Back to report · Publisher record

Wang et al. (2023). Responses of soil organic carbon to climate extremes under warming across global biomes

Page 1

Figures and page graphics, page 1

1 

 

Responses of soil organic carbon to climate extremes under warming across 

global biomes 

Authors: 

Mingming Wang

1,2

, Shuai Zhang

1,2

, Xiaowei Guo

1,2

, Liujun Xiao

3

, Yuanhe Yang

4

, 

Yiqi Luo

5

, Umakant Mishra

6

, Zhongkui Luo

1,2,

* 

Affiliations: 

1

Key  Laboratory  of Agricultural  Remote  Sensing  &  Information  Technology 

(Zhejiang Province), College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, 

Hangzhou,  China; 

2

Key  Laboratory  of  Environment  Remediation  and  Ecological  Health, 

Ministry  of  Education,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  China; 

3

College  of  Agriculture, 

Nanjing Agricultural  University,  Nanjing,  China; 

4

State  Key  Laboratory  of  Vegetation  and 

Environmental  Change,  Institute  of  Botany,  Chinese Academy  of  Sciences,  Beijing,  China; 

5

School  of  Integrative  Plant  Science,  Cornell  University,  Ithaca,  NY,  USA; 

6

Computational 

Biology & Biophysics, Sandia National Laboratories, Livermore, CA, USA. 

Correspondence:

 Zhongkui Luo, luozk@zju.edu.cn

 

Abstract 

The  impact  of  more  extreme  climate  under  global  warming  on  soil  organic  carbon  (SOC) 

dynamics remains unquantified. Combining a space-for-time substitution approach and global 

SOC measurements (0–30 cm soil), we estimate the response of SOC to climate extreme shifts 

under 1.5 °C warming. Most extremes (22 out of 33 assessed extreme types) exacerbate SOC 

loss  under  warming  globally,  but  their  effects  vary  among  ecosystems.  Only  do  decreasing 

duration of cold spells exert consistent positive effects and increasing extreme wet days exert 

negative effects in all ecosystems, respectively. Temperate grasslands and croplands negatively 

respond  to  most  extremes,  while  positive  responses  are  dominant  in  temperate  and  boreal 

forests and deserts. In tundra, 21 extremes show neutral effects, but 11 extremes show negative 

effects with stronger magnitude than in other ecosystems. Our results reveal distinct, biome-

specific  effects  of  climate  extremes  on  SOC  dynamics,  promoting  reliable  SOC  projection 

under climate change. 

Introduction 

Both mean climate (e.g., average warming) and the frequency and intensity of climate extremes 

(e.g.,  more  heatwaves  and  droughts)  are  shifting  across  the  globe

1

.  This  shift  would 

SAND2024-04857J

Page 2

Figures and page graphics, page 2

2 

 

significantly impact terrestrial carbon balance due to strong carbon cycle-climate feedbacks

2-4

. 

Satellite-based observations and global observation networks (e.g., FLUXNET) have shown 

evidence that even a single climate extreme event can cause significant reduction in regional 

ecosystem production and its effects are usually time-lagged or last for years up to decades

5-7

. 

However, the relatively short-term nature of satellite-based and site-level records (e.g., satellite 

observation  was  only  available  from  1980s)  are  incapable  of  predicting  the  long-term 

consequences of climate extreme shifts on the global carbon cycle

3,8

. 

Amongst terrestrial carbon pools of the global carbon cycle, soil organic carbon (SOC) is 

the largest and more than twice of the carbon stored in vegetation biomass and the atmosphere

9

. 

Although the response of SOC to mean climate changes like warming has been extensively 

studied  using  modelling  and  experimental  approaches

10,

,  the  role  of  accompanied  shifts  of 

climate extremes in regulating such response has rarely been quantified based on observational 

data, particularly across large spatiotemporal extents

3

. A major challenge is that SOC changes 

would be only detectable or fully manifested at the time scale of SOC turnover which is usually 

decadal  or even  centurial  in  most soils

,11

. For this reason, observations after one or several 

extreme events occurred in a typical year or short period cannot fully capture long-term impacts 

of  more  extreme  climate  on  SOC  dynamics.  Furthermore,  replicating  climate  extremes  in 

experiments is challenging, and different extremes (e.g., droughts and heat waves) may elicit 

distinct responses in soil carbon fluxes, potentially altering SOC balance

12,13

.  

Climate extremes exert influence on SOC dynamics at various temporal scales. In the short 

term,  events  like  heavy  precipitation  can  lead  to  soil  waterlogging,  inhibiting  microbial 

decomposition and/or causing spatial redistribution of SOC through erosion

14,15

. Drought alter 

carbon inputs to the soil in terms of their amount, quality and timing through its effect on plant 

growth and soil hydrothermal regimes

8,16

. Heatwaves can accelerate SOC decomposition

17

, but 

often  accompanied  by  drought,  resulting  in  complex  effect  on  SOC.

 

Over  the  long  term, 

different climate extremes can bring about a series of ecological and environmental shifts

3

 such 

as:  1)  changes  in  soil  physiochemical  environment  (e.g.,  soil  aggregate  transformation  and 

stabilization,  hydrophobicity),  2)  alterations  in  plant,  soil  microbial  and  animal  community 

composition  and  functionality

3,18

,  and  3)  impacts  on  soil  hydrology  and  nutrient  cycling

19

. 

Overall,  shifts  in  climate  extremes  may  directly  or  indirectly  influence  long-term  SOC 

dynamics  depending  on  local  environmental  conditions  and  the  specific  type  of  climate 

extremes

20

. 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

3 

 

Here we quantify the response of SOC to  shifts  of various climate extremes which are 

projected  under  future  climate

21,22

.  This  quantification  builds  upon  SOC  stock  (kg  m

–2

) 

measurements in the 0–30 cm topsoil at 113,013 sites across the globe (ref.

23

, Fig. S1), along 

with eight indices representing the magnitude and frequency of different extreme events (Fig. 

S2, Table S1). These events include heat waves, cold waves, extreme dry and wet days from a 

global map product derived by the Expert Team on Climate Change Detection and Indices

24,25

. 

Another 25 indices were also obtained from the same map product, reflecting the threshold and 

probability  of  temperature-  and  precipitation-related  extremes  based  on  long-term  climate 

records

26

 (Table S1). Using the data, a hybrid approach combining space-for-time substitution 

and  meta-analysis  techniques

23

  (Fig.  1)  was  used  to  estimate  the  responses  of  SOC  to  two 

general climate change scenarios: a warmer climate without extreme shifts (W, i.e., only mean 

annual temperature is increased, which is assigned to 1.5 °C in this study), and a warmer and 

more extreme climate (W+E, 1.5 °C warming plus more extreme climate, Fig. 1). Uncertainties 

in future climate extremes

27

 were considered by using a five-level change gradient for each of 

the 33 climate extreme indices (CEIs) (Table S1). Compound extreme events (i.e., concurrent 

occurrence of multiple climate extremes) may also be more common in the future

28

, but are 

more difficult to predict. To demonstrate their importance, here we illustrate the influence of 

shifts in two compound extremes involving two widely recognized individual extremes: heat 

wave + extreme dry, and heat wave + extreme wet (Methods). 

Climate extremes diversify the response of SOC to warming 

Averaging across the globe, SOC is reduced by 10.5% (8.1–12.3%, 95% confidence interval) 

under  1.5  °C  warming  (i.e., W,  Figs.  2  and  S3),  consistent  with  our  previous  estimate  at  a 

similar  warming  level

23

.  However,  this  SOC  reduction  is  significantly  altered  by  shifts  in 

climate extremes (Figs. 2 and S3). For 8 out of 33 CEIs (heat wave frequency, extreme wet 

magnitude, extreme wet frequency, extreme dry magnitude, max daily minimum temperature, 

maximum daily precipitation, maximum precipitation of five consecutive days, precipitation 

intensity),  more  extreme  condition  consistently  exacerbates  SOC  reduction  (i.e.,  additional 

SOC reduction, Figs. 2 and S3), with the additional reduction increasing with higher extreme 

levels (Figs. 2 and S3). For example, SOC reduction increases from 2% with a two-day increase 

in heat wave frequency to 21% with a ten-day increase (Fig. 2). On the contrary, SOC reduction 

is consistently attenuated or even reversed for two extremes (cold wave magnitude and coldest 

daily minimum temperature), offsetting the negative effect of warming on SOC under more 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

4 

 

extreme conditions (Figs. 2 and S3). 

Several CEIs exhibit threshold or turning point regarding the rate or direction of warming-

induced SOC changes (Figs. 2 and S3). Specifically, a decrease in cold wave frequency (CWF) 

initially leads to less SOC reduction until reaching a turning point of a four-day decrease, after 

which further decrease in CWF results in more SOC reduction (Fig. 2). A similar pattern was 

also  detected  for  the  length  of  summer  days,  the  number  of  cool  days  and  nights,  and  the 

number of hot (tropical) nights (Fig. S3). For some other CEIs (i.e., extreme dry frequency, 

min daily  maximum  temperature, max daily minimum temperature,  growing season length, 

number  of  icing  days,  heavy  precipitation,  consecutive  wet  days),  SOC  changes  have  an 

apparent peak at certain CEI changes (Figs. 2 and S3). These varied SOC responses may stem 

from trade-offs between  changes  in  carbon inputs to  soil and decomposition  of SOC  under 

more extreme climate

29-31

, or distinct effects of climate extreme shifts on different ecosystem 

processes (e.g., microbial carbon use efficiency

32

) related to SOC dynamics. For instance, the 

decrease of cold wave frequency may not only benefit plant growth thereby enhancing carbon 

inputs  to  soil  but  also  stimulate  microbial  decomposition. The  net  effects  on  SOC  balance 

depend on the proportionate changes in carbon inputs and outputs. 

The responses of SOC to single extremes such as heat wave, extreme dry, and extreme wet 

are not significantly different from the responses to their compound events at their low-level 

changes (i.e., 20% increase in their frequency, Fig. 2b). However, at high-level changes (i.e., 

40% increase in frequency) of both individual events, compound heat wave and extreme dry 

(HWF+EDF) leads to an additional 13% SOC reduction, whereas heat wave and extreme dry 

events individually only lead to additional 2% and 5% SOC reduction, respectively (Fig. 2b). 

Similarly, additional SOC reduction induced by compound heat wave and extreme wet event 

was nearly double compared to that induced by single shifts of heat wave or extreme wet under 

high-level changes (Fig. 2b). These results demonstrate that compound climate extremes may 

cause more SOC reduction under warming (especially at high-level changes) and have a more 

profound and complex impacts compared to single extremes. 

Global average SOC changes induced by climate extremes 

We estimated percentage SOC changes attributed to climate extremes (ΔSOC

E

) under the W+E 

scenario by  calculating the difference between the  percentage  responses  to W+E and  to W. 

Then, a linear mixed-effects model with biome-dependent slopes but without intercept (i.e., 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

5 

 

additional change should be zero under zero climate extreme changes) was fitted to infer the 

relationship of ΔSOC

E

 with climate extreme change levels. The regression slopes can be also 

explained as  the percentage  of additional SOC changes induced by unit  changes in  climate 

extremes. 

On  average  ΔSOC

E

  shows  distinct  relationships  with  the  33  CEIs  in  terms  of  both 

magnitude and direction (i.e., the regression slopes for the fixed effect of climate extremes, Fig. 

3a).  Negative  relationships  are  dominant  (22  out  of  33).  However,  only  the  length  of  hot 

(tropical) nights (TR), cold spell duration index (CSDI), extreme dry magnitude (EDM), and 

extreme  wet  magnitude  (EWM)  exert  significant  linear  effects  (i.e.,  the  regression  slope  is 

significantly different from zero) on ΔSOC

E

 (Fig. 3a). Specifically, the slope for TR is –8%, 

that is, additional percentage of SOC reduction is 8% for every five-day increase of TR. SOC 

increases by 22% by per five-day decrease of CSDI. For EWM, SOC decreases by 7% per 0.1 

unit increase of EWM, and some other CEIs related to extreme precipitation magnitude also 

show  negative  effects  on  SOC.  Positive  relationships  between  SOC  and  climate  extremes 

mainly occur for extremes related to shortening of low temperature days such as frost days and 

cold spells (Fig. 3a). In addition, the increase of low temperature-related extremes represented 

by day-time and night-time minimum temperature have positive effects, while CEIs related to 

high temperature extremes show negative effects, especially the maximum and range of daily 

temperature. For EDM, every 0.1 unit increase leads to additional 16% SOC reduction, and the 

extreme dry frequency also shows a negative effect (Fig. 3a).  

Biome-specific SOC changes induced by climate extremes 

SOC in different ecosystems show distinct responses to climate extremes (Figs. 3b and S4). In 

temperate grasslands and croplands, SOC is negatively influenced by most climate extremes 

assessed (23 and 20 out of 33, respectively), followed by tropical/subtropical forests (16 out of 

33,  Fig.  3b). The  impacts  of  climate  extremes  on  SOC  in  croplands  may  be  modulated  by 

management intervention. Irrigation, for example, may stimulate SOC decomposition via its 

positive effects on soil moisture. Besides, many crop varieties are genetically selected for high 

production in optimal conditions, so they would be more sensitive to extreme events

33

. In other 

ecosystems except tundra, positive effects are more common (Fig. 3b). Especially, only four 

CEIs show significant negative effects in boreal forests. In tundra, 21 CEIs exert neutral (i.e., 

insignificant) effects, while only does decreasing cold wave magnitude show positive influence. 

The remaining 11 extremes show negative effects, and, more importantly, the magnitude of 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

6 

 

most effects is much stronger in tundra than their corresponding effects in other ecosystems 

(Figs. 3b and S4). Tundra has been suggested to be the most vulnerable ecosystem to climate 

change

34,35

. More extreme climate may worsen the vulnerability of SOC stocks in tundra.  

The same climate extreme exerts distinct effects on SOC across ecosystems (Figs, 3b and 

S4). For example, increase of heat wave magnitude has significant negative effect on ΔSOC

E

 

in tropical/subtropical ecosystems (forests and grasslands/savannas), but positive in temperate 

forest,  Mediterranean/montane shrublands and croplands (Fig. S4).  Increase of extreme dry 

frequency negatively influences ΔSOC

E

 in five ecosystems but positively in temperate forest 

and  deserts.  In  addition,  for  the  same  type  of  extremes,  the  changes  of  its  frequency  and 

magnitude (i.e., the intensity or severity of one event) have different consequences on ΔSOC

E

 

(Fig. S4). For example, unlike the positive effects of extreme dry frequency in temperate forests 

and  deserts,  the  positive  effect  of  extreme  dry  magnitude  occurs  in  boreal  forests  and 

tropical/subtropical grasslands/savannas. It is noteworthy that cold spell duration and extreme 

wet magnitude are the only two CEIs showing consistent positive and negative effects (if the 

effect is significant) on SOC in all ecosystems, respectively (Fig. S4).  

Comparison with field experiments 

Drought  is  the  most  experimentally  explored  climate  extreme  in  terms  of  its  effect  on 

ecosystem carbon balance, albeit experimental duration is relatively short

19

. We compared our 

estimates to a recent meta-analysis synthesizing global drought experiments

19

 (Fig. S5). We 

integrated ΔSOC

E

 induced by EDM into relevant three general ecosystems in order to conduct 

a comparison with field drought experiments (limited observational data do not allow us to do 

a biome-to-biome comparison, Fig. S5). In grasslands, our estimation of significant negative 

ΔSOC

E

 is comparable to the estimation of field experiments. Forest ecosystems on average are 

less vulnerable to EDM than grasslands, and our estimation is not significantly different from 

experimental  estimations  which,  however,  show  much  larger  uncertainties  (Fig.  S5).  In 

shrublands, we estimate comparable negative ΔSOC

E

 between grasslands and shrublands, but 

field observations are generally positive albeit insignificant. Averaging across the globe, field 

manipulative  experiments  observed  smaller  response  of  SOC  to  the  same  level  of  EDM 

changes (Fig. S5). In the short time (e.g., the duration of field experiments ranges from 1 to 13 

years

19

), drought  usually induces immediate reduction of soil respiration,  yet  carbon inputs 

may do not change much and thereby exerting limited effect on net SOC balance. In the long 

term,  however,  EDM  increase  may  substantially  decrease  carbon  inputs  to  soil  through 

Page 7

Figures and page graphics, page 7

7 

 

increased  plant  mortality  and  decreased  vegetation  productivity

36

,  which  cannot  be  fully 

captured by relative short manipulative experiments. 

Drivers of the responses of SOC to climate extremes

 

We  trained  a  machine  learning  model  -  random  forest  (RF)  -  to  explore  controls  over  the 

variance of ΔSOC

E

 for the eight CEIs

 

indicating the magnitude and frequency of heatwave, 

cold waves, extreme dry and wet events (Methods). For all eight CEIs, the RF model driven by 

climatic attributes related to mean and extreme climate conditions, soil properties, vegetation 

characteristics, and topographic attributes explains >70% of the variance of ΔSOC

E

 (Figs. 4a 

and S6). Baseline SOC level is  the most important  individual  predictor, and  alone explains 

15~18% of the variance of ΔSOC

E

. For all eight CEIs, ΔSOC

E

 is negatively associated with 

baseline SOC levels and remains constant until SOC reaches a threshold of ~300 Mg C ha

–1

 

(Fig. 4b). However, it should be acknowledged that baseline SOC itself should not be explained 

as the driving force of SOC dynamics

37

. We find that those carbon-rich soils mainly distribute 

nearby or in wetlands including peatland and coastal areas, and another small fraction in tundra 

which has relatively low temperature (Fig. S7). In these systems, particulate organic carbon 

(POC)  usually  dominates  SOC

38

  and  is  more  sensitive  to  climate  change  than  other  SOC 

components like mineral-associated organic carbon (MAOC)

39

, which may result in general 

strong response of SOC to climate change. However, POC has much higher C:N ratio than 

MAOC

38

, its decomposition is strongly dependent of nutrient availability which would limit its 

response  to  climate  change  when  POC  is  quite  high

40

.  In  addition,  under  climate  change, 

particularly warming and drought-relevant events, wetland soils may become less anaerobic 

and suffer from subsidence

41

, thereby altering SOC density and the estimation of SOC changes 

based on soil depth. Overall, wetlands involve complex interactive responses of aboveground 

(e.g., vegetation shift) and belowground process (e.g., oxidation, subsidence, shift of anerobic 

and aerobic conditions) to climate change, which may play a vital role in determining wetland 

SOC balance

42

.  

Baseline  climatic  attributes  together  contribute  the  largest  fraction  (42-51%)  to  the 

explained variance of ΔSOC

E

 for all CEIs (Fig. 4a), and their influence is

 

obviously

 

nonlinear 

(Figs. 4 and S8). Mean annual temperature negatively influences ΔSOC

E

 (Fig. 4c), while the 

influence of mean annual precipitation is marginal and much weaker except for extreme dry 

magnitude (Fig. 4d vs 4a), demonstrating that SOC is generally more vulnerable to extreme 

dry  event  in  warmer  and  wetter  regions.  However,  extreme  climate  conditions  together  are 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

8 

 

more important than mean climate, suggesting that baseline climate extreme conditions play a 

vital role in determining the effect of future climate extreme shifts on SOC. Especially, we 

found strong dependency of ΔSOC

E

 induced by a typical CEI on the corresponding baseline 

CEI (Fig. S8). For example, if the baseline magnitude of EDM is already high, more extreme 

conditions have smaller effect on ΔSOC

E

 (Fig. S8). The positive effect of decreasing cold wave 

magnitude (CWM) is much stronger in regions with higher baseline CWM.  

Although our study does not explicitly assess the underlying mechanisms, biome-specific 

responses to climate extremes are likely associated with interactive effects of water and energy 

on both carbon inputs and outputs over space and time. Energy-limited systems (e.g., boreal 

forests and tundra) would be more sensitive to temperature-related extremes. In boreal forests, 

for  example,  the  reduction  of  extreme  cold  events  substantially  stimulates  plant  growth 

superseding  enhanced  SOC  decomposition

43,44

,  resulting  in  net  SOC  gains

45,46

.  This  is 

corroborated with the positive effects of shortening of cold spell, lengthening of warm spell, 

and  other  temperature-related  extremes  (Figs.  3  and  S4).  In  tundra,  reduction  of  energy 

limitation may accelerate permafrost thaw and thereby stimulating microbial growth and SOC 

decomposition

34,35

.  Water-limited  systems  (e.g.,  grasslands  and  savannas)  would  be  more 

sensitive to extremes that alter precipitation seasonal pattern or worsen/loosen water limitation. 

Additionally, the characteristics of vegetations (e.g., canopy height, litter layer, rooting depth) 

would also mediate how ecosystems respond to climate extremes. Woody systems (e.g., forests 

and shrublands) may be more tolerant to extreme wet conditions than herbaceous systems (e.g., 

grasslands  and  croplands)

47

,  and  the  existence  of  organic  layer  would  increase  soil  water 

holding capacity and prevent or weaken the loss of particulate and dissolved organic carbon 

via erosion or runoff

48

. Indeed, our results show that extreme wet frequency shows positive 

effects in forest and shrubland ecosystems, but negative in grasslands and croplands (Fig. S4). 

Overall, climate extreme shifts may alter water-energy interactions depending on local climatic 

conditions, which then change plant performance and SOC decomposition and stabilization 

processes  such  as  shifts  in  microbial  community  functioning  and  substrate  utilization 

strategies

18,49

 and thereby inducing diverse effects of climate extremes across ecosystems.  

Global pattern of SOC responses to climate extremes

 

We apply the cross-validated RF models (Fig. S6) to map ΔSOC

E

 induced by changes in the 

eight  CEIs  (i.e.,  the  magnitude  and  frequency  of  heatwave,  cold  wave,  extreme  dry,  and 

extreme wet) across the globe (Figs. 5 and S9) and its uncertainty (Figs. S10 and S11). Global 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

9 

 

average additional ΔSOC

E

 is estimated to be –139 ± 7.1, –98 ± 4.5, –27 ± 6.1, –4.5 ± 6.3, –125 

±  5.8,  –106  ±  5.2,  –130  ±  5.8,  –160  ±  5.8  Pg  (mean  ±  standard  error)  for  the  eight  CEIs, 

respectively (Table S3). There are hotspots of SOC response, albeit the global average SOC 

change is small under some extremes (Figs. 5, 11, and S9). For example, a 0.15 unit increase 

in drought magnitude (which is equivalent to a 40% increase of its global average) only leads 

to additional <1% reduction of global SOC (Fig. S12e), but induces 50 Pg SOC reduction in 

tropical and subtropical regions, north America and Europe (Table S3), and increases SOC in 

many high latitudinal regions, especially in Siberia (Figs. 5e and S12e). Six-day increase of 

annual heat wave frequency results in 6% additional SOC reduction averaging across the globe 

(Fig. S12b). This reduction is mainly in tropical and subtropical regions, north America, and 

north Europe (Figs. 5b and S12b). A 6% increase of drought frequency does not significantly 

alter global SOC (Fig. S12f) but leads to substantial additional reduction in north European and 

north American wetlands (Fig. 5f).  

More intense (0.15 unit increase in magnitude) and frequent (6% increase in frequency) 

precipitation extremes result in SOC reduction by 7% and 2%, respectively, across the globe 

(Fig. S12g, h). The most vulnerable regions to extreme precipitation are Europe, north America, 

and  some  tropical  and  subtropical  regions  (Figs.  5g,  h).  However,  more  frequent  heavy 

precipitation can offset warming-induced SOC reduction in dry and semi-arid regions, such as 

central Asia, Australia, south Africa and Sahel region (Fig. 5h). Less cold waves significantly 

decrease SOC reduction (i.e., positive ΔSOC

E

) in most regions of the globe (Figs. 4b, c and 

S12b, c). Our results indicate that there are distinct hotspots in ΔSOC

E

 depending on the type 

of  climate  extremes.  However,  there  are  regions  where  SOC  is  vulnerable  to  all  climate 

extremes. These regions mainly locate in Europe, southeast Asia, north America, and Amazon. 

Unfortunately, these regions are also hotspots experiencing more frequent and intense climate 

extremes

50,51

.  

Limitations and uncertainties

 

The space-for-time substitution approach has some limitations and uncertainties, e.g., without 

considering other global change factors (e.g., nitrogen deposition and wildfire) and the steady 

state assumption

23

. However, the impacts of these factors would be relatively small compared 

to the impacts of climate change represented by warming and shifts in climate extremes. In 

addition, other global change factor usually exerts much larger spatial variability (e.g., wildfire), 

and the relevant data is relatively limited. Croplands are the land use type greatly affected by 

Page 10

Figures and page graphics, page 10

10 

 

human  activities  in  terms  of  both  cultivation  length  (from  years  to  millennia)  and  land 

management. Thus, SOC stocks are unlikely to be under steady state in croplands. However, 

excluding soil profiles from croplands, the estimated response of SOC to climate extremes did 

not  apparently  change (Fig. S13), suggesting that steady state assumption would have little 

effect  on  our  SOC  change  projection  under  projected  climate  extremes. A  number  of  other 

sensitivity analyses have also demonstrated the robustness of the approach (Methods, Fig. S14-

16). Another limitation is that only were two compound events involving two types of climate 

extremes assessed. The natural environment may experience multiple compound events over 

different time scales. We acknowledge that more analyses focusing on compound events and 

their  influence  are  needed

52

.  However,  potential  interconnections  among  different  types  of 

climate extremes involved in compound events need to be clearly defined and quantified, which 

itself remains a challenge

28

.

 

Conclusions 

We  used  a  novel  approach  to  infer  SOC  changes  induced  by  a  warmer  climate  with  more 

climate  extremes.  Our  approach  implicitly  takes  long-term  transition  of  ecosystems  into 

account,  and quantifies the SOC difference between steady states under  contrasting climate 

conditions,  which  is  otherwise  impossible  by  conducting  field  experiments  or  modelling 

without  explicit  understanding  of  the  underlying  mechanisms.  The  results  reveal  distinct 

(positive,  neutral  or  negative)  responses  of  SOC  to  the  shifts  of  different  types  of  climate 

extremes. On a global scale, on average, most climate extremes may exacerbate SOC loss under 

future climate. Among ecosystems,  however, the magnitude and direction of the effects  are 

ecosystem-dependent.  Temperate  grasslands,  croplands,  and  tropical/subtropical  forests  are 

sensitive to most climate extremes under warming. Tundra showed the strongest response to a 

series of climate extremes compared to other ecosystems. Studies focusing on the impacts of 

climate extremes on tundra SOC and carbon-rich soils (e.g., wetland soil) are urgently needed. 

Our results and mapping provide a benchmark for identifying biome-specific critical climate 

extremes and sensitive areas of SOC changes as a result of climate extremes. These results 

demonstrate that climate extremes play a key role in determining SOC balance under climate 

change  probably  via  modulating  local  water-energy  interactions  thereby  carbon  inputs  and 

SOC decomposition  and stabilization processes, which  must be considered in  Earth system 

models and related climate polices to  gain  a more reliable prediction  for SOC dynamics in 

response to climate change.  

Page 11

Figures and page graphics, page 11

11 

 

References 

1  Seneviratne.,  S.  I.

  et  al.

  Changes  in  climate  extremes  and  their  impacts  on  the  natural 

physical environment. 

In: Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance 

Climate Change Adaptation [Field, C.B., V. Barros, T.F. Stocker, D. Qin, D.J. Dokken, K.L. 

Ebi, M.D. Mastrandrea, K.J. Mach, G.-K. Plattner, S.K. Allen, M. Tignor, and P.M. Midgley 

(eds.)]. A Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on 

Climate Change (IPCC). Cambridge University Press, Cambridge, UK, and New York, NY, 

USA, pp. 109-230

, (2012). 

2  Piao, S.

 et al.

 The impacts of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: A review. 

Sci. 

China Earth Sci.

, 1-13, (2019). 

3  Reichstein, M.

 et al.

 Climate extremes and the carbon cycle. 

Nature

 

500

, 287-295, (2013). 

4  Frank,  D.

  et  al.

  Effects  of  climate  extremes  on  the  terrestrial  carbon  cycle:  concepts, 

processes and potential future impacts. 

Glob Chang Biol

 

21

, 2861-2880, (2015). 

5  Gampe, D.

 et al.

 Increasing impact of warm droughts on northern ecosystem productivity 

over recent decades. 

Nat. Clim. Change

 

11

, 772-779, (2021). 

6  Ciais,  P.

  et  al.

  Europe-wide  reduction  in  primary  productivity  caused  by  the  heat  and 

drought in 2003. 

Nature

 

437

, 529-533, (2005). 

7  Zscheischler, J., Mahecha, M. D., Harmeling, S. & Reichstein, M. Detection and attribution 

of large spatiotemporal extreme events in Earth observation data. 

Ecol Inform

 

15

, 66-73, 

(2013). 

8  Sippel, S.

 et al.

 Drought, heat, and the carbon cycle: a review. 

Current Climate Change 

Reports

 

4

, 266-286, (2018). 

9  Friedlingstein, P.

 et al.

 Global Carbon Budget 2021. 

Earth Syst. Sci. Data

 

14

, 1917-2005, 

(2022). 

10  Crowther, T. W.

 et al.

 Quantifying global soil carbon losses in response to warming. 

Nature

 

540

, 104-108, (2016). 

11  Xiao, L.

 et al.

 Younger carbon dominates global soil carbon efflux. 

Glob Chang Biol

 

28

, 

5587-5599, (2022). 

12  Smith,  M.  D.,  Knapp,  A.  K.  &  Collins,  S.  L.  A  framework  for  assessing  ecosystem 

dynamics in response to chronic resource alterations induced by global change. 

Ecology

 

90

, 

3279-3289, (2009). 

13  Sippel,  S.,  Zscheischler,  J.  &  Reichstein,  M.  Ecosystem  impacts  of  climate  extremes 

crucially depend on the timing. 

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

 

113

, 5768-5770, (2016). 

14  Lugato, E.

 et al.

 Soil erosion is unlikely to drive a future carbon sink in Europe. 

Science 

Page 12

Figures and page graphics, page 12

12 

 

Advances

 

4

, (2018). 

15  Van  Oost,  K.

  et  al.

 The  impact  of  agricultural  soil  erosion  on  the  global  carbon  cycle. 

Science

 

318

, 626-629, (2007). 

16  Anderegg,  W.  R.

  et  al.

  Pervasive  drought  legacies  in  forest  ecosystems  and  their 

implications for carbon cycle models. 

Science

 

349

, 528-532, (2015). 

17  Anjileli, H.

 et al.

 Extreme heat events heighten soil respiration. 

Sci Rep

 

11

, 6632, (2021). 

18  Bardgett,  R.  D.  &  Caruso, T.  Soil  microbial  community  responses  to  climate  extremes: 

resistance, resilience and transitions to alternative states. 

Philos Trans R Soc Lond B Biol 

Sci

 

375

, 20190112, (2020). 

19  Deng,  L.

  et  al.

  Drought  effects  on  soil  carbon  and  nitrogen  dynamics  in  global  natural 

ecosystems. 

Earth Sci Rev

 

214

, (2021). 

20  Sippel,  S.,  Zscheischler,  J.  &  Reichstein,  M.  Ecosystem  impacts  of  climate  extremes 

crucially depend on the timing. 

Proc Natl Acad Sci U S A

 

113

, 5768-5770, (2016). 

21  Diffenbaugh, N. S.

 et al.

 Quantifying the influence of global warming on unprecedented 

extreme climate events. 

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

 

114

, 4881-4886, (2017). 

22  Fischer, E. M., Sippel, S. & Knutti, R. Increasing probability of record-shattering climate 

extremes. 

Nat. Clim. Change

 

11

, 689-695, (2021). 

23  Wang, M.

 et al.

 Global soil profiles indicate depth-dependent soil carbon losses under a 

warmer climate. 

Nat. Commun.

 

13

, 5514, (2022). 

24  Karl,  T.  R.,  Nicholls,  N.  &  Ghazi,  A.  in 

Weather  and  Climate  Extremes:  Changes, 

Variations and a Perspective from the Insurance Industry

 (eds Thomas R. Karl, Neville 

Nicholls, & Anver Ghazi) 3-7 (Springer Netherlands, 1999). 

25  Mistry,  M.  A  High-Resolution  Global  Gridded  Historical  Dataset  of  Climate  Extreme 

Indices. 

Data

 

4

, (2019). 

26  Karl,  T.  R.,  Nicholls,  N.  &  Ghazi,  A.  Clivar/GCOS/WMO  Workshop  on  Indices  and 

Indicators  for  Climate  Extremes Workshop  Summary. 

Weather.  Clim.  Extremes

 

42

,  3-7, 

(1999). 

27  Yeon-Hee Kim, S.-K. M., Xuebin Zhang, Jana Sillmann, Marit Sandstad. Evaluation of the 

CMIP6 multi-model ensemble for climate extreme indices. 

Weather. Clim. Extremes

 

29

, 

100269, (2020). 

28  Zscheischler, J.

 et al.

 Future climate risk from compound events. 

Nat. Clim. Change

 

8

, 469-

477, (2018). 

29  Bardgett,  R.  D.  &  Caruso, T.  Soil  microbial  community  responses  to  climate  extremes: 

resistance,  resilience  and  transitions  to  alternative  states. 

Phil.  Trans.  R.  Soc.  B

 

375

, 

Page 13

Figures and page graphics, page 13

13 

 

20190112, (2020). 

30  Bennett, A. C.

 et al.

 Resistance of African tropical forests to an extreme climate anomaly. 

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

 

118

, (2021). 

31  Zhao, M. & Running, S. W. Drought-induced reduction in global terrestrial net primary 

production from 2000 through 2009. 

Science

 

329

, 940-943, (2010). 

32  Tao, F.

 et al.

 Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage. 

Nature

, 

618

, 981–985 (2023). 

33  Eckardt, N. A.

 et al.

 Climate change challenges, plant science solutions. 

Plant Cell

 

35

, 24-

66, (2023). 

34  Xue,  K.

  et  al.

 Tundra  soil  carbon  is  vulnerable  to  rapid  microbial  decomposition  under 

climate warming. 

Nat. Clim. Change

 

6

, 595-600, (2016). 

35  Plaza, C.

 et al.

 Direct observation of permafrost degradation and rapid soil carbon loss in 

tundra. 

Nat. Geosci.

 

12

, 627-631, (2019). 

36  Liu, Q.

 et al.

 Drought-induced increase in tree mortality and corresponding decrease in the 

carbon sink capacity of Canada's boreal forests from 1970 to 2020. 

Glob Chang Biol

 

29

, 

2274-2285, (2023). 

37  Slessarev,  E. W.

  et  al.

  Initial  soil  organic  carbon  stocks  govern  changes  in  soil  carbon: 

Reality or artifact? 

Glob Chang Biol

 

29

, 1239-1247, (2023). 

38  Cotrufo, M. F., Ranalli, M. G., Haddix, M. L., Six, J. & Lugato, E. Soil carbon storage 

informed by particulate and mineral-associated organic matter. 

Nat. Geosci.

 

12

, 989-994, 

(2019). 

39  Lugato, E., Lavallee, J. M., Haddix, M. L., Panagos, P. & Cotrufo, M. F. Different climate 

sensitivity of particulate and mineral-associated soil organic matter. 

Nat. Geosci.

 

14

, 295-

300, (2021). 

40  Du, E.

 et al.

 Global patterns of terrestrial nitrogen and phosphorus limitation. 

Nat. Geosci.

 

13

, 221-226, (2020). 

41  Wang,  H.,  Richardson,  C.  J.  &  Ho,  M.  Dual  controls  on  carbon  loss  during  drought 

in peatlands. 

Nat. Clim. Change

 

5

, 584-587, (2015). 

42  Bao,  T.,  Jia,  G.  &  Xu,  X.  Weakening  greenhouse  gas  sink  of  pristine  wetlands  under 

warming. 

Nat. Clim. Change

 

13

, 462-469, (2023). 

43  Gauthier, S., Bernier, P., Kuuluvainen, T., Shvidenko, A. Z. & Schepaschenko, D. G. Boreal 

forest health and global change. 

Science

 

349

, 819-822, (2015). 

44  Wang, J., Taylor, A. R. & D'Orangeville, L. Warming-induced tree growth may help offset 

increasing disturbance across the Canadian boreal forest. 

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

 

120

, 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

14 

 

e2212780120, (2023). 

45  Jarvis, P. & Linder, S. Constraints to growth of boreal forests. 

Nature

 

405

, 904-905, (2000). 

46  Lim, H.

 et al.

 Boreal forest biomass accumulation is not increased by two decades of soil 

warming. 

Nat. Clim. Change

 

9

, 49-52, (2018). 

47  Wang,  P.,  Huang,  K.  &  Hu,  S.  Distinct  fine-root  responses  to  precipitation  changes  in 

herbaceous and woody plants: a meta-analysis. 

New Phytol

 

225

, 1491-1499, (2020). 

48  Vereecken, H.

 et al.

 Soil hydrology in the Earth system. 

Nat Rev Earth Environ

 

3

, 573-587, 

(2022). 

49  García-Palacios, P.

 et al.

 Evidence for large microbial-mediated losses of soil carbon under 

anthropogenic warming.

 Nat Rev Earth Environ

 

2

, 507-517, (2021). 

50  Ridder, N. N.

 et al.

 Global hotspots for the occurrence of compound events. 

Nat. Commun.

 

11

, 5956, (2020). 

51  Xu, L., Wang, A., Wang, D. & Wang, H. Hot Spots of Climate Extremes in the Future. 

J 

Geophys Res-Atmos

 

124

, 3035-3049, (2019). 

52  Tschumi,  E.  &  Zscheischler,  J.  Countrywide  climate  features  during  recorded  climate-

related disasters. 

Clim Change

 

158

, 593-609, (2020). 

Methods 

Data sources 

We  used  the  same  global  dataset  of  SOC  stock  (Mg  C  ha

–1

)  as  ref

25

. The  dataset  includes 

110,695 SOC measurements in the 0–30 cm soil layer depth compiled into the WoSIS snapshot 

of 2019, which was collated and managed by the World Soil Information Service

53

. The dataset 

includes the snapshot of 2019. Another 2,778 measurements for the 0–30 cm soil layer from 

permafrost-affected regions

54

 were also included in the dataset. In brief, the data were quality-

assessed and standardized, using consistent procedures. The dataset covers nine major biome 

groups (Fig. S1) under various climate conditions across the globe. At the locations of SOC 

measurements, mean annual temperature (MAT) ranges from –20.0 to 30.7 °C and mean annual 

precipitation (MAP) from 0 to 6,674 mm. 

MAT and MAP at  each soil location were extracted from WorldClim version 2 (ref.

55

), 

which  is  a  global  mapping  product  at  the  resolution  of  0.0083°×0.0083°  using  monthly 

temperature  and  precipitation  recorded  for  the  period  1970-2000.  Soil  profiles  in  the  same 

0.0083° grid (i.e., ~1 km

2

) share the same MAT and MAP. The WWF (World Wildlife Fund) 

Page 15

Figures and page graphics, page 15

15 

 

map of terrestrial ecoregions of the world

56

 was used to extract the biome type at each soil 

profile. The MODIS land cover map

57 

at the same resolution of WorldClim was used to identify 

that if the soil profile is located in a cultivated land (i.e., cropland or cropland/natural vegetation 

mosaic). A global landform spatial layer was obtained from Global Landform Classification

58

 

(https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/global-landform-classification) to identify the landform 

at each soil location. Global terrestrial lands were divided into three general landform types: 

plains including lowlands, plateaus, and mountains including hills. A global spatial layer of the 

12  USDA  soil  orders  (https://www.nrcs.usda.gov/resources/guides-and-instructions/soil-

taxonomy) were used to distinguish the soil type for each soil profile. 

Climate extremes 

At the location of each soil profile, 25 climate extreme indices (CEIs) defined by the expert 

team  on  Climate  Change  Detection  and  Indices

59

  were  extracted  from  a  high  resolution 

historical  dataset  of  climate  extreme  indices

25

  (that  is  a  gridded  mapping  product  at  the 

resolution of 0.25°×0.25°, which is equivalent to ~ 25 km at the equator). In brief, the average 

CEIs were calculated based on sub-daily temperature and precipitation observations during the 

period  1970–2016  using  the  climate  data  managed  by  the  Global  Land  Data Assimilation 

System

60

, representing baseline climate extreme conditions such as the intensity and frequency 

of heatwaves, drought, and heavy precipitation. Soil profiles locate in the same 0.25°×0.25° 

grid (i.e., ~25 km × ~25 km) share the same CEIs. A detailed description of CEIs is listed in 

Table S1. 

In addition, another  eight indices indicating the magnitude and frequency of heatwave, 

cold waves, extreme dry and wet events (Table S1) were also obtained from this global mapping 

product of CEIs (Fig. S2)

25

. A heatwave event is defined as consecutive three or more days 

with a positive value of the excess heat factor

61

. The magnitude and frequency of heatwaves 

(HWM and HWF) are the average temperature across all individual heatwave events and the 

total number of days that contribute to all heatwave events every year, respectively. The cold 

wave event is identified by the excess cold factor

62

 with a negative value for consecutive three 

or more days. The mean magnitude and frequency of cold wave (CWM and CWF) is the mean 

temperature  and  number  of  days  of  all  cold  wave  events,  respectively.  The  standardized 

precipitation index (SPI) at the temporal resolution of 3-month

63

 in this global historical dataset 

of CEIs

25

 was used to identify extreme dry and wet events. An extreme dry event (i.e., drought) 

Page 16

Figures and page graphics, page 16

16 

 

was identified if SPI 

≤

 –1, and an extreme wet event was identified if SPI > 1 (ref.

64,65

). Then, 

the  intensities  of  every  extreme  dry  and  wet  events  were  calculated  as  the  average  of  the 

difference  between  SPI  in  event  duration  and  event  thresholds.  The  average  magnitude  of 

extreme dry and wet event (EDM and EWM) is the average value of intensity of individual 

events during the period 1970–2016. Their average frequency was calculated as the percentage 

of total extreme dry and wet (EDF and EWF) months in total months during the period 1970–

2016.  

Space-for-time substitution-based grouping 

Taking advantage of the big dataset of more than 100 thousand soil profiles, we adopted an 

approach  combining  space-for-time substitution with  meta-analysis  techniques

23

 to  estimate 

the  role  of  climate  extremes  in  regulating  the  response  of  SOC  to  warming. This  approach 

controls the effects of other confounding variables such as soil type and landform as well as 

precipitation and its seasonality, and conducts assessment based on grouped data distinguished 

by the intensity and/or frequency of climate extremes of interest.  

The approach has been explicitly described in ref.

23

, and applied to estimate the response 

of whole-soil profile SOC dynamics to warming without considering climate extremes

23

. In 

this study, we quantify the influences of climate extremes on SOC dynamics under climate 

warming by comparing SOC changes under two general climate scenarios (Fig. 1): warming 

alone (W), and warming with changes in climate extremes represented by the 33 CEIs (W+E). 

For each CEI, the estimated response under W+E was compared to that under W. In addition, 

since there are no consistent estimations on the magnitude of the changes of climate extremes

1

, 

an potential change gradient with five levels is assigned to each CEI (ΔCEI, Table S1). For this 

reason, there is a total of 165 comparisons (i.e., 33 CEIs × 5 change levels). For each CEI, in 

detail, the estimation starts from a soil profile randomly selected from the 113,013 soil profiles. 

This soil profile is used as a criterion to select a group of soils sharing the same MAT, CEI, 

MAP, precipitation seasonality, landform and soil type. This group is called ambient group (A 

group).  

Then, another two groups (i.e., W and W+E groups) are selected according to the same 

selection criterion as the A group, except that MAT in both W and W+E groups must be certain 

degrees higher (1.5 °C in this study, which is the global climate target

66

) than that in the A 

group to reflect warming, and CEI in the W+E group must be certain magnitude higher or lower 

Page 17

Figures and page graphics, page 17

17 

 

(i.e., the five change levels of CEI, Table S1) than CEI in the A group to reflect shift of extreme 

climate. During the selection process, MAT, CEI, and MAP of soil profiles (due to they are 

continuous variables) in the same group cannot be exactly the same, and tolerance values (τ, 

which defines the allowed maximum deviation of the variable of interest in the same group) of 

0.5 °C and 25 mm were assigned for MAT and MAP, respectively. To make the estimation more 

robust,  these  groups  with  less  than  5  soil  profiles  is  rejected.  For  each  CEI,  an  empirical 

tolerance value has also been assigned by considering its distribution across the globe (Table 

S1). These tolerance values are different among the CEIs.  By conducting this selection and 

grouping, we obtained triples including A, W and W+E groups. With the replacement of the 

selected profile within the triple, the same random sampling, selection and grouping procedure 

have been applied until the number of triples are large enough to obtain robust estimation of 

response ratio (Fig. S14). At last, we obtain a set of triples with the same warming and climate 

extreme change levels under different environmental conditions (i.e., ambient MAT and CEI, 

MAP, precipitation seasonality, soil type and landform).  

Compound extreme events (i.e., concurrent occurrence of multiple climate extremes) may 

be also more common in the future

28,67

. To estimate the response of SOC to compound climate 

extremes,  several  CEIs  were  simultaneously  used  to  conduct  the  selection  and  grouping 

procedure to represent the occurrence of multiple evets. Unfortunately, the data does not allow 

us to quantify the effects of all possible compound events as more criteria have to be applied 

to the selection of triples for comparison, which will substantially shrink the number of triples, 

resulting  in  unreliable  estimation.  Here,  we  only  quantified  the  influence  of  shifts  in  two 

common  compound  events  involving  two  individual  events:  heatwave  +  extreme  dry,  and 

heatwave + extreme wet. The data only allowed us to obtain enough triples for the first two 

levels of changes of the two events. For this assessment, the similar sampling and selection 

processes for single event have been applied except that both CEIs were considered. 

Estimation of the response of SOC to warming and climate extreme changes 

Meta-analysis  techniques  were  used  to  estimate  the  response  of  SOC  to  W  and  W+E  by 

comparing SOC stock in the A group to that in the W and W+E groups, respectively. For 

i

th

 

selected triple (A, W and W+E), the logarithmic response ratios of SOC (

lnR

i

) to W and W+E 

were calculated, respectively, as:  

𝑙𝑛𝑅

𝑊,𝑖

= ln (

𝑆𝑂𝐶

𝑊,𝑖

𝑆𝑂𝐶

𝐴,𝑖

),                                                                                                               (1)

 

Page 18

Figures and page graphics, page 18

18 

 

𝑙𝑛𝑅

𝑊+𝐸,𝑖

= ln (

𝑆𝑂𝐶

𝑊+𝐸,𝑖

𝑆𝑂𝐶

𝐴,𝑖

),                                                                                                      (2)

 

where 

𝑆𝑂𝐶

𝐴,𝑖

, 

𝑆𝑂𝐶

𝑊,𝑖

 and 

𝑆𝑂𝐶

𝑊+𝐸,𝑖

 are the mean SOC stock in the

 i

th

 A, W and W+E groups, 

respectively. The two response ratios enable us to estimate the response attributed to climate 

extreme changes (ln

R

E,i

) as:  

𝑙𝑛𝑅

𝐸,𝑖

= ln 𝑅

𝑊+𝐸,𝑖

− ln 𝑅

𝑊,𝑖

= ln (

𝑆𝑂𝐶

𝑊+𝐸,𝑖

𝑆𝑂𝐶

𝑊,𝑖

).                                                                     (3)

 

Then, the individual ln

R

E,i

 values calculated for each triple were used to estimate a global 

mean response ratio (

𝑙𝑛𝑅

𝐸

) by a weighted mixed-effects model using the 

rma.av

 function in 

package 

metafor

 in R-4.1.1. The weight (

w

) was calculated as the inverse of the sum of within- 

(

v

) and between-group (

τ

2

) variances in the same set of triples:  

𝑙𝑛𝑅

𝐸

=

∑(𝑙𝑛𝑅

𝐸,𝑖

× 𝑤

𝑖

)

∑ 𝑤

𝑖

,                                                                                                            (4)

 

where 

𝑤

𝑖

=

1

𝑣

𝑖

+𝜏

2

 is the weight for the 

lnR

E,i

 in the 

i

th

 triple. The within-group variance (

v

) was 

calculated as:  

𝑣

𝑖

=

𝑆

𝑒

2

𝑁

𝑒

𝑋

𝑒

2

+

𝑆

𝑐

2

𝑁

𝑐

𝑋

𝑐

2

,                                                                                                              (5)

 

where 

S

e

 and 

S

c

 are the standard deviation of SOC in the A and W (or W+E) groups, respectively; 

X

e

 and 

X

c

 are the mean of SOC in the A and W (or W+E) groups, respectively; 

N

e

 and 

N

c

 are 

the  number  of  samples  in  the A  and W  (or W+E)  groups,  respectively. The  between-group 

variance (

τ

2

) was estimated by restricted maximum likelihood (REML). To assist interpretation, 

𝑙𝑛𝑅

𝐸

 were back-transformed and reported as percentage change, i.e., 

(𝑒

𝑙𝑛𝑅

𝐸

− 1) ×

100%. The 

back-transformed values were also used for subsequent data analyses.  

Especially,  the  percentage  change  calculated  from 

𝑙𝑛𝑅

𝐸

  was  referred  as  the  additional 

global  percentage  change  induced  by  climate  extremes  under  W+E  (ΔSOC

E

),  i.e., 

∆𝑆𝑂𝐶

𝐸

= (𝑒

𝑙𝑛𝑅

𝐸

− 1) × 100%

 . A  linear  mixed-effects  model  treating  ecosystem  type  as  a 

random factor was fitted to assess the relationship between 

∆𝑆𝑂𝐶

𝐸

 and change levels of climate 

extremes using the 

lmer

 function in the lmerTest package in R-4.1.1. 

Here  we  note  that  an  implicit  assumption  underlying  the  space-for-time  substitution 

Page 19

Figures and page graphics, page 19

19 

 

approach  is  that  critical  land  surface  processes,  which  substantially  change  the  state  or 

succession direction of studied groups (e.g., volcano disruption-induced new soil formation 

and/or soil cultivation in one group but not in another group), are independent of space and 

time

68

. That is, soils in any typical triple were not and will not  be differently influenced by 

other  critical  processes  significantly  regulating  SOC  dynamics.  In  addition,  the  approach 

assumes that soils in the three groups of the same triple are at the same average succession 

stage (e.g., steady state or similar succession direction). Croplands are subjected to substantial 

management  interventions  (e.g.,  tillage,  fertilizer  application,  irrigation),  and  these 

management varies widely across space and over time. As such, croplands would not meet the 

assumption of steady state or similar succession direction, providing an opportunity to test the 

sensitivity  of  these  assumptions  on  the  results.  To  do  so,  we  repeated  all  assessment  by 

excluding soil profiles from croplands and compared the results with that including cropland 

soils (Fig. S13). In addition, soils sampled at different time may be also at different stages, we 

repeated all assessment by excluding data measured before 1970 (Fig. S15). In addition, we 

conducted a sensitivity test using a leave-out-out approach that sequentially removes one triple 

to calculate the grand means using the remaining data. For all CEIs, the results show that the 

grand means are not sensitive to any single triple (Fig. S16). 

 

Driver analysis and global mapping 

Focusing on ΔSOC

E

, we explained its variance by fitting a machine learning-based statistical 

model  -  random  forest  (RF)  driven  by  67  potential  environmental  variables  (Table  S2) 

including  mean  and  extreme  climate  conditions,  soil  properties,  vegetation  properties,  and 

terrain  attributes.  The  RF  model  has  an  advantage  of  taking  into  account  nonlinear  and 

interactive  relationships  among  predictors,  providing  a  robust  estimation  of  overall  and 

individual importance of the assessed predictors. Before fitting the model, collinearity among 

the predictors is identified by variance inflation factor

 

(VIF) using the 

vif

 function in the car 

package in R 4.1.1, and predictors with VIF of greater than 10 (28 out of the 67 variables) were 

removed from the model. Model hyperparameters (mtry, randomly selected predictors; splitrule, 

splitting  rule;  min.node.size,  minimal  node  size)  were  optimized  by  using  a  tenfold  cross-

validated approach using the 

train

 function in the caret package in R-4.1.1. That is, 80% data 

were used to trained RF model, and the remaining 20% data to validate the model (Fig. S6). 

The best RF model was selected with the highest coefficient of determination (R

2

).  

The  relative  importance  of  each  predictor  was  estimated  by  permutation  variable 

Page 20

Figures and page graphics, page 20

20 

 

importance measurements using 

varImp

 function in package caret. Briefly, based on the times 

a predictor selected for splitting when growing a tree, the mean square error for every given 

regression tree with out-of-bag estimates is calculated. The change of model residuals due to 

that splitting represents the influence of the predictor. To compare the relative importance of 

individual predictors among CEIs, their influences were first normalized with the influence of 

the most important predictor and then multiplied by the corresponding model performance (i.e., 

R

2

). In addition, a partial dependence analysis was used to explore the partial dependence of 

ΔSOC

E

 on CEI change gradients using the 

partial

 function in package 

pdp

 in R-4.1.1.  

The RF model with the lowest RMSE for predicting the effects of climate extremes on 

ΔSOC

E

 was applied to the globe at the resolution of 0.25°×0.25° using gridded data of model 

predictors (HSWD dataset

69 

was used for baseline SOC level) to map the regulating effect of 

selected climate extreme shifts on SOC responses under 1.5 °C warming. This mapping was 

only demonstrated using the eight indices representing the magnitude and frequency of extreme 

events  with  their  median  change  levels  (Table  S1).  That  is,  the  magnitude  (HWM)  and 

frequency of heat waves (HWF) are increased by 3 °C and 6 days, respectively; the magnitude 

and frequency of both extreme dry (EDM) and wet (EWM) are increased 0.15 unit and 6%, 

respectively; the magnitude and frequency of cold wave (CWM and CWF) are decreased by 

3 °C and 6 days, respectively. The uncertainty of the response was estimated as the standard 

error of individual predictions of 500 trees in the RF model (Figs. S6, S10 and S11).

 

Data availability  

The 

33 

climate 

extreme 

indices 

can 

be 

accessed 

at 

https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.898014.  Global  mapping  products  generated  in 

this 

study 

are 

publicly 

available 

and 

deposited 

to 

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22317202. Other data used in this study is the same to that 

used in ref.

23

, which are publicly accessible.  

Code availability  

Code  (R  scripts)  used  to  assess  the  data  and  generate  the  results  are  deposited  to 

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22317202.  

References 

53  Batjes, N. H., Ribeiro, E. & van Oostrum, A. Standardised soil profile data to support global 

mapping and modelling (WoSIS snapshot 2019). 

Earth Syst. Sci. Data

 

12

, 299-320, (2020). 

Page 21

Figures and page graphics, page 21

21 

 

54  Mishra, U.

 et al.

 Spatial heterogeneity and environmental predictors of permafrost region 

soil organic carbon stocks. 

Sci Adv

 

7

, (2021). 

55  Fick, S. E. & Hijmans, R. J. WorldClim 2: new 1-km spatial resolution climate surfaces for 

global land areas. 

Int J Climatol

 

37

, 4302-4315, (2017). 

56  Olson, D. M.

 et al.

 Terrestrial Ecoregions of the World: A New Map of Life on Earth: A 

new  global  map  of  terrestrial  ecoregions  provides  an  innovative  tool  for  conserving 

biodiversity. 

Bioscience

 

51

, 933-938, (2001). 

57  Channan, S., Collins, K. & Emanuel, W. Global mosaics of the standard MODIS land cover 

type data. 

University of Maryland and the Pacific Northwest National Laboratory, College 

Park, Maryland

, (2014). 

58  Meybeck, M., Green, P. & Vörösmarty, C. A New Typology for Mountains and Other Relief 

Classes:  An  Application  to  Global  Continental  Water  Resources  and  Population 

Distribution. 

Mt Res Dev

 

21

, 34-45, (2001). 

59  Alexander,  L.  V.  Global  observed  long-term  changes  in  temperature  and  precipitation 

extremes: A review of progress and limitations in IPCC assessments and beyond. 

Weather. 

Clim. Extremes

 

11

, 4-16, (2016). 

60  Rodell, M.

 et al.

 The Global Land Data Assimilation System. 

bams

 

85

, 381-394, (2004). 

61  Alexander, L. V. & Perkins, S. E. On the Measurement of Heat Waves. 

J. Clim.

 

26

, 4500-

4517, (2013). 

62  Sheridan,  S.  C.  &  Lee,  C.  C.  Temporal  Trends  in  Absolute  and  Relative  Extreme 

Temperature Events Across North America. 

J Geophys Res-Atmos

 

123

, (2018). 

63  Vicente-Serrano, S. M., Beguería, S. & López-Moreno, J. I. A Multiscalar Drought Index 

Sensitive to Global Warming: The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index. 

J. 

Clim.

 

23

, 1696-1718, (2010). 

64  Schwalm, C. R.

 et al.

 Global patterns of drought recovery. 

Nature

 

548

, 202-205, (2017). 

65  Chen, H., Wang, S., Zhu, J. & Zhang, B. Projected Changes in Abrupt Shifts Between Dry 

and  Wet  Extremes  Over  China  Through  an  Ensemble  of  Regional  Climate  Model 

Simulations. 

J Geophys Res-Atmos

 

125

, (2020). 

66  IPCC

.

 Global warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming 

of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, 

in  the  context  of  strengthening  the  global  response  to  the  threat  of  climate  change, 

sustainable development, and efforts to eradicate povertyy [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, 

H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. 

Pidcock,  S.  Connors,  J.B.R.  Matthews, Y.  Chen,  X.  Zhou,  M.I.  Gomis,  E.  Lonnoy,  T. 

Page 22

Figures and page graphics, page 22

22 

 

Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)].

 Cambridge University Press, Cambridge, 

UK and New York, NY, USA, 616 pp. 

(2018).

 

67  Bevacqua, E., Zappa, G., Lehner, F. & Zscheischler, J. Precipitation trends determine future 

occurrences of compound hot–dry events. 

Nat. Clim. Change

 

12

, 350-355, (2022). 

68  Strayer, D.

 et al.

 Long-Term Ecological Studies: an Illustrated Account of Their Design, 

Operation, and Importance to Ecology. 

Adv. Ecol. Acad. Sinica

 

5

, 51-55, (1988). 

69  FAO/IIASA/ISRIC/ISS-CAS/JRC. Harmonized World Soil Database (version 1.2). FAO, 

Rome, Italy and IIASA, Laxenburg, Austria., (2012). 

Acknowledgement 

This research has been financially supported by the National Natural Science Foundation of 

China (grant no. 32241036, 32171639) and the National Key Research Program of the Ministry 

of Science and Technology of China (grant no. 2021YFE0114500). Contributions of U. Mishra 

were supported through a U.S. Department of Energy grant to the Sandia National Laboratories, 

which  is  a  multi-mission  laboratory  managed  and  operated  by  National  Technology  and 

Engineering Solutions of Sandia, LLC, a wholly owned subsidiary of Honeywell International, 

Inc.,  for  the  U.S.  Department  of  Energy's  National  Nuclear  Security Administration  under 

contract DE-NA-0003525. 

Author contributions 

Z.L. conceived the study; M.W. and Z.L. led data assessment; Y.Y. and U.M. contributed to 

permafrost data; Z.L. and M.W. interpreted the results with the contribution of all authors; Z.L. 

and M.W. led the writing of the manuscript, and all authors improved the manuscript. 

Competing interests 

The authors declare no competing interests. 

 

Page 23

Figures and page graphics, page 23

23 

 

 

Fig.  1. Schematic  representation of the approach used to quantify the response of soil 

organic carbon (SOC) to climate extreme and warming scenarios. 

Each dot represents one 

SOC observation. Dots in the 

i

th

 plate share the same mean annual temperature (

MAT

A, 

i

) and 

the frequency or intensity of the 

m

th

 climate extreme (

CEI

A

,

 m, i

), while dots in the same color 

plates  indicate  a  group  sharing  the  same  mean  annual  precipitation  (

MAP

),  precipitation 

seasonality, landform, and soil type. 

ΔCEI

m

 (shown in Table S1) and 

ΔT

 (1.5 °C in this study) 

are changes in 

CEI

A

, m

 and

 

and

 MAT

A

 of interest, respectively. SOC values in the warming (W), 

and warming plus more extreme (W+E) plates are compared with the values in the ambient (A) 

plates in the same group to calculate a weighted average effect size (i.e., the response of SOC 

to 

ΔT

, and 

ΔT 

+ 

ΔCEI

m

) by the inverse of the sum of within- and between-group variances, 

using meta-analytic techniques. The response of SOC to W+E attributed to climate extremes is 

calculated by the comparison between W and W+E plates with meta-analysis (Methods). This 

figure is modified from Wang et al.

23

.

Page 24

Figures and page graphics, page 24

24 

 

 

Fig. 2. Global responses of soil organic carbon to climate change scenarios. a

, responses to 

eight integrated climate extremes. HWM and HWF, the magnitude and frequency of heat waves, 

respectively; CWM and CWF, the magnitude and frequency of cold waves, respectively; EWM 

and  EWF,  the  magnitude  and  frequency  of  extreme  wet,  respectively;  EDM  and  EDF,  the 

magnitude and frequency of extreme dry, respectively. Numbers in the parentheses show the 

five change levels. 

b

, responses to compound climate extremes. Two levels of climate extreme 

changes with their selected combinations (due to data limitation) are assessed. Different letters 

in  the  same  group  of  comparisons  indicate  significant  difference  between  climate  change 

scenarios. A symbol of “+” indicates concurrent occurrence of the relevant changes. Error bars 

show 95% confidence interval. See Table S1 for the detailed definition of climate extremes.

Page 25

Figures and page graphics, page 25

25 

 

 

Fig. 3. The dependence of additional changes in soil organic carbon (

Δ

SOC

E

) on change 

levels  of  climate  extremes  under  warming. 

ΔSOC

E

  is  defined  as  the  difference  between 

percentage responses of SOC to W+E (1.5 °C warming plus more extreme climate) and that to 

W  (1.5  °C  warming),  which  can  also  be  explained  as  SOC  changes  attributed  to  climate 

extremes  under W+E. 

↑

, 

↓

  and  ↕  besides  each  CEIs  represent  that  the  CEI  is  increased, 

decreased,  or  either  under  warming,  respectively. 

a

,  global  average  dependence.  Error  bars 

show one standard error. **, 

P

 < 0.01; *, 

P

 < 0.05. 

b

, ecosystem-specific dependence.

 

Grey 

grids indicate that the estimated dependence is statistically insignificant (

P

 > 0.05). TS forests, 

tropical/subtropical  forests;  Med/mon  shrublands,  Mediterranean/montane  shrublands;  TS 

grasslands/savannas, tropical/subtropical  grasslands/savannas.

 

Detailed descriptions of CEIs 

are shown in Table S1.

 

Page 26

Figures and page graphics, page 26

26 

 

 

Fig.  4.  Influences  of  environmental  variables  on  soil  organic  carbon  (SOC)  changes 

attributed to climate extreme shifts (i.e., 

Δ

SOC

E

) under warming. a, 

the relative influences 

are estimated using a machine learning-based statistic model (i.e., random forest) taking into 

account non-linear relationships. Numbers above the bars show the determination coefficients 

of the model for explaining the corresponding CEI. 

b-d

, partial dependence of ΔSOC

E

 on SOC 

stock  (

b

),  mean  annual  temperature  (

c

)  and  precipitation  (

d

).  Detailed  descriptions  of 

individual CEIs and predictor variables are shown in Table S1 and S2, respectively.

Page 27

Figures and page graphics, page 27

27 

 

 

Fig.  5.  Global  spatial  pattern  of  changes  in  soil  organic  carbon  attributed  to  climate 

extreme shifts (i.e., 

Δ

SOC

E

) under a warmer and more extreme climate.

 ΔSOC

E

 is defined 

as the difference between percentage responses of SOC to W+E and that to W, which can also 

be explained as the additional changes in SOC induced by climate extremes.

 

Page 28

Figures and page graphics, page 28

28 

 

Table  S1.

  Climate  extreme  indices  used  in  this study. The  definition  of  climate  extremes  is  adopted  from  ref.

25

  and  recommended  by World 

Meteorological Organization. TX, daily maximum near-surface air temperature; TN, daily minimum near-surface air temperature; TM, daily mean 

mean-surface temperature; PR, daily near-surface total precipitation; SPI, standardized precipitation index. 

Climate 

extreme types 

CEI 

Definition 

Unit 

Global range 

(mean, min, max) 

ΔCEI 

CEI 

tolerance 

Extreme heat 

TXx 

Max TX: warmest daily TX 

°C 

(35.52, 2.15, 49.73) 

1, 2, 3, 4, 5 

0.5 

TXn 

Min TX: coldest daily TX 

°C 

(4.05, -52.30, 30.14) 

1, 2, 3, 4, 5 

0.5 

TNx 

Max TN: warmest daily TN 

°C 

(21.90, -4.39, 33.59) 

1, 2, 3, 4, 5 

0.5 

TNn 

Min TN: coldest daily TN 

°C 

(-8.25, -60.42, 23.28) 

1, 2, 3, 4, 5 

0.5 

TX90p 

Amount of hot days: percentage of days when 

TX > 90th percentile 

% 

(11.83, 7.97, 23.72) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

TN90p 

Amount of cold days: percentage of days 

when TN > 90

th

 percentile 

% 

(13.29, 8.22, 31.08) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

TR 

Number of tropical nights: number of days 

when TN > 20 °C 

days 

(68.44, 0.00, 365.19)  5, 10, 15, 20, 25 

2.5 

GSL 

Growing season length: annual number of 

days between the first occurrence of 6 

consecutive days with TM > 5 °C and the 

first occurrence of 6 consecutive days with  

TM < 5 °C 

days 

(300.93, 0.00, 365.26)  5, 10, 15,20, 25 

2.5 

DTR 

Daily temperature range: mean difference 

between daily TX and daily TN 

°C 

(11.50, 1.06, 19.10) 

-2, -1, 0, 1, 2 

0.5 

WSDI 

Warm spell duration index: annual number of 

days contributing to events where 6 or more 

consecutive days experience TX > 90

th

 

percentile 

days 

(5.08, 0.00, 50.53) 

1, 2, 3, 4, 5 

0.5 

SU 

Number of summer days: number of days 

when TX > 25 °C 

days 

(168.03, 0.00, 365.19)  5, 10, 15, 20, 25 

2.5 

HWM 

Heatwave magnitude: mean temperature of 

all heatwaves identified by excess heat factor 

°C

2

 

(4.03, 0.15, 17.69) 

0.5, 1, 1.5, 2, 

2.5 

0.5 

Page 29

Figures and page graphics, page 29

29 

 

(EHF). See ref.

61

 for more details 

HWF 

Heatwave frequency: number of days that 

contribute to heatwaves as identified by 

excess heat factor (EHF). See ref.

61

 for more 

details. 

days 

(10.11, 2.28, 36.98) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

Extreme cold 

TX10p 

Amount of cool days: percentage of days 

when TX < 10th percentile 

% 

(11.17, 7.49, 26.16) 

-2, -4, -6, -8, -

10 

1 

TN10p 

Amount of cool nights: percentage of days 

when TN < 10

th

 percentile 

% 

(9.94, 7.02, 21.42) 

-2, -4, -6, -8, -

10 

1 

FD 

Number of frost days: number of days when 

TN < 0 °C 

days 

(66.26, 0.00, 365.09) 

-2, -4, -6, -8, -

10 

1 

ID 

Number of icing days: number of days when 

TX < 0 °C 

days 

(23.26, 0.00, 335.06) 

-2, -4, -6, -8, -

10 

1 

CSDI 

Cold spell duration index: annual count of 

days with at least 6 consecutive days when 

daily minimum temperature is less than the 

10th percentile. 

days 

(2.29, 0.00, 51.23) 

-1, -2, -3, -4, -5 

0.5 

CWM 

Cold wave magnitude: average temperature 

across all individual cold waves identified by 

excess cold factor (ECF)

62

 

-°C

2

 

(-10.44, -63.31, -0.15) 

0.5, 1, 1.5, 2, 

2.5 

0.25 

CWF 

Cold wave frequency: total number of days 

that contribute to all individual cold waves 

identified by excess cold factor (ECF)

62

 

days 

(12.29, 2.47, 51.13) 

-2, -4, -6, -8, -

10 

-1 

Extreme wet 

R99p 

Total annual PR from very heavy 

precipitation days: annual sum of daily PR > 

99th percentile 

mm 

(663.55, 0.00, 

6080.61) 

50, 100, 150, 

200, 250 

25 

R95p 

Total annual PR from heavy precipitation 

days: annual sum of daily PR > 95

th

 

percentile 

mm 

(1993.70, 1.20, 

9091.31) 

100, 200, 300, 

400, 500 

50 

Rx5day 

Maximum 5-day PR: monthly 5-day PR total 

precipitation 

mm 

(675.78, 6.28, 

2383.89) 

50, 100, 150, 

200, 250 

25 

Rx1day 

Maximum 1-day PR: maximum 1-day PR 

mm 

(367.86, 5.40, 

20, 40, 60, 80, 

10 

Page 30

Figures and page graphics, page 30

30 

 

total 

1139.58) 

100 

CWD 

Consecutive wet days: maximum number of 
consecutive wet days (when PR >= 1.0 mm) 

days 

(21.39, 0.77, 194.34) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

SDII 

Simple precipitation intensity index: annual 

total PR divided by the number of wet days 

(when total PR >= 1.0 mm) 

mm/day 

(41.25, 3.75, 125.04)  5, 10, 15, 20, 25 

2.5 

R20mm 

Number of very heavy precipitation days: 

number of days when PR >= 20 mm 

days 

(75.63, 0.00, 306.15) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

R10mm 

Number of heavy precipitation days: number 

of days when PR >= 10 mm 

days 

(100.62, 0.30, 332.79)  5, 10, 15, 20, 25 

2.5 

EWM 

Wet magnitude: mean SPI value of all 

extreme wet events. See ref.

63

 for more 

details. 

- 

(0.46, 0.25, 1.44) 

0.05, 0.1, 0.15, 

0.2, 0.25 

0.02 

EWF 

Wet frequency: percentage of extreme wet 

months on all months

63

. 

% 

(17.67, 8.89, 34.97) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

Extreme dry 

CDD 

Consecutive dry days: maximum length of 

dry spell: maximum number of consecutive 

days with daily precipitation less than 1 mm 

days 

(36.05, 1.00, 250.00)  5, 10, 15, 20, 25 

2.5 

EDM 

Extreme dry magnitude: mean SPI value of 

all extreme dry events

63

. 

- 

(-0.38, -1.19, -0.22) 

-0.05, -0.1, -

0.15, -0.2, -0.25 

-0.025 

EDF 

Extreme dry frequency: percentage of 

extreme dry months on all months

63

. 

% 

(17.10, 9.68, 32.07) 

2, 4, 6, 8, 10 

1 

 

 

Page 31

Figures and page graphics, page 31

31 

 

Table S2.

 Environmental variables used in this study.  

Classes 

Predictors 

Description 

Unit 

Soil 

SOCs 

Soil organic carbon stock 

Mg ha

-1

 

Soil types 

Soil order in USDA soil classification system 

 

Terrain 

Elevation 

Elevation 

m 

Landform 

Terrain landform 

 

Vegetation 

NPP 

Vegetation net primary productivity 

g C m

-2

 

Biomes 

Vegetation types 

 

Mean 

climate 

ai_et0 

Arid index 

 

Bio1 

Annual Mean Temperature 

°C 

Bio2 

Mean Diurnal Range (Mean of monthly (max temp - min temp)) 

°C 

Bio3 

Isothermality (BIO2/BIO7) (* 100) 

°C 

Bio4 

Temperature Seasonality (standard deviation *100) 

°C 

Bio5 

Max Temperature of Warmest Month 

°C 

Bio6 

Min Temperature of Coldest Month 

°C 

Bio7 

Temperature Annual Range (BIO5-BIO6) 

°C 

Bio8 

Mean Temperature of Wettest Quarter 

°C 

Bio9 

Mean Temperature of Driest Quarter 

°C 

Bio10 

Mean Temperature of Warmest Quarter 

°C 

Bio11 

Mean Temperature of Coldest Quarter 

°C 

Bio12 

Annual Precipitation 

mm 

Bio13 

Precipitation of Wettest Month 

mm 

Bio14 

Precipitation of Driest Month 

mm 

Bio15 

Precipitation Seasonality (Coefficient of Variation) 

mm 

Bio16 

Precipitation of Wettest Quarter 

mm 

Bio17 

Precipitation of Driest Quarter 

mm 

Bio18 

Precipitation of Warmest Quarter 

mm 

Bio19 

Precipitation of Coldest Quarter 

mm 

PCI 

Precipitation concentration index 

mm 

SPC 

Summer precipitation concentration index 

 

Page 32

Figures and page graphics, page 32

32 

 

WPC 

Winter precipitation concentration index 

 

PS 

Precipitation seasonality 

 

Extreme 

climate 

ΔCEI 

climate extreme change levels 

 

CEI 

See Table S1 

 

 

 

Page 33

Figures and page graphics, page 33

33 

 

Table S3. Global absolute (mean ± se) soil organic carbon changes (i.e., ΔSOC, Pg) attributed to climate extreme shifts under warming 

and more extreme climate.

 HWM and HWF, the magnitude and frequency of heat waves, respectively; CWM and CWF, the magnitude and 

frequency of cold waves, respectively; EWM and EWF, the magnitude and frequency of extreme wet, respectively; EDM and EDF, the magnitude 

and frequency of extreme dry, respectively. T/ST, tropical/subtropical; Med/Mon, Mediterranean/Montane. 

Biomes 

SOC 

stock (Pg, 

0–30 cm) 

Absolute SOC changes induced by climate extremes (Pg C) under climate extreme shifts scenarios 

HWF  

increase 6  

days 

HWM 

increase 3 

°

C

2

 

CWF 

decrease 6 days  

CWM 

increase 3 

°

C

2

 

EDF 

increase 6 

% 

EDM 

increase 0.15 

unit 

EWF 

increase 6 

% 

EWM 

increase 0.15 

unit 

T/ST forests 

140.4 

-48.6 ± 2

 

-36.0 ± 1.4

 

-19.9 ± 1.5

 

-22.3 ± 1.8

 

-32.5 ± 1.4

 

-50.4 ± 1.4

 

-45.5 ± 1.4

 

-47.9 ± 1.2

 

T/ST 
grasslands/savannas 

72.1 

-11.7 ± 1.0

 

-14.6 ± 0.6

 

3.5 ± 0.8

 

12.1 ± 1.0

 

-6.5 ± 0.7

 

-6.5 ± 0.8

 

-7.9 ± 0.9

 

-10.9 ± 0.6

 

Temperate forests 

51.8 

-11.8 ± 0.6

 

-6.3 ± 0.3

 

-2.6 ± 0.4

 

-2.5 ± 0.5

 

-9.9 ± 0.5

 

-11.9 ± 0.4

 

-11.5 ± 0.4

 

-12.5 ± 0.5

 

Temperate grasslands 

28.0 

-2.9 ± 0.3

 

1.6 ± 0.2

 

0.8 ± 0.3

 

1.8 ± 0.3

 

-2.0 ± 0.3

 

-3.4 ± 0.2

 

-2.1 ± 0.3

 

-5.0 ± 0.3

 

Med/Mon shrublands 

56.5 

-6.7 ± 0.6

 

2.0 ± 0.5

 

-0.9 ± 0.5

 

5.5 ± 0.7

 

0.8 ± 0.6

 

-6.0 ± 0.5

 

-6.0 ± 0.5

 

-7.6 ± 0.5

 

Boreal forests 

201.6 

-34.4 ± 3.0

 

-39.1 ± 2.3

 

-14.0 ± 3.4

 

-14.0 ± 3.2

 

-57.7 ± 2.7

 

-10.9 ± 2.5

 

-35.4 ± 2.9

 

-41.8 ± 2.7

 

Tundra 

60.6 

-2.0 ± 1.3

 

1.6 ± 1.0

 

2.2 ± 1.3

 

5.0 ± 1.3

 

-2.2 ± 1.4

 

5.2 ± 1.3

 

-3.4 ± 1.2

 

-5.3 ± 1.5

 

Deserts 

42.2 

-3.3 ± 0.5

 

-0.5 ± 0.4

 

5.7 ± 0.5

 

9.5 ± 0.6

 

-1.4 ± 0.5

 

-3.5 ± 0.4

 

-0.3 ± 0.5

 

-4.8 ± 0.4

 

Croplands 

97.2 

-17.8 ± 1.1

 

-7.0 ± 0.6

 

-2.1 ± 0.8

 

0.4 ± 0.7

 

-13.6 ± 0.8

 

-18.6 ± 0.7

 

-17.7 ± 0.9

 

-23.9 ± 0.7

 

Globe 

750.4 

-139.0 ± 7.1

 

-98.2 ± 4.5

 

-27.1 ± 6.1

 

-4.5 ± 6.3

 

-125.0 ± 5.8

 

-105.9 ± 5.2

 

-129.9 ± 

5.8

 

-159.7 ± 5.8

 

Page 34

Figures and page graphics, page 34

34 

 

 

Fig.  S1.  Distribution  of  soil  organic  carbon  data  points  used  in  this  study.

 The  data  is 

derived from two data sources, and the number of data points for each biome is shown in the 

parentheses. The figure is adopted from ref.

23

. 

 

Page 35

Figures and page graphics, page 35

35 

 

 

Fig. S2. The spatial pattern of eight climate extreme indices

. These indices represent the 

magnitude  and  frequency  of  heat  waves,  cold  waves,  extreme  dry  and  wet  days.  Data  are 

adopted from ref.

25

.  

 

Page 36

Figures and page graphics, page 36

36 

 

 

Fig. S3. Response of soil organic carbon to climate change scenarios. 

Error bars show 95% 

confidence  interval.  Detailed  descriptions  of  climate  extreme  indices  (CEIs)  and  climate 

scenarios are shown in Table S1.

  

 

Page 37

Figures and page graphics, page 37

37 

 

 

Fig.  S4. The  dependence  of  additional  changes  in  soil  organic  carbon  (

Δ

SOC

E

)  on  the 

change levels of climate extremes under a warmer and more extreme climate. 

Grey grids 

indicate  that  the  estimated  dependence  is  statistically  insignificant  (

P

  >  0.05).  TS  forests, 

tropical/subtropical  forests;  Med/Mon  shrublands,  Mediterranean/montane  shrublands;  TS 

grasslands/savannas, tropical/subtropical  grasslands/savannas.

 

Detailed descriptions of CEIs 

are shown in Table S1.  

 

Page 38

Figures and page graphics, page 38

38 

 

 

Fig. S5. Comparison of soil organic carbon changes induced by changes in extreme dry 

magnitude (EDM). 

Deng et al. (2021) synthesized the data from field experiments. Biomes 

are grouped into tundra, shrublands, grasslands, and forests. Dots with bars show the mean 

effect sizes with 95% confidence intervals, and numbers besides them are sample sizes used to 

calculate the mean effect size. The actual drought levels (i.e., the reduction of precipitation) in 

field drought experiments were normalized to annual mean precipitation. The change level in 

our estimation which is close most to the experimental change level was targeted to conduct 

the comparison.  

 

Page 39

Figures and page graphics, page 39

39 

 

 

Fig. S6. The performance of random forest model on predicting soil organic carbon 

responses attributed to eight climate extremes under a warmer and more extreme 

climate. 

Detailed descriptions of climate extreme indices (CEIs) are shown in Table S1.

Page 40

Figures and page graphics, page 40

40 

 

 

Fig. S7. Distribution of global wetlands and the location of soils with organic carbon stock 

of > 300 Mg C ha

–1

 (0–30 cm) used in this study. 

The wetland map data is obtained from 

http://www.wwfus.org/science/data.cfm. 

 

Page 41

Figures and page graphics, page 41

41 

 

 

Fig. S8. The relationship of soil organic carbon changes (i.e., ΔSOC

E

) with background 

climate  extreme  conditions. 

Partial  dependence  of  ΔSOC

E

  induced  by  a  typical  CEI  on 

corresponding background CEI. Detailed descriptions of the eight CEIs are shown in Table S1. 

 

Page 42

Figures and page graphics, page 42

42 

 

 

Fig. 9. Global spatial pattern of absolute changes in soil organic carbon stock attributed 

to climate extreme shifts under a warmer and more extreme climate.

  

 

Page 43

Figures and page graphics, page 43

43 

 

 

Fig. S10. Uncertainty of soil organic carbon changes attributed to climate extreme shifts 

(ΔSOC

E

) under a warmer and more extreme climate. 

ΔSOC

E

 is defined as the difference 

between percentage responses of SOC to W+E and that to W, which can also be explained as 

the additional changes in SOC induced by climate extremes.  

 

Page 44

Figures and page graphics, page 44

44 

 

 

Fig. S11. Uncertainty of soil organic carbon changes attributed to climate extreme shifts 

(ΔSOC

E

, Mg C ha

-1

) under a warmer and more extreme climate. 

The standard error was 

estimated based on 500 estimates of the random forest model. 

 

Page 45

Figures and page graphics, page 45

45 

 

 

Fig.  S12.  Latitudinal  pattern  of  changes  in  soil  organic  carbon  attributed  to  climate 

extremes (i.e., 

Δ

SOC

E

) under 1.5 °C warming plus the specified  climate change shifts. 

ΔSOC

E

 is defined as the difference between percentage responses of SOC to W+E and that to 

W, which can also be explained as the additional changes in SOC induced by climate extremes. 

Black and green lines indicate the median and global average. Dashed lines show zero change, 

which is blocked by green lines in 

e

 and 

f.  

 

Page 46

Figures and page graphics, page 46

46 

 

 

Fig. S13. Comparison between soil organic carbon changes derived from all data and that 

for the data excluding croplands. 

Detailed descriptions of climate extreme indices (CEIs) are 

shown in Table S1.

Page 47

Figures and page graphics, page 47

47 

 

 

Fig. S14. The sensitivity of predicted soil organic carbon changes to the number of tiples 

used  to  estimate  the  change. 

The  response  attributed  to  climate  extremes  is  illustrated. 

Detailed descriptions of climate extreme indices (CEIs) are shown in Table S1.

 

 

Page 48

Figures and page graphics, page 48

48 

 

 

Fig.  S15.  Comparison  between  soil  organic  carbon  changes  derived  from  all  data  and 

from  the  data  excluding  measurements  before  1970. 

Error  bars  show  95%  confidence 

interval. HWM and HWF, the magnitude and frequency of heat waves, respectively; CWM and 

CWF,  the  magnitude  and  frequency  of  cold  waves,  respectively;  EWM  and  EWF,  the 

magnitude  and  frequency  of  extreme  wet,  respectively;  EDM  and  EDF,  the  magnitude  and 

frequency of extreme dry, respectively. 

 

Page 49

Figures and page graphics, page 49

49 

 

 

Fig. S16.  Leave-one-out sensitivity of soil organic carbon changes (ΔSOC

E

) to triples used 

to estimate ΔSOC

E

 under 33 different climate extremes. 

As an illustrative example, ΔSOC

E

 

attributed to the middle level of five change levels of climate extremes was presented. Black 

line  is  the  mean  estimation  after  removing  one  triple,  gray  shadow  is  the  95%  confidence 

interval. Detailed descriptions of climate extreme indices (CEIs) are shown in Table S1.