Back to report · Publisher record

Deng et al. (2023). Building soil to reduce climate change impacts on global crop yield

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

Available online 29 August 2023

0048-9697/© 2023 Elsevier B.V. All rights reserved.

Building soil to reduce climate change impacts on global crop yield 

Xi Deng

a

, Yao Huang

b

,

c

, Wenping Yuan

a

, Wen Zhang

c

, Philippe Ciais

d

, Wenjie Dong

a

, 

Pete Smith

e

, Zhangcai Qin

a

,

* 

a

School of Atmospheric Sciences, Key Laboratory of Tropical Atmosphere-Ocean System (Ministry of Education), Southern Marine Science and Engineering Guangdong 

Laboratory (Zhuhai), Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519000, China 

b

State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China 

c

State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 

100029, China 

d

Laboratoire des Sciences du Climat et de l

’

Environnement, LSCE/IPSL, CEA-CNRS-UVSQ, Universit

´

e Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette 91191, France 

e

Institute of Biological and Environmental Sciences, School of Biological Sciences, University of Aberdeen, Aberdeen AB24 3UU, UK   

H I G H L I G H T S  

G R A P H I C A L  A B S T R A C T  

•

The  role  of  soil  is  identified  for  crop 

yield responding to climate warming. 

•

Improving SOC would mitigate 3%

–

5% 

of yield loss per degree Celsius warming. 

•

SOC-based  strategy  is  a  potential  solu-

tion to avoid  crop production  loss and 

secure food systems in a warmer future.  

A R T I C L E  I N F O    

Editor: Jay Gan  

Keywords: 

Maize 

Wheat 

Rice 

Soybean 

Food security 

Yield loss 

Yield resilience 

Soil organic carbon 

A B S T R A C T    

Improving soil health and resilience is fundamental for sustainable food production, however the role of soil in 

maintaining or improving global crop productivity under climate warming is not well identified and quantified. 

Here, we examined the impact of soil on yield response to climate warming for four major crops (i.e., maize, 

wheat,  rice and  soybean),  using global-scale  datasets and  random  forest  method. We  found  that  each 

◦

C  of 

warming reduced global yields of maize by 3.4%, wheat by 2.4%, rice by 0.3% and soybean by 5.0%, which were 

spatially heterogeneous with possible positive impacts. The random forest modeling analyses further showed that 

soil organic carbon (SOC), as an indicator of soil quality, dominantly explained the spatial heterogeneity of yield 

responses to warming and would regulate the negative warming responses. Improving SOC under the medium 

SOC sequestration scenario would reduce the warming-induced yield loss of maize, wheat, rice and soybean to 

0.1% 

◦

C

−

1

, 2.7% 

◦

C

−

1

, 3.4% 

◦

C

−

1 

and 

−

0.6% 

◦

C

−

1

, respectively, avoiding an average of 3%

–

5% 

◦

C

−

1 

of global 

yield  loss.  These yield  benefits would occur on  53.2%,  67.8%, 51.8% and  71.6% of  maize, wheat,  rice and 

soybean planting areas, respectively, with particularly pronounced benefits in the regions with negative warming 

* Corresponding author at: School of Atmospheric Sciences, Key Laboratory of Tropical Atmosphere-Ocean System (Ministry of Education), Southern Marine 

Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Sun Yat-Sen University. 

E-mail address: 

qinzhangcai@mail.sysu.edu.cn 

(Z. Qin).  

Contents lists available at 

ScienceDirect 

Science of the Total Environment 

journal homepage: 

www.elsevier.com/locate/scitotenv 

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166711 

Received 30 June 2023; Received in revised form 24 August 2023; Accepted 28 August 2023   

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

2

responses. With improved soil carbon, food systems are predicted to provide additional 20 to over 130 million 

tonnes of food that would otherwise lose due to future warming. Our findings highlight the critical role of soil in 

alleviating negative warming impacts on food security, especially for developing regions, given that sustainable 

actions on soil improvement could be taken broadly.   

1. Introduction 

The number of people suffering from food insecurity continues to 

increase,  with  over  700  million  people  in  total  in  2020  (

FAOSTAT, 

2021

). With a growing population and climate change, the global food 

demand in 2050 is expected to increase by 30% to 62% in comparison 

with 2010 (

van Dijk et al., 2021

). How to feed this future population and 

achieve the Sustainable Development Goals (i.e., zero hunger) is a major 

global challenge (

FAO, 2021

). Maize, wheat and rice account for 89% of 

global  cereal  production,  and  soybean  supplies  28%  of  the  world

’

s 

vegetable oil (

FAOSTAT, 2021

). Climate change is threatening global 

crop  production.  Rising  temperature  has  been  proved  to  be  a  major 

cause for global yield losses (

Lobell et al., 2011

; 

Rosenzweig et al., 2014

; 

Zhao et al., 2017

), especially in less-developed and warm areas such as 

sub-Sahara Africa and Latin America (

Ortiz-Bobea et al., 2021

). Recent 

modeling studies have also shown that, without effective adaptation, 

warming may also reduce yields in cooler regions (

Asseng et al., 2015

; 

Rosenzweig et al., 2014

). 

Strengthening adaptations of agricultural systems is imperative to 

reduce  exposure  and  vulnerability  to  climate  change  (

IPCC,  2022

). 

Global  assessments  have  mainly  focused  on  cultivar  shifts  and  agro-

nomic management practices to enhance adaptation (

Challinor et al., 

2014

; 

Peng et al., 2020

; 

Sloat et al., 2020

). A combination of cultivars (e. 

g., higher heat tolerance) and management (e.g., irrigation) adaptations 

could  reduce  yield  losses  due  to  warming  by  ~5%  in  the  mid-21st 

century  (

Hasegawa  et  al.,  2022

).  However,  the  negative  effects  of 

climate  change  on  crop  production  cannot  be  fully  offset  by  imple-

menting  adaptation,  especially  in  lower  latitudes  (

Hasegawa  et  al., 

2022

; 

IPCC,  2022

).  Innovative  adaptation  pathways  are  required  to 

address climate risks in agricultural systems, such as soil-based strate-

gies (

Hasegawa et al., 2022

; 

IPCC, 2022

). 

Resilient and productive soils are necessary to sustainably intensify 

agriculture,  to increase yields while minimizing environmental harm 

(

Deng et al., 2020

; 

Oldfield et al., 2019

). High-quality soils can buffer 

climate variability in cropping systems and sustain yield stability (

Pan 

et al., 2009

; 

Qiao et al., 2022

). Recent experiment study indicates that 

soil  with  higher  clay  content  and  lower  sand  content  contributes  to 

higher maize biomass and yield (

Chukwudi et al., 2021

). Under climate 

warming,  maize  yields  in  regions  with  high  soil  total  nitrogen  (TN) 

generally increased in China (

Deng et al., 2020

). Soil organic carbon 

(SOC),  in  particular,  has  been  suggested  as  an  integrated  and  repre-

sentative indicator of soil quality, which relates to soil biological and 

physical properties such as disease suppressiveness, heat capacity (

Lal, 

2013

; 

Schlatter et al., 2017

) and soil heath, with important functions 

such as water retention and nutrient supply (

Taylor et al., 2021

; 

Xia and 

Wander,  2022

).  Improving  SOC  can  help  build  climate  resilience  to 

reduce  risks  to  food  insecurity  (

Lehmann  et  al.,  2020

; 

Lipper  et  al., 

2014

),  and  decrease  reliance  on  irrigation  and  fertilizer  application 

(

Oldfield et al., 2020

). A recent study has revealed that increasing SOC 

can reduce the gaps between observed and attainable yields of maize 

and wheat (

Oldfield et al., 2019

). However, the role of soil in building 

crop yield resilience to climate change at the global scale is still largely 

unknown  in  the crop-soil-environment  system, it  remains  difficult  to 

quantify  the  complex  interactions  between  soil,  climate  and  yield 

(

Amelung et al., 2020

; 

Lal, 2020

). 

This study provides a soil-focused perspective to address escalating 

climate challenges on global agriculture, and to look for opportunities in 

soils for future food security. Here, we firstly determined the response of 

maize, wheat, rice and soybean yields to warming temperature at grid 

scale, i.e., temperature response index (TRI,% 

◦

C

−

1

). Then, we identified 

the role of soil properties (including SOC) in explaining spatially het-

erogeneous  responses  of  crop  yield  to  warming,  by  using  a  machine 

learning  approach.  With  outcomes  from  these  processes,  we  finally 

proposed  soil  related  strategies  for  securing  food  production  under 

future  climate  change  scenarios,  and  further  explored  the  potential 

impacts on food security. 

2. Material and methods 

2.1. Yield response to temperature 

On the basis of historical data reflecting crop yields, climate and 

management, the yield models (Eq. 

(1)

) were developed for individual 

crops (i.e., maize, wheat, rice, and soybean), and then used to identify 

yield

’

s  partial  response  to  temperature  (i.e.,  TRIs  or  temperature 

response indices, Eq. 

(3)

). Historical yields (1981

–

2010) of main crops, 

maize (major), wheat (winter), rice (major) and soybean with the spatial 

resolution of 0.5

◦

, were derived from GDHY v1.3, a global dataset of 

historical yields of major crops with a data combination of agricultural 

census,  satellite  and model  (

Iizumi  and Sakai,  2020

).  The  grids  of  a 

certain crop with yield records of 

<

20 years were excluded to avoid the 

misallocation of planting area due to crop type changes. Historical daily 

weather  data  were  sourced  from  the  AgMERRA,  a  post-processing 

dataset of the NASA Modern-Era Retrospective Analysis for Research 

and  Applications  (MERRA)  for  agricultural  modeling  (

Ruane  et  al., 

2015

). Average temperature (T), total precipitation (P) and solar radi-

ation (R) of crop growing season were extracted according to phenology 

of each crop (

Sacks et al., 2010

). Both linear and quadratic forms of 

temperature and precipitation were characterized in the model to ac-

count for the non-linear response of crop yields to climate (Eq. 

(1)

). The 

model has been widely applied in the studies of yield-climate relation-

ship (

Leng et al., 2019

; 

Lobell et al., 2011

; 

Tigchelaar et al., 2018

), and 

fully verified (

Liu et al., 2016

; 

Lobell and Asseng, 2017

). Nitrogen (Nfer) 

and  phosphorus  (Pfer)  fertilizers  (

Lu  and  Tian,  2017

)  were  further 

included to better estimate the impacts of management on crop yields. 

The input datasets with higher resolution were integrated to 0.5

◦

, to be 

consistent with the resolution of yields (table S1). The model structure is 

shown as: 

ln

(

Y

i

,

t

)

=

β

0

,

i

+

β

1

,

i

t

+

β

2

,

i

T

i

,

t

+

β

3

,

i

T

2

i

,

t

+

β

4

,

i

P

i

,

t

+

β

5

,

i

P

2

i

,

t

+

β

6

,

i

R

i

,

t

+

β

7

,

i

Nfer

i

,

t

+

β

8

,

i

Pfer

i

,

t

+

ε

i

,

t

(1)  

where ln(Y

i,t

) represents the logarithm of crop yields. Models of maize 

(

n 

=

14,134), wheat (

n 

=

8406), rice (

n 

=

9048) and soybean (

n 

=

5996) 

were developed for grid cell 

i 

(0.5

◦

×

0.5

◦

). The time term (

β

1,i 

t

) was 

used  to  simulate  the  possible  impact  of  other  factors  on  crop  yields 

(Fig. S1), e.g. cultivar shifts, which captured the trend of yield (

Zhu 

et al., 2019

). As shown in this study (Fig. S2) and elsewhere (

Lobell 

et al., 2011

; 

Zhu et al., 2019

), including the quadratic form (e.g., T

2

) can 

better simulate the nonlinear responses of the crop to warming. The 

response of crop yield to temperature was measured by the partial de-

rivative of Eq. 

(1) 

(

Zhu et al., 2019

): 

∂

ln

(

Y

i

)

/

∂

T

i

=

∂

Y

i

/

(

Y

i

×

∂

T

i

) =

β

2

,

i

+

2β

3

,

i

T

i

(2)  

where 

∂

Y

i

/

Y

i 

represents the proportion of yield change in grid cell 

i

. 

Temperature  response  index  (TRI

i

)  was  defined  as  the  partial  yield 

change (%) per 

◦

C of temperature change, which can be measured as 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

3

(

Wooldridge, 2018

): 

TRI

i

≈

(

β

2

,

i

+

2β

3

,

i

T

i

)

×

100%

(3)  

where 

T

i 

is the average temperature of the crop growing season during 

1981

–

2010. The parameters 

β

2,i 

and 

β

3,i 

represent the location-specific 

response  of  yield  to  temperature  change.  TRI  varies  spatially,  with 

values determined by grid level parameters and local climate. The TRI at 

the continental and global scales was calculated on the basis of the area- 

weighted average, considering geographic distribution of crop harvest 

area derived from a gridded dataset (

Ray et al., 2012

). Modeling and 

analysis were batched in Python version 3.6. More information on data 

collection and use is also included in the Supplementary data. 

2.2. Estimation of the role of soils 

Soil plays a crucial role in providing nutrients, maintaining relatively 

stable environment, and supporting crop growth as a whole (

Lal, 2020

; 

Oldfield et al., 2020

). We hypothesized that the spatial heterogeneity of 

TRI  correlates  to  the  differences  of  soil  properties  across  space.  The 

machine learning approach, random forest, was employed to estimate 

the correlation between TRI and soil properties due to its robustness 

against overfitting and efficient modeling performance (

Breiman, 2001

). 

WISE30sec dataset (

Batjes, 2015

) was selected for its comprehensive soil 

properties and data sources. Six key soil properties (0

–

30 cm), SOC (%), 

TN (%), cation exchange capacity (CEC, cmol kg

−

1

), clay content (%), 

sand content (%), and pH were extracted by depth-weighted method and 

resampled to 0.5

◦

resolution. Random forest models were built for in-

dividual crops, maize (

n 

=

13,935), wheat (

n 

=

8303), rice (

n 

=

8925) 

and soybean (

n 

=

5935). Model training and testing were implemented 

with  the  Scikit-learn  Library  in  the  Python.  Three  key  parameters 

needed to be adjusted for training the models, the number of trees in the 

forest (

n_estimators

), the maximum depth of the tree (

max_depth

) and the 

number of soil variables in the random subset at each node (

max_fea-

tures

), for the trade-off between over-fitting and high bias of the model. 

When  training,  all  decision  trees  in  the  forest  were  formed  by  the 

method of bagging sampling with replacement to avoid reserving data 

for testing or cross-validation (

Breiman, 2001

). In each tree, about one 

third of samples were left out as out-of-bag data, which were then used 

to estimate the generalization error (

Breiman, 2001

; 

Liaw and Wiener, 

2002

). 

The key soil properties were determined by the importance and the 

interaction  between  TRI  and  each  soil  variable.  The  former  was 

measured by calculating the increase of prediction error after randomly 

permuting  the  target  soil  variables  in  the  random  forest  model.  The 

greater the increase in error, the more important the variable is. The 

latter was visualized by centered individual conditional expectation (c- 

ICE) plot (

Goldstein et al., 2015

). The curve in the plot showed how the 

TRI changes when a soil variable changed after considering the average 

effects  of  other  variables.  All  individual  samples  were  centered  at  a 

certain point in the plot, which was helpful in examining the cumulative 

effect  of  the  selected  feature.  Besides,  the  c-ICE  plot  visualized  the 

condition of each individual sample (shaded areas on both sides of the 

curve, 

Fig. 2

). 

Through these analyses, SOC content was determined to be the most 

important  soil  factor  affecting  crop  response  to  temperature  change, 

followed  by  TN.  From  our  global  results,  a  linear  relationship  was 

observed between SOC and TN (R

2 

=

0.91), and this was further built 

into  the  random  forest  model  to  estimate  future  TRI  with  SOC 

improvement.  In  other  words,  improved  yield  resilience  would  be 

realized by feeding in the potential of SOC improvement and associated 

TN change. Specifically, the potential of SOC improvement was based on 

the  field-supported  assumption  that  best  management  increases  soil 

carbon accumulation and then reaches up a relatively high and stable 

SOC level (

Lessmann et al., 2021

). In this analysis, SOC data from 

Zomer 

et al. (2017) 

was used for global-scale availability and accuracy. The 

medium scenario was considered here with a sequestration rate of 0.56 t 

C ha

−

1 

yr

−

1 

(0.9 Pg C yr

−

1 

globally) lasting at least 20 years in the top of 

30 cm (

Zomer et al., 2017

), by implementing practices including cover 

cropping, manure application, and reduced tillage. The unit (%) and 

resolution (0.5

◦

) of gridded SOC data were converted and integrated to 

match  the  random  forest  model.  The  average  TN  content  modeled 

through the linear model was 0.19% (0.07

–

0.49%, 95% percentile). 

2.3. Yield and production changes under future climate 

With  the  changing  temperature  in  the  future,  crop  yield  would 

respond differently among crops following individual TRI pattern. The 

highest and lowest additional radiative forcing scenarios (RCP2.6 and 

RCP8.5), 2.6 and 8.5 W m

−

2

, respectively, were considered for future 

climate scenarios (

O

’

Neill et al., 2016

; 

Riahi et al., 2017

). The monthly 

temperatures of two scenarios were obtained from the outputs of global 

climate models (GCMs) in CMIP6. According to the latest comparison of 

the  equilibrium  climate  sensitivity  (ECS)  (

Scafetta,  2022

),  we  chose 

three GCMs with lowest ECS from different institutes, including INM- 

CM5-0,  CAMS-CSM1-0  and  NorESM2-MM.  To  be  spatially  consistent 

with other data, we aggregated the temperature data of above GCMs to a 

0.5

◦

resolution. We averaged all model outputs for a relatively stable 

and accurate temperature projection. According to the phenology data 

of maize, wheat, rice and soybean, we extracted growing season tem-

perature  between  planting  and  harvest  date.  TRI  under  RCP2.6  and 

RCP8.5 were estimated by using Eq. 

(3) 

based on the future warming in 

2030, 2040 and 2050 relative to current level. The future crop yield 

changes (Yc

i

,%) at grid cell 

i 

as a result of yield response (TRI

i

) and 

future warming (RCP2.6 and RCP8.5) compared with the current tem-

perature (

Δ

T

i

): 

Yc

i

=

TRI

i

×

Δ

T

i

(4) 

Adopting SOC strategies would reduce the yield loss due to warming 

(i.e., the difference of yield change (%) between scenarios with (Ya

i

) and 

without  (Yc

i

)  SOC  improvement).  The  avoided  yield  loss  (%)  at  the 

continental scale was obtained by area-weighting the results at the grid 

scale  (

Ray  et  al.,  2012

),  which  was  then  multiplied  by  the  current 

average yield (Y) and harvest area (HA) (2011

−

2020) from FAO to es-

timate the avoided production loss (Pa). 

Pa

=

∑

n

i

=

1

(

Yai

−

Yc

i

) ×

A

i

∑

n

i

=

1

A

i

×

Y

×

HA

(5) 

The avoided production loss with SOC improvement (

Zomer et al., 

2017

) would lead to additional population that can be fed per year. 

Following  FAO  approaches,  the  change  of  production  was  converted 

into the calorie content (

FAO, 2012

), then divided by the calorie need 

per capita per year to  estimate the increased  feed (

FAO, 2018

). The 

results (i.e., yield loss, production loss, increased fed) were calculated 

separately for four crops and two climate scenarios. 

3. Results 

3.1. Climate warming impacts on global crop yield 

In general, warming has caused global-scale yield loss, with crop- 

specific and spatially heterogeneous responses at finer scales (

Fig. 1

). 

Globally, the estimates for all four crops show negative TRIs, suggesting 

an average yield loss of 

−

3.4% 

◦

C

−

1 

(

−

32.0% to 19.1% 

◦

C

−

1

, 95% dis-

tribution interval), 

−

2.4% 

◦

C

−

1 

(

−

21.2% to 15.0% 

◦

C

−

1

), 

−

0.3% 

◦

C

−

1 

(

−

22.8% to 17.4% 

◦

C

−

1

), and 

−

5.0% 

◦

C

−

1 

(

−

25.2% to 14.3% 

◦

C

−

1

) for 

maize,  wheat,  rice,  and  soybean,  respectively.  However,  crop-  and 

location-specific TRIs vary significantly. In particular, the TRIs for maize 

are consistently negative across five continents, ranking from high to 

low:  Africa  (

−

6.6% 

◦

C

−

1

,  ranging 

−

39.2%  to  26.1% 

◦

C

−

1

),  South 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

4

America  (

−

6.3% 

◦

C

−

1

, 

−

28.3%  to  10.9% 

◦

C

−

1

),  North  America 

(

−

3.4% 

◦

C

−

1

, 

−

19.3% to 10.0% 

◦

C

−

1

), Oceania (

−

2.8% 

◦

C

−

1

, 

−

42.2% 

to 14.1% 

◦

C

−

1

) and Europe (

−

2.2% 

◦

C

−

1

, 

−

15.7% to 10.9% 

◦

C

−

1

). While 

on average, maize in Asia is less negatively affected by warming, yield 

loss is still observed in regions including Southeast Asia, Central Asia 

and Northwest China (

Fig. 1

a). For wheat, Africa is the most vulnerable 

continent, with a TRI of 

−

15.5% 

◦

C

−

1 

(

−

47.0% to 17.5% 

◦

C

−

1

), followed 

by  South  America  (

−

7.3% 

◦

C

−

1

, 

−

22.3%  to  11.8% 

◦

C

−

1

)  and  Asia 

(

−

1.1% 

◦

C

−

1

, 

−

20.7% to 18.7% 

◦

C

−

1

) (

Fig. 1

b). Rice is least affected by 

rising temperatures in many regions, with continental scale TRIs closing 

to zero (

Fig. 1

c). The highest yield loss for soybean occurred in South 

America  (

−

9.8% 

◦

C

−

1

, 

−

25.5%  to  12.9% 

◦

C

−

1

),  the  largest  soybean 

producer, followed by Africa (

−

8.7% 

◦

C

−

1

, 

−

36.4% to 16.1% 

◦

C

−

1

). The 

lowest yield loss (

−

1.4% 

◦

C

−

1

, 

−

10.0% to 5.7% 

◦

C

−

1

) appeared in North 

America  (

Fig.  1

d).  In  general,  crop  production  in  Africa  and  South 

America is more susceptible to warming. 

3.2. The role of soil in reducing climate impacts on yield 

The spatially heterogeneous response of crop yield to warming can 

be largely explained by soil heterogeneity in terms of soil properties, 

including SOC, TN, clay and sand content, pH and cation exchange ca-

pacity (CEC). After training and testing, the random forest model can 

replicate the crop-specific yields to soil with the coefficient of determi-

nation (R

2

) of 0.46 to 0.66 (Fig. S3), and the relationships can be visu-

alized  by  centered  individual  conditional  expectation  (c-ICE)  plot 

(

Fig. 2

). c-ICE plot can highlight the average change (colored curves) 

and  variation  range  (corresponding  shadows)  of  TRI  along  with  soil 

properties (

Fig. 2

a to 

2

f), and also identify where, and to what extent, 

heterogeneities  might  exist  (

Goldstein  et  al.,  2015

).  Among  six  soil 

properties that potentially affect crop growth, SOC is identified as the 

most important predictor to TRI, followed by TN, considering the vari-

able importance metric (

Fig. 2

g). Other soil properties do not affect TRI 

consistently across the whole range (

Fig. 2

c to 

2

g). This implies that, 

with increased SOC or TN (except maize) in locations where their cur-

rent  levels  are  relatively  low,  TRI  could  be  improved,  suggesting 

increased yield resilience to warming (e.g., 

Fig. 2

a and 

2

b). In particular, 

with increasing SOC, the TRI of four crops would increase until reaching 

a 

“

plateau

” 

(

Fig. 2

a). When the SOC is lower than about 2.0%, increasing 

SOC can considerably increase TRI, indicating improved yield resilience 

to warming. Considering current low levels of SOC (Fig. S4), global soils 

have great potential to increase carbon content before reaching the TRI 

“

plateau

” 

level. Current soil TN content, however, has already reached 

the 

“

plateau

” 

level in most of the planting regions (Fig. S5), leaving 

limited room for improving TRI via TN change. Therefore, in this study, 

we further quantify spatial TRIs after soil improvement, specifically SOC 

increase, with associated TN change to maintain soil C:N. 

Our analysis shows that improving soil can generally lead to less 

negative or more positive TRIs (

Fig. 3

), relative to those with existing 

soil conditions (

Fig. 1

). By considering a 

“

medium

” 

sequestration sce-

nario that SOC increase rate in the top of 30 cm would achieve 26% of 

the 

“

4p1000

” 

target (

Sommer and Bossio, 2014

; 

Zomer et al., 2017

), the 

SOC level after 20 years of sequestration can be increased by an average 

of  1.3%  in  the  study  areas  (Fig.  S4).  With  the  increase  of  SOC,  the 

warming-induced yield losses could be significantly reduced (

Fig. 3

). 

From a global perspective, the TRIs for maize, wheat, rice and soybean 

would be 0.1% 

◦

C

−

1 

(

−

10.4% to 18.8% 

◦

C

−

1

), 2.7% 

◦

C

−

1 

(

−

4.5% to 

15.0% 

◦

C

−

1

),  3.4% 

◦

C

−

1 

(

−

6.7%  to  17.4% 

◦

C

−

1

)  and 

−

0.6% 

◦

C

−

1 

(

−

11.2% to 14.2% 

◦

C

−

1

), respectively. With improved yield resilience 

owing to soil improvement, about 3.6%

–

5.1% of yield loss caused by a 

degree Celsius warming can be avoided relative to the scenarios without 

soil improvement. 

Fig. 1.

Global temperature response indices (TRIs,% 

◦

C

−

1

) of four crops. (

a

) Maize, (

b

) wheat, (

c

) rice and (

d

) soybean. TRI values show yield changes per 

◦

C of 

temperature increase, with positive and negative values indicating yield gain and loss, respectively. The black marks in the grids represent the significant influence of 

warming. The box chart reflects the interquartile range and the middle line in the box represents the median. The boxes from left to right represent Africa (AF), South 

America (SA), North America (NA), Oceania (OA), Asia (AS) and Europe (EU), and the blank indicates insufficient data in Oceania (

b 

to 

d

). 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

5

For  maize,  in  the  United  States,  the  largest  maize  producer,  the 

average TRI would change from 

−

3.7% 

◦

C

−

1 

to 

−

1.5% 

◦

C

−

1

, about 60% 

of warming-induced yield loss could be avoided (

Fig. 3

a). In West Africa 

and East Africa, where yield has reduced by 

>

30% 

◦

C

−

1 

in some areas 

(

Fig. 1

a), most of the loss would decrease to less than 

−

10% 

◦

C

−

1 

after 

improving SOC (

Fig. 3

a). As for wheat, in both China and India, two of 

the largest producers, the yield has suffered from different degree of loss 

due to warming, about 

−

0.1% 

◦

C

−

1 

and 

−

7.0% 

◦

C

−

1

, respectively. With 

improved soil, the TRIs would turn positive in both countries (3.9% 

◦

C

−

1 

in China, and 1.1% 

◦

C

−

1 

in India), suggesting a potential yield benefit 

with warming regardless of possible effects from other factors. It is not 

unexpected that rice is less affected by warming as an irrigated crop, it 

also benefits from SOC improvement. In particular, for China and India, 

the  top  two  rice  producers,  the  average  TRIs  would  increase  from 

1.0% 

◦

C

−

1 

and 0.3% 

◦

C

−

1 

to 3.5% 

◦

C

−

1 

and 4.7% 

◦

C

−

1

, respectively, 

showing even stronger yield resilience to warming. For soybean, its high 

vulnerability to warming would also be significantly reduced, especially 

in the main producing countries, Brazil, Argentina and India (

Fig. 3

d). 

The SOC strategy would reduce soybean yield loss by 8.2% 

◦

C

−

1 

in South 

America (

Fig. 3

d). 

Globally,  53.2%,  67.8%,  51.8%  and  71.6%  of  planting  area  for 

maize,  wheat,  rice  and  soybean,  respectively,  could  be  given  an 

improved crop resilience due to increased SOC, covering 60.0% of global 

total planting area (

Fig. 1

, 

Fig. 3 

and Fig. S6). Among these areas, 77.1%, 

95.9%, 90.2% and 88.3% of maize, wheat, rice and soybean, respec-

tively, have experienced yield loss due to warming (i.e., TRI 

<

0). For 

most of the cropland that has already benefited from warming, i.e., with 

original TRI 

>

0, SOC improvement has only minimal effects on yield 

resilience, especially for wheat and rice. 

3.3. Building SOC to secure future food production 

Under future climate change, temperature will continue to increase 

and crop yields are expected to decrease. Over the growing seasons, the 

average temperature would increase by 0.18

–

0.21 

◦

C, and 1.18

–

1.44 

◦

C 

in 2050 under RCP2.6 and RCP8.5, respectively (

Table 1 

and Fig. S7). 

The negative impacts of warming on crop yield would be amplified in a 

warmer future in most cases, which would inevitably lead to a reduction 

of total production (

Table 1

). 

Under existing SOC level, warming leads to global scale loss of yield 

in  2050 relative to  current level, with  0.2

–

1.0% and 5.2

–

12.4% loss 

under  RCP2.6  and  RCP8.5,  respectively.  In  particular,  maize  suffers 

from  the  largest  yield  loss  under  RCP8.6,  reaching  686  kg  ha

−

1

,  or 

12.4% of the current yield (

Table 1

). The largest loss of production can 

also be seen for maize, at about 130 million tonnes each year. Relative to 

the scenarios under current SOC level, SOC improvement could largely 

avoid the loss of global yield and production. For wheat and rice in 

certain cases, warming might even result in slight yield gain in terms of 

global average. Specifically, maize yield loss can be minimized to 454 

kg ha

−

1 

with SOC improvement, avoiding a total production loss of 44.2 

million tonnes relative to the scenario with existing SOC. Wheat would 

be less affected by future warming with minimum yield loss (

−

175 kg 

ha

−

1

),  and  benefit  most  from  SOC  improvement  (

Table  1

).  Rice  and 

soybean yield could be reduced by 7.0% (322 kg ha

−

1

) and 10.6% (281 

kg ha

−

1

) under RCP8.5, and the corresponding production loss could be 

reduced by 30.2 and 18.4 million tonnes through SOC improvement, 

respectively. With global efforts to enrich soil carbon, food systems are 

predicted to provide additional 20.0 and 135.7 million tonnes of food 

that would otherwise lose due to warming (

Table 1

), which would be 

enough to feed an additional 74.9 and 508.6 million people in terms of 

calorie need under RCP2.6 and RCP8.5, respectively. 

°

°

Fig. 2.

The temperature response indices (TRIs) vary with soil properties. 

a 

to 

f

, centered individual conditional expectation (c-ICE) plot of TRI by six soil properties. 

Red, blue, green and purple lines represent the averaged TRI changes of maize, wheat, rice and soybean with starting point fixed at zero, respectively, with shadow 

indicating  the  distribution  of  all  individual  instances. 

g

,  the  importance  of  soil  properties,  sorted  from  high  to  low  according  to  the  model  outputs.  Variable 

importance was measured by the percentage increase in mean squared error when permuting the variable. 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

6

From  a  regional  perspective,  both  yield  and  production  would 

benefit  from  SOC  improvement  regardless  of  future  climate,  but  the 

benefits of avoided loss vary largely by crop and by continent (Fig. S8 

and 

Fig. 4

). With warmer climate (i.e., RCP8.5 relative to RCP2.6), the 

overall crop productivity would be more adversely affected (

Table 1

), 

and SOC improvement helps to avoid losses at a much higher magnitude 

across the world (Fig. S8 and 

Fig. 4

). The maize yield and production loss 

due  to  warming  of  major  producers  would  be  significantly  reduced 

through SOC improvement (

Fig. 4

a), e.g., 8.1 million tonnes in South 

America and 13.3 million tonnes in North America. For wheat, wide-

spread yield loss in Asia and Europe, the main producing regions, would 

be  reduced  with  SOC  improvement,  avoiding  21.9  and  9.6  million 

tonnes production loss, respectively (

Fig. 4

b). For rice and soybean that 

are primarily produced in one continent, the avoided loss of production 

under RCP8.5 can reach 27.5 and 15.5 million tonnes in Asia (

Fig. 4

c) 

and South America (

Fig. 4

d), respectively. Improving  SOC reduces a 

total production loss in these two regions equaling to 4.1% and 9.6% of 

current rice and soybean production, respectively. 

Asia would benefit the most from SOC improvement, with an avoi-

ded production loss of 58.1 million tonnes under RCP8.5 in 2050, ac-

counting for 4.3% of the total current production in Asia (

Fig. 4

). Among 

the four crops in Asia, wheat and rice contribute to over 85% the total 

avoided production loss (

Fig. 4

b and 

4

c). For Africa in particular, the 

share of avoided production loss is relatively small, with 14.0 million 

tonnes out of 135.7 million tonnes of global total. However, in all cases, 

except  for  rice  that  is  not  widely  produced,  the  size  of  avoided  loss 

relative to current production is above global average, especially for 

maize  and  wheat  (

Fig.  4 

and  Fig.  S8).  The  total  avoided  loss  under 

RCP8.5 in Africa account for 10.0% of its current total production, much 

higher than that of other continents or global average. This suggests that 

for developing regions with high prevalence of undernourishment (e.g., 

African areas), SOC-based strategy could be particularly important for 

securing food production under climate change. 

Fig. 3.

The estimated global TRIs (% 

◦

C

−

1

) of four crops with SOC improvement. (

a

) maize, (

b

) wheat, (

c

) rice and (

d

) soybean. The box plots and the curve on the 

left show the frequency distribution of TRI at global scale. Orange and green boxes represent the overall results without and with SOC improvement, respectively. 

Green boxes at the bottom show the frequency distribution of TRI of six continents, Africa (AF), South America (SA), North America (NA), Oceania (OA), Asia (AS) 

and Europe (EU), and the blank indicates insufficient data in Oceania (

b 

to 

d

). 

Table 1 

Changes in global temperature, crop yield and production in 2050 under two climate scenarios.  

Crops 

Temperature increase 

(

◦

C) 

Yield change

a 

under current SOC (kg 

ha

−

1

) 

Yield change

a 

under improved SOC (kg 

ha

−

1

) 

Avoided production loss with SOC improvement

b 

(million tonnes) 

RCP2.6 

RCP8.5 

RCP2.6 

RCP8.5 

RCP2.6 

RCP8.5 

RCP2.6 

RCP8.5 

Maize  

0.19  

1.42  

−

40.4  

−

686.2  

−

10.0  

−

453.8  

5.8  

44.2 

Wheat  

0.21  

1.44  

−

16.6  

−

174.5  

18.8  

52.4  

7.7  

49.6 

Rice  

0.18  

1.18  

−

10.0  

−

321.5  

18.2  

−

135.2  

4.6  

30.2 

Soybean   0.20  

1.39  

−

27.7  

−

280.5  

−

3.1  

−

124.4  

2.9  

18.4  

a

Change of yield in 2050 relative to current level (averaged yield from 2011 to 2020). 

b

Production change under improved SOC minus production change under current SOC. 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 7

Figures and page graphics, page 7

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

7

4. Discussion 

4.1. Crop yield loss and yield resilience to climate warming 

This study specifically investigated the partial crop yield response to 

warming by excluding other factors (e.g., precipitation, crop variety, 

management), showing relatively comparable findings with other rele-

vant  studies.  Globally,  rising  temperature  caused  maize,  wheat  and 

soybean yield losses on average, yet with spatial divergence (

Fig. 1

). For 

instance,  crops  in  high-latitude  regions  would  benefit  from  climate 

warming due to longer growing seasons (

J

¨

agermeyr et al., 2021

). Rice 

yield was less affected by rising temperature compared with the other 

three major crops, consistent with previous meta-analyses and statistical 

modeling (

Hasegawa et al., 2022

; 

Lobell et al., 2011

). A larger area of 

irrigated rice in the main producing country may bridge the water deficit 

associated  with  warming  (

J

¨

agermeyr  et  al.,  2016

).  However,  a 

multimethod-ensemble simulation showed more pessimistic response of 

rice to warming (

Zhao et al., 2017

). Note that current TRI of global 

average warming for maize and wheat was smaller than that found in 

previous studies (

Lobell et al., 2011

; 

Zhao et al., 2017

). A major reason is 

that we further isolated the effects of nitrogen and phosphate fertilizer 

application. Fertilizer additions can meet possible higher nutrient re-

quirements to maintain crop yield due to reduced nitrogen use efficiency 

under climate change (

Vu et al., 2020

; 

Woo et al., 2020

). For future 

projection, the TRI of four crops in 2050 under RCP8.5, estimated in this 

study, is consistent with a recent study that combined field warming 

experiments with gridded global crop models (

Wang et al., 2020

). With 

SOC improvement, the yield losses due to warming are predicted to be 

reduced or even reversed, and therefore the food demands of tens to 

hundreds of millions of people worldwide would be met. The relative 

production  change  is  mainly  affected  by  TRI  (without  or  with  SOC 

improvement)  and 

Δ

T  (Eq. 

(4)

).  Given  the  greater  warming  under 

RCP8.5, the  production  increases due  to  soil improvement  would be 

more pronounced than that under RCP2.6 (

Table 1

). 

While  there  have  been  studies  investigating  the  relationships  be-

tween crop yield and climate factors, there has been a lack of field ev-

idence to isolate the role of soil in building yield resilience to climate 

warming at regional to national and global scales (

Qiao et al., 2022

). 

However, some existing understanding and evidence can still imply the 

importance of soil system. A recent report from on-farm trials in China 

suggests that high-quality soils can reduce the sensitivity of crop yield to 

climate variability and stabilize crop yield (

Qiao et al., 2022

). Compared 

with soils of low quality, high-quality soils are proven to improve yield 

under climate change by an average of 1.7% (

Qiao et al., 2022

). This 

study provides field evidence to our findings at the global scale that soil 

improvement can increase resilience of the soil-crop system to climate 

change (i.e., soil resilience, crop resilience and resilience of the inte-

grated system) and help secure future crop production. Globally, the 

benefits of increased SOC are particularly pronounced in wheat cropping 

systems (

Table 1

), and this negative-to-positive effects of improved soil 

on  yield  also  appeared  in  regional  cases  (

Qiao  et  al.,  2022

).  More 

importantly, our study indicates that for regions that are more suscep-

tible to warming, increasing SOC would lead to greater yield resilience. 

For instance, in Africa, that has the highest prevalence of undernour-

ishment (19% in 2018

–

2020) (

FAOSTAT, 2021

), the TRI of maize and 

soybean  can  be  increased  by  ~7% 

◦

C

−

1 

with  SOC  improvement, 

doubling the global average. In these warmer and less irrigated areas, 

increasing  SOC  would prominently alleviate  the  heat stress on  crops 

(Fig.  S6  and  Fig.  S9).  However,  SOC  above  2%  would  not  result  in 

additional benefits to crop yields (

Fig. 2

). The threshold effects of SOC 

were also detected in field experiments (

Oldfield et al., 2020

). Currently, 

SOC content is below 1.5% in two-thirds of  planting grids (Fig. S4), 

Fig. 4.

Avoided yield and production loss with SOC improvement under RCP8.5 in 2050. (

a

) maize, (

b

) wheat, (

c

) rice and (

d

) soybean. The grid cells show avoided 

yield loss after SOC improvement, with gray indicating no significant effect. Blue bars at the bottom show reduced production loss in six continents, Africa (AF), 

South America (SA), North America (NA), Oceania (OA), Asia (AS) and Europe (EU), and the blank indicates insufficient data in Oceania. Orange dots in each panel 

represent the percentage of avoided production loss in the current total production, and the dash line indicates the global average percentage. 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 8

Figures and page graphics, page 8

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

8

which leaves great potential to stabilize crop yield under warming by 

improving  SOC.  Our  findings  highlight  the  role  of  soil  in  improving 

overall  system  resilience  to  warming  and  reducing  yield  loss  under 

future climate at regional and global scales. 

4.2. Potential mechanism of enhancing yield resilience to warming with 

improved SOC 

Notably, the mechanisms by which improved soil reduces the climate 

impact  on  crops  are  not  fully  known.  Soil  health  improvement  by 

increasing SOC can increase crop yield resilience under extreme climate 

stress (

Lal, 2016

; 

Lal, 2020

; 

Lipper et al., 2014

), which is necessary to 

support food security under climate change at regional and global scales. 

Long-term experiments in China revealed that higher SOC stocks can 

reduce  annual  variation of  wheat  and maize yield  (

Xu  et al.,  2019

), 

especially in Northeast China where has the highest SOC content (

Zhang 

et al., 2016

). Specifically, SOC underpins soil structure, soil formation, 

water  cycling  and  nutrient  cycling  (

Taylor  et  al.,  2021

).  Poor  soil 

structure (e.g., soil compaction) lowers root biomass. Increasing SOC 

concentration was shown to increase porosity across different soil tex-

tures (

Fukumasu et al., 2022

), which promotes root growth, and nutrient 

and water uptake of crops, making them more resilient e.g. to drought 

(

Song et al., 2015

). Increased organic matter can increase soil water 

holding capacity, thereby alleviating damage of heat and drought and 

increasing resilience of maize (

Williams et al., 2016

). The crop is less 

sensitive to heat in medium- and fine- textured and carbon rich soils, 

partially due to restricted water loss through evapotranspiration (

Huang 

et al., 2021

). In this study, compared with wheat and soybean, maize 

and  rice  would  benefit  less  from  improving  SOC,  probably  because 

maize as a C4 plant has a smaller stomatal conductance to concentrate 

CO

2 

(

Fodor et al., 2017

; 

J

¨

agermeyr and Frieler, 2018

), and rice is often 

irrigated and less water-stressed. Field experiments have shown that rice 

could benefit from a higher temperature when soil nutrients keep up 

with  the  demand  (

Vu  et  al.,  2020

).  Given  that  higher  crop  biomass 

returns more C into soil (

Wang et al., 2017

), the interaction between 

yield  and  SOC  increase  presents  a  positive  feedback  (

Oldfield  et  al., 

2020

).  On  the  other  hand,  losses  of  SOC  and  TN,  which  were  pre- 

simulated  by  a  process-based  model  under  3 

◦

C  of  warming,  would 

reduce wheat yield by 13% and maize yield by 19% (

Basso et al., 2018

). 

However, few studies have achieved a separation of the feedback on the 

interaction between crop yield resilience to warming and soil properties, 

primarily because multiple factors and complex processes are involved, 

and the role of soil cannot easily be isolated in the overall yield resilience 

observations. It is expected that the relationship between TRI and soil 

could  be  revealed  by  paired  warming  experiments  across  a  range  of 

crop-soil-environment conditions. 

It should also be noted that the capacity for building SOC to improve 

yield resilience may be limited in certain regions (Fig. S6), and man-

agement practices should be examined for potential trade-offs. Due to 

the increase of soil water retention, negative effects of increasing SOC on 

maize,  wheat  and  soybean  may  occur  in  wet  regions  with  poorer 

drainage (

Huang et al., 2021

). The increase of SOC also significantly 

increases  the  specific  heat  capacity  of  the  soil  (

Wang  et  al.,  2019

), 

slowing soil warming and drying in spring, and delaying crop planting 

and  seed  germination  (

Huang  et  al.,  2021

).  The  areas  with  greater 

benefits after improving SOC could be given higher priority in regional 

or national planning (

Figs. 1, 3 

and S6). For areas with higher poverty 

and undernourishment, smallholders may not be able to afford costly 

measures  (

Bryan  et  al.,  2013

),  so  effective  economic  and  policy  in-

centives would need to be in place (

Amelung et al., 2020

; 

Zhao et al., 

2018

). Food security and other benefits, including ecosystem service and 

negative  emissions  (

Adhikari  and  Hartemink,  2016

; 

Griscom  et  al., 

2017

),  can  further  justify  government  investment.  Fast  and  effective 

action is required globally (

Paustian et al., 2016

; 

Qin et al., 2021

)

. 

4.3. SOC sequestration potential 

SOC can be sequestered in croplands, depending on organic matter 

inputs  (e.g.,  residue,  manure),  and  other  management  practices,  but 

with an upper limit (

Qin et al., 2013

; 

Stewart et al., 2008

). Soil man-

agement should also well reflect the level of confidence in both science 

and practice. The potential SOC in our study considered a management 

scenario  with  cover  cropping,  manure  application  and  conservation 

tillage,  that  would  be  higher  than  the  potential  based  on  the  meta- 

analysis  with  applicable  constraints  (

Lessmann  et  al.,  2021

). 

Compared with the 

“

4p1000

” 

initiative, potential SOC was simulated 

with a relatively conservative sequestration rate, reaching 26% of the 

“

4p1000

” 

target (

Zomer et al., 2017

). SOC losses due to warming were 

not  specifically  considered  in  this  estimation  (

Bruni  et  al.,  2021

). 

Regarding the regional sequestration potential, long-standing cropping 

regions in Europe (2.6%), North America (2.4%) and Asia (1.6%) show a 

higher rate (Fig. S4), which is reflecting previous carbon depletion due 

to  intensive  land  use,  leaving  more  room  for  carbon  accumulation 

(

Georgiou  et  al.,  2022

; 

Sanderman  et  al.,  2017

).  From  a  technical 

perspective, increasing organic inputs (e.g., crop residue, cover crop and 

manure) is considered as the most effective measure to accumulate SOC 

in cropland (

Fujisaki et al., 2018

; 

Smith et al., 2020

). Crop residues 

return is a feasible and efficient way to increase SOC by 0.69 Mg C ha

−

1 

yr

−

1 

under a high retention rate (

Wang et al., 2017

). Irrigation of arid 

and semiarid regions may also increase SOC through increased biomass 

production  (

Trost  et  al.,  2013

).  Optimal  agricultural  management  in 

China  was  estimated  to  be  able  to  sequester  2.4  Pg  C  into  cropland 

before 2050, with higher potential for paddy soil (26.1 Mg C ha

−

1

) (

Qin 

et al., 2013

; 

Yu et al., 2013

). Notably, soil N

2

O emissions may change as 

a result of management change aiming at increasing SOC, which should 

be further studied for optimizing crop resilience and emission mitigation 

(

Lugato et al., 2018

). 

4.4. Limitations and uncertainties 

Agricultural  production  involves  complex  field  managements  and 

multifactorial interactions. Modeling uncertainties may arise from data 

limitation (e.g., lack of fine planting regimes and crop calendar at global 

scale, relatively short temporal coverage), choice of future GHG emis-

sion scenarios, climate model projections, simplified future crop pro-

duction  computation,  and  understanding  of  soil-yield  resilience 

mechanisms. For instance, although precipitation change was included 

in our modeling analysis, no significant trends were detected. The lack of 

irrigation in the model, due to data limitation, may have partially missed 

the  water  impacts.  If  crop-specific  irrigation  data  with  high  spatio- 

temporal  resolution  become  available,  the  cooling  and  water  supply 

effects of irrigation could be better modeled (

Li et al., 2020

; 

Wang et al., 

2021

).  Spatially  referenced  and  crop-specific  data  on  fertilization,  if 

they  become  available,  could  also  help  improve  model  simulations. 

Additionally, since TRI is a simplification of the actual response of crop 

to temperature change, future studies could further include biophysical 

processes  to  better  understand  crop-soil-environment  interactions 

(

Taylor et al., 2021

). Furthermore, socioeconomic drivers of food supply 

and demand besides domestic production of crops, e.g. trade (

Hasegawa 

et al., 2021

), are important to assess hunger and the food secure popu-

lation. Finally, acting on soil may lead to other unintended negative 

environmental (e.g., water, nutrients input), social (e.g., competitive use 

of resources) and even economic outcomes (e.g., shift of investment), 

and these should be avoided to the greatest extent possible (

Groenigen 

et al., 2017

; 

Rumpel et al., 2020

; 

Schmer et al., 2020

). Given the mul-

tiple benefits of building SOC, the priority should be given to take effi-

cient  management  steps  considering  the  integrated  crop-soil- 

environment system to close the yield gap, ensure the security of food 

supply and investigate potential unintended consequences. 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

9

5. Conclusion 

A global assessment of maize, wheat, rice and soybean yield change 

under  climate  warming  and  corresponding  crop  resilience  from  soil 

improvement  was  conducted  using  statistical  and  random  forest 

methods. The analyses presented herein showed that each 

◦

C of warming 

resulted in a 3.4%, 2.4%, 0.3% and 5.0% loss in maize, wheat, rice and 

soybean yield, respectively. However, there is spatial heterogeneity in 

the yield response to warming (TRI). Among the soil properties, SOC is 

the dominant factor that accounts for the spatial disparities of TRI. After 

considering the potential of SOC improvement under medium carbon 

sequestration  scenario,  3%

–

5% 

◦

C

−

1 

of  warming-induced  yield  loss 

would be avoided for four crops. Among the regions with yield loss, 

77%

–

96% would benefit from SOC improvement. The increase in SOC 

can  enhance  crop  yield  resilience  to  warming  and  avoid  warming 

induced  crop  production  loss,  providing  a  soil-based  solution  for 

regional and global food security. 

CRediT authorship contribution statement 

Z. Q. and Y. H. conceived and designed the research. X. D. and Z. Q. 

developed data-model simulations and analyzed results, with key inputs 

from Y. H., W. Y. and W. Z. on model improvement. P. C., W. D. and P. S. 

helped with interpretation of the results and discussion. X. D., Y. H. and 

Z. Q. wrote the manuscript with contributions from all authors. 

Declaration of competing interest 

The authors declare that they have no known competing financial 

interests or personal relationships that could have appeared to influence 

the work reported in this paper. 

Data availability 

All  the  source  data  of  this  study  are  freely  available  online  and 

referenced within the paper. The summary of the dataset is included in 

the Supplementary data. The code used to perform analyses in this study 

is generated in Python36 and is available upon reasonable request. 

Acknowledgements 

We thank Yifan Xu for reviewing the algorithms for estimating yield 

reponse.  This  work  was  supported  by  the  National  Natural  Science 

Foundation of China (41975113, 42141020), the Guangdong Provincial 

Department  of  Science  and  Technology  (2019ZT08G090),  and  China 

Postdoctoral Science Foundation (2021M693583). 

Appendix A. Supplementary data 

Supplementary data to this article can be found online at 

https://doi. 

org/10.1016/j.scitotenv.2023.166711

. 

References 

Adhikari, K., Hartemink, A.E., 2016. Linking soils to ecosystem services - a global review. 

Geoderma 262, 101

–

111. 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.08.009

. 

Amelung, W., Bossio, D., de Vries, W., Kogel-Knabner, I., Lehmann, J., Amundson, R., 

et al., 2020. Towards a global-scale soil climate mitigation strategy. Nat. Commun. 

11, 5427. 

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18887-7

. 

Asseng, S., Ewert, F., Martre, P., Rotter, R.P., Lobell, D.B., Cammarano, D., et al., 2015. 

Rising temperatures reduce global wheat production. Nat. Clim. Chang. 5, 143

–

147. 

https://doi.org/10.1038/nclimate2470

. 

Basso, B., Dumont, B., Maestrini, B., Shcherbak, I., Robertson, G.P., Porter, J.R., et al., 

2018. Soil organic carbon and nitrogenfeedbacks on crop yields under climate 

change. Agric. Environ. Lett. 3, 180026 

https://doi.org/10.2134/ael2018.05.0026

. 

Batjes, N.H., 2015. World Soil Property Estimates for Broad-scale Modelling 

(WISE30sec). Wageningen

. 

Breiman, L., 2001. Random forests. Mach. Learn. 45, 5

–

32. 

https://doi.org/10.1023/a: 

1010933404324

. 

Bruni, E., Guenet, B., Huang, Y., Clivot, H., Virto, I., Farina, R., et al., 2021. Additional 

carbon inputs to reach a 4 per 1000 objective in Europe: feasibility and projected 

impacts of climate change based on century simulations of long-term arable 

experiments. Biogeosciences 18, 3981

–

4004. 

https://doi.org/10.5194/bg-18-3981- 

2021

. 

Bryan, E., Ringler, C., Okoba, B., Roncoli, C., Silvestri, S., Herrero, M., 2013. Adapting 

agriculture to climate change in Kenya: household strategies and determinants. 

J. Environ. Manag. 114, 26

–

35. 

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.10.036

. 

Challinor, A.J., Watson, J., Lobell, D.B., Howden, S.M., Smith, D.R., Chhetri, N., 2014. 

A meta-analysis of crop yield under climate change and adaptation. Nat. Clim. 

Chang. 4, 287

–

291. 

https://doi.org/10.1038/nclimate2153

. 

Chukwudi, U.P., Kutu, F.R., Mavengahama, S., 2021. Maize response to combined heat 

and water stresses under varying growth conditions. Agron. J. 113, 4672

–

4689. 

https://doi.org/10.1002/agj2.20820

. 

Deng, X., Huang, Y., Qin, Z., 2020. Soil indigenous nutrients increase the resilience of 

maize yield to climatic warming in China. Environ. Res. Lett. 15, 094047 

https://doi. 

org/10.1088/1748-9326/aba4c8

. 

van Dijk, M., Morley, T., Rau, M.L., Saghai, Y., 2021. A meta-analysis of projected global 

food demand and population at risk of hunger for the period 2010

–

2050. Nat. Food 

2, 494

–

501. 

https://doi.org/10.1038/s43016-021-00322-9

. 

FAO, 2012. Nutritive Factors

. 

FAO, 2018. The Future of Food and Agriculture 

– 

Alternative Pathways to 2050. Rome

. 

FAO, 2021. The State of Food Security and Nutrition in the World 2021

. 

FAOSTAT, 2021. World Food and Agriculture - Statistical Yearbook 2021. Rome

. 

Fodor, Nn, Challinor, A., Droutsas, I., Ramirez-Villegas, J., Zabel, F., Koehler, A.-K., et al., 

2017. Integrating plant science and crop modeling: assessment of the impact of 

climate change on soybean and maize production. Plant Cell Physiol. 58, 

1833

–

1847. 

https://doi.org/10.1093/pcp/pcx141

. 

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

et al., 2018. Soil carbon stock changes in tropical croplands are mainly driven by 

carbon inputs: a synthesis. Agric. Ecosyst. Environ. 259, 147

–

158. 

https://doi.org/ 

10.1016/j.agee.2017.12.008

. 

Fukumasu, J., Jarvis, N., Koestel, J., Katterer, T., Larsbo, M., 2022. Relations between 

soil organic carbon content and the pore size distribution for an arable topsoil with 

large variations in soil properties. Eur. J. Soil Sci. 73, e13212 

https://doi.org/ 

10.1111/ejss.13212

. 

Georgiou, K., Jackson, R.B., Vinduskova, O., Abramoff, R.Z., Ahlstrom, A., Feng, W.T., 

et al., 2022. Global stocks and capacity of mineral-associated soil organic carbon. 

Nat. Commun. 13, 3797. 

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31540-9

. 

Goldstein, A., Kapelner, A., Bleich, J., Pitkin, E., 2015. Peeking inside the black box: 

visualizing statistical learning with plots of individual conditional expectation. 

J. Comput. Graph. Stat. 24, 44

–

65. 

https://doi.org/10.1080/ 

10618600.2014.907095

. 

Griscom, B.W., Adams, J., Ellis, P.W., Houghton, R.A., Lomax, G., Miteva, D.A., et al., 

2017. Natural climate solutions. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 114, 11645

–

11650. 

https://doi.org/10.1073/pnas.1710465114

. 

Groenigen, J.W.V., Kessel, C.V., Hungate, B.A., Oenema, O., Groenigen, K.J.V., 2017. 

Sequestering soil organic carbon: a nitrogen dilemma. Environ. Sci. Technol. 51, 

11503

–

11504. 

https://doi.org/10.1021/acs.est.7b01427

. 

Hasegawa, T., Sakurai, G., Fujimori, S., Takahashi, K., Hijioka, Y., Masui, T., 2021. 

Extreme climate events increase risk of global food insecurity and adaptation needs. 

Nat. Food 2, 587

–

595. 

https://doi.org/10.1038/s43016-021-00335-4

. 

Hasegawa, T., Wakatsuki, H., Ju, H., Vyas, S., Nelson, G.C., Farrell, A., et al., 2022. 

A global dataset for the projected impacts of climate change on four major crops. Sci. 

Data 9, 58. 

https://doi.org/10.1038/s41597-022-01150-7

. 

Huang, J.Y., Hartemink, A.E., Kucharik, C.J., 2021. Soil-dependent responses of US crop 

yields to climate variability and depth to groundwater. Agric. Syst. 190, 103085 

https://doi.org/10.1016/j.agsy.2021.103085

. 

Iizumi, T., Sakai, T., 2020. The global dataset of historical yields for major crops 1981- 

2016. Sci. Data 7, 97. 

https://doi.org/10.1038/s41597-020-0433-7

. 

IPCC, 2022. Climate Change 2022 Impacts Adaptation and Vulnerability Summary for 

Policy Makers

. 

J

¨

agermeyr, J., Frieler, K., 2018. Spatial variations in crop growing seasons pivotal to 

reproduce global fluctuations in maize and wheat yields. Sci. Adv. 4, eaat4517 

https://doi.org/10.1126/sciadv.aat4517

. 

J

¨

agermeyr, J., Gerten, D., Schaphoff, S., Heinke, J., Lucht, W., Rockstr

¨

om, J., 2016. 

Integrated crop water management might sustainably halve the global food gap. 

Environ. Res. Lett. 11, 025002 

https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/2/025002

. 

J

¨

agermeyr, J., Müller, C., Ruane, A.C., Elliott, J., Balkovic, J., Castillo, O., et al., 2021. 

Climate impacts on global agriculture emerge earlier in new generation of climate 

and crop models. Nat. Food 2, 873

–

885. 

https://doi.org/10.1038/s43016-021- 

00400-y

. 

Lal, R., 2013. Intensive agriculture and the soil carbon pool. J. Crop Improv. 27, 

735

–

751. 

https://doi.org/10.1080/15427528.2013.845053

. 

Lal, R., 2016. Soil health and carbon management. Food Energy Secur. 5, 212

–

222. 

https://doi.org/10.1002/fes3.96

. 

Lal, R., 2020. Food security impacts of the 

“

4 per thousand

” 

initiative. Geoderma 374, 

114427. 

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114427

. 

Lehmann, J., Bossio, D.A., K

¨

ogel-Knabner, I., Rillig, M.C., 2020. The concept and future 

prospects of soil health. Nat. Rev. Earth Environ. 1, 544

–

553. 

https://doi.org/ 

10.1038/s43017-020-0080-8

. 

Leng, G., Peng, J., Huang, S., 2019. Recent changes in county-level maize production in 

the United States: spatial-temporal patterns, climatic drivers and the implications for 

crop modelling. Sci. Total Environ. 686, 819

–

827. 

https://doi.org/10.1016/j. 

scitotenv.2019.06.026

. 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Science of the Total Environment 903 (2023) 166711

10

Lessmann, M., Ros, G.H., Young, M.D., de Vries, W., 2021. Global variation in soil carbon 

sequestration potential through improved cropland management. Glob. Chang. Biol. 

28, 1162

–

1177. 

https://doi.org/10.1111/gcb.15954

. 

Li, Y., Guan, K.Y., Peng, B., Franz, T.E., Wardlow, B., Pan, M., 2020. Quantifying 

irrigation cooling benefits to maize yield in the US Midwest. Glob. Chang. Biol. 26, 

3065

–

3078. 

https://doi.org/10.1111/gcb.15002

. 

Liaw, A., Wiener, M., 2002. Classification and regression by randomForest. R News 2, 

18

–

22

. 

Lipper, L., Thornton, P., Campbell, B.M., Baedeker, T., Braimoh, A., Bwalya, M., et al., 

2014. Climate-smart agriculture for food security. Nat. Clim. Chang. 4, 1068

–

1072. 

https://doi.org/10.1038/nclimate2437

. 

Liu, B., Asseng, S., Müller, C., Ewert, F., Elliott, J., Lobell David, B., et al., 2016. Similar 

estimates of temperature impacts on global wheat yield by three independent 

methods. Nat. Clim. Chang. 6, 1130

–

1136. 

https://doi.org/10.1038/nclimate3115

. 

Lobell, D.B., Asseng, S., 2017. Comparing estimates of climate change impacts from 

process-based and statistical crop models. Environ. Res. Lett. 12, 015001 

https://doi. 

org/10.1088/1748-9326/aa518a

. 

Lobell, D.B., Schlenker, W., Costa-Roberts, J., 2011. Climate trends and global crop 

production since 1980. Science 333, 616

–

620. 

https://doi.org/10.1126/ 

science.1204531

. 

Lu, C.Q., Tian, H.Q., 2017. Global nitrogen and phosphorus fertilizer use for agriculture 

production in the past half century: shifted hot spots and nutrient imbalance. Earth 

Syst. Sci. Data 9, 181

–

192. 

https://doi.org/10.5194/essd-9-181-2017

. 

Lugato, E., Leip, A., Jones, A., 2018. Mitigation potential of soil carbon management 

overestimated by neglecting N2O emissions. Nat. Clim. Chang. 8, 219

–

223. 

https:// 

doi.org/10.1038/s41558-018-0087-z

. 

Oldfield, E.E., Bradford, M.A., Wood, S.A., 2019. Global meta-analysis of the relationship 

between soil organic matter and crop yields. Soil 5, 15

–

32. 

https://doi.org/10.5194/ 

soil-5-15-2019

. 

Oldfield, E.E., Wood, S.A., Bradford, M.A., 2020. Direct evidence using a controlled 

greenhouse study for threshold effects of soil organic matter on crop growth. Ecol. 

Appl. 30, e02073 

https://doi.org/10.1002/eap.2073

. 

O

’

Neill, B.C., Tebaldi, C., van Vuuren, D.P., Eyring, V., Friedlingstein, P., Hurtt, G., et al., 

2016. The scenario model intercomparison project (ScenarioMIP) for CMIP6. Geosci. 

Model Dev. 9, 3461

–

3482. 

https://doi.org/10.5194/gmd-9-3461-2016

. 

Ortiz-Bobea, A., Ault, T.R., Carrillo, C.M., Chambers, R.G., Lobell, D.B., 2021. 

Anthropogenic climate change has slowed global agricultural productivity growth. 

Nat. Clim. Chang. 11, 306

–

312. 

https://doi.org/10.1038/s41558-021-01000-1

. 

Pan, G., Smith, P., Pan, W., 2009. The role of soil organic matter in maintaining the 

productivity and yield stability of cereals in China. Agric. Ecosyst. Environ. 129, 

344

–

348. 

https://doi.org/10.1016/j.agee.2008.10.008

. 

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

smart soils. Nature 532, 49

–

57. 

https://doi.org/10.1038/nature17174

. 

Peng, B., Guan, K.Y., Tang, J.Y., Ainsworth, E.A., Asseng, S., Bernacchi, C.J., et al., 2020. 

Towards a multiscale crop modelling framework for climate change adaptation 

assessment. Nat. Plants 6, 338

–

348. 

https://doi.org/10.1038/s41477-020-0625-3

. 

Qiao, L., Wang, X., Smith, P., Fan, J., Lu, Y., Emmett, B., et al., 2022. Soil quality both 

increases crop production and improves resilience to climate change. Nat. Clim. 

Chang. 12, 574

–

580. 

https://doi.org/10.1038/s41558-022-01376-8

. 

Qin, Z., Huang, Y., Zhuang, Q., 2013. Soil organic carbon sequestration potential of 

cropland in China. Glob. Biogeochem. Cycles 27, 711

–

722. 

https://doi.org/10.1002/ 

gbc.20068

. 

Qin, Z., Griscom, B., Huang, Y., Yuan, W., Chen, X., Dong, W., et al., 2021. Delayed 

impact of natural climate solutions. Glob. Chang. Biol. 27, 215

–

217. 

https://doi.org/ 

10.1111/gcb.15413

. 

Ray, D.K., Ramankutty, N., Mueller, N.D., West, P.C., Foley, J.A., 2012. Recent patterns 

of crop yield growth and stagnation. Nat. Commun. 3, 1293. 

https://doi.org/ 

10.1038/ncomms2296

. 

Riahi, K., van Vuuren, D.P., Kriegler, E., Edmonds, J., O

’

Neill, B.C., Fujimori, S., et al., 

2017. The shared socioeconomic pathways and their energy, land use, and 

greenhouse gas emissions implications: an overview. Glob. Environ. Chang. 42, 

153

–

168. 

https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2016.05.009

. 

Rosenzweig, C., Elliott, J., Deryng, D., Ruane, A.C., Müller, C., Arneth, A., et al., 2014. 

Assessing agricultural risks of climate change in the 21st century in a global gridded 

crop model intercomparison. Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 3268

–

3273. 

https://doi.org/ 

10.1073/pnas.1222463110

. 

Ruane, A.C., Goldberg, R., Chryssanthacopoulos, J., 2015. Climate forcing datasets for 

agricultural modeling: merged products for gap-filling and historical climate series 

estimation. Agric. For. Meteorol. 200, 233

–

248. 

https://doi.org/10.1016/j. 

agrformet.2014.09.016

. 

Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C., Cardenas, M.G., Kaonga, M., Koutika, L.S., et al., 

2020. The 4p1000 initiative: opportunities, limitations and challenges for 

implementing soil organic carbon sequestration as a sustainable development 

strategy. Ambio 49, 350

–

360. 

https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2

. 

Sacks, W.J., Deryng, D., Foley, J.A., Ramankutty, N., 2010. Crop planting dates: an 

analysis of global patterns. Glob. Ecol. Biogeogr. 19, 607

–

620. 

https://doi.org/ 

10.1111/j.1466-8238.2010.00551.x

. 

Sanderman, J., Hengl, T., Fiske, G.J., 2017. Soil carbon debt of 12,000 years of human 

land use. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 114, 9575

–

9580. 

https://doi.org/10.1073/ 

pnas.1706103114

. 

Scafetta, N., 2022. Advanced testing of low, medium, and high ECS CMIP6 GCM 

simulations versus ERA5-T2m. Geophys. Res. Lett. 49 

https://doi.org/10.1029/ 

2022gl097716 

e2022GL097716.  

Schlatter, D., Kinkel, L., Thomashow, L., Weller, D., Paulitz, T., 2017. Disease suppressive 

soils: new insights from the soil microbiome. Phytopathology 107, 1284

–

1297. 

https://doi.org/10.1094/phyto-03-17-0111-rvw

. 

Schmer, M.R., Jin, V.L., Wienhold, B.J., Becker, S.M., Varvel, G.E., 2020. Long-term 

rotation diversity and nitrogen effects on soil organic carbon and nitrogenstocks. 

Agrosyst. Geosci. Environ. 3, e20055 

https://doi.org/10.1002/agg2.20055

. 

Sloat, L.L., Davis, S.J., Gerber, J.S., Moore, F.C., Ray, D.K., West, P.C., et al., 2020. 

Climate adaptation by crop migration. Nat. Commun. 11, 1243. 

https://doi.org/ 

10.1038/s41467-020-15076-4

. 

Smith, P., Jean-Francois, S., Angers, D., Schipper, L., Klumpp, K., Chenu, C., et al., 2020. 

How to measure, report and verify soil carbon change to realise the potential of soil 

carbon sequestration for atmospheric greenhouse gas removal. Glob. Chang. Biol. 26, 

219

–

241. 

https://doi.org/10.1111/gcb.14815

. 

Sommer, R., Bossio, D., 2014. Dynamics and climate change mitigation potential of soil 

organic carbon sequestration. J. Environ. Manag. 144, 83

–

87. 

https://doi.org/ 

10.1016/j.jenvman.2014.05.017

. 

Song, Z.W., Gao, H.J., Zhu, P., Peng, C., Deng, A.X., Zheng, C.Y., et al., 2015. Organic 

amendments increase corn yield by enhancing soil resilience to climate change. Crop 

J. 3, 110

–

117. 

https://doi.org/10.1016/j.cj.2015.01.004

. 

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

saturation: linking concept and measurable carbon pools. Soil Sci. Soc. Am. J. 72, 

379

–

392. 

https://doi.org/10.2136/sssaj2007.0104

. 

Taylor, A., Wynants, M., Munishi, L., Kelly, C., Mtei, K., Mkilema, F., et al., 2021. 

Building climate change adaptation and resilience through soil organic carbon 

restoration in sub-Saharan rural communities: challenges and opportunities. 

Sustainability 13, 10966. 

https://doi.org/10.3390/su131910966

. 

Tigchelaar, M., Battisti, D.S., Naylor, R.L., Ray, D.K., 2018. Future warming increases 

probability of globally synchronized maize production shocks. Proc. Natl. Acad. Sci. 

U. S. A. 115, 6644

–

6649. 

https://doi.org/10.1073/pnas.1718031115

. 

Trost, B., Prochnow, A., Drastig, K., Meyer-Aurich, A., Ellmer, F., Baumecker, M., 2013. 

Irrigation, soil organic carbon and N2O emissions. A review. Agron. Sustain. Dev. 33, 

733

–

749. 

https://doi.org/10.1007/s13593-013-0134-0

. 

Vu, D.H., Stuerz, S., Asch, F., 2020. Nutrient uptake and assimilation under varying day 

and night root zone temperatures in lowland rice. J. Plant Nutr. Soil Sci. 183, 

602

–

614. 

https://doi.org/10.1002/jpln.201900522

. 

Wang, G., Zhang, W., Sun, W., Li, T., Han, P., 2017. Modeling soil organic carbon 

dynamics and their driving factors in the main global cereal cropping systems. 

Atmos. Chem. Phys. 17, 11849

–

11859. 

https://doi.org/10.5194/acp-17-11849- 

2017

. 

Wang, X.H., Zhao, C., Muller, C., Wang, C.Z., Ciais, P., Janssens, I., et al., 2020. Emergent 

constraint on crop yield response to warmer temperature from field experiments. 

Nat. Sustain. 3, 908

–

916. 

https://doi.org/10.1038/s41893-020-0569-7

. 

Wang, X.H., Muller, C., Elliot, J., Mueller, N.D., Ciais, P., Jagermeyr, J., et al., 2021. 

Global irrigation contribution to wheat and maize yield. Nat. Commun. 12, 1235. 

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21498-5

. 

Wang, Y., Lu, Y., Horton, R., Ren, T., 2019. Specific heat capacity of soil solids: influences 

of clay content, organic matter, and tightly bound water. Soil Sci. Soc. Am. J. 83, 

1062

–

1066. 

https://doi.org/10.2136/sssaj2018.11.0434

. 

Williams, A., Hunter, M.C., Kammerer, M., Kane, D.A., Jordan, N.R., Mortensen, D.A., 

et al., 2016. Soil water holding capacity mitigates downside risk and volatility in US 

rainfed maize: time to invest in soil organic matter? PLoS One 11, e0160974. 

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0160974

. 

Woo, D.K., Riley, W.J., Wu, Y.X., 2020. More fertilizer and impoverished roots required 

for improving wheat yields and profits under climate change. Field Crop Res. 249, 

107756 

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2020.107756

. 

Wooldridge, J.M., 2018. Introductory Econometrics: A Modern Approach: Cengage 

Learning

. 

Xia, Y.S., Wander, M., 2022. Evaluation of indirect and direct scoring methods to relate 

biochemical soil quality indicators to ecosystem services. Soil Sci. Soc. Am. J. 86, 

678

–

702. 

https://doi.org/10.1002/saj2.20370

. 

Xu, J., Han, H., Ning, T., Li, Z., Lal, R., 2019. Long-term effects of tillage and straw 

management on soil organic carbon, crop yield, and yield stability in a wheat-maize 

system. Field Crop Res. 233, 33

–

40. 

https://doi.org/10.1016/j.fcr.2018.12.016

. 

Yu, Y., Huang, Y., Zhang, W., 2013. Projected changes in soil organic carbon stocks of 

China

’

s croplands under different agricultural managements, 2011

–

2050. Agric. 

Ecosyst. Environ. 178, 109

–

120. 

https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.06.008

. 

Zhang, X., Sun, N., Wu, L., Xu, M., Bingham, I.J., Li, Z., 2016. Effects of enhancing soil 

organic carbon sequestration in the topsoil by fertilization on crop productivity and 

stability: evidence from long-term experiments with wheat-maize cropping systems 

in China. Sci. Total Environ. 562, 247

–

259. 

https://doi.org/10.1016/j. 

scitotenv.2016.03.193

. 

Zhao, C., Liu, B., Piao, S., Wang, X., Lobell, D.B., Huang, Y., et al., 2017. Temperature 

increase reduces global yields of major crops in four independent estimates. Proc. 

Natl. Acad. Sci. U. S. A. 114, 9326

–

9331. 

https://doi.org/10.1073/ 

pnas.1701762114

. 

Zhao, Y.C., Wang, M.Y., Hu, S.J., Zhang, X.D., Ouyang, Z., Zhang, G.L., et al., 2018. 

Economics- and policy-driven organic carbon input enhancement dominates soil 

organic carbon accumulation in Chinese croplands. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 

115, 4045

–

4050. 

https://doi.org/10.1073/pnas.1700292114

. 

Zhu, P., Zhuang, Q., Archontoulis, S.V., Bernacchi, C., Muller, C., 2019. Dissecting the 

nonlinear response of maize yield to high temperature stress with model-data 

integration. Glob. Chang. Biol. 25, 2470

–

2484. 

https://doi.org/10.1111/gcb.14632

. 

Zomer, R.J., Bossio, D.A., Sommer, R., Verchot, L.V., 2017. Global sequestration 

potential of increased organic carbon in cropland soils. Sci. Rep. 7, 15554. 

https:// 

doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8

. 

X. Deng et al.                                                                                                                                                                                                                                    


Document Outline