Back to report · Publisher record

von Fromm et al. (2021). Continental-scale controls on soil organic carbon across sub-Saharan Africa

Page 1

Figures and page graphics, page 1

SOIL, 7, 305–332, 2021
https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021
© Author(s) 2021. This work is distributed under
the Creative Commons Attribution 4.0 License.

SOIL

Continental-scale controls on soil organic

carbon across sub-Saharan Africa

Sophie F. von Fromm

1,2

, Alison M. Hoyt

1,3

, Markus Lange

1

, Gifty E. Acquah

4

, Ermias Aynekulu

5

,

Asmeret Asefaw Berhe

6

, Stephan M. Haefele

4

, Steve P. McGrath

4

, Keith D. Shepherd

5

, Andrew M. Sila

5

,

Johan Six

2

, Erick K. Towett

5

, Susan E. Trumbore

1

, Tor-G. Vågen

5

, Elvis Weullow

5

,

Leigh A. Winowiecki

5

, and Sebastian Doetterl

2

1

Department of Biogeochemical Processes, Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany

2

Department of Environmental Systems Science, ETH Zurich, Zurich, Switzerland

3

Climate and Ecosystem Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

4

Department of Sustainable Agriculture Sciences, Rothamsted Research, Harpenden, UK

5

World Agroforestry Centre (ICRAF), Nairobi, Kenya

6

Department of Live and Environmental Sciences, University of California Merced, Merced, CA, USA

Correspondence:

Sophie F. von Fromm (sfromm@bgc-jena.mpg.de)

Received: 19 October 2020 – Discussion started: 26 October 2020

Revised: 7 May 2021 – Accepted: 12 May 2021 – Published: 29 June 2021

Abstract.

Soil organic carbon (SOC) stabilization and destabilization has been studied intensively. Yet, the

factors which control SOC content across scales remain unclear. Earlier studies demonstrated that soil texture
and geochemistry strongly affect SOC content. However, those findings primarily rely on data from temperate
regions where soil mineralogy, weathering status and climatic conditions generally differ from tropical and
subtropical regions. We investigated soil properties and climate variables influencing SOC concentrations across
sub-Saharan Africa. A total of 1601 samples were analyzed, collected from two depths (0–20 and 20–50 cm)
from 17 countries as part of the Africa Soil Information Service project (AfSIS). The data set spans arid to humid
climates and includes soils with a wide range of pH values, weathering status, soil texture, exchangeable cations,
extractable metals and land cover types. The most important SOC predictors were identified by linear mixed-
effects models, regression trees and random forest models. Our results indicate that geochemical properties,
mainly oxalate-extractable metals (Al and Fe) and exchangeable Ca, are equally important compared to climatic
variables (mean annual temperature and aridity index). Together, they explain approximately two-thirds of SOC
variation across sub-Saharan Africa. Oxalate-extractable metals were most important in wet regions with acidic
and highly weathered soils, whereas exchangeable Ca was more important in alkaline and less weathered soils
in drier regions. In contrast, land cover and soil texture were not significant SOC predictors on this large scale.
Our findings indicate that key factors controlling SOC across sub-Saharan Africa are broadly similar to those in
temperate regions, despite differences in soil development history.

1

Introduction

Soil conservation and sustainable management are crucial to
address some of the main challenges humanity is facing, such
as climate change, food security, environmental degradation
and loss of soil biodiversity. Assessing the state of soils
and their potential responses to climate and land use change
requires carefully designed sampling strategies combined

with systematic analytical and statistical analyses across
locations and scales (IPCC, 2019). One key component is
soil organic carbon (SOC). Due to its variety of sources,
transformations and stabilization mechanisms, SOC is
chemically very complex and spatially heterogeneous. This
complexity causes significant uncertainties in global climate
models (Friedlingstein et al., 2014). It also complicates

Published by Copernicus Publications on behalf of the European Geosciences Union.

Page 2

Figures and page graphics, page 2

306

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

the extrapolation of SOC to a global scale using statistical
relationships to build robust global SOC products, such as
SoilGrids and the Harmonized World Soil Database (Tifafi
et al., 2018). To improve our understanding of global C
dynamics, it is important to better understand the factors that
control SOC stabilization and destabilization in soils from
regional to global scales (Blankinship et al., 2018; Heimann
and Reichstein, 2008).

SOC-stabilizing

drivers

and

processes

have

been

intensively

studied

over

the

past

several

decades.

Dokuchaev

(1883)

and

Jenny

(1941)

shaped

the

understanding that soil properties are correlated with
(independent) variables – the so-called soil-forming factors
(Eq. 1) as follows:

s

=

f

0

(cl

, o, r, p, t

)

,

(1)

where

s

stands for any type of soil property, such as

pH, carbon content, mineralogy, etc., and is determined
by the function

f

0

of the following soil-forming factors:

cl – climate;

o

– organisms;

r

– topography;

p

– parent

material; and

t

– time. This concept is still relevant and forms

the basis for many experiments and research attempting
to understand SOC storage. However, the importance of
the individual factors of Eq. (1) at different spatiotemporal
scales remains unclear (Doetterl et al., 2015; Rasmussen
et al., 2018; Wiesmeier et al., 2019). This uncertainty
hinders implementation of Eq. (1) in Earth system models,
resulting in a gap between the theoretical understanding
of SOM dynamics and our ability to improve terrestrial
biogeochemical projections that rely on existing models
(Blankinship et al., 2018; Rasmussen et al., 2018; Schmidt
et al., 2011). Despite the long history of studying SOC
stabilization (Greenland, 1965; Oades, 1988), there still is an
increasing demand for data on SOC dynamics at landscape
to global scales (Blankinship et al., 2018), especially from
subtropical and tropical ecosystems.

SOC stabilization is commonly conceptualized as the

competition between accessibility for microorganisms versus
chemical associations with minerals (Oades, 1988; Schmidt
et al., 2011). These processes are often only considered
implicitly by models (Blankinship et al., 2018; Schmidt et al.,
2011). Instead, models commonly rely on broader variables,
such as clay content, which is used as a proxy for sorption
and other organo-mineral interactions (Rasmussen et al.,
2018; Schmidt et al., 2011). These more generic variables
integrate a variety of stabilization processes which can be
difficult to disentangle. They can differ in their relative
importance and may not adequately capture soil mineralogy
and chemistry across different ecosystems and climate zones.
Hence, improving the predictive capacity of such models
requires not only a better understanding of the factors that
control SOC dynamics but also verification (or falsification)
of those new findings in regions that are underrepresented in
field studies and models.

For example, Rasmussen et al. (2018) found that

exchangeable Ca was correlated with the quantity of SOC
in water-limited soils, while Al

ox

was a better predictor of

SOC in wet, acidic soils. However, those findings may not be
directly transferable to subtropical and tropical soils, since
they differ greatly in climate, parent material and vegetation
(Six et al., 2002b), which usually results in more weathered
and older soils compared to those in temperate regions
(Feller and Beare, 1997). This was illustrated recently in
Quesada et al. (2020), where SOC variation in highly
weathered forest soils from across the Amazon Basin was
best explained by clay content, whereas the best explanatory
variables for less-weathered soils were Al species, pH and
litter quality. Feller and Beare (1997) also found that tropical
soils, dominated by low-activity clays (i.e., 1

:

1 clays), show

a strong relationship between SOC and clay and silt content.
In addition, Barthès et al. (2008) found that sesquioxides
(Al and Fe) play an important role in SOC stabilization for
various tropical soils. However, the relationship for high-
activity clays (i.e., 2

:

1 clays) is less clear, and contrasting

trends between SOC and clay and silt content have been
reported (Feller and Beare, 1997; Six et al., 2002a). In terms
of SOC distribution across sub-Saharan Africa, Vågen et
al. (2016) showed, by using a data set similar to the one in
this paper, that SOC content was highest in equatorial and
warm temperate climates where sand content, the sum of
base concentrations and pH values were low. With regard to
land cover, it has been shown for several sites across Africa
that forests usually contained the highest amount of SOC,
whereas the differences between cropland, grassland and
shrubland were less distinct (Abegaz et al., 2016; Olorunfemi
et al., 2020; Winowiecki et al., 2016a). Cropland cultivation
decreased carbon content by 50 % compared to forested
and semi-natural plots for sites in Tanzania, regardless of
sand content and topographic position (Winowiecki et al.,
2016b). Additionally, land degradation (i.e., erosion) resulted
in decreased SOC concentrations in those ecosystems,
independent of vegetation cover (Winowiecki et al., 2016a).

To address these diverging explanations of SOC variations

at regional scales, we analyzed a comprehensive soil
data set collected across the African continent using the
Land Degradation Surveillance Framework (Vågen et al.,
2010). This data set covers a wide range of climatic and
mineralogical conditions – from very arid to humid regions,
with different pH

H

2

O

values, soil texture, weathering status,

exchangeable cations and extractable metals – allowing us
to test different parameters to explain the variation in SOC
content in subtropical and tropical soils across sub-Saharan
Africa for two distinctive depth layers (0–20 cm – topsoil;
20–50 cm – subsoil). Here, we use this continental-scale data
set to address the following research questions:

1. Which soil properties and climate parameters best

explain SOC content variation across sub-Saharan
Africa?

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 3

Figures and page graphics, page 3

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

307

We

explored

the

importance

of

soil

texture,

exchangeable Ca, oxalate-extractable Al and Fe,
soil pH

H

2

O

, mean annual temperature, aridity index

(PET

/

MAP), land cover and weathering status to

explain the variation in SOC content on a continental
scale. We expect that oxalate-extractable metals, soil
texture and climate will be among the most important
predictors of SOC concentration.

2. How do geochemical controls on SOC vary between

environmentally distinct subregions?

Due to the heterogeneity of climate and soil conditions
across sub-Saharan Africa, we expect to see different
geochemical controls explaining variations in SOC
content between regions. For example, we expect
exchangeable Ca will be most important in regions that
are drier, with less weathered and alkaline soils, while
oxalate-extractable Al and Fe will mainly be important
in humid regions with highly weathered and acidic soils.

2

Methods

2.1

Study area and data collection

Soil data used in this study were collected during the
AfSIS (Africa Soil Information Service) project. In total,
18 257 soil samples were taken from 60 sentinel sites
and from two different depths (0–20 cm – topsoil; 20–
50 cm – subsoil). Samples stem from 19 countries across
sub-Saharan Africa and were collected between 2009 and
2012, following the well-established Land Degradation
Surveillance Framework (Vågen et al., 2010). The 60
sentinel sites (each 100 km

2

) were stratified across sub-

Saharan Africa according to Koeppen–Geiger zones (Vågen
et al., 2016). Within each sentinel there were 10 plots of
1000 m

2

randomized within 16 spatially stratified 1 km

2

clusters (Fig. 1). This hierarchical sampling design allows
process identification at a continental scale without losing
the ability to understand and quantify local heterogeneity
(Nave et al., 2021; Vågen et al., 2010). For more details about
sampling design and field survey, see Towett et al. (2015),
Vågen et al. (2013a) and Winowiecki et al. (2016a).

Our analyses built upon a subset of samples (11 %

of the total;

n

=

2002) which were originally selected

as reference samples for laboratory measurements. These
samples were used to calibrate mid-infrared spectroscopy
models (Terhoeven-Urselmans et al., 2010) and to predict
properties in the remaining 16 255 soil samples (Vågen et
al., 2016; Winowiecki et al., 2017). The calibration subset
was chosen to maximize the variation in the spectral data
using the Kennard–Stone algorithm (Kennard and Stone,
1969). More information about this approach can be found
in Terhoeven-Urselmans et al. (2010). This selection strategy
results in unequally distributed samples across 51 of the

Figure 1.

(a)

Aridity index map and sampling scheme (

n

total

=

1601). Gray triangles represent individual sentinel sites where
sample clusters were collected. The top-right inset

(b)

shows

the exact sampling points within one of the sentinel sites (Didy,
Madagascar) as an example.

60 sentinel sites yet captures the variation in the original data
set.

2.2

Sample and data processing

Soil material was air-dried and sieved to a particle size

<

2 mm in the Soil–Plant Spectroscopy Laboratory at the

World Agroforestry Centre (ICRAF) in Nairobi, Kenya.
All soil properties (except for soil texture, which was
measured at ICRAF) were analyzed at Rothamsted Research
in Harpenden, UK.

Data for soil organic carbon (SOC; weight percentage

– wt %), pH

H

2

O

, amorphous oxalate-extractable aluminum

(Al

ox

; wt %) and iron (Fe

ox

; wt %, exchangeable calcium

(Ca

ex

; centimoles per kilogram), clay

+

fine silt content

(

<

8 µm; percent), and total element concentrations (in wt %)

of Al, Ca, K, and Na, were selected in order to cover a wide
range of soil properties that have been identified to relate
to SOC stabilization mechanisms (Oades, 1988; Rasmussen
et al., 2018), while maximizing the number of samples and
minimizing the correlation among variables included in our
analysis.

SOC was calculated from the difference of total C

and inorganic C. The latter was directly measured with a
Primacs AIC100 analyzer (Skalar Analytical B.V., Breda, the
Netherlands) by treating the sample with phosphoric acid
and heating it to 135

◦

C in a closed system. Inorganic C

in the sample was converted to CO

2

and then measured

by nondispersive infrared detection (NDIR). Total C was
determined with the TruMac total N and C combustion
analyzer (LECO Corporation, St. Joseph, Michigan, USA).
Soil pH

H

2

O

was performed in a 1

:

2

.

5 soil : water suspension.

The extraction of Al and Fe with oxalic acid and ammonium
oxalate solution was done by shaking the solution for 4 h at

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 4

Figures and page graphics, page 4

308

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

25

◦

C in the dark. Carbonate-rich samples were pretreated

with ammonium acetate at pH 5.5 to remove any CaCO

3

.

Acid-oxalate extraction in particular dissolves short-range-
order minerals such as ferrihydrite (Fe), allophane and
imogolite (Al), as well as other amorphous and organic Fe
and Al minerals (Parfitt and Childs, 1988). Hexamine-cobalt
trichloride solution was used as an extractant to determine
Ca

ex

. Aqua regia acid digestion was applied for major and

trace elements, including Al, Ca, K and Na. Although this
method does not give absolute total contents, it does give
results sufficiently close to accepted values for different soils
(McGrath and Cunliffe, 1985). Samples were digested in
tubes in time- and temperature-controlled heating blocks. All
elements were measured with inductively coupled plasma
optical emission spectrometry (ICP-OES; Optima 7300 DV,
PerkinElmer Inc., Waltham, Massachusetts, USA). Particle
size distribution was measured using a laser diffraction
particle size analyzer (LDPSA) model LA-950 (HORIBA,
Ltd., Kyoto, Japan). Each sample was shaken for 4 min in
a 1 % sodium hexametaphosphate (calgon) solution with
ultrasonic energy before measuring to disperse aggregates.
We used 8 µm as cut-off to capture all clay

+

fine silt

particles. Results were comparable to

<

20 µm (see Appendix

Fig. A1), but

<

8 µm was selected because it is more relevant

to our interest in studying the influence of smaller particles
with large surface area on SOC concentration. In addition,
particles

<

8 µm resulted in a reproducible fraction across

soil types, unlike using only clay particles

<

2 µm (Fig. A1).

Aluminum, Ca, K and Na concentrations were used to
calculate the chemical index of alteration (CIA) after Nesbit
and Young (1982), using the following equation:

CIA

=

Al

2

O

3

/

(Al

2

O

3

+

CaO

+

K

2

O

+

Na

2

O)

×

100

,

(2)

where CaO is the amount incorporated in the silicate fraction.
Correction is necessary for samples that contain carbonates
and apatite (Nesbit and Young, 1982). We adopted an
approach introduced by McLennan (1993), which assumes
that Ca is typically lost more rapidly than Na during
weathering. If a soil sample contained inorganic C (C

total

–

C

org

; used as a proxy for carbonates and apatite) and the

CaO content was greater than that of Na

2

O in the same

sample (

n

=

476), then the CaO concentration was set to

that of Na

2

O from the same sample (Malick and Ishiga,

2016). After applying the correction, no obvious correlation
remained between CIA and inorganic C (Fig. A3). The index
increases (i.e., more highly weathered soil) with the loss of
Ca

2

+

, K

+

and Na

+

.

Samples were removed that contained missing or negative

values for one or more of the abovementioned parameters.
In addition, a single sample with extraordinarily high SOC
content (

>

22 wt %) was excluded. This resulted in a total

of 1601 soil samples (out of the original 2002 samples) at
45 sentinel sites across 17 countries. Note that due to the
sample selection, not all profiles had data from both topsoil
and subsoil layers (Table B1).

The remaining soil samples (

n

=

1601) were paired

(based on longitude and latitude at the profile level) with
mean annual temperature (MAT; degrees Celsius) and mean
annual precipitation (MAP; millimeters) from the WorldClim
data set at 30 arcsec resolution (Fick and Hijmans, 2017).
Potential annual evapotranspiration (PET; millimeters) was
added from Trabucco and Zomer (2019), who calculated it
after the Penman–Monteith method, based on the WorldClim
data. Mean annual precipitation and PET were used to
calculate an annual aridity index, defined as PET

/

MAP

(Budyko, 1974). Values

>

1 indicate water-limited (dry)

regions and ratios

<

1 point to energy-limited (wet) regions.

For the monthly aridity index, we used monthly climate data
at the same spatial resolution and from the same data sources.

Land cover data was used from the collected field

data. The land cover groups were reclassified into the
following four major groups: (a) cropland (including all
cultivated plots), (b) forest, (c) grassland and (d) other
(including mainly woodland, shrubland and bushland but
also samples classified as other). A total of 10 missing
values were gap-filled from a prototype high-resolution
Africa land cover map at 20 m resolution based on
1 year of Sentinel-2A observations from December 2015
to December 2016 (http://2016africalandcover20m.esrin.esa.
int/, 
last access: 9 June 2020).

Due to the lack of precise data products for lithology

and soil types in sub-Saharan Africa, we did not include
these variables in our analyses. Soils at AfSIS sites
(Fig. 1) developed mainly from two parent material types,
(i) metamorphic and (ii) volcanic rocks (Hartmann and
Moosdorf, 2012; Jones et al., 2013; Schlüter, 2008), likely
modified throughout the Quaternary. (i) Metamorphic rocks
are most commonly found in West Africa, southern Africa
and Madagascar. These regions are characterized by old
cratons, except for Madagascar, which is influenced by
Mesozoic volcanism (Schlüter, 2008). Most of these soils are
classified as Ferralsols (World Reference Base, WRB, soil
classification system; Jones et al., 2013). Related AfSIS soils
from those regions are usually highly weathered with low
pH

H

2

O

values. In contrast, soils derived from (ii) volcanic

rocks are mainly found in the East African Rift System. They
are usually younger and less weathered (Buringh, 1970).
Beyond the influence of volcanic rocks, Ca

2

+

rich soils are

frequent in East Africa.

2.3

Statistical analyses

We used three different statistical approaches, including
linear mixed-effects models, regression trees and random
forests, to determine geochemical and climatic parameters
that best explain SOC variation across sub-Saharan Africa.
In brief, we used linear mixed-effects models to handle
the hierarchal sampling design of the AfSIS data set,
whereas regression trees and random forests enabled us to
account for nonlinearities within the data. More precisely,

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 5

Figures and page graphics, page 5

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

309

we used regression trees as a qualitative tool to explore and
understand the structure of the data, whereas random forests
offered more generalizable models. All statistical analyses
were performed within the R computing environment
(version 4.0.0; R Core Team, 2020). The R Markdown file
in the Supplement provides the code to reproduce all our
analyses.

Linear mixed-effects modeling was performed using the

nlme R package (Pinheiro et al., 2020) to account for
the nested sampling scheme (clusters within sites and
two sampling depths within one profile). This allows the
intercept of the regression to vary for each site, for each
cluster within the same site and for each sample within
the same profile (Harrison et al., 2018). The variance
inflation factor was used to check for multi-collinearity
among predictor variables with a threshold of

<

3

.

0 (Zuur et

al., 2010). To meet linear mixed-effects model assumptions
and to standardize variation among variables, all continuous
parameters were transformed to a normal distribution using
Box–Cox transformation, followed by standardization to a
mean of 0 and standard deviation of 1 by using the R
package bestNormalize (Peterson and Cavanaugh, 2019).
The relationship between SOC and the predictors of the
original data may not be linear.

To answer our first research question, i.e., which

soil properties and climate parameters best explain SOC
content, we started from a constant null model with
siteID/clusterID/plotID as random effects and then extended
the model in a step-wise manner by fitting the following
sequence of fixed effects: MAT, PET

/

MAP, depth, land

cover, clay

+

fine silt, pH

H

2

O

, CIA, M

ox

(Al

ox

+

1

/

2 Fe

ox

),

Ca

ex

, and pH

H

2

O

×

M

ox

. The order and selection of fixed

effects was predefined based on a priori knowledge from
a larger set of variables (Burnham and Anderson, 2002),
starting with large-scale climate variables and ending with
fine-scale physiochemical soil properties. The oxalate-
extractable metals Al

ox

and Fe

ox

were summed to M

ox

(Al

ox

+

1

/

2 Fe

ox

) to normalize the atomic mass difference

between Al and Fe (Wagai et al., 2020) and to account
for their similar behavior over their concentration range
(Fig. 5b). The maximum likelihood method and likelihood
ratio tests (L. ratio) were applied to evaluate model
performance and the statistical significance of the added
fixed effects (Tables B4–B9). The variation explained by
each fixed effect was obtained by calculating the marginal

R

2

(excluding the variation explained by the random effects

siteID/clusterID/plotID) for each model and subtracting
the

R

2

from the previous fitted model using the function

r.squaredGLMM from the MuMIn R package (Barton, 2020;
Nakagawa and Schielzeth, 2013). To identify how much
SOC variation is explained by climate and geochemistry
only (Legendre and Legendre, 2012), we built one model
with climate parameters (MAT and PET

/

MAP) only and

one model with geochemistry variables (clay

+

fine silt,

pH

H

2

O

, CIA, M

ox

, Ca

ex

and pH

H

2

O

×

M

ox

) only. In addition,

we analyzed the two sampling depths (0–20 and 30–
50 cm) separately to determine whether the same factors are
important for topsoil versus the deeper soil layer (Table 1).
For this model, we did not include plotID as a random effect
since each profile only contained one sample in each depth
model.

For the second research question, i.e., how geochemical

controls on SOC content vary between environmentally
distinct subregions, we grouped the data based on (a) pH

H

2

O

,

(b) wetness, (c) weathering and (d) land cover (Table 1).
Soil pH

H

2

O

and weathering data were grouped with the

number of categories chosen to maximize and equalize the
number of samples in each category and to correspond with
common pH

H

2

O

and weathering groups (Nesbit and Young,

1982). In order to take seasonality of the sites into account
separately, the data were divided into three categories based
on the number of wet months (i.e., months with P

/

PET

>

1).

Land cover was grouped based on the four predefined
categories. For each category within each subgroup, we
built a linear mixed-effects model, as previously described,
yet only included the geochemical properties (clay

+

fine

silt, pH

H

2

O

, CIA, M

ox

, Ca

ex

and pH

H

2

O

×

M

ox

) as fixed

effects, since we intended to test if the importance of
these predictors changed between environmentally distinct
subregions (Table 1). When CIA or pH

H

2

O

were used to

create the categories, they were not included as a fixed effect
in the corresponding submodels.

Regression tree (R packages rpart and rpart.plot;

Milborrow, 2019; Therneau and Atkinson, 2019) and random
forest analyses (R package ranger; Wright and Ziegler, 2017)
were conducted to identify nonlinear relationships between
SOC and any explanatory variable. This also enabled the
identification of pedogenic thresholds within the data. Each
analysis was conducted with the same explanatory variables
as for the linear mixed-effects models. However, no data
transformation was needed due to the nonlinearity of the
models.

Regression tree analysis was applied to obtain an easily

interpretable and nonlinear model for the entire data set and
for both depth layers (topsoil vs. subsoil) that best describes
the existing data (Breiman et al., 1984). Since regression
trees are known to easily overfit data, we used a grid search to
prune the model (Boehmke and Greenwell, 2020), according
to the minimum number of data points required to attempt
a split and the maximum number of internal nodes between
the root node and terminal nodes, in order to minimize the
cross-validation error (Breiman et al., 1984). The overall
performance of the regression tree analysis was tested using
a five-fold spatial cross-validation (R package mlr; Bischl et
al., 2016). Spatial partitioning was used to split the data into
five disjoint subsets, using the coordinates from each sample
and repeating the partitioning 100 times (Fig. A4). This
results in a bias-reduced assessment of model performance
(Brenning, 2012; Lovelace et al., 2019). Absolute values at
the bottom of each node indicate the predicted SOC content

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 6

Figures and page graphics, page 6

310

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Table 1.

Grouping variables, subgroups, number of samples and fixed effects used for the linear mixed-effects models.

Groups

Categories

n

Fixed effects

All samples

None

1601

All
Climate
Geochemistry

Depth

Topsoil (0–20 cm)

791

Geochemistry

Subsoil (30–50 cm)

810

pH

H

2

O

Strongly acidic (3.9–5.2 pH

H

2

O

)

404

Geochemistry

Moderately acidic (5.2–6.1 pH

H

2

O

)

399

Neutral (6.1–7.5 pH

H

2

O

)

398

Alkaline (7.5–9.9 pH

H

2

O

)

400

Wetness (No. of

0 wet months

572

Geochemistry

wet months

1–3 wet months

367

(P

/

PET

>

1))

4–7 wet months

662

Weathering (CIA)

Moderate (10 %–88 % CIA)

801

Geochemistry

High (88 %–100 % CIA)

800

Land cover

Cropland

429

Geochemistry

Forest

228

Grassland

242

Other

702

P – monthly precipitation (millimeters); PET – monthly potential evapotranspiration (millimeters);
CIA – chemical index of alteration (percent); fixed effects – all (i.e., mean annual precipitation (MAT), aridity
index (PET

/

MAP), depth, land cover, clay

+

fine silt, pH

H2O

, CIA, oxalate-extractable metals (M

ox

),

exchangeable Ca (Ca

ex

) and pH

H2O

×

M

ox

); climate (MAT, PET

/

MAP); and geochemistry (i.e., clay

+

fine

silt, pH

H2O

, CIA, M

ox

, Ca

ex

and pH

H2O

×

M

ox

).

(wt %) and the percentage corresponds to the relative number
of samples in this node (Fig. A6).

Random forest was used to build more generalized models

since it is an ensemble of multiple decorrelated trees.
Tuning of the model hyperparameters was done based
on spatial tuning (R package mlr; Bischl et al., 2016;
Lovelace et al., 2019). These hyperparameters included
the number of predictors used at each split, the minimum
number of observations in a terminal node and the fraction
of samples used in each tree (Probst et al., 2019). The
best hyperparameter combination search was done for the
complete data set via a five-fold spatial cross-validation with
one repetition. In each of these five spatial partitions, we ran
50 models to find the optimal hyperparameter combination
(Lovelace et al., 2019).

Partial dependence plots were used to further explore the

relationship between the predicted SOC content and the
explanatory variables of the tuned random forest models
(R package pdp; Greenwell, 2017). These plots were used
to investigate the marginal effect of individual explanatory
variables (such as Al

ox

, Ca

ex

, etc.) on the predicted SOC

content (Friedman, 2001). This allowed us to identify
thresholds within the data and provided an indication of how
important each explanatory variable was for the prediction of
SOC concentration across specific value ranges.

3

Results

3.1

Data distribution across sub-Saharan Africa

All soil and climate variables spanned at least 1 order
of magnitude (except MAT and PET), demonstrating the
diversity of this continent-wide data set. Based on skewness,
kurtosis, histograms and Shapiro–Wilk tests (data not shown
for the latter two), no variable was normally distributed
(Table 2).

In total, 429 samples were classified as cropland, 228

as forest, 242 as grassland and 702 as other land covers,
including mainly shrubland, bushland and woodland.
The SOC content decreased among those groups in the
following sequence: forest (2.69

±

1.15 wt %)

>

cropland

(2.21

±

1.68 wt %)

>

grassland

(1.77

±

1.55 wt %)

>

other

(1.35

±

1.28 wt %; Fig. 2a). Clay

+

fine silt content and

SOC showed a positive relationship across the entire data set
yet with a large spread (Fig. 2b). However, individual sites
showed contrasting correlations between SOC and clay

+

fine silt content, including none, positive and negative values
(Figs. 2c; see A5 for all individual sites).

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 7

Figures and page graphics, page 7

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

311

Table 2.

Summary statistics of all numerical soil and climate variables for the entire data set (

n

total

=

1601;

n

Topsoil

=

791;

n

Subsoil

=

810).

Variable

Mean

SD

P0

P25

P50

P75

P100

Skewness

Kurtosis

SOC (wt %)

1.84

1.51

0.07

0.65

1.42

2.54

9.19

1.42

2.23

MAT (

◦

C)

21.7

3.2

13.7

19.8

21.5

23.0

29.8

0.17

−

0.12

MAP (mm)

1070

487

255

648

1057

1432

2708

0.29

−

0.63

PET (mm)

1810

310

1350

1571

1759

1933

2949

1.19

1.96

PET

/

MAP

2.35

1.73

0.71

1.2

1.54

3.16

9.54

1.46

1.31

Clay

+

fine silt (%)

55.4

22.6

0.1

37.7

57.9

74.7

100.0

−

0.26

−

1.00

Al

ox

(wt %)

0.28

0.36

0.01

0.12

0.20

0.29

3.71

4.52

25.29

Fe

ox

(wt %)

0.38

0.56

0.01

0.10

0.21

0.40

4.46

3.60

14.96

Ca

ex

(cmol

+

kg

−

1

)

10.29

11.01

0.03

1.34

5.86

16.49

75.66

1.28

1.32

pH

H

2

O

6.3

1.3

3.9

5.2

6.1

7.5

9.9

0.27

−

1.11

CIA (%)

87.7

9.3

10.3

81.7

88.1

96.0

99.9

−

1.04

3.88

SD – standard deviation; P – percentile; SOC – soil organic carbon; MAT – mean annual temperature; MAP – mean annual precipitation;
PET – potential evapotranspiration; Al

ox

– oxalate-extractable Al; Fe

ox

– oxalate-extractable Fe; Ca

ex

– exchangeable Ca; CIA – chemical

index of alteration.

Figure 2.

(a)

Soil organic carbon (SOC) content (wt %) for the

different land covers, i.e., cropland, forest, grassland and other
(bushland, shrubland and woodland) by depth (0–20 cm – topsoil;
20–50 cm – subsoil).

(b)

SOC (wt %) and clay

+

fine silt content

(

<

8 µm) (percent) by depth.

(c)

SOC (wt %) and clay

+

fine

silt content (

<

8 µm) (percent) by depth for three example sites

that show contrasting trends. The gray area around fitted linear
regressions (

y

–

x

; for illustration only) in

(b)

and

(c)

shows the 95 %

confidence interval. For the relationship between SOC (wt %) and
clay

+

fine silt content (

<

8 µm) (percent) for all individual sites

(see Fig. A5).

3.2

Predictors of soil organic carbon

Linear mixed-effects modeling

The full linear-mixed effects model for the entire data set
had a marginal

R

2

of 0.72. The two climate parameters

(MAT and PET

/

MAP), depth, M

ox

and Ca

ex

were the

most important predictors of SOC content, based on their
marginal

R

2

. Land cover, clay

+

fine silt, pH

H

2

O

, CIA

and pH

H

2

O

×

M

ox

contributed either little or nothing to the

overall explanatory power of the model. Clay

+

fine silt

content, M

ox

and Ca

ex

were positively correlated with SOC,

whereas all other fixed effects showed negative relationships
with SOC concentration. The negative coefficient for depth
indicates that the SOC content in the subsoil layers is,
on average, lower as compared with the topsoil samples
(Fig. 3a).

The marginal

R

2

for the geochemistry model was 0.46,

which is almost the same as for the climate model
(

R

2

=

0

.

48). For the geochemistry model, the contribution of

M

ox

and Ca

ex

to explain SOC content was much higher than

in the full model (Fig. 3a). Based on variation partitioning,
27 % of the explained variation is shared between the
geochemistry model and the climate model, whereas the
variation explained by the geochemical or climate variables
alone is 19 % and 21 %, respectively (Fig. 3b).

Differences between the predictors were negligible for

the two depth models (topsoil vs. subsoil). However, the
explained variation by clay

+

fine silt was larger in the

subsoil layers compared with the topsoil layers. For Ca

ex

,

the opposite was true (Fig. 4a).

Within the pH

H

2

O

submodels, M

ox

was most important in

the strongly acidic model. The opposite was observed for
Ca

ex

(Fig. 4b), which corresponds to higher concentrations of

Ca

ex

in neutral and alkaline soils compared with moderately

and strongly acidic soils. However, Ca

ex

was also found to

have a positive relationship with SOC in acidic soils (Fig. 5;
Table B2). The direction of the correlation between clay

+

fine silt and SOC concentration was not consistent across
the four pH groups, in contrast to the other fixed effects
(Table B2). The alkaline submodel had the lowest marginal

R

2

of all pH

H

2

O

submodels, which suggests that important

predictors were missing (Fig. 4b).

Grouping by the number of wet months (wetness) showed

that M

ox

explained most of the variation in wet regions,

whereas Ca

ex

was most important in drier regions (Fig. 4c).

This corresponds to the overall distribution of M

ox

and

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 8

Figures and page graphics, page 8

312

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Table 3.

Marginal

R

2

for each predictor based on sequential fitting of the linear mixed-effects models of all samples (

n

Total

=

1601) for the

full, geochemistry-only and climate-only models. The sign in parentheses refers to the correlation between the predictors and soil organic
carbon. Bold values have a

p

value

<

0.05 based on likelihood ratio tests.

Figure 3.

Venn diagram illustrating the independent and shared

variation explained by the geochemistry-only and the climate-only
linear mixed-effects models.

Ca

ex

across MAP and pH

H

2

O

(Fig. 5b). The chemical index

of alteration (CIA) explained most of the variation in the
intermediate wet regions (Fig. 4c).

The high weathering model was dominated by M

ox

,

whereas the importance of M

ox

and Ca

ex

in the moderate

weathering model was similar. The other fixed effects did not
explain much of the variation in the two weathering models
(Fig. 4d).

Within the land cover models, the cropland and grassland

models had the highest marginal

R

2

and were both

dominated by M

ox

. The variation explained by Ca

ex

was

smallest for the forest model, whereas it did not change much
for the other three models (Fig. 4e).

In summary, in the linear mixed-effects models, M

ox

was

more important in wetter regions and acidic and highly
weathered soils, whereas Ca

ex

was more important in drier

regions and alkaline and less weathered soils. The other fixed
effects usually did not explain much of the SOC variation.

3.3

Regression tree and random forest

The root mean squared error (RMSE) for the topsoil
regression tree was 1.47 wt % (range

=

0.80 wt %–3.11 wt %)

and for the subsoil regression tree was 0.67 wt % (range

=

0.44 wt %–2.26 wt %); the relative RMSEs were 0.65 %
and 0.48 %, respectively. In the topsoil regression tree
(Fig. A6a) Fe

ox

, MAT and PET

/

MAP were the most

important predictors to split and explain the variation in
SOC concentration. About 23 % of the SOC data could be
explained by Fe

ox

and MAT alone. In general, higher Fe

ox

,

Al

ox

and Ca

ex

values resulted in higher SOC content. This

was equally true for the subsoil tree (Fig. A6b). While much
of the SOC variation was explained by climate parameters in
topsoils, the subsoil regression tree was more dominated by
geochemical variables, namely Fe

ox

and Al

ox

. About 40 % of

the subsoil SOC variation could be explained by Fe

ox

only.

In both trees, clay

+

fine silt content and land cover poorly

predicted SOC.

In summary, topsoil and subsoil regression trees contained

the same predictors, but climate variables played a larger role
in the topsoil regression tree, and geochemistry had a larger
influence in the subsoil regression tree. Overall, the results
showed that the explanatory variables did not differ much
between the depth intervals (topsoil vs. subsoil), while their
magnitude did.

The random forest models had a RMSE of 1.31 wt %

and a

R

2

of 0.70 for the topsoil samples, and for the

subsoil samples, they had a RMSE of 0.87 wt % and a

R

2

of 0.72. Based on the partial dependence plots (Fig. 6),
Al

ox

and Ca

ex

were important in predicting SOC over the

entire range of each variable (Fig. 6a and b). However,
in subsoils, the predictive power of Ca

ex

was reduced

(Fig. 6b). We observed a decrease in the predicted SOC with
increasing soil weathering status (CIA). However, due to the
low number of samples with CIA values below 60 %, the
relationship should be interpreted with caution in this range
(Fig. 6c). Clay

+

fine silt content had almost no effect on

SOC, with only a weak positive trend in subsoil samples
(Fig. 6d). The relationship between Fe

ox

concentration and

predicted SOC content varied with Fe

ox

concentration. At

low concentrations (

<

0

.

25 wt %), there was a strong positive

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 9

Figures and page graphics, page 9

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

313

Figure 4.

Explained variation (based on marginal

R

2

) for each fixed effect, based on sequential fitting of the linear mixed-effects models

grouped by

(a)

depth (0–20 cm – topsoil; 20–50 cm – subsoil),

(b)

pH classes (3.9–5.2 pH – strongly acidic; 5.2–6.1 – moderately acidic;

6.1–7.5 – neutral; 7.5–9.9 – alkaline),

(c)

wetness (no. of wet months; P

/

PET

>

0; 0, 1–3, 4–7),

(d)

weathering (CIA – chemical index of

alteration; 10 %–88 % CIA – moderate; 88 %–100 % – high) and

(d)

land cover.

Figure 5.

(a)

Soil organic carbon (SOC) (wt %) and exchangeable Ca (Ca

ex

; centimoles per kilogram) content colored by pH classes (3.9–

5.2 pH – strongly acidic; 5.2–6.1 – moderately acidic; 6.1–7.5 – neutral; 7.5–9.9 – alkaline) with binned averages (bold squares;

n

=

20).

Note that the

x

axis is truncated for improved visualization, which removes three data points (Ca

ex

=

53

.

91, 54.58 and 75.66 cmol

+

kg

−

1

).

(b)

Al

ox

, Fe

ox

(grams per kilogram; which were combined to M

ox

, i.e., Al

ox

+

1

/

2 Fe

ox

, for the linear mixed effects models) and Ca

ex

(centimoles per kilogram) averaged content (

n

=

20) across pH

H

2

O

and mean annual precipitation (MAP; millimeters).

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 10

Figures and page graphics, page 10

314

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Figure 6.

Partial dependence plot for each explanatory variable of the random forest models (topsoil and subsoil). The

x

axes always

correspond to the range of the explanatory variable. Arrows indicate splitting points in the regression tree (Fig. A6). Each colored tick mark
along the

x

axes represents one sample.

relationship between predicted SOC content and Fe

ox

.

For higher concentrations, the predicted SOC content was
relatively constant (Fig. 6e). MAT correlated negatively over
the entire range with predicted SOC concentration (Fig. 6f).
For PET

/

MAP, the predicted SOC content declined sharply

as PET

/

MAP increased from 1 to 2 (transition from wet to

dry water regimes; Fig. 6g). The relationship between pH

H

2

O

and predicted SOC content was not strong (Fig. 6h). For land
cover, there was almost no difference between the classes
within the same depth layer; however, topsoils had higher
SOC content (2.2 wt %) compared with the subsoil samples
across all land covers (1.5 wt %; Fig. 6i).

4

Discussion

Climate and geochemical variables are similarly important
for explaining SOC variations across sub-Saharan Africa
(Fig. 3), which is in line with findings from a global study
(Luo et al., 2021). However, the explanatory power of climate
and geochemical variables are not independent of each other,
reflecting the overall strong interaction between climate and
geochemistry (Doetterl et al., 2015). Since it is likely that, in
the long term, climate variables have predominantly indirect
effects on SOC dynamics through their influence on soil
geochemistry, we focus our discussion on those geochemical
variables (Ca

ex

, Al

ox

and Fe

ox

) that showed the highest

explanatory power with respect to SOC content across all
models. In addition, we discuss the role of depth, clay

+

fine

silt content and land cover in explaining SOC variations on
a continental scale, since other studies have identified their
important role in SOC dynamics.

4.1

Exchangeable calcium

Strong and positive relationships emerged between Ca

ex

and SOC concentration across all models, even though
Ca

ex

concentration showed strong pH

H

2

O

and precipitation

dependence (Fig. 5). Typical Ca

2

+

sources in soils are

from (a) weathering of bedrock or surface rock formations,
(b) decomposition of Ca

2

+

-rich organic materials, (c) lateral

movement of Ca

2

+

-rich water, (d) atmospheric dust and rain

deposition or (e) anthropogenic inputs (Likens et al., 1998;
Rowley et al., 2018). Characteristically, Ca

2

+

is weathered

easily from both primary and secondary minerals (Likens
et al., 1998). This usually leads to its accumulation in
semi-arid to arid environments that are characterized by
low rates of water flow through the soil profile that drives
slow weathering rates and high pH

H

2

O

values (Fig. 4b–d).

In such environments, Ca

2

+

plays an important role as a

cation bridge that facilitates aggregate formation (Rimmer
and Greenland, 1976; Tisdall and Oades, 1982) and bonding
of clay minerals to organic matter functional groups because
of their divalent charge, relative abundance and modest

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 11

Figures and page graphics, page 11

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

315

hydration radius (Likens et al., 1998; Muneer and Oades,
1989). However, we found that Ca

ex

was not only important

in alkaline and less-weathered soils in dry regions but also
in acidic and more-weathered soils under wetter conditions
(Fig. 5). It is likely that the main Ca

2

+

source in those

regions derives from atmospheric deposition (Albani et
al., 2015; Goudie and Middleton, 2001) and/or biological
cycling by plants (Likens et al., 1998). This is supported
by the fact that Ca

ex

showed a stronger relationship with

SOC in topsoil than subsoil layers (Figs. 4a and 6b). Since
land cover, which is a major driver of C inputs into the
soil, did not show a strong relationship with SOC in the
models, we speculate that biological cycling of Ca

2

+

does

not play a major role in explaining the observed differences
in SOC content. Yet, further analysis with better proxies
for biological Ca

2

+

inputs is needed to test this hypothesis.

High Ca

2

+

concentrations in acidic soils can also be derived

from the development of those soils from Ca

2

+

-rich parent

material which are out of equilibrium with modern climate
conditions (Slessarev et al., 2016).

In conclusion, the important role of Ca

ex

in our data set

was most pronounced in dry regions dominated by alkaline
and less weathered soils. However, it also played a role in
explaining the SOC variation in wetter regions and more
acidic soils, which supports the overall importance of Ca

ex

in stabilizing SOC.

4.2

Oxalate extractable Al and Fe

Similar to Ca

ex

, short-range-order minerals (M

ox

, Al

ox

and

Fe

ox

) showed a positive and strong correlation with SOC

content across all models. The relationship was strongest
in wet regimes with acidic and highly weathered soils
(Figs. 4b–d and 5b). Hydrous oxides of Al and Fe are usually
highly reactive because of their large specific areas with a
high proportion of reactive sites (Parfitt and Childs, 1988).
This results in the adsorption of organic matter to Fe and Al
oxides and the formation of stable soil aggregates (Tisdall
and Oades, 1982). In humid regions, high rates of mineral
weathering may release Fe, Al and Si faster than crystalline
minerals can precipitate (Rasmussen et al., 2018). Therefore,
Fe

ox

and Al

ox

are usually found to be important in SOC

stabilization in humid and acidic soils (Eusterhues et al.,
2003; Kramer and Chadwick, 2018).

In our study, short-range-order minerals were also

identified to play an important role for SOC stabilization in
soils of sub-Saharan Africa. However, even though Al

ox

and

Fe

ox

showed similar trends in their concentrations (Fig. 5b),

we observed diverging behavior in their predictive power
of SOC in the regression trees (Fig. A6) and the random
forests (Fig. 6a and e). For example, Fe

ox

was one of the

most important explanatory variables in the regression tree
and partial dependence plots, although only within a very
narrow range and at low Fe

ox

concentrations (Fig. 6e),

whereas Al

ox

was important over the entire range (Fig. 6a).

Inagaki et al. (2020) showed that higher amounts of soil
organic matter were co-localized with Fe in drier regions
compared to sites with higher rainfall, whereas the content
of Al

ox

co-localized with organic matter was not affected by

precipitation changes. This may be linked to the different
oxidation levels of Fe. At higher precipitation levels, Fe
oxides can be reduced, resulting in a release of associated
SOC to the aqueous phase (Berhe et al., 2012; Chen et al.,
2020; Thompson et al., 2011). This mechanism is probably
responsible for the low correlation between SOC and high
Fe

ox

concentrations in our data (Fig. 6e), pointing to the fact

that Fe

ox

can act as pedogenic threshold, depending on its

oxidation level in the soil system.

In summary, short-range-order minerals also play an

important role in SOC stabilization across sub-Saharan
Africa, similar to other regions. However, Al

ox

and Fe

ox

do

behave differently in explaining SOC content, even though
they showed covariance in terms of their concentrations.
Since we only have data for acid-oxalate extraction, we
cannot speculate further about their diverging behavior in the
models.

4.3

Depth

For the depth models, predictor differences were small
between topsoil (0–20 cm) and subsoil (20–50 cm) samples
(Figs. 4a and 6). This may reflect the large depth increments
for each of the two sampling depths, which may also
explain the overall small explanatory power of depth in the
linear-mixed effects model (Fig. 3a). Since the identified
SOC-controlling factors were similar for both depth layers
(Fig. 4a), differences in SOC content were likely driven by
the fact that subsoil samples usually contain less SOC due to
lower C inputs at greater depth (Jobbágy and Jackson, 2000).
Soil erosion at some sites (data not shown) might also dilute
differences between the two depth layers, since water and
wind can permanently remove surface soil.

4.4

Clay

+

fine silt content

Clay

+

fine silt content (

<

8 µm) did not emerge as

an important predictor of SOC concentration within our
different models (Figs. 3, 4 and 5e). This is in contrast to
some earlier studies that indicated that total clay content
explains a large proportion of SOC storage and stabilization
due to the sorption of soil organic matter to surfaces
of clay minerals and building of aggregates (Amelung et
al., 1998; Kahle et al., 2002). The relationship between
SOC and total clay content is used in various models to
describe the turnover and storage of SOC. However, this
simplified correlation may not account for the different
stabilization mechanisms related to various clay minerals,
e.g., 1

:

1 vs. 2

:

1 clay minerals (Oades, 1988). Past research

has yielded contradictory results on whether clay content
explains SOC variation in subtropical and tropical soils or

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 12

Figures and page graphics, page 12

316

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

not. For example, Bruun et al. (2010) showed, for various
tropical soils, that clay mineralogy, Fe

ox

and Al

ox

are better

explanatory variables for SOC content than clay content
alone (

<

2 µm). In contrast, Quesada et al. (2020) found a

strong relationship between clay and SOC content for highly
weathered soils in the Amazon Basin that are dominated
by 1

:

1 clay minerals, such as kaolinite, whereas soils in

the same system, dominated by 2

:

1 clay minerals, showed

stronger relationship between SOC and Al species. In a
comparison between tropical and temperate soils, Six et
al. (2002b) found that less C was associated with the clay and
silt fraction (

<

20 µm) in tropical soils than in temperate soils.

Even though these studies used various cut-offs to define
the clay (

<

2 µm), clay

+

fine silt (

<

8 µm) and clay and

silt fraction (

<

20 µm), they all illustrate that the relationship

with SOC can be complex in subtropical and tropical soils.

Due to the broad spatial scale, soils in the AfSIS data set

contain different clay minerals (Butler et al., 2020). No clear
relationship between clay

+

fine silt content (

<

8 µm) and

SOC concentration was observed in the models, although
the raw data indicate an overall positive trend between
clay

+

fine silt content (

<

8 µm) and SOC concentration

(Fig. 2b). This positive relationship does not hold across
all sites (Figs. 2c and A5). Variable relationships with SOC
(Table B2) may explain the low predictive power of clay

+

fine silt content in this data set. Instead, variables that better
capture the different behavior of clay-sized minerals, e.g.,
Ca

ex

, Fe

ox

and Al

ox

, are likely more suitable soil parameters

to explain the variation in SOC content – even in highly
weathered soils across sub-Saharan Africa. This is supported
by the fact that a clay

+

fine silt-only model resulted in a very

small

R

2

(0.01 – linear mixed-effects model; 0.12 – random

forest; Table B3).

4.5

Land cover

The effect of land cover on SOC content was generally
small in our models, even in topsoils (Fig. 6i). Similar
findings were recently encountered in a global study (Luo
et al., 2021). One possibility may be that the relatively large
0–20 cm depth interval might dilute differences that could
be more marked in the top few centimeters. However, we
did observe differences in SOC content across land cover
classes, with forests containing the highest amount of SOC
– especially in topsoils (Fig. 2a). Croplands had higher
SOC content than grasslands, which is opposite of what is
commonly observed in temperate regions (Prout et al., 2020).

Another possible explanation for the absence of land cover

as an important predictor in our models, is that we lacked the
detailed data necessary to disentangle the impacts of different
practices and land use history. The land cover class cropland
contained a wide variety of cultivated plots, while more
detailed information about land management practices was
missing. This is particularly important since prior research
in other regions showed that SOC stock changes in tropical

cropland soils may be driven by C inputs (Fujisaki et al.,
2018b). Additionally, historical land use may even play a
more important role in explaining current stocks compared
to recent land use (Vågen et al., 2006).

Furthermore, land cover may covary with other parameters

(temperature, precipitation and geochemistry) to such a
degree that it is not an explanatory variable. This might
be the reason why the submodels grouped by land cover
did not show a clear pattern (Fig. 4e). However, the land-
cover-only models resulted in small

R

2

(0.01 – linear mixed-

effects models; 0.10 to 0.16 – random forest), which suggests
that land cover is a poor predictor for our SOC data at this
large spatial scale (Table B3). This may be due to the high
variation in SOC content within the different land cover
classes (Fig. 2a). Land use changes and their impact on soil
physico-chemical properties are scale dependent and likely
to be more distinct at smaller scales (Holmes et al., 2004,
2005). For example, land management and land degradation
(i.e., erosion) are known to impact SOC stocks at regional
scales in sub-Saharan Africa (Winowiecki et al., 2016a).

Future studies are needed to better understand the impacts

of land management and carbon storage potential in soils
across sub-Saharan Africa at different scales (Fujisaki et al.,
2018a; Vanlauwe et al., 2015). Overall, our data for sub-
Saharan Africa suggests that SOC content on a continental
scale is better explained by stabilization potential in soils
(climate, geochemistry) than by different aboveground C
inputs (vegetation).

5

Conclusions

We used a continental-scale data set from sub-Saharan Africa
to test relationships between SOC content, various soil
properties and climate variables in order to address our core
research questions.

1.

Which soil properties and climate parameters best
explain SOC content variation across sub-Saharan
Africa?

Parameters similar to temperate regions best explain the
variation in SOC content in tropical and subtropical
soils under various climate conditions across sub-
Saharan Africa, namely Ca

ex

, M

ox

(Al

ox

and Fe

ox

)

and PET

/

MAP. At this large spatial scale, climate

and geochemical parameters are equally important and
share some of the explained SOC variation. However,
land cover and clay

+

fine silt content did not explain

much of the variation in SOC content, in contrast to
some findings from other regions and studies.

The selected climatic and geochemical parameters,
which can be seen as proxies for most of the soil-
forming factors, explain about two-thirds of SOC
variation across sub-Saharan Africa. The remaining
third likely reflects those soil-forming factors that were

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 13

Figures and page graphics, page 13

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

317

not or only poorly represented within our selected
variables, namely organisms, relief and time. However,
given the large spatial scale of the study, even such
additional information is unlikely to explain all of the
SOC variation measured.

2.

How do geochemical controls on SOC vary between
environmentally distinct subregions?

In dry regions with alkaline and less-weathered
soils, Ca

ex

explained most of the SOC concentration

variation, whereas M

ox

was more important in wetter

regions with acidic and highly weathered soils. Still,
Ca

ex

remained important in acidic and more weathered

soils and in wetter regions. Fe

ox

, as a predictor of

SOC content, was only important at low concentrations
in moderately weathered and wet soils. This observed
trend suggests that Fe

ox

can play an important role

in pedogenic thresholds in various soils across sub-
Saharan Africa.

Overall, a combination of PET

/

MAP, Ca

ex

and M

ox

seems to be an appropriate set of variables to explain the
SOC content variation on a continental scale across sub-
Saharan Africa. This does not imply that other variables,
such as clay

+

fine silt content and land cover are

not good predictors on a regional scale, as shown by
previous studies. However, the variables identified by
this study showed a consistent predictive power of SOC
content across various climate regions.

Future studies on large-scale SOC stabilization should
consider measuring these soil properties to include them
in models. This would likely improve the predictive
capacity of these models and contribute to closing
the gap between our theoretical understanding of SOC
concentration across large scales and our ability to
improve terrestrial biogeochemical model projections.

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 14

Figures and page graphics, page 14

318

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Appendix A

The figures and tables on the next two pages all belong to
the same topic. They show the results for the different cut-
offs we used to identify the best cut-off to be used for soil
texture. We looked at and tested for

<

2,

<

8 and

<

20 µm. In

the end, we decided to use <8 µm because we wanted to stay
as close as possible to

<

2 µm. However, we could not use

<

2 µm due to some reproducibility issues for duplicates. The

differences between

<

8 and

<

20 µm are negligible.

Figure A1.

Scatterplot of duplicate measurements for the particle size distribution data.

(a)

Duplicate 1 and 2

<

2 µm.

(b)

Duplicate 1 and 2

<

8 µm.

(c)

Duplicate 1 and 2

<

20 µm.

Table A1.

Correlation coefficient between SOC and particle size data

<

8 and

<

20 µm for all samples (

n

=

1601), topsoil (0–20 cm;

n

=

791)

and subsoil (20–50 cm;

n

=

810).

Samples

<

8 µm

<

20 µm

All

0.32

0.41

Topsoil

0.37

0.46

Subsoil

0.43

0.49

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 15

Figures and page graphics, page 15

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

319

Figure A2.

(a)

Soil organic carbon (SOC) content (wt %) and clay

+

fine silt content

<

8 µm (percent) by depth.

(b)

SOC content (wt %)

clay

+

fine silt content

<

20 µm (percent) by depth.

Table A2.

Summary table of

R

2

for the different models (linear mixed-effects model and random forest) for the two different explanatory

variables (

<

8 and

<

20 µm) for all samples (

n

=

1601), topsoil (0–20 cm;

n

=

791) and subsoil (20–50 cm;

n

=

810).

Model

Linear

Random

Random

mixed-effects

forest

forest

model

(topsoil)

(subsoil)

Clay

+

fine silt

<

8 µm

0.01

0.12

0.12

Clay and silt

<

20 µm

0.03

0.17

0.19

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 16

Figures and page graphics, page 16

320

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Figure A3.

Scatterplot of inorganic carbon (C

total

–C

org

; wt %), the uncorrected chemical index of alteration (CIA; percent)

a

) and the CIA

(percent) correct for carbonates and apatite after Nesbit and Young (1982)

(b)

. See Sect. 2 for more details.

Figure A4.

Spatial visualization of selected training (blue) and test (orange) observations for spatial cross-validation of two repetitions from

the topsoil samples. Note: each dot may represent multiple samples.

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 17

Figures and page graphics, page 17

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

321

Figure A5.

Soil organic carbon (SOC; wt %) and clay

+

fine silt content (percent) by depth for each sampling site that contained more

than one sample per depth layer (0–20 cm – topsoil; 20–50 cm – subsoil). The gray area around fitted linear regressions represents the 95 %
confidence interval.

Figure A6.

Regression tree for

(a)

topsoil (0–20 cm) and

(b)

subsoil (20–50 cm). Splitting values are always in the units of the parameter

used for the split (for units, see Table 1). Absolute values in the boxes indicate the predicted soil organic carbon (SOC) content (wt %). The
percentage corresponds to the relative number of samples.

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 18

Figures and page graphics, page 18

322

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Appendix B

Table B1.

Overview of sample distribution used in this study across geographical regions, countries, sites, depths and land cover.

Region

Country

Site

Depth

Land cover

Topsoil

Subsoil

Forest

Cropland

Grassland

Other

East

TZA

5

61

54

6

16

13

80

ETH

4

179

165

3

153

56

132

KEN

3

131

153

5

4

55

220

UGA

2

99

101

0

90

29

81

MDG

2

161

175

206

86

20

24

West

NGA

5

16

19

1

15

5

14

MLI

3

11

14

1

9

6

9

CMR

1

8

6

2

10

2

0

GIN

2

12

8

1

9

1

9

NER

1

13

11

0

12

0

12

GHA

1

1

0

1

0

0

0

South

ZAF

3

11

11

0

0

7

15

MOZ

2

7

6

0

4

3

6

BWA

3

29

26

0

2

11

42

ZMB

2

10

9

1

2

13

3

AGO

4

36

44

1

14

17

48

ZWE

2

6

8

0

3

4

7

TZA – Tanzania; ETH – Ethiopia; KEN – Kenya; UGA – Uganda; MDG – Madagascar; NGA – Nigeria; MLI – Mali;
CMR – Cameroon; GIN – Guinea; NER – Niger; GHA – Ghana; ZAF – South Africa; MOZ – Mozambique;
BWA – Botswana; ZMB – Zambia; AGO – Angola; ZWE – Zimbabwe.

Table B2.

Marginal

R

2

for each fixed effect based on sequential fitting of the linear mixed-effects models for the different submodels (depth,

pH classes, number of wet months, weathering and land cover). The sign in parentheses refers to the correlation between the fixed effect and
soil organic carbon, respectively. Bold values have a

p

value

<

0.0001 based on likelihood ratio test.

Submodel

Clay and fine silt

pH

H

2

O

CIA

M

ox

Ca

ex

pH

H

2

O

×

M

ox

Depth

Topsoil

0.02

(

−

)

0.04 (

−

)

0.01

(

−

)

0.29

(

+

)

0.09

(

+

)

0.05

(

−

)

Subsoil

0.08

(

+

)

0.01 (

−

)

0.00 (

−

)

0.27

(

+

)

0.03

(

+

)

0.05

(

−

)

pH classes

Strongly acid

0.00 (

−

)

–

0.00 (

−

)

0.54

(

+

)

0.02

(

+

)

–

Moderately acid

0.04 (

−

)

–

0.04

(

−

)

0.37

(

+

)

0.06

(

+

)

–

Neutral

0.05 (

+

)

–

0.16

(

−

)

0.19

(

+

)

0.13

(

+

)

–

Alkaline

0.02 (

−

)

–

0.00 (

−

)

0.07

(

+

)

0.10

(

+

)

–

No. of

0

0.04

(

−

)

0.00 (

−

)

0.02 (

−

)

0.10

(

+

)

0.18

(

+

)

0.01 (

−

)

wet months

1–3

0.07

(

−

)

0.01 (

−

)

0.25

(

−

)

0.18

(

+

)

0.14

(

+

)

0.00

(

−

)

4–7

0.00 (

−

)

0.00 (

−

)

0.00 (

−

)

0.32

(

+

)

0.14

(

+

)

0.01

(

−

)

Weathering

Moderate

0.05

(

−

)

0.01 (

−

)

–

0.19

(

+

)

0.17

(

+

)

0.02

(

−

)

High

0.00 (

−

)

0.01 (

−

)

–

0.40

(

+

)

0.05

(

+

)

0.01

(

+

)

Land cover

Cropland

0.00 (

−

)

0.00 (

−

)

0.09

(

−

)

0.31

(

+

)

0.11

(

+

)

0.03

(

−

)

Forest

0.01 (

−

)

0.06 (

−

)

0.00 (

−

)

0.19

(

+

)

0.01

(

+

)

0.07 (

−

)

Grassland

0.05 (

−

)

0.09

(

−

)

0.06

(

−

)

0.22

(

+

)

0.11

(

+

)

0.04

(

−

)

Other

0.03

(

−

)

0.00 (

−

)

0.02

(

−

)

0.20

(

+

)

0.09

(

+

)

0.03 (

−

)

CIA – chemical index of alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

).

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 19

Figures and page graphics, page 19

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

323

Table B3.

Summary table of

R

2

for the different models (linear mixed-effects model and random forest) with different explanatory variables

(clay

+

fine silt, land cover, clay

+

fine silt and land cover and full) included for the entire data set. The

R

2

in parentheses for the linear

mixed-effects models refer to the conditional

R

2

, which include the variation explained by the random effects (siteID/clusterID/plotID).

Model

Linear mixed-

Random

Random

effects model

forest

forest

(topsoil)

(subsoil)

Clay

+

fine silt

0.01 (0.72)

0.12

0.12

Land cover

0.01 (0.75)

0.10

0.16

Clay

+

fine silt and land cover

0.02 (0.72)

0.22

0.26

Full

0.71 (0.94)

0.70

0.72

Table B4.

Analysis of variance (ANOVA) summary for linear mixed-effects analyses with the entire data set (

n

=

1601), including all

predictors and geochemistry-only and climate-only predictors. Fixed effects were added using a step-wise method. The first entry (

∼

1)

refers to the constant null model, respectively.

d

f

AIC

BIC

logLik

Test

L. ratio

p

value

All predictors

∼

1

5

2993.22

3020.11

−

1491.61

n/a

n/a

n/a

MAT

6

2969.00

3001.27

−

1478.50

1 vs. 2

26.23

<

0

.

0001

. . .

+

PET

/

MAP

7

2932.50

2970.15

−

1459.25

2 vs. 3

38.50

<

0

.

0001

. . .

+

Depth

8

2414.21

2457.24

−

1199.11

3 vs. 4

520.29

<

0

.

0001

. . .

+

Land cover

11

2416.06

2475.22

−

1197.03

4 vs. 5

4.15

0.2454

. . .

+

Clay

+

fine silt

12

2340.40

2404.94

−

1158.20

5 vs. 6

77.65

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

13

2342.00

2411.92

−

1158.00

6 vs. 7

0.40

0.5281

. . .

+

CIA

14

2248.88

2324.18

−

1110.44

7 vs. 8

95.13

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

15

1915.32

1995.99

−

942.66

8 vs. 9

335.56

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

16

1678.09

1764.14

−

823.04

9 vs. 10

239.23

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

17

1599.15

1690.59

−

782.58

10 vs. 11

80.93

<

0

.

0001

Geochemistry only

∼

1

5

2993.22

3020.11

−

1491.61

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

2979.20

3011.47

−

1483.60

1 vs. 2

16.03

0.0001

. . .

+

pH

H

2

O

7

2980.12

3017.77

−

1483.06

2 vs. 3

1.07

0.3000

. . .

+

CIA

8

2882.13

2925.16

−

1433.07

3 vs. 4

99.99

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

9

2515.81

2564.22

−

1248.91

4 vs. 5

368.32

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

2249.95

2303.73

−

1114.97

5 vs. 6

267.86

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

2170.66

2229.82

−

1074.33

6 vs. 7

81.29

<

0

.

0001

Climate only

∼

1

5

2993.22

3020.11

−

1491.61

n/a

n/a

n/a

MAT

6

2969.00

3001.27

−

1478.50

1 vs. 2

26.23

<

0

.

0001

. . .

+

PET

/

MAP

7

2932.50

2970.15

−

1459.25

2 vs. 3

38.50

<

0

.

0001

MAT – mean annual temperature; PET – potential evapotranspiration; MAP – mean annual precipitation; CIA – chemical index of
alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

); Ca

ex

– exchangeable calcium; n/a – not applicable; df:– degree of

freedom; AIC – Akaike information criterion; BIC – Bayesian information criterion; logLik – log likelihood; L.ratio – likelihood
ratio.

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 20

Figures and page graphics, page 20

324

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Table B5.

ANOVA summary for linear mixed-effects grouped by depth (

n

Topsoil

=

791;

n

Subsoil

=

810). Fixed effects were added using a

step-wise method. The first entry (

∼

1) refers to the constant null model, respectively.

d

f

AIC

BIC

logLik

Test

L. ratio

p

value

Topsoil

∼

1

4

1440.72

1459.42

−

716.36

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

5

1418.88

1442.25

−

704.44

1 vs. 2

23.84

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

6

1408.74

1436.78

−

698.37

2 vs. 3

12.14

0.0005

. . .

+

CIA

7

1350.41

1383.12

−

668.20

3 vs. 4

60.33

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

8

1148.87

1186.26

−

566.44

4 vs. 5

203.54

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

1016.14

1058.20

−

499.07

5 vs. 6

134.73

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

10

967.11

1013.84

−

473.55

6 vs. 7

51.03

<

0

.

0001

Subsoil

∼

1

4

1460.72

1479.51

−

726.36

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

5

1373.42

1396.91

−

681.71

1 vs. 2

89.30

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

6

1372.98

1401.16

−

680.49

2 vs. 3

2.44

0.1180

. . .

+

CIA

7

1373.42

1406.30

−

679.71

3 vs. 4

1.56

0.2123

. . .

+

M

ox

8

1188.60

1226.18

−

586.30

4 vs. 5

186.82

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

1135.71

1177.99

−

558.86

5 vs. 6

54.89

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

10

1106.11

1153.09

−

543.06

6 vs. 7

31.60

<

0

.

0001

MAT – mean annual temperature; PET – potential evapotranspiration; MAP – mean annual precipitation; CIA – chemical
index of alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

); Ca

ex

– exchangeable calcium; n/a – not applicable;

df:– degree of freedom; AIC – Akaike information criterion; BIC – Bayesian information criterion; logLik – log likelihood;
L.ratio – likelihood ratio.

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 21

Figures and page graphics, page 21

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

325

Table B6.

ANOVA summary for linear mixed-effects grouped by pH

H

2

O

(

n

strongly acidic

=

404;

n

moderately acidic

=

399;

n

neutral

=

398;

n

alkaline

=

400). Fixed effects were added using a step-wise method. The first entry (

∼

1) refers to the constant null model, respectively.

d

f

AIC

BIC

logLik

Test

L. ratio

p

value

Strongly acidic (3.9–5.2 pH)

∼

1

5

909.23

929.23

−

449.61

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

909.32

933.33

−

448.66

1 vs. 2

1.91

0.1673

. . .

+

CIA

7

911.31

939.32

−

448.65

2 vs. 3

0.01

0.9293

. . .

+

M

ox

8

712.18

744.19

−

348.09

3 vs. 4

201.13

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

690.68

726.69

−

336.34

4 vs. 5

23.51

<

0

.

0001

Moderately acidic (5.2–6.1 pH)

∼

1

5

876.39

896.34

−

433.20

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

864.42

888.36

−

426.21

1 vs. 2

13.97

0.0002

. . .

+

CIA

7

849.82

877.74

−

417.91

2 vs. 3

16.60

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

8

734.60

766.51

−

359.30

3 vs. 4

117.22

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

679.03

714.93

−

330.51

4 vs. 5

57.57

<

0

.

0001

Neutral (6.1–7.5 pH)

∼

1

5

785.87

805.80

−

387.93

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

772.22

796.14

−

380.11

1 vs. 2

15.65

0.0001

. . .

+

CIA

7

686.06

713.97

−

336.03

2 vs. 3

88.16

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

8

620.16

652.06

−

302.08

3 vs. 4

67.90

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

581.03

616.91

−

281.52

4 vs. 5

41.13

<0.0001

Alkaline (7.5–9.9 pH)

∼

1

5

688.71

708.67

−

339.36

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

679.07

703.02

−

333.53

1 vs. 2

11.64

0.0006

. . .

+

CIA

7

681.04

708.98

-333.52

2 vs. 3

0.02

0.8765

. . .

+

M

ox

8

651.45

683.38

−

317.72

3 vs. 4

31.59

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

592.58

628.51

−

287.29

4 vs. 5

60.87

<

0

.

0001

MAT – mean annual temperature; PET – potential evapotranspiration; MAP – mean annual precipitation;
CIA – chemical index of alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

); Ca

ex

– exchangeable

calcium; n/a – not applicable; df:– degree of freedom; AIC – Akaike information criterion; BIC – Bayesian
information criterion; logLik – log likelihood; L.ratio – likelihood ratio.

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 22

Figures and page graphics, page 22

326

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Table B7.

ANOVA summary for linear mixed-effects grouped by the number of wet months (P

/

PET

>

1;

n

0

=

572,

n

1

−

3

=

367,

n

4

−

7

=

662). Fixed effects were added using a step-wise method. The first entry (

∼

1) refers to the constant null model, respectively.

d

f

AIC

BIC

logLik

Test

L. ratio

p

value

0 (no. of wet months)

∼

1

5

1016.28

1038.03

−

503.14

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

989.89

1015.98

−

488.94

1 vs. 2

28.40

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

7

990.41

1020.85

−

488.20

2 vs. 3

1.48

0.2245

. . .

+

CIA

8

980.65

1015.44

−

482.32

3 vs. 4

11.76

0.0006

. . .

+

M

ox

9

934.82

973.96

−

458.41

4 vs. 5

47.82

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

840.40

883.89

−

410.20

5 vs. 6

96.42

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

840.08

887.92

−

409.04

6 vs. 7

2.33

0.1272

1–3 (no. of wet months)

∼

1

5

933.01

952.53

−

461.50

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

912.86

936.29

−

450.43

1 vs. 2

22.15

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

7

910.07

937.41

−

448.04

2 vs. 3

4.79

0.0287

. . .

+

CIA

8

811.91

843.16

−

397.96

3 vs. 4

100.16

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

9

708.70

743.85

−

345.35

4 vs. 5

105.21

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

618.44

657.49

−

299.22

5 vs. 6

92.26

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

599.70

642.66

−

288.85

6 vs. 7

20.74

<

0

.

0001

4–7 (no. of wet months)

∼

1

5

1,489.12

1,511.60

−

739.56

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

1487.46

1514.44

−

737.73

1 vs. 2

3.66

0.0558

. . .

+

pH

H

2

O

7

1488.86

1520.32

−

737.43

2 vs. 3

0.61

0.4355

. . .

+

CIA

8

1486.23

1522.19

−

735.11

3 vs. 4

4.63

0.0315

. . .

+

M

ox

9

1339.02

1379.48

−

660.51

4 vs. 5

149.21

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

1256.20

1301.15

−

618.10

5 vs. 6

84.82

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

1237.14

1286.58

−

607.57

6 vs. 7

21.06

<

0

.

0001

MAT – mean annual temperature; PET – potential evapotranspiration; MAP – mean annual precipitation; CIA – chemical index
of alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

); Ca

ex

– exchangeable calcium; n/a – not applicable; df:–

degree of freedom; AIC – Akaike information criterion; BIC – Bayesian information criterion; logLik – log likelihood; L.ratio
– likelihood ratio.

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 23

Figures and page graphics, page 23

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

327

Table B8.

ANOVA summary for linear mixed-effects grouped by weathering (

n

moderate

=

801;

n

high

=

800). Fixed effects were added using

a step-wise method. The first entry (

∼

1) refers to the constant null model, respectively.

d

f

AIC

BIC

logLik

Test

L. ratio

p

value

Moderate weathering (10-88 % CIA)

∼

1

5

1535.35

1558.78

−

762.67

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

1495.43

1523.54

−

741.71

1 vs. 2

41.92

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

7

1487.13

1519.93

−

736.56

2 vs. 3

10.30

0.0013

. . .

+

M

ox

8

1352.69

1390.18

−

668.35

3 vs. 4

136.44

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

1169.17

1211.35

−

575.59

4 vs. 5

185.52

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

10

1151.67

1198.53

−

565.84

5 vs. 6

19.50

<

0

.

0001

High weathering (88-100 % CIA)

∼

1

5

1536.25

1559.67

−

763.13

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

1538.15

1566.26

−

763.07

1 vs. 2

0.10

0.7483

. . .

+

pH

H

2

O

7

1535.93

1568.72

−

760.96

2 vs. 3

4.22

0.0400

. . .

+

M

ox

8

1343.70

1381.17

−

663.85

3 vs. 4

194.23

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

9

1248.82

1290.99

−

615.41

4 vs. 5

96.87

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

10

1215.27

1262.12

−

597.64

5 vs. 6

35.55

<

0

.

0001

MAT – mean annual temperature; PET – potential evapotranspiration; MAP – mean annual precipitation; CIA – chemical
index of alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

); Ca

ex

– exchangeable calcium; n/a – not applicable;

df:– degree of freedom; AIC – Akaike information criterion; BIC – Bayesian information criterion; logLik – log likelihood;
L.ratio – likelihood ratio.

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 24

Figures and page graphics, page 24

328

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Table B9.

ANOVA summary for linear mixed-effects grouped by land cover (

n

Cropland

=

429;

n

Forest

=

228;

n

Grassland

=

242;

n

Other

=

702). Fixed effects were added using a step-wise method. The first entry (

∼

1) refers to the constant null model, respectively.

d

f

AIC

BIC

logLik

Test

L. ratio

p

value

Cropland

∼

1

5

942.57

962.88

−

466.28

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

942.77

967.13

−

465.38

1 vs. 2

1.80

0.1794

. . .

+

pH

H

2

O

7

943.73

972.16

−

464.86

2 vs. 3

1.04

0.3085

. . .

+

CIA

8

911.72

944.21

−

447.86

3 vs. 4

34.01

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

9

817.96

854.51

−

399.98

4 vs. 5

95.77

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

755.49

796.11

−

367.75

5 vs. 6

64.46

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

736.80

781.48

−

357.40

6 vs. 7

20.69

<

0

.

0001

Forest

∼

1

5

627.98

645.13

−

308.99

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

626.06

646.64

−

307.03

1 vs. 2

3.92

0.0477

. . .

+

pH

H

2

O

7

615.79

639.79

−

300.89

2 vs. 3

12.27

0.0005

. . .

+

CIA

8

614.94

642.38

-299.47

3 vs. 4

2.85

0.0915

. . .

+

M

ox

9

556.77

587.64

−

269.39

4 vs. 5

60.17

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

538.35

572.64

−

259.17

5 vs. 6

20.42

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

532.33

570.05

−

255.16

6 vs. 7

8.02

0.0046

Grassland

∼

1

5

570.23

587.68

−

280.12

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

561.06

581.99

−

274.53

1 vs. 2

11.18

0.0008

. . .

+

pH

H

2

O

7

542.45

566.88

−

264.23

2 vs. 3

20.60

<

0

.

0001

. . .

+

CIA

8

484.66

512.57

−

234.33

3 vs. 4

59.79

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

9

430.95

462.35

−

206.47

4 vs. 5

55.71

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

381.49

416.38

−

180.75

5 vs. 6

51.45

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

352.66

391.04

−

165.33

6 vs. 7

30.83

<

0

.

0001

Other

∼

1

5

1313.24

1336.01

−

651.62

n/a

n/a

n/a

Clay

+

fine silt

6

1291.22

1318.54

−

639.61

1 vs. 2

24.02

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

7

1293.10

1324.98

−

639.55

2 vs. 3

0.12

0.7294

. . .

+

CIA

8

1277.31

1313.75

−

630.66

3 vs. 4

17.79

<

0

.

0001

. . .

+

M

ox

9

1146.62

1187.60

−

564.31

4 vs. 5

132.70

<

0

.

0001

. . .

+

Ca

ex

10

1020.27

1065.81

−

500.13

5 vs. 6

128.35

<

0

.

0001

. . .

+

pH

H

2

O

×

M

ox

11

1011.66

1061.75

−

494.83

6 vs. 7

10.61

0.0011

MAT – mean annual temperature; PET – potential evapotranspiration; MAP – mean annual precipitation; CIA – chemical
index of alteration; M

ox

– oxalate-extractable metals (Al

ox

+

1

/

2

Fe

ox

); Ca

ex

– exchangeable calcium; n/a – not applicable;

df:– degree of freedom; AIC – Akaike information criterion; BIC – Bayesian information criterion; logLik – log likelihood;
L.ratio – likelihood ratio.

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 25

Figures and page graphics, page 25

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

329

Code availability.

The code used in this paper is available as an R

markdown file (pdf) in the Supplement.

Data availability.

The soil properties data set used in this study is

available from the authors upon reasonable request and under the
following DOI: https://doi.org/10.34725/DVN/66BFOB (Vågen et
al., 2021). Field data (i.e., land cover) for the sampling locations
can be found in Vågen et al. (2013b). The climate data used
(MAT, MAP and PET) can be downloaded from the sources
cited (WorldClim, Fick and Hijmans, 2017, and Trabucco and
Zomer, 2019). Land cover data used for gap-filling can be retrieved
from http://2016africalandcover20m.esrin.esa.int/ (ESA, 2017).

Supplement.

The supplement related to this article is available

online at: https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021-supplement.

Author contributions.

The conceptualization of the study for this

paper was done by SFvF, AMH, AAB, SET and SD, with input from
EA, SMH, SPM, KDS, JS, TGV and LAW. The data curation and
investigation and collection of resources were done and provided by
GEA, EA, SMH, SPM, KDS, AMS, EKT, TGV, EW and LAW. The
formal analysis, methodology and visualization for the paper was
performed by SFvF, with substantial input from AMH, ML, SD and
SET as well as feedback from all authors. SFvF wrote the initial
draft and all authors were involved in the review and editing of the
paper.

Competing interests.

Sebastian Doetterl and

Asmeret Asefaw Berhe are the liaison editors of the special issue
“Tropical biogeochemistry of soils in the Congo Basin and the
African Great Lakes region”, and Johan Six is an executive editor
of the

SOIL

journal. However, none of them were involved in the

reviewing process of this paper. All other authors declare that they
have no conflict of interest.

Special issue statement.

This article is part of the special issue

“Tropical biogeochemistry of soils in the Congo Basin and the
African Great Lakes region”. It is not associated with a conference.

Acknowledgements.

Sophie F. von Fromm has received funding

from the International Max Planck Research School for Global
Biogeochemical Cycles. Susan E. Trumbore and Alison M. Hoyt
acknowledge support from the European Research Council
(Horizon 2020 Research and Innovation Program; grant no. 695101;
14Constraint). Sebastian Doetterl has received supportive funds
from the DFG Emmy Noether Group “TropSOC” (project
no. 387472333). The analytical data used in the study were
produced by the Chemical and Biological Assessment of AfSIS
soils project, which is funded by the Biotechnology and Biological
Sciences Research Council (BBSRC)/Global Challenges Research
Fund (GCRF; grant no. BBS/OS/GC/000014B). Steve P. McGrath
and Stephan M. Haefele have partly been funded by the Institute

Strategic Program (ISP) grant (Soils to Nutrition – S2N; grant
no. BBS/E/C/000I0310). The original field surveys and sample
analysis costs at ICRAF were covered by the AfSIS Phase I project
funded by the Bill and Melinda Gates Foundation (grant no. 51353).
Sophie F. von Fromm thanks Jörg Matschullat for proofreading
earlier versions of the paper.

Financial support.

The article processing charges for this open-

access publication were covered by the Max Planck Society.

Review statement.

This paper was edited by Marijn Bauters and

reviewed by two anonymous referees.

References

Abegaz, A., Winowiecki, L. A., Vågen, T.-G., Langan, S., and

Smith, J. U.: Spatial and temporal dynamics of soil organic
carbon in landscapes of the upper Blue Nile Basin of the
Ethiopian Highlands, Agr. Ecosyst. Environ., 218, 190–208,
https://doi.org/10.1016/j.agee.2015.11.019, 2016.

Albani, S., Mahowald, N. M., Winckler, G., Anderson, R. F.,

Bradtmiller, L. I., Delmonte, B., François, R., Goman, M.,
Heavens, N. G., Hesse, P. P., Hovan, S. A., Kang, S. G., Kohfeld,
K. E., Lu, H., Maggi, V., Mason, J. A., Mayewski, P. A., McGee,
D., Miao, X., Otto-Bliesner, B. L., Perry, A. T., Pourmand,
A., Roberts, H. M., Rosenbloom, N., Stevens, T., and Sun,
J.: Twelve thousand years of dust: the Holocene global dust
cycle constrained by natural archives, Clim. Past, 11, 869–903,
https://doi.org/10.5194/cp-11-869-2015, 2015.

Amelung, W., Zech, W., Zhang, X., Follett, R. F., Tiessen,

H., Knox, E., and Flach, K.-W.: Carbon, Nitrogen, and
Sulfur

Pools

in

Particle-Size

Fractions

as

Influenced

by

Climate,

Soil

Sci.

Soc.

Am.

J.,

62,

172–181,

https://doi.org/10.2136/sssaj1998.03615995006200010023x,
1998.

Barthès, B. G., Kouakoua, E., Larré-Larrouy, M.-C., Razafimbelo,

T. M., de Luca, E. F., Azontonde, A., Neves, C. S.
V. J., de Freitas, P. L., and Feller, C. L.: Texture and
sesquioxide effects on water-stable aggregates and organic
matter

in

some

tropical

soils,

Geoderma,

143,

14–25,

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2007.10.003, 2008.

Barton,

K.:

MuMIn:

Multi-Model

Inference,

available

at:

https://CRAN.R-project.org/package=MuMIn

(last

access:

3 June 2021), 2020.

Berhe, A. A., Suttle, K. B., Burton, S. D., and Banfield, J. F.:

Contingency in the direction and mechanics of soil organic
matter responses to increased rainfall, Plant Soil, 358, 371–383,
https://doi.org/10.1007/s11104-012-1156-0, 2012.

Bischl, B., Lang, M., Kotthoff, L., Schiffner, J., Richter, J.,

Studerus, E., Casalicchio, G., and Jones, Z. M.: mlr: Machine
Learning in R, J. Mach. Learn. Res., 17, 1–5, 2016.

Blankinship, J. C., Berhe, A. A., Crow, S. E., Druhan, J. L.,

Heckman, K. A., Keiluweit, M., Lawrence, C. R., Marín-
Spiotta, E., Plante, A. F., Rasmussen, C., Schädel, C.,
Schimel, J. P., Sierra, C. A., Thompson, A., Wagai, R., and
Wieder, W. R.: Improving understanding of soil organic matter

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 26

Figures and page graphics, page 26

330

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

dynamics by triangulating theories, measurements, and models,
Biogeochemistry, 140, 1–13, https://doi.org/10.1007/s10533-
018-0478-2, 
2018.

Boehmke, B. and Greenwell, B. M.: Hands-On Machine Learning

with R, The R Series, Chapman and Hall/CRC, Boca Raton,
Florida,2020.

Breiman, L., Friedman, J., Stone, C. J., and Olshen, R. A.:

Classification and Regression Trees, Taylor & Francis, Boca
Raton, Florida, USA, 368 pp., 1984.

Brenning, A.: Spatial cross-validation and bootstrap for the

assessment of prediction rules in remote sensing: The R package
sperrorest, 2012 IEEE International Geoscience and Remote
Sensing Symposium, 5372–5375, 2012.

Bruun,

T.

B.,

Elberling,

B.,

and

Christensen,

B.

T.:

Lability

of

soil

organic

carbon

in

tropical

soils

with

different clay minerals, Soil Biol. Biochem., 42, 888–895,
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2010.01.009, 2010.

Budyko, M. I.: Climate and Life, Academic Press, New York, USA,

508 pp., 1974.

Buringh, P.: Introduction to the study of soils in tropical and

subtropical regions, Centre for Agricultural Publishing and
Documentation, Wageningen, Netherlands, 99 pp., 1970.

Burnham,

K.

P.

and

Anderson, D.

R.:

Model

Selection

and Multimodel Inference: A Practical Information-Theoretic
Approach, Springer, New York, USA, 488 pp., 2002.

Butler,

B.

M.,

Palarea-Albaladejo,

J.,

Shepherd,

K.

D.,

Nyambura, K. M., Towett, E. K., Sila, A. M., and Hillier,
S.: Mineral–nutrient relationships in African soils assessed
using cluster analysis of X-ray powder diffraction patterns
and

compositional

methods,

Geoderma,

375,

114474,

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114474, 2020.

Chen, C., Hall, S. J., Coward, E., and Thompson, A.: Iron-

mediated

organic

matter

decomposition

in

humid

soils

can

counteract

protection,

Nat.

Commun.,

11,

2255,

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16071-5, 2020.

Doetterl, S., Stevens, A., Six, J., Merckx, R., van Oost, K., Casanova

Pinto, M., Casanova-Katny, A., Muñoz, C., Boudin, M., Zagal
Venegas, E., and Boeckx, P.: Soil carbon storage controlled by
interactions between geochemistry and climate, Nat. Geosci., 8,
780–783, https://doi.org/10.1038/ngeo2516, 2015.

Dokuchaev, V. V.: Russian Chernozem. Report to the Imperial

Free Economic Society (Tipogr. Declerona i Evdokimova) St.
Petersburg, Russia, 1883 (in Russian).

ESA: Land Cover CCI Product User Guide Version 2, Tech. Rep.,

available at: http://2016africalandcover20m.esrin.esa.int/, 2017.

Eusterhues, K., Rumpel, C., Kleber, M., and Kögel-Knabner,

I.:

Stabilisation

of

soil

organic

matter

by

interactions

with

minerals

as

revealed

by

mineral

dissolution

and

oxidative

degradation,

Org.

Geochem.,

34,

1591–1600,

https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2003.08.007, 2003.

Feller, C. and Beare, M. H.: Physical control of soil organic

matter dynamics in the tropics, Geoderma, 79, 69–116,
https://doi.org/10.1016/S0016-7061(97)00039-6, 1997.

Fick, S. E. and Hijmans, R. J.: WorldClim 2: new 1-km spatial

resolution climate surfaces for global land areas, Int. J. Climatol.,
37, 4302–4315, https://doi.org/10.1002/joc.5086, 2017.

Friedlingstein, P., Meinshausen, M., Arora, V. K., Jones, C. D.,

Anav, A., Liddicoat, S. K., and Knutti, R.: Uncertainties in
CMIP5 Climate Projections due to Carbon Cycle Feedbacks,

J. Clim., 27, 511–526, https://doi.org/10.1175/jcli-d-12-00579.1,
2014.

Friedman,

J.

H.:

Greedy

function

approximation:

A

gradient

boosting

machine,

Ann.

Stat.,

29,

1189–1232,

https://doi.org/10.1214/aos/1013203451, 2001.

Fujisaki, K., Chapuis-Lardy, L., Albrecht, A., Razafimbelo,

T.,

Chotte,

J.-L.,

and

Chevallier,

T.:

Data

synthesis

of

carbon

distribution

in

particle

size

fractions

of

tropical

soils:

Implications

for

soil

carbon

storage

potential

in

croplands,

Geoderma,

313,

41–51,

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.10.010, 2018a.

Fujisaki, K., Chevallier, T., Chapuis-Lardy, L., Albrecht, A.,

Razafimbelo, T., Masse, D., Ndour, Y. B., and Chotte, J.-L.: Soil
carbon stock changes in tropical croplands are mainly driven by
carbon inputs: A synthesis, Agr. Ecosys. Environ., 259, 147–158,
https://doi.org/10.1016/j.agee.2017.12.008, 2018b.

Goudie, A. S. and Middleton, N. J.: Saharan dust storms:

nature and consequences, Earth-Sci. Rev., 56, 179–204,
https://doi.org/10.1016/S0012-8252(01)00067-8, 2001.

Greenland, D. J.: Interaction between clays and organic compounds

in soils, Part II: Adsorption of soil organic compounds and its
effect on soil properties, Soils and Fertilizers, 28, 415–425, 1965.

Greenwell, B. M.: pdp: An R Package for Constructing

Partial Dependence Plots, The R Journal, 9, 421–436,
https://doi.org/10.32614/RJ-2017-016, 2017.

Harrison, X. A., Donaldson, L., Correa-Cano, M. E., Evans, J.,

Fisher, D. N., Goodwin, C. E. D., Robinson, B. S., Hodgson, D.
J., and Inger, R.: A brief introduction to mixed effects modelling
and multi-model inference in ecology, PeerJ, 6, e4794–e4794,
https://doi.org/10.7717/peerj.4794, 2018.

Hartmann, J. and Moosdorf, N.: The new global lithological

map database GLiM: A representation of rock properties
at the Earth surface, Geochem. Geophy. Geosy., 13, 1–37,
https://doi.org/10.1029/2012gc004370, 2012.

Heimann, M. and Reichstein, M.: Terrestrial ecosystem carbon

dynamics and climate feedbacks, Nature, 451, 289–292,
https://doi.org/10.1038/nature06591, 2008.

Holmes, K. W., Roberts, D. A., Sweeney, S., Numata, I., Matricardi,

E., Biggs, T. W., Batista, G., and Chadwick, O. A.: Soil databases
and the problem of establishing regional biogeochemical trends,
Glob. Change Biol., 10, 796–814, https://doi.org/10.1111/j.1529-
8817.2003.00753.x, 
2004.

Holmes, K. W., Kyriakidis, P. C., Chadwick, O. A., Soares, J. V., and

Roberts, D. A.: Multi-scale variability in tropical soil nutrients
following land-cover change, Biogeochemistry, 74, 173–203,
https://doi.org/10.1007/s10533-004-3544-x, 2005.

Inagaki, T. M., Possinger, A. R., Grant, K. E., Schweizer,

S. A., Mueller, C. W., Derry, L. A., Lehmann, J., and
Kögel-Knabner, I.: Subsoil organo-mineral associations under
contrasting climate conditions, Geochim. Cosmochim. Ac., 270,
244–263, https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.11.030, 2020.

IPCC: Climate Change and Land, an IPCC special report on

climate change, desertification, land degradation, sustainable
land management, food security, and greenhouse gas fluxes
in terrestrial ecosystems, edited by: Arneth, A., Barbosa,
H., Benton, T., Calvin, K., and Calvo, E., IPCC, Geneva,
Switzerland, 2019.

Jenny, H.: Factors of soil formation – a system of quantitative

pedology, McGraw-Hill, New York, USA, 1941.

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

Page 27

Figures and page graphics, page 27

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

331

Jobbágy, E. G. and Jackson, R. B.: The vertical distribution of

soil organic carbon and its relation to climate and vegetation,
Ecol.

Appl.,

10,

423–436,

https://doi.org/10.1890/1051-

0761(2000)010[0423:Tvdoso]2.0.Co;2, 2000.

Jones, A., Breuning-Madsen, H., Brossard, M., Dampha, A.,

Deckers, J., Dewitte, O., Gallali, T., Hallett, S., Jones, R.,
Kilasara, M., Le Roux, P., Michéli, E., Montanarella, L.,
Spaargaren, O., Thiombiano, L., van Ranst, E., Yemefack,
M., and Zougmore, R.: Soil Atlas of Africa, Commission,
Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2013.

Kahle, M., Kleber, M., and Jahn, R.: Carbon storage in loess

derived surface soils from Central Germany: Influence of
mineral phase variables, J. Plant Nutr. Soil Sci., 165, 141–149,
https://doi.org/10.1002/1522-2624(200204)165:2<141::Aid-
jpln141>3.0.Co;2-x, 
2002.

Kennard,

R.

W.

and

Stone,

L.

A.:

Computer

Aided

Design

of

Experiments,

Technometrics,

11,

137–148,

https://doi.org/10.1080/00401706.1969.10490666, 1969.

Kramer, M. G. and Chadwick, O. A.: Climate-driven thresholds in

reactive mineral retention of soil carbon at the global scale, Nat.
Clim. Change, 8, 1104–1108, https://doi.org/10.1038/s41558-
018-0341-4, 
2018.

Legendre, P. and Legendre, L.: Numerical Ecology, Elsevier

Science, Amsterdam, the Netherlands, 2006 pp., 2012.

Likens, G. E., Driscoll, C. T., Buso, D. C., Siccama, T. G., Johnson,

C. E., Lovett, G. M., Fahey, T. J., Reiners, W. A., Ryan, D.
F., Martin, C. W., and Bailey, S. W.: The biogeochemistry
of calcium at Hubbard Brook, Biogeochemistry, 41, 89–173,
https://doi.org/10.1023/A:1005984620681, 1998.

Lovelace, R., Nowosad, J., and Muenchow, J.: Geocomputation

with R, Chapman and Hall/CRC, Boca Raton, Florida, USA, 335
pp., 2019.

Luo, Z., Viscarra-Rossel, R. A., and Qian, T.: Similar importance

of edaphic and climatic factors for controlling soil organic
carbon stocks of the world, Biogeosciences, 18, 2063–2073,
https://doi.org/10.5194/bg-18-2063-2021, 2021.

Malick, B. M. L. and Ishiga, H.: Geochemical Classification and

Determination of Maturity Source Weathering in Beach Sands of
Eastern San’ in Coast, Tango Peninsula, and Wakasa Bay, Japan,
Earth Sci. Res., 5, 44–56, https://doi.org/10.5539/esr.v5n1p44,
2016.

McGrath, S. P. and Cunliffe, C. H.: A simplified method for the

extraction of the metals Fe, Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Cr, Co and Mn
from soils and sewage sludges, J. Sci. Food Agr., 36, 794–798,
https://doi.org/10.1002/jsfa.2740360906, 1985.

McLennan, S. M.: Weathering and Global Denudation, J. Geol.,

101, 295–303, https://doi.org/10.1086/648222, 1993.

Milborrow, S.: rpart.plot: Plot “rpart” Models: An Enhanced

Version of “plot.rpart”, available at: https://CRAN.R-project.org/
package=rpart.plot 
(last access: 3 June 2021), 2019.

Muneer, M. and Oades, J.: The role of Ca-organic interactions in

soil aggregate stability .III. Mechanisms and models, Soil Res.,
27, 411–423, https://doi.org/10.1071/SR9890411, 1989.

Nakagawa, S. and Schielzeth, H.: A general and simple method

for obtaining

R

2

from generalized linear mixed-effects models,

Method. Ecol. Evol., 4, 133–142, https://doi.org/10.1111/j.2041-
210x.2012.00261.x, 
2013.

Nave, L. E., Bowman, M., Gallo, A., Hatten, J. A., Heckman, K. A.,

Matosziuk, L., Possinger, A. R., SanClements, M., Sanderman,

J., Strahm, B. D., Weiglein, T. L., and Swanston, C. W.: Patterns
and predictors of soil organic carbon storage across a continental-
scale network, Biogeochemistry, https://doi.org/10.1007/s10533-
020-00745-9, 
2021.

Nesbit, H. W. and Young, G. M.: Early Proterozoic climates and

plate motions inferred from major element chemistry of lutites,
Nature, 299, 715–717, https://doi.org/10.1038/299715a0, 1982.

Oades,

J.

M.:

The

retention

of

organic

matter

in

soils,

Biogeochemistry,

5,

35–70,

https://doi.org/10.1007/BF02180317, 1988.

Olorunfemi, I. E., Fasinmirin, J. T., Olufayo, A. A., and

Komolafe, A. A.: Total carbon and nitrogen stocks under
different land use/land cover types in the Southwestern
region

of

Nigeria,

Geoderma

Regional,

22,

e00320,

https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00320, 2020.

Parfitt, R. and Childs, C.: Estimation of forms of Fe and

Al

–

a

review,

and

analysis

of

contrasting

soils

by

dissolution and Mossbauer methods, Soil Res., 26, 121–144,
https://doi.org/10.1071/SR9880121, 1988.

Peterson, R. A. and Cavanaugh, J. E.: Ordered quantile

normalization:

a

semiparametric

transformation

built

for the cross-validation era, J. Appl. Stat., 47, 1–16,
https://doi.org/10.1080/02664763.2019.1630372, 2019.

Pinheiro, J., Bates, D., DebRoy, S., Sarkar, D., and R Core

Team: nlme: Linear and Nonlinear Mixed Effects Models,
available at: https://CRAN.R-project.org/package=nlme (last
access: 24 April 2020), 2020.

Probst, P., Wright, M. N., and Boulesteix, A.-L.: Hyperparameters

and

tuning

strategies

for

random

forest,

WIREs

Data

Mining

and

Knowledge

Discovery,

9,

e1301,

https://doi.org/10.1002/widm.1301, 2019.

Prout, J. M., Shepherd, K. D., McGrath, S. P., Kirk, G. J. D., and

Haefele, S. M.: What is a good level of soil organic matter? An
index based on organic carbon to clay ratio, Europ. J. Soil Sci.,
1–11, https://doi.org/10.1111/ejss.13012, 2020.

Quesada, C. A., Paz, C., Oblitas Mendoza, E., Phillips, O. L.,

Saiz, G., and Lloyd, J.: Variations in soil chemical and physical
properties explain basin-wide Amazon forest soil carbon
concentrations, SOIL, 6, 53–88, https://doi.org/10.5194/soil-6-
53-2020, 
2020.

R Core Team: R: A language and environment for statistical

computing, R Foundation for Statistical Computing, Vienna,
Austria, available at: https://www.R-project.org/ (last access:
24 April 2020), 2020.

Rasmussen, C., Heckman, K., Wieder, W. R., Keiluweit, M.,

Lawrence, C. R., Berhe, A. A., Blankinship, J. C., Crow, S. E.,
Druhan, J. L., Hicks Pries, C. E., Marin-Spiotta, E., Plante, A.
F., Schädel, C., Schimel, J. P., Sierra, C. A., Thompson, A., and
Wagai, R.: Beyond clay: towards an improved set of variables
for predicting soil organic matter content, Biogeochemistry, 137,
297–306, https://doi.org/10.1007/s10533-018-0424-3, 2018.

Rimmer, D. L. and Greenland, D. J.: Effects of Calcium carbonate

on the swelling behaviour of a soil clay, J. Soil Sci., 27, 129–139,
https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1976.tb01983.x, 1976.

Rowley, M. C., Grand, S., and Verrecchia, É. P.: Calcium-mediated

stabilisation of soil organic carbon, Biogeochemistry, 137, 27–
49, https://doi.org/10.1007/s10533-017-0410-1, 2018.

Schlüter, T.: Geological Atlas of Africa, Springer, Heidelberg,

Germany, 307 pp., 2008.

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021

SOIL, 7, 305–332, 2021

Page 28

Figures and page graphics, page 28

332

S. F. von Fromm et al.: Continental-scale controls on soil organic carbon

Schmidt, M. W. I., Torn, M. S., Abiven, S., Dittmar, T.,

Guggenberger, G., Janssens, I. A., Kleber, M., Kögel-Knabner,
I., Lehmann, J., Manning, D. A. C., Nannipieri, P., Rasse,
D. P., Weiner, S., and Trumbore, S. E.: Persistence of soil
organic matter as an ecosystem property, Nature, 478, 49–56,
https://doi.org/10.1038/nature10386, 2011.

Six, J., Conant, R. T., Paul, E. A., and Paustian, K.:

Review: Stabilization mechanisms of soil organic matter:
Implications for C-saturation of soils, Plant Soil, 241, 155–176,
https://doi.org/10.1023/A:1016125726789, 2002a.

Six, J., Feller, C., Denef, K., Ogle, S. M., de Moraes Sa, J. C.,

and Albrecht, A.: Soil organic matter, biota and aggregation in
temperate and tropical soils – Effects of no-tillage, Agronomie,
22, 755–775, https://doi.org/10.1051/agro:2002043, 2002b.

Slessarev, E. W., Lin, Y., Bingham, N. L., Johnson, J. E., Dai, Y.,

Schimel, J. P., and Chadwick, O. A.: Water balance creates a
threshold in soil pH at the global scale, Nature, 540, 567–569,
https://doi.org/10.1038/nature20139, 2016.

Terhoeven-Urselmans,

T.,

Vågen,

T.-G.,

Spaargaren,

O.,

and

Shepherd,

K.

D.:

Prediction

of

Soil

Fertility

Properties from a Globally Distributed Soil Mid-Infrared
Spectral Library, Soil Sci. Soc. Am. J., 74, 1792–1799,
https://doi.org/10.2136/sssaj2009.0218, 2010.

Therneau, T. and Atkinson, B.: rpart: Recursive Partitioning

and Regression Trees, available at: https://CRAN.R-project.org/
package=rpart 
(last access: 3 June 2021), 2019.

Thompson, A., Rancourt, D. G., Chadwick, O. A., and Chorover,

J.: Iron solid-phase differentiation along a redox gradient
in basaltic soils, Geochim. Cosmochim. Ac., 75, 119–133,
https://doi.org/10.1016/j.gca.2010.10.005, 2011.

Tifafi, M., Guenet, B., and Hatté, C.: Large Differences in

Global and Regional Total Soil Carbon Stock Estimates
Based on SoilGrids, HWSD, and NCSCD: Intercomparison
and Evaluation Based on Field Data From USA, England,
Wales, and France, Global Biogeochem. Cy., 32, 42–56,
https://doi.org/10.1002/2017gb005678, 2018.

Tisdall, J. M. and Oades, J. M.: Organic matter and water-

stable

aggregates

in

soils,

J.

Soil

Sci.,

33,

141–163,

https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1982.tb01755.x, 1982.

Towett, E. K., Shepherd, K. D., Tondoh, J. E., Winowiecki, L. A.,

Lulseged, T., Nyambura, M., Sila, A., Vågen, T.-G., and Cadisch,
G.: Total elemental composition of soils in Sub-Saharan Africa
and relationship with soil forming factors, Geoderma Regional,
5, 157–168, https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2015.06.002, 2015.

Trabucco, A. and Zomer, R.: Global Aridity Index and Potential

Evapotranspiration (ET0) Climate Database v2. Figshare, 2019.

Vågen, T.-G., Walsh, M. G., and Shepherd, K. D.: Stable

isotopes

for

characterisation

of

trends

in

soil

carbon

following

deforestation

and

land

use

change

in

the

highlands

of

Madagascar,

Geoderma,

135,

133–139,

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2005.11.012, 2006.

Vågen, T.-G., Shepherd, K. D., Walsh, M. G., Winowiecki, L.,

Desta, L. T., and Tondoh, J. E.: AfSIS Technical Specifications
– Soil Health Surveillance [Version 1.0], Nairobi, Kenya, 69 pp.,
2010.

Vågen, T.-G., Winowiecki, L. A., Abegaz, A., and Hadgu,

K. M.: Landsat-based approaches for mapping of land
degradation

prevalence

and

soil

functional

properties

in

Ethiopia,

Remote

Sens.

Environ.,

134,

266–275,

https://doi.org/10.1016/j.rse.2013.03.006, 2013a.

Vågen, T.-G., Winowiecki, L. A., Tondoh, J. E., and Desta, L. T.:

Africa Soil Information Service (AfSIS) – Soil Health Mapping,
Harvard Dataverse, 2013b.

Vågen, T.-G., Winowiecki, L. A., Tondoh, J. E., Desta, L. T., and

Gumbricht, T.: Mapping of soil properties and land degradation
risk in Africa using MODIS reflectance, Geoderma, 263, 216–
225, https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.06.023, 2016.

Vågen, T.-G., Winowiecki, L. A., Desta, L., Tondoh, J., Weullow,

E., Shepherd, K., Sila, A., Dunham, S., J., Hernández-Allica, J.,
Carter, J., and McGrath, S. P.: Wet chemistry data for a subset
of AfSIS: Phase I archived soil samples, producers: Rothamsted
Research, World Agroforestry, and Bill an Melinda Gates
Foundation, Biotechnology, UK, Biological Sciences Research,
C., CGIAR Research Program on Water, and Ecosystems,
World Agroforestry – Research Data Repository, available at:
https://data.worldagroforestry.org/dataset.xhtml?persistentId=
doi:10.34725/DVN/66BFOB, 
last access: 30 March 2021.

Vanlauwe, B., Descheemaeker, K., Giller, K. E., Huising, J.,

Merckx, R., Nziguheba, G., Wendt, J., and Zingore, S.: Integrated
soil fertility management in sub-Saharan Africa: unravelling
local adaptation, SOIL, 1, 491–508, https://doi.org/10.5194/soil-
1-491-2015, 
2015.

Wagai, R., Kajiura, M., and Asano, M.: Iron and aluminum

association with microbially processed organic matter via meso-
density aggregate formation across soils: organo-metallic glue
hypothesis, SOIL, 6, 597–627, https://doi.org/10.5194/soil-6-
597-2020, 
2020.

Wiesmeier, M., Urbanski, L., Hobley, E., Lang, B., von Lützow,

M., Marin-Spiotta, E., van Wesemael, B., Rabot, E., Ließ, M.,
Garcia-Franco, N., Wollschläger, U., Vogel, H.-J., and Kögel-
Knabner, I.: Soil organic carbon storage as a key function of soils
– A review of drivers and indicators at various scales, Geoderma,
333, 149–162, https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026,
2019.

Winowiecki, L. A., Vågen, T.-G., and Huising, J.: Effects of

land cover on ecosystem services in Tanzania: A spatial
assessment of soil organic carbon, Geoderma, 263, 274–283,
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.03.010, 2016a.

Winowiecki, L. A., Vågen, T.-G., Massawe, B., Jelinski, N. A.,

Lyamchai, C., Sayula, G., and Msoka, E.: Landscape-scale
variability of soil health indicators: effects of cultivation
on soil organic carbon in the Usambara Mountains of
Tanzania,

Nutr.

Cycl.

Agroecosystems,

105,

263–274,

https://doi.org/10.1007/s10705-015-9750-1, 2016b.

Winowiecki, L. A., Vågen, T.-G., Boeckx, P., and Dungait, J.

A. J.: Landscape-scale assessments of stable carbon isotopes
in soil under diverse vegetation classes in East Africa:
application of near-infrared spectroscopy, Plant Soil, 421, 259–
272, https://doi.org/10.1007/s11104-017-3418-3, 2017.

Wright, M. N. and Ziegler, A.: ranger: A fast implementation fo

random forests for high dimensional data in C

++

and R, J. Stat.

Softw., 77, 1–17, https://doi.org/10.18637/jss.v077.i01, 2017.

Zuur, A. F., Ieno, E. N., and Elphick, C. S.: A protocol

for data exploration to avoid common statistical problems,
Method. Ecol. Evol., 1, 3–14, https://doi.org/10.1111/j.2041-
210X.2009.00001.x, 
2010.

SOIL, 7, 305–332, 2021

https://doi.org/10.5194/soil-7-305-2021


Document Outline