Back to report · Publisher record

Zhou et al. (2024). Global turnover of soil mineral-associated and particulate organic carbon

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Global turnover of soil mineral-associated
and particulate organic carbon

Zhenghu Zhou

1,2

, Chengjie Ren

3

, Chuankuan Wang

1

,

Manuel Delgado-Baquerizo

4

, Yiqi Luo

5

, Zhongkui Luo

6

, Zhenggang Du

1

,

Biao Zhu

7

, Yuanhe Yang

8

, Shuo Jiao

9

, Fazhu Zhao

10

, Andong Cai

11

,

Gaihe Yang

3

& Gehong Wei

9

Soil organic carbon (SOC) persistence is predominantly governed by mineral
protection, consequently, soil mineral-associated (MAOC) and particulate
organic carbon (POC) turnovers have different impacts on the vulnerability of
SOC to climate change. Here, we generate the global MAOC and POC maps
using 8341 observations and then infer the turnover times of MAOC and POC
by a data-model integration approach. Global MAOC and POC storages are
975

987
964

Pg C (mean with 5% and 95% quantiles) and 330

337
323

Pg C, while global

mean MAOC and POC turnover times are 129

383
45

yr and 23

82
5

yr in the top meter,

respectively. Climate warming-induced acceleration of MAOC and POC
decomposition is greater in subsoil than that in topsoil. Overall, the global atlas
of MAOC and POC turnover, together with the global distributions of MAOC
and POC stocks, provide a benchmark for Earth system models to diagnose
SOC-climate change feedback.

Soil organic carbon (SOC) is the property of terrestrial ecosystems due
to its multi-functionality

1

. Positive feedback to climate change would

occur if SOC is transferred to the atmosphere by a warming-induced
acceleration of its decomposition

2

. Recent advances attest that the

persistence of SOC to microbial decomposition is predominantly
controlled by physical accessibility and isolation rather than its bio-
chemical recalcitrance

3

–

6

. Separating SOC into mineral-associated

(MAOC) and particulate organic carbon (POC) consequently enables
a more accurate prediction of soil vulnerability to climate change

7

,

8

.

Most Earth system models with unmeasurable Century and RothC
carbon pools place low con

fi

dence on both spatial-temporal SOC

distribution and projection to climate change

9

–

11

. Incorporating the

measurable and biophysically de

fi

ned MAOC and POC pools into Earth

system models probably is an optimal approach to trace the fate of
SOC under global change

12

–

15

and would be the next generation of soil

carbon cycling model

16

,

17

.

The critical drivers and global distributions of MAOC and POC are

not well quanti

fi

ed, and the corresponding data product with high

accuracy is also lacking for modeling community. For example, Geor-
giou et al.

18

have created a global map of MAOC but excluding much of

the boreal region with a small dataset (1144 soil observations). Syn-
thesizing 162 soil observations, a recent study suggested that topsoil in

Received: 3 January 2024

Accepted: 18 June 2024

Check for updates

1

College of Ecology and Key Laboratory of Sustainable Forest Ecosystem Management-Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, Hei-

longjiang, China.

2

Northeast Asia Biodiversity Research Center, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang, China.

3

State Key Laboratory for Crop

Stress Resistance and High-Ef

fi

ciency Production, College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100 Shaanxi, China.

4

Laboratorio de Bio-

diversidad y Funcionamiento Ecosistémico. Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS), CSIC, Av. Reina Mercedes, Sevilla, Spain.

5

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

6

College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University,

Hangzhou, China.

7

Institute of Ecology, College of Urban and Environmental Sciences, and Key Laboratory for Earth Surface Processes of the Ministry of

Education, Peking University, Beijing, China.

8

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of

Sciences, Beijing, China.

9

State Key Laboratory for Crop Stress Resistance and High-Ef

fi

ciency Production, College of Life Sciences, Northwest A&F University,

Yangling 712100 Shaanxi, China.

10

Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity, Northwest University, Xi

’

an,

Shaanxi, China.

11

Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing, China.

e-mail:

Rencj1991@nwsuaf.edu.cn

;

weigehong@nwsuaf.edu.cn

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

1

12

3

4

5

6

78

9

0

()

:,;

12

3

4

5

6

7

8

9

0

()

:,;

Page 2

Figures and page graphics, page 2

cold regions was distributed predominantly by more vulnerable POC
rather than by MAOC

8

. MAOC with simple molecular compounds

persists in soils over hundreds of years and is predominantly protected
by minerals via van der Waals force, hydrogen bond, covalent bond,
complexation, cation bridging, and pore sorption

19

,

20

; while POC with

complex molecular compounds persists in soils up to decades relying
on biochemical recalcitrance and aggregate protection

7

,

19

. Therefore,

the global distributions of MAOC and POC may be dependent on dif-
ferent factors. SOC storage capacity can be given as the product of
carbon in

fl

ux and turnover time

21

. Assessing SOC turnover time can

offer an insight into the SOC dynamics under environmental changes

22

,

which is estimated via multiple approaches, such as radiocarbon

23

,

remote sensing

24

,

25

, and Earth-system models

26

. In addition, subsoils

(>20 cm) contain more than half of global SOC stocks

27

. However, the

uncertainty of the response of SOC to climate warming increases with
soil depth because the mechanisms that control deeper SOC

’

s turn-

over are still one of the largest challenges for soil carbon cycling

28

–

30

.

Although MAOC and POC turnovers have very different impacts on soil
fertility and carbon emission

7

, the global distributions of MAOC and

POC turnover times across spatial and soil pro

fi

les, and their covaria-

tions with climate, topography, vegetation, and edaphic factors have
not been quanti

fi

ed.

Here, we synthesized 8341 soil observations that separate the bulk

SOC into MAOC and POC fractions globally (Supplementary
Fig. 1 and 2). The current datasets spanned broadly along spatial and
climatic gradients: latitude ranged from

−

63° S to 69° N, longitude

ranged from

−

155° S to 153° N, mean annual temperature (MAT) ranged

from

−

9 °C to 29 °C, while mean annual precipitation ranged from

58 mm to 3128 mm. We aimed to produce global maps of MAOC and
POC by a machine learning approach, and to reveal the global spatial
and pro

fi

le distributions of turnover times of MAOC and POC using a

data-assimilation approach.

We generate the MAOC and POC maps by soil layers of 0

–

20,

20

–

40, 40

–

60, 60

–

80, and 80

–

100 cm using random forest model

with high accuracy (

R

2

> 0.83). Global MAOC and POC storages are

975

987
964

Pg C (mean with 5% and 95% quantiles from 100-times boot-

strapping) and 330

337
323

Pg C in the top meter, respectively. We also

propose a two-pool model including the measurable MAOC and POC
to infer their turnover times along the soil pro

fi

le. The global mean

MAOC and POC turnover times in the top meter are 129

383
45

yr and 23

82
5

yr, respectively. MAT is the most important factor for MAOC and POC
turnovers and their distribution along the soil pro

fi

le. Climate

warming-induced acceleration of MAOC and POC decomposition is
greater in subsoil than that in topsoil. Our global estimations of the
stocks and turnover times of MAOC and POC would provide a
benchmark for Earth system models to diagnose SOC-climate change
feedback.

Results and Discussion

Global distributions of mineral-associated and particulate
organic carbon

Geographical distributions of MAOC and POC were driven by multiple
climate, topography, vegetation, and edaphic factors (Figs.

1

and

2

;

Supplementary Fig. 3). MAT, mean annual precipitation, net primary
productivity, elevation, pH, clay plus silt content, and sampling depth
were the best predictors of MAOC, which explained 83% variance
(Fig.

1

). Land cover was also important for the spatial variation of POC,

together with the above factors for MAOC, which explained 84% var-
iance for POC (Fig.

1

). As expected, soils with greater carbon inputs

(higher net primary productivity) and lower decomposition rate (lower
MAT) have greater MAOC and POC (Fig.

2

). There is controversy over

whether MAOC is saturated

31

,

32

. The objectors of the concept of MAOC

saturation suggested that organic matter can bind to other organic
matter bonded to minerals, in unlimited

“

skyscraper-like

”

structures

31

.

Here, the partial dependence plot showed that there was a saturation
relationship between MAOC and net primary productivity (carbon
inputs) considering the multiple covariates (Fig.

2

). Therefore, our

global dataset supported the concept of mineral-associated organic
matter saturation.

Both MAOC and POC were higher in acidic soils (Fig.

2

) because

microbial activities are generally inhibited by low pH

33

,

34

. In addition,

soil pH was the second important predictor for the spatial variation of
MAOC, because soil pH mediates many geochemical processes

35

.

Especially, carbon sorption onto soil minerals is pH-dependent, and
mineral surfaces become less positive and organic ligands become
more negative at higher pH, which would minimize the carbon sorp-
tion to mineral surfaces

14

,

20

,

36

–

38

. The mechanisms of SOC stabilization

shift with rising pH from predominantly organo-metal complexation,

Upper depth

Bottom depth

Elevation

MAP

Clay+Silt

pH

NPP

MAT

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

Importance (normalized)

Predictors

MAOC (

R

2

=0.83)

a

Clay+Silt

MAP

Elevation

pH

NPP

Land cover

Upper depth

Bottom depth

MAT

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

Importance (normalized)

Predictors

POC (

R

2

=0.84)

b

Fig. 1 | The importance of predictors for mineral-associated and particulate
organic carbon. a

The importance of predictors for mineral-associated organic

carbon (MAOC).

b

The importance of predictors for particulate organic carbon

(POC). Two types of importance from random forest algorithms (impurity and

permutation) were

fi

rst normalized to the interval of [0, 1] according to their

maximum and minimum values. The mean of the normalized importance was then
calculated. MAT mean annual temperature, MAP mean annual precipitation, NPP
net primary productivity. Source data are provided as a Source Data

fi

le.

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

2

Page 3

Figures and page graphics, page 3

to association with short-range-order phases, to Ca complexation and
cation bridging with phyllosilicates, increasing soil pH consequently
decreases the accumulation of MAOC

38

. Soil clay- and silt-size minerals

provide the scaffolds and habitats for MAOC, together with the inha-
bitation of high clay plus silt content on microbial decomposition by
other mechanisms, soil clay plus silt had positive effect on MAOC
(Fig.

2

). In addition, soil minerals can protect POC from microbial

decomposition

39

, and a recent study had provided the visible evidence

that occlusion of organic matter into aggregates and formation of
organo-mineral associations occur concurrently on POC

40

. Land cover

was important for POC but not for MAOC (Fig.

2

and Supplementary

Fig. 3), implying that the quality of litter may have a weak in

fl

uence on

the formation of MAOC at a global scale. In addition, POC may be more
sensitive to the conversion of natural land cover types to croplands
than MAOC.

Finally, the 10-fold validation showed that the random forest had

good performance in predicting the global distributions of MAOC and

POC, with

R

2

of 0.92 and 0.93, respectively (Supplementary Fig. 4). We

generated the MAOC and POC maps by soil layers of 0

–

20, 20

–

40,

40

–

60, 60

–

80, and 80

–

100 cm, respectively (Fig.

3

; Supplementary

Figs. 5 and 6). POC showed a shallower distribution than MAOC
because POC was more dependent upon carbon inputs than soil
properties (Figs.

1

and

3

). We derived a global MAOC storage of 975

987
964

Pg C and POC storage of 330

337
323

Pg C in the top meter (Fig.

3

). Totally,

the global SOC storage is 1306

1321
1292

Pg C, which is well consistent with

previous estimations from observations (ranged from 504 Pg C to 1849
Pg C)

41

and modeled methods (ranged from 510 Pg C to 3040 Pg C)

11

.

Global turnover of mineral-associated and particulate
organic carbon

Using a proposed two-pool model and a data assimilation approach
(see methods), the global mean MAOC and POC turnover times in the
top meter of soils were estimated as 129

383
45

yr and 23

82
5

yr, respectively

(Fig.

4

). MAT is the most important factor for MAOC and POC

M

M

AOC

POC

1.0

1.5

2.0

2.5

−10

0

10

20

30

MAT (

q

C)

ln(MA

O

C or POC) (g 

kg

1

)

a

1.0

1.5

2.0

2.5

0

1000

2000

3000

MAP (mm)

ln(MA

O

C or POC) (g 

kg

1

)

b

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

NPP (kg m

2

yr

1

)

ln(MA

OC or POC) (g 

kg

1

)

c

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0

25

50

75

100

125

Upper depth (cm)

ln(MA

O

C or POC) (g kg

1

)

d

0.5

1.0

1.5

2.0

0

50

100

150

Bottom depth(cm)

ln(MA

O

C or POC) (g kg

1

)

e

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0

25

50

75

100

Clay+Silt (%)

ln(MA

O

C or POC) (g kg

1

)

f

1.2

1.6

2.0

2.4

4

6

8

10

pH

ln(MA

O

C or POC) (g kg

1

)

g

1.2

1.6

2.0

2.4

0

1000

2000

3000

4000

5000

Elevation (m)

ln(MA

O

C or POC) (g kg

1

)

h

0.0

0.5

1.0

1.5

Tundr

a

B

oreal

 F

Te

mper

ate F

(S

ub

)T

ropi

ca

l F

Montane GS

Te

mper

at

e 

G

S

(Sub

)T

ropica

l GS

Medi

terr

anean

D

eser

ts

Cropl

a

nds

W

et

lands

Land cover

ln(POC) (g kg

1

)

i

Fig. 2 | Partial dependences showing the effects of predictors on mineral-
associated and particulate organic carbon. a

Partial dependences for mean

annual temperature (MAT).

b

Partial dependences for mean annual precipitation

(MAP).

c

Partial dependences for net primary productivity (NPP).

d

Partial depen-

dences for upper sampling depth.

e

Partial dependences for bottom sampling

depth.

f

Partial dependences for clay plus silt content (clay+silt).

g

Partial depen-

dences for pH.

h

Partial dependences for elevation.

i

Partial dependences for land

cover. F forests, GS grasslands and shrublands. Source data are provided as a
Source Data

fi

le.

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

3

Page 4

Figures and page graphics, page 4

turnovers (Supplementary Figs. 7 and 8), supporting a previous view-
point that temperature dominates the SOC turnover

22

,

26

. Semi-arid, dry

sub-humid, and humid regions had similar turnover-MAT relation-
ships, but differed from the relationship in arid regions (Supplemen-
tary Fig. 8). Therefore, moisture can dominate the turnover in places
that are highly water-limited, such as the long-term turnover times of
MAOC and POC in desert regions (Fig.

4

).

The turnover times of MAOC and POC were increased as increased

soil depth (Fig.

4

). Referring to the Community Land Model (CLM)

42

, the

reduced rate of decomposition rate with soil depth in our two-pool
model was regulated by an e-folding depth for carbon turnover. A
greater value of e-folding depth for carbon turnover represents a slower
decrease in decomposition rates with increased soil depth, while a
smaller value of e-folding depth for carbon turnover represents a more
rapid one (see methods). MAT predominately controls the variations of
e-folding depths for MAOC and POC turnovers (Fig.

5

). First, cold land

cover (tundra and boral forest) had shallower root distribution than
warm ones (such as (sub)tropical forests and grasslands)

43

. The absence

of fresh carbon is suggested to be a critical mechanism that prevents the
decomposition in deep soil layers because microbial activity was limited
by an essential source of energy

44

,

45

. Second, the slow SOC decom-

position at subsoil could result from a lack of oxygen. Physically, warm
climate would enhance the gaseous diffusivity between subsoil and
atmosphere

46

, subsoils in (sub)tropical regions consequently had lower

oxygen limitation than that in cold regions. We also found that the
e-folding depth for carbon turnover for POC was about 1.7 times as large
as that of MAOC, indicating that an increase in soil depth had stronger
inhibition on MAOC decomposition than that on POC. The total mineral
surface is one of the most limiting factors in

fl

uencing SOC bound to soil

minerals. Compared with topsoil, subsoils had a greater carbon
saturation de

fi

cit, while a greater carbon saturation de

fi

cit not only

increases the stabilization of MAOC but also increases the transfer
ef

fi

ciency from POC to MAOC

47

.

Limitations and uncertainties

There are several limitations and uncertainties in the current study.
First, like the limitation for all global synthesis, the soils were sampled
by different methods, time, successional stage, repeatability, and so
on, which would result in uncertainties. Second, the assumption of
steady

was suggested

to

improve the operability

of

data

assimilation

48

,

49

. Although SOC in ecosystems with anthropogenic

disturbance, such as degraded and restored ecosystems, may not be at
a steady state, previous studies have shown that such a disequilibrium
component is minor for SOC pools considering its long turnover
time

50

,

51

. However, such an assumption of a steady state indeed intro-

duces uncertainties. Third, the data points in Russia, Canada, and
Africa are relatively small, which may limit the accuracy of our esti-
mates of MAOC and POC in these regions, especially for permafrost in
Russia and Canada, which are rich in SOC.

Despite the above limitations, to our knowledge, we presented

the

fi

rst global atlas of MAOC and POC turnover times using a big

dataset of 8341 soil observations, together with the global distribu-
tions of MAOC and POC stocks, which provided a benchmark for
Earth system models. Our

fi

ndings supported that temperature

dominantly controls both storage and turnover times of MAOC and
POC. In addition, the positive effects of MAT on e-folding depths for
both MAOC and POC turnovers imply that climate warming-induced
increase in decomposition was greater in subsoil than that in topsoil.
Therefore, the loss of MAOC and POC in deep soils may have positive
feedback to climate change, it is urgent to prevent the SOC loss from
deep soils.

Methods

Data collection

An extensive literature survey was conducted through the Google
Scholar and China National Knowledge Infrastructure databases until
2024 using keywords of

“

soil

” “

mineral-associated

”

and

“

carbon

”

.

−30

  0

 30

 60

−120

 −60

   0

  60

 120

Longitude (

q

)

Latitude (

q

)

10

20

MAOC (kg m

2

)

a

−30

  0

 30

 60

−120

 −60

   0

  60

 120

Longitude (

q

)

Latitude (

q

)

2.5

5.0

7.5

10.0

POC (kg m

2

)

b

Modeled

S

p

atiall

y

 ex

p

licit

0

500

1000

1500

2000

2500

POC

MAOC

SOC

Previous SOC

Global estimations

SOC (Pg C)

Depth

0−20

20−40

40−60

60−80

80−100

c

Fig. 3 | Global estimations of mineral-associated and particulate organic car-
bon storages. a

Global map of mineral-associated organic carbon (MAOC) storage

(0

–

100 cm).

b

Global map of particulate organic carbon (POC) storage (0

–

100 cm).

c

Global soil organic carbon (SOC) storages from our estimation (bars) and

previous estimations from observations

41

(blue boxplot) and modeled methods

11

(black boxplot). The error bars are 5% and 95% quantiles from 100-times boot-
strapping. Center line, median. Box limits, upper and lower quartiles. Whiskers, 1.5
times interquartile range. Source data are provided as a Source Data

fi

le.

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

4

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Differing from a recent global synthesis that collected MAOC passed
through 63-

μ

m sieve (1144 entries)

18

, but the sieve size varied greatly

across all the entries, where 53-

μ

m sieve size has the largest proportion

(60.1%), followed by 20-

μ

m sieve size (24.1%) and 63-

μ

m sieve size

(7.8%). To reduce the sieve size impacts from different entries, our
datasets just recorded the MAOC passed through 53-

μ

m sieve. We only

included studies of synchronous reporting SOC, POC, and MAOC.
Finally, our datasets included 8341 entries spanning from 1990 to 2022
(Supplementary Figs. 1 and 2).

To quantify the drivers of global distributions of POC and MAOC,

we consider the effects of climate (MAT and mean annual precipita-
tion), topography (elevation and slope), vegetation (net primary pro-
ductivity and land cover types), soil properties (soil types, pH, clay plus
silt content, base saturation, and cation exchange capacity), nitrogen
deposition, sampling depth and time. These covariates were either
recorded from the original studies or obtained from global datasets
(Supplementary Table 1). The land cover was classi

fi

ed into tundra,

boreal forest, temperate conifer forest, temperate broadleaf/mixed
forest, (sub)tropical moist forest, (sub)tropical dry forest, montane
grassland/shrubland, temperate grassland/shrubland, (sub)tropical
grassland/shrubland, Mediterranean, desert, wetland, and cropland
according to the Terrestrial Ecoregions of the World and the MODIS
Land Cover product. Most of the data entries were from 2000

–

2021

(Supplementary Fig. 2), together with the time range of MODIS net
primary productivity, we calculated the average annual temperature,
precipitation, and net primary productivity from 2001 to 2021.
Therefore, we kept the consistent times for climates, net primary
productivity, MAOC, and POC.

Mapping global mineral-associated and particulate organic car-
bon

. First, we compared the performances of six typical machine

learning algorithms, including random forest, extreme gradient
boosting, support vector machines, recursive partitioning and
regression trees, neural networks, and multivariable linear regression.
We found that the random forest had the least root mean square error
(Supplementary Table 2), therefore, random forest was used to general
the global maps of MAOC and POC.

Second, semivariance was

fi

rst calculated to explore the degree of

spatial auto-correlation of MAOC and POC contents, while the semi-
variograms did not show strong spatial auto-correlation (Supplemen-
tary Fig. 9). In addition, Moran

’

s index was also used to test the

signi

fi

cance of spatial autocorrelation in random forest models. A

greater signi

fi

cantly positive Moran

’

s index indicates that there is

spatial autocorrelation for a given variable at a speci

fi

c distance

threshold. Here, we did not

fi

nd a signi

fi

cant spatial autocorrelation for

MAOC and POC concentrations in random forest models (Supple-
mentary Fig. 9).

Third, the

“

wrapper

”

method

52

was used to select the covariates

among climate (MAT and MAP), topography (elevation and slope),
vegetation (net primary productivity and land cover types), soil
properties (soil types, pH, clay plus silt content, base saturation, and
cation exchange capacity), nitrogen deposition, sampling depth and
time. Speci

fi

cally, by re-calibrating a random forest model several

times, each time removing the least important covariate, one may
expect to considerably reduce the overall number of covariates with
little or no decrease in model prediction accuracy. We used methods
of impurity and permutation in the ranger function of the

“

ranger

”

package to quantify the importance of predictors, we then normal-
ized the two types of importance to the interval of [0, 1] according to
their maximum and minimum values. The mean of the normalized
importance was used. The

fi

nal random forest model for MAOC

included MAT, mean annual precipitation, net primary productivity,

−30

  0

 30

 60

−120

 −60

   0

  60

 120

Longitude (

q

)

Latitude (

q

)

10

100

1000

W

MAOC

(yr)

a

−30

  0

 30

 60

−120

 −60

   0

  60

 120

Longitude (

q

)

Latitude (

q

)

10

50

300

W

POC

(yr)

b

129

1

45

383

23

5

82

41

14

106

13

3

39

69

24

186

18

4

61

116

40

329

26

6

95

198

68

588

38

8

152

340

109

1064

58

10

252

80−100

60−80

40−60

20−40

0−20

0−100

10

100

1000

Turnover time (yr)

Depth (cm)

MAOC

POC

c

Fig. 4 | Spatial and pro

fi

le patterns of turnover times of mineral-associated and

particulate organic carbon. a

mineral-associated organic carbon (MAOC) turn-

over time (0

–

100 cm).

b

particulate organic carbon (POC) turnover time

(0

–

100 cm).

c

Pro

fi

le patterns of turnover times of MAOC and POC. The error bars

are 5% and 95% quantiles from 100-times bootstrapping. Source data are provided
as a Source Data

fi

le.

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

5

Page 6

Figures and page graphics, page 6

elevation, pH, clay plus silt content, and sampling depth, while the

fi

nal random forest model for POC included MAT, mean annual

precipitation, net primary productivity, land cover, elevation, pH,
clay plus silt content, and sampling depth (Fig.

1

and Supplemen-

tary Fig. 3).

Furthermore,

K

-fold cross-validation (with

K

= 10) was used to

validate the random forest models, and our random forest model
showed good performance (Supplementary Fig. 4). To generate the
spatially-explicit and quantitative maps of MAOC and POC contents,
the global predictors were aggregated or resampled at a resolution of
0.5° × 0.5° by soil layers (0

–

20, 20

–

40, 40

–

60, 60

–

80, and

80

–

100 cm). The 100-time bootstrapping was used to generate the

uncertainties of global maps (for each bootstrapping, 90% of the data
were randomly sampled).

Model desperation

. A two-pool model of MAOC and POC was pro-

posed following the framework Century (Supplementary Fig. 10):

d

POC

i

ð

t

Þ

d

t

=

I

i

+

MAOC

i

KM

i

T

MAOCtoPOC

POC

i

KP

i

+

POC

i

+ 1

D

POC

i

A

ð

1

Þ

Soil types

Elevation

Slope

Clay+Silt

N deposition

CEC

MAP

pH

Land cover

Bast

Bulk density

MAT

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

Importance (normalized)

Predictors

a

Soil types

Bast

pH

Slope

Clay+Silt

MAP

Bulk density

Elevation

CEC

N deposition

Land cover

MAT

0.00

0.25

0.50

0.75

Importance (normalized)

Predictors

b

t

=−90.2,

P

<0.001

50

75

100

MAOC

POC

Fractions

The e−f

olding depth f

o

r C tur

n

o

v

er

c

38

39

40

41

42

−10

0

10

20

30

MAT (

q

C)

The e−f

olding depth f

o

r MA

OC tur

n

o

v

er

d

66

68

70

72

−10

0

10

20

30

MAT (

q

C)

The e−f

olding depth f

o

r POC tur

n

o

v

er

e

Fig. 5 | Factors in

fl

uencing the reduced rate of decomposition rate with

soil depth. a

and

b

Importance of predictors for e-folding depths for mineral-

associated (MAOC) and particulate organic carbon (POC) turnovers, respectively. A
greater value of e-folding depth for carbon turnover represents a slower reduced
rate of decomposition rate with increased soil depth, while a smaller value of
e-folding depth for carbon turnover represents a more rapid one. Two types of
importance (impurity and permutation) were

fi

rst normalized to the interval of [0,

1] according to their maximum and minimum values. The mean of the normalized
importance was then calculated.

c

The e-folding depths for MAOC vs. POC turn-

overs (mean with 5% and 95% quantiles) with paired

t

-test.

d

and

e

Partial depen-

dence showing the effect of mean annual temperature (MAT) on e-folding depths
for MAOC and POC turnovers, respectively. MAP mean annual precipitation. NPP
net primary productivity. CEC cation exchange capacity. Bast base saturation.
Source data are provided as a Source Data

fi

le.

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

6

Page 7

Figures and page graphics, page 7

d

MAOC

i

ð

t

Þ

d

t

=

POC

i

KP

i

T

POCtoMAOC

MAOC

i

KM

i

+

MAOC

i

+ 1

D

MAOC

i

A

ð

2

Þ

where

i

is

i

th soil depth, referring to 0

–

20, 20

–

40, 40

–

60, 60

–

80, and

80

–

100 cm, respectively.

I

i

is net primary productivity allocation into

i

th soil depth, which refers to a recent global study that has quanti

fi

ed

the allocation of net primary productivity into belowground by the
same soil depth

43

. Therefore, we

fi

rstly obtained the averaged MODIS

net primary productivity from 2001 to 2023. We then calculated the
net primary productivity allocation into 0

–

20, 20

–

40, 40

–

60, 60

–

80,

and 80

–

100 cm, respectively.

MAOC

i

and

POC

i

are MAOC and POC

pools of

i

th soil depth.

KM

i

and

KP

i

are the decomposition rates

(inverse of turnover time) of MAOC and POC, respectively.

T

MAOCtoPOC

is SOC transformation from MAOC to POC, while

T

POCtoMAOC

is SOC

transformation from POC to MAOC.

D

and

A

represent the diffusion

and advection, respectively.

Referring to Community Land Model (CLM)

42

, an exponential

decrease in decomposition was used to account for the regulation of
soil depth on decomposition:

KM

i

=

KM

1

exp

z

i

10

z

M

ð

3

Þ

KP

i

=

KP

1

exp

z

i

10

z

P

ð

4

Þ

where

z

M

and

z

P

are the e-folding depths for carbon turnovers for

MAOC and POC, respectively. z

i

is the soil depth of

i

th layer.

Data assimilation

. We have more robust global estimates of pro-

ductivity than of heterotrophic respiration. Therefore, if we assume
that soils are approximately at a steady state, we can analytically cal-
culate the steady-state pool sizes of MAOC and POC by letting
Eqs. (

1

,

2

) equal zero, i.e., a semi-analytical solution to accelerate spin-

up

53

. Bayesian probabilistic inversion was used to calibrate the para-

meters in the two-pools model

9

,

54

. In Bayes

’

theorem, the posterior

probability density functions (

P

(

θ

|

Z

)) of model parameters (

θ

) can be

obtained from prior probability density functions of the parameters
(

P

(

θ

)) and the likelihood function (

P

(

Z

|

θ

)):

P

ð

θ

j

Z

Þ /

P

ð

Z

j

θ

Þ

P

ð

θ

Þ

ð

5

Þ

The

P

(

Z

|

θ

) was calculated with the assumption that errors

between observed and modeled C pools were independent of each
other and followed a multivariate Gaussian distribution with a zero
mean:

P

ð

Z

j

θ

Þ /

exp

C

obs

C

mod

2

2

σ

2

(

)

ð

6

Þ

where C

obs

and C

mod

are the observed and modeled carbon pools of

soil layers of 0

–

20, 20

–

40, 40

–

60, 60

–

80, and 80

–

100 cm, while

σ

is

the standard deviation of observation.

To generate the posterior distributions of model parameters, we

fi

rst speci

fi

ed the prior ranges of the model parameters in Supple-

mentary Table 3 based on the literature, educated guess, and hypoth-
esis testing

54

. Speci

fi

cally, a previous opinion study proposed that POC

and MAOC have vague turnover times of <10 years to decades and
decades to centuries, respectively. Here, the wide ranges of turnover
times were set (Supplementary Table 3). The e-folding depths were set
as 50 cm in CLM referring to one study of

14

C pro

fi

les

42

, therefore, we

set a range of 30

–

200 cm. The current vertically resolved models, such

as CLM

42

and ORCHIDEE-SOM

55

, simulate the vertical transformation of

SOC using two processes of diffusion and advection. However, these
two

fl

uxes were not well quanti

fi

ed in

fi

elds with diverse conditions. We

proposed a relatively wide of range for these two processes by referring
to CLM

42

and ORCHIDEE-SOM

55

. Finally, according to the global dis-

tributions of diffusion and advection optimized by the following pro-
cesses, our original set was acceptable for diffusion and advection (not
clustered to the upper limit; Supplementary Fig. 11).

Once we speci

fi

ed the parameter ranges, the probabilistic inver-

sion was carried on using the Metropolise-Hastings algorithm, a Mar-
kov Chain Monte Carlo technique, to construct the

P

(

θ

|

Z

)

56

. Brie

fl

y, the

Metropolise-Hastings algorithm includes a proposing step and a
moving step. In the proposing step, a new parameter set

θ

new

is pro-

posed based on the previously accepted parameter set

θ

old

and a

proposal distribution:

θ

new

=

θ

old

+

r

×

ð

θ

max

θ

min

Þ

D

ð

7

Þ

where

θ

max

and

θ

min

are the maximum and minimum values of para-

meters,

r

is a random variable between -0.5 and 0.5, and D is used to

control the proposed step size and was set to 5

56

. In the moving step,

θ

new

was tested against the Metropolis criterion to examine if the new

parameter set should be accepted or rejected. The

fi

rst half of the

accepted samples were discarded and only the rest were used to
generate

P

(

θ

|

Z

), i.e., these optimized parameters had the greatest

accuracy in predicting the MAOC and POC dynamics (Supplemen-
tary Fig. 10).

The turnover times of MAOC (

τ

MAOC

i

) and POC (

τ

POC

i

) in

i

th layers

are the reciprocal of corresponding decay constants:

τ

MAOC

i

=

1

KM

i

ð

8

Þ

τ

POC

i

=

1

KP

i

ð

9

Þ

The two-pool model was conducted with a spatial resolution of

1.5° × 1°, i.e., we optimized model parameters for each grid by obser-
ving pro

fi

le distributions of MAOC and POC. The turnover time of the

whole pro

fi

le (0

–

100 cm) can be calculated as the weighted mean of

turnover time by pool sizes of different soil layers. We also used ran-
dom forests to explore the regulation of climate, topography, vege-
tation, soil properties, and nitrogen deposition on turnover times and
the e-folding depth of intrinsic decomposition rates.

All the statistical analyses were performed in R 4.2.2 (R Core

Team 2022).

Data availability

The code that supports the

fi

ndings of this study are openly available in

fi

gshare at

https://

fi

gshare.com/account/articles/25962769

. Source

data are provided with this paper.

Code availability

The code that supports the

fi

ndings of this study are openly available in

fi

gshare at

https://

fi

gshare.com/account/articles/25962721

.

References

1.

Schmidt, M. W. et al. Persistence of soil organic matter as an eco-
system property.

Nature

478

, 49

–

56 (2011).

2.

Davidson, E. A. & Janssens, I. A. Temperature sensitivity of soil
carbon decomposition and feedbacks to climate change.

Nature

440

, 165

–

173 (2006).

3.

Bailey, V. L. et al. Soil carbon cycling proxies: Understanding their
critical role in predicting climate change feedbacks.

Glob. Change

Biol.

24

, 895

–

905 (2018).

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

7

Page 8

Figures and page graphics, page 8

4.

Cotrufo, M. F., Wallenstein, M. D., Boot, C. M., Denef, K. & Paul, E.
The Microbial Ef

fi

ciency

‐

Matrix Stabilization (MEMS) framework

integrates plant litter decomposition with soil organic matter sta-
bilization: do labile plant inputs form stable soil organic matter?

Glob. Change Biol.

19

, 988

–

995 (2013).

5.

Dungait, J. A., Hopkins, D. W., Gregory, A. S. & Whitmore, A. P. Soil
organic matter turnover is governed by accessibility not recalci-
trance.

Glob. Change Biol.

18

, 1781

–

1796 (2012).

6.

Kleber, M. et al. Old and stable soil organic matter is not necessarily
chemically recalcitrant: implications for modeling concepts and
temperature sensitivity.

Glob. Change Biol.

17

, 1097

–

1107 (2011).

7.

Lavallee, J. M., Soong, J. L. & Cotrufo, M. F. Conceptualizing soil
organic matter into particulate and mineral

‐

associated forms to

address global change in the 21st century.

Glob. Change Biol.

26

,

261

–

273 (2020).

8.

García-Palacios, P. et al. Dominance of particulate organic carbon in
top mineral soils in cold regions.

Nat. Geosci.

17

, 145

–

150 (2024).

9.

Shi, Z., Crowell, S., Luo, Y. & Moore, B. Model structures amplify
uncertainty in predicted soil carbon responses to climate change.

Nat. Commun.

9

, 2171 (2018).

10. Sulman, B. N. et al. Multiple models and experiments underscore

large uncertainty in soil carbon dynamics.

Biogeochemistry

141

,

109

–

123 (2018).

11.

Todd-Brown, K. E. et al. Causes of variation in soil carbon simula-
tions from CMIP5 Earth system models and comparison with
observations.

Biogeosciences

10

, 1717

–

1736 (2013).

12. Sokol, N. W., Sanderman, J. & Bradford, M. A. Pathways of mineral

‐

associated soil organic matter formation: Integrating the role of
plant carbon source, chemistry, and point of entry.

Glob. Change

Biol.

25

, 12

–

24 (2019).

13. Liu, F. et al. Divergent changes in particulate and mineral-

associated organic carbon upon permafrost thaw.

Nat. Commun.

13

, 5073 (2022).

14. Abramoff, R. Z. et al. Improved global-scale predictions of soil

carbon stocks with Millennial Version 2.

Soil Biol. Biochem.

164

,

108466 (2022).

15. Robertson, A. D. et al. Unifying soil organic matter formation and

persistence frameworks: the MEMS model.

Biogeosciences

16

,

1225

–

1248 (2019).

16. Opfergelt, S. The next generation of climate model should account

for the evolution of mineral-organic interactions with permafrost
thaw.

Environ. Res. Lett.

15

, 1748

–

9326 (2020).

17. Doetterl, S. et al. Soil carbon storage controlled by interactions

between geochemistry and climate.

Nat. Geosci.

8

, 780

–

783 (2015).

18. Georgiou, K. et al. Global stocks and capacity of mineral-associated

soil organic carbon.

Nat. Commun.

13

, 3797 (2022).

19. Lützow, M. V. et al. Stabilization of organic matter in temperate

soils: mechanisms and their relevance under different soil
conditions

–

a review.

Eur. J. Soil Sci.

57

, 426

–

445 (2006).

20. Kleber, M. et al. Dynamic interactions at the mineral

–

organic matter

interface.

Nat. Rev. Earth Environ.

2

, 402

–

421 (2021).

21. Xia, J., Luo, Y., Wang, Y. P. & Hararuk, O. Traceable components of

terrestrial carbon storage capacity in biogeochemical models.

Glob. Change Biol.

19

, 2104

–

2116 (2013).

22. Luo, Z., Wang, G. & Wang, E. Global subsoil organic carbon turnover

times dominantly controlled by soil properties rather than climate.

Nat. Commun.

10

, 3688 (2019).

23. Shi, Z. et al. The age distribution of global soil carbon inferred from

radiocarbon measurements.

Nat. Geosci.

13

, 555

–

559 (2020).

24. Carvalhais, N. et al. Global covariation of carbon turnover times with

climate in terrestrial ecosystems.

Nature

514

, 213

–

217 (2014).

25. Bloom, A. A., Exbrayat, J. F., Van Der Velde, I. R., Feng, L. & Williams,

M. The decadal state of the terrestrial carbon cycle: Global retrie-
vals of terrestrial carbon allocation, pools, and residence times.

Proc. Natl Acad. Sci.

113

, 1285

–

1290 (2016).

26. Koven, C. D., Hugelius, G., Lawrence, D. M. & Wieder, W. R. Higher

climatological temperature sensitivity of soil carbon in cold than
warm climates.

Nat. Clim. Change

7

, 817

–

822 (2017).

27. Jobbágy, E. G. & Jackson, R. B. The vertical distribution of soil

organic carbon and its relation to climate and vegetation.

Ecol.

Appl.

10

, 423

–

436 (2000).

28. Zhang, Q. et al. Whole-soil-pro

fi

le warming does not change

microbial carbon use ef

fi

ciency in surface and deep soils.

Proc. Natl

Acad. Sci.

120

, e2302190120 (2023).

29. Wang, M. et al. Global soil pro

fi

les indicate depth-dependent soil

carbon losses under a warmer climate.

Nat. Commun.

13

, 5514

(2022).

30. Hicks Pries, C. E., Castanha, C., Porras, R. & Torn, M. The whole-soil

carbon

fl

ux in response to warming.

Science

355

, 1420

–

1423 (2017).

31. Begill, N., Don, A. & Poeplau, C. No detectable upper limit of

mineral-associated organic carbon in temperate agricultural soils.

Glob. Change Biol.

29

, 4662

–

4669 (2023).

32. Cotrufo, M. F., Lavallee, J. M., Six, J. & Lugato, E. The robust concept

of mineral-associated organic matter saturation: A letter to Begill
et al., 2023.

Glob. Change Biol.

29

, 5986

–

5987 (2023).

33. Averill, C. & Waring, B. Nitrogen limitation of decomposition and

decay: How can it occur?

Glob. Change Biol.

24

, 1417

–

1427 (2018).

34. Lugato, E., Lavallee, J. M., Haddix, M. L., Panagos, P. & Cotrufo, M. F.

Different climate sensitivity of particulate and mineral-associated
soil organic matter.

Nat. Geosci.

14

, 295

–

300 (2021).

35. Slessarev, E. et al. Water balance creates a threshold in soil pH at

the global scale.

Nature

540

, 567

–

569 (2016).

36. Mayes, M. A., Heal, K. R., Brandt, C. C., Phillips, J. R. & Jardine, P. M.

Relation between soil order and sorption of dissolved organic car-
bon in temperate subsoils.

Soil Sci. Soc. Am. J.

76

, 1027

–

1037

(2012).

37. Feng, X., Simpson, A. J. & Simpson, M. J. Chemical and miner-

alogical controls on humic acid sorption to clay mineral surfaces.

Org. Geochem.

36

, 1553

–

1566 (2005).

38. Rasmussen, C. et al. Beyond clay: towards an improved set of

variables for predicting soil organic matter content.

Biogeochem-

istry

137

, 297

–

306 (2018).

39. Lei, L., Holásková, I., Thompson, J. A. & McDonald, L. M. Fe-bound

organic carbon and sorption of aromatic dissolved organic carbon
in surface soil: comparing a forest, a cropland, and a pasture soil in
the Central Appalachian Region, West Virginia, USA.

Environments

9

, 113 (2022).

40. Witzgall, K. et al. Particulate organic matter as a functional soil

component for persistent soil organic carbon.

Nat. Commun.

12

,

4115 (2021).

41. Scharlemann, J. P., Tanner, E. V., Hiederer, R. & Kapos, V. Global soil

carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon
pool.

Carbon Manag.

5

, 81

–

91 (2014).

42. Koven, C. D. et al. The effect of vertically resolved soil bio-

geochemistry and alternate soil C and N models on C dynamics of
CLM4.

Biogeosciences

10

, 7109

–

7131 (2013).

43. Xiao, L. et al. Global depth distribution of belowground net primary

productivity and its drivers.

Glob. Ecol. Biogeogr.

32

, 1435

–

1451

(2023).

44. Fontaine, S. et al. Stability of organic carbon in deep soil layers

controlled by fresh carbon supply.

Nature

450

, 277

–

U210 (2007).

45. Bernal, B. et al. Limits to soil carbon stability; Deep, ancient soil

carbon decomposition stimulated by new labile organic inputs.

Soil

Biol. Biochem.

98

, 85

–

94 (2016).

46. Tang, J. W., Baldocchi, D. D., Qi, Y. & Xu, L. K. Assessing soil CO

2

ef

fl

ux using continuous measurements of CO

2

pro

fi

les in soils with

small solid-state sensors.

Agric. For. Meteorol.

118

, 207

–

220 (2003).

47. Stewart, C. E., Paustian, K., Conant, R. T., Plante, A. F. & Six, J. Soil

carbon saturation: Evaluation and corroboration by long-term
incubations.

Soil Biol. Biochem.

40

, 1741

–

1750 (2008).

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

8

Page 9

Figures and page graphics, page 9

48. Zhou, T., Shi, P., Jia, G. & Luo, Y. Nonsteady state carbon seques-

tration in forest ecosystems of China estimated by data assimilation.

J. Geophys. Res.: Biogeosci.

118

, 1369

–

1384 (2013).

49. Zhou, T. et al. Age

‐

dependent forest carbon sink: Estimation via

inverse modeling.

J. Geophys. Res.: Biogeosci.

120

, 2473

–

2492

(2015).

50. Lu, X., Wang, Y.-P., Luo, Y. & Jiang, L. Ecosystem carbon transit

versus turnover times in response to climate warming and rising
atmospheric CO

2

concentration.

Biogeosciences

15

, 6559

–

6572

(2018).

51. Tao, F. et al. Microbial carbon use ef

fi

ciency promotes global soil

carbon storage.

Nature

618

, 981

–

985 (2023).

52. Wadoux, A. M. C., Minasny, B. & McBratney, A. B. Machine learning

for digital soil mapping: Applications, challenges and suggested
solutions.

Earth-Sci. Rev.

210

, 103359 (2020).

53. Xia, J., Luo, Y., Wang, Y. P., Weng, E. & Hararuk, O. A semi-analytical

solution to accelerate spin-up of a coupled carbon and nitrogen
land model to steady state.

Geosci. Model Dev.

5

, 1259

–

1271 (2012).

54. Hararuk, O., Xia, J. & Luo, Y. Evaluation and improvement of a global

land model against soil carbon data using a Bayesian Markov chain
Monte Carlo method.

J. Geophys. Res.: Biogeosci.

119

,

403

–

417 (2014).

55. Camino-Serrano, M. et al. ORCHIDEE-SOM: modeling soil organic

carbon (SOC) and dissolved organic carbon (DOC) dynamics along
vertical soil pro

fi

les in Europe.

Geosci. Model Dev.

11

, 937

–

957 (2018).

56. Xu, T., White, L., Hui, D. & Luo, Y. Probabilistic inversion of a ter-

restrial ecosystem model: Analysis of uncertainty in parameter
estimation and model prediction.

Glob. Biogeochem. Cycles

20

,

GB2007 (2006).

Acknowledgements

We thank Zheng Shi and Yuanyuan Huang for their suggestions on this
study. We thank all the researchers whose data were used in this global
synthesis. This work was

fi

nancially supported by the National Key

Research and Development Program of China (2021YFD2200401), the
National Natural Science Foundation of China (42377345), and the
Fundamental Research Funds for the Central Universities
(2572021CG07).

Author contributions

C.R., Z.Z. and G.W. conceived and designed the project; C.R., S. J., A. C.,
Y. Y. and F. Z. collected the data; Z.Z., B. Z., M. D. and C.R. conducted the

data analyses with help from Y.L., Z. D., G.Y., C.W. and Z.K.; Z.Z. pro-
posed the new two-pool model; Z.Z. and C.R. wrote the manuscript; All
authors contributed to discussing the results, writing, and editing
the paper.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary information

The online version contains

supplementary material available at

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

.

Correspondence

and requests for materials should be addressed to

Chengjie Ren or Gehong Wei.

Peer review information

Nature Communications

thanks the anon-

ymous reviewers for their contribution to the peer review of this work. A
peer review

fi

le is available.

Reprints and permissions information

is available at

http://www.nature.com/reprints

Publisher

’

s note

Springer Nature remains neutral with regard to jur-

isdictional claims in published maps and institutional af

fi

liations.

Open Access

This article is licensed under a Creative Commons

Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing,
adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as
long as you give appropriate credit to the original author(s) and the
source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if
changes were made. The images or other third party material in this
article are included in the article

’

s Creative Commons licence, unless

indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not
included in the article

’

s Creative Commons licence and your intended

use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted
use, you will need to obtain permission directly from the copyright
holder. To view a copy of this licence, visit

http://creativecommons.org/

licenses/by/4.0/

.

© The Author(s) 2024

Article

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49743-7

Nature Communications

|         (2024) 15:5329 

9


Document Outline