Back to report · Publisher record

Evans et al. (2020). Soil lifespans and how they can be extended by land use and management change

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Environmental Research Letters

LETTER • 

OPEN ACCESS

Soil lifespans and how they can be extended by land use and
management change

To cite this article: D L Evans et al 2020 Environ. Res. Lett. 15 0940b2

 

View the 

article online

 for updates and enhancements.

This content was downloaded from IP address 134.58.253.56 on 29/10/2020 at 09:14

Page 2

Figures and page graphics, page 2

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

https://doi.org/10.1088/1748-9326/aba2fd

Environmental Research Letters

OPEN ACCESS

RECEIVED

18 May 2020

REVISED

19 June 2020

ACCEPTED FOR PUBLICATION

6 July 2020

PUBLISHED

15 September 2020

Original content from
this work may be used
under the terms of the

Creative Commons
Attribution 4.0 licence

.

Any further distribution
of this work must
maintain attribution to
the author(s) and the title
of the work, journal
citation and DOI.

LETTER

Soil lifespans and how they can be extended by land use
and management change

D L Evans

1

, J N Quinton

1

, J A C Davies

1

, J Zhao

2

and G Govers

3

1

Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, Lancashire LA1 4YQ, United Kingdom

2

Department of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Yantalu 120, Xi’an 710054, People’s Republic of China

3

Division of Geography, Department of Earth and Environmental Sciences, KU Leuven, Leuven 3000, Belgium

E-mail:

d.evans3@lancaster.ac.uk

Keywords:

soil erosion, soil formation, soil lifespan, sustainability, soil conservation, sustainable management

Supplementary material for this article is available

online

Abstract

Human-induced soil erosion is a serious threat to global sustainability, endangering global food
security, driving desertification and biodiversity loss, and degrading other vital ecosystem services.
To help assess this threat, we amassed a global inventory of soil erosion rates consisting of 10 030
plot years of data from 255 sites under conventional agriculture and soil conservation
management. We combined these with existing soil formation data to estimate soil sustainability
expressed as a lifespan, here defined as the time taken for a topsoil of 30 cm to be eroded. We show
that just under a third of conventionally managed soils in the dataset exhibit lifespans of
<200 years, with 16% <100 years. Conservation measures substantially extend lifespan estimates,
and in many cases promote soil thickening, with 39% of soils under conservation measures
exhibiting lifespans exceeding 10 000 years. However, the efficacy of conservation measures is
influenced by site- and region-specific variables such as climate, slope and soil texture. Finally, we
show that short soil lifespans of <100 years are widespread globally, including some of the
wealthiest nations. These findings highlight the pervasiveness, magnitude, and in some cases, the
immediacy of the threat posed by soil erosion to near-term soil sustainability. Yet, this work also
demonstrates that we have a toolbox of conservation methods that have potential to ameliorate this
issue, and their implementation can help ensure that the world’s soils continue to provide for us for
generations to come.

1. Introduction

Soils have underpinned the health and longevity of
every society. They are a critical global resource,
providing the basis of food production, a store and
filter for our water resources, the largest organic car-
bon store and a platform for development (Blum

2005

). Pressures on the soil resource grow as food

demands rise and land degradation increases. To date,
36% of the world’s cultivable land has been farmed
(FAO

2015

) and in many areas of the world conven-

tional plough-based agriculture is accelerating local
soil degradation (Montgomery

2007

). The United

Nations’ Food and Agriculture Organisation (FAO)
estimates that 66% of the world’s soils suffer from
some form of degradation (Bot

et al

2000

), with soil

erosion estimated at between 25 and 40 Pg y

−

1

glob-

ally (Quinton

et al

2010

).

Rates of human-induced soil erosion are estim-

ated to outpace soil formation rates by more than an
order of magnitude (Montgomery

2007

). The con-

sequential trajectory of soil thinning is one that, left
uninterrupted, leads to the removal of the soil cover
and the exposure of the underlying parent material.
Given that the thickness of the pedosphere is a first-
order control on soil functioning, with thicker soils
having a greater capacity for water, carbon and nutri-
ent storage (Power

et al

1980

), the continued thin-

ning of near non-renewable soil profiles is one of the
most significant threats to soil sustainability (FAO
and ITPS

2015

, UNCCD

2017

). It is important that

land managers, policy makers, and society as a whole

© 2020 The Author(s). Published by IOP Publishing Ltd

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

understand the timeline over which soil ecosystem
services may be severely degraded by complete loss of
topsoil.

Thus far, we have not quantified the longevity

of our remaining soil resource. Media reports (e.g.
Arsenault

2014

, Wong

2019

) have repeatedly stated

that there are as little as 60 years of topsoil left,
but there appears to be no scientific basis for these
claims. Here, we provide the first scientifically robust,
globally relevant estimate of soil lifespans and the
degree to which changes in land use or manage-
ment can extend them. We define a first-order upper
physical limit on the productive lifespan of soils as
the time it would take for the uppermost 0.3 m of
soil to erode, assuming current rates of soil erosion
and soil formation remain constant. We argue that a
0.3 m surface horizon is essential for the delivery of
ecosystem services, and has been previously used to
define the thickness of topsoil which is enriched with
nutrients and organic matter (IPCC

2006

, Nachter-

gaele

et al

2008

, FAO

2014

) (see

Data and Methods

).

We then employ this definition with a global data-
set (10 030 plot years of annual water erosion rates,
derived from 1103 erosion plot-based records) to
quantify typical soil productive lifespans and examine
the extent to which land use change and management
practices can extend the timescales over which soils
remain productive. This is a critical step in motivat-
ing and informing land management decisions that
secure and sustain food, water and climate services
from soils.

2. Data and methods

2.1. Data collation

A compilation of 4285 plot-based gross erosion
rates representing 10 030 plot years, were amassed
from 240 studies, comprising 255 unique locations
across 38 countries (figure

1

; sources are listed

in Supplementary Information (available online at

stacks.iop.org/ERL/15/0940b2/mmedia

)). These data

were obtained in a series of steps. First, previously
published erosion rate inventories were obtained
from a Web of Science search, using the search term
TS

=

(‘soil erosion’ AND ‘plot’). As part of the inclu-

sion criteria, studies had to report at least a year’s
worth of empirical soil erosion data. Papers based
on modelled data and/or those that were based on
data collected during singular erosion events were
discarded. Second, references within each published
inventory were investigated in a snowball sampling
strategy. Likewise, those that did not comply with the
inclusion criteria set out above were discarded. Sub-
sequently, data from USLE plots and a Chinese data-
set were added. To avoid biasing the analysis towards
studies with long timeseries or many replicates, we
averaged plot replicates and multi-year studies such
that all data points represent one erosion rate for

each treatment at a single location. Throughout this
paper, we use

n

to denote the number of these gross

erosion rates and

PY

to denote the number of plot

years.

The data were assigned into three categories with

respect to land management: bare, non-bare con-
ventional agriculture and conservation-based agri-
culture. The bare soils dataset was from soils that
are kept free of vegetation on experimental plots
(

n

=

62;

PY

=

470; supplementary table 1). These

are often used to gauge erosion in a worst-case scen-
ario. Whilst instances of constantly bare soil are only
likely to occur periodically (e.g. prior to crop emer-
gence), the use of bare soil data provides a worst-case
baseline against which conventional agriculture and
soil conservation practices can be assessed. The non-
bare conventional agriculture dataset includes obser-
vations from plots undergoing non-conservation
agricultural practices, including downslope cultiva-
tion, non-terraced cropland and conventional tillage
(

n

=

320;

PY

=

4816; supplementary table 1). The

conservation-based agriculture dataset comprises an
array of plots that have been subject to soil con-
servation techniques, such as land-use change and
modifications to agricultural practices (

n

=

721;

PY

=

4744; supplementary table 1).

Gross erosion rates in the study’s native units

were compiled along with details of the respect-
ive management or soil conservation practice. Addi-
tional information about the study site were noted,
including: soil type (FAO World Reference Base), tex-
tural data, mean annual precipitation, slope and loc-
ation co-ordinates. Bulk density was recorded if it
was provided; otherwise, the lower and upper val-
ues from bulk density ranges were used from accep-
ted standards for each soil texture (US Department
of Agriculture

2018

). Cultivation notes, including

ploughing depth, mulching technique and crop spe-
cies, were recorded wherever applicable (supplement-
ary table 1). The dataset includes soils from 14 of
the 26 soil orders as recognized by the World Refer-
ence Base. All soil textures apart from ‘Silt’ and ‘Sandy
Clay’ soils are represented within this inventory (sup-
plementary figure 1), with the modal texture being
‘Silt Loam’ (

n

=

182;

PY

=

1865).

2.2. Lifespan model

To permit a valid comparison between gross erosion
rates and soil formation rates, all erosion data were
converted from their native unit to mm y

−

1

. This

involved a two-step approach whereby data in nat-
ive units were first converted into t ha

−

1

y

−

1

and

then, with the bulk density estimate, into mm y

−

1

,

following standard approaches (Montgomery

2007

).

Bulk densities were either taken directly from original
papers or, in the case of these data being absent, a
lower and upper bulk density were estimated based on
accepted standards (US Department of Agriculture

2

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

Figure 1.

Number and spatial distribution of plot years for the 255 unique locations in this study. Full dataset can be found in

supplementary table 1.

2018

). A lower and an upper gross erosion rate were

thus calculated (supplementary table 1).

A previously compiled global dataset (

n

=

264)

of soil formation rates was used in this study (Evans

et al

2019

). This dataset comprises

10

Be-derived rates

of soil formation measured at ten unique locations
across Australia, USA, Chile and the UK, represent-
ing five different climates (according to the Köppen
classification system) and all three major rock types
(igneous, sedimentary and metamorphic) (Heim-
sath

et al

1997

,

1999

,

2000

,

2001a

,

2001b

,

2005

,

2006

,

2012

; Wilkinson

et al

2005

; Dixon

et al

2009

;

Owen

et al

2011

; Riggins

et al

2011

). The mean soil

formation rate was 0.053

±

0.005 mm y

−

1

. The

25th and 75th percentiles of this dataset (0.011 and
0.059 mm y

−

1

, respectively) were employed into the

lifespan model in order to provide a representation of
uncertainty and variation in the formation rate (sup-
plementary table 2).

Where gross erosion rates exceed those of soil

formation, soil profiles thin; over time, assuming
these rates remain imbalanced, the soil profile will
eventually erode beyond a critical depth required
for the delivery of ecosystem services. We argue that
the surface horizons of the soil are critical for eco-
system service delivery as they are enriched with
nutrients and organic matter, and critical for plant
growth. In line with the FAO Harmonised World Soil
Database, the World Reference Base Soil Classifica-
tion and the IPCC (IPCC

2006

, Nachtergaele

et al

2008

, FAO

2014

) we set the topsoil depth as 0.3 m.

We chose a single topsoil depth as few of the plots
where the erosion rates were measured had detailed
soil descriptions. Global spatially explicit estimates
of soil depth exist, such as the International Soil
Reference Information Centre Global Soil Informa-
tion System ‘

SoilGrids

’, however, the representative-

ness of these data products for the individual sites
compiled in the erosion rate dataset is unknown
(Hengl

et al

2017

; Shangguan

et al

2017

). Hence,

we employ the simplest assumption and calculate
the lifespan assuming a productive 0.3 m topsoil
layer at all sites. This also provides the advantage of
allowing us to harmoniously compare the estimated
lifespans across locations, land uses and management
practices.

Following Stocking and Pain

(1983)

, soil pro-

ductive lifespans (

L

) were calculated for bare, non-

bare conventional and conservation-based land use
regimes using equation (

1

) (supplementary table 2):

D

E

−

F

(1)

where

D

is depth (mm) (set at 300 mm),

E

is the gross

annual soil erosion rate (mm y

−

1

) and

F

is the gross

annual soil formation rate (mm y

−

1

).

For each land use and management type, calcu-

lated lifespans were pooled and an Anderson Darling
test for normality was conducted. All were found to
be non-normal, leading to the median being used as
the most appropriate measure of central tendency.
Interquartile ranges and the 5th and 95th percentiles

3

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

were calculated. Percentages of lifespans <100 years
were calculated, with these percentages referring to
the number of plot studies.

Where gross erosion rates fall below those of soil

formation, the soil is thickening and equation (

1

)

no longer applies (the lifespans are indefinite). In
these instances, the net annual soil gain was calcu-
lated using the gross soil erosion and formation rates.
The proportions of <100 year, finite, and indefin-
ite lifespans were calculated for each land use and
management type. A two proportion Z test (both
one-tailed and two-tailed at 95% confidence) was
then used to assess whether these <100 year, finite,
and indefinite lifespan proportions from conserva-
tion managed plots were significantly different to
those from bare and conventionally managed plots.

2.2.1. Limitations of the soil lifespan analysis.

The lifespans calculated here are based on a single
proxy (net erosion), which is just one form of degrad-
ation that threatens the sustainability of soils glob-
ally. There are a range of retrogressive processes
that can degrade the soil’s capacity to deliver eco-
system services in shorter time frames (Heimsath

et al

2009

). For example, soil compaction can bring

about adverse effects on water regulation and nutri-
ent cycling, without a substantial loss of soil thick-
ness (Batey

2009

). The soil formation and erosion rate

(and, therefore, the net annual soil loss and gain) were
assumed to remain constant over time. This does not
account for the year-to-year fluctuations observed in
long-term soil erosion studies (Martínez-Casasnovas

et al

2002

), the potential acceleration of soil erosion

rates as precipitation intensity increases, nor the
extent to which soils may become armoured by coarse
fragments (e.g. pebble beds) in the future (Evans

et al

2019

). Moreover, the use of constant soil formation

rates do not account for potential variations in bed-
rock weathering rates as the overlying soil mantle
progressively thins (Heimsath

et al

1997

) or climatic

or biotic variations. In addition, the bedrock-derived
soil formation rates account neither for allochthon-
ous additions (aeolian and alluvial deposits) nor the
thickening of an organic layer on the mineral soil
surface, observed as a product of some management
practices, such as conservation tillage (Sharratt

et al

2006

). As aforementioned, we selected a generalized

critical soil depth of 0.3 m, but in reality, depending
on the soil and the environment, the critical soil depth
threshold may be lower or higher than this. Further-
more, we do not account for any adaption of the sub-
soil: if surface erosion rates are sufficiently low, the
underlying subsoil (if it exists) could be transformed,
chemically and biologically, into topsoil (Bakker

et al

2004

).

Assumptions were also made in the collation of

input data used in the lifespan calculation. First, the
lifespans presented here have been calculated from
erosion rates measured at the plot scale, which are

not wholly representative of the erosional processes
observed at the landscape scale, such as gully erosion
(Takken

et al

1999

, Cerdan

et al

2010

). Erosion plot

experiments tend to be located in areas suffering
from erosion, likely leading to bias in our calculated
lifespans. In addition, the erosion rates included in
this analysis are only for water-based erosion; the
redistribution of soil by tillage was not considered,
although this is a significant erosion process (St.
Gerontidis

et al

2001

). Therefore, it is likely that

estimates of lifespans are overestimated for soils on
slope convexities, where tillage reduces soil depth,
and underestimated on slope concavities, where till-
age leads to soil accumulation (Van Oost

et al

2006

).

Finally, there is an imbalance between the number

of observations in the soil erosion dataset and within
the inventory of soil formation: 18 940 papers were
found in Web of Science (25 March 2020) following a
search for ‘soil erosion’ compared to 2785 for the term
‘soil formation’.

3. Lifespans for bare and conventional
agricultural soils

Here, we consider soils that are devoid of vegetation
(bare) and under conventional cropping (e.g. inver-
sion tillage, seedbed preparation followed by cereal or
vegetable cropping), representing the worst-case and
business-as-usual conditions respectively. The cumu-
lative distribution of the estimated soil lifespans is
illustrated in figure

2

.

For plots kept bare, 34% of the dataset reported

lifespans of <100 years and the median lifespan for
thinning soils (

n

=

60;

PY

=

447) was 333 years. For

the bare soils that were classed as thickening (

n

=

2;

PY

=

23), the mean annual estimated soil gain was

0.03–0.04 mm y

−

1

. For soils from non-bare, conven-

tionally managed plots, 16% of the dataset (

n

=

298;

PY

=

4737) reported lifespans of <100 years, with a

median of 491 years for thinning soils, and a mean
annual estimated soil gain was 0.03

±

0.001 mm y

−

1

for thickening soils (

n

=

22;

PY

=

79). These estim-

ates demonstrate the magnitude of the threat that soil
thinning can place on relatively near-term soil sus-
tainability.

The analysis also shows that all regions of the

world have a predominance of thinning soils (table

1

,

finite lifespans), with soils with <100 years present
on all continents. The location of sites with lifespans
<100 years include some of the wealthiest nations
(Australia, Brazil, China, Italy, Mexico, Spain and the
USA), as defined by gross domestic product (World
Bank

2019

) demonstrating the pervasiveness of this

issue.

Our analysis suggests that a sizeable proportion

of our soil resource under conventional management
practices have lifespans <100 years comparable to
human timescales (16% with lifespans <100 years).
This is not in line with the popular claim that there

4

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

Figure 2.

Cumulative distribution of soil lifespans (

n

=

929;

PY

=

9168 for thinning and

n

=

174;

PY

=

862 for thickening soils)

and annual soil gain for bare soils (grey), non-bare conventionally managed soils (blue) and conservation management (green).
Bold lines on the cumulative distribution chart represent median lifespans; dotted lines represent the lower and upper bounds of
lifespans when the uncertainties in soil formation and soil erosion data are taken into account (see

Methods

). The shaded red box

highlights the lifespans <100 years. Full dataset can be found in supplementary table 2.

are 60 years of global topsoil left (e.g. Arsenault

2014

,

Wong

2019

). Our analysis suggests that this claim

may be too alarmist given that 79% of the worst-
case bare soils had lifespans longer than 60 years, and
that rises to >90% for conventionally managed soils.
However, it should also be noted that these lifespans
were spread across five orders of magnitude and were
heavily dependent on the management in operation
and the local environmental conditions at each site.
Hence, quoting a single lifespan estimate does not
effectively acknowledge the range of lifespans that
exist under a number of different land management
practices.

4. Extending soil lifespans by changing
land use and agricultural practice

The lifespans of soils under conservation manage-
ment, including changes both in land use and agricul-
tural practice, were estimated using measured erosion
rates (

n

=

721;

PY

=

4744) drawn from 201 plot-

based studies. These plots include those adopting
conservation-based agricultural practices (e.g. con-
tour cultivation) and different types of land use,
including forest and grassland. In the majority of
studies, forest and grassland sites were established
prior to the commencement of the study, although
some studies were not explicit in this regard. Gross
soil erosion rates were lower than soil formation in
21% of cases (

n

=

150;

PY

=

760), leading to a net

annual soil gain (figure

2

). Compared with the bare

and conventionally managed plots, the proportion of

thickening soils from the conservation management
plots was significantly greater (

p

< 0.05) with these

soils more than twice as likely to be thickening rather
than thinning.

Pooling all data for plots managed with conserva-

tion practices, 7% of lifespans were <100 years. This
represents a statistically significant reduction of more
than half in the proportion of lifespans <100 years
compared with the conventionally managed plots in
the dataset (

p

< 0.05; figure

2

). The distribution of

lifespans for the plots under conservation manage-
ment was shifted towards longer lifespans when com-
pared to conventionally managed soils. For conser-
vation managed soils, 48% of the estimated lifespans
exceeded 5000 years compared to 23% for conven-
tional agriculture, and 39% exceeded 10 000 years
compared to 18% for conventionally managed soils.

4.1. Land use change

Analysing by land use suggests that land use change
towards a forested site would be the most effective
land use change for extending soil lifespans (figure

3

). The shortest lifespan in the forested dataset was

420 years, compared to 16 years for cropland soils. In
50% of cases, gross erosion rates in forests fell below
those of soil formation, promoting soil thickening
(0.032

±

0.000 mm y

−

1

). This proportion of thick-

ening soils was significantly greater than that for bare
plots (15 times greater) and cropland plots (six times
greater) (

p

< 0.05). These findings concur with sim-

ilar work that has concluded that croplands erode, on

5

Page 7

Figures and page graphics, page 7

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

T

ab

le

1.

Glo

bal

dist

rib

u

tio

n

o

f

finit

e,

lif

espans

<100

year

s,

and

infinit

e

lif

espans

fo

r

fi

ve

re

gio

ns.

A

ll

Data

Finit

e

Lif

espans

Lif

espans

<100

year

s

Infinit

e

Lif

espans

n

PY

M

edian

lif

espan

(y

ear

s)

n

PY

%

o

f

datase

t

in

the

re

gio

n

n

PY

%

o

f

datase

t

in

the

re

gio

n

N

PY

%

o

f

datase

t

in

the

re

gio

n

M

ean

so

il

gain

(mm

y

−

1

)

N

o

rth

A

me

rica

217

2487

583

181

2346

83

39

755

18

36

141

17

0.033

S

ou

th

A

me

rica

201

3221

7101

147

3019

73

24

134

12

54

203

27

0.031

sub-S

ahar

an

A

fr

ica

105

1219

671

100

1198

95

17

212

16

5

21

5

0.035

E

ur

o

p

e

and

M

idd

le

East

107

963

6270

83

689

78

5

24

5

24

274

22

0.032

A

sia

and

A

ust

ralia

473

2140

1397

418

1917

88

40

162

9

55

223

11

0.031

a

C

o

mp

rises

bar

e,

no

n-bar

e

co

n

ve

nt

io

nal,

and

co

nse

rv

at

io

n

land

use

manag

eme

nt.

b

F

ul

l

data

can

b

e

found

in

sup

ple

me

ntar

y

tab

le

2.

6

Page 8

Figures and page graphics, page 8

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

Figure 3.

(a) Distribution of lifespans <100 years (

lowermost bars

), finite (>100 years;

middle bars

) and infinite (thickening;

uppermost bars

) lifespans for bare, conventional and conservation-based management (

n

=

1103;

PY

=

10 030). (b) Soil lifespans

for conventional (blue) and soil conservation (green) management practices (

n

=

929;

PY

=

9168), excluding those soils that are

thickening. (c) Net annual soil gain for conventional (blue) and conservation-based (green) management practices (

n

=

174;

PY

=

862). Dotted bars denote incidences where either annual soil gain did not occur or there were not enough data. All lifespans

in the dataset were calculated by accounting for the uncertainty in soil formation and erosion rates (see

Methods

). Boxplots

represent the interquartile range of these pooled lifespans; error bars refer to the 5th and 95th percentiles, within each
management shift category. A description of management practices can be found in supplementary table 3. Full dataset can be
found in supplementary table 2.

average, more than an order of magnitude faster than
forest soils (Zhao

et al

2016

).

The analysis suggests that land use change from

bare or conventional cropland to grassland would be
similarly effective in lengthening soil lifespans. For
grassland plots, we found that 2% of lifespans were
<100 years, a 17-fold reduction in the proportion
of <100 year lifespans compared to plots kept bare
(

p

< 0.05) and a seven-fold reduction in comparison

to cropland soils. In 37% of cases, gross soil erosion
rates fell below those of soil formation, promoting soil
thickening (0.032

±

0.000 mm y

−

1

). This represents

an 11-fold increase in the occurrence of thickening
soils (

p

< 0.05) compared to bare soils, and a four-

fold increase (

p

< 0.05) compared to cropland soils.

4.2. Changing agricultural practices

Without reducing the area of land designated for agri-
culture, we found that cover cropping was an effective
method of extending lifespans. No plot in the cover-
crop dataset had lifespans of <100 years (figure

3

(a)).

In 25% of cases, gross soil erosion rates fell below
those of soil formation, promoting an estimated net

annual soil gain of 0.031

±

0.001 mm y

−

1

. The pro-

portion of thickening soils from cover crop plots was
significantly greater than that of conventional man-
agement practices (

p

< 0.05). These results accord

with previous work showing the importance of cover
cropping in reducing erosion (Nyakatawa

et al

2001

,

Verstraeten

et al

2002

, Gyssels

et al

2005

).

Whilst cover cropping is one of the most effect-

ive agricultural practices for lengthening soil pro-
ductive lifespans, a suite of additional practices both
prior to and during the cropping season can extend
these further. In our dataset, conservation tillage led
to a two-fold reduction in the proportion of cases
with lifespans <100 years compared to conventional
tillage, although this was not statistically significant
(

p

> 0.05). Moreover, we found that zero tillage prac-

tices also substantially lengthened soil lifespans, with
a significant reduction in the proportion of <100 year
lifespans compared to conventional tillage (

p

< 0.05)

(figure

3

(b)).

For cultivation direction, we found that con-

tour cultivation compared to downslope practices
brought about an extension of the soil lifespan, and

7

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

a significant reduction in the proportion of <100 year
lifespans (

p

< 0.05), with 7% of the former having

lifespans of <100 years compared to 37% for the lat-
ter. For 6% of the contour cultivation dataset, soil
thickening led to an estimated net annual soil gain of
0.032

±

0.001 mm y

−

1

. On particularly steep gradi-

ents, contour cultivation may not be practical and
the most effective conservation-based management
strategy may be terracing. For terraced soils, 2% of the
dataset reported lifespans of <100 years, which com-
pared to downslope cultivation represents a 23-fold
reduction in lifespans <100 years (

p

< 0.05). However,

terraces can lead to a reduction in the cropping area
(Herweg and Ludi

1999

), although some have argued

that the risers are potentially cultivable (Sahoo

et al

2015

) and their success as a soil conservation measure

is fundamentally dependent on their maintenance.

5. Decision making at the site scale

Underpinning the variability in the efficacy of soil
conservation management across different regions
are local, site-specific variables including climatic,
topographic and pedological factors (see supple-
mentary information for a detailed analysis of the
effects of precipitation, slope, and soil texture on soil
lifespans) and it is important that these are taken into
consideration when planning soil conservation meas-
ures. The decision about which conservation practice
is most likely to be more effective in sustaining soils at
a given location is also dependent on an array of social
and economic factors. For example, land use change
to either forest or grassland would not be appropri-
ate if agricultural activity is displaced to more erosive
locations, and the selection of specific agricultural
practices is also likely to be partly determined by the
social context, financial and resource capability of the
land manager in question. Issues such as the duration
of land tenancies and the existing policies, incent-
ives and advisory services provided at a regional and
national level will influence the adoption of soil con-
serving approaches. In addition, the approaches to
sustain, improve, or restore soil health in the short-
term may not always be the most effective strategies
of protecting the soil from erosion. Our dataset repor-
ted 25 instances where soil lifespans are shorter than
25 years. In ten of these cases, the soils had been
subject to conservation management practices, and
in seven of these, fallowing had been adopted. Some
researchers have found that fallowing for a period
after agriculture is necessary to restore soil aggrega-
tion and biological health (Aboim

et al

2008

, Zeleke

et al

2014

). In water-limited environments, leaving

crop residues or stubble on otherwise uncultivated
soil is one of the ways of increasing soil moisture prior
to the sowing of the subsequent crop. Whilst the soil
is not wholly bare during the fallowing period, the
sparseness of vegetation cover can lead to increased
erosion. Our analysis showed that, for the majority of

cases, fallowing increased soil erosion rates by more
than an order of magnitude compared to those during
the cropping period. This demonstrates that incor-
porating a protective cover into the fallowing period
is essential to minimize soil erosion. Furthermore, the
land use changes and agricultural practices presented
in this paper vary in their ‘establishment time’: the
time for a selected conservation management regime
to be set up, launched and become effective. For
soils with lifespans <100 years, and especially the 25
instances in our dataset where lifespans are shorter
than 25 years, it could be argued that the most effect-
ive management decision is to adopt a strategy with
a short establishment time. In this context, conver-
sion to grass, cover cropping and/or contour cultiv-
ation may be most appropriate, as the establishment
time for these strategies is in the order of months to
a year. By contrast, the planting of trees to convert
cropland to forest incurs a significant lag time whilst
forests mature.

6. Conclusions

In this paper, we have presented the first broad quant-
itative estimates of the productive lifespans of soils
and the degree to which these may be extended by
land management change. By compiling globally dis-
tributed soil erosion and soil formation rate data and
applying the soil lifespan concept, we can contribute
the following conclusions.

First, an assessment of soil lifespans using soil

loss rates measured from non-bare soils under con-
ventional management systems suggest that, under a
worst-case scenario, 93% were thinning and 16% had
lifespans <100 years. At these sites, soil erosion is a sig-
nificant threat to the soil’s capacity to grow food, sup-
port ecosystems, store and regulate water, cycle car-
bon and nutrients and thus to the overall functioning
of the soil system.

Second, we have shown that land use and land

management practices can extend the soil lifespan
and, in many cases, promote the onset of soil thick-
ening. Only 7% of the conservation plot dataset
had lifespans <100 years, with 48% of the estimated
lifespans exceeding 5000 years and 39% exceeding
10 000 years. The estimates for forested and grass-
land sites suggest that conversion to these land uses
would be most effective in achieving both of these
outcomes, closely followed by the introduction of
cover cropping. However, given the need to meet the
growing demand for food, cover cropping is argu-
ably the more attractive option. A suite of additional
strategies to extend soil lifespans and promote annual
soil gain include conservation and zero till prac-
tices, contour cultivation and terracing. In general,
conservation practices extend soil lifespans and may
promote soil thickening, increasing the potential for
water, carbon and nutrient storage, and thereby soil
conditions which could enhance crop yields.

8

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

Third, we have shown that there is a wide distri-

bution of soil lifespans globally, encompassing five
orders of magnitude, partly reflective of an extens-
ive variation in the underlying driving variables such
as climate, slope and soil texture, which in turn can
influence the efficacy of soil management techniques.
However, soils with human-scale lifespans shorter
than 100 years are present in all of the observed
regions, including many of the world’s wealthiest
nations. This clearly demonstrates that soil erosion
is one of the most critical threats to soil sustainab-
ility globally, and that urgent action worldwide by
land managers, policy makers and society is imper-
ative to prevent the collapse of soil ecosystem service
provision.

Acknowledgments

We wish to thank all those who assisted us in our
efforts to compile the dataset, particularly Khasi-
jah Binti Muhamad, Jianlin Zhao, Calvin Rose,
Bofu Yu and Mark Nearing. The statistical advice
of Professor Murray Lark and Dr Victoria Janes-
Bassett is also gratefully acknowledged. We also wish
to thank the anonymous referees for their very
constructive feedback on the paper. This work was
supported by the Biotechnology and Biological Sci-
ences Research Council and the Natural Environ-
ment Research Council through a Soils Training and
Research Studentships (STARS) grant (Grant Num-
bers NE/M009106/1). STARS is a consortium con-
sisting of Bangor University, British Geological Sur-
vey, Centre for Ecology and Hydrology, Cranfield
University, James Hutton Institute, Lancaster Uni-
versity, Rothamsted Research and the University of
Nottingham.

Author contributions

D L E, J N Q. and J A C D designed research; D L E
performed research; D L E, J N Q and J A C D analysed
data and D L E wrote the paper with contributions
from J N Q, J A C D, J Z, and G G

Competing Interests

The authors declare no competing interests

Data Availability

The authors declare no restrictions on the availability
of materials or information.

ORCID iD

D L Evans

https://orcid.org/0000-0002-4484-7874

References

Aboim M C R, Coutinho H L C, Peixoto R S, Barbosa J C and

Rosado A S 2008 Soil bacterial community structure and soil
quality in a slash-and-burn cultivation system in
Southeastern Brazil

Appl. Soil Ecol.

38

100–8

Arsenault C 2014

Only 60 years of farming left if soil degradation

continues

[Press release]. 5 December (available at:

https://

www.scientificamerican.com/article/only-60-years-of-
farming-left-if-soil-degradation-continues/

) (Accessed 16

June 2018)

Bakker M M, Govers G and Rounsevell M D A 2004 The crop

productivity-erosion relationship: an analysis based on
experimental work

Catena

57

pp. 55–76

Batey T 2009 Soil compaction and soil management- a review

Soil

Use Manage.

25

pp. 335–345

Blum W E H 2005 Functions of soil for society and the

environment

Rev. Environ. Sci. BioTechnol.

4

75–79

Bot A J, Nachtergaele F O and Young A 2000

Land Resource

Potential and Constraints at Regional and Country Levels:
World Soil Resources Report 90

(Rome: Land and Water

Development Division)

Cerdan O

et al

2010 Rates and spatial variations of soil erosion in

Europe: a study based on erosion plot data

Geomorphology

122

pp. 167–177

Dixon J I, Heimsath A M and Amundson R 2009 The critical role

of climate and saprolite weathering in landscape evolution

Earth Surf. Process. Landf.

34

1507–21

Evans D L, Quinton J N, Tye A M, Rod

´

es

´

A, Davies J A C,

Mudd S M and Quine T 2019 Arable soil formation and
erosion: a hillslope-based cosmogenic-nuclide study in the
United Kingdom

Soil

5

253–63

FAO 2014

World Reference Base for Soil Resources 2014:

International Soil Classification System for Naming Soils and
Creating Legends for Soil Maps

(Rome: FAO)

FAO 2015

World Agriculture: Towards 2015/2030 an FAO

Perspective

(London: Earthscan Publications Ltd)

FAO and ITPS 2015

Status of the World’s Soil Resources (SWSR)

Main Report

(Rome: Food and Agriculture Organisation of

the United Nations and Intergovernmental Technical Panel
on Soils)

Gyssels G, Poesen J, Bochet E and Li Y 2005 Impact of plant roots

on the resistance of soils to erosion by water: a review

Progr.

Phys. Geogr.

29

189–217

Heimsath A M, Dietrich W E, Nishiizumi K and Finkal R C 1997

The soil formation function and landscape equilibrium

Nature

388

358–61

Heimsath A M, Fink D and Hancock G R 2009 The ‘humped’ soil

formation function: eroding Arnhem Land, Australia

Earth

Surf. Process. Landf.

34

1674–84

Heimsath A M, Dietrich W E, Nishiizumi K and Finkel R C 1999

Cosmogenic nuclides, topography and the spatial variation
of soil depth

Geomorphology

27

151–71

Heimsath A M, Chappell J, Dietrich W E, Nishiizumi K and Finkel

R C 2000 Soil production on a retreating escarpment in
southeastern Australia

Geology

28

787–90

Heimsath A M, Chappell J, Dietrich W E, Nishiizumi K and Finkel

R C 2001a Late Quaternary erosion in southeastern
Australia: a field example using cosmogenic nuclides

Quat.

Int.

83

169–85

Heimsath A M, Dietrich W E, Nishiizumi K and Finkel R C 2001b

Stochastic processes of soil production and transport:
erosion rates, topographic variation and cosmogenic
nuclides in the Oregon Coast Range

Earth Surf. Process.

Landf.

26

531–2

Heimsath A M, Furbish D J and Dietrich W E 2005 The illusion of

diffusion: field evidence for depth-dependent sediment
transport

Geology

33

949–52

Heimsath A M 2006 Eroding the land: steady-state and stochastic

rates and processes through a cosmogenic lens

Geol.l Soc.

Am.

415

111–29

9

Page 11

Figures and page graphics, page 11

Environ. Res. Lett.

15

(2020) 0940b2

D L Evans

et al

Heimsath A M, DiBiase R A and Whipple K X 2012 Soil

production limits and the transition to bedrock-dominated
landscapes

Nat. Geosci.

5

210–4

Hengl T

et al

2017 SoilGrids250m: Global gridded soil

information based on machine learning

PLoS one

12

1–40

Herweg K and Ludi E 1999 The performance of selected soil and

water conservation measures- case studies from ethiopia and
eritrea

Catena

36

99–114

IPCC 2006 Cropland

IPCC Guidelines for National Greenhouse

Gas Inventories. Vol. 4: Agriculture, Forestry and Other Land
Use

, ed IPCC (Hayama: Institute for Global Environmental

Strategies) pp 1–66

Martínez-Casasnovas J A, Ramos M C and Ribes-Dasi M 2002

Soil erosion caused by extreme rainfall events: mapping and
quantification in agricultural plots from very detailed digital
elevation models

Geoderma

105

125–40

Montgomery D R 2007 Soil erosion and agricultural sustainability

Proc. Natl Acad. Sci.

104

13268–72

Nachtergaele F,

et al

2008

Harmonized world soil database

(available at:

http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC

/External-World-soil-database/HTML/

) (Accessed 25 May

2018)

Nyakatawa E Z, Reddy K C and Lemunyon J L 2001 Predicting soil

erosion in conservation tillage cotton formation systems
using the revised universal soil loss equation (RUSLE)

Soil

Tillage Res.

57

213–24

Owen J J, Amundson R, Dietrich W E, Nishiizumi K, Sutter B and

Chong G 2011 The sensitivity of hillslope bedrock erosion to
precipitation

Earth Surf. Process. Landf.

36

117–35

Power J F, Sandoval F M, Ries R E and Merrill S D 1980 Effects of

topsoil and subsoil thickness on soil water content and crop
formation on a disturbed soil

Soil Sci. Soc. Am. J.

45

124–9

Quinton J N, Govers G, Van Oost K and Bardgett R D 2010 The

impact of agricultural soil erosion on biogeochemical
cycling

Nat. Geosci.

3

311–4

Riggins S G, Anderson R S, Anderson S P and Tye A M 2011

Solving a conundrum of a steady-state hilltop with variable
soil depths and production rates, Bodmin Moor, UK

Geomorphology

128

73–84

Sahoo D C, Madhu M, Muralidharan P and Sikka A K 2015 Land

management practices for resource conservation under
vegetable cultivation in Nilgiris hills ecosystem

J. Environ.

Biol.

36

1039–44

Sharratt B, Zhang M and Sparrow S 2006 Twenty years of tillage

research in subarctic alaska: 1. Impact on soil strength,
aggregation, roughness and residue cover

Soil Tillage Res.

91

75–81

Shangguan W, Hengl T, de Jesus J M, Yuan H and Dai Y 2016

Mapping the global depth to bedrock for land surface
modeling

J. Adv. Model. Earth Syst.

9

65–88

St. Gerontidis D V, Kosmas C, Detsis B, Marathianou M,

Zafirious T and Tsara M 2001 The effect of moldboard plow
on tillage erosion along a hillslope

J. Soil Water Conserv.

56

147–51

Stocking M A and Pain A 1983

Soil Life and the Minimum Soil

Depth for Productive Yields: Developing a New Concept

(Norwich: University of East Anglia, School of Development
Studies)

Takken I, Beuselinck L, Nachtergaele J, Govers G, Poesen J and

Degraer G 1999 Spatial evaluation of a physically-based
distributed erosion model (LISEM)

Catena

37

431–447

UNCCD 2017

Global Land Outlook

1st edn (Bonn: UNCCD)

US Department of Agriculture 2018

National soil survey handbook

title 430-VI

(available at:

http://www.nrcs.usda.gov/wps

/portal/nrcs/detail/soils/ref/?cid

=

nrcs142p2_054242

)

(Accessed 23 April 2018)

Van Oost K, Govers G, de Alba S and Quine T A 2006 Tillage

erosion: a review of controlling factors and implications for
soil quality

Progr. Phys. Geogr.

30

443–66

Verstraeten G, Van Oost K, Van Rompaey A, Poesen J and

Govers G 2002 Evaluating an integrated approach to
catchment management to reduce soil loss and sediment
pollution through modelling

Soil Use Manage.

18

386–94

Wilkinson M T, Chappell J, Humphreys G S, Fifield K, Smith B,

Hesse P, Heimsath A M and Ehlers T A 2005 Soil production
in heath and forest, Blue Mountains, Australia: influence of
lithology and palaeoclimate

Earth Surf. Process. Landf.

30

923–34

Wong J 2019

Are there really only 100 harvests left?

(Press release).

11 May (available at:

https://institutions.newscientist.com/

article/mg24232291-100-the-idea-that-there-are-only-
100-harvests-left-is-just-a-fantasy/

) (Accessed 27 May 2019)

World Bank 2019

GDP Current US$

. (available at:

https://

data.worldbank.org/indicator/ny.gdp.mktp.cd

) (Accessed 27

May 2019)

Zeleke K T, Anwar M and Liu D L 2014 Managing crop stubble

during fallow period for soil water conservation: field
experiment and modelling

Environ. Earth Sci.

72

3317–3327

Zhao J, Van Oost K, Chen L and Govers G 2016 Moderate topsoil

erosion rates constrain the magnitude of the
erosion-induced carbon water sink and the agricultural
productivity losses on the Chinese Loess Plateau

Biogeosciences

13

4735–50

10


Document Outline