerrado showed the greatest sensitivity to potential bias in the 0–10 cm layer, but, even in this 
case, the  overall effect remained significant and stable. It is worth  noting that methods such  as 
Egger's  test  and  the  funnel  plot  have  their  own  limitations,  especially  in  contexts  with  high 
heterogeneity of the observed effects

97

, which applies to our study. 

 

Calculation of potential SOC

stocks

 sequestration:

  

The technical potential of SOC

stocks

 sequestration overall and for each biome was calculated by the 

following equation: 
 

SOC stock seq. = Gap

biomes

(Mg C ha

-1

) x 

AGR

area

 (Mha)                                        (5) 

where  SOC

stocks

  seq.  represents  the  technical  potential  for  C  sequestration  (Pg  C).  Gap

biomes

 

represents  the  gap  between  AGR  (treatment)  -  NV  (control)  in  Mg  C  ha-1  and  AGR

area

,  the 

available agricultural area in the biomes in Mha. 
 

Statistical analysis 

The comparison between the SOC

stocks

 (dependent variable) under NV and AGR across climate 

and soil classes, as well as across biomes, was made employing the ANOVA test, the Tukey's post 
hoc  test  for  normal  distribution,  and  the  nonparametric  Kruskal-Wallis  (univariate)  when  the 
normality condition was not met, all of them for a statistical significance level of 5%. The analyses 
were performed using the “rstatix” package in the R software (R Core Team, 2021

98

).

 

 

Data availability 

All data supporting the findings of this study are available within the paper and its Supplementary 
Information files.

 

 
Code availability 

Page 22

Figures and page graphics, page 22

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

All code used for data processing, statistical analyses and figure generation has been deposited in 
a 

publicly 

accessible 

GitHub–Zenodo 

repository 

under 

the 

DOI: 

https://doi.org/10.5281/zenodo.17842918. 
 
 

References

 

 

1.  Beillouin, D. 

et al.

 A global meta-analysis of soil organic carbon in the Anthropocene. 

Nat. 

Commun.

 

14

, 3700 (2023). 

2.  Wang, Y. 

et al.

 Land availability and policy commitments limit global climate mitigation 

from forestation. 

Science

 

389

, 931–934 (2025). 

3.  Fargione, J. E. 

et al.

 Natural climate solutions for the United States. 

Sci. Adv.

 

4

, eaat1869 

(2018). 

4.  Sanderman, J., Hengl, T. & Fiske, G. J. Soil carbon debt of 12,000 years of human land use. 

Proc. Natl. Acad. Sci.

 

114

, 9575–9580 (2017). 

5.  Zomer, R. J., Bossio, D. A., Sommer, R. & Verchot, L. V. Global sequestration potential of 

increased organic carbon in cropland soils. 

Sci. Rep.

 

7

, 15554 (2017). 

6.  Matos, P. S. 

et al.

 Impact of land use intensification on key drivers of soil organic carbon 

pools in Brazil’s Central-West. 

CATENA

 

249

, 108636 (2025). 

7.  Feng, Y. 

et al.

 Doubling of annual forest carbon loss over the tropics during the early twenty-

first century. 

Nat. Sustain.

 

5

, 444–451 (2022). 

8.  Patil, M. 

et al.

 Differential impacts of regenerative agriculture practices on soil organic 

carbon: a meta-analysis of studies from India. 

Sci. Rep.

 

15

, 33470 (2025). 

9.  Government of Brazil. 

Brazil’s NDC: national determination to contribute and transform

. 

Ministry of the Environment and Climate Change, Brasília (2024). 

Page 23

Figures and page graphics, page 23

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

10. 

SEEG – Sistema de Estimativas de Emissões e Remoções de Gases de Efeito Estufa. 

Análise das emissões de gases de efeito estufa e suas implicações para as metas climáticas do 

Brasil: 1970–2023. (Observatório do Clima, 2024); available at: https://seeg.eco.br/relatorios 

11. 

World Resources Institute (WRI). Climate Watch Data: Greenhouse gas emissions by 

sector and country. Available at: https://www.climatewatchdata.org/ (accessed Oct 2025). 

12. 

Bossio, D. A. 

et al.

 The role of soil carbon in natural climate solutions. 

Nat. Sustain.

 

3

, 

391–398 (2020). 

13. 

Paustian, K., Larson, E., Kent, J., Marx, E. & Swan, A. Soil C sequestration as a 

biological negative emission strategy. 

Front. Clim.

 

1

, 8 (2019). 

14. 

Lal, R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. 

Science

 

304

, 1623–1627 (2004). 

15. 

Wiesmeier, M. 

et al.

 Soil organic carbon storage as a key function of soils - A review of 

drivers and indicators at various scales. 

Geoderma

 

333

, 149–162 (2019). 

16. 

Luo, Z., Viscarra-Rossel, R. A. & Qian, T. Similar importance of edaphic and climatic 

factors for controlling soil organic carbon stocks of the world. 

Biogeosciences

 

18

, 2063–2073 

(2021). 

17. 

Johnston, A. E., Poulton, P. R. & Coleman, K. Soil Organic Matter. in 

Advances in 

Agronomy

 vol. 101 1–57 (Elsevier, 2009). 

18. 

Jobbagyi, E. G. & Jackson, R. B. The vertical distribution of soil organic carbon and its 

relation to climate and vegetation Ecol. Appl. 

10

, 423–436 (2000). 

19. 

Smith, J. 

et al.

 Projected changes in mineral soil carbon of European croplands and 

grasslands, 1990–2080. 

Glob. Change Biol.

 

11

, 2141–2152 (2005). 

Page 24

Figures and page graphics, page 24

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

20. 

Alvares, C. A., Stape, J. L. & Sentelhas, P. C. Köppen’s climate classification map for 

Brazil. Meteorol. Z. 

22

, 711–728 (2013) 

21. 

Santos, H.G et al. Sistema Brasileiro de Classificação de Solos. 5th ed. Brasília: 

Embrapa; (2018). 

22. 

Carvalho, J. L. N. 

et al.

 Impact of pasture, agriculture and crop-livestock systems on soil 

C stocks in Brazil. 

Soil Tillage Res.

 

110

, 175–186 (2010). 

23. 

Zinn, Y. L., Lal, R. & Resck, D. V. S. Changes in soil organic carbon stocks under 

agriculture in Brazil. 

Soil Tillage Res.

 

84

, 28–40 (2005). 

24. 

Sousa, J. E. S. D. 

et al.

 Carbon stocks in Planosols along a rainfall gradient in Northeast 

Brazil. 

CATENA

 

245

, 108295 (2024). 

25. 

Neves, L. V. D. M. W. 

et al.

 Microbial abundance and C and N stocks in tropical 

degraded Planosols from semiarid northeastern Brazil. 

CATENA

 

196

, 104931 (2021). 

26. 

Villarino, S. H. 

et al.

 Deforestation impacts on soil organic carbon stocks in the Semiarid 

Chaco Region, Argentina. 

Sci. Total Environ.

 

575

, 1056–1065 (2017). 

27. 

Gomes, L. C. 

et al.

 Modelling and mapping soil organic carbon stocks in Brazil. 

Geoderma

 

340

, 337–350 (2019). 

28. 

Vieira, S. A. 

et al.

 Stocks of carbon and nitrogen and partitioning between above‐ and 

belowground pools in the Brazilian coastal Atlantic Forest elevation range. 

Ecol. Evol.

 

1

, 

421–434 (2011). 

29. 

Babujia, L. C., Hungria, M., Franchini, J. C. & Brookes, P. C. Microbial biomass and 

activity at various soil depths in a Brazilian oxisol after two decades of no-tillage and 

conventional tillage. 

Soil Biol. Biochem.

 

42

, 2174–2181 (2010). 

Page 25

Figures and page graphics, page 25

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

30. 

Boddey, R. M. 

et al.

 Carbon accumulation at depth in Ferralsols under zero‐till 

subtropical agriculture. 

Glob. Change Biol.

 

16

, 784–795 (2010). 

31. 

Da Luz, F. B. 

et al.

 Monitoring soil quality changes in diversified agricultural cropping 

systems by the Soil Management Assessment Framework (SMAF) in southern Brazil. 

Agric. 

Ecosyst. Environ.

 

281

, 100–110 (2019). 

32. 

Damian, J. M. 

et al.

 Predicting soil C changes after pasture intensification and 

diversification in Brazil. 

CATENA

 

202

, 105238 (2021). 

33. 

De Oliveira Ferreira, A. 

et al.

 Can no-till grain production restore soil organic carbon to 

levels natural grass in a subtropical Oxisol? 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

229

, 13–20 (2016). 

34. 

Frazão, L. A., Paustian, K., Cerri, C. E. P. & Cerri, C. C. Soil carbon stocks under oil 

palm plantations in Bahia State, Brazil. 

Biomass Bioenergy

 

62

, 1–7 (2014). 

35. 

Dos Santos, C. A. 

et al.

 Changes in soil carbon stocks after land-use change from native 

vegetation to pastures in the Atlantic forest region of Brazil. 

Geoderma

 

337

, 394–401 (2019). 

36. 

Wuaden, C. R., Nicoloso, R. S., Barros, E. C. & Grave, R. A. Early adoption of no-till 

mitigates soil organic carbon and nitrogen losses due to land use change. 

Soil Tillage Res.

 

204

, 104728 (2020). 

37. 

MapBiomas. Coleção 7 — 

Pastagem: Série histórica de cobertura e uso da terra no 

Brasil

. MapBiomas (2022). 

38. 

Schaefer, C. E. G. R. 

et al.

 Soil and vegetation carbon stocks in Brazilian Western 

Amazonia: relationships and ecological implications for natural landscapes. 

Environ. Monit. 

Assess.

 

140

, 279–289 (2008). 

39. 

Soares, M. B. 

et al.

 Integrated production systems: An alternative to soil chemical quality 

restoration in the Cerrado-Amazon ecotone. 

CATENA

 

185

, 104279 (2020). 

Page 26

Figures and page graphics, page 26

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

40. 

Cerri, C. E. P. 

et al.

 Modeling Soil Carbon from Forest and Pasture Ecosystems of 

Amazon, Brazil. 

Soil Sci. Soc. Am. J.

 

67

, 1879–1887 (2003). 

41. 

Desjardins, T., Barros, E., Sarrazin, M., Girardin, C. & Mariotti, A. Effects of forest 

conversion to pasture on soil carbon content and dynamics in Brazilian Amazonia. 

Agric. 

Ecosyst. Environ.

 

103

, 365–373 (2004). 

42. 

Fujisaki, K. 

et al.

 From forest to cropland and pasture systems: a critical review of soil 

organic carbon stocks changes in Amazonia. 

Glob. Change Biol.

 

21

, 2773–2786 (2015). 

43. 

Tenelli, S. 

et al.

 Well-managed grass is a key strategy for carbon storage and stabilization 

in anthropized Amazon soils. 

J. Environ. Manage.

 

373

, 123742 (2025). 

44. 

Gregory, A. S. 

et al.

 Long‐term management changes topsoil and subsoil organic carbon 

and nitrogen dynamics in a temperate agricultural system. 

Eur. J. Soil Sci.

 

67

, 421–430 

(2016). 

45. 

Haddaway, N. R. 

et al.

 How does tillage intensity affect soil organic carbon? A 

systematic review. 

Environ. Evid.

 

6

, 30 (2017). 

46. 

Xiao, C. 

et al.

 Impacts of Land-Use Change from Primary Forest to Farmland on the 

Storage of Soil Organic Carbon. 

Appl. Sci.

 

14

, 4736 (2024). 

47. 

Yu, H., Zha, T., Zhang, X. & Ma, L. Vertical distribution and influencing factors of soil 

organic carbon in the Loess Plateau, China. 

Sci. Total Environ.

 

693

, 133632 (2019). 

48. 

Pretty, J. & Bharucha, Z. P. Sustainable intensification in agricultural systems. 

Ann. Bot.

 

114

, 1571–1596 (2014). 

49. 

Don, A., Schumacher, J. & Freibauer, A. Impact of tropical land-use change on soil 

organic carbon stocks - a meta-analysis. 

Glob. Change Biol.

 

17

, 1658–1670 (2011). 

Page 27

Figures and page graphics, page 27

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

50. 

Huang, X. 

et al.

 Land Use Change Alters Soil Organic Carbon: Constrained Global 

Patterns and Predictors. 

Earths Future

 

12

, e2023EF004254 (2024). 

51. 

Deng, L., Zhu, G., Tang, Z. & Shangguan, Z. Global patterns of the effects of land-use 

changes on soil carbon stocks. 

Glob. Ecol. Conserv.

 

5

, 127–138 (2016). 

52. 

Guo, L. B. & Gifford, R. M. Soil carbon stocks and land use change: a meta analysis. 

Glob. Change Biol.

 

8

, 345–360 (2002). 

53. 

Harris, Z. M., Spake, R. & Taylor, G. Land use change to bioenergy: A meta-analysis of 

soil carbon and GHG emissions. 

Biomass Bioenergy

 

82

, 27–39 (2015). 

54. 

Zhou, Z., Wang, C. & Luo, Y. Effects of forest degradation on microbial communities 

and soil carbon cycling: A global meta‐analysis. 

Glob. Ecol. Biogeogr.

 

27

, 110–124 (2018). 

55. 

Urrutia Larrachea, I., Poggio, S. L., Cosentino, D. & Semmartin, M. A comparative 

analysis of soil organic carbon stock and soil aggregation in two crop sequences in the Rolling 

Pampa (Argentina). 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

375

, 109183 (2024). 

56. 

Chen, J., Lærke, P. E. & Jørgensen, U. Optimized crop rotations increase biomass 

production without significantly changing soil carbon and nitrogen stock. 

Ecol. Indic.

 

117

, 

106669 (2020). 

57. 

Giustiniani, E., Behrends Kraemer, F. & Garibaldi, L. A. Crop sequence intensification: 

Meta‐analysis of soil organic carbon and aggregate stability in Argentina. 

Eur. J. Soil Sci.

 

75

, 

e13485 (2024). 

58. 

Liu, X. 

et al.

 Response of soil organic carbon content to crop rotation and its controls: A 

global synthesis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

335

, 108017 (2022). 

59. 

Xin, J., Yan, L. & Cai, H. Response of soil organic carbon to straw return in farmland 

soil in China: A meta-analysis. 

J. Environ. Manage.

 

359

, 121051 (2024). 

Page 28

Figures and page graphics, page 28

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

60. 

Li, S. 

et al.

 How does intercropping contribute to soil organic carbon accumulation? A 

global synthesis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

374

, 109173 (2024). 

61. 

Zheng, F. 

et al.

 Positive effects of crop rotation on soil aggregation and associated 

organic carbon are mainly controlled by climate and initial soil carbon content: A meta-

analysis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

355

, 108600 (2023). 

62. 

Dmuchowski, W., Baczewska-Dąbrowska, A. H. & Gworek, B. The role of temperate 

agroforestry in mitigating climate change: A review. 

For. Policy Econ.

 

159

, 103136 (2024). 

63. 

Chatterjee, N., Nair, P. K. Ramachandran., Chakraborty, S. & Nair, V. D. Changes in soil 

carbon stocks across the Forest-Agroforest-Agriculture/Pasture continuum in various 

agroecological regions: A meta-analysis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

266

, 55–67 (2018). 

64. 

De Stefano, A. & Jacobson, M. G. Soil carbon sequestration in agroforestry systems: a 

meta-analysis. 

Agrofor. Syst. 92

, 285-299 (2017). 

65. 

Ma, Z., Chen, H. Y. H., Bork, E. W., Carlyle, C. N. & Chang, S. X. Carbon accumulation 

in agroforestry systems is affected by tree species diversity, age and regional climate: A 

global meta‐analysis. 

Glob. Ecol. Biogeogr.

 

29

, 1817–1828 (2020). 

66. 

Mayer, S. 

et al.

 Soil organic carbon sequestration in temperate agroforestry systems – A 

meta-analysis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

323

, 107689 (2022). 

67. 

Kuhn, N. J. 

et al.

 Conservation tillage and sustainable intensification of agriculture: 

regional vs. global benefit analysis. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

216

, 155–165 (2016). 

68. 

Haughey, E., Neogi, S., Portugal-Pereira, J., Van Diemen, R. & Slade, R. B. Sustainable 

intensification and carbon sequestration research in agricultural systems: A systematic review. 

Environ. Sci. Policy

 

143

, 14–23 (2023). 

Page 29

Figures and page graphics, page 29

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

69. 

Kopittke, P. M., Dalal, R. C., Finn, D. & Menzies, N. W. Global changes in soil stocks of 

carbon, nitrogen, phosphorus, and sulphur as influenced by long‐term agricultural production. 

Glob. Change Biol.

 

23

, 2509–2519 (2017). 

70. 

Silveira, M. L. 

et al.

 Opportunities to increase soil carbon sequestration in grazing lands 

in the southeastern United States. 

Grassl. Res.

 

3

, 69–78 (2024). 

71. 

Rodríguez, A., Canals, R. M. & Sebastià, M.-T. Positive Effects of Legumes on Soil 

Organic Carbon Stocks Disappear at High Legume Proportions Across Natural Grasslands in 

the Pyrenees. 

Ecosystems

 

25

, 960–975 (2022). 

72. 

Conant, R. T., Cerri, C. E. P., Osborne, B. B. & Paustian, K. Grassland management 

impacts on soil carbon stocks: a new synthesis. 

Ecol. Appl.

 

27

, 662–668 (2017). 

73. 

Cong, W. 

et al.

 Intercropping enhances soil carbon and nitrogen. 

Glob. Change Biol.

 

21

, 

1715–1726 (2015). 

74. 

Tavanti, R. F. R. 

et al.

 What is the impact of pasture reform on organic carbon 

compartments and CO2 emissions in the Brazilian Cerrado? 

CATENA

 

194

, 104702 (2020). 

75. 

Powers, J. S., Corre, M. D., Twine, T. E. & Veldkamp, E. Geographic bias of field 

observations of soil carbon stocks with tropical land-use changes precludes spatial 

extrapolation. 

Proc. Natl. Acad. Sci.

 

108

, 6318–6322 (2011). 

76. 

De Oliveira, D. C., Maia, S. M. F., Freitas, R. D. C. A. & Cerri, C. E. P. Changes in soil 

carbon and soil carbon sequestration potential under different types of pasture management in 

Brazil. 

Reg. Environ. Change

 

22

, 87 (2022). 

77. 

Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

. Plan for Adaptation and Low 

Carbon Emission in Agriculture: Strategic Vision for a New Cycle.

 Ministério da Agricultura, 

Pecuária e Abastecimento, Brasília, DF, 2021). 

Page 30

Figures and page graphics, page 30

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

78. 

Brazil. Decree No. 11.815, of 5 December 2023. 

Establishes the National Program for 

the Conversion of Degraded Pastures into Sustainable Agricultural and Forestry Production 

Systems (PNCPD)

. Presidency of the Republic, Brasília (2023). 

79. 

Mello, F. F. C. 

et al.

 Payback time for soil carbon and sugar-cane ethanol. 

Nat. Clim. 

Change

 

4

, 605–609 (2014). 

80. 

De Souza Medeiros, A., Malta Ferreira Maia, S., Dos Santos, T. C. & De Araújo Gomes, 

T. C. Soil carbon losses in conventional farming systems due to land-use change in the 

Brazilian semi-arid region. 

Agric. Ecosyst. Environ.

 

287

, 106690 (2020). 

81. 

Fuentes-Llanillo, R. 

et al.

 Expansion of no-tillage practice in conservation agriculture in 

Brazil. 

Soil Tillage Res.

 

208

, 104877 (2021). 

82. 

Maia, S. M. F. 

et al.

 Potential of no-till agriculture as a nature-based solution for climate-

change mitigation in Brazil. 

Soil Tillage Res.

 

220

, 105368 (2022). 

83. 

Hatano, R., Mukumbuta, I. & Shimizu, M. Soil Health Intensification through 

Strengthening Soil Structure Improves Soil Carbon Sequestration. 

Agriculture

 

14

, 1290 

(2024). 

84. 

Souza, V. S. 

et al.

 Cover crops enhance soil health, crop yield and resilience of tropical 

agroecosystem. 

Field Crops Res.

 

322

, 109755 (2025). 

85. 

Cherubin, M. R. 

et al.

 Long-term effects of crop diversification on soil health, crop yield 

and resilience of tropical agroecosystems. 

J. Environ. Manage.

 

392

, 126845 (2025). 

86. 

Fang, X., Xue, Z., Li, B. & An, S. Soil organic carbon distribution in relation to land use 

and its storage in a small watershed of the Loess Plateau, China. 

CATENA

 

88

, 6–13 (2012). 

87. 

Lajeunesse, M. J. On the meta-analysis of response ratios for studies with correlated and 

multi-group designs. 

Ecology

 

92

, 2049–2055 (2011). 

Page 31

Figures and page graphics, page 31

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

88. 

Vetter, D. 

Handbook of Meta-Analysis in Ecology and Evolution

 . Edited by Julia 

Koricheva, Jessica Gurevitch, and Kerrie Mengersen. Princeton (New Jersey): Princeton 

University Press. $99.50 (hardcover); $65.00 (paper). xv + 498 p.; ill.; subject index. ISBN: 

978-0-691-13728-5 (hc); 978-0-691-13729-2 (pb). 2013. 

Q. Rev. Biol.

 

89

, 53–54 (2014). 

89. 

Melikov, C. H. 

et al.

 Quantifying the Effect Size of Management Actions on 

Aboveground Carbon Stocks in Forest Plantations. 

Curr. For. Rep.

 

9

, 131–148 (2023). 

90. 

Viechtbauer, W. Conducting Meta-Analyses in 

R

 with the metafor Package. 

J. Stat. 

Softw.36

, 1–48

 

(2010). 

91. 

Nakagawa, S., Senior, A. M., Viechtbauer, W. & Noble, D. W. A. An assessment of 

statistical methods for nonindependent data in ecological meta‐analyses: Comment. 

Ecology

 

103

, e03490 (2022). 

92. 

Borenstein, M., Hedges, L. V., Higgins, J. P. T. & Rothstein, H. R. 

Introduction to Meta‐

Analysis

. (Wiley, 2009). doi:10.1002/9780470743386. 

93. 

Siddique, I. A., Grados, D., Chen, J., Lærke, P. E. & Jørgensen, U. Soil organic carbon 

stock change following perennialization: a meta-analysis. 

Agron. Sustain. Dev.

 

43

, 58 (2023). 

94. 

Sterne, J. A. C. & Egger, M. Funnel plots for detecting bias in meta-analysis: guidelines 

on choice of axis. J. Clin. Epidemiol. 

54

, 1046–1047 (2001).95.  Egger, M., Smith, G. D., 

Schneider, M. & Minder, C. Bias in meta-analysis detected by a simple, graphical test. 

BMJ

 

315

, 629–634 (1997). 

96. 

Fragkos, K. C., Tsagris, M. & Frangos, C. C. Publication Bias in Meta-Analysis: 

Confidence Intervals for Rosenthal’s Fail-Safe Number. 

Int. Sch. Res. Not.

 

2014

, 1–17 (2014). 

97. 

Terrin, N., Schmid, C. H., Lau, J. & Olkin, I. Adjusting for publication bias in the 

presence of heterogeneity. 

Stat. Med.

 

22

, 2113–2126 (2003). 

Page 32

Figures and page graphics, page 32

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

98. 

R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. (R Foundation 

for Statistical Computing, Vienna, Austria, 2024). Available at: https://www.R-project.org/ 

 Acknowledgements 

J.V.  acknowledges  support  from  the  São  Paulo  Research  Foundation  (FAPESP,  grant 
#2023/09533-3). J.D. acknowledges support from the São Paulo Research Foundation (FAPESP, 
grant #2022/08629-4). M.R.C. acknowledges support from the National Council for Scientific and 
Technological 

Development 

(CNPq, 

grant 

#302249/2025-7). 

This  research  was  supported  by:  (i)  the  Center  for  Carbon  Research  in  Tropical  Agriculture 
(CCARBON/USP),  sponsored  by  FAPESP  (grant  #2021/10573-4);  (ii)  the  Research  Centre  for 
Greenhouse Gas Innovation (RCGI/USP), sponsored by FAPESP (grant #2020/15230-5) and Shell 
Brasil; 

and 

(iii) 

Bayer’s 

PROCarbono 

project. 

The authors thank M.Sc. Julie Camolesi da Silva and Professor Fabricio Batistin Zanatta for their 
assistance with statistical analyses, and Marina Pinho Oncken for language review services. 

Author contributions 

J.V., M.C., J.D., and C.C. designed the study. J.V. and J.D collected data. J.V. performed the meta-
analysis. J.V. wrote the article, with significant contributions provided by M.C., J.D., D.G., L.B., 
and C.C. All the authors contributed to the discussions and paper revision.  

Competing interests 

The authors declare no competing interests.

 

 
 

Figure 1.

 

Comparison of SOC

stocks

 under agriculture and native vegetation across Brazil and its biomes. 

In the 

violin plots, dots (black) indicate average (mean) values for SOC

stocks

 under native vegetation - NV (green dots) and 

agriculture - AGR (orange dots), and the kernel density plot represents the distribution of SOC

stocks

 among land uses 

overall in Brazil and across its biomes for soil layers 0–10 cm, 0–20 cm, 0–30 cm, and 0–100 cm. The values for each 

depth layer are independent and should not be interpreted cumulatively. *Data Absence. 

 

Figure 2.

 

Soil carbon stock changes and sequestration potential across Brazilian biomes. 

a) Location of studies 

of SOC

stocks

 under agriculture (AGR) and native vegetation (NV) and gaps in soil C stocks (Mg ha-1) of the biomes at 

the depths 0–10, 0–20 and 0–30 cm, obtained from the effect size (mean difference) of land use change (NV to AGR); 

b) Overall gaps in SOC

stocks

 (Mg ha

-1

); c) Distribution of soil C sequestration potential (Pg C) across the Brazilian 

biomes. The bars represent the confidence interval (CI: 95%) of the gap values of soil C stocks and the values next to 

each mean point () represent the size of the sample evaluated (as presented in Table S1 in supporting information S1).

 

The values for each depth layer are independent and should not be interpreted cumulatively.

 

In Figure 2a, the free 

biome  boundary  data  were  obtained  from  IBGE  (https://www.ibge.gov.br/geociencias/todos-os-produtos-

geociencias.html), the data on native vegetation and agricultural areas were obtained from MapBiomas – Coleção 7 

Page 33

Figures and page graphics, page 33

ARTICLE IN PRESS

ARTICLE IN PRESS

 

 

of  the  Annual  Land  Use  and  Land  Cover  Mapping  Series  (https://brasil.mapbiomas.org/downloads/),  and  the 

hydrographic network data were obtained from the ANA metadata catalogue (https://metadados.snirh.gov.br/). The 

data used to map the distribution of the study sites are available in Supplementary Data 1. 

 

Figure 3.

 

Percent change in SOC

stocks

 resulting from land-use and management transitions in Brazilian biomes.

  

The bars represent the mean effect sizes expressed as percent change (±95% CI of the response ratio-lnRR), 

estimated using a random-effects model. Values in parentheses indicate the number of paired observations 

used to calculate changes in SOC

stocks 

among land-use and management systems, whereas values in brackets 

represent  the  confidence  intervals.  The notation  ns  indicates  non-significant  statistical  differences  at  the 

95% confidence interval. In the overall panel, negative effects are shown in red and positive effects in green. 

 

 

Editor’s Summary 

This study quantifies Brazil’s soil carbon debt (1.40 Pg C) and demonstrates that improved 
agricultural practices enhance carbon recovery. The findings reveal Brazil’s significant capacity 
to mitigate emissions and influence global carbon markets.  

Peer review information

: 

Nature Communications

 thanks Ciniro Costa Junior, Filipe Behrends 

Kraemer and Li Xu for their contribution to the peer review of this work. A peer review file is 
available.