Back to report · Publisher record

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

Page 1

Figures and page graphics, page 1

V I E W P O I N T

Soil Carbon Sequestration Impacts on Global

Climate Change and Food Security

R. Lal

The carbon sink capacity of the world’s agricultural and degraded soils is 50 to

66% of the historic carbon loss of 42 to 78 gigatons of carbon. The rate of soil

organic carbon sequestration with adoption of recommended technologies de-

pends on soil texture and structure, rainfall, temperature, farming system, and

soil management. Strategies to increase the soil carbon pool include soil resto-

ration and woodland regeneration, no-till farming, cover crops, nutrient manage-

ment, manuring and sludge application, improved grazing, water conservation

and harvesting, efficient irrigation, agroforestry practices, and growing energy

crops on spare lands. An increase of 1 ton of soil carbon pool of degraded

cropland soils may increase crop yield by 20 to 40 kilograms per hectare (kg/ha)

for wheat, 10 to 20 kg/ha for maize, and 0.5 to 1 kg/ha for cowpeas. As well as

enhancing food security, carbon sequestration has the potential to offset fossil-

fuel emissions by 0.4 to 1.2 gigatons of carbon per year, or 5 to 15% of the global

fossil-fuel emissions.

The global soil carbon (C) pool of 2500
gigatons (Gt) includes about 1550 Gt of
soil organic carbon (SOC) and 950 Gt of
soil inorganic carbon (SIC). The soil C pool
is 3.3 times the size of the atmospheric pool
(760 Gt) and 4.5 times the
size of the biotic pool (560
Gt, fig. S1). The SOC pool
to 1-m depth ranges from
30 tons/ha in arid climates
to 800 tons/ha in organic
soils in cold regions, and a
predominant range of 50
to 150 tons/ha. The SOC
pool represents a dynamic
equilibrium of gains and
losses (Fig. 1). Conversion
of natural to agricultural
ecosystems causes deple-
tion of the SOC pool by as
much as 60% in soils of
temperate

regions

and

75% or more in cultivated
soils of the tropics. The
depletion is exacerbated
when the output of C ex-
ceeds the input and when
soil degradation is severe.
Some soils have lost as
much as 20 to 80 tons
C/ha, mostly emitted into the atmosphere.
Severe depletion of the SOC pool degrades
soil quality, reduces biomass productivity,
and adversely impacts water quality, and
the depletion may be exacerbated by pro-
jected global warming.

Terrestrial ecosystems contributed to at-

mospheric CO

2

enrichment during both the

preindustrial and industrial eras (Table 1).
During the preindustrial era, the total C
emission from terrestrial ecosystems was

supposedly about twice (320 Gt or 0.04 Gt
C/year for 7800 years) that of the industrial
era (160 Gt or 0.8 Gt C/year for 200 years)
(

1

). Between 1850 and 1998, the emission

from fossil-fuel combustion (270

⫾

30 Gt)

was about twice that from the terrestrial
ecosystems (136

⫾

55 Gt) (

2

). The latter

includes 78

⫾

12 Gt from soil, of which

about one-third is attributed to soil degra-
dation and accelerated erosion and two-

thirds to mineralization (Table 1). The es-
timates of historic SOC loss range widely,
from 44 to 537 Gt, with a common range of
55 to 78 Gt (

3

).

Soil Carbon Sequestration

Carbon sequestration implies transferring
atmospheric CO

2

into long-lived pools and

storing it securely so it is not immediately
reemitted. Thus, soil C sequestration means
increasing SOC and SIC stocks through
judicious land use and recommended man-
agement practices (RMPs). The potential
soil C sink capacity of managed ecosystems
approximately equals the cumulative his-
toric C loss estimated at 55 to 78 Gt. The
attainable soil C sink capacity is only 50 to
66% of the potential capacity. The strategy
of soil C sequestration is cost-effective and
environmentally friendly (table S1).

The rate of increase in

the SOC stock, through
land-use

change

and

adoption of RMPs, fol-
lows a sigmoid curve, at-
tains the maximum 5 to
20 years after adoption
of RMPs, and continues
until SOC attains another
equilibrium.

Observed

rates of SOC sequestra-
tion in agricultural and
restored ecosystems de-
pend on soil texture, pro-
file characteristics, and
climate, and range from
0 to 150 kg C/ha per year
in dry and warm regions
(

4

), and 100 to 1000 kg

C/ha per year in humid
and cool climates (

5

–

8

)

(fig. S2). With continu-
ous use of RMPs, these
rates can be sustained for
20 to 50 years or until the

soil sink capacity is filled (

8

,

9

). The SOC

sequestration is caused by those manage-
ment systems that add high amounts of
biomass to the soil, cause minimal soil
disturbance, conserve soil and water, im-
prove soil structure, enhance activity and
species

diversity

of

soil

fauna,

and

strengthen mechanisms of elemental cy-
cling (Fig. 2, table S2). Common RMPs
that lead to SOC sequestration are mulch

Carbon Management and Sequestration Center, The

Ohio State University Columbus, OH 43210, USA.

E-mail: lal.1@osu.edu

SOC

Pool

1550 Pg

Humification

Particle
detach-

ment

Oxidation

Trans-

location

CO

2

CO

2

CO

2

CO

2

CO

2

CO

2

(2-20% of

the C added)

Leaching

of DOC

0.4-0.6 Gt

0.8-1.2 Gt

Deposition

in aquatic

ecosystems

and burial in

depressional sites

Redistribution

over the 

landscape

C added in 

above-

ground

residues,

and root
biomass

Aquatic systems

Erosion

Fig. 1.

Processes affecting soil organic carbon (SOC) dynamics. Arrows pointed upward

indicate emissions of CO

2

into the atmosphere. There may also be emission of CH

4

under anaerobic conditions, although most well-drained soils are a sink of CH

4

. DOC,

dissolved organic carbon.

S

O I L S

— T

H E

F

I N A L

F

R O N T I E R

www.sciencemag.org SCIENCE VOL 304 11 JUNE 2004

1623

S

PECIAL

S

ECTION

Downloaded from https://www.science.org at Oregon State University on October 19, 2026

Page 2

Figures and page graphics, page 2

farming, conservation tillage, agroforestry
and diverse cropping systems, cover crops
(Fig. 3), and integrated nutrient manage-
ment, including the use of manure, com-
post, biosolids, improved grazing, and
forest management. The potential of SOC
sequestration also lies in restoration of de-
graded soils and ecosystems (

10

) whose

resilience capacity is intact. The rate of SIC
sequestration as secondary carbonates is
low (5 to 150 kg C/ha per year) and is
accentuated by biogenic processes and
leaching of carbonates into the ground-
water (

11

,

12

), especially in soils irrigated

with water containing low carbonates.

Soil Carbon Sequestration for

Mitigating Climate Change

Estimates of the total potential of C seques-
tration in world soils vary widely from a

low of 0.4 to 0.6 Gt C/year (

9

) to a high

of 0.6 to 1.2 Gt C/year (

13

). Thus, the

potential is finite in capacity and time.
Nonetheless, soil C sequestration buys us
time until the alternatives to fossil fuel take
effect. Some issues related to this strategy
are as follows:

1) Agricultural chemicals. Most RMPs

involve C-based input. It takes 0.86 kg
C/kg N, 0.17 kg C/kg P

2

O

5

, 0.12 kg C/kg

K

2

O, 0.36 kg C/kg lime, 4.7 kg C/kg of

herbicides, 5.2 kg C/kg of fungicides, 4.9
kg C/kg of insecticides (

14

), and 150 kg

C/ha for pumping groundwater for irriga-
tion (

15

). Tillage operations emit 15 kg

C/ha for moldboard plowing, 8 kg C/ha for
chisel plowing and heavy tandem disking, 6
kg C/ha for light tandem disking, 11 kg
C/ha for subsoiling, 4 kg C/ha for cultiva-
tion, and 2 kg/ha for rotary hoeing (

16

).

Therefore, conversion from
conventional till to no-till
farming reduces emission by
30 to 35 kg C/ha per season
(

16

). Similarly, a judicious

use of C-based inputs is es-
sential to enhancing use ef-
ficiency and minimizing
losses. However, inputs are
needed not for soil C seques-
tration per se, but for increas-
ing food production and en-
suring sustainable use of soil
and water resources.

2) Nutrients required. Car-

bon is only one of the ele-
mental constituents of humus.
It is estimated that sequestra-
tion of 1 Gt of C in world
soils would require 80 mil-
lion tons (Mt) of N, 20 Mt of
P, and 15 Mt of K. In com-
parison, the global fertilizer
use in 2000 was 136 Mt (

17

).

However, there are several
sources of nutrients for C se-
questration, including biolog-
ical nitrogen fixation, recy-
cling

from

subsoil,

aerial

deposition, use of biosolids,
and crop residues. One ton of
cereal residue contains 12 to
20 kg N, 1 to 4 kg P, 7 to 30
kg K, 4 to 8 kg Ca, and 2 to 4
kg Mg. Annually, 3 Gt of res-
idues of grain crops are pro-
duced globally (table S3),
which if recycled rather than
removed for fuel and other
uses,

would

improve

soil

quality and sequester C. Crop
residue is also a potential
source of energy by direct
combustion, or for production
of ethanol or H

2

. It can be

used either for biofuel production or to
sequester C and improve soil quality. The
economics of these two competing uses
need to be assessed.

3) Soil erosion and deposition. The SOC

is preferentially removed by wind- and
water-borne sediments through erosional
processes. Some of the SOC-enriched sed-
iments are redistributed over the landscape,
others are deposited in depressional sites,
and some are carried into the aquatic eco-
systems (Fig. 1). Although a part of the C
translocated by erosion may be buried and
redistributed (

18

), the rest is emitted into

the atmosphere either as CO

2

by mineral-

ization or as CH

4

by methanogenesis.

Erosion-induced deposition and burial may
be 0.4 to 0.6 Gt C/year compared with
perhaps 0.8 to 1.2 Gt C/year emitted into
the atmosphere (Fig. 1) (

19

). Quantification

Cropland Soils: 1350 Mha

   [0.4 to 0.8 Gt C/yr]

Restoration of Degraded and

Desertified Soils: 1.1 billion ha

[0.2 to 0.4 Gt C/yr]

•     Conservation tillage (100-1000)
•     Cover crops (50-250)
•     Manuring and INM (50-150)
•     Diverse cropping systems (50-250)
•     Mixed farming (50-200)
•     Agroforestry (100-200)
Acid savanna soils, 250 Mha in South
America, have a high potential

•     Erosion control by water
      (100-200)
•     Erosion control by wind (50-100)
•     Afforestation on marginal lands
      (50-300)
•     Water conservation/harvesting
      (100-200)

3.7 billion ha in semi-arid and sub-
humid regions
•     Grazing management (50-150)
•     Improved species (50-100)
•     Fire management (50-100)
•     Nutrient management
*Both SOC and SIC are sequestered

•     Using drip/sub-irrigation
•     Providing drainage (100-200)
•     Controlling salinity (60-200)
•     Enhancing water use efficiency/water
      conservation (100-200)
*Both SOC and SIC are sequestered

Potential of Carbon

Sequestration in 

World Soils

[0.4 - 1.2 Gt C/yr]

Irrigated Soils: 275 Mha

[0.01 to 0.03 Gt C/yr]*

Range Lands and Grass Lands:

[0.01 to 0.3 Gt C/yr?]*

Fig. 2.

Ecosystems with a high and attainable soil C sequestration potential are cropland, grazing/range land,

degraded/desertified lands, and irrigated soils. Forest soils are included under afforestation of agriculturally

marginal and otherwise degraded/desertified soils. Reforestation of previously forested sites have small additional

soil C sequestration. The potential of C sequestration of range lands/grassland is not included in the global total

because part of it is covered under other ecosystems, and there are large uncertainties. Rates of C sequestration

given in parentheses are in kg C/ha per year, are not additive, and are low under on-farm conditions. [Rates are

cited from (

2

–

9

,

15

,

25

,

37

–

39

) and other references cited in the supporting material.]

S

O I L S

— T

H E

F

I N A L

F

R O N T I E R

11 JUNE 2004 VOL 304 SCIENCE www.sciencemag.org

1624

S

PECIAL

S

ECTION

Downloaded from https://www.science.org at Oregon State University on October 19, 2026

Page 3

Figures and page graphics, page 3

of emission versus burial of C is a high
priority. Yet, an effective soil erosion con-
trol is essential to sustainable use of agri-
cultural soils and improving environment
quality.

4) Extractive farming practices. The an-

nual depletion rate of nutrients for sub-
Saharan Africa (SSA) caused by low-input/
subsistence farming is estimated to be 40 kg
of NPK/ha of cultivated land since the mid-
1960s (

20

). Mining SOC from soil for nutri-

ents through organic-matter decomposition
has an effect on the atmosphere similar to that
of fossil-fuel combustion. Therefore, RMPs
must enhance rather than deplete SOC pool
and soil fertility, increase rather than main-
tain or decrease crop yield per unit use of
fertilizer and other inputs, and improve rather
than degrade soil quality.

5) Societal value and hidden benefits.

Commodification of soil C is important for
trading C credits. Carbon trading markets
have existed since 2002, especially in Euro-
pean Union countries (

21

). The low current

price ($1/ton CO

2

) of SOC may increase with

emission cap and regulation. For the concept
of SOC credits trading to become routine as
a part of the solution to mitigate climate
change, the ability to measure short-term (3-
to 5-year) changes in SOC pool exists (

22

),

but the price of soil C must be based on both
on-site and off-site societal benefits (table
S4). Undervaluing soil C can lead to a
“tragedy of the commons.”

6) Hydrologic and carbon cycles. Because

renewable freshwater is scarce, a projected
increase in cereal production by 56% be-
tween 1997 and 2050 (

23

) must occur on the

same or smaller land area and with the same
or less water. Thus, linking the hydrologic
and C cycles through conser-
vation of water resources is
crucial to improving agronom-
ic yields and to soil C seques-
tration in dryland. The low
SOC stock in rainfed agriculture
can be enhanced through water
conservation, water harvesting,
and water-efficient farming sys-
tems. Enhancing SOC stock in
dryland ecosystems through no-
till farming is important to
drought management: a truly
win-win option (

24

).

7) Soil C sequestration and

global warming. Global warm-
ing is a “century-scale” prob-
lem and a “global commons”
issue. Soil C sequestration is a
related but separate issue with
its own merits of increasing
productivity, improving water
quality, and restoring degraded
soils and ecosystems, irrespec-
tive of the global-warming

debate. Offsetting fossil-fuel emissions by
achievable SOC potential provides multiple
biophysical and societal benefits (table S3).
Furthermore, soil C sequestration is a bridge
across three global issues— climate change,
desertification, and biodiversity—and a natural
link among three UN conventions.

8) Other greenhouse gases. Enhancing

SOC stock increases the soil’s capacity to
oxidize CH

4

, especially under no-till farm-

ing (

25

), but may also exacerbate emission

of N

2

O (

26

). Fluxes of CH

4

and N

2

O may

change the CO

2

-mitigation potential of soil

management practices and must be consid-
ered along with SOC sequestration.

9) Soils of the tropics. Because of its

severe depletion and degradation, the C
sink capacity of soils of the tropics may be
high, but the rate of sequestration can be
low. The need for enhancing soil quality is
also more urgent in soils of the tropics than
in soils of high latitudes because of low
crop yields. Yet, the challenge is greater
because of weak institutions, limited infra-
structure, and predominantly resource-poor
agriculture systems. Soil-restorative farm
policies must be implemented to mitigate
soil-degradative trends.

10) Permanence. Soil C sequestration is

a natural, cost-effective, and environment-
friendly process. Once sequestered, C re-
mains in the soil as long as restorative land
use, no-till farming, and other RMPs are
followed. Soil sink capacity and perma-
nence are related to clay content and min-
eralogy, structural stability, landscape po-
sition, moisture and temperature regimes,
and ability to form and retain stable micro-
aggregates.

Soil Carbon Sequestration and Global

Food Security

Global hotspots of soil degradation with a
high priority for soil restoration and C se-
questration include SSA, central and south
Asia, China, the Andean region, the Carib-
bean, and the acid savannas of South Amer-
ica. Complete residue removal for fodder
and fuel is a norm in south Asia and Africa.
Thus, depletion of SOC stock from the root
zone has adversely affected the soil produc-
tivity and environmental quality of these
regions. Simply put, poor farmers have
passed on their suffering to the land
through extractive practices. They cultivate

Fig. 3.

Important recommended management practices are no-till farming, cover crops, manuring and

agroforestry. (

A

) Long-term no-till plots were established at the International Institute of Tropical Agriculture,

Ibadan, in 1971 and continued through 1987. The adoption of no-till by small landholders in Africa and

Asia has been constrained by removal of crop residue mulch for fodder and fuel, nonavailability of a proper

seed drill that can cut through the residue, and prohibitively expensive herbicides. (

B

) Agroforestry,

sowing wheat under the canopy of poplar, is widely practiced in Punjab, India. Other combinations of trees

and crops and forages may be beneficial to sustainable use of soil-water resources and C sequestration in

site-specific situations.

Table 1.

Estimates of pre- and postindustrial

losses of carbon from soil and emission from

fossil-fuel combustion. Data were compiled

from diverse sources (

1

–

3

). Ruddiman (

1

)

estimated the emission from land-use con-

version during the postindustrial era at 0.8

Gt C/year for 200 years at 160 Gt C.

Source

Historic carbon

emission (Gt)

Preindustrial era

Fossil-fuel

combustion

0

Land-use

conversion at

0.04 Gt C/year

for 7800 years

320

Postindustrial era

Fossil-fuel

combustion

(since 1850)

270

⫾

30

Land-use conversion

136

⫾

5

Soil cultivation

78

⫾

12

Erosion

26

⫾

9

Mineralization

52

⫾

8

S

O I L S

— T

H E

F

I N A L

F

R O N T I E R

www.sciencemag.org SCIENCE VOL 304 11 JUNE 2004

1625

S

PECIAL

S

ECTION

Downloaded from https://www.science.org at Oregon State University on October 19, 2026

Page 4

Figures and page graphics, page 4

marginal soils with margin-
al inputs, produce marginal
yields, and perpetuate mar-
ginal living and poverty.
As a source of nutrients for
growing crops, the SOC
pool is a mean of produc-
tion in subsistence farming
systems of SSA, which ac-
counts for only 2.5% of the
fertilizer consumption and
2% of the world’s irrigated
land area, both essential to
SOC sequestration. Bene-
fits of RMPs cannot be re-
alized in severely degraded
soils depleted of their SOC
stock—soil’s life support
system. An optimum level
of SOC stock is needed to
hold water and nutrients,
decrease risks of erosion
and degradation, improve
soil structure and tilth, and
provide energy to soil mi-
croorganisms. The SOC is
a biomembrane that filters
pollutants,

reduces

sedi-

ment load in rivers, de-
creases hypoxia in coastal
ecosystems, degrades con-
taminants, and is a major
sink for atmospheric CO

2

and CH

4

. Fertilizer applica-

tion is an important strate-
gy of increasing crop yield
in SSA (

27

), but its effec-

tiveness is enhanced when used in conjunc-
tion with crop residue mulch (

28

) or trees

(

20

). Increase in SOC stock increases crop

yield even in high-input commercial agri-
culture (

29

), but especially in soils where it

has been depleted (

30

). An increase of 1 ton

of SOC increased wheat grain yield by 27
kg/ha in North Dakota, United States (

29

),

and by 40 kg/ha in semi-arid pampas of
Argentina (

31

), 6 kg/ha of wheat and 3

kg/ha of maize in alluvial soils of northern
India (

32

), 17 kg/ha of maize in Thailand

(

33

), and 10 kg/ha of maize and 1 kg/ha of

cowpea in western Nigeria (

34

). High SOC

stock is also needed to maintain consistent
yields through improvements in water and
nutrient holding capacity, soil structure,
and biotic activity. The critical limit of
SOC concentration for most soils of the
tropics is 1.1% (

35

). Increasing SOC con-

centration from a low of 0.1 to 0.2% to a
critical level of 1.1% is a major challenge
for tropical ecosystems. Yet, a drastic re-
duction in the SOC pool in SSA and else-
where must be reversed in order to advance
food security. An 18-year experiment in
Kenya showed that the yield of maize and
beans was 1.4 tons/ha per year without

external input and 6.0 tons/ha per year
when stover was retained and fertilizer and
manure were applied. The corresponding
SOC stocks to 15-cm depth were 23.6 tons/
ha and 28.7 tons/ha, respectively (

36

). This

is the type of quantum jump in crop yields
needed at the continental scale to ensure
food security in SSA. The vicious cycle of
declining

productivity– depleting

SOC

stock–lower yields will have to be broken
(Fig. 4) by improving soil quality through
SOC sequestration in order to free much of
humanity from perpetual poverty, malnutri-
tion, hunger, and substandard living.

Conclusions

Soil C sequestration is a strategy to achieve
food security through improvement in soil
quality. It is a by-product of the inevitable
necessity of adopting RMPs for enhancing
crop yields on a global scale. While reduc-
ing the rate of enrichment of atmospheric
concentration of CO

2

, soil C sequestration

improves and sustains biomass/agronomic
productivity. It has the potential to offset
fossil-fuel emissions by 0.4 to 1.2 Gt C/year,
or 5 to 15% of the global emissions.

Soil organic carbon is an extremely valua-

ble natural resource. Irrespec-
tive of the climate debate, the
SOC stock must be restored,
enhanced, and improved. A
C-management policy that in-
cludes regulation-based trad-
ing soil C must be developed.
Likewise, a widespread adop-
tion of RMPs by resource-
poor farmers of the tropics is
urgently warranted. The soil
C sequestration potential of
this win-win strategy is finite
and realizable over a short
period of 20 to 50 years. Yet,
the close link between soil C
sequestration and world food
security on the one hand and
climate change on the other
can neither be overempha-
sized nor ignored.

References and Notes

1. W. Ruddiman,

Clim. Change

61

,

261 (2003).

2. Intergovernmental Panel on Cli-

mate Change,

Land Use, Land

Use Change and Forestry

(Cam-

bridge Univ. Press, Cambridge,

2000), pp. 181–281.

3. R. Lal,

Adv. Agron.

71

, 145

(2001).

4. R. D. Armstrong

et al

.,

Aust. J.

Exp. Agric.

43

, 141 (2003).

5. P. R. Grace

et al

.,

Aust. J. Exp.

Agric.

35

, 857 (1995).

6. J. Sa

et al

.,

Soil Sci. Soc. Am. J.

65

, 1486 (2001).

7. C. A. Campbell

et al

.,

Can. J.

Soil Sci.

80

, 193 (2000).

8. T. O. West, W. M. Post,

Soil Sci.

Soc. Am. J.

66

, 1930 (2002).

9. D. R. Sauerbeck,

Nutr. Cycling Agroecosyst.

60

, 253

(2001).

10. W. L. Silver

et al

.,

Restor. Ecol.

8

, 394 (2000).

11. L. C. Nordt, L. P. Wilding, L. R. Drees, in

Global Climate

Change and Pedogenic Carbonates

, R. Lal, J. M.

Kimble, H. Eswaran, B. A. Stewart, Eds. (CRC/Lewis,

Boca Raton, FL, 2001), pp. 43–63.

12. R. Levy, in

Chemistry of Irrigated Soils

, R. Levy, Ed.

( Van Nostrand-Reinhold, New York, 1984), pp. 182–

229.

13. R. Lal,

Crit. Rev. Plant Sci.

22

, 151 (2003).

14. T. O. West, G. Marland,

Environ. Pollut.

116

, 439

(2002).

15. R. F. Follett,

Soil Till. Res.

61

, 77 (2001).

16. R. Lal,

Environ. Int.

, in press.

17. International Fertilizer Development Center (IFDC),

World Fertilizer Consumption

(IFDC, Muscle Shoals,

AL, 2000).

18. S. V. Smith, W. H. Renwick, R. W. Buddemeier, C. J.

Crossland,

Global Biogeochem. Cycles

15

, 697

(2001).

19. R. Lal,

Environ. Int.

29

, 437 (2003).

20. P. A. Sanchez,

Science

295

, 2019 (2002).

21. E. Johnson, R. Heinen,

Environ. Int.

30

, 279 (2004).

22. R. Lal

et al

.,

Assessment Methods for Soil Carbon

(CRC, Boca Raton, FL, 2001).

23. M. W. Rosegrant, S. A. Cline,

Science

302

, 1917

(2003).

24. R. Lal

et al

.,

Science

304

, 393 (2004).

25. J. Six

et al

.,

Agronomie

22

, 755 (2002).

26. P. Smith

et al

.,

Nutr. Cycl. Agroecosyst.

60

, 237

(2001).

27. C. Pieri,

Agron. Trop

41

, 1 (1986).

28. C. F. Yamoah

et al

.,

Field Crops Res.

75

, 53 (2002).

Soil

degradation

and

nutrient

depletion

Decline in

environmental

quality (emission 

of CO

2

 & other

gases, hypoxia,

siltation of
reservoirs)

Depletion of soil

organic matter

Decline in 

agronomic and

biomass

productivity

Food

insecurity,

malnutrition,

and

hunger

Fig. 4.

Cereal yields in Africa have been stagnant since early 1970s and stand

at a meager 1 ton/ha. The vicious cycle of deletion in soil organic matter–

decline in crop yield–food insecurity–soil and environmental degradation can be

broken by improving soil fertility through enhancement of the soil organic

matter pool, which requires use of sustainable agricultural technologies for

water and nutrients management, including no-till farming, composts and

mulching, leguminous cover crops, water harvesting, agroforestry, and integrat-

ed farming systems, along with judicious use of chemicals. This strategy can

break the tyranny of hunger.

S

O I L S

— T

H E

F

I N A L

F

R O N T I E R

11 JUNE 2004 VOL 304 SCIENCE www.sciencemag.org

1626

S

PECIAL

S

ECTION

Downloaded from https://www.science.org at Oregon State University on October 19, 2026

Page 5

Figures and page graphics, page 5

29. A. Bauer, A. L. Black,

Soil Sci. Soc. Am. J.

58

, 185

(1994).

30. A. E. Johnston,

Soil Use Manage.

2

, 97 (1986).

31. M. Diaz-Zorita

et al

.,

Soil Tillage Res.

65

, 1 (2002).

32. M. Kanchikerimath, D. Singh,

Agric. Ecosyst. Environ.

86

, 155 (2001).

33. S. Petchawee, W. Chaitep, in

Organic Matter Man-

agement in Upland Systems in Thailand

(Australian

Center for International Agricultural Research,

Canberra, Australia, 1995), pp. 21–26.

34. R. Lal,

Geoderma

25

, 215 (1981).

35. J. A. Aune, R. Lal,

Trop. Agric.

74

, 96 (1997).

36. J. J. Kapkiyai

et al

.,

Soil Biol. Biochem.

31

, 1773 (1999).

37. R. Lal

et al

.,

Soil Sci.

168

, 827 (2003).

38. R. J. Manlay

et al

.,

Agric. Ecosyst. Environ.

88

, 215

(2002).

39. D. G. Wright

et al

.,

Commun. Soil Sci. Plant Anal.

32

,

1803 (2001).

40. This work was sponsored by the Carbon Management

and Sequestration Center, School of Natural Resourc-

es, Ohio Agricultural Research and Development Cen-

ter, and the Climate Change CIRIT, The Ohio State

University, Columbus, OH.

Supporting Online Material

www.sciencemag.org/cgi/content/full/304/5677/1623/DC1

SOM Text

Figs. S1 to S3

Tables S1 to S4

References

V I E W P O I N T

Breaking the Sod: Humankind, History, and Soil

J. R. McNeill

1

* andVerena Winiwarter

2,3

For most of history, few things have mattered more to human communities than

their relations with soil, because soil provided most of their food and nutrients.

Accordingly, some of the earliest written documents were agricultural manuals

intended to organize, preserve, and impart soil knowledge. Indeed, ancient civiliza-

tions often worshipped the soil as the foundry of life itself. For the past century or

two, nothing has mattered more for soils than their relations with human commu-

nities, because human action inadvertently ratcheted up rates of soil erosion and,

both intentionally and unintentionally, rerouted nutrient flows.

Our distant ancestors found their food by
hunting and foraging. They depended indi-
rectly on soils to support plant growth, but
they did not much alter soils by their ac-
tions, except where they routinely burned
vegetation. With the transitions to agricul-
ture (which probably happened indepen-
dently at least seven times, beginning about
10,000 years ago), human dependence
upon, and impact upon, soils became more
direct and more obvious. Neolithic farmers,
in southwest Asia and elsewhere, depleted
soils of their nutrients by cultivating fields
repeatedly, but they simultaneously en-
riched their soils once they learned to keep
cattle, sheep, and goats, pasture them on
nonarable land, and collect them (or merely
their dung) upon croplands. They also wor-
shipped deities that they connected not only
to fertility in livestock and women, but also
to soil productivity.

When a population lived amid the fields

that sustained them, the net transfer of nu-
trients into or out of the fields remained
minor, as after shorter or longer stays in
human alimentary canals and tissues, nutri-
ents returned to the soils whence they had
come. Urban life changed that, systemati-
cally drawing nutrients from fields to cities,

from whence wastes left via streams or
rivers, en route to the sea. So civilization,
with its systemic links between cities and
hinterlands, over the past 5000 years has
posed an ongoing challenge for farmers
trying to maintain soil fertility.

Soil Erosion

In most settings, agriculture promoted soil
erosion, although to highly varying de-
grees. On a global scale, soil erosion oc-
curred in three main waves. The first arose
as a consequence of the expansion of
early river-basin civilizations, mainly in

the second millennium B.C.E. Farmers
left the valleys and alluvial soils of the
Yellow River, Indus, Tigris-Euphrates, and
lesser rivers (or from the Maya lowlands)
and ascended forested slopes, where they
exposed virgin soils to seasonal rains. The
loess plateau of north China, for example, began
to erode more quickly during this period, earning
the Yellow River its name (

1

). Over the next

3000 years, farmers in Eurasia, Africa, and the
Americas gradually converted a modest
proportion of the world’s forests into farmland
or pasture and thereby increased rates of soil
erosion, but the fertile soils of the world’s grass-
lands were little affected.

That changed in the 16th to 19th centuries

when, in a second great wave of soil erosion,
stronger and sharper plowshares helped break
the sod of the Eurasian steppe, the North Amer-
ican prairies, and the South American pampas.
The exodus of Europeans to the Americas,
Australia, New Zealand, Siberia, South Africa,
Algeria, and elsewhere brought new lands un-

1

Edmund A. Walsh School of Foreign Service, Inter-

cultural Center 600, Box 571035, Georgetown Uni-

versity, 3700 O Street, N.W., Washington, DC

20057–1035, USA.

2

Institute for Soil Research, Uni-

versity of Natural Resources and Applied Life Sci-

ences, A-1-80, Vienna, Austria.

3

Institute for Inter-

disciplinary Studies, A-1070, Vienna, Austria.
*To whom correspondence should be addressed. E-

mail: mcneillj@georgetown.edu

Fig. 1.

A16th-century Italian fresco of a cultivated field.

S

O I L S

— T

H E

F

I N A L

F

R O N T I E R

www.sciencemag.org SCIENCE VOL 304 11 JUNE 2004

1627

S

PECIAL

S

ECTION

Downloaded from https://www.science.org at Oregon State University on October 19, 2026

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security

R. Lal

Science 304 (5677), .  DOI: 10.1126/science.1097396

View the article online

https://www.science.org/doi/10.1126/science.1097396

Permissions

https://www.science.org/help/reprints-and-permissions

Use of this article is subject to the 

Terms of service

Science (ISSN 1095-9203) is published by the American Association for the Advancement of Science. 1200 New York Avenue NW,
Washington, DC 20005. The title Science is a registered trademark of AAAS. 

American Association for the Advancement of Science

Downloaded from https://www.science.org at Oregon State University on October 19, 2026