Back to report · Publisher record

Wiesmeier et al. (2019). Soil organic carbon storage as a key function of soils - A review of drivers and indicators at various scales

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Contents lists available at

ScienceDirect

Geoderma

journal homepage:

www.elsevier.com/locate/geoderma

Soil organic carbon storage as a key function of soils - A review of drivers
and indicators at various scales

Martin Wiesmeier

a

,

b

,

⁎

, Livia Urbanski

a

, Eleanor Hobley

a

, Birgit Lang

c

, Margit von Lützow

a

,

Erika Marin-Spiotta

d

, Bas van Wesemael

e

, Eva Rabot

f

, Mareike Ließ

f

, Noelia Garcia-Franco

a

,

Ute Wollschläger

f

, Hans-Jörg Vogel

f

, Ingrid Kögel-Knabner

a

,

g

a

Chair of Soil Sciences, TUM School of Life Sciences Weihenstephan, Technical University of Munich, Freising, Germany

b

Bavarian State Research Center for Agriculture, Institute for Organic Farming, Soil and Resource Management, Freising, Germany

c

Senckenberg Museum of Natural History Görlitz, Görlitz, Germany

d

Department of Geography, University of Wisconsin-Madison, 550 North Park Street, Madison, WI 53706, USA

e

Georges Lemaître Centre for Earth and Climate Research, Earth and Life Institute, Université Catholique de Louvain, 1348 Louvain-la-Neuve, Belgium

f

Helmholtz Centre for Environmental Research - UFZ, Halle, Germany

g

Institute for Advanced Study, Technical University of Munich, Garching, Germany

A R T I C L E I N F O

Handling Editor: Junhong Bai

Keywords:

Clay mineralogy
Speci

fi

c surface area

Metal oxides
Microorganisms
Soil fauna
Soil aggregation
Soil texture
Soil type
Natural vegetation
Land use and management
Topography
Parent material
Climate

A B S T R A C T

The capacity of soils to store organic carbon represents a key function of soils that is not only decisive for climate
regulation but also a

ff

ects other soil functions. Recent e

ff

orts to assess the impact of land management on soil

functionality proposed that an indicator- or proxy-based approach is a promising alternative to quantify soil
functions compared to time- and cost-intensive measurements, particularly when larger regions are targeted. The
objective of this review is to identify measurable biotic or abiotic properties that control soil organic carbon
(SOC) storage at di

ff

erent spatial scales and could serve as indicators for an e

ffi

cient quanti

fi

cation of SOC. These

indicators should enable both an estimation of actual SOC storage as well as a prediction of the SOC storage
potential, which is an important aspect in land use and management planning. There are many environmental
conditions that a

ff

ect SOC storage at di

ff

erent spatial scales. We provide a thorough overview of factors from

micro-scales (particles to pedons) to the global scale and discuss their suitability as indicators for SOC storage:
clay mineralogy, speci

fi

c surface area, metal oxides, Ca and Mg cations, microorganisms, soil fauna, aggregation,

texture, soil type, natural vegetation, land use and management, topography, parent material and climate. As a
result, we propose a set of indicators that allow for time- and cost-e

ffi

cient estimates of actual and potential SOC

storage from the local to the regional and subcontinental scale. As a key element, the

fi

ne mineral fraction was

identi

fi

ed to determine SOC stabilization in most soils. The quanti

fi

cation of SOC can be further re

fi

ned by

including climatic proxies, particularly elevation, as well as information on land use, soil management and
vegetation characteristics. To enhance its indicative power towards land management e

ff

ects, further

“

functional

soil characteristics

”

, particularly soil structural properties and changes in the soil microbial biomass pool should

be included in this indicator system. The proposed system o

ff

ers the potential to e

ffi

ciently estimate the SOC

storage capacity by means of simpli

fi

ed measures, such as soil fractionation procedures or infrared spectroscopic

approaches.

1. Introduction

The multifunctionality of soils is increasingly recognized as a deci-

sive aspect in global land management. After its introduction in the
1990s, the concept of soil functions was further developed to a systemic
approach covering all aspects of soil-based environmental, social and
economic services (

Baveye et al., 2016

;

Blum, 1993

). Although there is

no agreed upon de

fi

nition, the main ecological functions of soils, be-

yond technical and cultural aspects, are: biomass production, storage
and

fi

ltration of water, storage and recycling of nutrients, habitat for

biological activity and carbon storage. The latter can be regarded as a
key function of soils, as it is not only decisive for climate regulation, but
strongly a

ff

ects all other functions as well. In recent years, the rising

integration of soil functions in environmental policy making has

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026

Received 20 November 2017; Received in revised form 10 July 2018; Accepted 20 July 2018

⁎

Corresponding author at: Chair of Soil Sciences, TUM School of Life Sciences Weihenstephan, Technical University of Munich, Freising, Germany.

E-mail address:

wiesmeier@wzw.tum.de

(M. Wiesmeier).

Geoderma 333 (2019) 149–162

0016-7061/ © 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.

Page 2

Figures and page graphics, page 2

created a need for more detailed and quantitative information on spe-
ci

fi

c soil functions (

Baveye et al., 2016

;

Lehmann and Stahr, 2010

;

Schulte et al., 2015

). This is a prerequisite to assess the impact of land

management changes on soil functionality, as it is intended by the

“

BonaRes

”

funding initiative in Germany (

www.bonares.de

). However,

a direct quanti

fi

cation of soil functions requires various cost- and labour

intensive analyses and, hence, is typically not feasible, especially when
large spatial scales are targeted. An alternative approach could be to
identify measureable biotic or abiotic properties that contain su

ffi

cient

information to be used as indicators for the quanti

fi

cation of soil

functions (

Baveye et al., 2016

;

Rabot et al., 2017

;

Schulte et al., 2014

;

Vogel et al., 2018

). Because of the soil's multifunctionality and com-

plexity, an indicator system is needed that integrates the relevant soil
processes and their interactions. Such indicators can be derived from

“

functional characteristics

”

as recently proposed by

Vogel et al. (2018)

,

which have to be measurable in a time- and cost-e

ffi

cient way and

should be reproducible on a relatively low level of expertise.

The main objective of this review is to identify a set of indicators

that enables a quanti

fi

cation of soil organic carbon (SOC) storage at

di

ff

erent spatial scales. This set of indicators should allow for not only a

prediction of current SOC storage from local to regional scales but also
for a spatial estimation of the SOC storage potential, which is an im-
portant aspect for land management decisions and for reponses to en-
vironmental disturbances. A quanti

fi

cation of current and potential

SOC storage via a set of suitable indicators could be a promising al-
ternative to precise and accurate determination of SOC storage via
(expensive and time-consuming)

fi

eld work and laboratory analyses.

Moreover, for many purposes, an assessment of SOC storage and its role
in ecosystem functioning requires less precision. For example, an in-
dicator-based estimation of SOC is probably su

ffi

cient to help farmers

decide which agricultural measures are appropriate to optimize the
SOC level of a speci

fi

c

fi

eld. Similarly, landscape planners, adminis-

trative bodies or ecologists may wish to identify hotspots which are
particularly valuable for conservation, without the need for precise
measurements of SOC storage. To this end, the use of indicators of SOC
storage is appropriate. Such indicators integrate one or several en-
vironmental and soil properties which are known to be related with
SOC storage, allowing comparative assessment of soils at di

ff

erent lo-

cations with regard to expected SOC storage. The so-called

“

SCORPAN

approach

”

of

McBratney et al. (2003)

, building up on the factorial

equation of

Jenny (1941)

, aims to describe any soil property as a

function of climate, organisms, topography, parent material, time,
space and soil information itself. This approach provides a framework
for an identi

fi

cation of factors controlling SOC storage that could serve

as indicators. However, this is impeded by the fact that these factors are
scale-dependent, indicating a

“

hierarchy of controls

”

(

Manning et al.,

2015

). Important factors at the micro-scale (from particles to pedons),

such as metal oxides or speci

fi

c surface area (SSA), are less relevant at

larger spatial scales, where SOC storage can be related to climate, to-
pography, parent material, vegetation, land use and management
(

Manning et al., 2015

;

Moni et al., 2010

). In this review, we present an

overview of the importance of these factors for SOC storage with re-
spect to scale. We further dicuss their suitability as indicators for SOC
storage and provide an outlook on an indicator system to estimate ac-
tual and potential SOC storage.

2. Drivers and indicators of soil organic carbon storage

2.1. Climate

Climatic conditions, namely temperature and precipitation, are key

drivers of SOC storage globally as well as at broad (sub-)regional scales,
a

ff

ecting both C input into the soil and SOC decomposition.

Precipitation determines net primary productivity (NPP) in many
(water-limited) terrestrial environments and thus the input of C into the
soil. Furthermore, humid conditions favour the formation of SOC-

stabilizing mineral surfaces by intensi

fi

ed weathering of the parent

material (

Chaplot et al., 2010

;

Doetterl et al., 2015

) and often cause soil

acidi

fi

cation leading to reduced decomposition of soil organic matter

(SOM) (

Meier and Leuschner, 2010

). Temperature largely a

ff

ects the

microbial decomposition of SOM as its complex molecular attributes
have a high intrinsic temperature sensitivity (

Conant et al., 2011

;

Davidson and Janssens, 2006

;

von Lützow and Kögel-Knabner, 2009

).

Although this relationship is governed by multiple constraints, nu-
merous studies have indicated a decrease of SOC with increasing tem-
peratures (e.g.,

Jobbagy and Jackson, 2000

;

Koven et al., 2017

;

Sleutel

et al., 2007

;

Smith et al., 2005

;).

As a result of these combined in

fl

uences, SOC stocks are generally

highest under cool humid conditions and decrease under warmer and
drier climates both at the global scale (

Jobbagy and Jackson, 2000

;

Post

et al., 1982

) and at the (sub-)regional scale (

Alvarez and Lavado, 1998

;

Badgery et al., 2013

;

Baritz et al., 2010

;

Burke et al., 1989

;

Callesen

et al., 2003

;

de Brogniez et al., 2014

;

Gray et al., 2016

;

Hobley et al.,

2015

;

Martin et al., 2011

;

Paul et al., 2002

;

Viscarra-Rossel et al.,

2014

). However, numerous studies have indicated that the relative

importance of climate for SOC storage diminishes with increasing soil
depth, where factors controlling the stabilization of SOM (see

Section

2.5

) become more important (

Badgery et al., 2013

;

Gray et al., 2016

;

Hobley et al., 2015

;

Jobbagy and Jackson, 2000

). At the regional scale,

climate e

ff

ects may be masked in topsoils by land use/management,

particularly in cropland soils, where intensive management (fertiliza-
tion, irrigation etc.) can counterbalance climate e

ff

ects (

Goidts et al.,

2009

;

Tan et al., 2004

;

Wiesmeier et al., 2013

). Moreover, climate

variability at local scales is frequently small, so that climatic control of
SOC storage is less relevant in contrast to other factors. In a regional
study conducted in the conterminous USA by

Homann et al. (2007)

,

mean annual precipitation, evapotranspiration and clay content were
positively correlated to SOC in the top 20 cm. The observed di

ff

erences

among regions were attributed to more localized di

ff

erences in vege-

tation, clay mineralogy and other processes.

As climate constitutes a major controlling factor for SOC storage at

regional to global scales, mean annual air temperature (MAT) has
proven to be a suitable indicator that could serve as indicator for SOC
storage due to its global availability in free climate databases. Closely
related, vapor pressure de

fi

cit has also been shown to be closely asso-

ciated with SOC storage (

Allen et al., 2013

). Although mean annual

precipitation (MAP) has been shown to have a stronger association with
SOC and its depth distribution in some studies at regional (

Hobley et al.,

2015

) and global scales (

Jobbagy and Jackson, 2000

), other studies

have reported stronger relationships between SOC with temperature
than with precipitation (

Allen et al., 2013

;

Wang et al., 2004

). In a

review of tropical plantation and successional forests, MAT was a better
predictor of SOC than precipitation in a regression tree model, with
cooler sites containing greater SOC (

Marin-Spiotta and Sharma, 2013

).

As such, these relationships between climate drivers and SOC storage
are not always easy to decipher.

To reconcile these con

fl

icting reports, it has been suggested that the

relative importance of either temperature or precipitation on SOC sto-
rage depends on the main limiting factors of SOC production and
turnover in the study region (

Hobley et al., 2015

). In arid or semi-arid

environments, water availability limits NPP, so that the system, and
therefore SOC storage, is input limited (

Hobley et al., 2016

). In con-

trast, in regions with su

ffi

cient water-availability but colder tempera-

tures, microbial activity is limited to a greater degree than NPP (

von

Lützow and Kögel-Knabner, 2009

), so that the system and SOC storage

is output limited. These patterns result in an accumulation of SOC in
colder, moister areas, moderate SOC storage in warmer, moist regions
and lower SOC storage in drier, hotter regions.

In this context, elevation above sea level may be a better indicator

than climatic variables alone, as it integrates the e

ff

ects of temperature

and precipitation on NPP and decomposition and re

fl

ects erosional and

depositional processes which in

fl

uence spatial distribution of soil types

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

150

Page 3

Figures and page graphics, page 3

as well as depth of soil. In regional studies, SOC stocks have been found
to be highly correlated with elevation (

de Brogniez et al., 2014

;

Leifeld

et al., 2005

;

Neufeldt, 2005

). Derived from digital elevation models

with high accuracy and ease, elevation is therefore probably the most
promising indicator for SOC storage at the regional scale. However, this
may not hold true for continental climates in relatively

fl

at areas, where

elevation is not a good proxy for temperature and precipitation. A
further exception to expected trends of SOC decreases with increasing
elevation may occur when precipitation and temperature trends are
decoupled across an elevation gradient, as may ocur in some tropical
mountains, and topographic e

ff

ects on soil moisture become more im-

portant (

McGroddy and Silver, 2000

).

2.2. Topography

Topographical features can play a crucial role for SOC storage as

they control precipitation, water

fl

ow paths, water accumulation, and

discharge and therefore contribute signi

fi

cantly to erosional processes.

Sites with a high contributing area, low inclination and concave cur-
vatures favour water accumulation, whereas steep slopes and convex
curvatures lead to higher water discharge. Soil moisture controls not
only NPP and therefore SOC input, but also microbial activity and SOC
output. Both low and high soil moisture contents reduce microbial ac-
tivity due to reduced substrate mobility/oxygen availability, favouring
the accumulation of SOC. Thus, soil moisture was identi

fi

ed as a deci-

sive factor for the spatial distribution of SOC in several regional studies
(

Mayes et al., 2014

;

Meersmans et al., 2008

;

Neufeldt, 2005

;

Tan et al.,

2004

;

Vasques et al., 2010

). Moreover, water

fl

ow paths are key de-

terminants triggering soil erosion and redistribution, which in turn may
have profound e

ff

ects on SOC storage in dynamic landscapes (

Doetterl

et al., 2016

;

Seibert et al., 2007

). Topographical features further in-

fl

uence the local microclimate which in turn may a

ff

ect SOC storage at

local scales. Di

ff

erences in SOC depth pro

fi

les along a

catena

in tropical

mountains of Puerto Rico were attributed to poor drainage and redu-
cing conditions (

Johnson et al., 2015

;

Silver et al., 1999

). Similarly,

variability in SOC storage along an elevational gradient in precipitation
in Hawaii was better explained by the e

ff

ect of redox and oxygen

availability rather than climate, NPP or soil mineralogy (

Schuur et al.,

2001

).

Despite these observations, there is no general agreement on the

importance of topography-related factors for SOC storage, which seems
to be partly explained by the various scales of observation. Analyses of
di

ff

erent SOC data sets from global to subcontinental and regional

scales revealed that topographical features, represented by e.g. topo-
graphic position, slope gradient and aspect, were of minor importance
for SOC variability (

Garten and Ashwood, 2002

;

Gray et al., 2016

;

Gray

et al., 2009

;

Hobley et al., 2015

;

Schulp and Veldkamp, 2008

;

Tan et al.,

2004

;

Viscarra-Rossel et al., 2014

;

Xiong et al., 2014

). Local terrain

attributes such as slope, aspect and curvature appear to in

fl

uence SOC

storage only at small spatial scales (< 100 m) and landscape position
may become important at larger scales (> 100 m) (

Hobley et al., 2015

;

Minasny et al., 2013

). In fact, regional terrain attributes were the most

important controlling factors for SOC variation within a relatively small
study area in Panama, followed by local factors such as slope and
curvature (

Grimm et al., 2008

). Furthermore, in a study on the SOC

distribution in Laos, a signi

fi

cant proportion of SOC variability was

explained by slope gradient (

Chaplot et al., 2010

). In a study on vol-

canic soils in Costa Rica, slope explained 27% of the variation in the
magnitude and direction of di

ff

erences in SOC between paired pastures

and forests, even though at the regional scale, land use did not a

ff

ect

average SOC stocks (

Powers and Veldkamp, 2005

). The authors at-

tributed these elevational di

ff

erences to di

ff

erences in soil weathering,

with the fraction of non-crystalline clay content being a signi

fi

cant

predictor of SOC. It therefore appears that topography is relevant at
local (hillslope) scales where the soil properties do not vary a lot, but
less relevant across larger landscapes, where SOC storage is averaged

over a large variety of soil properties so that other factors become
dominant.

In terms of topographical features which are indicative of the soil

moisture-induced accumulation of SOC, the topographic wetness index
(TWI) is a promising factor, which can easily be calculated from digital
elevation models. Large TWI values are usually found at lower areas of
a landscape with large contributing areas and indicate increased like-
lihood of saturated conditions and/or accumulation of eroded material,
resulting in high SOC stocks (

Sorensen et al., 2006

). In a regional SOC

inventory in Germany, TWI was identi

fi

ed as an important factor for the

spatial variability of SOC in agricultural soils due to its indicative power
for SOC accumulation in groundwater-a

ff

ected soils (

Wiesmeier et al.,

2013

). However, at a larger sub-continental scale, TWI was not im-

portant as a predictor of SOC stocks and content (

Hobley et al., 2015

).

This suggests that TWI, similar to general topographic parameters, is
relevant at smaller rather than larger scales.

2.3. Parent material

The role of parent material as a predictor of SOC storage has been

examined in several studies from sub-regional to global scale. The po-
tential in

fl

uence of parent material is mainly attributed to its control on

soil mineralogy, texture and fertility, which a

ff

ect NPP and the stabi-

lization of SOM (see

Sections 2.5.2 and 2.5.6

) (

Gray et al., 2016

;

Herold

et al., 2014

). Moreover, parent material is stongly linked to soil type,

which is associated with SOC storage (see

Section 2.5.1

). However,

there is no consistency on the importance of parent material to SOC
storage. A global analysis of the relationships between environmental
factors and SOC based on 4382 soil pro

fi

les revealed only a weak cor-

relation between parent material classes and SOC (

Gray et al., 2009

).

However, the authors concluded that assignment of parent material into
classes assuming speci

fi

c silica contents may be a major simpli

fi

cation.

In SOC inventories at the regional and catchment scale under di

ff

erent

climatic conditions, parent material was also of minor importance for
the spatial distribution of SOC (

Grimm et al., 2008

;

Hobley et al., 2015

;

Wiesmeier et al., 2014a

). However, in a study in Eastern Australia,

classes of parent material became important for SOC storage in the
subsoil (

Hobley et al., 2015

). Here again, it appears that the scale of

investigation in

fl

uences the relative importance of di

ff

erent drivers

controlling SOC storage, as well as the depth of investigation.

This is con

fi

rmed by results from other studies, which found in-

dications for a clear e

ff

ect of parent material on SOC stocks (

Vasques

et al., 2010

;

Xiong et al., 2014

). In a landscape study in France, dif-

ferences in SOC between forests and crops were smaller in loess-derived
soils than on other parent materials (

Barre et al., 2017

). In a semi-arid

region in Turkey, parent material also mediated the e

ff

ect of land use

on SOC stocks within a soil order (

Mayes et al., 2014

). SOC stocks were

greatest under grazing on alluvial and lacustrine soil sites, whereas
cropland agriculture had greater SOC stocks on limestone terraces. The
importance of parent material on SOC may be due to di

ff

erences in

silica (Si) contents (

Badgery et al., 2013

) based on geologic source and

weathering stage. In two large subcontinental studies in Australia and
Chile, Si was a key predictor for SOC storage, with increasing SOC
stocks with increasing ma

fi

c character of the parent material and con-

siderably lower stocks in soils developed from siliceous material
(

Doetterl et al., 2015

;

Gray et al., 2016

). This may be due to a coarser

soil texture and lower surface reactivity, associated with a lower ferti-
lity and C storage capacity.

Doetterl et al. (2015)

argued that climate

may be of secondary importance for SOC storage from a long-term
perspective, and that geochemical predictors, speci

fi

cally Si con-

centrations, are more important. However, at larger superregional to
global scales, studies clearly indicate the importance of climate for SOC
storage in soils of widely varying parent material (

Hobley et al., 2015

;

Jobbagy and Jackson, 2000

), suggesting that the control of climate on

production of SOC and its turnover cannot be neglected.

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

151

Page 4

Figures and page graphics, page 4

2.4. Organisms

2.4.1. Natural vegetation

At the (sub-)regional scale with more uniform climatic conditions,

the level of SOC stocks is strongly a

ff

ected by vegetation and land use

(see

Section 2.4.2

). Among di

ff

erent climatic ranges of the world, sig-

ni

fi

cantly di

ff

erent SOC stocks and depth distributions were found be-

tween plant functional types (shrubland, grassland, forest) due to dif-
ferent C allocation patterns (

Jobbagy and Jackson, 2000

). Studies at the

continental and regional scale in various climatic zones con

fi

rmed that

vegetation type a

ff

ects SOC storage by controlling both the input and

decomposition of C. In a North American study that included a latitu-
dinal gradient from tropical forests to arctic tundra, an estimate of the C
input into the mineral pool was the best predictor of SOC stocks in
topsoils (

Frank et al., 2012

). The analysis of factors controlling SOC

stocks in Eastern Australia con

fi

rmed that vegetation (captured by ve-

getation cover) mainly a

ff

ects SOC in the topsoil and that its in

fl

uence

declines with depth (

Gray et al., 2016

). Plant diversity and functional

composition may also a

ff

ect SOC storage at di

ff

erent spatial scales,

particularly in natural grassland ecosystems under semi-arid conditions,
but also in temperate environments (

Soussana et al., 2004

). At the (sub-

)regional scale, SOC storage among di

ff

erent grassland types can di

ff

er

signi

fi

cantly, e.g., at the Qinghai-Tibetan Plateau (

Liu et al., 2016

).

However, di

ff

erent grassland types are probably coupled with di

ff

erent

climatic conditions (particularly precipitation), which largely a

ff

ect

NPP. Vegetation-type e

ff

ects on SOC often have been attributed to

di

ff

erences in plant litter chemistry, yet the molecular recalcitrance of

plant inputs is strongly modulated by environmental factors, and there
is little evidence that such intrinsic properties are important controls on
SOC over timescales of decades to millennia (

von Lützow et al., 2006

).

At the local scale, plant diversity has been found to be positively cor-
related with SOC accumulation, mainly due to higher root biomass
production induced by speci

fi

c plant functional traits (e.g., positive

interactions between N-

fi

xing legumes and grasses; enhanced N mi-

neralization in species-rich grasslands without legumes) (

Cong et al.,

2014

;

Fornara and Tilman, 2008

;

Lange et al., 2014

;

Rees et al., 2005

;

Steinbeiss et al., 2008

). For forests, there is no consensus on the e

ff

ect of

tree species on SOC storage. Under temperate climatic conditions, SOC
stocks under coniferous species may be relatively high, particularly due
to an accumulation of acidic litter in the organic layer (

Jandl et al.,

2007

;

Oostra et al., 2006

;

Schulp et al., 2008

), yet other studies have

failed to identify signi

fi

cant di

ff

erences between SOC stocks from whole

soil pro

fi

les among forest types (

Vesterdal et al., 2008

).

2.4.2. Land use and management

Land use change is assumed to be the most dynamic factor of SOC

changes (

Guo and Gi

ff

ord, 2002

;

Poeplau et al., 2011

;

Post and Kwon,

2000

;

Viscarra-Rossel et al., 2014

). In temperate regions, the storage of

SOC increases in the order cropland < forest < grassland (

Martin

et al., 2011

;

Meersmans et al., 2008

). However, depending on site and

climatic conditions, forest SOC stocks can be higher than grassland
stocks (

Leifeld et al., 2005

;

Lettens et al., 2005

). A large number of

studies and meta-analyses found strong evidence for a large SOC de-
cline of 30 to 80% when forests or grasslands were converted to crop-
land (

Guo and Gi

ff

ord, 2002

;

Poeplau et al., 2011

;

Wei et al., 2014

).

The loss of SOC in cultivated soils has been attributed to erosion, lower
C inputs in croplands, a reduced stabilization of SOM due to deterio-
rated aggregation, and a subsequent mineralization promoted by in-
creased soil temperature and aeration (

Balesdent et al., 2000

;

Hamza

and Anderson, 2005

;

Six et al., 1998

). Contrasting with these losses,

land use extensi

fi

cation, particularly the conversion of cropland to

grasslands or forests, often leads SOC increases (

Post and Kwon, 2000

;

Schulp and Veldkamp, 2008

). Overall, land use information constitutes

an important additional indicator for SOC storage from local to sub-
continental scales.

SOC storage is also in

fl

uenced by land management, though e

ff

ects

can be di

ffi

cult to detect, especially deep in the soil pro

fi

le. Agricultural

management systems with crop rotations generally reveal higher
amounts of SOC than monoculture systems (

Jarecki and Lal, 2003

).

Increasing crop rotational diversity has been shown to play a major role
in increasing SOC storage, driven by enhanced root C input, soil mi-
crobial diversity, and soil aggregate stability (

Tiemann et al., 2015

).

Moreover, crop systems that are dominated by plants with distinctive
and deep root systems promote SOC storage, as retention of root de-
rived C in soil has been found to be 2.3 times higher than for above-
ground residues (

Kätterer et al., 2011

). In particular, agricultural sys-

tems with perennial crops/forages and cover crops reveal distinctly
higher SOC stocks (

Jarecki and Lal, 2003

;

Paustian et al., 1997

;

Poeplau

and Don, 2015

). Crop rotational diversity, the use of organic amend-

ments or perennial cropping systems may be indicative for SOC accu-
mulation compared to conventional cropping systems. The indicative
value of reduced tillage systems may be low, as there is evidence that
reduced or no-tillage does not a

ff

ect SOC storage but only leads to re-

distribution of SOC within the soil pro

fi

le (

Luo et al., 2010

;

Powlson

et al., 2014

).

In contrast to cropland management, less is known in terms of

grassland management e

ff

ects on SOC storage due to limited data

availability and large spatial variability of SOC in grassland soils
(

Soussana et al., 2004

). In global meta-analyses on grazing e

ff

ects on

SOC storage in grassland soils, no uniform trend was found (

McSherry

and Ritchie, 2013

;

Milchunas and Lauenroth, 1993

;

Pineiro et al., 2010

;

Smith et al., 2008

). High grazing intensities caused a decrease of SOC in

C3-dominated grasslands, but an increase in C4 and C4-C3 mixed
grasslands (

McSherry and Ritchie, 2013

). In temperate grasslands, there

are indications that the intensity of the grassland management, parti-
cularly in terms of number of cuttings and N fertilization, strongly af-
fects SOC storage (

Conant et al., 2001

;

Soussana et al., 2004

). Speci

fi

-

cally, an intermediate level of management intensity with regard to N
fertilizer application and cutting times/stocking rates seems to be as-
sociated with higher SOC stocks compared to lower amounts in both
extensively and intensively managed grasslands (

Soussana et al., 2004

;

Ward et al., 2016

). Grassland management e

ff

ects are not restricted to

the topsoil but also detected in the subsoil (

Ward et al., 2016

). In forest

soils, management aspects such as thinning, extension of the rotation
period, fertilization, liming,

fi

re, storm and insect management, harvest

management and input of harvest residues as well as stand age can
a

ff

ect SOC storage (

Carroll et al., 2012

;

Jandl et al., 2007

;

Lal, 2005

;

Lorenz and Lal, 2014

;

Nabuurs et al., 2008

). Due to the complexity of

management practices on cropland, grassland and forest soils the suit-
ability of management information as a indicator for SOC storage seems
to be limited. A classi

fi

cation of management systems or the intensity

level of management could be a promising strategy to re

fi

ne an in-

dicator system for SOC storage.

2.4.3. Soil biota
2.4.3.1. Microorganisms

. Heterotrophic soil microorganisms (Bacteria,

Eucarya (fungi) and Archaea) mediate turnover of SOM to cover their
nutrient and energy needs for maintenance and growth. Their central
role in the mineralization-immobilization-turnover of SOM was linked
to the

‘

eye of the needle

’

or the

‘

microbial carbon pump

’

through which

carbon and nutrient transformations are mediated (

Jenkinson, 1977

;

Liang et al., 2017

). The fact that microbial residues and exudates may

contribute up to 80% of C in stable soil OM fractions (

Gleixner et al.,

2002

;

Kiem and Kögel-Knabner, 2002

;

Liang and Balser, 2011

;

Simpson

et al., 2007

;

Sorensen, 1981, 1983

) indicates, that the soil microbial

biomass (SMB) plays a dual role in SOM turnover, balancing SOM
mineralization and SOM stabilization processes.

Because most soil systems are resource (C, N, etc.) limited (exept

peat/organic soils), the pool size of SMB is therefore usually positively
related to OM input (NPP) and the SOM content in arable, grassland
and forest ecosystems (

Wardle, 1992

). Strongest relationships between

SMB-C and SOC have been demonstrated in soils with < 2.5% SOC

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

152

Page 5

Figures and page graphics, page 5

(

Anderson and Domsch, 1980

). As a living and active soil compartment

with short turnover times of 1

–

5 years (

Jenkinson and Ladd, 1981

), the

SMB pool changes more rapidly than total amounts of SOC. Therefore
changes in the SMB-C pool and the ratio of SMB-C to SOC had been
suggested as useful and sensitive indicators for monitoring changes in
SOC e.g. due to changes in management (

Powlson et al., 1987

;

Powlson

and Jenkinson, 1981

), also because small gradual changes in SOC are

di

ffi

cult to detect in the short term due to generally high background C

levels. The ratio of SMB-C to SOC will increase for a time if the input of
OM increased and decreases for a time if the input is decreased. Con-
stancy of the SMB-C to SOC ratio is an indication that the soil ecosystem
is in equilibrium (

Anderson and Domsch, 1980

). The establishment of a

higher SMB-C to SOC ratio can further be discussed in a more e

ffi

cient

microbial C turnover.

A wide spectrum of SMB-C to SOC ratios ranging from 0.3 to over

7.0% was reportet in the literature (

von Lützow et al., 2007

). This wide

range can be attributed to di

ff

erent soil management ecosystems

(arable, grassland, forest) (

Anderson and Domsch, 1980

;

Wardle, 1992

)

and environmental factors that in

fl

uence C-input, especially macro-

climate variables, soil texture and soil pH (

Insam and Domsch, 1988

;

Wardle, 1992

). On local and global spatial scales the SMB-C to SOC

ratio is neutrally or negatively correlated with SOC and the soil C/N
ratio (

Wardle, 1992

), indicating that microbial C limitation declines as

SOC content increases and that in many soil ecosystems soil N rather
than soil C may in

fl

uence the immobilization of OM by the microbial

biomass. The lower proportion in temperate forest soils than in most
other ecosystems is probably a result of N limitation and low pH. How
constraints on microbial physiology may in

fl

uence SOC storage is de-

monstrated by increased C losses due to mineralization despite greater
C inputs, when microbes are nutrient limited (

Allison et al., 2010

;

Craine et al., 2007

;

Fontaine et al., 2004

;

Kirkby et al., 2014

). This

‘

microbial nutrient mining

’

may produce predictions for ecosystem C

storage that are opposite to those of basic stoichiometric decomposition
theory. Therefore, to maintain a speci

fi

c level of SOM and to predict

SOC storage changes, maintenance requirements of the SMB and an-
thropogenic changes in nutrient availability for microbes have to be
considered (

Craine et al., 2007

).

In conclusion, monitoring the SMB pool size can be used as an early

indicator for changes in SOC contents e.g. due to changes in soil
management. The SMB pool is easily measurable and a unique and non-
composite fraction that can be equated to a model pool (

Islam et al.,

1997

;

McGill, 1996

;

Smith et al., 2002

). The measurement of SMB is

based on chloroform-fumigation methods that were developed by

Jenkinson (1976)

and

Vance et al. (1987)

. It is a cheep and precise

method to estimate the microbial biomass pool size (C, N, P,

…

).

Moreover, simpli

fi

ed methods are now available e.g. the freeze-dried

soil extraction method as proposed by

Islam et al. (1997)

. Changes in

the ratio of SMB-C to SOC indicate if a soil ecosystem is loosing or
accumulating C. Correlations of SMB-C/SOC with soil chemical para-
meters (e.g. soil C/N content) may identify limiting factors of SOM
turnover.

2.4.3.2. Soil fauna

. Soil fauna and their interactions, both with the

biotic and the abiotic environment, are involved in a number of
processes that promote C stabilization or mineralization. SOM is
incorporated into the soil pro

fi

le by bioturbation, where it becomes

available to the soil microbial community (

Lavelle et al., 1997

;

Scheu

and Parkinson, 1994

) or is protected against mineralization by mixing

with soil particles (

Bossuyt et al., 2006

;

Lavelle et al., 1997

;

von Lützow

et al., 2006

). Soil fauna regulate microbial populations (

Hedlund and

Augustsson, 1995

;

Scheu and Parkinson, 1994

;

Scheu et al., 2002

),

inhibit or stimulate microbial activity by grazing (

Hättenschwiler and

Bretscher, 2001

;

Mikola and Setala, 1998

;

Scheu et al., 2002

) and alter

the microbial community composition by selective grazing or inoculum
dispersal (i.e. passive transport of microorganisms) (

Lavelle et al., 1997

;

Scheu and Parkinson, 1994

;

Scheu et al., 2002

).

Furthermore, soil fauna a

ff

ects SOC storage by a

ff

ecting soil struc-

ture. Soil (macro)porosity is changed by the burrowing activity of
earthworms and enchytraeids (

Falco and Coviella, 2016

;

van Vliet

et al., 1993

). Earthworm feeding activities have been suggested to in-

duce long-term stabilization of SOC as C is protected from microbial
attack by the formation of microaggregates within macroaggregates in
earthworm casts (

Bossuyt et al., 2005

;

Lubbers et al., 2013

;

Six et al.,

2004

). While there is evidence that earthworms a

ff

ect aggregate for-

mation and aggregate size distribution (

Al-Maliki and Scullion, 2013

;

Coq et al., 2007

;

Falco and Coviella, 2016

;

Fonte and Six, 2010

;

Hedde

et al., 2013

;

Sanchez-de Leon et al., 2014

), a recent meta-analysis

comprising 21 studies did not

fi

nd an overall e

ff

ect of earthworms on

SOC stocks (

Lubbers et al., 2013

). However, these authors noted that

the time frame of many studies may have been too short to detect
earthworm stimulation of C sequestration. Studies suggest that micro-
bial activity and thus mineralization rates increase in the

fi

rst days after

casting and dcreases over time, indicating that the physical protection
within earthworm casts may only be apparent in dried or aged casts
(

Kawaguchi et al., 2011

;

Marinissen and Dexter, 1990

;

Shipitalo and

Protz, 1988

). Aggregate stability within casts furthermore seems to

depend on the soil texture (

Angst et al., 2017

;

Shaw and Pawluk, 1986

),

the type of OM ingested (

Flegel et al., 1998

) and earthworm species or

functional group (

Flegel et al., 1998

;

Shaw and Pawluk, 1986

).

The role of soil fauna other than earthworms on the physical pro-

tection of organic material by aggregate formation generally received
less attention (

Maass et al., 2015

) although millipedes (

Fujimaki et al.,

2010

), springtails (

Siddiky et al., 2012a

;

Siddiky et al., 2012b

), mites

(

Barois et al., 1998

) and enchytraeid worms (

Barois et al., 1998

;

Dawod

and Fitzpatrick, 1993

;

Didden, 1990

;

Marinissen and Didden, 1997

)

were shown to facilitate soil aggregation through the production of
fecal pellets. In fact, fecal pellets are important components of soil and
may constitute a large amount of the soil in some ecosystems (

Barois

et al., 1998

;

Dawod and Fitzpatrick, 1993

;

Marinissen and Didden,

1997

;

Phillips and FitzPatrick, 1999

). Within these fecal pellets, C may

be accumulated (

Schrader et al., 1997

) and protected against water and

microbial decomposition, e.g. by a silicon-rich coating or poly-
saccharides (

Barois et al., 1998

;

Fujimaki et al., 2010

). The potential of

fecal pellets to protect C depends on additional factors such as soil
texture, which can lead to di

ff

erent results: Enchytraeidae for instance

were shown to decrease mineralization in loamy soils, whereas in-
creased mineralization was found in sandy soils (

Koutika et al., 2001

).

Overall, the amount of comparative data for the impact of soil fauna

on SOC storage is insu

ffi

cient, especially as the faunal contribution to

SOC dynamics depends on a number of additional factors. As soil faunal
(functional) groups di

ff

er in their feeding strategies and microhabitat,

they are involved in di

ff

erent processes within soils and can thus lead to

the protection of C. This impact furthermore shows a temporal varia-
bility with stimulated OM mineralization in the short term and C sta-
bilization in the longer term (

Dignac et al., 2017

). Site-speci

fi

c prop-

erties such as soil texture, OM quality and distribution (

Bossuyt et al.,

2006

;

Coq et al., 2007

;

Fonte and Six, 2010

), land use (

Hedde et al.,

2013

;

Pulleman et al., 2005

;

van Vliet et al., 1993

) or agricultural

management (

Fonte et al., 2007

;

Pulleman et al., 2005

) may largely

in

fl

uence the magnitude and direction of soil faunal e

ff

ects. Due to

these complex interactions, the suitability of soil fauna as an indicator
for SOC storage is limited. Furthermore, the identi

fi

cation and quanti-

fi

cation of soil fauna is labour-intensive and time-consuming, as re-

peated sampling is needed to account for the seasonality and climate-
sensitivity of soil fauna.

2.5. Soil properties

2.5.1. Soil type

There is broad consensus that soil type is strongly associated with

SOC storage at multiple scales and under di

ff

erent climatic conditions.

During pedogenesis chemical weathering reactions lead to shifts in the

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

153

Page 6

Figures and page graphics, page 6

composition of soil mineralogy which strongly in

fl

uence the bulk re-

active mineral surface area and C storage (

Percival et al., 2000

;

Torn

et al., 1997

), and the resultant characteristics are categorically de-

scribed by soil types. Generally, primary minerals weather to form
secondary minerals including Fe-oxides (e.g. ferrihydrite and goethite),
Al-oxyhydroxides (e.g. gibbsite), short range order minerals (e.g. allo-
phane and imogolite) and phyllosilicates (e.g. kaolinite). In contrast to
climate, vegetation and parent material, which may rather serve as
indicators for SOC storage at larger scales, SOC stocks can be strati

fi

ed

according to soil type even at smaller (local to subregional) scales. In
most soil classi

fi

cation systems, SOC is a major di

ff

erentiation criterion

(

Micheli et al., 2014

). Numerous studies reported a predominant in-

fl

uence of soil type on SOC stocks both in top- and subsoils (

Chaplot

et al., 2010

;

Grimm et al., 2008

;

Hobley et al., 2015

;

Schulp and

Verburg, 2009

;

Tan et al., 2004

;

Vasques et al., 2010

;

Wiesmeier et al.,

2014a

;

Xiong et al., 2014

). Interestingly, evidence was found that land

use e

ff

ects on SOC storage, which are often assumed to be main drivers,

are strongly di

ff

erentiated within soil type (

Mayes et al., 2014

;

Wiesmeier et al., 2015b

).

However, soil type is not an independent controlling factor but in-

tegrates a number of climate, parent material and topography related
properties which directly a

ff

ect the potential of soils to store C, parti-

cularly soil moisture regime and soil texture (see

Sections 2.2 and

2.5.2

). For example, Gleysols often store large quantities of SOC, but

this is not an intrinsic feature of the soil type Gleysol but the result of
the topographical situation of Gleysols associated with high soil
moisture contents (

Mayes et al., 2014

;

Wiesmeier et al., 2013

). How-

ever, if precise information on soil properties such as texture, soil
moisture etc. is not available, soil type can be a suitable indicator for
SOC storage integrating a wide range of decisive factors.

2.5.2. Soil aggregation

Physical protection of SOM by aggregates is considered to be an

important mechanism for C stabilization. Besides abiotic formation of
aggregates, soil biota and the material that they produce play an im-
portant role in formation and stabilization of soil structure and are
strongly involved in the process of OM occlusion by aggregation (see

Section 2.4.3

) (

Elliott, 1986

;

Oades, 1984, 1993

;

Six et al., 2002b

). The

protective capacity of aggregates is mainly related to a spatial separa-
tion of substrate and microorganisms as well as to a reduced microbial
activity due to a reduced di

ff

usion of oxygen into aggregates (

Mikutta

et al., 2006

;

Six et al., 2002b

). Macroaggregates (soil particles > 250

μ

m) provide a minimal physical protection (

Krull et al., 2003

;

Six et al.,

2002b, 2004

), while microaggregates play a decisive role for the long-

term SOM stabilization (

Totsche et al., 2017

). However, because mi-

croaggregates are formed within macroaggregates (

Angers et al., 1997

;

Oades, 1984

;

Pronk et al., 2012b

;

Six et al., 2002b

), macroaggregation

is the

fi

rst step for long-term sequestration of fresh C input (

Pronk et al.,

2012a

;

Six et al., 2000

). The physical protection of C provided by intra-

aggregate occlusion can also be expressed from the perspective of the
pore network, which regulates the availability of oxygen, water, and
other resources for OM decomposition (

Ananyeva et al., 2013

;

Kravchenko et al., 2015

;

Strong et al., 2004

;

Toosi et al., 2017

). Small

pores may also provide physical protection for OM by reducing acces-
sibility to decomposers (

Kravchenko et al., 2015

;

Negassa et al., 2015

).

Soil cultivation in

fl

uences aggregation and thus physically stabi-

lized C pools. Macroaggregates are sensitive to land management and
mechanical disruptive forces of cultivation because they are formed
from plant input products and much less stable than microaggregates
(

Beare et al., 1994

;

Edwards and Bremner, 1967

;

Oades, 1984

). Long-

term tillage with frequent plowing accelerates the turnover rate of
macroaggregates and limits the physical protection of labile SOM
compounds associated with soil aggregates (

Beare et al., 1994

;

Grandy

and Robertson, 2006

;

Six et al., 1998, 1999

). Similarly, reduced plant

inputs due to harvesting of agricultural products reduces macro-
aggregate formation (

Oades, 1984

). Thus, macroaggregates may be

good predictors of potential SOC responses to tillage or land use change
because of their importance for storing more labile SOM (

Angers and

Giroux, 1996

;

Jastrow et al., 1996

). The microaggregate fraction and

microaggregates-within-macroaggregates were additionally proposed
as diagnostic fractions for the SOC sequestration potential in sustain-
able agroecosystems (

Kong et al., 2005

). Di

ff

erent studies have shown

that the C in that fraction is sensitive to management-induced changes
in a wide range of soil types and under di

ff

erent climates (

Denef et al.,

2004

;

Kong et al., 2005

;

Six and Paustian, 2014

). These

fi

ndings sug-

gested that microaggregates-within-macroaggregates may be indicative
for changes in total SOC in response to changes in tillage and other
management practices (

Denef et al., 2004

;

Six et al., 2000

). In a recent

work,

Segoli et al. (2013)

successfully incorporated the explicit re-

presentation of the turnover of soil aggregates into the

AggModel

to

decipher the in

fl

uence on SOM dynamics. However, a major drawback

is that the characterization of the aggregate size distribution is very
sensitive to the soil sample pretreatment and to the methodology ap-
plied (e.g. type of sieving, its duration, etc.) (

Rabot et al., 2017

;

von

Lützow et al., 2007

).

2.5.3. Silt and clay content

Among the major SOM stabilization mechanisms, interaction of OM

with mineral surfaces is regarded as quantitatively most important in a
wide range of soils (

Sollins et al., 1996

;

von Lützow et al., 2006

). This is

indicated by a strong correlation of SOC stocks with clay contents ob-
served in numerous studies at di

ff

erent spatial scales (

Arrouays et al.,

2006

;

Hassink et al., 1997

;

Kaiser and Guggenberger, 2000

;

Zinn et al.,

2007

). Therefore, soil texture is probably one of the most promising

factors to be used as indicator for SOC storage over a wider range of
scales. Soil texture data is available for many regions and there also
global data sets with speci

fi

c information on clay-size minerals (

Hengl

et al., 2017

;

Ito and Wagai, 2017

).

Furthermore, on the basis of the stabilizing capacity of the

fi

ne

mineral fraction (medium/

fi

ne silt and clay particles < 20/ < 50

μ

m),

simple regression models have been developed to estimate the (stable)
SOC storage potential (

Table 1

). As the

fi

ne mineral fraction contains a

large proportion of total SOC in most soils, particularly in cropland
soils, it serves as a useful measure for potential SOC storage (

Beare

et al., 2014

;

Wiesmeier et al., 2014b

). In his pioneer work,

Hassink

(1997)

found a strong correlation between the content of

fi

ne soil

particles < 20

μ

m and

fi

ne fraction SOC in a wide range of un-

cultivated and grassland topsoils of temperate and tropical regions and
proposed that this correlation could be used to estimate the degree of
saturation of stable SOC. Although Hassink's equation proved to be
suitable to estimate the C sequestration potential of agricultural soils in
temperate regions (

Angers et al., 2011

;

Carter et al., 2003

;

Chan, 2001

;

Conant et al., 2003

;

Sparrow et al., 2006

;

Wiesmeier et al., 2014b

;

Zhao

et al., 2006

), more speci

fi

c approaches have been developed for soils

with di

ff

erent clay types, land uses and climatic regions.

Feller and

Beare (1997)

delineated regression models based on the

fi

ne frac-

tion < 20

μ

m for cultivated and non-cultivated soils and soils with

di

ff

erent mineralogy in tropical environments. Further signi

fi

cant pro-

gress in this direction was achieved by

Six et al. (2002a)

who expanded

the analysis of

Hassink (1997)

and developed speci

fi

c regression models

for cropland, grassland and forest soils with di

ff

erent clay types (1:1 vs.

2:1) and size delimitations of the

fi

ne fraction (< 20

μ

m vs. < 50

μ

m).

Their results reveal that there are signi

fi

cant di

ff

erences among land

uses, clay types and

fi

ne fraction size classes. Generally higher inter-

cepts (which represent the baseline C storage in particles at or below
the size delimitation) of the regressions based on

fi

ne fractions <

50

μ

m compared to < 20

μ

m were explained by either additional C

binding of organomineral associations into larger silt-sized aggregates
or the presence of silt-sized particulate organic matter. The latter may
also have caused the relatively high intercept in Hassink's equation, as
POM was not separated from the

fi

ne fraction, e.g. by density fractio-

nation (

Wiesmeier et al., 2015a

). It should be noted, however, that

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

154

Page 7

Figures and page graphics, page 7

these intercepts are mathematically derived and can be negative, so
they should be interpreted with caution. In the study of

Six et al.

(2002a)

, further di

ff

erences were found among clay types (lower C

saturation in soils dominated by 1:1 clays compared to 2:1 clays, see

Section 2.5.4

) and land uses (higher slopes in forest soils compared to

grassland and cropland). These results indicate that it is not just the
quantity of the

fi

ne fraction, but also its quality which drives SOC re-

tention in soils.

Feng et al. (2013)

further developed the estimation of C stabiliza-

tion by the

fi

ne fraction. They argued that predictions based on least-

squares linear regressions are limited as data sets may contain high
proportions of soils which are not saturated or over-saturated. They
proposed that either speci

fi

c surface area (SSA) and OC loading (see

Section 2.5.4

) should be incorporated into the models or that boundary

line analysis should be used including thus only soils close to C sa-
turation, e.g. by selecting only the upper 10th percentile of the data.
The estimates of C stabilization in soils from 32 published studies based
on boundary line analysis were substantially higher compared to linear
regression approaches. Similar to the results of

Six et al. (2002a)

,

Feng

et al. (2013)

found general di

ff

erences among land uses and clay types.

In addition to the 10th percentile approach proposed by

Feng et al.

(2013)

, quantile regression analysis was used to estimate the C storage

capacity of grassland soils in New Zealand (

Beare et al., 2014

). In this

study, a model that included extractable Al, pH and SSA predicted SOC
stabilization capacity much better than models solely based on the

fi

ne

fraction content. This could partly be related to the andic properties of
soils in New Zealand (

Matus et al., 2014

). A comparison of allophanic

and non-allophanic soils of New Zealand revealed that the best model
for the prediction of the SOC storage capacity included SSA and ex-
tractable Al, although di

ff

erent coe

ffi

cients between these two soil units

were found (

McNally et al., 2017

). For soils in drier environments,

Hassink (1997)

found signi

fi

cantly lower OC contents in the

fi

ne frac-

tion of natural grassland soils, probably due to a lower C input caused
by a relatively low NPP in water-limited environments (

Chan, 2001

).

Liang et al. (2009)

and

Wiesmeier et al. (2015a)

used natural steppe

relicts in Northern China to derive regression models for

fi

ne fraction

SOC saturation similar to existing approaches. Lower intercepts were
attributed to lower C inputs due to climate limitations, and potentially
due to di

ff

erent clay mineralogy, indicating that where SOC storage is

limited by other factors, soil texture may not be as important for SOC
stabilization.

Overall, evidence for a global dependence of the SOC storage

capacity on the

fi

ne fraction content was found, although this re-

lationship strongly depends on climatic conditions, land use, clay type
and size limits of the

fi

ne fraction. Certainly, there are limitations,

particularly in soils where recalcitrance or other stabilizing agents such
as Al/Fe oxides play an important role. Furthermore, one has to bear in
mind that such approaches are not suitable to estimate the total SOC
storage capacity of soils, as C associated with particles > 20/50

μ

m, e.g.

in macro- and microaggregates are not accounted for (

Baldock and

Skjemstad, 2000

). Nevertheless, it was demonstrated that the

fi

ne

fraction content is a useful and widely available indicator for the SOC
storage capacity in many soils.

2.5.4. Clay mineralogy and speci

fi

c surface area

The widely reported association of SOC with soil mineralogy

(

Bosatta and Agren, 1997

;

Kaiser and Guggenberger, 2000

;

Kiem and

Kögel-Knabner, 2002

) is generally attributed to the large speci

fi

c sur-

face area (SSA) of

fi

ne soil minerals such as phyllosilicates (known as

clay minerals), which promotes sorption of OC to the mineral matrix
(

Balabane and Plante, 2004

;

Tipping, 1981

;

von Lützow et al., 2006

;

Wagai and Mayer, 2007

). Hence, there is generally a positive re-

lationship between SSA and SOC storage, and soils dominated by clay
minerals with high SSA are expected to adsorb more humic substances
than soils dominated by minerals with low SSA (

Tate and Theng, 1980

).

Clay mineralogy (clay type) a

ff

ects the SSA available for OC sorption

(

Feng et al., 2013

;

Kahle et al., 2002

;

Mayer, 1994

;

Wiseman and

Puttmann, 2005

). In particular, expandable phyllosilicates, e.g., clay

minerals such as smectites and vermiculites have a large impact on OC
stabilization in soils (

Beare et al., 2014

;

Ransom et al., 1998

) and

provide a high surface area up to 800 m

2

g

−

1

(

Carter et al., 1986

),

whereas SSA of non-expanding silicates (e.g., kaolinite, mica) ranges
from 10 to 70 m

2

g

−

1

(

Dixon, 1977

). Additionally, short range-order

aluminosilicate clays, e.g., allophane and imogolite-type minerals have
large surface areas (

Beare et al., 2014

;

Matus et al., 2014

;

McNally

et al., 2017

;

Torn et al., 1997

), so that allophanic soils generally have a

high SSA and large portions of SOC are associated with

fi

ne soil frac-

tions. Illustrating the importance of allophane surfaces for C retention
(

Beare et al., 2014

;

McNally et al., 2017

),

Percival et al. (2000)

found a

positive relationship between SOC stocks and allophane, but not be-
tween SOC and total clay content in New Zealand grasslands. However,
the covariance of these parameters (allophane and

fi

ne texture) makes

it di

ffi

cult to di

ff

erentiate their importance as a driver of SOC storage,

as high SSA of silt and clay fractions can be attributed to the presence of

Table 1

Overview on approaches to estimate the SOC storage capacity for soils under di

ff

erent climates, land uses and clay types based on linear regressions with the

fi

ne

mineral fraction (silt and clay particles < 20/ < 50

μ

m).

Study

Climate

Land use

Clay type

Soil depth

n

Fine fraction

Linear regression

r

Hassink, 1997

Temperate and tropical

Grassland

Diverse

0

–

10 cm

33

< 20

μ

m

4.09 + 0.37 ×

ff

< 20

0.89

Feller and Beare, 1997

Tropical

Uncultivated

1:1

0

–

20 cm

25

< 20

μ

m

−

2.3 + 0.49 ×

ff

< 20

0.91

Cultivated

25

3.2 + 0.29 ×

ff

< 20

0.95

Six et al., 2002a

Diverse

Cropland

Diverse

–

146

< 20

μ

m

4.38 + 0.26 ×

ff

< 20

0.41

Grassland

2.21 + 0.42 ×

ff

< 20

0.44

Forest

−

2.51 + 0.63 ×

ff

< 20

0.55

Cropland

Diverse

66

< 50

μ

m

7.18 + 0.20 ×

ff

< 50

0.54

Grassland

16.33 + 0.32 ×

ff

< 50

0.35

Forest

16.24 + 0.24 ×

ff

< 50

0.35

Diverse

1:1

47

< 20

μ

m

1.22 + 0.30 ×

ff

< 20

0.74

2:1

93

3.86 + 0.41 ×

ff

< 20

0.39

Diverse

1:1

10

< 50

μ

m

5.50 + 0.26 ×

ff

< 50

0.38

2:1

52

14.76 + 0.21 ×

ff

< 50

0.07

Zhao et al., 2006

Temperate

Cropland

–

0

–

15 cm

12

< 20

μ

m

−

0.52 + 0.22 ×

ff

< 20

0.88

Liang et al., 2009

Temperate

Grassland

2:1

0

–

30 cm

27

< 20

μ

m

0.36 ×

ff

< 20

0.51

Feng et al., 2013

Diverse

Diverse

1:1

–

101

< 20

μ

m

1.04 + 0.23 ×

ff

< 20

0.72

2:1

241

< 20

μ

m

1.68 + 0.32 ×

ff

< 20

0.52

Beare et al., 2014

Temperate

Grassland

Allophanic

0

–

15 cm, 15

–

30 cm

29

< 20

μ

m

1.35 ×

ff

< 20

–

Non-allophanic

184

0.62 ×

ff

< 20

–

Wiesmeier et al., 2015a

Semi-arid

Grassland

2:1

0

–

10 cm

14

< 20

μ

m

−

0.23 + 0.36 ×

ff

< 20

0.98

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

155

Page 8

Figures and page graphics, page 8

smectite and mixed-layer illite

–

smectite minerals (

Wiseman and

Puttmann, 2005

).

There is no general agreement on the importance of clay mineral

surfaces for SOC storage. It has been demonstrated that SOC stocks in

kaolinitic soil pro

fi

les in the tropics are similar to those in temperate,

less-weathered soils (

Sanchez and Logan, 1992

), despite faster decom-

position rates associated with higher temperatures. (

Wattel-Koekkoek

et al., 2001

) also showed that SOC contents of kaolinitic and smectitic

soils did not di

ff

er to any signi

fi

cant extent in soils from seven di

ff

erent

countries.

Wiseman and Puttmann (2005)

indicated that the two soil

pro

fi

les with the highest SSA and percentage of clay and smectite

concentration do not have signi

fi

cantly higher OC concentrations re-

lative to the other soils. (

Mayer and Xing, 2001

), for instance, found

that SSA did not correlate well with SOC in acid soils in the USA, and

Hassink (1997)

proposed that the surface area of clay minerals is not a

good indicator for the potential of a soil to sorb SOC in tropical and
temperate regions across the globe. Although many authors have de-
scribed a positive correlation between SSA and SOC concentration,
predicting SOC from SSA remains di

ffi

cult. This may be because SOM is

distributed in heterogenous patches within the soil microstructure
(

Ste

ff

ens et al., 2017

;

Vogel et al., 2013

), limiting the direct relationship

between SSA and SOC concentration. Although recently developed re-
gression models for estimating the SOC storage capacity included SSA
(

Beare et al., 2014

;

Feng et al., 2013

;

McNally et al., 2017

;

Zinn et al.,

2007

), most of these models were based on estimated SSA (

Feng et al.,

Fig. 1.

Overview on the scale-dependent hierarchy of drivers and indicators for SOC storage (MAT = mean annual temperature, MAP = mean annual precipitation,

TWI = topographic wetness index, SSA = speci

fi

c surface area).

Table 2

Site-typical SOC contents for cropland soils of Bavaria as determined by soil
texture class and elevation as proxy for climate conditions (

Capriel, 2010

,

adapted).

Soil texture class

Elevation (m a.s.l.)

SOC (mg g

−

1

)

Sand

< 350

0.70

–

1.37

350

–

550

0.75

–

1.57

Silt

< 350

0.96

–

1.56

350

–

550

1.17

–

1.88

> 550

1.20

–

2.19

Clay

< 350

1.23

–

2.16

350

–

550

1.31

–

2.52

> 550

2.33

–

4.19

Loam

< 350

1.00

–

1.64

350

–

550

1.16

–

2.32

> 550

1.80

–

3.55

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

156

Page 9

Figures and page graphics, page 9

2013

) or calculated values from the water content of air-dried soil

(

Beare et al., 2014

;

McNally et al., 2017

). An accurate determination of

the SOC storage capacity based on SSA requires the accurate mea-
surement of SSA for soil samples from a wide-range of diverse soils
(

Feng et al., 2013

), limiting the suitability of SSA as a widely-adopted

indicator for SOC storage. The suitability of mineralogy and SSA as
indicators is further limited because the measurement of these para-
meters is labour-intensive and time-consuming. Although identi

fi

cation

and quanti

fi

cation of phyllosilicates, as well as quanti

fi

cation of their

surface properties (CEC, SSA) has been recommended to address their
role in SOC turnover and stabilization (

Barre et al., 2014

), the wide-

spread adoption of clay mineralogy and associated parameters as an
indicator for SOM is unlikely due to laboratory constraints.

2.5.5. Oxides of aluminum (Al) and iron (Fe)

In addition to phyllosilicates, metallic sesquioxides (oxides, hydro-

xides, and oxyhydroxides of Al and Fe) signi

fi

cantly contribute to SSA

and to OM stabilization in soils (

Baldock and Skjemstad, 2000

;

Sollins

et al., 1996

). Additionally, Al- and Fe-oxides have a potentially greater

a

ffi

nity for SOM than other mineral surfaces such as clay minerals, and

thus may be more important as drivers of SOC storage than other soil
mineral components (

Jones and Edwards, 1998

;

Kaiser et al., 2002

;

Kaiser and Zech, 1998

). Fe-oxides and hydroxides have particularly

high SSA (

Kaiser and Guggenberger, 2003

;

Yong et al., 1992

), resulting

in positive relationships between SOC and Fe-oxide (

Kaiser and

Guggenberger, 2003

;

Kleber et al., 2005

). As cations, Fe

3+

and Al

2+

can bind with organic ligands in acidic soils (e.g., carboxylic groups) to
form organo

–

mineral complexes (

Boudot et al., 1989

;

Higashi, 1983

)

and stabilize SOM via cation bridges (

Oades, 1988

;

von Lützow et al.,

2006

) through a direct bond formation between OM and either Al

3+

or

Fe

3+

at the surface of a short range-ordered mineral ((

Duckworth et al.,

2008

;

Mikutta et al., 2007

). Whereas Fe

3+

exists in a range of oxides

with amphoteric surfaces on which organic anions are adsorbed (

Oades

and Tipping, 1986

), the interaction of Al

3+

with organic materials is

more likely to be an electrostatic interaction (

Oades, 1988

). In addition

to their direct role in OC sorption, Fe- and Al-oxides can help to sta-
bilize aggregates (

Rasmussen et al., 2005

), resulting in occlusion of OM

at the clay microstructure level (< 20

μ

m) or the coating of phyllosi-

licates by Fe- and Al-oxides (

Mayer et al., 2004

), a phenomenon fre-

quently described for kaolinite (

Kanket et al., 2005

;

Singh and Gilkes,

1992

) and supported by the widespread occurrence of kaolinite-oxides

microaggregates in Oxisols (

Balbino et al., 2004

;

Oades, 1993

). Thus,

soil mineralogy, in particular Fe and Al content, controls aggregate
formation and stability through both mineral-mineral interactions and
organo-mineral associations (

Oades and Waters, 1991

;

Six et al., 2000

).

Numerous studies have highlighted the importance of extractable Fe

and Al in stabilizing SOC in top- and subsoils (

Beare et al., 2014

;

Matus

et al., 2014

;

McNally et al., 2017

;

Schneider et al., 2010

;

Wiseman and

Puttmann, 2005

), and Fe-oxides have been found to be the most re-

levant mineral phases for the formation of organo-mineral associations
in the subsoil of acidic forest soils (

Eusterhues et al., 2005

). Here, it is

likely that speci

fi

c components of OC (O/N-alkyl C and microbially-

derived sugars) are preferentially stabilized by association with Fe- and
Al-minerals (

Schoening et al., 2005

;

Spielvogel et al., 2008

). For soils of

volcanic origin (e.g., allophanic soils), it has been shown that ex-
tractable Al was much more important than Fe (

McNally et al., 2017

) or

the mass proportion of

fi

ne particles or clay content (

Beare et al., 2014

;

Curtin et al., 2016

;

Matus et al., 2006

;

Percival et al., 2000

), likely a

result of the dominance of Al in the

fi

ne mineral phase. As such, whe-

ther Al, Fe or clay content is more important for SOC sorption is likely a
product of their presence, absence and relative proportions in a given
soil.

The positive correlations of soil Fe and Al phases with SOC across a

wide range of soils (

Beare et al., 2014

;

Kaiser and Guggenberger, 2000

;

McNally et al., 2017

;

Tiessen et al., 1984

) suggest that signi

fi

cant

amounts of SOC are stabilized by interactions with Fe and Al (hydr-)

oxides in soils (

Bruun et al., 2010

) and that Fe and Al could be suitable

indicators for SOC storage. In a diverse landscape in South Africa, Fe
oxides was a better predictor of SOC storage than clay content along
topographic gradients and di

ff

erent lithologies, despite di

ff

erences in

mean annual precipitation (

Khomo et al., 2017

). However, time-con-

suming and costly soil fractionation procedures are required to isolate

fi

ne mineral fractions and determine their contents of Fe- and Al-oxides.

Similar to clay mineralogy and SSA, sesquioxides thus represent only a
moderately applicable indicator for SOC storage because of the high
workload to extract them from soil samples.

2.5.6. Available Ca

2+

and Mg

2+

cations

The in

fl

uence of the exchangeable cation concentration on the be-

havior of clay minerals, the biological availability of OC (

Baldock and

Nelson, 2000

), and SOM stabilization is well documented (

Clough and

Skjemstad, 2000

;

Kaiser et al., 2012

;

O'Brien et al., 2015

;

Oades, 1988

;

Paul et al., 2003

;

von Lützow et al., 2006

). Speci

fi

cally, the presence of

polyvalent cations in soil produces electrostatic bridging between soil
mineral surfaces (clay minerals) and SOM (OM-cation-mineral: cation
bridges), yielding an important mechanism of SOM stabilization
(

Muneer and Oades, 1989b

;

Stewart et al., 2008

;

von Lützow et al.,

2006

). Sorption of negatively charged organic groups through cation

bridging to negatively charged clay minerals is possibly the most
common mechanism that stabilizes OM against microbial decomposi-
tion (

Oades, 1988

;

Sollins et al., 1996

). In addition to the interaction

with soil mineral surfaces via cation bridges, OM can be stabilized
against microbial decomposition via chelation or cross-linking of OM
with polyvalent cations (

Kaiser et al., 2012

;

Masiello et al., 2004

) or by

promoting aggregation (

Oades, 1988

;

Paul et al., 2003

).

Although stabilization of OM due to the presence of Mg in arable

soils of neutral pH has been documented (

Kaiser et al., 2012

), the

presence of Ca, in particular, is more frequently attributed to enhanced
OM stabilization. As a result, Ca has been found to be an important
predictor of SOC accumulation across di

ff

erent landscapes and land-

uses, e.g. under forests (

Morris et al., 2007

), pastures (

Fornara et al.,

2011

), and cultivated soils (

Kaiser et al., 2012

).

O'Brien et al. (2015)

reported that exchangeable soil Ca

2+

was the strongest predictor of

SOC stocks in restored grasslands, indicated by a strong relationship
(R

2

= 0.74) between Ca

2+

and SOC, followed by clay content

(R

2

= 0.52), highlighting the potentially large role Ca can play in sta-

bilizing SOM. A recent analysis of 5500 soil proiles found that ex-
changeable calcium was a better predictor of SOC content than soil
texture (

Rasmussen et al., 2017

).

Oades (1988)

reported higher OM

contents and longer turnover times for OC of calcareous soils compared
with adjacent non-calcareous, acidic soils, which may be partly due to
Ca-humates. Other studies have also shown a decreased solubility of OC
in the presence of Ca

2+

(

Muneer and Oades, 1989b

), a reduced mi-

neralization of native organic materials and organic substrates with the
addition of Ca

2+

(

Muneer and Oades, 1989a, 1989b

), or an increase in

OM stabilization due to soil amendment with Ca (

Krull et al., 2003

). In

contrast,

Stewart et al. (2008)

found no e

ff

ect on the stabilization of

added residue by increasing Ca

2+

availability in agricultural soils. This

is possibly due to other limitations on SOC storage in these soils. Here,
the maxim that the limiting factor drives SOC storage and stabilization
should also be applied.

Due to these inconsistencies, assessing SOC storage by Ca

2+

cations

is limited. Instead, the interaction of cations (Ca

2+

, Mg

2+

), clay con-

tent, and factors that in

fl

uence biotic impacts on SOM dynamics (pH, P)

with soil moisture and vegetation controls the accrual and retention of
SOM (

O'Brien et al., 2015

). As such, the contents of the macronutrients

Ca and Mg are not stand-alone indicators for SOC storage, but can be
viewed in conjunction with other factors (temperature, water-avail-
ability, land-use) as an indicator for SOC storage.

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

157

Page 10

Figures and page graphics, page 10

3. Outlook: An indicator system to quantify current and potential
SOC storage

In this review, we identi

fi

ed several core factors that control SOC

storage at di

ff

erent spatial scales, which could be used to develop a

system of indicators (

Fig. 1

). Such a system needs to consider the two

most important aspects of SOC storage which are the C input and C
stabilization within the soil. In the following, we outline a scheme of an
indicator system that allows a time- and cost-e

ffi

cient estimation of

current and potential SOC storage from the local to the regional/sub-
continental scale. This indicator system can be used in a wide range of
soils in temperate (agro)ecosystems, but may be only partly suitable in
tropical regions or for speci

fi

c soils, e.g. paddy soils. As soil texture

seems to be the most important factor controlling SOC stabilization, the
silt and clay content represents a key indicator. Several

fi

ne fraction-

based approaches were developed that allow an estimation of the SOC
storage capacity of soils (

Table 1

). Since the precise determination of

soil texture is laborious and time-consuming, an exact determination of
the

fi

ne fraction content and its use as an accurate indicator may be

limited. Nevertheless, soil texture can easily be estimated in the

fi

eld

with a relatively high precision using the

“

fi

nger texturing

”

(

Vos et al.,

2016

), enabling a rough estimation of SOC storage capacity if measured

data is not available. Current developments in internet technology, with
the launch of mobile apps to guide non-experts through soil textural
classi

fi

cation (e.g. LandPKS app,

landpotential.org

) promise to further

expand the everyday application of soil texture as an indicator of SOC
storage. Lastly, the development of rapid, robust and low-cost estima-
tion techniques for soil texture based on IR spectroscopy in the

fi

eld or

laboratory (

Viscarra Rossel and Lark, 2009

) will also expand the ap-

plicability of soil textural estimates as an indicator for the SOC storage
capacity.

Besides the stabilizing capacity of the

fi

ne fraction, the potential

SOC storage also depends on the C input level. As most promising in-
dicators, climatic proxies, particularly elevation, as well as information
on land use, land use management and/or vegetation characteristics
were identi

fi

ed. This readily available information can be used to fur-

ther specify the SOC storage capacity as it was done by

Six et al.

(2002a)

and

Feng et al. (2013)

(

Table 1

). In this regard, regional ap-

proaches are needed to estimate the SOC storage capacity according to
speci

fi

c climatic conditions and land use/management/vegetation

characteristics. A good example for such an approach, although not on a
quantitative stock basis, is the classi

fi

cation of site-typical SOC contents

in cropland soils of Bavaria (Germany) (

Table 2

) (

Capriel, 2010

). Using

a large SOC database, site-typical SOC ranges were delineated for
cropland soils according to texture classes, subdivided by elevation as a
proxy for di

ff

erent climatic conditions in Bavaria. Such approaches can

be adapted to regional environmental characteristics and expanded to
cover other land uses, vegetation types, management aspects or topo-
graphic features.

In order to enhance the indicative power of such an indicator system

towards impacts of land management, further

“

functional soil char-

acteristics

”

should be included. Soil structural properties are most

promising in this regard (

Rabot et al., 2017

;

Vogel et al., 2018

). Indeed,

new insights emerged recently, recognizing a more important role to
the physical protection of SOM (

Ananyeva et al., 2013

;

Kravchenko

et al., 2015

;

Strong et al., 2004

;

Toosi et al., 2017

). The porosity,

macroporosity, pore distances, pore connectivity and aggregate size
classes (macro- and microaggregates, microaggregates-within-macro-
aggregates) were proposed as potential structural indicators (

Rabot

et al., 2017

;

Six and Paustian, 2014

). Moreover, the SMB-C pool size

and the SMB-C to SOC ratio are sensitive indicators that re

fl

ect cropping

and management e

ff

ects. Monitoring the SMB-C pool size and the SMB-

C to SOC ratio can thus serve to predict SOC changes.

The sketched system of indicators including the

fi

ne fraction con-

tent, functional soil characteristics such as soil structural and microbial
properties, climate proxies and land use/management/vegetation

characteristics is a promising way to estimate the site-speci

fi

c SOC

storage potential time- and cost-e

ffi

ciently. In order to estimate the

fi

ne

fraction-based C sequestration potential, the actual amount of C in this
fraction has to be estimated. Some authors used a

fi

xed percentage of

fi

ne fraction C on total SOC of 77

–

85% (

Angers et al., 1997

;

Di et al.,

2017

;

McNally et al., 2017

), but due to its large variability depending

on land use, land use history and management,

fi

ne fraction C should be

quanti

fi

ed. Several fractionation approaches were used to determine

the actual C content of the

fi

ne fraction (

Hassink, 1997

;

Wiesmeier

et al., 2014b

), but due to their complexity they are not practicable

within the outlined indicator system. One solution would be a simplied
fractionation approach in which the

fi

ne fraction is separated by sieving

after shaking without time-consuming and expensive further separation
of particulate organic matter (

Trigalet et al., 2017

). Such a simpli

fi

ed

fractionation scheme is not as labour intensive as the currently used
schemes and could thus be applied for soil monitoring at the regional
scale. If simultaneously the VisNIR spectra are also collected, the re-
sulting spectral library can be used to predict the

fi

ne fraction C content

by scanning a bulk soil sample.

Zimmermann et al. (2007)

and

Baldock

et al. (2013)

have already demonstrated the feasibility of predicting the

C content in fractions using Mid Infrared spectroscopy, and

Viscarra

Rossel and Hicks (2015)

have predicted the C content in three fractions

using VisNIR spectroscopy on samples from an Australian database.
Thus, IR spectroscopy-based approaches are a promising way for an
e

ffi

cient estimation of the current

fi

ne fraction C.

Acknowledgements

This project work was funded by the German Federal Ministry of

Education and Research (BMBF) in the framework of the funding
measure

“

Soil as a Sustainable Resource for the Bioeconomy

–

BonaRes

”

, project

“

BonaRes (Module B): BonaRes Centre for Soil

Research, subprojects A,C,D

”

(grants 031A608A, C, D). Erika Marin-

Spiotta was funded by U.S. National Science Foundation BCS CAREER
Award 1349952.

References

Allen, D., et al., 2013. What determines soil organic carbon stocks in the grazing lands of

north-eastern Australia? Soil Res. 51 (695-706 pp)

.

Allison, S.D., Wallenstein, M.D., Bradford, M.A., 2010. Soil-carbon response to warming

dependent on microbial physiology. Nat. Geosci. 3 (5), 336

–

340

.

Al-Maliki, S., Scullion, J., 2013. Interactions between earthworms and residues of dif-

fering quality a

ff

ecting aggregate stability and microbial dynamics. Appl. Soil Ecol.

64, 56

–

62

.

Alvarez, R., Lavado, R.S., 1998. Climate, organic matter and clay content relationships in

the Pampa and Chaco soils, Argentina. Geoderma 83 (1

–

2), 127

–

141

.

Ananyeva, K., Wang, W., Smucker, A.J.M., Rivers, M.L., Kravchenko, A.N., 2013. Can

intra-aggregate pore structures a

ff

ect the aggregate's e

ff

ectiveness in protecting

carbon? Soil Biol. Biochem. 57, 868

–

875

.

Anderson, J.P.E., Domsch, K.H., 1980. Quantities of plant nutrients in the microbial

biomass of selected soils. Soil Sci. 130 (4), 211

–

216

.

Angers, D.A., Giroux, M., 1996. Recently deposited organic matter in soil water-stable

aggregates. Soil Sci. Soc. Am. J. 60 (5), 1547

–

1551

.

Angers, D.A., Recous, S., Aita, C., 1997. Fate of carbon and nitrogen in water-stable ag-

gregates during decomposition of (CN)-C-13-N-15-labelled wheat straw in situ. Eur.
J. Soil Sci. 48 (2), 295

–

300

.

Angers, D.A., Arrouays, D., Saby, N.P.A., Walter, C., 2011. Estimating and mapping the

carbon saturation de

fi

cit of French agricultural topsoils. Soil Use Manag. 27 (4),

448

–

452

.

Angst, S., et al., 2017. Stabilization of soil organic matter by earthworms is connected

with physical protection rather than with chemical changes of organic matter.
Geoderma 289, 29

–

35

.

Arrouays, D., Saby, N., Walter, C., Lemercier, B., Schvartz, C., 2006. Relationships be-

tween particle-size distribution and organic carbon in French arable topsoils. Soil Use
Manag. 22 (1), 48

–

51

.

Badgery, W.B., et al., 2013. Relationship between environmental and land-use variables

on soil carbon levels at the regional scale in central New South Wales, Australia. Soil
Res. 51 (7

–

8), 645

–

656

.

Balabane, M., Plante, A.F., 2004. Aggregation and carbon storage in silty soil using

physical fractionation techniques. Eur. J. Soil Sci. 55 (2), 415

–

427

.

Balbino, L.C., et al., 2004. Change in the hydraulic properties of a Brazilian clay Ferralsol

on clearing for pasture. Geoderma 120 (3

–

4), 297

–

307

.

Baldock, J.A., Nelson, P.N., 2000. Soil organic matter. In: Sumner, M.E. (Ed.), Handbook

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

158

Page 11

Figures and page graphics, page 11

of Soil Science. CRC Press, Boca Raton, FL, USA, FL, USA

.

Baldock, J.A., Skjemstad, J.O., 2000. Role of the soil matrix and minerals in protecting

natural organic materials against biological attack. Org. Geochem. 31 (7

–

8),

697

–

710

.

Baldock, J.A., Hawke, B., Sanderman, J., Macdonald, L.M., 2013. Predicting contents of

carbon and its component fractions in Australian soils from di

ff

use re

fl

ectance mid-

infrared spectra. Soil Res. 51 (7

–

8), 577

–

583

.

Balesdent, J., Chenu, C., Balabane, M., 2000. Relationship of soil organic matter dynamics

to physical protection and tillage. Soil Tillage Res. 53 (3

–

4), 215

–

230

.

Baritz, R., Seufert, G., Montanarella, L., Van Ranst, E., 2010. Carbon concentrations and

stocks in forest soils of Europe. For. Ecol. Manag. 260 (3), 262

–

277

.

Barois, I., Dubroeucq, D., Rojas, P., Lavelle, P., 1998. Andosol-forming process linked

with soil fauna under the perennial grass Mulhembergia macroura. Geoderma 86
(3

–

4), 241

–

260

.

Barre, P., Fernandez-Ugalde, O., Virto, I., Velde, B., Chenu, C., 2014. Impact of phyllo-

silicate mineralogy on organic carbon stabilization in soils: incomplete knowledge
and exciting prospects. Geoderma 235, 382

–

395

.

Barre, P., et al., 2017. Geological control of soil organic carbon and nitrogen stocks at the

landscape scale. Geoderma 285, 50

–

56

.

Baveye, P.C., Baveye, J., Gowdy, J., 2016. Soil

“

ecosystem

”

services and natural capital:

critical appraisal of research on uncertain ground. Front. Environ. Sci. 41

.

Beare, M.H., Cabrera, M.L., Hendrix, P.F., Coleman, D.C., 1994. Aggregate-protected and

unprotected organic-matter pools in conventional-tillage and no-tillage soils. Soil Sci.
Soc. Am. J. 58 (3), 787

–

795

.

Beare, M.H., et al., 2014. Estimating the organic carbon stabilisation capacity and sa-

turation de

fi

cit of soils: a New Zealand case study. Biogeochemistry 120 (1

–

3),

71

–

87

.

Blum, W.E.H., 1993. Soil protection concept of the council of Europe and integrated soil

research. In: Eijsackers, H.J.P., Hamers, T. (Eds.), Soil and Environment, Integrated
Soil and Sediment Research: A Basis for Proper Protection. Kluwer Academic
Publisher, Dordrecht, pp. 37

–

47

.

Bosatta, E., Agren, G.I., 1997. Theoretical analyses of soil texture e

ff

ects on organic

matter dynamics. Soil Biol. Biochem. 29 (11

−

12), 1633

–

1638

.

Bossuyt, H., Six, J., Hendrix, P.F., 2005. Protection of soil carbon by microaggregates

within earthworm casts. Soil Biol. Biochem. 37 (2), 251

–

258

.

Bossuyt, H., Six, J., Hendrix, P.F., 2006. Interactive e

ff

ects of functionally di

ff

erent

earthworm species on aggregation and incorporation and decomposition of newly
added residue carbon. Geoderma 130 (1

–

2), 14

–

25

.

Boudot, J.P., Brahim, A.B.H., Steiman, R., Seiglemurandi, F., 1989. Biodegradation of

synthetic organo-mineral complexes of iron and aluminum with selected metal to
carbon ratios. Soil Biol. Biochem. 21 (7), 961

–

966

.

de Brogniez, D., et al., 2014. Topsoil organic carbon map of Europe. In: Hartemink, A.E.,

McSweeney, K. (Eds.), Soil Carbon. Springer, pp. 393

–

405

.

Bruun, T.B., Elberling, B., Christensen, B.T., 2010. Lability of soil organic carbon in

tropical soils with di

ff

erent clay minerals. Soil Biol. Biochem. 42 (6), 888

–

895

.

Burke, I.C., et al., 1989. Texture, climate, and cultivation e

ff

ects on soil organic-matter

content in U.S. grassland soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 53 (3), 800

–

805

.

Callesen, I., et al., 2003. Soil carbon stores in Nordic well-drained forest soils - re-

lationships with climate and texture class. Glob. Chang. Biol. 9 (3), 358

–

370

.

Capriel, P., 2010. Standorttypische Humusgehalte von Ackerböden in Bayern (LfL-

Schriftenreihe 5/2010). Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), Freising

.

Carroll, M., Milakovsky, B., Finkral, A., Evans, A., Ashton, M.S., 2012. Managing carbon

sequestration and storage in temperate and boreal forests. In: Ashton, M.S., Tyrrell,
M.L., Spalding, D., Gentry, B. (Eds.), Managing Forest Carbon in a Changing Climate.
Springer, New York, pp. 205

–

226

.

Carter, D.L., Mortland, M.M., Kemper, W.D., 1986. Speci

fi

c Surface. In: Klute, A. (Ed.),

Methods of Soil Analysis: Part 1 - Physical and Mineralogical Methods. SSSA Book
Series. Soil Science Society of America, American Society of Agronomy, Madison, pp.
413

–

423

.

Carter, M.R., Angers, D.A., Gregorich, E.G., Bolinder, M.A., 2003. Characterizing organic

matter retention for surface soils in eastern Canada using density and particle size
fractions. Can. J. Soil Sci. 83 (1), 11

–

23

.

Chan, K.Y., 2001. Soil particulate organic carbon under di

ff

erent land use and manage-

ment. Soil Use Manag. 17 (4), 217

–

221

.

Chaplot, V., Bouahom, B., Valentin, C., 2010. Soil organic carbon stocks in Laos: spatial

variations and controlling factors. Glob. Chang. Biol. 16 (4), 1380

–

1393

.

Clough, A., Skjemstad, J.O., 2000. Physical and chemical protection of soil organic carbon

in three agricultural soils with di

ff

erent contents of calcium carbonate. Aust. J. Soil

Res. 38 (5), 1005

–

1016

.

Conant, R.T., Paustian, K., Elliott, E.T., 2001. Grassland management and conversion into

grassland: e

ff

ects on soil carbon. Ecol. Appl. 11 (2), 343

–

355

.

Conant, R.T., Six, J., Paustian, K., 2003. Land use e

ff

ects on soil carbon fractions in the

southeastern United States. I. Management-intensive versus extensive grazing. Biol.
Fertil. Soils 38 (6), 386

–

392

.

Conant, R.T., et al., 2011. Temperature and soil organic matter decomposition rates -

synthesis of current knowledge and a way forward. Glob. Chang. Biol. 17 (11),
3392

–

3404

.

Cong, W.F., et al., 2014. Plant species richness promotes soil carbon and nitrogen stocks

in grasslands without legumes. J. Ecol. 102 (5), 1163

–

1170

.

Coq, S., Barthes, B.G., Oliver, R., Rabary, B., Blanchart, E., 2007. Earthworm activity

a

ff

ects soil aggregation and organic matter dynamics according to the quality and

localization of crop residues - an experimental study (Madagascar). Soil Biol.
Biochem. 39 (8), 2119

–

2128

.

Craine, J.M., Morrow, C., Fierer, N., 2007. Microbial nitrogen limitation increases de-

composition. Ecology 88 (8), 2105

–

2113

.

Curtin, D., Beare, M.H., Qiu, W.W., 2016. Texture e

ff

ects on carbon stabilisation and

storage in New Zealand soils containing predominantly 2:1 clays. Soil Res. 54 (1),
30

–

37

.

Davidson, E.A., Janssens, I.A., 2006. Temperature sensitivity of soil carbon decomposi-

tion and feedbacks to climate change. Nature 440 (7081), 165

–

173

.

Dawod, V., Fitzpatrick, E.A., 1993. Some populations sizes and e

ff

ects of the

Enchytraeidae (Oligochaeta) on soil structure in a selection of Scottish soils.
Geoderma 56 (1

–

4), 173

–

178

.

Denef, K., Six, J., Merckx, R., Paustian, K., 2004. Carbon sequestration in microaggregates

of no-tillage soils with di

ff

erent clay mineralogy. Soil Sci. Soc. Am. J. 68 (6),

1935

–

1944

.

Di, J., Feng, W., Zhang, W., Cai, A., Xu, M., 2017. Soil organic carbon saturation de

fi

cit

under primary agricultural managements across major croplands in China. Ecosyst.
Health Sustain. 3 (7), 1364047

.

Didden, W.A.M., 1990. Involvement of Enchytraeidae (Oligochaeta) in soil structure

evolution in agricultural

fi

elds. Biol. Fertil. Soils 9 (2), 152

–

158

.

Dignac, M.F., et al., 2017. Increasing soil carbon storage: mechanisms, e

ff

ects of agri-

cultural practices and proxies. A review. Agron. Sustain. Dev. 37 (2)

.

Dixon, J.B., 1977. Kaolinite and serpentine group minerals. In: Dinauer, R.C. (Ed.),

Minerals in Soil Environments. SSSA, Madison, pp. 357

–

403

.

Doetterl, S., et al., 2015. Soil carbon storage controlled by interactions between geo-

chemistry and climate. Nat. Geosci. 8 (10), 780

–

783

.

Doetterl, S., et al., 2016. Erosion, deposition and soil carbon: a review of process-level

controls, experimental tools and models to address C cycling in dynamic landscapes.
Earth Sci. Rev. 154, 102

–

122

.

Duckworth, O.W., Bargar, J.R., Sposito, G., 2008. Sorption of ferric iron from ferriox-

amine B to synthetic and biogenic layer type manganese oxides. Geochim.
Cosmochim. Acta 72 (14), 3371

–

3380

.

Edwards, A.P., Bremner, J.M., 1967. Microaggregates in soils. J. Soil Sci. 18 (1), 64

–

73

.

Elliott, E.T., 1986. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native

and cultivated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 50 (3), 627

–

633

.

Eusterhues, K., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I., 2005. Stabilization of soil organic matter

isolated via oxidative degradation. Org. Geochem. 36 (11), 1567

–

1575

.

Falco, L., Coviella, C., 2016. Contribution of

Amynthas gracilis

(Megascolecidae) and

Octolasion cyaneum

(Lumbricidae) to soil physical stability: a mesocosm experiment.

Rev. Facultad De Ciencias Agrarias 48 (1), 115

–

127

.

Feller, C., Beare, M.H., 1997. Physical control of soil organic matter dynamics in the

tropics. Geoderma 79 (1

–

4), 69

–

116

.

Feng, W.T., Plante, A.F., Six, J., 2013. Improving estimates of maximal organic carbon

stabilization by

fi

ne soil particles. Biogeochemistry 112 (1

–

3), 81

–

93

.

Flegel, M., Schrader, S., Zhang, H.Q., 1998. In

fl

uence of food quality on the physical and

chemical properties of detritivorous earthworm casts. Appl. Soil Ecol. 9 (1

–

3),

263

–

269

.

Fontaine, S., Bardoux, G., Abbadie, L., Mariotti, A., 2004. Carbon input to soil may de-

crease soil carbon content. Ecol. Lett. 7 (4), 314

–

320

.

Fonte, S.J., Six, J., 2010. Earthworms and litter management contributions to ecosystem

services in a tropical agroforestry system. Ecol. Appl. 20 (4), 1061

–

1073

.

Fonte, S.J., Kong, A.Y.Y., van Kessel, C., Hendrix, P.F., Six, J., 2007. In

fl

uence of earth-

worm activity on aggregate-associated carbon and nitrogen dynamics di

ff

ers with

agroecosystem management. Soil Biol. Biochem. 39 (5), 1014

–

1022

.

Fornara, D.A., Tilman, D., 2008. Plant functional composition in

fl

uences rates of soil

carbon and nitrogen accumulation. J. Ecol. 96 (2), 314

–

322

.

Fornara, D.A., et al., 2011. Increases in soil organic carbon sequestration can reduce the

global warming potential of long-term liming to permanent grassland. Glob. Chang.
Biol. 17 (5), 1925

–

1934

.

Frank, D.A., Pontes, A.W., McFarlane, K.J., 2012. Controls on soil organic carbon stocks

and turnover among north American ecosystems. Ecosystems 15 (4), 604

–

615

.

Fujimaki, R., Sato, Y., Okai, N., Kaneko, N., 2010. The train millipede (

Parafontaria la-

minata

) mediates soil aggregation and N dynamics in a Japanese larch forest.

Geoderma 159 (1

–

2), 216

–

220

.

Garten, C.T., Ashwood, T.L., 2002. Landscape level di

ff

erences in soil carbon and ni-

trogen: implications for soil carbon sequestration. Glob. Biogeochem. Cycles 16
(4), 14

.

Gleixner, G., Poirier, N., Bol, R., Balesdent, J., 2002. Molecular dynamics of organic

matter in a cultivated soil. Org. Geochem. 33 (3), 357

–

366

.

Goidts, E., van Wesemael, B., Van Oost, K., 2009. Driving forces of soil organic carbon

evolution at the landscape and regional scale using data from a strati

fi

ed soil mon-

itoring. Glob. Chang. Biol. 15 (12), 2981

–

3000

.

Grandy, A.S., Robertson, G.P., 2006. Initial cultivation of a temperate-region soil im-

mediately accelerates aggregate turnover and CO

2

and N

2

O

fl

uxes. Glob. Chang. Biol.

12 (8), 1507

–

1520

.

Gray, J.M., Humphreys, G.S., Deckers, J.A., 2009. Relationships in soil distribution as

revealed by a global soil database. Geoderma 150 (3

–

4), 309

–

323

.

Gray, J.M., Bishop, T.F.A., Wilson, B.R., 2016. Factors controlling soil organic carbon

stocks with depth in eastern Australia. Soil Sci. Soc. Am. J. 79 (6), 1741

–

1751

.

Grimm, R., Behrens, T., Marker, M., Elsenbeer, H., 2008. Soil organic carbon con-

centrations and stocks on Barro Colorado Island - digital soil mapping using Random
Forests analysis. Geoderma 146 (1

–

2), 102

–

113

.

Guo, L.B., Gi

ff

ord, R.M., 2002. Soil carbon stocks and land use change: a meta analysis.

Glob. Chang. Biol. 8 (4), 345

–

360

.

Hamza, M.A., Anderson, W.K., 2005. Soil compaction in cropping systems - a review of

the nature, causes and possible solutions. Soil Tillage Res. 82 (2), 121

–

145

.

Hassink, J., 1997. The capacity of soils to preserve organic C and N by their association

with clay and silt particles. Plant Soil 191 (1), 77

–

87

.

Hassink, J., Whitmore, A.P., Kubat, J., 1997. Size and density fractionation of soil organic

matter and the physical capacity of soils to protect organic matter. Eur. J. Agron. 7
(1

–

3), 189

–

199

.

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

159

Page 12

Figures and page graphics, page 12

Hättenschwiler, S., Bretscher, D., 2001. Isopod e

ff

ects on decomposition of litter produced

under elevated CO

2

, N deposition and di

ff

erent soil types. Glob. Chang. Biol. 7 (5),

565

–

579

.

Hedde, M., Bureau, F., Delporte, P., Cecillon, L., Decaens, T., 2013. The e

ff

ects of

earthworm species on soil behaviour depend on land use. Soil Biol. Biochem. 65,
264

–

273

.

Hedlund, K., Augustsson, A., 1995. E

ff

ects of enchytraeid grazing on fungal growth and

respiration. Soil Biol. Biochem. 27 (7), 905

–

909

.

Hengl, T., et al., 2017. SoilGrids250m: global gridded soil information based on machine

learning. PLoS One 12 (2)

.

Herold, N., Schöning, I., Michalzik, B., Trumbore, S., Schrumpf, M., 2014. Controls on soil

carbon storage and turnover in German landscapes. Biogeochemistry 119 (1

–

3),

435

–

451

.

Higashi, T., 1983. Characterization of Al/Fe-humus complexes in Dystrandepts through

comparison with synthetic forms. Geoderma 31 (4), 277

–

288

.

Hobley, E., Wilson, B., Wilkie, A., Gray, J., Koen, T., 2015. Drivers of soil organic carbon

storage and vertical distribution in Eastern Australia. Plant Soil 390, 111

–

127

.

Hobley, E.U., Baldock, J., Wilson, B., 2016. Environmental and human in

fl

uences on

organic carbon fractions down the soil pro

fi

le. Agric. Ecosyst. Environ. 223, 152

–

166

.

Homann, P.S., Kapchinske, J.S., Boyce, A., 2007. Relations of mineral-soil C and N to

climate and texture: regional di

ff

erences within the conterminous USA.

Biogeochemistry 85 (3), 303

–

316

.

Insam, H., Domsch, K.H., 1988. Relationship between soil organic carbon and microbial

biomass on chronosequences of reclamation sites. Microb. Ecol. 15 (2), 177

–

188

.

Islam, K.R., Weil, R.R., Mulchi, C.L., Glenn, S.D., 1997. Freeze-dried soil extraction

method for the measurement of microbial biomass C. Biol. Fertil. Soils 24 (2),
205

–

210

.

Ito, A., Wagai, R., 2017. Global distribution of clay-size minerals on land surface for

biogeochemical and climatological studies. Sci. Data 4, 170103

.

Jandl, R., et al., 2007. How strongly can forest management in

fl

uence soil carbon se-

questration? Geoderma 137 (3

–

4), 253

–

268

.

Jarecki, M.K., Lal, R., 2003. Crop management for soil carbon sequestration. Crit. Rev.

Plant Sci. 22 (6), 471

–

502

.

Jastrow, J.D., Boutton, T.W., Miller, R.M., 1996. Carbon dynamics of aggregate-asso-

ciated organic matter estimated by carbon-13 natural abundance. Soil Sci. Soc. Am. J.
60 (3), 801

–

807

.

Jenkinson, D.S., 1976. The e

ff

ects of biocidal treatments on metabolism in soil - IV. The

decomposition of fumigated organisms in soil. Soil Biol. Biochem. 8 (3), 203

–

208

.

Jenkinson, D.S., 1977. The soil microbial biomass. NZ Soil News 25, 213

–

218

.

Jenkinson, D.S., Ladd, J.N., 1981. Microbial biomass in soil: measurement and turnover.

In: Paul, E.A., Ladd, J.N. (Eds.), Soil Biochemistry. Dekker, New York, pp. 415

–

471

.

Jenny, H., 1941. Factors of Soil Formation - A System of Quantitative Pedology. McGraw-

Hill, New York

.

Jobbagy, E.G., Jackson, R.B., 2000. The vertical distribution of soil organic carbon and its

relation to climate and vegetation. Ecol. Appl. 10 (2), 423

–

436

.

Johnson, A.H., Xing, H.X., Scatena, F.N., 2015. Controls on soil carbon stocks in El

Yunque National Forest, Puerto Rico. Soil Sci. Soc. Am. J. 79 (1), 294

–

304

.

Jones, D.L., Edwards, A.C., 1998. In

fl

uence of sorption on the biological utilization of two

simple carbon substrates. Soil Biol. Biochem. 30 (14), 1895

–

1902

.

Kahle, M., Kleber, M., Jahn, R., 2002. Predicting carbon content in illitic clay fractions

from surface area, cation exchange capacity and dithionite-extractable iron. Eur. J.
Soil Sci. 53 (4), 639

–

644

.

Kaiser, K., Guggenberger, G., 2000. The role of DOM sorption to mineral surfaces in the

preservation of organic matter in soils. Org. Geochem. 31 (7

–

8), 711

–

725

.

Kaiser, K., Guggenberger, G., 2003. Mineral surfaces and soil organic matter. Eur. J. Soil

Sci. 54 (2), 219

–

236

.

Kaiser, K., Zech, W., 1998. Soil dissolved organic matter sorption as in

fl

uenced by organic

and sesquioxide coatings and sorbed sulfate. Soil Sci. Soc. Am. J. 62 (1), 129

–

136

.

Kaiser, K., Eusterhues, K., Rumpel, C., Guggenberger, G., Kögel-Knabner, I., 2002.

Stabilization of organic matter by soil minerals - investigations of density and par-
ticle-size fractions from two acid forest soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 165 (4), 451

–

459

.

Kaiser, M., et al., 2012. The in

fl

uence of mineral characteristics on organic matter con-

tent, composition, and stability of topsoils under long-term arable and forest land use.
J. Geophys. Res. Biogeosci. 117

.

Kanket, W., Suddhiprakarn, A., Kheoruenromne, I., Gilkes, R.J., 2005. Chemical and

crystallographic properties of kaolin from Ultisols in Thailand. Clay Clay Miner. 53
(5), 478

–

489

.

Kätterer, T., Bolinder, M.A., Andren, O., Kirchmann, H., Menichetti, L., 2011. Roots

contribute more to refractory soil organic matter than above-ground crop residues, as
revealed by a long-term

fi

eld experiment. Agric. Ecosyst. Environ. 141 (1

–

2),

184

–

192

.

Kawaguchi, T., Kyoshima, T., Kaneko, N., 2011. Mineral nitrogen dynamics in the casts of

epigeic earthworms (

Metaphire hilgendor

fi

: Megascolecidae). Soil Sci. Plant Nutr. 57

(3), 387

–

395

.

Khomo, L., Trumbore, S., Bern, C.R., Chadwick, O.A., 2017. Timescales of carbon turn-

over in soils with mixed crystalline mineralogies. Soil 3 (1), 17

–

30

.

Kiem, R., Kögel-Knabner, I., 2002. Refractory organic carbon in particle-size fractions of

arable soils II: organic carbon in relation to mineral surface area and iron oxides in
fractions < 6 mu m. Org. Geochem. 33 (12), 1699

–

1713

.

Kirkby, C.A., et al., 2014. Nutrient availability limits carbon sequestration in arable soils.

Soil Biol. Biochem. 68 (Supplement C), 402

–

409

.

Kleber, M., Mikutta, R., Torn, M.S., Jahn, R., 2005. Poorly crystalline mineral phases

protect organic matter in acid subsoil horizons. Eur. J. Soil Sci. 56 (6), 717

–

725

.

Kong, A.Y.Y., Six, J., Bryant, D.C., Denison, R.F., van Kessel, C., 2005. The relationship

between carbon input, aggregation, and soil organic carbon stabilization in sustain-
able cropping systems. Soil Sci. Soc. Am. J. 69 (4), 1078

–

1085

.

Koutika, L.S., Didden, W.A.M., Marinissen, J.C.Y., 2001. Soil organic matter distribution

as in

fl

uenced by enchytraeid and earthworm activity. Biol. Fertil. Soils 33 (4),

294

–

300

.

Koven, C.D., Hugelius, G., Lawrence, D.M., Wieder, W.R., 2017. Higher climatological

temperature sensitivity of soil carbon in cold than warm climates. Nat. Clim. Chang.
7, 817

–

822

.

Kravchenko, A.N., Negassa, W.C., Guber, A.K., Rivers, M.L., 2015. Protection of soil

carbon within macro-aggregates depends on intra-aggregate pore characteristics. Sci.
Rep. 5

.

Krull, E.S., Baldock, J.A., Skjemstad, J.O., 2003. Importance of mechanisms and processes

of the stabilisation of soil organic matter for modelling carbon turnover. Funct. Plant
Biol. 30 (2), 207

–

222

.

Lal, R., 2005. Forest soils and carbon sequestration. For. Ecol. Manag. 220 (1

–

3),

242

–

258

.

Lange, M., et al., 2014. Plant diversity increases soil microbial activity and soil carbon

storage. Nat. Commun. 6, 8

.

Lavelle, P., et al., 1997. Soil function in a changing world: the role of invertebrate eco-

system engineers. Eur. J. Soil Biol. 33 (4), 159

–

193

.

Lehmann, A., Stahr, K., 2010. The potential of soil functions and planner-oriented soil

evaluation to achieve sustainable land use. J. Soils Sediments 10 (6), 1092

–

1102

.

Leifeld, J., Bassin, S., Fuhrer, J., 2005. Carbon stocks in Swiss agricultural soils predicted

by land-use, soil characteristics, and altitude. Agric. Ecosyst. Environ. 105 (1

–

2),

255

–

266

.

Lettens, S., Van Orshovena, J., van Wesemael, B., De Vos, B., Muys, B., 2005. Stocks and

fl

uxes of soil organic carbon for landscape units in Belgium derived from hetero-

geneous data sets for 1990 and 2000. Geoderma 127 (1

–

2), 11

–

23

.

Liang, C., Balser, T.C., 2011. Microbial production of recalcitrant organic matter in global

soils: implications for productivity and climate policy. Nat. Rev. Microbiol. 9 (1)

.

Liang, A.Z., et al., 2009. Soil organic carbon changes in particle-size fractions following

cultivation of black soils in China. Soil Tillage Res. 105 (1), 21

–

26

.

Liang, C., Schimel, J.P., Jastrow, J.D., 2017. The importance of anabolism in microbial

control over soil carbon storage. Nat. Microbiol. 2

.

Liu, S.L., et al., 2016. Distribution of soil carbon in di

ff

erent grassland types of the

Qinghai-Tibetan Plateau. J. Mt. Sci. 13 (10), 1806

–

1817

.

Lorenz, K., Lal, R., 2014. Soil organic carbon sequestration in agroforestry systems. A

review. Agron. Sustain. Dev. 34 (2), 443

–

454

.

Lubbers, I.M., et al., 2013. Greenhouse-gas emissions from soils increased by earthworms.

Nat. Clim. Chang. 3 (3), 187

–

194

.

Luo, Z., Wang, E., Sun, O.J., 2010. Can no-tillage stimulate carbon sequestration in

agricultural soils? A meta-analysis of paired experiments. Agric. Ecosyst. Environ.
139 (1), 224

–

231

.

von Lützow, M., Kögel-Knabner, I., 2009. Temperature sensitivity of soil organic matter

decomposition-what do we know? Biol. Fertil. Soils 46 (1), 1

–

15

.

von Lützow, M., et al., 2006. Stabilization of organic matter in temperate soils: me-

chanisms and their relevance under di

ff

erent soil conditions - a review. Eur. J. Soil

Sci. 57 (4), 426

–

445

.

von Lützow, M., et al., 2007. SOM fractionation methods: relevance to functional pools

and to stabilization mechanisms. Soil Biol. Biochem. 39 (9), 2183

–

2207

.

Maass, S., Caruso, T., Rillig, M.C., 2015. Functional role of microarthropods in soil ag-

gregation. Pedobiologia 58 (2

–

3), 59

–

63

.

Manning, P., et al., 2015. Simple measures of climate, soil properties and plant traits

predict national-scale grassland soil carbon stocks. J. Appl. Ecol. 52 (5), 1188

–

1196

.

Marinissen, J.C.Y., Dexter, A.R., 1990. Mechanisms of stabilization of earthworm casts

and arti

fi

cial casts. Biol. Fertil. Soils 9 (2), 163

–

167

.

Marinissen, J.C.Y., Didden, W.A.M., 1997. In

fl

uence of the Enchytraeid worm Buchholzia

appendiculata on aggregate formation and organic matter decomposition. Soil Biol.
Biochem. 29 (3

–

4), 387

–

390

.

Marin-Spiotta, E., Sharma, S., 2013. Carbon storage in successional and plantation forest

soils: a tropical analysis. Glob. Ecol. Biogeogr. 22 (1), 105

–

117

.

Martin, M.P., et al., 2011. Spatial distribution of soil organic carbon stocks in France.

Biogeosciences 8 (5), 1053

–

1065

.

Masiello, C.A., Chadwick, O.A., Southon, J., Torn, M.S., Harden, J.W., 2004. Weathering

controls on mechanisms of carbon storage in grassland soils. Glob. Biogeochem.
Cycles 18 (4)

.

Matus, F., Amigo, X., Kristiansen, S.M., 2006. Aluminium stabilization controls organic

carbon levels in Chilean volcanic soils. Geoderma 132 (1

–

2), 158

–

168

.

Matus, F., Rumpel, C., Neculman, R., Panichini, M., Mora, M.L., 2014. Soil carbon storage

and stabilisation in andic soils: a review. Catena 120, 102

–

110

.

Mayer, L.M., 1994. Relationships between mineral surfaces and organic-carbon con-

centrations in soils and sediments. Chem. Geol. 114 (3

–

4), 347

–

363

.

Mayer, L.M., Xing, B.S., 2001. Organic matter-surface area relationships in acid soils. Soil

Sci. Soc. Am. J. 65 (1), 250

–

258

.

Mayer, L.M., Schick, L.L., Hardy, K.R., Wagai, R., McCarthy, J., 2004. Organic matter in

small mesopores in sediments and soils. Geochim. Cosmochim. Acta 68 (19),
3863

–

3872

.

Mayes, M., et al., 2014. Soil type mediates e

ff

ects of land use on soil carbon and nitrogen

in the Konya Basin, Turkey. Geoderma 232, 517

–

527

.

McBratney, A.B., Santos, M.L.M., Minasny, B., 2003. On digital soil mapping. Geoderma

117 (1

–

2), 3

–

52

.

McGill, W.B., 1996. Review and classi

fi

cation of ten soil organic matter (SOM) models. In:

Powlson, D.S., Smith, P., Smith, U.J. (Eds.), Evaluation of Soil Organic Matter
Models. Springer, Berlin, pp. 111

–

132

.

McGroddy, M., Silver, W.L., 2000. Variations in belowground carbon storage and soil CO

2

fl

ux rates along a wet tropical climate gradient. Biotropica 32 (4), 614

–

624

.

McNally, S.R., et al., 2017. Soil carbon sequestration potential of permanent pasture and

continuous cropping soils in New Zealand. Glob. Chang. Biol. 23 (11), 4544

–

4555

.

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

160

Page 13

Figures and page graphics, page 13

McSherry, M.E., Ritchie, M.E., 2013. E

ff

ects of grazing on grassland soil carbon: a global

review. Glob. Chang. Biol. 19 (5), 1347

–

1357

.

Meersmans, J., De Ridder, F., Canters, F., De Baets, S., Van Molle, M., 2008. A multiple

regression approach to assess the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) at
the regional scale (Flanders, Belgium). Geoderma 143 (1

–

2), 1

–

13

.

Meier, I.C., Leuschner, C., 2010. Variation of soil and biomass carbon pools in beech

forests across a precipitation gradient. Glob. Chang. Biol. 16 (3), 1035

–

1045

.

Micheli, E., Owens, P.R., Lang, V., Fuchs, M., Hempel, J., 2014. Organic carbon as a major

di

ff

erentiation criterion in soil classi

fi

cation systems. In: Hartemink, A.E.,

McSweeney, K. (Eds.), Soil Carbon. Springer, pp. 37

–

43

.

Mikola, J., Setala, H., 1998. No evidence of trophic cascades in an experimental micro-

bial-based soil food web. Ecology 79 (1), 153

–

164

.

Mikutta, R., Kleber, M., Torn, M.S., Jahn, R., 2006. Stabilization of soil organic matter:

association with minerals or chemical recalcitrance? Biogeochemistry 77 (1), 25

–

56

.

Mikutta, R., et al., 2007. Biodegradation of forest

fl

oor organic matter bound to minerals

via di

ff

erent binding mechanisms. Geochim. Cosmochim. Acta 71 (10), 2569

–

2590

.

Milchunas, D.G., Lauenroth, W.K., 1993. Quantitative e

ff

ects of grazing on vegetation and

soils over a global range of environments. Ecol. Monogr. 63 (4), 327

–

366

.

Minasny, B., McBratney, A.B., Malone, B.P., Wheeler, I., 2013. Digital mapping of soil

carbon. In: Sparks, D.L. (Ed.), Advances in Agronomy. vol. 118. Elsevier Academic
Press Inc, San Diego, pp. 1

–

47

.

Moni, C., Chabbi, A., Nunan, N., Rumpel, C., Chenu, C., 2010. Spatial dependance of

organic carbon-metal relationships a multi-scale statistical analysis, from horizon to

fi

eld. Geoderma 158 (3

–

4), 120

–

127

.

Morris, S.J., Bohm, S., Haile-Mariam, S., Paul, E.A., 2007. Evaluation of carbon accrual in

a

ff

orested agricultural soils. Glob. Chang. Biol. 13 (6), 1145

–

1156

.

Muneer, M., Oades, J.M., 1989a. The role of Ca-organic interactions in soil aggregate

stability. 1. Laboratory studies with glucose-C-14, CaCO

3

and CaSO

4

.H

2

O. Aust. J.

Soil Res. 27 (2), 389

–

399

.

Muneer, M., Oades, J.M., 1989b. The role of Ca-organic interactions in soil aggregate

stability. 2. Field studies with C-14-labeled straw, CaCO

3

and CaSO

4

·H

2

O. Aust. J. Soil

Res. 27 (2), 401

–

409

.

Nabuurs, G.J., et al., 2008. Hotspots of the European forests carbon cycle. For. Ecol.

Manag. 256 (3), 194

–

200

.

Negassa, W.C., et al., 2015. Properties of soil pore space regulate pathways of plant re-

sidue decomposition and community structure of associated bacteria. PLoS One
10 (4)

.

Neufeldt, H., 2005. Carbon stocks and sequestration potentials of agricultural soils in the

federal state of Baden-Württemberg, SW Germany. J. Plant Nutr. Soil Sci. 168 (2),
202

–

211

.

Oades, J.M., 1984. Soil organic matter and structural stability - mechanisms and im-

plications for management. Plant Soil 76 (1

–

3), 319

–

337

.

Oades, J.M., 1988. The retention of organic-matter in soils. Biogeochemistry 5 (1), 35

–

70

.

Oades, J.M., 1993. The role of biology in the formation, stabilization and degradation of

soil structure. Geoderma 56 (1

–

4), 377

–

400

.

Oades, J.M., Tipping, E., 1986. Interactions of humic substances with oxides. In: Malcolm,

R.L., MacCarthy, P., Swift, R.S., Hayesa, M.H.B. (Eds.), Humic Substances in Soil,
Sediment and Water. John Wiley, New York New York

.

Oades, J.M., Waters, A.G., 1991. Aggregate hierarchy in soils. Aust. J. Soil Res. 29 (6),

815

–

828

.

O'Brien, S.L., Jastrow, J.D., Grimley, D.A., Gonzalez-Meler, M.A., 2015. Edaphic controls

on soil organic carbon stocks in restored grasslands. Geoderma 251, 117

–

123

.

Oostra, S., Majdi, H., Olsson, M., 2006. Impact of tree species on soil carbon stocks and

soil acidity in southern Sweden. Scand. J. For. Res. 21 (5), 364

–

371

.

Paul, K.I., Polglase, P.J., Nyakuengama, J.G., Khanna, P.K., 2002. Change in soil carbon

following a

ff

orestation. For. Ecol. Manag. 168 (1

–

3), 241

–

257

.

Paul, E.A., Morris, S.J., Six, J., Paustian, K., Gregorich, E.G., 2003. Interpretation of soil

carbon and nitrogen dynamics in agricultural and a

ff

orested soils. Soil Sci. Soc. Am.

J. 67 (5), 1620

–

1628

.

Paustian, K., et al., 1997. Agricultural soils as a sink to mitigate CO

2

emissions. Soil Use

Manag. 13 (4), 230

–

244

.

Percival, H.J., Par

fi

tt, R.L., Scott, N.A., 2000. Factors controlling soil carbon levels in New

Zealand grasslands: is clay content important? Soil Sci. Soc. Am. J. 64 (5),
1623

–

1630

.

Phillips, D.H., FitzPatrick, E.A., 1999. Biological in

fl

uences on the morphology and mi-

cromorphology of selected podzols (spodosols) and cambisols (inceptisols) from the
eastern United States and north-east Scotland. Geoderma 90 (3

–

4), 327

–

364

.

Pineiro, G., Paruelo, J.M., Oesterheld, M., Jobbagy, E.G., 2010. Pathways of grazing ef-

fects on soil organic carbon and nitrogen. Rangel. Ecol. Manag. 63 (1), 109

–

119

.

Poeplau, C., Don, A., 2015. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of

cover crops - a meta-analysis. Agric. Ecosyst. Environ. 200, 33

–

41

.

Poeplau, C., et al., 2011. Temporal dynamics of soil organic carbon after land-use change

in the temperate zone - carbon response functions as a model approach. Glob. Chang.
Biol. 17 (7), 2415

–

2427

.

Post, W.M., Kwon, K.C., 2000. Soil carbon sequestration and land-use change: processes

and potential. Glob. Chang. Biol. 6 (3), 317

–

327

.

Post, W.M., Emanuel, W.R., Zinke, P.J., Stangenberger, A.G., 1982. Soil carbon pools and

world life zones. Nature 298 (5870), 156

–

159

.

Powers, J.S., Veldkamp, E., 2005. Regional variation in soil carbon and delta C-13 in

forests and pastures of northeastern Costa Rica. Biogeochemistry 72 (3), 315

–

336

.

Powlson, D.S., Jenkinson, D.S., 1981. A comparison of the organic-matter, biomass,

adenosine-triphosphate and mineralizable nitrogen contents of ploughed and direct-
drilled soils. J. Agric. Sci. 97, 713

–

721

.

Powlson, D.S., Brookes, P.C., Christensen, B.T., 1987. Measurement of soil microbial

biomass provides an early indication of changes in total soil organic-matter due to
straw incorporation. Soil Biol. Biochem. 19 (2), 159

–

164

.

Powlson, D.S., et al., 2014. Limited potential of no-till agriculture for climate change

mitigation. Nat. Clim. Chang. 4, 678

–

683

.

Pronk, G.J., Heister, K., Ding, G.-C., Smalla, K., Kögel-Knabner, I., 2012a. Development of

biogeochemical interfaces in an arti

fi

cial soil incubation experiment; aggregation and

formation of organo-mineral associations. Geoderma 189-190, 585

–

594

.

Pronk, G.J., Heister, K., Ding, G.C., Smalla, K., Kögel-Knabner, I., 2012b. Development of

biogeochemical interfaces in an arti

fi

cial soil incubation experiment; aggregation and

formation of organo-mineral associations. Geoderma 189, 585

–

594

.

Pulleman, M.M., Six, J., Uyl, A., Marinissen, J.C.Y., Jongmans, A.G., 2005. Earthworms

and management a

ff

ect organic matter incorporation and microaggregate formation

in agricultural soils. Appl. Soil Ecol. 29 (1), 1

–

15

.

Rabot, E., Wiesmeier, M., Schlüter, S., Vogel, H.-J., 2017. Soil structure as an indicator of

soil functions: a review. Geoderma 314, 122

–

137

.

Ransom, B., Kim, D., Kastner, M., Wainwright, S., 1998. Organic matter preservation on

continental slopes: importance of mineralogy and surface area. Geochim.
Cosmochim. Acta 62 (8), 1329

–

1345

.

Rasmussen, C., Torn, M.S., Southard, R.J., 2005. Mineral assemblage and aggregates

control carbon dynamics in a California conifer forest. Soil Sci. Soc. Am. J. 69 (6),
1711

–

1721

.

Rasmussen, I., et al., 2017. Beyond Clay: Towards an Improved Set of Variables for

Predicting Soil Organic Matter Content

.

Rees, R.M., Bingham, I.J., Baddeley, J.A., Watson, C.A., 2005. The role of plants and land

management in sequestering soil carbon in temperate arable and grassland ecosys-
tems. Geoderma 128 (1

–

2), 130

–

154

.

Sanchez, P.A., Logan, T.J., 1992. Myths and science about the chemistry and fertility of

soils in the tropics. Myths Sci. Soils Trop. 29 (35-46 pp)

.

Sanchez-De Leon, Y., Lugo-Perez, J., Wise, D.H., Jastrow, J.D., Gonzalez-Meler, M.A.,

2014. Aggregate formation and carbon sequestration by earthworms in soil from a
temperate forest exposed to elevated atmospheric CO

2

: a microcosm experiment. Soil

Biol. Biochem. 68, 223

–

230

.

Scheu, S., Parkinson, D., 1994. E

ff

ects of earthworms on nutrient dynamics, carbon

turnover and microorganisms in soils from cool temperate forests of the Canadian
Rocky Mountains - laboratory studies. Appl. Soil Ecol. 1 (2)

.

Scheu, S., Schlitt, N., Tiunov, A.V., Newington, J.E., Jones, T.H., 2002. E

ff

ects of the

presence and community composition of earthworms on microbial community
functioning. Oecologia 133 (2), 254

–

260

.

Schneider, M.P.W., et al., 2010. Sorptive stabilization of organic matter by amorphous Al

hydroxide. Geochim. Cosmochim. Acta 74 (5), 1606

–

1619

.

Schoening, I., Knicker, H., Kögel-Knabner, I., 2005. Intimate association between O/N-

alkyl carbon and iron oxides in clay fractions of forest soils. Org. Geochem. 36 (10),
1378

–

1390

.

Schrader, S., Langmaack, M., Helming, K., 1997. Impact of Collembola and Enchytraeidae

on soil surface roughness and properties. Biol. Fertil. Soils 25 (4), 396

–

400

.

Schulp, C.J.E., Veldkamp, A., 2008. Long-term landscape - land use interactions as ex-

plaining factor for soil organic matter variability in Dutch agricultural landscapes.
Geoderma 146 (3

–

4), 457

–

465

.

Schulp, C.J.E., Verburg, P.H., 2009. E

ff

ect of land use history and site factors on spatial

variation of soil organic carbon across a physiographic region. Agric. Ecosyst.
Environ. 133 (1

–

2), 86

–

97

.

Schulp, C.J.E., Nabulars, G.J., Verburg, P.H., de Waal, R.W., 2008. E

ff

ect of tree species

on carbon stocks in forest

fl

oor and mineral soil and implications for soil carbon

inventories. For. Ecol. Manag. 256 (3), 482

–

490

.

Schulte, R.P.O., et al., 2014. Functional land management: a framework for managing

soil-based ecosystem services for the sustainable intensi

fi

cation of agriculture.

Environ. Sci. Pol. 38, 45

–

58

.

Schulte, R.P.O., et al., 2015. Making the most of our land: managing soil functions from

local to continental scale. Front. Environ. Sci. 81

.

Schuur, E.A.G., Chadwick, O.A., Matson, P.A., 2001. Carbon cycling and soil carbon

storage in mesic to wet Hawaiian montane forests. Ecology 82 (11), 3182

–

3196

.

Segoli, M., et al., 2013. AggModel: a soil organic matter model with measurable pools for

use in incubation studies. Ecol. Model. 263, 1

–

9

.

Seibert, J., Stendahl, J., Sorensen, R., 2007. Topographical in

fl

uences on soil properties in

boreal forests. Geoderma 141 (1

–

2), 139

–

148

.

Shaw, C., Pawluk, S., 1986. Fecal microbiology of

Octolasion tyrtaeum

,

Aporrectodea tur-

gida

and

Lumbricus terrestris

and its relation to the carbon budgets of three arti

fi

cial

soils. Pedobiologia 29 (6), 377

–

389

.

Shipitalo, M.J., Protz, R., 1988. Factors in

fl

uencing the dispersibility of clay in worm

casts. Soil Sci. Soc. Am. J. 52 (3), 764

–

769

.

Siddiky, M.R.K., Kohler, J., Cosme, M., Rillig, M.C., 2012a. Soil biota e

ff

ects on soil

structure: interactions between arbuscular mycorrhizal fungal mycelium and col-
lembola. Soil Biol. Biochem. 50, 33

–

39

.

Siddiky, M.R.K., Schaller, J., Caruso, T., Rillig, M.C., 2012b. Arbuscular mycorrhizal fungi

and collembola non-additively increase soil aggregation. Soil Biol. Biochem. 47,
93

–

99

.

Silver, W.L., Lugo, A.E., Keller, M., 1999. Soil oxygen availability and biogeochemistry

along rainfall and topographic gradients in upland wet tropical forest soils.
Biogeochemistry 44 (3), 301

–

328

.

Simpson, A.J., Simpson, M.J., Smith, E., Kelleher, B.P., 2007. Microbially derived inputs

to soil organic matter: are current estimates too low? Environ. Sci. Technol. 41 (23),
8070

–

8076

.

Singh, B., Gilkes, R.J., 1992. Properties of soil kaolinites from south-western Australia. J.

Soil Sci. 43 (4), 645

–

667

.

Six, J., Paustian, K., 2014. Aggregate-associated soil organic matter as an ecosystem

property and a measurement tool. Soil Biol. Biochem. 68, A4

–

A9

.

Six, J., Elliott, E.T., Paustian, K., Doran, J.W., 1998. Aggregation and soil organic matter

accumulation in cultivated and native grassland soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 62 (5),

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

161

Page 14

Figures and page graphics, page 14

1367

–

1377

.

Six, J., Elliott, E.T., Paustian, K., 1999. Aggregate and soil organic matter dynamics under

conventional and no-tillage systems. Soil Sci. Soc. Am. J. 63 (5), 1350

–

1358

.

Six, J., Elliott, E.T., Paustian, K., 2000. Soil macroaggregate turnover and microaggregate

formation: a mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biol.
Biochem. 32 (14), 2099

–

2103

.

Six, J., Conant, R.T., Paul, E.A., Paustian, K., 2002a. Stabilization mechanisms of soil

organic matter: implications for C-saturation of soils. Plant Soil 241 (2), 155

–

176

.

Six, J., et al., 2002b. Soil organic matter, biota and aggregation in temperate and tropical

soils - e

ff

ects of no-tillage. Agronomie 22 (7

–

8), 755

–

775

.

Six, J., Bossuyt, H., Degryze, S., Denef, K., 2004. A history of research on the link between

(micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics. Soil Tillage Res. 79
(1), 7

–

31

.

Sleutel, S., De Neve, S., Hofman, G., 2007. Assessing causes of recent organic carbon

losses from cropland soils by means of regional-scaled input balances for the case of
Flanders (Belgium). Nutr. Cycl. Agroecosyst. 78 (3), 265

–

278

.

Smith, J.U., Smith, P., Monaghan, R., MacDonald, A.J., 2002. When is a measured soil

organic matter fraction equivalent to a model pool? Eur. J. Soil Sci. 53 (3), 405

–

416

.

Smith, J., et al., 2005. Projected changes in mineral soil carbon of European croplands

and grasslands, 1990

–

2080. Glob. Chang. Biol. 11 (12), 2141

–

2152

.

Smith, P., et al., 2008. Greenhouse gas mitigation in agriculture. Philos. Trans. R. Soc., B

363 (1492), 789

–

813

.

Sollins, P., Homann, P., Caldwell, B.A., 1996. Stabilization and destabilization of soil

organic matter: mechanisms and controls. Geoderma 74 (1

–

2), 65

–

105

.

Sorensen, L.H., 1981. Carbon-nitrogen relationships during the humi

fi

cation of cellulose

in soils containing di

ff

erent amounts of clay. Soil Biol. Biochem. 13 (4), 313

–

321

.

Sorensen, L.H., 1983. Size and persistence of the microbial biomass formed during the

humi

fi

cation of glucose, hemicellulose, cellulose, and straw in soils containing dif-

ferent amounts of clay. Plant Soil 75 (1), 121

–

130

.

Sorensen, R., Zinko, U., Seibert, J., 2006. On the calculation of the topographic wetness

index: evaluation of di

ff

erent methods based on

fi

eld observations. Hydrol. Earth

Syst. Sci. 10 (1), 101

–

112

.

Soussana, J.F., et al., 2004. Carbon cycling and sequestration opportunities in temperate

grasslands. Soil Use Manag. 20, 219

–

230

.

Sparrow, L.A., Belbin, K.C., Doyle, R.B., 2006. Organic carbon in the silt plus clay fraction

of Tasmanian soils. Soil Use Manag. 22 (2), 219

–

220

.

Spielvogel, S., Prietzel, J., Kögel-Knabner, I., 2008. Soil organic matter stabilization in

acidic forest soils is preferential and soil type-speci

fi

c. Eur. J. Soil Sci. 59 (4),

674

–

692

.

Ste

ff

ens, M., et al., 2017. Identi

fi

cation of distinct functional microstructural domains

controlling C storage in soil. Environ. Sci. Technol. 51 (21), 12182

–

12189

.

Steinbeiss, S., et al., 2008. Plant diversity positively a

ff

ects short-term soil carbon storage

in experimental grasslands. Glob. Chang. Biol. 14 (12), 2937

–

2949

.

Stewart, C.E., Paustian, K., Conant, R.T., Plante, A.F., Six, J., 2008. Soil carbon saturation:

evaluation and corroboration by long-term incubations. Soil Biol. Biochem. 40 (7),
1741

–

1750

.

Strong, D.T., De Wever, H., Merckx, R., Recous, S., 2004. Spatial location of carbon de-

composition in the soil pore system. Eur. J. Soil Sci. 55 (4), 739

–

750

.

Tan, Z.X., Lal, R., Smeck, N.E., Calhoun, F.G., 2004. Relationships between surface soil

organic carbon pool and site variables. Geoderma 121 (3

–

4), 187

–

195

.

Tate, K.R., Theng, B.K.G., 1980. Organic matter and its interactions with inorganic soil

constituents. In: Theng, B.K.G. (Ed.), Soils With Variable Charge. New Zealand
Society of Soil Science, Lower Hutt

.

Tiemann, L.K., Grandy, A.S., Atkinson, E.E., Marin-Spiotta, E., McDaniel, M.D., 2015.

Crop rotational diversity enhances belowground communities and functions in an
agroecosystem. Ecol. Lett. 18 (8), 761

–

771

.

Tiessen, H., Stewart, J.W.B., Hunt, H.W., 1984. Concepts of soil organic-matter trans-

formations in relation to organo-mineral particle-size fractions. Plant Soil 76 (1

–

3),

287

–

295

.

Tipping, E., 1981. The adsorption of aquatic humic substances by iron-oxides. Geochim.

Cosmochim. Acta 45 (2), 191

–

199

.

Toosi, E.R., Kravchenko, A.N., Mao, J., Quigley, M.Y., Rivers, M.L., 2017. E

ff

ects of

management and pore characteristics on organic matter composition of macro-
aggregates: evidence from characterization of organic matter and imaging. Eur. J.
Soil Sci. 68 (2), 200

–

211

.

Torn, M.S., Trumbore, S.E., Chadwick, O.A., Vitousek, P.M., Hendricks, D.M., 1997.

Mineral control of soil organic carbon storage and turnover. Nature 389 (6647),
170

–

173

.

Totsche, K.U., et al., 2017. Microaggregates in soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 181 (1),

104

–

136

.

Trigalet, S., et al., 2017. Soil organic carbon fractionation for improving agricultural soil

quality assessment - a case study in Southern Belgium (Wallonia). Biotechnol. Agron.
Soc. Environ. 21 (3), 191

–

200

.

Vance, E.D., Brookes, P.C., Jenkinson, D.S., 1987. An extraction method for measuring

soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19 (6), 703

–

707

.

Vasques, G.M., Grunwald, S., Comerford, N.B., Sickman, J.O., 2010. Regional modelling

of soil carbon at multiple depths within a subtropical watershed. Geoderma 156
(3

–

4), 326

–

336

.

Vesterdal, L., Schmidt, I.K., Callesen, I., Nilsson, L.O., Gundersen, P., 2008. Carbon and

nitrogen in forest

fl

oor and mineral soil under six common European tree species. For.

Ecol. Manag. 255 (1), 35

–

48

.

Viscarra Rossel, R.A., Hicks, W.S., 2015. Soil organic carbon and its fractions estimated by

visible

–

near infrared transfer functions. Eur. J. Soil Sci. 66 (3), 438

–

450

.

Viscarra Rossel, R.A., Lark, R.M., 2009. Improved analysis and modelling of soil di

ff

use

re

fl

ectance spectra using wavelets. Eur. J. Soil Sci. 60 (3), 453

–

464

.

Viscarra-Rossel, R.A., Webster, R., Bui, E.N., Baldock, J.A., 2014. Baseline map of organic

carbon in Australian soil to support national carbon accounting and monitoring under
climate change. Glob. Chang. Biol. 20 (9), 2953

–

2970

.

van Vliet, P.C.J., West, L.T., Hendrix, P.F., Coleman, D.C., 1993. The in

fl

uence of

Enchytraeidae (Oligochaeta) on the soil porosity of small microcosms. Geoderma 56
(1

–

4), 287

–

299

.

Vogel, C., et al., 2013. Submicron structures provide preferential spots for carbon and

nitrogen sequestration in soils. Nat. Commun. 5, 7

.

Vogel, H.-J., et al., 2018. A systemic approach for modeling soil functions. Soil 4, 83

–

92

.

Vos, C., Don, A., Prietz, R., Heidkamp, A., Freibauer, A., 2016. Field-based soil-texture

estimates could replace laboratory analysis. Geoderma 267, 215

–

219

.

Wagai, R., Mayer, L.M., 2007. Sorptive stabilization of organic matter in soils by hydrous

iron oxides. Geochim. Cosmochim. Acta 71 (1), 25

–

35

.

Wang, S.L., et al., 2004. Vertical distribution of soil organic carbon in China. Environ.

Manag. 33, S200

–

S209

.

Ward, S.E., et al., 2016. Legacy e

ff

ects of grassland management on soil carbon to depth.

Glob. Chang. Biol. 22 (8), 2929

–

2938

.

Wardle, D.A., 1992. A comparative assessment of factors which in

fl

uence microbial

biomass carbon and nitrogen levels in soil. Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 67 (3),
321

–

358

.

Wattel-Koekkoek, E.J.W., van Genuchten, P.P.L., Buurman, P., van Lagen, B., 2001.

Amount and composition of clay-associated soil organic matter in a range of kaoli-
nitic and smectitic soils. Geoderma 99 (1

–

2), 27

–

49

.

Wei, X., Shao, M., Gale, W., Li, L., 2014. Global pattern of soil carbon losses due to the

conversion of forests to agricultural land. Sci. Rep. 4 (4062).

https://doi.org/10.

1038/srep04062

.

Wiesmeier, M., et al., 2013. Amount, distribution and driving factors of soil organic

carbon and nitrogen in cropland and grassland soils of southeast Germany (Bavaria).
Agric. Ecosyst. Environ. 176, 39

–

52

.

Wiesmeier, M., et al., 2014a. Estimation of total organic carbon storage and its driving

factors in soils of Bavaria (southeast Germany). Geoderma Reg. 1, 67

–

78

.

Wiesmeier, M., et al., 2014b. Carbon sequestration potential of soils in southeast Germany

derived from stable soil organic carbon saturation. Glob. Chang. Biol. 20, 653

–

665

.

Wiesmeier, M., et al., 2015a. Carbon storage capacity of semi-arid grassland soils and

sequestration potentials in northern China. Glob. Chang. Biol. 21, 3836

–

3845

.

Wiesmeier, M., et al., 2015b. Land use e

ff

ects on organic carbon storage in soils of

Bavaria: the importance of soil types. Soil Tillage Res. 146, 296

–

302

.

Wiseman, C.L.S., Puttmann, W., 2005. Soil organic carbon and its sorptive preservation in

central Germany. Eur. J. Soil Sci. 56 (1), 65

–

76

.

Xiong, X., et al., 2014. Holistic environmental soil-landscape modeling of soil organic

carbon. Environ. Model. Softw. 57, 202

–

215

.

Yong, R.N., Mohamed, A.M.O., Wang, B.W., 1992. In

fl

uence of amorphous silica and iron

hydroxide on interparticle action and soil surface-properties. Can. Geotech. J. 29 (5),
803

–

818

.

Zhao, L.P., Sun, Y.J., Zhang, X.P., Yang, X.M., Drury, C.F., 2006. Soil organic carbon in

clay and silt sized particles in Chinese mollisols: relationship to the predicted capa-
city. Geoderma 132 (3

–

4), 315

–

323

.

Zimmermann, M., Leifeld, J., Fuhrer, J., 2007. Quantifying soil organic carbon fractions

by infrared-spectroscopy. Soil Biol. Biochem. 39 (1), 224

–

231

.

Zinn, Y.L., Lal, R., Bigham, J.M., Resck, D.V.S., 2007. Edaphic controls on soil organic

carbon retention in the Brazilian cerrado: texture and mineralogy. Soil Sci. Soc. Am.
J. 71 (4), 1204

–

1214

.

M. Wiesmeier et al.

Geoderma 333 (2019) 149–162

162


Document Outline