Back to report · Publisher record

He et al. (2025). Soil organic carbon improvement for mitigating crop yield losses under global warming

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Soil organic carbon improvement for mitigating crop yield losses under 

global warming

Qinsi He

a

, Linchao Li

b

,

*

, Yu Shi

c

, Puyu Feng

d

, Ke Liu

e

, Shengwei Zhang

a

,

f

,

g

,

**

,  

De Li Liu

h

,

i

, Zikui Wang

j

, Matthew Tom Harrison

e

, Sien Li

k

, Qiang Yu

l

,  

Kadambot H.M. Siddique

m

a

College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China

b

College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China

c

Institute of Carbon Neutrality, Sino-French Institute for Earth System Science, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

d

College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China

e

Tasmanian Institute of Agriculture, University of Tasmania, Newnham Drive, Launceston, Tasmania 7248, Australia

f

Inner Mongolia Key Laboratory of Ecohydrology and High Efficient Utilization of Water Resources, Hohhot 010018, China

g

Autonomous Region Collaborative Innovation Center for Integrated Management of Water Resources and Water Environment in the Inner Mongolia Reaches of the 

Yellow River, Hohhot 010018, China

h

NSW Department of Primary Industries, Wagga Agricultural Institute, Wagga, NSW 2650, Australia

i

Climate Change Research Centre, University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia

j

State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-Ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 

730020, China

k

Center for Agricultural Water Research in China, China Agricultural University, Beijing 100083, China

l

State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A

&

F University, Yangling 712100, China

m

The UWA Institute of Agriculture, The University of Western Australia, Perth, WA 6001, Australia

A R T I C L E  I N F O

Keywords:

Soil properties

Climate change

Yield temperature sensitivity

Soil management

Climate resilience

A B S T R A C T

Rising temperatures pose a significant threat to crop production worldwide. While many studies have examined 

the effects of warming on crop yields, the role of soils in crop-climate interactions is often overlooked. This study 

investigates how soil properties influence crop yield responses to increased growing season temperatures, using 

an  ensemble  of  nine  global  gridded  crop  models  and  37  CMIP6  climate  models  under  three  shared  socio- 

economic pathway scenarios. Our findings show that, during 1980

–

2010, a 1

℃ 

increase in temperature resul-

ted in yield changes of 

−

2.3 % for maize and 

+

3.0 % for soybean. However, under future climate scenarios of 

2050

–

2080, yields are projected to decline by 

−

6.6 % to 

−

7.5 % for maize and 

−

8.9 % to 

−

10.7 % for soybean. 

Soil properties account for 51 % and 59 % of the spatial variations in temperature sensitivity for global maize and 

soybean yields, respectively, with soil organic carbon (SOC) emerging as the most influential factor. Improving 

SOC through farming and soil conservation practices is expected to reduce warming-induced yield losses by 

0.5

–

1.1 % 

℃

−

1 

for maize and 1.3

–

2.5 % 

℃

−

1 

for soybean, particularly in dryland areas. These benefits diminish 

under more extreme warming scenarios (i.e., SSP585 vs. SSP126), but can be amplified by adopting new crop 

varieties with fixed growing seasons. Our findings highlight the buffering effects of SOC on crop responses to 

warming,  suggesting  a  promising soil-based solution  for  building resilience in  global  food production  under 

climate change.

1. Introduction

With the global population projected to plateau at around 9 billion 

by mid-century, food production may need to increase by 59 % to as 

much as 98 % to meet the rising demand (

Godfray et al., 2010; Harrison 

and Liu, 2024; Seppelt et al., 2022

). Despite continuing technological 

and agronomic improvements, efforts to increase crop production are 

now  more  jeopardized  by  climate  change  than  ever  before  in  many 

** Corresponding author.

** Corresponding author at: College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China.

E-mail addresses: 

llinchao1@163.com

(L. Li), 

zsw@imau.edu.cn

(S. Zhang). 

Contents lists available at 

ScienceDirect

European Journal of Agronomy

journal homepage: 

www.elsevier.com/locate/eja

https://doi.org/10.1016/j.eja.2025.127739

Received 15 January 2025; Received in revised form 16 April 2025; Accepted 8 June 2025  

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 (2025) 

127739

 

Available

 

online

 

14

 

June

 

2025

 

1161-0301/©

 

2025

 

Published

 

by

 

Elsevier

 

B.V.

 

Page 2

Figures and page graphics, page 2

world  regions  (

Harrison,  2021;  Su  et  al.,  2021

).  Temperature  shifts, 

altered precipitation patterns, and rising atmospheric CO

2 

levels are the 

primary drivers of yield fluctuations under climate change (

Shi et al., 

2022

).  Rising  temperatures  are  likely  to  intensify  heat  and  drought 

stress,  accelerate  crop  phenology,  disrupt  planting  and  harvesting 

schedules, and reduce water availability during critical cropping periods 

(

Muleke et al., 2022; Zhu et al., 2022a

). Extreme rainfall and drought 

events can also higher the risk of crop failure (

Fu et al., 2023; Liu et al., 

2023

), and the variations in temperature, precipitation or their inter-

action were found to account for roughly one-third of global crop yield 

variability (

Ray et al., 2015

). Therefore, understanding the impacts of 

changing  climatic  factors  on  crop  yields  is  essential  for  developing 

strategies to ensure food security.

Process-based crop models are widely used to project crop yields, 

and the Global Gridded Crop Model Intercomparison (GGCMI) of the 

Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project (AgMIP) 

provides essential data products for analyzing crop yield responses to 

climate change at global scales (

Elliott et al., 2015; J

¨

agermeyr et al., 

2021; Li et al., 2023a; Müller et al., 2017

). However, the understanding 

of how soil properties impact crop yield responses to climate in these 

models  remain  incomplete.  Beyond  serving  structural  supports,  soil 

properties  directly  influence  the  retention  and  release  of  water  and 

nutrients essential for crop growth (

Andrade et al., 2024; Cordeiro et al., 

2022

). High-quality soils (with medium-textured and high soil organic 

matter)  were  found  to  reduce  the  sensitivity  of  crop  production  to 

climate variability and improve yield stability (

Qiao et al., 2022

). Soil 

organic carbon (SOC), a ‘master

’ 

indicator of soil health, is expected to 

play a vital role in mitigating and adapting to the adverse effects of 

climate warming (

Deng et al., 2023; Droste et al., 2020; Feng et al., 

2022; Luo et al., 2023; Teng et al., 2024

). In addition, a recent study 

reported that yields of corn, soybean, cotton, and barley are most sen-

sitive to warming in coarse-textured soils compared to medium- and 

fine-textured soils in the United States (

Huang et al., 2021

). Clay soils 

are  often  characterized  by  a  high  water-holding  capacity,  while 

coarse-textured soils tend to have higher rates of nitrogen mineraliza-

tion (

M

¨

akinen et al., 2017; Soinne et al., 2020

). These differences in soil 

properties are likely to result in soil-dependent responses of crop yields 

under climate change.

Maize is widely cultivated in low-latitude regions, which are pro-

jected  to  face  the  most  severe  climate  change  impacts  due  to  their 

proximity to critical temperature thresholds (

J

¨

agermeyr et al., 2021; 

Tigchelaar et al., 2018; Zabel et al., 2021

). Several studies have explored 

the  buffering  effects  of  soils  on  maize  yield  responses  to  historical 

climate perturbations (

Chen et al., 2024; Deng et al., 2020; Feng et al., 

2022

). While the elevated atmospheric carbon dioxide associated with 

climate change has rarely been considered. As a C4  crop, maize has 

limited  capacity  to  benefit  from  elevated  [CO

2

]  (

Kimball,  2016

); 

conversely,  elevated  [CO

2

]  directly  stimulates  C3  photosynthesis, 

making the so-called [CO

2

] fertilization effect more likely to offset a 

portion of climate-induced yield losses in C3 crops like soybean (

Jin 

et al., 2017

). Moreover, C4 photosynthesis has greater carbon gain than 

C3 under conditions of low [CO

2

] and high temperatures, whereas more 

carbon gain in C3 than C4 plants under high [CO

2

] and cool tempera-

tures; and water availability also impacts C3 and C4 differently, either 

independently  or  in  concert  with  changes  in  temperature  and  [CO

2

] 

(

Zhou et al., 2018

). Given these varied responses of different crops to 

climate factors, the contribution of soil properties to crop yield is likely 

to differ across crop types.

Although the negative impacts of climate change on crop yields are 

widely recognized, actual yield responses to temperature increase vary 

significantly across regions (

Asseng et al., 2015

). Moreover, previous 

meta-analyses have shown that yield gains through conservation agri-

culture practices are often observed in arid regions, where improved soil 

structure  is  particularly  beneficial  (

Pittelkow  et  al.,  2015;  Su  et  al., 

2021

).  Thus,  we  hypothesize  that  spatial  variation  in  soil  properties 

contributes  to  these  region-specific  yield  responses  under  global 

warming, and soil quality enhancement can reduce yield temperature 

sensitivity more effectively in dryland than in non-dryland areas. To test 

this hypothesis, we developed a yield-climate relationship at a global 

grid  scale  using  a  multiple  regression  model  across  two  periods:  the 

historical period (1980

–

2010) and a future period (2050

–

2080) under 

three shared socio-economic pathways scenarios (SSP126, SSP245, and 

SSP585). We then quantified the temperature sensitivity of maize and 

soybean  yields,  and  applied  a  random  forest  model  to  assess  the 

contribution of soil properties on the temperature sensitivity. Finally, we 

proposed  SOC  improvements  to  reduce  yield  temperature  sensitivity 

under future climate scenarios, and compared these benefits between 

current and future varieties and between dryland and non-dryland re-

gions. We aimed to answer the following questions: (1) What are the 

spatial patterns of global warming impacts on maize and soybean yields? 

(2) How do soil properties modulate the temperature sensitivity of these 

crop  yields?  Our  goal  is  to  provide  insights  into  potential  soil-based 

strategies for future climate change adaptation and mitigation to safe-

guard food production.

2. Materials and methods

2.1. GGCM emulators

The GGCM emulators based on Global Gridded Crop Model Inter-

comparison  (GGCMI)  Phase  2  simulation  were  developed  by 

Franke 

et al. (2020b)

. The GGCMI Phase 2 experiment compared crop model 

simulations under uniform perturbations in carbon, temperature, water, 

nitrogen levels and adaptation to shifting growing seasons (CTWN-A) 

(

Franke et al., 2020a

), which produced a structured training dataset for 

statistical emulation. By fitting individual regression models for each 

crop, model, and pixel to the regressors of the CTWN-A analysis, the 

emulators provide a tool that can effectively capture crop yield response 

for different climate scenarios. Such emulators combine the advantages 

of both process-based crop models and statistical models, and have been 

applied successfully for reproducing crop yields under climate model 

projections (

Li et al., 2023a, 2023b; Zabel et al., 2021

).

We employed emulators to simulate maize and soybean yields at a 

grid scale (0.5

◦

resolution) using atmospheric CO

2

, changes in growing- 

season temperatures (

Δ

T) and precipitation (

Δ

P), and applied nitrogen. 

Separate emulations were conducted for rainfed and irrigated yields, 

both with no crop adaptation (existing varieties) and with adaptation 

(future varieties). To focus on yield changes under climate change, the 

rainfed and irrigated yields were aggregated for analysis using crop area 

data  from 

Monfreda  et  al.  (2008)

.  A  total  of  nine  GGCMs  (CARAIB, 

EPIC-TAMU, JULES, GEPIC, LPJ-GUESS, LPJmL, pDSSAT, PEPIC, and 

PROMET)  were  used  for  maize,  and  eight  GGCMs  (excluding 

LPJ-GUESS) were available for soybean. Given that some GGCMs tend to 

differ in their baseline crop productivity levels, we harmonized simu-

lated  crop  yields  to  match  observed  yield  patterns,  following 

Müller 

et al. (2021)

and 

Li et al. (2023b)

: 

Y

i

,

j

=

Y

sim

,

i

,

j

×

Y

obs

,

t

,

j

Y

sim

,

t

,

j

(1) 

where 

Y

i

,

j 

and 

Y

sim

,

i

,

j 

are the crop yields of the year 

i 

in grid cell 

j 

after and 

before correction, respectively. 

Y

obs

,

t

,

j 

and 

Y

sim

,

t

,

j 

are the average values 

of  observed  and  simulated  yields  during  the  historical  period 

t 

(1980

–

2010 in this study) in grid cell 

j

.

2.2. Climate and soil data

Monthly temperature and precipitation data from simulations of 37 

general circulation models (GCMs) across three Shared Socioeconomic 

Pathways (SSP126, SSP245 and SSP585) were used to drive the GGCM 

emulators (

Table S1

). The GCM data, sourced from the CMIP6 archives 

(

https://aims2.llnl.gov/search/cmip6/

),  were  resampled  to  a  0.5

◦

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

2

 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

resolution.  The  mean  temperature  and  total  precipitation  during  the 

growing season of maize and soybean were calculated as weighted av-

erages of the monthly climate data. Thus, yield changes under different 

SSP scenarios were attributed to changes in temperature, precipitation, 

and [CO

2

] levels.

Gridded  soil  data  were  derived  from  the  Harmonized  World  Soil 

Database (HWSD version 1.2) (

Wieder et al., 2014

). The mapping raster 

of the HWSD was aggregated from its native resolution of 30 arc-second 

to a 0.5

◦

resolution for complying with the GGCMs. The HWSD combines 

regional and national updates of soil characteristics worldwide, making 

it available for global analyses. Soil properties were selected if they were 

model parameters so that their impacts can be captured by modeling 

methods; their characteristics did not change greatly under conventional 

farming management practices; and they were commonly available in 

gridded soil datasets (

Feng et al., 2022

). Finally, five key soil properties 

at 0

–

30 cm depth, including soil organic carbon (kg C m

−

2

), bulk density 

(g cm

−

3

), clay content (%), sand content (%) and pH, were extracted for 

maize and soybean croplands.

2.3. Temperature sensitivity of crop yield

Temperature sensitivity of maize and soybean yields was estimated 

using a panel data model, following the approach of previous studies 

(

Deng et al., 2020; Feng et al., 2022; Zhu et al., 2019

). Growing-season 

temperature changes (

T

, 

℃

), growing-season precipitation changes (

P

, 

%),  and  atmospheric  CO

2 

concentrations  (

[

CO

2

]

,  ppm)  were  used  as 

explanatory variables: 

ln

(

Y

i

,

j

)

=

β

1

T

i

,

j

+

β

2

T

i

,

j

2

+

β

3

P

i

,

j

+

β

4

P

i

,

j

2

+

β

5

[

CO

2

]

i

,

j

+

β

6

[

CO

2

]

i

,

j

2

+

ε

(2) 

where ln

(

Y

i

,

j

)

is the natural logarithm of crop yields of the year 

i 

in grid 

cell 

j

. The quadratic terms of 

T

, 

P

, and 

[

CO

2

]

simulate the nonlinear 

response  of  yield  to  temperature,  precipitation,  and  CO

2 

changes, 

respectively. 

β

1 

to 

β

6 

are regression coefficients, and 

ε 

is the model error.

Then, the temperature sensitivity of crop yields, indicating the per-

centage of yield change per 1

℃ 

warming, was computed as the partial 

derivative of yield with respect to temperature: 

S

Y

,

T

=

∂

Y

∂

T

×

100%

=

(

β

1

+

2

β

2

T

t

,

j

)

×

100%

(3) 

where 

T

t

,

j 

is the average temperature during period t (1980

–

2010 for 

historical period and 2050

–

2080 for future period) in grid cell 

j

. 

β

1 

and 

β

2 

are regression coefficients derived from 

Eq. (2)

. 

S

Y

,

T 

denotes tem-

perature sensitivity, with positive values indicating yield increase and 

negative  values  indicating  yield  decrease  with  warming.  Yield  sensi-

tivity to precipitation was excluded due to no significant precipitation 

trends observed in most cropping areas (

Fig. 1

b, e).

2.4. Relationship between temperature sensitivity and soil properties

We  used  a  random  forest  (RF)  model  to  evaluate  the  non-linear 

relationship between temperature sensitivity and soil properties. RF is 

an ensemble learning method that leverages multiple decision trees for 

Fig. 1.

Linear trends in growing-season mean temperature (

T

r

), precipitation (

P

r

), and crop yield (

Y

r

) for maize (

a-c

) and soybean (

d-f

). Global maps depict the 

median  values  derived  from  37  general  circulation  models  (GCMs)  for  the  historical  period  1980

–

2010.  Boxplots  represent  future  projections  for  the  period 

2050

–

2080 under three shared socioeconomic pathway scenarios (SSP126, SSP245, and SSP585). Stippling on the maps marks regions where more than half of the 37 

GCMs exhibit statistically significant trends (

p

<

0.05).

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

3

 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

prediction (

Breiman, 2001

). In addition to being faster and easier to 

train,  RF  also  has  advantages  to  reduce  overfitting  problems  and 

improve  model  accuracy.  We  built  the  RF  model  using  the  ‘Ranger

’ 

package in R, with crop yield temperature sensitivity as the dependent 

variable and five soil properties as independent variables. Model per-

formance was assessed using the coefficient of determination (

R

2

, esti-

mated using the internal out-of-bag samples) and the index of agreement 

(

IA

, a standardized measure of the degree of model prediction error, 

with value varies between 0 and 1, where a value of 1 indicates a perfect 

match and a value of 0 indicates no agreement at all) (

Willmott, 1981

). 

Key soil properties were determined by the variable importance which is 

interpreted as the increase in the mean square error (

IncMSE

, %) due to 

the random permutation of that variable in RF. The greater the increase 

in error, the more important the variable is.

Separate RF models were built for maize (n

=

22,650) and soybean 

(n

=

10,631). For potential SOC improvement in the future, we used the 

medium-scenario data from 

Zomer et al. (2017)

. The dataset provided a 

spatially articulated estimate of the SOC distribution and increases in the 

top  30 cm  of  soils over 20  years on  all  available cropland,  achieved 

through  soil  conservation  practices  like  cover  cropping,  mulching, 

conservation tillage, and organic manure application. We replaced the 

original  SOC  input  with  the  improved  one  in  RF  models  to  predict 

changes  in  temperature  sensitivity  induced  by  SOC  increases  across 

future climate scenarios. Since the aridity index (AI), defined as the ratio 

of  mean  annual  precipitation  to  potential  evapotranspiration,  is  an 

effective measure of long-term climate conditions, we calculated the AI 

for  the  historical  period  of  1980

–

2010  at  the  grid  scale  to  identify 

dryland (AI 

≤

0.65) and non-dryland (AI 

>

0.65) regions in this study 

(

Trabucco and Zomer, 2018

).

3. Results

3.1. Climate and yield trends

Significant trends in the temperature of crop growing season were 

observed  during  the  historical  period  (1980

–

2010),  with  average  in-

creases of 0.28

℃ 

per decade for maize (66 % of grids showing signifi-

cant trends) and 0.29

℃ 

per decade for soybean (60 % of grids showing 

significant  trends).  Large  cropping  areas  of  North  America,  Europe, 

Russia and northeast China experienced above-average positive trends 

in  growing-season  temperature  (

Fig.  1

a,  d).  For  the  future  period 

(2050

–

2080),  projected  average  increase  rates  of  temperature  per 

decade  were  0.037

℃

,  0.23

℃

,  and  0.61

℃ 

for  maize,  and  0.036

℃

, 

0.24

℃

, and 0.61

℃ 

for soybean, under SSP126, SSP245, and SSP585, 

respectively.  However,  no  significant  trends  were  detected  in  total 

growing-season  precipitation  across  most  cropping  areas  during  the 

historical  period,  and  precipitation  projections  for  the  future  period 

varied widely (

Fig. 1

b, e).

For crop yields, maize showed a general increase in mid- to high- 

latitude regions of the Northern Hemisphere, with Russia exhibiting a 

respectively strong trend of 0.20 t ha

−

1 

per decade, and 50 % of grids 

showing statistically significant increases during the historical period 

(

Fig. 1

c). In contrast, most grids in the central United States and Central 

Asia displayed negative yield trends. Under future climate scenarios, the 

projected average maize yield trends were 

−

0.01 t ha

−

1

, 

−

0.07 t ha

−

1

, 

and 

−

0.19 t  ha

−

1 

per  decade  under  SSP126,  SSP245,  and  SSP585, 

respectively 

— 

all lower than the historical trend of 0.05 t ha

−

1 

per 

decade. For soybean, more positive yield trends were observed during 

the historical period, particularly in the mid-west United States, Europe, 

and northeast China, with a global average increase of 0.08 t ha

−

1 

per 

decade (

Fig. 1

f). However, future projections indicated declining yield 

trends  for  soybean,  with  rates  of 

−

0.01 t  ha

−

1

, 

−

0.05 t  ha

−

1

,  and 

−

0.13 t ha

−

1 

per decade under SSP126, SSP245, and SSP585 scenarios, 

respectively.

3.2. Temperature sensitivity of crop yields

Globally, maize yield responses to warming averaged 

−

2.3 % 

℃

−

1 

during the historical period, with 26 % of grids showing positive values. 

Under  future  climate  scenarios,  maize  yield  temperature  sensitivity 

declined further, averaging 

−

6.6 % 

℃

−

1 

under SSP126 (9 % positive 

grids), 

−

7.4 % 

℃

−

1 

under SSP245 (6 % positive grids), and 

−

7.5 % 

℃

−

1 

under SSP585 (4 % positive grids) (

Fig. 2

a-d). Soybean yields responded 

positively  to  warming  during  the  historical  period,  with  an  average 

temperature sensitivity of 3.0 % 

℃

−

1 

(39 % positive grids). However, 

under  future  climate  scenarios,  soybean  yield  responses  became 

increasingly negative, with sensitivities averaging 

−

8.9 % 

℃

−

1 

under 

SSP126 (10 % positive grids), 

−

10.2 % 

℃

−

1 

under SSP245 (7 % positive 

grids), and 

−

10.7 % 

℃

−

1 

under SSP585 (5 % positive grids) (

Fig. 2

e-h). 

While some northern high-latitude cropping regions exhibited enhanced 

yield responses to warming, these areas also had high coefficients of 

variation,  reflecting  significant  uncertainty  in  model  predictions 

(

Fig. S1

). Moreover, uncertainty in the CO

2 

effects contributed to much 

overall model uncertainty, with greater impacts on soybean yield pre-

dictions compared to maize. Soybean yield predictions displayed the 

greatest losses in  the  main-producer regions 

– 

the  United  States and 

Brazil 

– 

paired with large gains across parts of China and other high- 

latitude regions (

Fig. S2

).

3.3. Contribution of soil properties to yield temperature sensitivity

The Random Forest (RF) models explained 51 % and 59 % of the 

variation  in  yield  temperature  sensitivity  for  maize  and  soybean, 

respectively, with high indices of agreement (0.86 for maize and 0.88 for 

soybean) during the historical period (

Fig. 3

a, c). This suggests that the 

spatially heterogeneous temperature sensitivity of both crops is largely 

driven by soil heterogeneity, including factors such as SOC, bulk density, 

pH, clay and sand content. Among these variables, SOC emerged as the 

most important variable, with importance values ranging from 25 % to 

28 % for maize and 26

–

28 % for soybean (

Fig. 3

b, d). Increasing SOC 

content notably reduced the negative impact of temperature on crop 

yields when SOC levels were below approximately 13 kg C m

−

2 

(

Fig. S3

a, f). Current global SOC levels remain low (

Fig. S4

a), suggesting sig-

nificant potential for global soils to increase SOC before reaching the 

optimal threshold, beyond which further increases in SOC generate no 

additional mitigation in temperature sensitivity. Sand and clay content 

also played critical roles, with relative importance values ranging from 

17 % to 28 % (

Fig. 3

b, d). The impact of sand content on temperature 

sensitivity followed a hump-shaped pattern, with increasing sand con-

tent  initially  weakening  the  negative  temperature  sensitivity  before 

intensifying it (

Fig. S3

c, h). In contrast, increasing clay content led to 

greater yield losses per 1

◦

C increase in temperature before leveling off 

(

Fig. S3

b, g).

3.4. Impact of SOC improvement on yield temperature sensitivity

The temperature sensitivity of maize and soybean yields was pro-

jected to benefit from increased SOC through improved farming and soil 

conservation practices, regardless of future climate scenarios (

Figs. 4 

and 5

). At the continental scale, the reduction in maize yield losses due 

to warming was most pronounced in Africa, where SOC improvement 

mitigated yield losses by 1.3 % 

℃

−

1

, followed by North America (1.2 % 

℃

−

1

) and South America (1.0 % 

℃

−

1

), all surpassing the global average 

of 0.9 % 

℃

−

1 

under SSP126 with current crop varieties. However, these 

benefits  diminished  under  more  extreme  warming  scenarios  (i.e., 

SSP585 compared to SSP126) but could be amplified by adopting new 

crop  varieties  (

Fig.  4

).  For  soybean,  SOC  improvement  significantly 

alleviated widespread warming-induced yield losses, particularly in the 

major production regions like  North  America and South America. In 

these regions, SOC improvement avoided 1.4

–

4.9 % and 2.1

–

4.2 % of 

yield losses per 1 

◦

C warming with current and future crop varieties, 

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

4

 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

respectively (

Fig. 5

).

Under future climate conditions, the reduction in maize yield losses 

due  to  warming  was  more  pronounced  in  dryland  regions  with  SOC 

improvement, while adopting new crop varieties was more effective in 

mitigating yield losses in non-dryland regions (

Fig. 6

a). For example, 

SOC  improvement  increased  maize  yield  temperature  sensitivity  by 

averages of 1.2

–

1.9 % 

℃

−

1 

across different scenarios in dryland regions, 

but the changes were negligible in non-dryland regions. For soybean, the 

positive impact of SOC improvement on yield temperature sensitivity 

was comparable between dryland and non-dryland regions (1.7

–

2.8 % 

℃

−

1 

versus 1.1

–

2.4 % 

℃

−

1

), as well as between current and new crop 

varieties (1.1

–

2.7 % 

℃

−

1 

versus 1.4

–

2.8 % 

℃

−

1

) (

Fig. 6

b).

4. Discussion

4.1. Crop yield response to rising temperatures

Consistent with previous studies, our findings indicate that future 

warming climate will substantially reduce maize and soybean yields, 

particularly  under  the  SSP585  scenario,  with  impacts  varying  across 

regions (

Li et al., 2023b; Rose et al., 2016; Rosenzweig et al., 2013

). 

During the historical period (1980

–

2010), rising temperatures enhanced 

maize  and  soybean  yields  at  mid  to  high  latitudes,  such  as  Eastern 

Europe, Russia, and northeastern China (

Fig. 2

a, e). In these regions, 

temperatures were below crop optimal levels, and warming extended 

the growing season, leading to positive yield impacts, consistent with 

findings by 

Iizumi et al. (2017)

and 

Lin et al. (2021)

. However, under 

Fig. 2.

Spatial pattern of temperature sensitivity for maize yield (a-d) and soybean yield (e-h). Maps show median values of temperature sensitivity derived from 37 

general circulation models (GCMs) for the historical period 1980

–

2010 (a, e), and for future projections during 2050

–

2080 under SSP126 (b, f), SSP245 (c, g), and 

SSP585 (d, h). Pie charts inserted within each map indicate the percentage of grids with positive or negative temperature sensitivities.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

5

 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

future scenarios (2050

–

2080), warming predominantly had adverse ef-

fects on yields for both crops across most regions, with hotspots in areas 

already experiencing high-temperature stress, such as India and Brazil 

(

Fig.  2

b-d, f-h), as reported by 

Teixeira  et  al. (2013)

. Generally, the 

negative impacts of warming were more pronounced for soybean than 

maize in the tropics, likely due to the lower optimal leaf temperature for 

photosynthesis of soybean (

Lin et al., 2021; Lobell and Gourdji, 2012

). 

Additionally,  higher  temperatures  after  the  mid-century  will  shorten 

growing  season  length  and  increase  water  demand  through  greater 

evaporation, which cannot be mitigated fully by CO

2 

fertilization effects 

(

Harrison et al., 2014; Muleke et al., 2022; Rosenzweig et al., 2013

).

The slightly lower negative temperature sensitivity of maize yields 

compared to soybean in future scenarios can also be attributed partially 

to the higher proportion of irrigated maize areas (17.8 %) relative to 

soybean (9.5 %). Rising temperatures increase atmospheric water de-

mand, leading to drought stress through elevated vapor pressure deficit, 

which can be alleviated by irrigation (

Elliott et al., 2014; Lesk et al., 

2021; Lobell et al., 2014

). Furthermore, adopting future crop varieties 

will  become  increasingly  important  to  preserve  yields  under  future 

climate  forcing  scenarios  (

Figs.  4  and  5

).  The  GGCMI  assumed  that 

future cultivars were modified to maintain their original growing season 

length  under  each  temperature  scenario  (

Franke  et  al.,  2020a

).  By 

incorporating traits such as delayed maturity and improved heat toler-

ance, breeding programs can develop crop varieties better equipped to 

withstand the adverse effects of rising temperatures (

Asseng et al., 2019; 

Tao et al., 2022; Zabel et al., 2021

).

4.2. SOC contribution to mitigate warming-induced yield losses

Our findings highlight the important role of soil in mitigating crop 

yield losses and enhancing system resilience to future warming climates 

on  a  global  scale.  As  a  fundamental  component  of  the  soil-plant- 

atmosphere continuum, soil can influence crop-climate interactions, as 

reported by 

Feng et al. (2022)

and 

Chen et al. (2024)

. In our analysis, 

soil  properties explained  a  large share  of  the  variation in  crop yield 

temperature  sensitivity,  with  SOC  identified  as  the  most  influential 

factor (

Fig. 3

). SOC contributes to multiple soil-based ecosystem services 

(

Lal,  2016

).  For  example,  SOC  enhances  plant-available  water  by 

increasing soil porosity (

Huang et al., 2021

), improves nutrient cycling 

and  availability  through  SOC  mineralization  (

Moinet  et  al.,  2023

), 

supports nutrient retention via increased cation exchange capacity (

Jian 

et al., 2020

), and provides habitat for beneficial soil microbiota. These 

mechanisms collectively bolster soil health and favor crop growth, even 

under the stress of a warming climate (

Teng et al., 2024

). Moreover, soils 

rich  in  organic  carbon  exhibit  greater  resilience  to  adverse  weather 

conditions, buffering against the impacts of climate extremes on crop 

production (

Droste et al., 2020

), thereby reducing yield sensitivity to 

temperature.

Based on the observed relationship between temperature sensitivity 

and SOC (

Fig. S3

a, f), our analysis suggested that declines in crop yields 

due to warming could be mitigated through SOC improvement. This 

finding  aligns  with  results  from  field  experiments  (

Ma  et  al.,  2023

), 

data-driven  approaches  (

Deng  et  al.,  2023

),  meta-analyses  (

Oldfield 

et al., 2019

) and crop modeling studies (

Feng et al., 2022

). Current SOC 

content in most maize and soybean croplands remained below 8 kg C 

m

−

2 

(

Fig.  S4

),  highlighting  substantial  potential  for  stabilizing  crop 

yields under warming conditions through SOC enhancement. Our results 

also indicated that improving SOC had a greater positive impact on crop 

yields in dryland areas compared to non-dryland regions (

Fig. 6

). This 

can  also  be  attributed  to  the  ability  of  SOC  to  enhance  soil  water 

retention,  which  is  particularly  beneficial  in  water-scarce  regions. 

Conversely,  in  wetter  regions  with  consistently  saturated  soils  or 

high-water  tables,  especially  in  poorly  drained  areas,  increased  soil 

water retention from SOC improvement may lead to unfavorable con-

ditions for crop growth (

Huang et al., 2021

).

Beyond SOC, soil sand and clay content also played a significant role 

in modulating crop yield sensitivity to temperature (

Fig. 3

). 

Zhu et al. 

(2022b)

demonstrated  that  soils  with  higher  sand  content  provided 

Fig. 3.

Comparison of temperature sensitivity and random forest (RF) model predictions across global grids for maize (

a

) and soybean (

c

) during the historical period 

(1980

–

2010), along with the relative importance of soil properties based on model outputs (

b 

for maize and 

d 

for soybean). The dashed line represents the 1:1 

ratio line.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

6

 

Page 7

Figures and page graphics, page 7

more favorable subsurface water supply and supported greater vegeta-

tion biomass compared to clay-rich soils in arid and semi-arid regions. 

Similarly,  our findings suggested  that soils  with  approximately 25 % 

sand and low clay content, which often classified as medium-textured 

soils,  exhibited  lower  yield  sensitivity  to  increased  temperature 

(

Fig. S3

b-c, g-h). Moreover, the positive effects of SOC improvement on 

crop  yields  may  be  more  pronounced  in  sandy  soils  than  clay  soils 

(

Hijbeek et al., 2017; Moinet et al., 2023

), indicating a complex inter-

play  among  soil  properties  in  modulating  crop  responses  to  climate 

warming.

4.3. Uncertainties and limitations

A primary source of uncertainty in projecting climate impacts on 

global crop yields stems from differences in the structures, assumptions, 

and  methodologies  of  the  GGCMs  used  in  the  ensemble  modeling 

(

Asseng et al., 2013; Li et al., 2023a; Rosenzweig et al., 2013; Xiong 

et al., 2020

). Variations in the GCMs and SSPs also contribute signifi-

cantly to the overall uncertainty (

Fig. S1

) (

Moss et al., 2010

). While 

simulations consistently show a strong negative impact of warming on 

crop yields in tropical and subtropical regions, uncertainty is notably 

higher  for  mid-  to  high-latitude  regions,  as  reported  by 

Xiong  et  al. 

(2020)

. Despite efforts to reduce these uncertainties, such as parameter 

optimization  (

Wallach  et  al.,  2021

),  ensemble  member  selection  (

Li 

et al., 2023a

) and model structure improvement, challenges remain in 

enhancing model accuracy. Addressing these uncertainties will require 

more detailed empirical data from field experiments in future studies 

(

Wang et al., 2020

).

Furthermore,  while  some  high-latitude  regions  are  projected  to 

become more climatically suitable for crop production under warming 

Fig. 4.

Improved SOC-induced temperature sensitivity changes for maize. The central map shows temperature sensitivity with improved SOC during 2050

–

2080 

under SSP126. Each bar chart shows the mean values of temperature sensitivity under different scenarios globally and across six continents: Africa (

a

), Europe (

b

), 

North America (

c

), South America (

d

), Asia (

e

), and Oceania (

f

) and globally (

g

). Error bars indicate standard deviations, and gray bars show the changes induced by 

improved SOC under each scenario. BAU means scenario with no SOC improvement.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

7

 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

scenarios, further research is needed to evaluate whether soil quality in 

these areas will be adequate to support sustained agricultural produc-

tivity. Soils, particularly SOC, play a critical role in sustaining agricul-

tural systems, as they are fundamental to maintaining soil fertility and 

supporting crop production in the context of a changing climate. How-

ever,  this  study  may  have  underestimated  the  contribution  of  SOC 

improvement  to  crop  yield  temperature  sensitivity  due  to  the  unac-

counted  interconnections  among  various  soil  properties.  The  dataset 

used  here  (

Zomer  et  al.,  2017

)  reflects  SOC  improvements  achieved 

through  enhanced  farming  and  soil  conservation  practices,  but  the 

concurrent changes in other soil properties were not included in pro-

jections due to data limitations.

4.4. Policy and practical implications

The findings of this study reveal practical soil-based pathways for 

farmers to combat climate change, and present important implications 

for sustainable agricultural production. First, the critical role of SOC in 

mitigating the adverse effects of warming on crop yields highlights the 

need for policies prioritizing soil health and conservation. Governments 

and  agricultural  institutions  should  encourage  the  adoption  of  soil 

management practices that enhance SOC, such as conservation tillage, 

cover cropping, residue retention, and crop rotation (

Bai et al., 2019; He 

et al., 2023; Huang et al., 2020; Yang et al., 2024

). These practices not 

only improve nutrient availability and water retention to benefit SOC 

sequestration, but also strengthen crop resilience to adverse weather 

conditions. Second, our study underscores the potential of crop varietal 

development  as  an  adaptive  strategy  to  address  climate  challenges. 

Fig. 5.

Improved SOC-induced temperature sensitivity changes for soybean. The central map shows temperature sensitivity with improved SOC during 2050

–

2080 

under SSP126. Each bar chart shows the mean values of temperature sensitivity under different scenarios globally and across six continents: Africa (

a

), Europe (

b

), 

North America (

c

), South America (

d

), Asia (

e

), and Oceania (

f

) and globally (

g

). Error bars indicate standard deviations, and gray bars show the changes induced by 

improved SOC under each scenario. BAU means scenario with no SOC improvement.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

8

 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Breeding programs focused on improved heat tolerance, drought resis-

tance, and traits that enhance soil quality, such as deeper root biomass 

(

Cotrufo  et al.,  2024

), could  help mitigate  yield losses  in  vulnerable 

regions. Finally, the observed spatial variation in crop yield responses to 

warming emphasizes the need for region-specific adaptation strategies. 

To ensure food security under climate change, integrated measures that 

combine  enhanced  soil  management,  advanced  crop  varieties,  and 

tailored regional interventions will be essential (

Bilotto et al., 2023

). 

Effective  implementation  of  these  strategies  will  require  coordinated 

efforts among governments, researchers, agricultural practitioners, and 

stakeholders to build resilient and sustainable farming systems.

5. Conclusions

This study investigated the effects of soil properties on crop yield 

responses  to  increased  growing  season  temperatures  across  global 

croplands, and quantified their contributions using statistical analysis 

and random forest modeling. During the historical period (1980

–

2010), 

each 1

◦

C increase in temperature resulted in yield changes of 

−

2.3 % for 

maize and 

+

3.0 % for soybean. However, under future warming sce-

narios (2050

–

2080), maize and soybean yields were projected to decline 

significantly, with losses ranging from 

−

6.6 % to 

−

7.5 % for maize and 

−

8.9 % to 

−

10.7 % for soybean per 1

◦

C of warming, across the three SSP 

scenarios. The spatial variability in yield sensitivity to temperature was 

influenced by soil properties, which explained 51 % of the variation in 

maize and 59 % in soybean. Among these properties, SOC emerged as 

the most influential factor, exhibiting a positive relationship with yield 

temperature  sensitivity  before  reaching  optimal  thresholds  (around 

11

–

15 kg C  m

−

2

).  Given  that  current  SOC  levels  are  far  below  this 

optimal level, SOC improvements through farming and soil conservation 

practices  are  projected  to  mitigate  yield  losses  under  future  climate 

scenarios. SOC improvement could help reduce widespread yield de-

clines induced by warming, particularly in dryland areas. Integrating 

SOC  improvements  with  the  adoption  of  future  crop  varieties  could 

further alleviate these yield losses under warming climate. This study 

highlights the potential of soil-based pathways to enhance the resilience 

of global crop production to climate change impacts.

CRediT authorship contribution statement

Ke Liu: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Resources. 

Shengwei Zhang: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Funding acquisition. 

De Li Liu: 

Writing 

– 

review 

& 

editing,  Formal analysis. 

Zikui Wang: 

Writing 

– 

review 

& 

editing. 

Matthew Tom Harrison: 

Writing 

– 

review 

& 

editing. 

Sien Li: 

Writing 

– 

review 

& 

editing. 

Qiang Yu: 

Writing 

– 

review 

& 

editing. 

Qinsi 

He: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Writing 

– 

original draft, Visualization, 

Methodology, Conceptualization. 

Kadambot H.M. Siddique: 

Writing 

– 

review 

& 

editing. 

Linchao Li: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Methodology, 

Data curation, Conceptualization. 

Yu Shi: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, 

Methodology. 

Puyu Feng: 

Writing 

– 

review 

& 

editing, Methodology.

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.

Acknowledgements

We acknowledge financial support from the Fundamental Research 

Funds for the Inner Mongolia Universities-Science Foundation; Natural 

Science  Foundation  of  Inner  Mongolia  Autonomous  Region,  China 

Fig. 6.

Temperature sensitivity changes induced by improved SOC in dryland (aridity index 

≤

0.65) and non-dryland (aridity index 

>

0.65) regions for maize (

a

) and 

soybe

a

n (

b

) during 2050

–

2080. Box plots show the 25th and 75th percentiles across 37 general circulation models (GCMs), with whiskers representing the 10th and 

90th percentiles. The line and circle within each box indicate the multi-model median and mean values, respectively.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

9

 

Page 10

Figures and page graphics, page 10

(2024ZD08);  National  Natural  Science  Foundation  of  China 

(52279017);  and the  Program  for  Innovative  Research  Team  in  Uni-

versities of Inner Mongolia Autonomous Region (NMGIRT2313), inno-

vation team of ‘grassland talents

’ 

are jointly funded.

Appendix A. Supporting information

Supplementary data associated with this article can be found in the 

online version at 

doi:10.1016/j.eja.2025.127739

.

Data availability

Data will be made available on request.

References

Andrade, M.Gd.O., Cordeiro, C.Fd.S., Calonego, J.C., Franzluebbers, A., Rosolem, C.A., 

2024. Soil amendment and N fertilization strategies to improve C sequestration and 

storage in soil aggregates. Soil Sci. Soc. Am. J. 88, 1767

–

1777

.

Asseng, S., et al., 2013. Uncertainty in simulating wheat yields under climate change. 

Nat. Clim. Change 3, 827

–

832

.

Asseng, S., et al., 2015. Rising temperatures reduce global wheat production. Nat. Clim. 

Change 5, 143

–

147

.

Asseng, S., et al., 2019. Climate change impact and adaptation for wheat protein. Glob. 

Change Biol. 25, 155

–

173

.

Bai, X., et al., 2019. Responses of soil carbon sequestration to climate-smart agriculture 

practices: a meta-analysis. Glob. Change Biol. 25, 2591

–

2606

.

Bilotto, F., Christie-Whitehead, K.M., Malcolm, B., Harrison, M.T., 2023. Carbon, cash, 

cattle and the climate crisis. Sustain. Sci. 18, 1795

–

1811

.

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

–

32. 

https://doi.org/10.1023/A: 

1010933404324

.

Chen, F., et al., 2024. Soil buffering capacity enhances maize yield resilience amidst 

climate perturbations. Agric. Syst. 215, 103870

.

Cordeiro, C.Fd.S., Rodrigues, D.R., Silva, G.Fd, Echer, F.R., Calonego, J.C., 2022. Soil 

organic carbon stock is improved by cover crops in a tropical sandy soil. Agron. J. 

114, 1546

–

1556

.

Cotrufo, M.F., Haddix, M.L., Mullen, J.L., Zhang, Y., McKay, J.K., 2024. Deepening root 

inputs: potential soil carbon accrual from breeding for deeper rooted maize. Glob. 

Change Biol. 30, e17591

.

Deng, X., et al., 2023. Building soil to reduce climate change impacts on global crop 

yield. Sci. Total Environ. 903, 166711

.

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

.

Droste, N., et al., 2020. Soil carbon insures arable crop production against increasing 

adverse weather due to climate change. Environ. Res. Lett. 15: 124034

. 

Elliott, J., et al., 2014. Constraints and potentials of future irrigation water availability 

on agricultural production under climate change. Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 

3239

–

3244

.

Elliott, J., et al., 2015. The global gridded crop model intercomparison: data and 

modeling protocols for Phase 1 (v1.0). Geosci. Model Dev. 8, 261

–

277

.

Feng, P., et al., 2022. Soil properties resulting in superior maize yields upon climate 

warming. Agron. Sustain. Dev. 42, 85

.

Franke, J.A., et al., 2020a. The GGCMI Phase 2 experiment: global gridded crop model 

simulations under uniform changes in CO2, temperature, water, and nitrogen levels 

(protocol version 1.0). Geosci. Model Dev. 13, 2315

–

2336

.

Franke, J.A., et al., 2020b. The GGCMI Phase 2 emulators: global gridded crop model 

responses to changes in CO2, temperature, water, and nitrogen (version 1.0). Geosci. 

Model Dev. 13, 3995

–

4018

.

Fu, J., et al., 2023. Extreme rainfall reduces one-twelfth of China

’

s rice yield over the last 

two decades. Nat. Food 4, 416

–

423

.

Godfray, H.C.J., et al., 2010. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. 

Science 327, 812

–

818

.

Harrison, M.T., 2021. Climate change benefits negated by extreme heat. Nat. Food 2, 

855

–

856

.

Harrison, M.T., Liu, K., 2024. Holistic systems analyses accelerate progress towards 

Sustainable Development Goals. Nat. Food 5, 544

–

545

.

Harrison, M.T., Tardieu, F., Dong, Z., Messina, C.D., Hammer, G.L., 2014. Characterizing 

drought stress and trait influence on maize yield under current and future 

conditions. Glob. Change Biol. 20, 867

–

878

.

He, Q., et al., 2023. Modelling interactions between cowpea cover crops and residue 

retention in Australian dryland cropping systems under climate change. Agric. 

Ecosyst. Environ. 353, 108536

.

Hijbeek, R., et al., 2017. Do organic inputs matter 

– 

a meta-analysis of additional yield 

effects for arable crops in Europe. Plant Soil 411, 293

–

303

.

Huang, Y., et al., 2020. Assessing synergistic effects of no-tillage and cover crops on soil 

carbon dynamics in a long-term maize cropping system under climate change. Agric. 

For. Meteorol. 291, 108090

.

Huang, J., 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

.

Iizumi, T., et al., 2017. Responses of crop yield growth to global temperature and 

socioeconomic changes. Sci. Rep. 7, 7800

.

J

¨

agermeyr, J., et al., 2021. Climate impacts on global agriculture emerge earlier in new 

generation of climate and crop models. Nat. Food 2, 873

–

885

.

Jian, J., Du, X., Reiter, M.S., Stewart, R.D., 2020. A meta-analysis of global cropland soil 

carbon changes due to cover cropping. Soil Biol. Biochem. 143, 107735

.

Jin, Z., et al., 2017. The combined and separate impacts of climate extremes on the 

current and future US rainfed maize and soybean production under elevated CO2. 

Glob. Change Biol. 23, 2687

–

2704

.

Kimball, B.A., 2016. Crop responses to elevated CO2 and interactions with H2O, N, and 

temperature. Curr. Opin. Plant Biol. 31, 36

–

43

.

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

–

222

.

Lesk, C., et al., 2021. Stronger temperature-moisture couplings exacerbate the impact of 

climate warming on global crop yields. Nat. Food 2, 683

–

691

.

Li, L., et al., 2023a. The optimization of model ensemble composition and size can 

enhance the robustness of crop yield projections. Commun. Earth Environ. 4, 362

.

Li, L., et al., 2023b. Integrating machine learning and environmental variables to 

constrain uncertainty in crop yield change projections under climate change. Eur. J. 

Agron. 149, 126917

.

Lin, T.S., Song, Y., Lawrence, P., Kheshgi, H.S., Jain, A.K., 2021. Worldwide maize and 

soybean yield response to environmental and management factors over the 20th and 

21st centuries. J. Geophys. Res. Biogeosciences 126, e2021JG006304

.

Liu, K., et al., 2023. Silver lining to a climate crisis in multiple prospects for alleviating 

crop waterlogging under future climates. Nat. Commun. 14, 765

.

Lobell, D.B., et al., 2014. Greater sensitivity to drought accompanies maize yield increase 

in the US Midwest. Science 344, 516

–

519

.

Lobell, D.B., Gourdji, S.M., 2012. The influence of climate change on global crop 

productivity. Plant Physiol. 160, 1686

–

1697

.

Luo, N., et al., 2023. China can be self-sufficient in maize production by 2030 with 

optimal crop management. Nat. Commun. 14, 2637

.

Ma, Y., et al., 2023. Global crop production increase by soil organic carbon. Nat. Geosci. 

16, 1159

–

1165

.

M

¨

akinen, H., Kaseva, J., Virkaj

¨

arvi, P., Kahiluoto, H., 2017. Shifts in soil-climate 

combination deserve attention. Agric. For. Meteorol. 234-235, 236

–

246

.

Moinet, G.Y.K., Hijbeek, R., Vuuren, D.Pv, Giller, K.E., 2023. Carbon for soils, not soils 

for carbon. Glob. Change Biol. 29, 2384

–

2398

.

Monfreda, C., Ramankutty, N., Foley, J.A., 2008. Farming the planet: 2. Geographic 

distribution of crop areas, yields, physiological types, and net primary production in 

the year 2000. Glob. Biogeochem. Cycles 22. GB1022

. 

Moss, R.H., et al., 2010. The next generation of scenarios for climate change research and 

assessment. Nature 463, 747

–

756

.

Muleke, A., et al., 2022. Earlier crop flowering caused by global warming alleviated by 

irrigation. Environ. Res. Lett. 17, 044032

.

Müller, C., et al., 2017. Global gridded crop model evaluation: benchmarking, skills, 

deficiencies and implications. Geosci. Model Dev. 10, 1403

–

1422

.

Müller, C., et al., 2021. Exploring uncertainties in global crop yield projections in a large 

ensemble of crop models and CMIP5 and CMIP6 climate scenarios. Environ. Res. 

Lett. 16, 034040

.

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

.

Pittelkow, C.M., et al., 2015. Productivity limits and potentials of the principles of 

conservation agriculture. Nature 517, 365

–

368

.

Qiao, L., et al., 2022. Soil quality both increases crop production and improves resilience 

to climate change. Nat. Clim. Change 12, 574

–

580

.

Ray, D.K., Gerber, J.S., MacDonald, G.K., West, P.C., 2015. Climate variation explains a 

third of global crop yield variability. Nat. Commun. 6, 5989

.

Rose, G., Osborne, T., Greatrex, H., Wheeler, T., 2016. Impact of progressive global 

warming on the global-scale yield of maize and soybean. Clim. Change 134, 

417

–

428

.

Rosenzweig, C., et al., 2013. Assessing agricultural risks of climate change in the 21st 

century in a global gridded crop model intercomparison. Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 

3268

–

3273

.

Seppelt, R., Klotz, S., Peiter, E., Volk, M., 2022. Agriculture and food security under a 

changing climate: an underestimated challenge. iScience 25, 105551

.

Shi, Y., et al., 2022. Building social resilience in North Korea can mitigate the impacts of 

climate change on food security. Nat. Food 3, 499

–

511

.

Soinne, H., et al., 2020. Soil organic carbon and clay content as deciding factors for net 

nitrogen mineralization and cereal yields in boreal mineral soils. Eur. J. Soil Sci. 72, 

1497

–

1512

.

Su, Y., Gabrielle, B., Makowski, D., 2021. The impact of climate change on the 

productivity of conservation agriculture. Nat. Clim. Change 11, 628

–

633

.

Tao, F., Zhang, L., Zhang, Z., Chen, Y., 2022. Designing wheat cultivar adaptation to 

future climate change across China by coupling biophysical modelling and machine 

learning. Eur. J. Agron. 136, 126500

.

Teixeira, E.I., Fischer, G., van Velthuizen, H., Walter, C., Ewert, F., 2013. Global hot- 

spots of heat stress on agricultural crops due to climate change. Agric. For. Meteorol. 

170, 206

–

215

.

Teng, J., et al., 2024. Conservation agriculture improves soil health and sustains crop 

yields after long-term warming. Nat. Commun. 15, 8785

.

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

probability of globally synchronized maize production shocks. PNAS 115, 

6644

–

6649

.

Trabucco, A., Zomer, R.J., 2018. Global aridity index and potential evapotranspiration 

(ET0) climate database v2. CGIAR Consort. Spat. Inf. 10 (m9)

.

Wallach, D., et al., 2021. How well do crop modeling groups predict wheat phenology, 

given calibration data from the target population? Eur. J. Agron. 124, 126195

.

Wang, X., et al., 2020. Emergent constraint on crop yield response to warmer 

temperature from field experiments. Nat. Sustain. 3, 908

–

916

.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

10

 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

Wieder, W.R., Boehnert, J., Bonan, G.B., Langseth, M., 2014. Regridded harmonized 

world soil database v1. 2. ORNL DAAC

.

Willmott, C.J., 1981. On the validation of models. Phys. Geogr. 2, 184

–

194

.

Xiong, W., et al., 2020. Different uncertainty distribution between high and low latitudes 

in modelling warming impacts on wheat. Nat. Food 1, 63

–

69

.

Yang, X., et al., 2024. Diversifying crop rotation increases food production, reduces net 

greenhouse gas emissions and improves soil health. Nat. Commun. 15, 198

.

Zabel, F., et al., 2021. Large potential for crop production adaptation depends on 

available future varieties. Glob. Change Biol. 27, 3870

–

3882

.

Zhou, H., Helliker, B.R., Huber, M., Dicks, A., Akçay, E., 2018. C4 photosynthesis and 

climate through the lens of optimality. PNAS 115, 12057

–

12062

.

Zhu, P., et al., 2022a. Warming reduces global agricultural production by decreasing 

cropping frequency and yields. Nat. Clim. Change 12, 1016

–

1023

.

Zhu, X., et al., 2022b. Soil coarsening alleviates precipitation constraint on vegetation 

growth in global drylands. Environ. Res. Lett. 17, 114008

.

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

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

integration. Glob. Change Biol. 25, 2470

–

2484

.

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

.

Q. He et al.                                                                                                                                                                                                                                       

European

 

Journal

 

of

 

Agronomy

 

170

 

(2025)

 

127739

 

11

 


Document Outline