Back to report · Publisher record

Balkovič et al. (2018). Impacts and Uncertainties of +2°C of Climate Change and Soil Degradation on European Crop Calorie Supply

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Impacts and Uncertainties of +2°C of Climate Change and Soil Degradation on 

European Crop Calorie Supply 

 

Juraj Balkovič

1,2

, Rastislav Skalský

1,3

, Christian Folberth

1

, Nikolay Khabarov

1

, Erwin 

Schmid

4

, Mikuláš Madaras

5

, Michael Obersteiner

1

, and Marijn van der Velde

6

 

 

1

International Institute for Applied Systems Analysis, Ecosystem Services and Management 

Program, Schlossplatz 1, A-2361 Laxenburg, Austria, balkovic@iiasa.ac.at, skalsky@iiasa.ac.at, 

folberth@iiasa.ac.at, khabarov@iiasa.ac.at, oberstei@iiasa.ac.at 

2

Department of Soil Science, Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, 

Ilkovičova 6, 842 15 Bratislava, Slovak Republic, balkovic@fns.uniba.sk 

3

National Agricultural and Food Centre, Soil Science and Conservation Research Institute, 

Gagarinova 10, 827 13 Bratislava, Slovak Republic, r.skalsky@vupop.sk 

4

Institute for Sustainable Economic Development, University of Natural Resource and Life 

Sciences, Vienna, Feistmantelstrasse 4, 1180 Vienna, Austria, erwin.schmid@boku.ac.at 

5

Crop Research Institute, Drnovská 507/73, 161 06 Prague, Czech Republic, madaras@vurv.cz 

6

European Commission, Joint Research Centre, Via Enrico Fermi 2749, 21027 Ispra, Italy, 

marijn.van-der-velde@ec.europa.eu 

Corresponding author: Juraj Balkovič (balkovic@iiasa.ac.at)  

Key Points: 

 

Quantification of the biophysical consequences up to +2°C of global warming on calorie 

supply from main crops in Europe 

 

Mostly positive change in calorie supply was estimated, with uncertainty due to crop 

management intensification, temperature, and CO

2

 effect 

 

Soil degradation could undermine climate-related benefits in Eastern and North-Eastern 

Europe 

 

 
 

This article has been accepted for publication and undergone full peer review but has not 
been through the copyediting, typesetting, pagination and proofreading process, which 
may lead to differences between this version and the Version of Record. Please cite this 
article as doi: 10.1

002

/

2017EF000629

 

 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Abstract 

Even if global warming is kept below +2°C, European agriculture will be significantly impacted. 

Soil  degradation  may  amplify  these  impacts  substantially  and  thus  hamper  crop  production 

further.  We  quantify  biophysical  consequences  and  bracket  uncertainty  of  +2°C  warming  on 

calories supply from ten major crops and vulnerability to soil degradation in Europe using crop 

modelling.  The  Environmental  Policy  Integrated  Climate  (EPIC)  model  together  with  regional 

climate  projections  from  the  European  branch  of  the  Coordinated  Regional  Downscaling 

Experiment  (EURO-CORDEX)  were  used  for  this  purpose.  A robustly  positive  calorie  yield 

change was estimated for the EU Member States except for some regions in Southern and South-

Eastern Europe. The mean impacts range from +30 Gcal ha

–1

 in the north, through +25 and +20 

Gcal  ha

–1

  in  Western  and  Eastern  Europe,  respectively,  to  +10  Gcal  ha

–1

  in  the  south  if  soil 

degradation and heat impacts are not accounted for. Elevated CO

2

 and increased temperature are 

the  dominant  drivers  of  the  simulated  yield  changes  in  high-input  agricultural  systems.  The 

growth  stimulus  due  to  elevated  CO

2

  may  offset  potentially  negative  yield  impacts  of 

temperature increase by +2°C in most of Europe. Soil degradation causes a calorie vulnerability 

ranging from 0 to 80 Gcal ha

–1

 due to insufficient compensation for nutrient depletion and this 

might  undermine  climate  benefits  in  many  regions,  if  not  prevented  by  adaptation  measures, 

especially  in  Eastern  and  North-Eastern  Europe.  Uncertainties  due  to  future  potentials  for  crop 

intensification are about two to fifty times higher than climate change impacts.  

 

1 Introduction 

Climate change and soil degradation are among the major threats to agriculture and food security 

(Lal et al., 2007; Meersmans et al., 2016; Tilman et al., 2002) and recognized as such by farmers 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 3

Figures and page graphics, page 3

across  Europe  (Olesen  et  al.,  2011).  Following  the  Paris  climate  agreement,  193  nations  have 

committed  to  keep  the  global  average  warming  well  below  2°C  relative  to  preindustrial 

temperatures  and  pursue  efforts  to  limit  the  temperature  increase  to  1.5°C.  Recent  climate 

projections indicate that Europe will warm at a faster rate than the global average, and a +2°C of 

global warming will bring a significantly changed climate to Europe (Vautard et al., 2014). For 

example,  Northern  and  Eastern  Europe  in  winter  and  Southern  Europe  in  summer  will  likely 

experience warming up to +3°C, with an increase in winter precipitation in Central Europe and 

an  overall  increase  of  precipitation  over  Northern  Europe.  The  trends  and  amplified  weather 

variability  characterizing  this  future  climate  will bring  challenges  to  Europe,  one  of  the  largest 

producers of agricultural goods.  

 

To  inform  mitigation  efforts,  consequences  of  holding  global  warming  below  +2°C  should  be 

quantified. For example, keeping  globing warming at  a low level may lower future damages in 

the  Mediterranean  region,  but  it  may  constrain  potential  benefits  from  warming  in  the  north 

(Müller et al., 2015). On one hand, increased temperature will accelerate crop development and 

shorten  crop  growth  periods,  thus  potentially  reducing  crop  yields  in  the  productive  temperate 

and Mediterranean Europe (Asseng et al., 2015; Lobell & Field, 2007; Supit et al., 2010). More 

intense heat waves and droughts, together with heavy rains, hail, floods, pests and diseases, will 

further hamper crop productivity. On the other hand, carbon dioxide (CO

2

) fertilization has been 

recognized  to  compensate  part  of  the  negative  effects  and  possibly  even  offset  productivity 

losses, although the magnitudes of these effects are uncertain and subject to debate (Ewert et al., 

2007; Kimball, 2016; Leakey et al., 2009; Long et al., 2006). Since experimental data to estimate 

physiological  impacts  of  changing  climate  are  generally  lacking  or  difficult  to  collect  and 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 4

Figures and page graphics, page 4

evaluate at large scales (Asseng et al., 2013, 2015), crop models are increasingly used to support 

climate change impact assessments (Asseng et al., 2015; Rosenzweig et al., 2014).  

 

An  increasing  number  of  studies  describe  climate  change  impacts  on  crops,  but  the  impacts  of 

soil  degradation  have  received  much  less  attention,  even  though    combatting  continuing 

degradation  is  of  utmost  importance  (Bindraban  et  al.,  2012;  Montanarella,  2015).  Soil  with  a 

lowered capability to store and release water and nutrients can provide only little relief to crops 

coping  with  impacts  from  climate  change.  Indeed,  healthy  soils  can  help  crops  to  cope  better 

with  increased  climate  variability  (Tubiello  et  al.,  2007).  Continuous  cropping  can  deplete  soil 

fertility  due  to  inadequate  replacement  of  nutrients  harvested  with  produce  or  lost  through 

leaching,  erosion,  and  atmospheric  emissions.  Most  of  the  processes  responsible  for  soil 

degradation,  including  soil  organic  matter  mineralization  and  erosion,  are  enhanced  by  higher 

temperature  and  more  intense  precipitation.  It  has  been  estimated  that  almost  40%  of  the  total 

agricultural land in Europe is prone to soil degradation at a moderate or higher level of severity 

(Lal, 2008). 

 

Interactions  and  transfer  of  uncertainty  through  the  climate  to  crop  model  chain  introduce  a 

concern  for climate  change impact  studies  (Asseng et  al.,  2013). The uncertainty  encompasses, 

inter  alia,  inherent  uncertainty  in  climate  projections  (Challinor  et  al.,  2009),  crop  response  to 

increased  temperature  and  elevated  atmospheric  CO

2

  concentration  (Asseng  et  al.,  2015; 

Kimball, 2016; Long et al., 2006), soil heterogeneity (Folberth, Skalský, et al., 2016), and model 

complexity  and  parameterization  (Challinor  et  al.,  2009).  Advances  in  crop  management  (e.g. 

fertilization  and  irrigation,  technological  innovations  and  breeding)  together  with  expansion  of 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 5

Figures and page graphics, page 5

cropland  (Ewert  et  al.,  2005;  Jaggard  et  al.,  2010;  Smith  et  al.,  2010)  contribute  additional 

uncertainty for future projections. Having this in mind, quantification of uncertainties is therefore 

an important endeavour in large-scale impact studies such as ours.  

 

In  this  study  we  quantify  biophysical  impact  of  global  warming  as  high  as  +2°C  on  calorie 

supply from ten major crops and its vulnerability to soil degradation in the European Union (EU) 

Member  States.  To  our  knowledge,  such  large-scale  analysis  is  still  lacking  despite  a  growing 

number of impact studies in the agricultural sector. An ensemble of the most recent regionally-

downscaled climate  change projections from  the  European branch of the  Coordinated Regional 

Downscaling  Experiment  (EURO-CORDEX)  is  used,  together  with  the  Environmental  Policy 

Integrated  Climate  (EPIC)  crop  model,  to  capture  inherent  uncertainties  due  to  climate 

simulation.  The  uncertainties  due  to  EPIC  crop  modelling  are  quantified  via  an  uncertainty 

analysis with varying model assumptions and parameters. 

 

First,  we  estimate,  at  a  regional  scale,  the  ranges  and  robustness  of  biophysical  impacts  on  the 

combined crop-derived calorie yield. Second, we disentangle the vulnerability to soil degradation 

in terms of soil loss, depletion of plant nutrients and soil organic carbon since these are among 

the  major  threats  to  crop  production,  especially  in  regions  with  less  developed  agricultural 

systems.  Finally,  we  bracket  projected  calorie  yield  uncertainties  related  to  1)  future  crop 

intensification  possibilities,  2)  increased  temperature  and  elevated  CO

2

  effects,  and  3) 

uncertainty in soil degradation modelling. 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 6

Figures and page graphics, page 6

2 Data and Methods 

2.1 Gridded crop model 

A gridded pan-European EPIC model was used in this study (Balkovič et al., 2013). The model 

was  built  by  coupling  the  field-scale  model  EPIC  v.  0810  (Izaurralde  et  al.,  2006,  2012; 

Williams,  1995)  with  large-scale  data  on  environmental  conditions  and  crop  management 

practices in Europe (Table 1). 

 

In  EPIC,  potential  crop  growth  is  calculated  daily  from  intercepted  photosynthetically  active 

radiation using the energy-to-biomass conversion approach modified for vapour pressure deficit 

and atmospheric CO

2

  concentration  effect  (Monteith, 1977;  Stockle et  al., 1992). The potential 

daily  increase  is  adjusted  to  an  actual  biomass  increase  if  the  potential  demand  for  water  or 

nutrients exceeded actually available supply, or the temperature goes beyond the optimal range. 

The  root  growth  is  constrained  by  soil  strength  or  aluminium  toxicity.  Plant  phenological 

development, including leaf growth, plant nutrients concentration, partitioning of biomass among 

roots and shoots as well as yield formation are defined by heat units (in °C) accumulated over the 

growing  season.  Since  soils  are  storing,  cycling  and  providing  nutrients  and  water  for  crops  in 

EPIC, dynamic soil processes ranging from soil hydrology to organic matter and nutrient cycles 

are  simulated  (Izaurralde  et  al.,  2006,  2012;  Williams,  1995).  EPIC  allows  simulations  with  a 

static soil profile, when all soil properties except for plant-available nutrients  and water are re-

initialized at the beginning of each year, or with a dynamic soil profile when soil properties are 

continuously  simulated  over  time.  EPIC’s  processes  relevant  for  assessment  of  climate  change 

impact on crops were summarized in the supplementary information of Folberth, Skalský, et al. 

(2016) based on the aforementioned references. 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 7

Figures and page graphics, page 7

 

The  bio-physical  EPIC  v.0810  model  was  coupled  with  ArcGIS  and  a  gridded  modelling 

framework  was  built  by  integrating  EU-wide  geospatial  data  on  soils,  terrain,  land  cover, 

watersheds, administrative units  and regionalized crop management  practices  (Table 1) with  1-

km grid. Redundant grids were clustered into simulation units (SimU) upon which the model was 

run.  The  model  was  designed  to  simulate  regional  crop  yields  as  driven  by  gridded  inputs  on 

weather, site and soil properties, crop management scenarios and atmospheric CO

2 

concentration, 

and was extensively evaluated by Balkovič et al. (2013).  

 

Ten  major  European  crops,  namely  winter  wheat,  winter  rye,  spring  barley,  grain  maize,  rice, 

winter  rapeseed,  soy  bean,  sunflower,  sugar  beet  and  potatoes,  were  simulated  for  25  Member 

States of the EU. We excluded Malta, Cyprus and Croatia from the analysis due to lack of input 

data.  Regional  differences  in  crop  varieties  characterized  by  different  growth  period  lengths 

follow the climatic stratification in the EU as described by  Balkovič et al. (2013). Planting and 

harvesting dates were scheduled automatically based on heat unit accumulation, while potential 

heat  unit  requirements  (PHU)  were  constant  during  the  course  of  the  simulation.  Automatic 

harvest  was  scheduled  at  110%  (cereals  and  potatoes)  and  115%  (grain  maize,  rapeseed, 

sunflower  and  soy  bean)  of  the  PHU  to  enable  flexible  harvesting  and  to  take  post-maturity 

drying of crops on the field into account. All crops were simulated in mono-crop rotations on all 

the  available  cropland.  Crop  rotations  and  present-day  harvested  areas  were  not  included  since 

this  information  is  generally lacking at  the target  resolution  and this  pattern may change in  the 

future. Rice was simulated only in Bulgaria, France, Greece, Hungary, Italy, Portugal, Romania 

and  Spain.  Although  EPIC’s  ability  to  simulate  historical  yields  was  extensively  validated  for 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 8

Figures and page graphics, page 8

some crops by Balkovič et al. (2013), we extended this comparison to reported yields to include 

all  crops  from  this  study  in  the  Supporting  Information  (Text  S1,  Figure  S9,  and  Table  S4). 

Parameters  used  to  describe  crop’s  growth  characteristics  and  their  response  to  increased 

atmospheric CO

2

 are summarized in Table S5. 

 

 

2.2 Climate data 

A  regional  ensemble  of  bias-corrected  EURO-CORDEX  climate  change  simulations  (Jacob  et 

al.,  2014)  developed  in  the  Quantifying  Projected  Impacts  Under  2°C  Warming  project 

(IMPACT2C, http://impact2c.hzg.de) was integrated in the crop modelling framework to have a 

robust  projection  of  future  warming  in  Europe.  In  our  study,  the  projections  meet  the  +2°C 

threshold  when  their  driving  global  climate  models  reach  the  +2°C  threshold  globally.  This 

threshold is reached when the 30-year running mean temperature calculated from the base period 

1971–2000,  plus  the  observed  pre-industrial  warming  before  this  period,  exceeds  the  +2°C 

threshold  (Vautard  et  al.,  2014).  Accordingly,  30-year  periods  around  the  year  when  the  +2°C 

warming was reached and the base period of 1971–2000 were evaluated throughout the paper. A 

total of five moderate emission RCP 4.5 projections were used (Table 1) since most of the low 

emission  RCP2.6  simulations  in  EURO-CORDEX  do  not  reach  +2°C  at  all  and  the  high 

emission  RCP  8.5  scenarios  are  not  compatible  with  the  +2°C  mitigation  target.  Given  the 

selected RCP 4.5 projections and periods when the +2°C threshold is reached, atmospheric CO

2

 

concentration increases from about 360 ppm around the year 2000 up to concentration of 470 to 

580 ppm at the +2°C threshold. 

 

<TABLE 1> 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 9

Figures and page graphics, page 9

 

2.3 Crop management scenarios 

A  total  of  three  crop  management  scenarios  were  designed  to  analyse  biophysical  impacts  of 

+2°C on calorie yields (Table 2).  

 

(1)

 

The  business-as-usual  (BAU)  scenario  represents  fertilization  and  irrigation  practices 

around  the  year  2000,  and  serves  as  a  baseline  for  future  projection  in  this  study.  

Fertilization  intensity  was  estimated  by  computing  fertilizer  balances  for  sub-national 

statistical  regions  (NUTS2).  Crop-specific  annual  nitrogen  (N)  and  phosphorus  (P) 

fertilizer application rates were estimated from NUTS2 livestock numbers and excretion 

coefficients  as  well  as  commercial  fertilizer  consumption  from  EUROSTAT 

(http://ec.europa.eu/eurostat).  Fertilizer  demands  at  NUTS2  level  were  calculated  using 

crop  and  forage  yields  and  acreages  from  EUROSTAT  as  well  as  nutrient  uptake 

coefficients  (Balkovič  et  al.,  2013).  Annual  P  and  N  fertilizer  amounts  comprise  both 

mineral and organic fertilizers expressed in kg of mineral N and P equivalent per hectare 

and crop. Phosphorus was applied as a rigid amount together with tillage operation before 

sowing, while N amount was used as an upper application limit for automatic fertilization 

splitting  in  EPIC.  Single  N  applications  were  triggered  automatically  based  on  crop 

requirements. As a rule, 80% of the amount applied in the previous season was applied at 

the  beginning  of  the  following  season,  while  next  applications  were  triggered  using  the 

same  80%  rule  always  when  crop  requirements  exceeded  soil  supply,  until  the  annual 

limit was reached. As a results, N fertilizer is commonly split in two or three applications. 

Irrigation  extent  as  well  as  area  share  of  irrigated  crops  were  taken  from  the  European 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Irrigation Map (Wriedt et al., 2009). Since spatial data for crop-specific water application 

volumes  are  lacking,  we  assume  that  irrigated  crops  are  supplied  with  ample  water 

quantities  to  eliminate  water  stress  (Folberth,  Skalský,  et  al.,  2016;  Rosenzweig  et  al., 

2014). Irrigation water was supplied to refill soil water content to its field capacity each 

time when crop stress occurred, while the upper annual limit was set to 1000 mm crop

–1

 

(Balkovič et al., 2013, 2014). Rice was simulated only under full irrigation, but without 

excessive  water  applications  typical  for  paddy  cultivation.  The  BAU  calorie  yield  was 

calculated as an average of rainfed and irrigated yields weighted by crop-specific share of 

irrigated and rainfed cropland (Section 2.4).  

 

(2)

 

The  scenario  P1  is  designed  to  estimate  the  potential  calorie  yields  assuming 

unconstrained  intensification  of  the  existing  rainfed  and  irrigated  production  systems. 

Existing irrigation facilities identified by the EIM (Table 1) were allocated to all crops to 

fully compensate for water deficit as described above. Phosphorus fertilizer was supplied 

automatically  in  sufficient  quantity  to  entirely  avoid  P  stress  (Gerik  et  al.,  2013).  The 

maximum annual application rate of 250 kg N ha

–1

 crop

–1

 was used to eliminate nitrogen 

stress on all cropland. To estimate N fertilization needed to achieve the P1 potential yield, 

the  N  application  rate  was  distributed  automatically  by  smaller  quantities  when  crop 

nitrogen  stress  occurred,  resulting  in  N  applications  lower  or  equal  250  kg  ha

–1

  crop

–1

. 

The  final  calorie  yield  was  calculated  while  the  fraction  of  area  equipped  for  irrigation 

was  used  as  a  weight  treating  crops  equally.  Neither  pest  nor  disease  effects  were 

considered. 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 11

Figures and page graphics, page 11

(3)

 

The P2 scenario assumes sufficient fertilization and irrigation in every SimU of European 

cropland, irrespective of existing irrigation infrastructure. This scenario provides calorie 

yield estimates close to the biophysical potential. Similar to the above scenarios, all crops 

except for rice were simulated on all the available cropland to account for possible shifts 

in future harvested areas. Pests and diseases were not considered. 

 

All  crop management  scenarios were  simulated  with  constant  soil profiles (

con

),  where  all  soil 

variables other than readily available nutrients (nitrogen and phosphorus) and soil water content 

were  re-initialized  each  year  and  soil  erosion  was  not  considered.  These  simulations  allow  the 

assessment of climate change impacts independently from soil degradation. Besides simulations 

with constant soil profiles, dynamic soil profiles (

dyn

) together with the BAU crop management 

scenario were used to account for future vulnerability to soil degradation (see Section 2.5). The 

dyn

 soil profile  scenario  includes  water erosion processes and  transient simulation  of  main  soil 

variables, including soil organic carbon and nitrogen, nutrient and carbon loss with erosion, bulk 

density, and soil depth. More details can be found in Text S3 in the Supporting Information.  

 

All  simulations  were  carried  out  assuming  conventional  tillage,  consisting  of  two  cultivation 

operations  and  moldboard  ploughing  prior  to  sowing  and  an  offset  disking  after  harvesting  of 

cereals.  Two  row  cultivations  during  the  growing  season  were  assumed  for  maize  and  one 

ridging  operation  for  potatoes.  We  assume  that  20%  of  crop  residues  are  removed  in  case  of 

cereals  (excluding  maize),  while  no  residues  are  harvested  for  other  crops  (Köble,  2014). 

Aboveground crop residues were recycled by a 15 cm deep plough with high mixing efficiency. 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 12

Figures and page graphics, page 12

<TABLE 2> 

 

2.4 Spatial aggregation of outputs and impact metrics 

2.4.1 Aggregation of model outputs 

The simulations were carried out from 1971 till the end of the respective +2°C periods (see Table 

1)  with  all  climate  projections  and  crop  management  scenarios.  Model  calculations  were 

preceded by a 50-year spin-up simulation with repeated historic weather to equilibrate initial soil 

properties with  respect  to the BAU management specifications and local  climate. Gridded crop 

yields  (

y

)  were  converted  from  dry  to  fresh  matter  and  subsequently  calculated  as  weighted 

average  of  rainfed  and  irrigated  production  with  Eq  (1).  The 

y

  values  were  summed  across  all 

crops and converted to the combined calorie yield (

Y

) by Eq (2). Conversion factors for dry-to-

fresh matter yield as well as calorie content per unit of fresh matter yield (

g

) are summarized in 

Table  S1.  The  calorie  yields  were  regionalized  for  each  year  as  an  arithmetic  average  of  all 

cropland belonging to either a NUTS2 or a country region.  

 

𝑦

𝑡,𝑝,𝑠,𝑐

=   (1 − 𝑓

𝑐,𝑝

) ∙ 𝑦(𝑟)

𝑡,𝑝,𝑠,𝑐

+ 𝑓

𝑐,𝑝

∙ 𝑦(𝑖)

𝑡,𝑝,𝑠,𝑐

 

(1) 

𝑌

𝑡,𝑝,𝑠

= ∑

𝑔

𝑐

∙ 𝑦

𝑡,𝑝,𝑠,𝑐

𝑘

 𝑐=1

 

(2) 

 

where 

y

t,p,s,c

 

is crop fresh matter yield (in t ha

-1

) of crop 

c

, in grid 

p

, climate scenario 

s

, and the 

t

-

th  year, 

y(r),  y(i)

  stand  for  yield  simulated  under  rainfed  and  irrigated  conditions,  respectively, 

f

c,p

 is the fraction of irrigated area of the 

c

-th crop in the 

p

-th grid, 

Y

t,p,s

 

is the aggregated calorie 

yield expressed as a sum of all simulated crops (in Gcal ha

–1

) in grid 

p

, climate scenario 

s

, and 

year 

t

, 

k

 is the number of crops and 

g

c

 denotes calorie content per unit yield of the 

c

-th crop.  

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 13

Figures and page graphics, page 13

2.4.2 Impact metrics 

Unless  stated  otherwise,  all  biophysical  impacts  are  expressed  as  absolute  or  relative  yield 

change between the reference period 1971–2000 with BAU crop management (baseline) and the 

respective  estimates  for  the  +2°C  period.  Differences  between  mean  yield  values  were 

statistically  evaluated  using  the  two-tailed  paired 

t

-test  where  appropriate,  while  linear 

regressions were tested by the 

F

-test. All statistical analyses and plotting were done in R (R Core 

Team,  2016).  In  Section  3.2,  the  sums  of  daily  temperature  and  precipitation  over  the  growing 

seasons of all crops were calculated to support the analysis therein.  

 

The  impact  robustness  (

R

)  across  climate  projections  was  assessed  as  a  fraction  of  EPIC 

realizations with a positive change in calorie yield with respect to the total number of realizations 

calculated for NUTS2 regions. Therefore, the robustness accounts for  SimU-level agreement in 

climate projections aggregated at NUTS2 level. In this study we assume that the impact is highly 

robust when 

R

  is  above  0.8  (Knutti  & Sedláček,  2012), meaning that more than 80% of model 

realizations  in  the  NUTS2  region  agree  on  a  positive  sign  of  impact  when  the  reference 

management scenario is considered.  

 

2.5 Vulnerability to soil degradation 

Soil degradation is the decline in soil quality caused by degradation processes such as water and 

wind  erosion,  loss  of  soil  organic  matter,  salinization,  acidification,  contamination,  sealing  or 

compaction.  In  this  study  we  address  impacts  of  water  erosion  and  adverse  changes  in  soil 

organic  matter  and  nutrient  dynamics,  including  soil  organic  matter  mineralization,  nutrient 

leaching and loss from export through harvested products, while other degradation processes are 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 14

Figures and page graphics, page 14

not  accounted  for.  More  details  can  be  found  in  Text  S3  in  the  Supporting  Information.  Yield 

vulnerability  (

Vs

)  is  quantified  as  a  fraction  of  projected  calorie  yield  that  may  be  lost  due  to 

harmful  effects  of  soil  degradation.  Business-as-usual  fertilization  and  irrigation  determine  the 

capacity to stabilize yields on degraded soils.  

 

The  impact  of  changing  soil  properties  on  crop  yields  was  calculated  by  comparing  crop  yield 

impacts simulated with constant  soil profile (

con

) relative to  the simulations with  dynamic soil 

profile  (

dyn

),  both  in  the  BAU  scenario  (Eq  3).  The  dynamic  soil  mode  allows  accounting  for 

changing soil properties under a certain management over time (Basso et al., 2015) and it is used 

to  estimate  impacts  of  climate  change  in  interactions  with  soil  degradation.  The  coupled  soil 

organic  carbon  and  nitrogen  routine  (Izaurralde  et  al.,  2006,  2012)  that  was  parameterized  for 

high-input  agricultural  systems  in  Central  Europe  by  the  authors  of  this  study  and  the  small-

watershed  Modified  Universal  Soil  Loss  Equation  erosion  method  (Williams,  1995)  were  used 

herein.  Vulnerability  to  soil  degradation  (in  Gcal  ha

–1

)  was  calculated  for  each  grid  (

p

)  and 

climate change scenario (

s

) by Eq (3). 

  

 

𝑉𝑠

𝑝,𝑠

= 𝐼(𝑐𝑜𝑛)

𝑝,𝑠

− 𝐼(𝑑𝑦𝑛)

𝑝,𝑠

 , 

(3)

 

 

where 

I

 is 30-year mean yield impact (in Gcal ha

–1

) of +2° warming relative to the historic period 

(1971–2000)  calculated  in  the  respective  soil-handling  and  climate  scenarios.  Despite  the 

importance  of  conservation  agriculture  for  soil  protection,  conservation  practices  were  not 

included in  our large scale analysis. Possible implications  are tested in  the uncertainty  analysis 

(Section 2.6.1). 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 15

Figures and page graphics, page 15

2.6 Evaluation of uncertainties in the modelling approach 

To account for the potentially large uncertainty in simulating future climate change impacts with 

EPIC we performed an extensive uncertainty  analysis for the impact estimates presented herein 

with respect to the dimensions of temperature and CO

2

 effects, soil degradation modelling, and 

management intensification. 

 

2.6.1 Evaluation of uncertainties in modelling temperature, CO

2

, and soil degradation 

effects 

We  performed  a  detailed  uncertainty  analysis  (UA)  for  Belgium,  Lithuania,  Portugal  and 

Slovakia  aiming  to  quantify  uncertainty  in  yield  simulations  due  to  synergic  interactions  of 

increased temperature, atmospheric CO

2

 and soil degradation effects across (1) different climatic 

regions with contrasting changes in temperature and precipitation patterns, and (2) regions with 

different intensity of nutrient inputs.  

 

Since  soil  input  data,  tillage  practices  and  parameterization  of  underlying  bio-geochemical 

processes represent an important source of uncertainty in EPIC (particularly in the 

dyn

 scenario), 

we  randomized  a  range  of  tillage  and  residue  management  variables,  such  as  the  number  and 

intensity of soil cultivations and crop residue return rates, to account for diversity in cultivation 

practices.  In  addition,  we  assumed  that  a  fraction  of  BAU  N  fertilization  comes  as  farmyard 

manure  to  account  for  additional  carbon  inputs  with  organic  fertilization.  Finally,  we  vary  the 

most  sensitive  parameters  and  soil  initial  values  which  drive  soil  organic  matter  and  erosion 

dynamics  in  EPIC  to  address  parameterization  and  input  uncertainties.  The  parameter  ranges 

used in  the UA  (PARM in  Table 3) follow recommendations  of EPIC developers  (Gerik et  al., 

2013),  while  the  default  values  from  Table  3  were  used  in  our  impact  analysis.  A  detailed 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 16

Figures and page graphics, page 16

description  of  parameters  and  variables  can  be  found  in  Gerik  et  al.  (2013).  The  subset  of 

parameter values used to imitate soil conservation practices is also summarized in Table 3. The 

Latin  Hypercube  method  (McKay,  1992)  was  used  to  initiate  a  total  of  3000  parameter  and 

variable  combinations  for  each  simulated  unit.  For  example,  more  than  28  million  of  EPIC 

simulations were performed for Portugal (3000 parameter combinations × 4790 SimUs × 2 CO

2

 

scenarios).  

 

The  KNMI  climate  projection  (Table  1)  was  used  for  the  UA,  being  close  to  the  ensemble 

median  in  terms  of  temperature  change  rate.  All  simulations  described  above  were  performed 

with constant (360 ppm) and transient atmospheric CO

2

 concentration (from 325 ppm in 1971 up 

to  700  ppm  in  2100).  The  impact  of  temperature  was  analysed  by  grouping  all  yield  data 

simulated for the +2°C period into 

T intervals separated by 0.5 °C steps, where 

T is relative to 

the  mean  annual  temperature  from  1971  to  2000.  A  more  generic  modelling  experiment  was 

carried  out  to  provide  an  extended  insight  into  the  uncertainty  due  to  incrementally  increasing 

temperature and CO

2

. Two contrasting crops, namely C

3

 wheat and C

4

 maize, were used for this 

purpose. More detailed description is in Text S2 in the Supporting Information.  

 

<TABLE 3> 

 

2.6.2 Evaluation of uncertainties due to crop intensification 

Crop  management  scenarios  with  ample  nutrient  and  water  supply  (P1  and  P2)  were  evaluated 

relative to the BAU scenario to bracket projected yield uncertainties related to the range of future 

intensification  levels.  The  uncertainty  range  is  expressed  as  a  yield  difference  between  the 

baseline  BAU  projection  and  the  respective  high-input  scenarios  under  +2°C.  Crop 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 17

Figures and page graphics, page 17

intensification options other than more intensive irrigation and fertilization are not accounted for 

herein. 

 

3 Results 

3.1 Crop calorie yield at the +2°C threshold 

At the national level, a positive calorie yield change was estimated for all EU Member States at 

the  +2°C  warming  threshold,  albeit  with  different  robustness  across  climate  projections  and 

variability  at  sub-national  level.  Figure  1  demonstrates  yield  ranges  estimated  from  the  full 

ensemble  of  climate  projections  under  the  BAU  scenario  and  transient  atmospheric  CO

2

 

concentration.  Ensemble  mean  +2°C  yield  impacts  relative  to  the  baseline  (1971–2000,  BAU), 

and  its  5

th

  to  95

th

  range  of  yield  projections  and  robustness  in  the  ensemble,  are  aggregated  at 

sub-national  level  (NUTS2  regions)  in  Figure  2.  Mean  calorie  yield  changes  for  individual 

ensemble members are presented in Table S3 in the Supporting Information. 

 

<FIGURE 1> 

 

The  most  positive  relative  impact  with  robustness  above  90%  was  simulated  over  Northern 

Europe, with  a lower  impact  magnitude in  the Baltic countries. The aggregated  calorie  yield  is 

expected  to  increase  by  more  than  17%  (20–34  Gcal  ha

–1

)  in  Denmark,  Ireland,  U.K.  and 

Finland,  and  by  12%  (15  Gcal  ha

–1

)  in  the  Baltics.  The  climate  projection-related  yield  impact 

uncertainty ranges from +6% to +20% in regions of the Baltic countries, and from +7% to +30% 

in other regions in the north (Figure 2). Yield changes and impact robustness of individual crops 

are summarized in Figure S1 and Table S2.   

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 18

Figures and page graphics, page 18

At  the  national  level,  an  increase  by  17–38  Gcal  ha

–1

  was  estimated  for  Western  European 

countries, i.e. countries which currently belong to the most productive in Europe. The lowest but 

still  robustly  estimated  positive impact  was  ~6%  as projected  for  south-western  France (Figure 

2).  There  is  a  large  yield  impact  range  projected  in  France,  ranging  from  –2%  to  +40%  in  the 

south-western regions. In general, the ranges in yield projections are larger in regions with cooler 

montane climate. Maize and other summer crop yields except for sugar beet would increase the 

most,  especially  in  higher  altitudes.  Owing  to  its  long  growing  season,  sugar  beet  tends  to  be 

negatively  though  not  robustly  affected  in  various  parts  of  Western  Europe  (Figure  S1,  Table 

S2).  

 

In the countries of the Balkan Peninsula, at the national average, a small overall increase of 6 to 

13 Gcal ha

–1

 was calculated, while for the other Eastern European countries a moderate gain of 

17  to  27  Gcal  ha

–1

  was  estimated.  The  climate  change  impacts  are  largely  uncertain  across 

EURO-CORDEX  scenarios  and  the  yield  change  projections  are  therefore  insufficiently  robust 

in many NUTS2 regions in Romania and Bulgaria (Figure 2). The projected yields range from –

10% to +25%, and from –5% to +20% in regions of Bulgaria and Romania, respectively. Despite 

the positive overall impact demonstrated in Figure 1, all crops experienced a decrease in yields in 

at least some simulated climate change scenarios in these regions (Figure S1).  

 

Only  a  small  positive  impact  of  less  than  8%  (2–18  Gcal  ha

–1

)  was  estimated  over  the 

Mediterranean  countries  when  the  BAU  crop  management  scenario  is  considered.  The  highest 

calorie  increase  was  projected  for  Italy  and  Slovenia,  owing  to  relatively  high  share  of  cooler 

montane regions.  Large  bars  in  Figure 1 reveal high  yield variability  due  to  heterogeneous  site 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 19

Figures and page graphics, page 19

conditions  and  projected  weather  variability.  A  substantial  disagreement  among  climate 

projections makes the overall yield impact estimates insufficiently robust and largely uncertain in 

many regions of Portugal, Spain and Greece, where the sub-national calorie yield changes ranged 

between strongly negative of –20 % and positive of up to 35% (Figure 2).  

 

<FIGURE 2> 

 

3.2 Climate effects on calorie yields 

We  carried  out  a  detailed  analysis  to  quantify  the  contribution  of  elevated  CO

2

  and  projected 

seasonal temperature and precipitation patterns to the regional calorie yield changes summarized 

in  Section  3.1.  Irrigated  BAU  simulations  were  used  to  address  irrigated  and  high-rainfall 

cropland,  while  rainfed  simulations  from  the  areas  dominated  by  water  stress  (water  stress  in 

>50% days of the growing period) were used to disentangle the impacts of precipitation on water 

limited production (Figure 3).  

 

Elevated  CO

2

  and  seasonal  temperature  are  two  dominant  climatic  factors  determining  yield 

changes in  Northern Europe. A robust increase in seasonal temperature sum (10–40%) resulted 

in calorie yield changes ranging from –8% in Lithuania to +7% in Ireland when CO

2

 was fixed at 

360  ppm,  whilst  a  consistently  positive  calorie  yield  change  of  +13%  to  +25%  was  simulated 

with  elevated  CO

2

  (circles  in  Figure  3a).  The  positive  impact  is  composed  of  (1)  a  strong 

fertilization effect of elevated CO

2

 on winter crops, which would be affected rather negatively if 

CO

2

 remained constant (Text S2, also Figure S2 and S10), and (2) more favourable temperature 

conditions  for  summer  and  root  crops,  allowing  them  to  be  more  viable  on  cropland  farther 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 20

Figures and page graphics, page 20

north.  For example, the mean sunflower yield achieved in Europe around the year 2000 (about 2 

t ha

–1

) would be exceeded on more than 50% of existing cropland, except for the far north areas 

of  Finland  (data  not  shown).  Changes  in  precipitation  alone  do  not  affect  our  yield  projections 

since crops are not critically limited by water deficit. However, >10% increase in rainfall during 

the long growing seasons affected the yields negatively via reduced solar radiation, leading to the 

weak  response  of  yields  to  increased  temperature  in  the  north  (

r

2

  <  0.4  in  most  countries  in 

Figure 3a). It is also important to note that detrimental effects of increased precipitation such as 

hampering field operations or damage due to heavy rains are not addressed in this analysis. 

 

Owing  to  an  increase  in  seasonal  temperature  by  ~13%,  the  irrigated  and  high-rainfall  calorie 

yields  would  increase  by  1–3%  and  19–23%  with  fixed  and  elevated  CO

2

,  respectively,  in 

Western Europe, but only by 13% in the latter case in France. Importantly, water-limited yields 

in southern France decreased by 5% when CO

2

 effect is not considered.  Yet, elevated CO

2

 has 

the potential to offset the negative effects, leading to an overall increase by  4%  (Figure 3b).  In 

general,  maize  and  other  summer  crops  would  benefit  from  alleviated  low  temperature 

limitations in the wetter and cooler parts of Western Europe, while winter crops and tubers will 

benefit  from  elevated  CO

2

.  Winter  cereals  would  be  affected  negatively  without  elevated  CO

2

 

fertilization (Text S2, also Figure S2 and S10). 

 

A  positive  effect  of  increased  temperature  under  elevated  CO

2

  was  simulated  also  for  irrigated 

and  high-rainfall  crops  in  Eastern  Europe  (

r

2 

>  0.6  in  all  countries  except  for  Poland  in  Figure 

3a).  A  ~13%  temperature  increase  in  the  growing  period,  together  with  elevated  CO

2

  of  up  to 

470 –580 ppm  at  +2°C,  stimulated the calorie  yields  by about  17–21% in  Czechia, Poland and 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 21

Figures and page graphics, page 21

Slovakia, and by 9–12% in Hungary, Bulgaria and Romania. The impact is much weaker at fixed 

CO

2

 levels though: from –1% to +4% on the country average, while a positive yield response is 

in most cases visible only at higher warming rates simulated for the montane climate (Figure 3a). 

In  general,  the  yield  change  is  dominated  by  higher  productivity  of  summer  crops  and  tubers 

under elevated CO

2

 (Figure S2).  A  benefit  from  CO

2

 fertilization  could  more or less  offset  the 

losses in winter cereal  yields  expected due to shortening of the growing period (Text S2 in the 

Supporting Information). Water-limited calories production in the driest Pannonian lowlands of 

Hungary,  Bulgaria,  and  especially  Romania,  is  sensitive  to  the  altered  precipitation  patterns 

(Figure 3b). For example, in Romania, a 10% increase in growing season precipitation may lead 

to  8%  gain  in  crop  calories  productivity  despite  the  increase  in  daily  rainfall  amounts  (Figure 

S12). Dryland areas would also significantly benefit from elevated CO

2

, potentially offsetting the 

yield losses corresponding to a precipitation decrease by ~5% in Bulgaria and Romania dryland. 

Projected  changes  in  seasonal  temperature  and  precipitation  alone  resulted  in  calories  change 

from  –6%  to  +1%,  but  from  +4%  to  +13%  when  combined  with  elevated  CO

2

  effects  (Figure 

3b).  

 

In  Southern  Europe,  calories  from  well-watered  crops  demonstrate  a  significant  linear 

relationship  with  changes  in  seasonal  temperature  (Figure  3a).  A  10–15%  temperature  raise 

stimulated  calorie  yields  by  5–14%  when  supplemented  by  an  additional  100  to  200  ppm  of 

atmospheric CO

2

 compared to the baseline, while the impact was negative to slightly positive (–

4% to +2%) under the present-day CO

2

. Water-limited calorie yields are significantly sensitive to 

precipitation changes together with elevated CO

2

 in Spain, Italy, Greece and Portugal (Figure 3b, 

F

-test 

P 

< 0.001 for all regressions). In dryland areas, calorie yields would be impacted mostly 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 22

Figures and page graphics, page 22

negatively  at  the  present-day  CO

2

  levels.  Yet,  elevated  CO

2

  may  offset  these  losses  due  to 

fertilization effect on C

3

 crops, and increased crop water use efficiency (Figure S2, also Text S2 

and  Figure  S10).  The  estimates  in  Figure  3b  indicate  that  elevated  CO

2

  may  potentially  offset 

calorie losses corresponding to a precipitation decrease by ~10% in the Mediterranean dryland.  

 

<FIGURE 3> 

 

3.3 Vulnerability to soil degradation 

Eastern and some Northern EU countries will be especially vulnerable if crops continued to be 

managed  with  BAU  input  intensity,  since  the  current  inputs  don’t  provide  the  capacity  to 

overcompensate  for  future  degradation-induced  nutrient  losses.  In  Eastern  Europe  apart  from 

Czechia, the vulnerability ranged between 21 and 32 Gcal ha

–1

 in Romania and Hungary (Figure 

4),  respectively,  while  the  highest  relative  loss  (>20%)  was  estimated  in  parts  of  Bulgaria, 

Romania,  Hungary  and  Slovakia  (Figure  S4).  The  uncertainty  range  across  individual  climate 

projection is presented in Figure 4. With current fertilization at 40–50% of the intensity needed 

for  crops  growing  without  nutrient  stress  (Figure  S3a),  nutrient  inputs  would  not  sufficiently 

compensate for weakening soil fertility under +2°C. An even higher vulnerability of >  40 Gcal 

ha

–1

 was simulated for the Baltic states with soil carbon loss due to warmer climate (Figure S5) 

amplifying  insufficient  nutrient  supply  under  the  BAU  scenario 

(

fertilization

  <

  40%  of  the 

intensity  under  P1).  The  fraction  of  calories  in  Eastern  European  and  the  Baltic  countries 

vulnerable to losses due to soil degradation is in most cases higher than the calorie yield gain due 

to climate change (Figure 1). Moreover, in Bulgaria and Romania, caloric yield vulnerability is 

over  40%  higher  when  irrigated  systems  alone  are  considered  (Figure  4).  Therefore,  soil 

degradation  may  negatively  outweigh  positive  impacts  of  +2°C  when  not  prevented  by 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 23

Figures and page graphics, page 23

adaptation  measures.  Western  European  states  are  generally  less  vulnerable  as  they  have  more 

capacity  to  overcompensate  soil  degradation  effects  via  sufficient  fertilizer  supply.  Current  N-

fertilization  intensities  are  at  60  to  140%  of  the  quantity  required  for  unstressed  plant  growth, 

offsetting harmful  effects of nutrient losses on degraded soils. Consequently  yield vulnerability 

only seldom exceeded 10% (Figure S4). In Southern Europe, rainfed systems would be little to 

moderately susceptible to soil degradation since the yield would be predominantly controlled by 

water deficit during the growing season (e.g. most of Spain and Greece).  

 

<FIGURE 4> 

 

Due to low level of fertilization, yield vulnerability at +2°C is largely driven by decreasing soil 

organic  matter  in  the  Baltic  states  and  Eastern  Europe  (Figure  S5).  For  example,  simulated 

carbon  stock  decreased  by  15–20%  in  the  Baltics  and  by  8–14%  in  eastern  countries  when 

KNMI projection is considered. Country-level median erosion rates calculated from all cropland 

were below 1 t ha

–1

 in all EU states, except for Ireland, Slovenia and Luxembourg, leading to an 

annual carbon loss ranging between 6 kg ha

–1

 in Denmark  and 120 kg ha

–1

 in Slovenia  (Table 

S6).  Losses  of  more  than  100  t  ha

–1 

in  extreme  years  were  simulated  especially  in  the 

Mediterranean  countries  (see  99

th

  percentiles  in  Table  S6).  However,  erosion  contributed  only 

little  to  the  national  yield  vulnerability  under  +2°C.  As  demonstrated  in  Figure  S6,  turning  off 

water erosion in the scenario with dynamic soil profile resulted in calorie yield impacts similar to 

the BAU-

dyn

 scenario in Figure 4, since sever erosion affected only a relatively small fraction of 

the production area. Soils affected by severe erosion of more than 20 t ha

–1 

a

–1

 in more than 5% 

of croplands were simulated especially in the Mediterranean region (Table S6). 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 24

Figures and page graphics, page 24

3.4 Uncertainty due to modelling temperature, CO

2

, and soil degradation responses 

A  considerable  range  of  yields  was  estimated  by  the  UA,  while  our  BAU-

con

  and  BAU-

dyn

 

simulations (mean values in green and blue colour, respectively) are located roughly in the mid-

range  of  the  respective  soil  handling  scenarios  (

con

  and 

dyn

  in  red  and  grey  colours, 

respectively).  Figure  5a  demonstrates  yield  uncertainty  induced  by  1)  varied  model  parameters 

and inputs, 2) atmospheric CO

2

 effect, and 3) spatial heterogeneity in natural conditions since all 

grids are plotted here.  

 

A  decrease  in  crop  calories  simulated  for  Lithuania  in  Section  3.3  is  robust  across  the  whole 

range of UA-

dyn

. The mean country-level yield declined between –30 and –65 Gcal ha

–1

 relative 

to the historic period. This is mainly due to decreasing root and winter crop productivity under 

the  degradation 

dyn

  scenario,  while  summer  crops  were  positively  impacted  (Figure  S7).  A 

similar though more uncertain effect of +10 to –60 Gcal ha

–1

 was estimated for Slovakia, owing 

to  very  heterogeneous  terrain  and  soils.  Uncertainty  in  soil  degradation  vulnerability,  which  is 

the difference between UA-

con

 and UA-

dyn

 in the +2°C period relative to the respective historic 

period, is substantial for all analysed countries, but the UA-mean values are in a good agreement 

with the BAU projections used in Section 3.3 (green and blue lines in Figure 5a).  

 

Importantly, at the scale of our study, avoiding conservation practices from the soil degradation 

scenario used in the vulnerability analysis (Section 3.3)  does not undermine conclusions driven 

for the +2°C period as the differences between BAU-

dyn

 and conservation UA-

dyn 

scenarios are 

marginal  there  (Figure  5a,  “Till  effect”  panel).  In  general,  historical  yields  under  emulated 

conservation  practices  are  on  average  85  to  95%  of  conventional  yields,  and  in  Belgium  it 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 25

Figures and page graphics, page 25

remains similar also in the future. The relative loss is higher in cooler regions of Lithuania and 

parts  of  Slovakia,  whilst  almost  equal  though  less  variable  calorie  yields  are  estimated  in 

Portugal.  Yields  in  the  conventional  scenario  (blue  line)  decline  faster  compared  to  the 

conservation  scenario  (purple line)  in  Slovakia and  Lithuania, suggesting that soil conservation 

slows down the decline in yields by mitigating soil degradation effects.  

 

In the 

con

  scenario, elevated  CO

2

  stimulated calories by 40  Gcal  ha

–1 

in  Belgium, where crops 

largely  benefit  from  direct  CO

2

  effect  due  to  ample  fertilization  and  high  precipitation.  This  is 

not  the  case  in  Slovakia,  Portugal  and  Lithuania  though,  where  simulated  yields  are  to  a  great 

extent limited by nutrient or water deficiency, and CO

2

-induced yield gain is lower (~20 Gcal ha

–

1

)  under  no  degradation,  and  there  is  no  effect  in  the  degradation  scenario  (Figure  5a,  “CO

2

 

effect”  panel).  With  atmospheric  CO

2

  fixed  at  360  ppm,  rising  temperature  would  have  a 

negative  effect  on  simulated  mean  calorie  yield  in  all  analysed  countries  except  for  a  small 

stimulus of mild warming up to 1.5°C in Slovakia (dashed boxes in Figure 5b). The temperature-

related impact uncertainty is considerably large due to site heterogeneity, particularly in Portugal 

and Slovakia: from –80 to +50 Gcal ha

–1

 and –45 to +35 Gcal ha

–1

, respectively, when +2°C of 

regional warming is considered. Elevated CO

2

 (490 to 605 ppm in the +2°C period) significantly 

increased  calorie  yields  in  all  countries  and  warming  intervals  (

T)  compared  to  constant  CO

2

 

scenario (paired 

t

-test 

P

<0.001). Importantly, the growth increment due to CO

2

 elevated by ~200 

ppm offset temperature increase of +2°C in Belgium, Lithuania and Portugal, and even a higher 

warming in Slovakia (Figure 5b). The cooler regions in higher altitudes demonstrate larger yield 

increases  along  the  temperature  gradient  (data  not  shown),  contributing  largely  to  the  overall 

yield uncertainty in Figure 5b. 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 26

Figures and page graphics, page 26

 

In summary, elevated CO

2 

overcompensated the negative impacts of local +2°C warming across 

the whole range of UA in Lithuania and to a lesser extent in other analysed countries under the 

no-degradation  scenario  (C+CO

2

  versus  C–CO

2

  in  Figure  5c).  Soil  degradation  (D+CO

2

) 

robustly  decreased  the  CO

2

-induced  yield  gain  in  Belgium,  or  even  reverse  the  impact  sign  in 

most cases in Lithuania, Slovakia and Portugal. Unlike in Belgium, the contribution of elevated 

CO

2

 is only marginal under the degradation scenario in Lithuania, Slovakia and Portugal where 

yields are dominated by nutrient limitations, and CO

2

 cannot compensate for the combined effect 

of  warming  and  degradation  (D+CO

2

  and  D–CO

2

  in  Figure  5c).  In  the  degradation  scenario, 

conservation  practices  (Dc  in  Figure  5c)  reduced  the  country-mean  yield  losses,  especially  in 

Lithuania, and reduced UA ranges in all analysed countries under both CO

2

 scenarios.  

 

<FIGURE 5> 

 

3.5 Bracketing crop intensification uncertainties 

Extrapolation  of  BAU  crop  fertilization  and  irrigation  management  towards  the  time  period  of 

the +2°C threshold represents a considerable source of uncertainty. In this analysis, we used the 

calorie yields theoretically achievable in high-input agricultural systems under scenarios P1 and 

P2  to  bracket  this  uncertainty.  Mean  ranges  between  the  BAU  projections  and  the  respective 

high-input  system  yields  are  summarized  in  Table  4.  In  general,  the  yield  differences  between 

high-input scenario P1 and BAU are about two (e.g. Belgium and Netherlands) to fifty (Portugal) 

times  higher  than  the  projected  climate  impacts  presented  in  Section  3.1,  indicating  that  crop 

intensification  has  the  potential  to  greatly  boost  the  benefits  from  climate  change  in  most  of 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 27

Figures and page graphics, page 27

Europe  as  well  as  outweigh  possible  negative  effect  in  the  south  (not  taking  into  account 

resource constraints).  

 

<TABLE 4> 

 

The production uncertainty ranges between 30 and 85 Gcal ha

–1

 in most of Northern and Western 

European countries, with the largest relative values in the Baltics. Particularly large ranges were 

estimated in France due to irrigation intensification (P1) and expansion (P2) adaptations: almost 

60% in the latter scenario. However, compensation for water stress in order to approach the P1 

productivity  on  currently  irrigated  cropland  would  require  about  100  mm  (10–200  mm)  of  net 

irrigation annually when averaged across all  winter and spring crops (except for rice), which is 

about  two  times  more  than  water  demand  simulated  for  the  present  days  under  BAU 

management (Figure S8b).  

 

A  considerable  uncertainty  along  the  crop  intensification  gradient  is  estimated  also  in  Eastern 

Europe:    47–78  Gcal  ha

–1 

and  70–182  Gcal  ha

–1

  for  scenarios  P1  and  P2,  respectively. 

Approaching  the  P1  and  P2  yields  would  require  a  substantial  increase  in  fertilizer  inputs 

particularly  in  Romania,  Bulgaria  and  Hungary  compared  to  today  (Figure  S8a).  In  addition, 

future  irrigation  capacity  contributes  significantly  to  the  overall  uncertainty  in  the  Pannonian 

basin. A much smaller yield difference between BAU and P1 (60–80 Gcal ha

–1

) compared to P2 

(130–180 Gcal ha

–1

) points to a large uncertainty due to possible expansion of irrigated cropland. 

However, high net irrigation water requirement of 140–200 mm a

–1

 crop

–1

 on average, and more 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 28

Figures and page graphics, page 28

than  250  mm  a

–1 

crop

–1

  in  some  regions  (Figure  S8b)  would  render  irrigation  expansion 

challenging. 

 

Possible  expansion  and  intensification  of  irrigated  cropland  represents  a  large  projection 

uncertainty also in Southern Europe, mainly in Spain, Greece, Portugal and Italy. Many regions 

demonstrate only a limited response to management intensification if currently irrigated cropland 

is not expanded under P1: 60 Gcal ha

–1

 in Spain and Greece, and about 80–100 Gcal ha

–1

 in Italy, 

Portugal  and  Slovenia.  With  expansion  of  irrigated  cropland  under  P2  though,  the  calorie 

production  under  +2°C  may  exceed  300  Gcal  ha

–1

,  corresponding  to  a  substantial  production 

uncertainty  of  more  than  200  Gcal  ha

–1

  in  many  regions  (Table  4).  However,  approaching  this 

hypothetical  productivity  would  mean  a  net  irrigation  requirement  of  more  than  250  mm  a

–1 

crop

–1

 (160 mm in Italy and 60 mm in Slovenia) on almost all available cropland (Figure S8b).  

 

4 Discussion 

Business-as-usual crop management with transient CO

2

 effects and without soil degradation are 

standard assumptions in large-scale crop yield impact projections (Elliott et al., 2014; Müller et 

al.,  2015;  Rosenzweig  et  al.,  2014).  In  summary,  our  BAU-

con

  simulations  with  transient 

atmospheric CO

2

 agree with general expectations of: 

 

(1)

 

a positive effect of warming and elevated CO

2

 in Northern Europe and expansion of summer 

crops  on  existing  cropland  further  north  (cf.  Audsley  et  al.,  2006;  Eckersten  et  al.,  2001; 

Hildén et al., 2005; Knox et al., 2016; Olesen et al., 2007; Tuck et al., 2006),  

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 29

Figures and page graphics, page 29

(2)

 

CO

2

-induced  growth  stimulus  offsetting  a  decline  in  crop  productivity  (especially  cereals) 

due  to  shortened  growing  periods  for  most  of  Europe  (cf.  Asseng  et  al.,  2015;  Lobell  & 

Field, 2007; Supit et al., 2010)

,

 and

 

(3)

 

spatially  variable  and  insufficiently  robust  impacts  in  Southern  and  South-Eastern  Europe, 

with a productivity decrease in the most southern and driest areas but an increase in cooler 

regions (cf. Audsley et al., 2006; Giannakopoulos et al., 2005; Müller et al., 2015; Olesen et 

al., 2007; Santos et al., 2002). 

However,  many  important  aspects  of  future  crop  production  may  remain  unnoticed  with  these 

“standard” projections, including soil degradation (Louwagie et al., 2011) or future advances in 

agriculture  (Ewert  et  al.,  2005),  which  we  have  addressed  herein.  There  are  also  other  caveats 

concerning  the  reliability  of  large-scale  assessments  such  as  ours,  which  are  discussed  in  the 

following sections.  

 

4.1 Temperature and elevated CO

2

 effect 

Our  simulations  suggest  that  direct  fertilization  effect  of  rising  CO

2

  has  the  potential  to 

overcompensate negative effects of increased temperature in  irrigated and high-rainfall systems 

as  well  as  in  some  water-limited  systems  in  EU  (Section  3.2).  The  overcompensation  is 

sufficiently  robust  across  the  whole  range  of  uncertainty  analysis  for  high-input  systems  in 

Western Europe (Belgium), but it can be undermined by synergic interactions of soil degradation 

and insufficient fertilization (e.g. Lithuania in Section 3.4). The reliability of our projections thus 

critically  depends  on  EPIC’s  ability  to  simulate  crop  yields  response  to  increased  temperature 

and elevated CO

2

. Long et al. (2006) raised concern that biophysical models including EPIC may 

overestimate  (by  ~50%)  the direct  CO

2

  fertilization effects, which  was  later disputed  (Ewert et 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 30

Figures and page graphics, page 30

al.,  2007;  Kimball,  2016;  Tubiello  et  al.,  2007).  Figure  S10  in  the  Supporting  Information 

demonstrates, in a generic way, how the most important crops (C

3

 wheat and C

4

 maize) respond 

to  temperature  increase  and  elevated  CO

2

  in  our  pan-EU  EPIC,  allowing  comparison  to 

published  outcomes.  In  summary,  our  results  agree  fairly  well  with  temperature  and  elevated 

CO

2

 effects experienced in field experiments and field-scale modelling: 

 

(1)

 

A  negative  response  of  wheat  yields  to  increasing  temperature  at  the  current  atmospheric 

CO

2

  concentration  in  most  European  environments  simulated  by  EPIC  is  in  a  good 

agreement with results obtained from 30 different wheat  field models described by Asseng 

et al. (2015), and such response has also been evidenced in field experiments (Ottman et al., 

2012).  A  positive  effect  on  rainfed  yields  in  arid  conditions  (Southern  Europe  in  Figure 

S10), where accelerated crop growth may prevent plant water and temperature stress later in 

the season, was also documented by Asseng et al. (2013). 

 

(2)

 

A 10–20% yield gain stimulated by +200 ppm of CO

2

 at present temperature as simulated by 

EPIC (+0°C bin in Figure S10a,b) is in accordance with wheat experimental data (Ainsworth 

& Long, 2004; Kimball, 2016; O’Leary et al., 2015). Roughly similar average gains under 

+200 ppm of CO

2

 were also reported for other C

3

 crops, including rice and barley, soy bean, 

potatoes and sugar beet by Kimball (2016).  

(3)

 

A higher  response  to  elevated  CO

2

  under  rainfed  compared  to  irrigated  conditions  can  be 

attributed to improved water use-efficiency as has been reported also from field experiments 

(e.g. Kimball, 2016). A combined effect of CO

2

 fertilization and reduced transpiration may 

partly off-set negative impacts on C

3

 crops in dry regions, although  the full advantage from 

elevated CO

2

 can only be realized when irrigated (e.g. Dono et al., 2016). 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 31

Figures and page graphics, page 31

(4)

 

In accordance with the under-laying experimental data used to parameterize EPIC (Kimball, 

1983),  simulated  maize  yields  demonstrate  ~10%  increase  due  to  CO

2

  concentration 

elevated  from  360  to  550  ppm  in  both  rainfed  and  irrigated  conditions.  However,  recent 

analyses indicate that maize may have only marginal or no  yield response to elevated CO

2

 

under ample water supply, while more substantial response of about 18% has been reported 

for  water-limited  environments  (Kimball,  2016).  This  overestimation  in  maize  response  to 

elevated CO

2

 may contribute to cancelling out the negative effects of warming, especially in 

Southern Europe (Figure S10c,d).

 

 

4.2 Soil degradation concept 

Future soil degradation and its impacts on crop production is unknown and uncertain by nature 

since  it  will  depend  on  intensity  of  hazardous  processes,  exposure,  vulnerability,  and  cropland 

management.  In  this  study  we  quantify  vulnerability  (Oppenheimer  et  al.,  2014)  as  a 

“predisposition” of calorie yields to be adversely affected by soil degradation. From a variety of 

degradation  processes  (e.g.  Louwagie  et  al.,  2011)  we  address  the  decline  in  fertility  due  to 

nutrient and soil organic matter depletion and soil erosion. Other degradation processes, such as 

soil structure decline, salinization or acidification, are not represented here (see also Text S3). As 

expected, fertilization is the dominant factor controlling yield vulnerability in this study since it 

determines the capacity to offset the degradation-induced nutrient losses. Fertilization intensity, 

which is a fraction of BAU fertilization over fertilization needed for crop yields without nutrient 

stress (scenario P1), explains more than 50% of variability in the 

Vs

 values (Figure S3a). On the 

contrary,  irrigation  intensity  has  only  a  small  effect  on  yield  vulnerability  (Figure  S3b), 

suggesting that the soil’s ability to supply water is affected less at our scale of analysis. Changes 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 32

Figures and page graphics, page 32

in hydro-physical soil properties (wilting point and field water capacity) as simulated by pan-EU 

EPIC  are  of  inferior  importance  compared  to  the  changes  in  soil  organic  matter  pool  (Figure 

S11).  More  detailed  description  and  discussion  with  this  respect  is  provided  in  Text  S3  in  the 

Supporting  Information.  It  should  be  noted  that  our  concept  does  not  account  for  processes  of 

organic  carbon  and  nutrient  redistribution,  which  contribute  additional  uncertainty  on  soil 

vulnerability (e.g. Paustian et al., 2016).   

 

Intensive fertilization may  indeed overcome limitations due to soil degradation by SOC loss so 

that crop yields are not affected (Holland, 2004), but it may also lead to environmental pollution 

(Sutton,  2011)  and  adverse  trends  in  soil  health  hampering  future  production  (Squire  et  al., 

2015).  Therefore,    soil  conservation  has  been  recognized  as  a  prominent  adaptation  strategy 

when  coping  with  soil  degradation  (Bindraban  et  al.,  2012;  Montanarella,  2015).  Given  the 

diversity of practices in conservation agriculture and a lack of consolidated data in Europe (e.g. 

Merante  et  al.,  2017),  conservation  practices  are  not  explicitly  included  in  out  vulnerability 

assessment in Section 3.3. We examine possible implications of avoiding conservation practices 

for our analysis in Section 3.4 by analysing the calorie yields simulated under assumptions of 1) 

low  intensity  of  soil  disturbance,  2)  high  crop  residue  return,  3)  mulching,  4)  manure 

fertilization,  5)  and  high  erosion  control  (see  Table  3),  i.e.  measures  known  to  enhance  soil 

quality (Lal, 2004). First, the effects of conservation practices generated by pan-EU EPIC are in 

general  accordance  with  expectations:  our  historical  yields  under  conservation  practices  are  on 

average  85  to  95%  of  conventional  yields  (de  Ponti  et  al.,  2012;  Soane  et  al.,  2012),  and  the 

relative  loss  is  higher  in  cooler  regions  (Lithuania),  whilst  almost  equal  though  less  variable 

calorie  yields  are  estimated  in  Portugal.  Indeed,  conservation  practices  are  particularly 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 33

Figures and page graphics, page 33

appropriate  in  semi-arid  regions  where  they  allow  for  better  water  management  and  erosion 

control (Pittelkow et al., 2015; Soane et al., 2012). Second, avoiding conservation practices does 

not undermine the robustness of our vulnerability analysis (see Section 3.3). 

 

Many studies identified water erosion among major soil threats with a negative impact on crop 

production,  both  in  terms  of  affected  area  and  impact  intensity  (Holland,  2004;  Panagos  et  al., 

2015).  However,  given  the  scale  and  design  of  our  study,  erosion  contributed  only  little  to  the 

national  calorie  yield  vulnerability.  With  ~3.5  t  ha

–1 

we  slightly  underestimated  the  average 

annual  erosion  rate  in  EU  croplands  compared  to  5  t  ha

–1 

estimated  by  Panagos  et  al.  (2015) 

when the corresponding  time periods are considered. Besides,  we  estimated  that approximately 

9% of EU croplands is currently affected by soil loss of more than 5 t ha

–1 

a

–1

 (data not shown), 

while Panagos et al. (2015) reported ~13%. Therefore, we assume that the soil erosion effects on 

yields  may  be  underestimated  in  our  study.  It  is  worth  noting  that  only  deep  soils  were 

considered in this study (see Text S3), which may have contributed to the underestimation of soil 

loss impacts on crop yields.  

 

4.3 Crop intensification implications 

Large  yield  potentials  (scenario  P1  and  P2,  Section  3.5)  suggest  that  possible  future 

intensification of fertilization and irrigation may represent a substantial uncertainty for projected 

calorie  yields  at  +2°C  (Table  4).  Looking  back,  we  learn  that  crop  intensification  was 

undoubtedly  among  main  drivers  of  yield  increase  in  the  past.  For  example,  wheat  yields  in 

Europe have nearly tripled since 1960 because of intensification and improved crop management 

(Ewert  et  al.,  2007).  However,  regardless  of  the  untapped  future  potential,  major  changes 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 34

Figures and page graphics, page 34

towards  more  intensive  fertilization  are  foreseen  only  by  farmers  in  the  northernmost  regions 

and,  to  a  lesser  extent,  in  continental  and  Pannonia  zones  (Olesen  et  al.,  2011).  In  fact,  more 

intensive fertilization is not a policy option for Central and Western European croplands because 

of  serious  pollution  of  ground  and  surface  waters  in  many  watersheds  and  aquifers.  Besides, 

assuming that a maximum ~80% of the yield potential can be utilized by farmers (van Ittersum et 

al.,  2013;  Lobell  et  al.,  2009),  the  BAU  fertilization  already  provides  sufficient  supply  to 

capitalize from +2°C in most of Western and Northern Europe, except for the Baltics. Improved 

fertilizer  use  efficiency  in  particular  of  organic  fertilizers  together  with  other  technological 

developments and breeding are likely options in those high-intensity regions in order to comply 

with the EU environmental policies (Levers et al., 2016). In Eastern and South-Eastern Europe, 

though,  increased  fertilizer  application  is  likely  required  to  take  the  advantage  of  the  +2°C 

warming.  Increasing  trends  in  fertilizer  application  rates  are  already  reality  in  some  countries, 

such as Czechia or Poland  (Levers et al., 2016; Sutton, 2011). Future development will strongly 

depend on economic and political boundary conditions, including agricultural and environmental 

policies in the EU. 

 

Irrigation  availability  will  doubtlessly  determine  future  yields  in  dry  zones  of  Southern  and 

Pannonian Europe (Section 3.5). Expansion of irrigation on rainfed cropland  under scenario P2 

and intensification of  the existing  irrigation systems  under scenario P1  bracket  large  projection 

uncertainties in  these regions  (Table 4). However, even when targeting at  80% of the potential 

productivity,  the  net  irrigation  requirement  would  about  double  on  currently  irrigated  cropland 

compared  to  today,  and  approximately  the  same  quantity  would  be  needed  on  vast  areas  of 

currently  rainfed  cropland  in  case  of  irrigation  expansion  (Figure  S8b).  Out  of  the  options 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 35

Figures and page graphics, page 35

evaluated  here,  water  availability  will  therefore  be  the  key  factor  for  future  intensification. 

Probably  due  to  concerns  about  future  water  scarcity  (Elliott  et  al.,  2014;  Lehner  et  al.,  2006) 

large irrigation expansion for food crops is not expected by farmers in very dry zones (Olesen et 

al., 2011).  

 

Besides intensification of nutrient and water managements, other adaptation options, policies and 

market-driven changes represent additional drivers and uncertainties of future calorie yields that 

are not addressed in this study.  

 

4.4 General limitations of the modelling approach 

Despite efforts to quantify and bracket uncertainties, limitations remain in our large-scale study 

especially  with  respect  to  insufficiently  captured  heterogeneity  in  crop  management  practices, 

including distribution of crop varieties, cultivation practices, fertilization and irrigation allocation 

to  individual  crops  (Balkovič  et  al.,  2013,  2014;  Wriedt  et  al.,  2009),  under-performing 

calibration  with  respect  to  climate  change  (Xiong  et  al.,  2016),  insufficiently  captured  soil 

heterogeneity (Folberth, Skalský, et al., 2016), uncertainty of crop yield aggregations (Porwollik 

et al., 2016), and may lack relevance at small scales (van Ittersum et al., 2013).  

 

There  are  also  limits  concerning  the  bio-physical  models’  ability  to  represent  extreme  weather 

events.  Increased  frequency  and  intensity  of  extreme  heat,  drought  or  heavy  rains  will 

doubtlessly  undermine  future  yield  production.  For  example,  heat  can  cause  water  stress  by 

increased atmospheric water demand and depletion of soil water as well as it can directly damage 

plant  tissues,  impair  flowering,  trigger  oxidative  stress  or  lower  net  photosynthesis  rates 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 36

Figures and page graphics, page 36

(Schauberger  et  al.,  2017).  Lacking  representation  of  heat  shocks  in  bio-physical  crop  models 

could lead to an overestimation of positive impacts. More intensive rainfall (Figure S12) can also 

hamper future  yields. For the +2°C of global warming, Vautard et al. (2014) projected a robust 

increase  in  heavy  precipitation  events  everywhere  except  Southern  Europe  in  summer,  with 

amplitudes  in  the  range  0–20%.  However,  EPIC,  as  other  crop  models,  fails  to  capture  the 

negative  impacts  of  heavy  rain  and  extremely  wet  conditions.  Long-term  impacts  presented  in 

this  study  should  be  less  sensitive  to  such  models’  deficiencies  with  respect  to  the  extreme 

weather events though.   

 

Although  elevated  CO

2

  increases  the  total  protein  content  in  crop  yield,  it  reduces  its 

concentration and thus negatively affects nutritional value of food (Haddad et al., 2016; Myers et 

al., 2014; Wieser et al., 2008). This aspect is not accounted for in our analysis, but should be kept 

in mind.  

 

Currently, the use of multiple crop models has become the norm to characterize the uncertainty 

in climate impacts on crops (Asseng et al., 2015; Müller et al., 2016; Rosenzweig et al., 2014). 

At  the  same  time  though,  the  wide  range  and  limited  comparability  of  regional  outputs,  even 

among models with similar biophysical algorithms, raise some concern (Folberth, Elliott, et al., 

2016).  Given  the  limitations  on  both  sides,  the  skills  of  pan-European  EPIC  against  the  multi-

model approach should be explored.    

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 37

Figures and page graphics, page 37

5 Conclusions 

Assuming  current  crop  management  practices  and  increasing  CO

2

  concentrations,  a  robustly 

positive calorie yield change of 5 to 20% under future +2°C scenarios was simulated for the EU 

except for some NUTS2 regions in Bulgaria, Romania, Portugal, Spain, Greece and Italy (Figure 

2). Owing to inherent uncertainty in EURO-CORDEX projections, the impact results are largely 

uncertain  in  these  regions  (form  –10%  up  to  30%  at  5

th

  to  95

th

  percentiles),  and  they  are  well 

below the acceptable threshold for robustness.  

 

The positive impact is mostly stimulated by 1) CO

2

 fertilization effect, and 2) improved growing 

season  temperatures  for  summer  crops  in  Northern  Europe  and  in  higher  altitudes.  The 

projections suggest that 100 to 200 ppm more CO

2

 in the atmosphere under +2°C  compared to 

the baseline  will  overcompensate  otherwise mostly negative, or only a slightly positive, effects 

of warming in temperature limited (high-rainfall and irrigated) systems as well as in some water-

limited environments  in  Europe (Figure 3).  There are some caveats  concerning the  fertilization 

effect  of  elevated  CO

2

.  For  example,  the  impacts  on  temperature-limited  systems  would  be 

considerably smaller, but still mostly positive, when only ~50% efficiency of CO

2

 fertilization is 

considered  (roughly  halfway  between  the  circles  in  Figure  3a):  about  10%  or  less  in  most 

countries  of  Western,  Northern  and  Eastern  Europe.  The  impacts  on  water-limited  systems  of 

Southern  and  South-Eastern  Europe  will  be  even  more  uncertain,  varying  between  slightly 

negative and positive. A possible overestimation in maize response to elevated CO

2

 in EPIC may 

contribute to lessening out the negative effects of warming, especially in Southern Europe. 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 38

Figures and page graphics, page 38

Soil  degradation  in  terms  of  SOM  decrease  could  be  a  serious  threat  for  European  agriculture 

under  +2°C  warming.  Potential  yield  losses  of  more  than  20%  in  some  Eastern  European  and 

Baltic regions may undermine the positive impact of elevated CO

2

 and warming if soil nitrogen 

status degradation is not prevented. At a country level, soil erosion contributed only little to the 

calorie  yield  vulnerability  since  severe  erosion  affected  only  a  small  fraction  of  cropland  area. 

Nutrient status is more undermined by organic matter mineralization, nutrient leaching and loss 

from nitrogen export through harvested products. Agricultural systems with currently insufficient 

fertilization are especially vulnerable since they don’t have the capacity to 1) overcompensate for 

losses  due  to  nutrient  depletion,  and  2)  benefit  from  rising  CO

2

  and  warming.  In  contrast, 

fertilization  surplus  in  some  Western  European  countries  provides  sufficient  capacity  to  cope 

with  soil  degradation.  It  should  be  noted  that  in  spite  of  the  robust  response  to  fertilization 

intensity (Figure S3a), the vulnerability analysis is burdened by a considerable uncertainty due to 

modelling  of  soil  processes  and  crop  management  practices  as  quantified  in  Section  3.4. 

Nevertheless,  this  study  is  a  pioneering  attempt  to  address  yield  vulnerability  to  future  soil 

degradation. 

 

The  highest  uncertainty  range  is  related  to  future  intensification  options.  The  uncertainty 

bracketed by scenarios P1 and P2 is  about  two to  fifty times higher than the projected impacts 

due  to  climatic  changes.  More  intensive  fertilization  and  irrigation  provide  the  potential  to 

overcompensate the synergic effects of warming and soil degradation, while still increasing the 

calorie yield significantly. 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 39

Figures and page graphics, page 39

Acknowledgments 

J.B., R.S., C.F., N.K.  and M.O. acknowledge support from  EU  FP7 project  IMPACT2C (grant 

no.  282746)  and  the  European  Research  Council  Synergy  grant  IMBALANCE-P  (grant  no. 

ERC-2013-SynG-610028).  M.M  acknowledges support from  the Ministry  of Agriculture of the 

Czech  Republic  (projects  no.  RO0416  and  QJ1610547).  Model  input  data  were  obtained  from 

sources listed in Table 1. Crop management data needed to reproduce our simulations and data 

underlying  the  figures  are  available  at

 

http://pure.iiasa.ac.at/15104/  (DOI:  10.22022/ESM/02-

2018.15104). We used the EPIC v.0810 model version available from https://epicapex.tamu.edu. 

 

References 

Ainsworth,  E.  A.,  &  Long,  S.  P.  (2004).  What  have  we  learned  from  15  years  of  free-air  CO2 

enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy 
properties and plant production to rising CO2: Tansley review. 

New Phytologist

, 

165

(2), 

351–372. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2004.01224.x 

Asseng, S., Ewert, F., Rosenzweig, C., Jones, J. W., Hatfield, J. L., Ruane, A. C., … Wolf, J. 

(2013).  Uncertainty  in  simulating  wheat  yields  under  climate  change. 

Nature  Climate 

Change

. https://doi.org/10.1038/nclimate1916 

Asseng,  S.,  Ewert,  F.,  Martre,  P.,  Rötter,  R.  P.,  Lobell,  D.  B.,  Cammarano,  D.,  …  Zhu,  Y. 

(2015).  Rising  temperatures  reduce  global  wheat  production. 

Nature  Climate  Change

, 

5

(2), 143–147. https://doi.org/10.1038/nclimate2470 

Audsley,  E.,  Pearn,  K.  R.,  Simota,  C.,  Cojocaru,  G.,  Koutsidou,  E.,  Rounsevell,  M.  D.  A.,  … 

Alexandrov, V. (2006). What can scenario modelling tell us about future European scale 
agricultural  land  use,  and  what  not? 

Environmental  Science  &  Policy

, 

9

(2),  148–162. 

https://doi.org/10.1016/j.envsci.2005.11.008 

Balkovič,  J.,  van  der  Velde,  M.,  Skalský,  R.,  Xiong,  W.,  Folberth,  C.,  Khabarov,  N.,  … 

Obersteiner,  M.  (2014).  Global  wheat  production  potentials  and  management  flexibility 
under  the  representative  concentration  pathways. 

Global  and  Planetary  Change

, 

122

, 

107–121. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2014.08.010 

Balkovič,  J.,  van  der  Velde,  M.,  Schmid,  E.,  Skalský,  R.,  Khabarov,  N.,  Obersteiner,  M.,  … 

Xiong, W. (2013). Pan-European crop modelling with EPIC: Implementation, up-scaling 
and 

regional 

crop 

yield 

validation. 

Agricultural 

Systems

, 

120

, 

61–75. 

https://doi.org/10.1016/j.agsy.2013.05.008 

Basso,  B.,  Hyndman,  D.  W.,  Kendall,  A.  D.,  Grace,  P.  R.,  &  Robertson,  G.  P.  (2015).  Can 

Impacts  of  Climate  Change  and  Agricultural  Adaptation  Strategies  Be  Accurately 
Quantified  if  Crop  Models  Are  Annually  Re-Initialized? 

PLOS  ONE

, 

10

(6),  e0127333. 

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0127333 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 40

Figures and page graphics, page 40

Bindraban, P. S., van der Velde, M., Ye, L., van den Berg, M., Materechera, S., Kiba, D. I.,  … 

van  Lynden,  G.  (2012).  Assessing  the  impact  of  soil  degradation  on  food  production. 

Current 

Opinion 

in 

Environmental 

Sustainability

, 

4

(5), 

478–488. 

https://doi.org/10.1016/j.cosust.2012.09.015 

Challinor,  A.  J.,  Ewert,  F.,  Arnold,  S.,  Simelton,  E.,  &  Fraser,  E.  (2009).  Crops  and  climate 

change: progress, trends, and challenges in simulating impacts and informing adaptation. 

Journal of Experimental Botany

, 

60

(10), 2775–2789. https://doi.org/10.1093/jxb/erp062 

Dono, G., Cortignani, R., Dell’Unto, D., Deligios, P., Doro, L., Lacetera, N., … Roggero, P. P. 

(2016). Winners and losers from climate change in agriculture: Insights from a case study 
in 

the 

Mediterranean 

basin. 

Agricultural 

Systems

, 

147

, 

65–75. 

https://doi.org/10.1016/j.agsy.2016.05.013 

Eckersten, H., Blombäck, K., Kätterer, T., & Nyman, P. (2001). Modelling C, N, water and heat 

dynamics  in  winter  wheat  under  climate  change  in  southern  Sweden. 

Agriculture, 

Ecosystems 

& 

Environment

, 

86

(3), 

221–235. 

https://doi.org/10.1016/S0167-

8809(00)00284-X 

Elliott, J., Deryng, D., Müller, C., Frieler, K., Konzmann, M., Gerten, D., … Wisser, D. (2014). 

Constraints and potentials of future irrigation water availability on agricultural production 
under climate change. 

Proceedings of the National Academy of Sciences

, 

111

(9), 3239–

3244. https://doi.org/10.1073/pnas.1222474110 

Ewert,  F.,  Rounsevell,  M.  D.  A.,  Reginster,  I.,  Metzger,  M.  J.,  &  Leemans,  R.  (2005).  Future 

scenarios  of  European  agricultural  land  use. 

Agriculture,  Ecosystems  &  Environment

, 

107

(2–3), 101–116. https://doi.org/10.1016/j.agee.2004.12.003 

Ewert, F., Porter, J. R., Rounsevell;, M. D. A., Long, S. P., Ainsworth, E. A., Leakey, A. D. B., 

…  Schimel,  D.  (2007).  Crop  Models,  CO2,  and  Climate  Change. 

Science

, 

315

(5811), 

459c–460c. https://doi.org/10.1126/science.315.5811.459c 

Folberth, C., Skalský, R., Moltchanova, E., Balkovič, J., Azevedo, L. B., Obersteiner, M., & van 

der  Velde,  M.  (2016).  Uncertainty  in  soil  data  can  outweigh  climate  impact  signals  in 
global 

crop 

yield 

simulations. 

Nature 

Communications

, 

7

, 

11872. 

https://doi.org/10.1038/ncomms11872 

Folberth, C., Elliott, J., Müller, C., Balkovic, J., Chryssanthacopoulos, J., Izaurralde, R. C., … 

Wang,  X.  (2016).  Uncertainties  in  global  crop  model  frameworks:  effects  of  cultivar 
distribution, crop management and soil handling on crop yield estimates. 

Biogeosciences 

Discussions

, 1–30. https://doi.org/10.5194/bg-2016-527 

Gerik, T., Williams, J., Francis, L., Greiner, J., Magre, M., Meinardus, A., … Taylor, R. (2013). 

Environmental Policy Integrated Climate Model. User’s manual version 0810. Retrieved 
from http://epicapex.tamu.edu/epic 

Giannakopoulos, C.,  Bindi,  M.,  Moriondo, M.,  LeSager, P., &  Tin, T. (2005). Climate Change 

Impacts  in  the  Mediterranean  Resulting  from  a  2°C  Global  Temperature  Rise.  WWF 
report, Gland Switzerland. 

Haddad, L., Hawkes, C., Webb, P., Thomas, S., Beddington, J., Waage, J., & Flynn, D. (2016). 

A 

new 

global 

research 

agenda 

for 

food. 

Nature

, 

540

(7631), 

30–32. 

https://doi.org/10.1038/540030a 

Hildén,  M.,  Lehtonen,  H.,  Bärlund,  I.,  Hakala,  K.,  Kaukoranta,  T.,  &  Tattari,  S.  (2005).  The 

practice and process of adaptation in Finnish agriculture. FINADAPT Working Paper 5. 
Helsinki, Finnish Environment Institute Mimeographs,. 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 41

Figures and page graphics, page 41

Holland,  J.  M.  (2004).  The  environmental  consequences  of  adopting  conservation  tillage  in 

Europe: reviewing the evidence. 

Agriculture, Ecosystems  & Environment

, 

103

(1), 1–25. 

https://doi.org/10.1016/j.agee.2003.12.018 

van Ittersum, M. K., Cassman, K. G., Grassini, P., Wolf, J., Tittonell, P., & Hochman, Z. (2013). 

Yield gap analysis with local to global relevance—A review. 

Field Crops Research

, 

143

, 

4–17. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2012.09.009 

Izaurralde,  R.  C.,  Williams,  J. R.,  McGill,  W.  B.,  Rosenberg,  N.  J.,  & Jakas,  M.  C.  Q.  (2006). 

Simulating soil C dynamics with EPIC: Model description and testing against long-term 
data. 

Ecological 

Modelling

, 

192

(3–4), 

362–384. 

https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2005.07.010 

Izaurralde, R. C., McGill, W. B., & Williams, J. R. (2012). Development and Application of the 

EPIC  Model  for  Carbon  Cycle,  Greenhouse  Gas  Mitigation,  and  Biofuel  Studies.  In 

Managing  Agricultural  Greenhouse  Gases

  (pp.  293–308).  Elsevier.  Retrieved  from 

http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780123868978000176 

Jacob,  D.,  Petersen,  J.,  Eggert,  B.,  Alias,  A.,  Christensen,  O.  B.,  Bouwer,  L.  M.,  …  Yiou,  P. 

(2014). EURO-CORDEX: new high-resolution climate change projections for European 
impact 

research. 

Regional 

Environmental 

Change

, 

14

(2), 

563–578. 

https://doi.org/10.1007/s10113-013-0499-2 

Jaggard,  K.  W.,  Qi,  A.,  &  Ober,  E.  S.  (2010).  Possible  changes  to  arable  crop  yields  by  2050. 

Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society  B:  Biological  Sciences

, 

365

(1554), 

2835–2851. https://doi.org/10.1098/rstb.2010.0153 

Kimball, B. A. (1983). Carbon Dioxide and Agricultural Yield: An Assemblage and Analysis of 

430 

Prior 

Observations1. 

Agronomy 

Journal

, 

75

(5), 

779. 

https://doi.org/10.2134/agronj1983.00021962007500050014x 

Kimball,  Bruce  A. (2016). Crop responses to elevated CO2 and interactions  with  H2O, N, and 

temperature. 

Current 

Opinion 

in 

Plant 

Biology

, 

31

, 

36–43. 

https://doi.org/10.1016/j.pbi.2016.03.006 

Knox,  J.,  Daccache,  A.,  Hess,  T.,  &  Haro,  D.  (2016).  Meta-analysis  of  climate  impacts  and 

uncertainty  on  crop  yields  in  Europe. 

Environmental  Research  Letters

, 

11

(11),  113004. 

https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/11/113004 

Knutti, R., & Sedláček, J. (2012). Robustness and uncertainties in the new CMIP5 climate model 

projections. 

Nature 

Climate 

Change

, 

3

(4), 

369–373. 

https://doi.org/10.1038/nclimate1716 

Köble,  R.  (2014). 

The  Global  Nitrous  Oxide  Calculator  –  GNOC  –  Online  Tool  Manual

. 

European 

Union. 

Retrieved 

from 

http://gnoc.jrc.ec.europa.eu/documentation/The_Global_Nitrous_Oxide_Calculator_User
_Manual_version_1_2_4.pdf 

Lal, R. (2004). Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security. 

Science

, 

304

(5677), 1623–1627. https://doi.org/10.1126/science.1097396 

Lal,  R.  (2008).  Soil  carbon  stocks  under  present  and  future  climate  with  specific  reference  to 

European  ecoregions. 

Nutrient  Cycling  in  Agroecosystems

, 

81

(2),  113–127. 

https://doi.org/10.1007/s10705-007-9147-x 

Lal,  R.,  Follett,  R.  F.,  Stewart,  B.  A.,  &  Kimble,  J.  M.  (2007).  Soil  carbon  sequestration  to 

mitigate  climate  change  and  advance  food  security. 

Soil  Science

, 

172

(12),  943–956. 

https://doi.org/10.1097/ss.0b013e31815cc498 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 42

Figures and page graphics, page 42

Leakey,  A.  D.  B.,  Ainsworth,  E.  A.,  Bernacchi,  C.  J.,  Rogers,  A.,  Long,  S.  P.,  &  Ort,  D.  R. 

(2009). Elevated CO2 effects on plant carbon, nitrogen, and water relations: six important 
lessons  from  FACE. 

Journal  of  Experimental  Botany

, 

60

(10),  2859–2876. 

https://doi.org/10.1093/jxb/erp096 

Lehner,  B.,  Döll,  P.,  Alcamo,  J.,  Henrichs,  T.,  &  Kaspar,  F.  (2006).  Estimating  the  Impact  of 

Global  Change  on  Flood  and  Drought  Risks  in  Europe:  A  Continental,  Integrated 
Analysis. 

Climatic Change

, 

75

(3), 273–299. https://doi.org/10.1007/s10584-006-6338-4 

Levers, C., Butsic, V., Verburg, P. H., Müller, D., & Kuemmerle, T. (2016). Drivers of changes 

in 

agricultural 

intensity 

in 

Europe. 

Land 

Use 

Policy

, 

58

, 

380–393. 

https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2016.08.013 

Lobell,  D.  B.,  &  Field,  C.  B.  (2007).  Global  scale  climate–crop  yield  relationships  and  the 

impacts  of  recent  warming. 

Environmental  Research  Letters

, 

2

(1),  014002. 

https://doi.org/10.1088/1748-9326/2/1/014002 

Lobell,  D.  B.,  Cassman,  K.  G.,  &  Field,  C.  B.  (2009).  Crop  Yield  Gaps:  Their  Importance, 

Magnitudes, and Causes. 

Annual Review of Environment and Resources

, 

34

(1), 179–204. 

https://doi.org/10.1146/annurev.environ.041008.093740 

Long,  S.  P.,  Ainsworth,  E.  A.,  Leakey,  A.  D.  B.,  Nösberger,  J.,  &  Ort,  D.  R.  (2006).  Food  for 

Thought: 

Lower-Than-Expected 

Crop 

Yield 

Stimulation 

with 

Rising 

CO2 

Concentrations. 

Science

, 

312

(5782), 1918–1921. https://doi.org/10.1126/science.1114722 

Louwagie, G., Gay, S. H., Sammeth, F., & Ratinger, T. (2011). The potential of European Union 

policies  to  address  soil  degradation  in  agriculture. 

Land  Degradation  &  Development

, 

22

(1), 5–17. https://doi.org/10.1002/ldr.1028 

Lugato,  E.,  Panagos,  P.,  Bampa,  F.,  Jones,  A.,  &  Montanarella,  L.  (2014).  A  new  baseline  of 

organic carbon stock in  European  agricultural  soils using a modelling approach. 

Global 

Change Biology

, 

20

(1), 313–326. https://doi.org/10.1111/gcb.12292 

McKay,  M.  D.  (1992).  Latin  hypercube  sampling  as  a  tool  in  uncertainty  analysis  of  computer 

models (pp. 557–564). ACM Press. https://doi.org/10.1145/167293.167637 

Meersmans,  J.,  Arrouays,  D.,  Van  Rompaey,  A.  J.  J.,  Pagé,  C.,  De  Baets,  S.,  &  Quine,  T.  A. 

(2016).  Future  C  loss  in  mid-latitude  mineral  soils:  climate  change  exceeds  land  use 
mitigation 

potential 

in 

France. 

Scientific 

Reports

, 

6

, 

35798. 

https://doi.org/10.1038/srep35798 

Merante,  P.,  Dibari,  C.,  Ferrise,  R.,  Sánchez,  B.,  Iglesias,  A.,  Lesschen,  J.  P.,  …  Bindi,  M. 

(2017).  Adopting  soil  organic  carbon  management  practices  in  soils  of  varying  quality: 
Implications  and  perspectives  in  Europe. 

Soil  and  Tillage  Research

, 

165

,  95–106. 

https://doi.org/10.1016/j.still.2016.08.001 

Montanarella,  L.  (2015).  Agricultural  policy:  Govern  our  soils. 

Nature

, 

528

(7580),  32–33. 

https://doi.org/10.1038/528032a 

Monteith, J. L. (1977). Climate and the Efficiency of Crop Production in Britain. 

Philosophical 

Transactions  of  the  Royal  Society  of  London.  Series  B,  Biological  Sciences

, 

281

(980), 

277–294. https://doi.org/10.2307/2417832 

Müller,  C.,  Elliott,  J.,  Chryssanthacopoulos,  J.,  Deryng,  D.,  Folberth,  C.,  Pugh,  T.  A.  M.,  & 

Schmid, E. (2015). Implications of climate mitigation for future agricultural production. 

Environmental  Research  Letters

, 

10

(12),  125004.  https://doi.org/10.1088/1748-

9326/10/12/125004 

Müller, C., Elliott, J., Chryssanthacopoulos, J., Arneth, A., Balkovic, J., Ciais, P., … Yang, H. 

(2016).  Global  Gridded  Crop  Model  evaluation:  benchmarking,  skills,  deficiencies  and 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 43

Figures and page graphics, page 43

implications. 

Geoscientific 

Model 

Development 

Discussions

, 

1–39. 

https://doi.org/10.5194/gmd-2016-207 

Myers, S. S., Zanobetti, A., Kloog, I., Huybers, P., Leakey, A. D. B., Bloom, A. J., … Usui, Y. 

(2014).  Increasing  CO2  threatens  human  nutrition. 

Nature

, 

510

(7503),  139–142. 

https://doi.org/10.1038/nature13179 

O’Leary,  G.  J.,  Christy,  B.,  Nuttall,  J.,  Huth,  N.,  Cammarano,  D.,  Stöckle,  C.,  …  Asseng,  S. 

(2015).  Response  of  wheat  growth,  grain  yield  and  water  use  to  elevated  CO 

2

  under  a 

Free-Air  CO 

2

  Enrichment  (FACE)  experiment  and  modelling  in  a  semi-arid 

environment. 

Global 

Change 

Biology

, 

21

(7), 

2670–2686. 

https://doi.org/10.1111/gcb.12830 

Olesen, J. E., Trnka, M., Kersebaum, K. C., Skjelvåg, A. O., Seguin, B., Peltonen-Sainio, P., … 

Micale,  F.  (2011).  Impacts  and  adaptation  of  European  crop  production  systems  to 
climate 

change. 

European 

Journal 

of 

Agronomy

, 

34

(2), 

96–112. 

https://doi.org/10.1016/j.eja.2010.11.003 

Olesen,  J.  E.,  Carter,  T.  R.,  Díaz-Ambrona,  C.  H.,  Fronzek,  S.,  Heidmann,  T.,  Hickler,  T.,  … 

Sykes, M.  T. (2007). Uncertainties in  projected impacts  of climate change on European 
agriculture  and  terrestrial  ecosystems  based  on  scenarios  from  regional  climate  models. 

Climatic Change

, 

81

(S1), 123–143. https://doi.org/10.1007/s10584-006-9216-1 

Oppenheimer, M., Campos, M., Warren, R., Birkmann, J., Luber, G., O’Neill, B., & Takahashi, 

K.  (2014).  Emergent  risks  and  key  vulnerabilities.  In 

Climate  Change  2014:  Impacts, 

Adaptation,  and  Vulnerability.  Part  A:  Global  and  Sectoral  Aspects.  Contribution  of 
Working  Group  II  to  the  Fifth  Assessment  Report  of  the  Intergovernmental  Panel  on 
Climate Change [Field, C.B., V.R. Barros, D.J. Dokken, K.J. Mach, M.D. Mastrandrea, 
T.E.  Bilir,  M.  Chatterjee,  K.L.  Ebi,  Y.O.  Estrada,  R.C.  Genova,  B.  Girma,  E.S.  Kissel, 
A.N.  Levy, S. MacCracken, P.R. Mastrandrea, and L.L. White  (eds.)].

 (pp. 1039–1099). 

Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 

Ottman, M. J., Kimball, B. A., White, J. W., & Wall, G. W. (2012). Wheat Growth Response to 

Increased  Temperature  from  Varied  Planting  Dates  and  Supplemental  Infrared  Heating. 

Agronomy Journal

, 

104

(1), 7. https://doi.org/10.2134/agronj2011.0212 

Panagos,  P.,  Borrelli,  P.,  Poesen,  J.,  Ballabio,  C.,  Lugato,  E.,  Meusburger,  K.,  …  Alewell,  C. 

(2015).  The  new  assessment  of  soil  loss  by  water  erosion  in  Europe. 

Environmental 

Science & Policy

, 

54

, 438–447. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2015.08.012 

Paustian,  K.,  Lehmann,  J.,  Ogle,  S.,  Reay,  D.,  Robertson,  G.  P.,  &  Smith,  P.  (2016).  Climate-

smart soils. 

Nature

, 

532

(7597), 49–57. https://doi.org/10.1038/nature17174 

Pittelkow, C. M., Linquist, B. A., Lundy, M. E., Liang, X., van Groenigen, K. J., Lee, J., … van 

Kessel,  C.  (2015).  When  does  no-till  yield  more?  A  global  meta-analysis. 

Field  Crops 

Research

, 

183

, 156–168. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2015.07.020 

de  Ponti,  T.,  Rijk,  B.,  &  van  Ittersum,  M.  K.  (2012).  The  crop  yield  gap  between  organic  and 

conventional 

agriculture. 

Agricultural 

Systems

, 

108

, 

1–9. 

https://doi.org/10.1016/j.agsy.2011.12.004 

Porwollik, V., Müller, C., Elliott, J., Chryssanthacopoulos, J., Iizumi, T., Ray, D. K., … Wu, X. 

(2016). Spatial and temporal uncertainty of crop yield aggregations. 

European Journal of 

Agronomy

. https://doi.org/10.1016/j.eja.2016.08.006 

R Core Team. (2016). A language and environment for statistical computing. R Foundation for 

Statistical Computing. Vienna, Austria. https://www.R-project.org. 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 44

Figures and page graphics, page 44

Rosenzweig,  C.,  Elliott,  J.,  Deryng,  D.,  Ruane,  A.  C.,  Muller,  C.,  Arneth,  A.,  …  Jones,  J.  W. 

(2014).  Assessing  agricultural  risks  of  climate  change  in  the  21st  century  in  a  global 
gridded crop model intercomparison. 

Proceedings of the National Academy of Sciences

, 

111

(9), 3268–3273. https://doi.org/10.1073/pnas.1222463110 

Santos, F. D., Forbes, K., & Moita, R. (2002). 

Climate Change in Portugal: Scenarios, Impacts 

and Adaptation Measures. SIAM project report.

 Gradiva, Lisbon, Portugal. 

Schauberger, B., Archontoulis, S., Arneth, A., Balkovic, J., Ciais, P., Deryng, D., … Frieler, K. 

(2017).  Consistent  negative  response  of  US  crops  to  high  temperatures  in  observations 
and 

crop 

models. 

Nature 

Communications

, 

8

, 

13931. 

https://doi.org/10.1038/ncomms13931 

Smith,  P.,  Gregory,  P.  J.,  van  Vuuren,  D.,  Obersteiner,  M.,  Havlik,  P.,  Rounsevell,  M.,  … 

Bellarby,  J.  (2010).  Competition  for  land. 

Philosophical  Transactions  of  the  Royal 

Society 

B: 

Biological 

Sciences

, 

365

(1554), 

2941–2957. 

https://doi.org/10.1098/rstb.2010.0127 

Soane, B. D., Ball, B. C., Arvidsson, J., Basch, G., Moreno, F., & Roger-Estrade, J. (2012). No-

till  in  northern,  western  and  south-western  Europe:  A  review  of  problems  and 
opportunities  for  crop  production  and  the  environment. 

Soil  and  Tillage  Research

, 

118

, 

66–87. https://doi.org/10.1016/j.still.2011.10.015 

Squire,  G.  R.,  Hawes,  C.,  Valentine,  T.  A.,  &  Young,  M.  W.  (2015).  Degradation  rate  of  soil 

function varies with trajectory of agricultural intensification. 

Agriculture, Ecosystems  & 

Environment

, 

202

, 160–167. https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.12.004 

Stockle, C. O., Williams, J. R., Rosenberg, N. J., & Jones, C. A. (1992). A method for estimating 

the direct and climatic effects of rising atmospheric carbon dioxide on growth and yield 
of  crops:  Part  I—Modification  of  the  EPIC  model  for  climate  change  analysis. 

Agricultural Systems

, 

38

(3), 225–238. 

Supit, I., van Diepen, C. A., de Wit, A. J. W., Kabat, P., Baruth, B., & Ludwig, F. (2010). Recent 

changes in the climatic yield potential of various crops in Europe. 

Agricultural Systems

, 

103

(9), 683–694. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2010.08.009 

Sutton,  M.  A.  (Ed.).  (2011). 

The  European  nitrogen  assessment:  sources,  effects,  and  policy 

perspectives

. Cambridge, UK ; New York: Cambridge University Press. 

Tilman,  D.,  Cassman,  K.  G.,  Matson,  P.  A.,  Naylor,  R.,  &  Polasky,  S.  (2002).  Agricultural 

sustainability  and  intensive  production  practices. 

Nature

, 

418

(6898),  671–677. 

https://doi.org/10.1038/nature01014 

Tubiello, F. N., Soussana, J.-F., & Howden, S. M. (2007). Crop and pasture response to climate 

change. 

Proceedings  of  the  National  Academy  of  Sciences

, 

104

(50),  19686–19690. 

https://doi.org/10.1073/pnas.0701728104 

Tubiello, Francesco N., Amthor, J. S., Boote, K. J., Donatelli, M., Easterling, W., Fischer, G., … 

Rosenzweig,  C.  (2007).  Crop  response  to  elevated  CO2  and  world  food  supply:  A 
comment  on  “Food  for  Thought…”  by  Long  et  al.,  Science  312:1918–1921,  2006. 

European 

Journal 

of 

Agronomy

, 

26

(3), 

215–223. 

https://doi.org/10.1016/j.eja.2006.10.002 

Tuck,  G.,  Glendining,  M.  J.,  Smith,  P.,  House,  J.  I.,  &  Wattenbach,  M.  (2006).  The  potential 

distribution of bioenergy crops in Europe under present and future climate. 

Biomass and 

Bioenergy

, 

30

(3), 183–197. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2005.11.019 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 45

Figures and page graphics, page 45

Vautard, R., Gobiet, A., Sobolowski, S., Kjellström, E., Stegehuis, A., Watkiss, P., … Jacob, D. 

(2014).  The  European  climate  under  a  2  °C  global  warming. 

Environmental  Research 

Letters

, 

9

(3), 034006. https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/3/034006 

Werner,  M.  (2001).  Shuttle  Radar  Topography  Mission  (SRTM)  Mission  Overview. 

Frequenz

, 

55

(3–4), 75–79. https://doi.org/10.1515/FREQ.2001.55.3-4.75 

Wieser,  H.,  Manderscheid,  R.,  Erbs,  M.,  &  Weigel,  H.-J.  (2008).  Effects  of  Elevated 

Atmospheric  CO 

2

  Concentrations  on  the  Quantitative  Protein  Composition  of  Wheat 

Grain. 

Journal  of  Agricultural  and  Food  Chemistry

, 

56

(15),  6531–6535. 

https://doi.org/10.1021/jf8008603 

Williams, J. R. (1995). The EPIC model, in: Singh, V.P. (Ed.), Computer models of watershed 

hydrology (pp. 909–1000). Water resources publisher, Colorado. 

Wösten, J. H. ., Lilly, A., Nemes, A., & Le Bas, C. (1999). Development and use of a database of 

hydraulic 

properties 

of 

European 

soils. 

Geoderma

, 

90

(3–4), 

169–185. 

https://doi.org/10.1016/S0016-7061(98)00132-3 

Wriedt, G., van der Velde, M., Aloe, A., & Bouraoui, F. (2009). A European irrigation map for 

spatially distributed agricultural modelling. 

Agricultural Water Management

, 

96

(5), 771–

789. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2008.10.012 

Xiong, W., Skalský, R., Porter, C. H., Balkovič, J., Jones, J. W., & Yang, D. (2016). Calibration-

induced  uncertainty  of  the  EPIC  model  to  estimate  climate  change  impact  on  global 
maize  yield:  CALIBRATION-INDUCED  UNCERTAINTY. 

Journal  of  Advances  in 

Modeling Earth Systems

, 

8

(3), 1358–1375. https://doi.org/10.1002/2016MS000625 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 46

Figures and page graphics, page 46

Table 1. 

List of input data sets included in the gridded pan-European EPIC model 

Data set 
 

Description 

Spatial 
resolution 

Temporal 
resolution 

Source 

Climate 
change 

Bias-corrected data 
from EURO-CORDEX 
database, including 
daily minimum and 
maximum temperature, 
shortwave solar 
radiation, precipitation 
and relative humidity. 
 

0.11 arc-

deg 

Daily, all 

projections 

from 1971 

to 2100 

 

The Quantifying Projected Impacts Under 2°C 
Warming (IMPACT2C) Project 
(http://impact2c.hzg.de) 

 

Projection name 
(regional/global 
climate model): 

 

+2°C 
interval: 

EURO-CORDEX data: 

 

CSC-REMO/MPI-
ESM-LR (RCP 4.5) 

 

2050–

2079 

http://www.euro-cordex.net 

 

SMHI-RCA4/EC-
EARTH (RCP 4.5) 

 

2042–

2071 

 

 

KNMI-
RACMO22E/EC-
EARTH (RCP 4.5) 

 

2042–

2071 

 

 

SMHI-
RCA4/HadGEM2-ES 
(RCP 4.5) 

 

2023–

2052 

 

 

IPSL-
WRF331F/IPSL-
CM5A-MR 

(RCP 

4.5) 

 

2028–

2057 

 

Terrain 

Shuttle Radar 
Topographic Mission 
Data (SRTM) 

3’’ 

N/A 

Werner (2001) 

 

Global 30 Arc Second 
Elevation Data 
(GTOPO) 

30’’ 

N/A 

http://eros.usgs.gov 

Soil 

European Soil Bureau 
Database (version 2.0) 

1 km 

N/A 

https://esdac.jrc.ec.europa.eu 

 

Database of Hydraulic 
Properties of European 
Soils 

N/A 

N/A 

Wösten et al. (1999)

 

 

Map of organic carbon 
content in the topsoil 

1 km 

N/A 

Lugato et al. (2014)

 

Land cover 

Combined CORINE 
2000 and PELCOM 
land cover map 

1 km 

N/A 

Joint Research Centre 

Admin. units  Geographic Information 

System of the European 
Commission (GISCO) 

 NUTS2 

sub-

national 

regions 

 N/A 

http://ec.europa.eu/eurostat/web/gisco 
http://ec.europa.eu/eurostat/web/nuts/overview 

Watersheds 

European River 
Catchment Database, 
version 2 

 

 

www.eea.europa.eu 

Management  Crop sowing dates 

50 km 

around 

2000 

Balkovič et al. (2013) 

 

Regional N and P 

NUTS2 

around 

Balkovič et al. (2013) 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 47

Figures and page graphics, page 47

fertilization rates 
(mineral + organic) 

regions 

2000 

 

Statistics on crop yields 

NUTS2 

regions 

1996-2007  EUROSTAT 

 

European Irrigation 
Map (EIM)  

1 ha 

around 

2000 

Wriedt et al. (2009) 

Table 2. 

Fertilization and irrigation scenarios to simulate different levels of crop calorie yields  

Scenario 

Irrigated cropland 
area 

Max. irrigation volume per 
crop (mm a

—1

) 

N per crop 
(kg ha

–1 

a

–1

) 

P per crop 
(kg ha

–1 

a

–1

) 

 

 

Presently 
rainfed 

Presently 
irrigated 

 

 

BAU 

crop-specific  

0 

1000* 

BAU

 

BAU

 

P1 

all equipped cropland 

0 

1000* 

Max. 250 

Automatic

 

P2 

all cropland 

1000* 

1000* 

Max. 250 

Automatic

 

 

*

 The upper limit of irrigation water supply (simulated irrigation water volume is less or equals 1000 mm 

a

–1

) 

 
 

Table 3 

List of EPIC input variables and parameters used in the uncertainty analysis; the default 

values  were  used  in  the  impact  assessment,  while  the  ranges  in  brackets  were  used  in  the 

uncertainty analysis 

EPIC variable / parameter 

Selected default value and 
range 

Values used to imitate 
soil conservation   

Farm yard manure (% of BAU N fertilizer) 

0 (20, 40) 

40 

Number of tillage operations per crop 

1,2,3,4,5* 

1,2* 

Soil mixing by tillage (fraction) 

0.5 (0.1–0.9) 

< 0.3 

Tillage depth (mm) 

150 (10–400) 

< 100 

Erosion control factor (0-1 fraction) 

0.5 (0–0.7) 

< 0.2 

Initial SOC content scaling factor (multiplier) 

1 (0.5–1.5) 

(0.5–1.5) 

Stable humus fraction (fraction) 

0.5 (0.3–0.7) 

(0.3–0.7) 

Soil strength constraint on root growth 
(PARM2) 

1.2 (1–2) 

(1–2) 

Soil evaporation coefficient (PARM12) 

2 (1.5–2.5) 

(1.5–2.5) 

Microbial decay rate coefficient (PARM20) 

0.8 (0.3–1.5) 

(0.3–1.5) 

Biological mixing depth (PARM24) 

0.3 (0.1–0.5) 

(0.1–0.5) 

Water stress weighting coefficient (PARM35) 

0.5 (0–1) 

(0–1) 

Slow humus transformation rate (PARM47) 

0.000548 (0.0003–0.0009) 

(0.0003–0.0009) 

Passive humus transformation rate (PARM48) 

0.000012 (0.0000072–0.00002) 

(0.0000072–0.00002) 

Tillage effect on residue decay rate (PARM52) 

10 (5–15) 

(5–15) 

* crop-specific number 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 48

Figures and page graphics, page 48

 

 

 

Table 4. 

Mean absolute (in Gcal  ha

–1

) and relative (in %) difference between the  BAU

 

calorie 

yields projections relative to the potential yields achievable in high-input systems (in Gcal ha

–1

, 

and  %  relative  to  BAU),  assuming  present-day  distribution  of  rainfed  and  irrigated  cropland 

(scenario P1), and calorie yields unlimited by water and nutrient stress on all available cropland 

(scenario P2). All differences are statistically significant (the paired 

t

-test 

P

 < 0.001). 

 

 

Country 

Scenario P1 

Scenario P2 

 

 

Gcal ha

–1

 

% 

Gcal ha

–1

 

% 

Northern  

Denmark 

60 

28 

64 

30 

Europe 

Estonia 

62 

46 

63 

47 

 

Finland 

33 

26 

40 

32 

 

Ireland 

57 

26 

62 

28 

 

Lithuania 

61 

44 

67 

49 

 

Latvia 

73 

52 

76 

54 

 

Sweden 

56 

40 

62 

44 

 

U.K. 

66 

33 

83 

41 

Western 

Austria 

52 

28 

82 

44 

Europe 

Belgium 

51 

23 

64 

29 

 

Germany 

41 

21 

64 

32 

 

France 

73 

34 

127 

59 

 

Luxembourg 

44 

22 

68 

34 

 

Netherlands 

44 

18 

60 

25 

Eastern  

Bulgaria 

62 

47 

182 

138 

Europe 

Czechia 

47 

26 

83 

46 

 

Hungary 

78 

47 

131 

79 

 

Poland 

58 

32 

70 

38 

 

Romania 

65 

44 

144 

96 

 

Slovakia 

73 

46 

103 

65 

Southern 

Spain 

60 

49 

244 

199 

Europe 

Greece 

55 

49 

216 

192 

 

Italy 

98 

58 

196 

117 

 

Portugal 

99 

73 

238 

174 

 

Slovenia 

76 

38 

84 

42 

 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 49

Figures and page graphics, page 49

 

Figure 1

 Crop calorie yield (in Gcal ha

–1

) simulated for the historic and the +2°C period with the 

BAU scenario (blue and red crossbars, respectively); mean and 5

th

 to 95

th

 percentile ranges are 

plotted. Numbers below crossbars represent mean yield change in Gcal ha

–1

 and % relative to the 

historic  baseline.  All  changes  are  statistically  significant  (the  paired 

t

-test 

P

<0.001)  –  more 

details in Table S3 in the Supporting Information. 

 

Figure 2

 Calorie yield impact of a +2°C global warming on crop calorie yield (ensemble mean, 

5

th

 and 95

th

 percentiles) and robustness of the positive impact in the ensemble simulations. 

 

Figure 3. 

(a)

 

Calorie yield response to changes in the growing season (GS) temperature sums in 

temperature-limited  production  systems,  and  (b)  calorie  yield  response  to  changes  in  the  GS 

precipitation  sums  in  water-limited  production  systems.  Data  points  represent  ensemble-mean 

impacts  (in  %)  or  transient  CO

2

  (orange,  blue)  and  fixed  CO

2

  levels  (grey);  circle  markers 

demonstrate respective mean changes at the national level. The differences between simulations 

with  transient  and  fixed  CO

2

  are  statistically  significant  in  all  the  plots  (the  paired 

t

-test 

P

  < 

0.001). Prefix letters denote the geographic region (e.g. N = Northern European countries). 

 

Figure  4

  Crop  calorie  yield  impact  distribution  under  scenario  with  (BAU-

dyn

,  orange)  and 

without (BAU-

con

, blue) soil degradation (mean values are portrayed as lines  in  the respective 

colours  on  the  top).  Vulnerability  to  soil  degradation  (

Vs

  in  Gcal  ha

–1

  and  %)  are  denoted  by 

asterisk  where  statistically  significant  at 

P

<0.001.  The  black  lines  indicate  mean  calorie  yields 

estimated for irrigated systems with (dotted) and without (solid) soil degradation under the BAU 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 50

Figures and page graphics, page 50

scenario.  Calorie  yield  impacts  calculated  for  individual  climatic  projections  are  portrayed  as 

thin lines in the respective colours.  

 

Figure  5 

(a)

 

Uncertainty  range  of  simulated  crop  calorie  yield  under  different  soil  degradation 

and  atmospheric  CO

2

  assumptions  calculated  for  Belgium,  Lithuania,  Portugal  and  Slovakia 

under  the  KNMI  climate  ensemble  member.  Grey  and  red  shadings  represent  the  yield 

uncertainty ranges calculated for the 

dyn

 and 

con

 soil handling scenarios, respectively (black and 

red  dashed  lines  demonstrate  the  UA  average);  blue  and  green  lines  represent  the  mean  yields 

calculated under the 

dyn

 and 

con

 scenarios, respectively, used for the 

Vs

 analysis in Section 3.3. 

The  vertical  black  lines  portray  the  corresponding  +2°C  period  in  KNMI.  (b)  the  UA  range  of 

yield change (in Gcal ha

–1

) relative to the historical average (1971–2000) simulated for different 

regional warming levels  occurring within the +2°C of global warming period. (c) the UA  yield 

change  range  (in  Gcal  ha

–1

)  relative  to  the  historical  period  simulated  with  no-degradation  (C) 

and degradation (D) scenarios, with constant (–) and transient (+) atmospheric CO

2

, and with soil 

conservation practices (Dc) in the degradation scenario. 

 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 51

Figures and page graphics, page 51

 

 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 52

Figures and page graphics, page 52

 

 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 53

Figures and page graphics, page 53

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 54

Figures and page graphics, page 54

 

 

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article

Page 55

Figures and page graphics, page 55

 

This article is protected by copyright. All rights reserved.

Accepted 

Article