Short communication

The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield
stability of cereals in China

Genxing Pan

a

,

*

, Pete Smith

b

,

1

, Weinan Pan

a

a

Institute for Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

b

Institute of Biological and Environmental Sciences, School of Biological Sciences, University of Aberdeen, Cruickshank Building, St. Machar Drive, Aberdeen AB24 3UU, UK

1. Introduction

Soil organic matter (SOM) plays an important role as a pool of

terrestrial C, in ecosystem productivity, in the functioning of agro-
ecosystems (

Loveland and Webb, 2003

) and in cropland fertility

(

Tiessen et al., 1994

). While global society is facing the challenge of

climate change due to the rapidly increasing CO

2

in the atmo-

sphere, accumulation of SOM and, hence, C sequestration (

Schle-

singer, 1999, 2000

) had been given much attention as a climate

change mitigation option at global (

FAO, 2001

) and regional scales

(

Smith, 2004

) since the late 1990s. However, it is increasingly

argued that C sequestration is an important option not only to
mitigate climate change but also to enhance soil fertility and the
productivity of ecosystems (

Dawea et al., 2003; Janzen, 2006;

Manlay et al., 2007

). While stating the significance of C

sequestration in soils in climate change mitigation,

Lal (2004)

stressed the ‘‘win–win’’ benefits from soil C accumulation in that
crop yield is also increased, thereby helping to enhance global food
security. Nevertheless, it is difficult to quantify the role of SOM (C
in organic forms) in enhancing cropland productivity, and in
ensuring the stability of agricultural production.

Food security for the large and ever increasing population of

China has been a great issue in recent decades (

Brown, 1995

), with

the problem being exacerbated this year by high food prices on the
world market (

Zhang, 2008

). China is currently facing the double

challenge of climate change mitigation of its rapidly increasing
emissions, and the increasing food requirements of the largest
population of any country, with decreasing availability of arable
lands (

Pan and Zhao, 2005

). In previous studies, the increasing

trend of soil organic C over the last two decades was demonstrated
both at national (

Xu, 2008

) and province scale (

Liao et al., 2008

),

and particularly for paddy soils (

Pan et al., 2003

).

Pan and Zhao

(2005)

and

Pan et al. (2006)

, showed that soil organic carbon

sequestration could play a significant role in increasing and
stabilizing rice productivity, as well as in sequestering C for CO

2

mitigation in paddy soils from South China. Recently, an overall
potential for cropland soil C sequestration in climate change

Agriculture, Ecosystems and Environment 129 (2009) 344–348

A R T I C L E I N F O

Article history:

Received 13 June 2008
Received in revised form 14 September 2008
Accepted 8 October 2008
Available online 18 November 2008

Keywords:

C sequestration
Cereal production
Cropland productivity
Food security of China
Soil organic matter

A B S T R A C T

The role of soil organic matter (SOM) in agricultural systems has been widely studied in conjunction with
the potential for greenhouse gas mitigation. However, the link between SOM accumulation in croplands,
crop productivity and yield stability has not yet been clearly established. In this paper, we collected data
on provincial yearly crop productivity (yields, total cropland area) during 1949–1998 and the average
SOM contents in croplands sampled and determined from the National Soil Survey in 1979–1982 of
mainland China. The cereal productivity was assessed both with an overall mean of 1949–1998 and with
the mean values for different time periods within this overall time, respectively. The yield variability
within a single stabilizing stage, and between the fluctuating years, was calculated as a negative measure
of yield stability. The correlation between SOM and cereal productivity was very significant for most
provinces, but the relationship has become less significant as we approach the present. Moreover, the
average yield variability was very significantly and negatively correlated with the cropland SOM level.
The findings support our previous hypothesis from case studies, that C sequestration in China’s croplands
may provide win–win benefits, by enhancing crop productivity and stabilizing yield. This offers a sound
basis as a greenhouse gas mitigation strategy by promoting C sequestration in croplands, and enhancing
food security in China’s agriculture.

ß

2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

* Corresponding author. Tel.: +86 25 8439 6027.

E-mail address:

pangenxing@yahoo.com.cn

(G. Pan).

1

Tel.: +44 1224 272702.

Contents lists available at

ScienceDirect

Agriculture, Ecosystems and Environment

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / a g e e

0167-8809/$ – see front matter

ß

2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:

10.1016/j.agee.2008.10.008

mitigation in agriculture was assessed for a better climate policy in
China’s agriculture (

Pan, 2008

). Understanding the controls of SOM

on productivity and yield stability would provide a sound scientific
basis for undertaking C sequestration measures in agriculture. The
purpose of this paper is to demonstrate the importance of organic C
sequestration for food production, by linking SOM levels to cereal
production and yield stability at province level using the 50-year
statistical data of 1949–1998 available from a dataset of China’s
Statistics Bureau.

2. Data and methods

Data on SOM content was collected from the dataset of

SSSC

(1996)

. In this dataset, average values of SOM, both for dry

croplands and for rice paddy, were organized in categories
associated with the cropland area for each province of mainland
China. The samples for the measurement of organic matter content
were collected from topsoil (0–20 cm depth) at a sampling
frequency of 1:66.7 ha. Organic carbon content was determined
with wet digestion of H

2

SO

4

–K

2

Cr

2

O

7

and converted to SOM

content by a factor of 1.724 following the technical guideline of the
2nd National Soil Survey (

SSSC, 1992

) conducted in 1979–1982.

The average SOM level was estimated by the weighted mean of the
dry croplands and rice paddies by their relative areas, as
determined by the soil survey.

Data of provincial cereal production (total production, area of

croplands in each year since 1949) was retrieved from the work of

OCSNESBS (1999)

.

3. Data treatment and statistics

Mean cereal productivity (CP) in t ha

1

was obtained by

dividing total cereal production by the total cropland area for the
each year.

Provincial average SOM (SOM

p

) level in % was estimated using

the following equation:

SOM

p

¼

P

SOM

i

A

i

A

t

(1)

where SOM

i

is the average content (%) of category

i

,

A

i

is the

cropland area (ha) of category

i

, and

A

t

is the total cropland area

(ha) reported in the 2nd National Soil Survey.

The stability index of cereal production is evaluated by the

variability of yield, either of a period of years with normal
production, or a period of years with large inter-year fluctuations.
The mean production variability was thus estimated for each
province by averaging the variability values obtained by both
approaches. The production variability (PV

i

, %) for a given province

in a given period

i

is calculated as follows:

PV

i

ð

%

Þ ¼

standard deviation of yield

mean yield in a period

i

(2)

Thus, the average of the production variability (PV

i

, %) of all the

periods was used as the estimation of the mean production
variability index (PVI, %) for a given province.

PVI

ð

%

Þ ¼

average

ð

PV

i

;

i

¼

1

;

2

;

3

;

. . .

n

Þ

(3)

Here, the periods included three stages of largely stable production
in 1949–1958, 1965–1974, and 1984–1992, and three stages of
sharply fluctuating production in 1959–1962, 1978–1983, and
1993–1998, respectively, according to the general pattern of cereal
production for the whole of China (see below).

4. Results and discussions

4.1. SOM and cereal productivity

The evolution of cereal production in China has experienced

several stages of development, which has been well discussed in
detail previously, with varying contributions from technology and
management innovation for cereal production since 1949 (

Hu,

2001; Dai, 2001

). The overall trend of cereal production for all

China is shown in

Fig. 1

, showing three stages of largely stable

production in 1949–1958, 1965–1974, 1984–1992, and three
stages of sharply fluctuating production in 1959–1962, 1978–
1983, and 1993–1998, respectively. Thus, the provincial mean
cereal productivity was evaluated for these different periods, and
for the overall average over 1949–1998, while the variability of
productivity was assessed by the mean variability of all the above-
mentioned periods. As shown in

Table 1

, there existed much

difference in SOM content and average yields across the provinces
and the different periods, though the variability of mean yields
became smaller towards present.

Different blocks of provinces showed different patterns of

correlation between SOM and cereal production.

Fig. 2

shows a

positive correlation of mean cereal production with the average
cropland SOM level for most of the China’s provinces. A small
number of provinces (Yunnan, Guizhou, Tibet, Jilin, Inner Mongolia
and Heilongjiang) with marginal climate and severe land
degradation constraints (

Zhai and Zhong, 1999

) showed no

correlation between mean cereal production and the average

Fig. 1.

General pattern of the change in cereals productivity of China during 1949–

1998 (showing the stages of stabilizing and those of sharp fluctuating in between).

Table 1

SOM (%) and yield (t ha

1

) variability across provinces of mainland China.

SOM and yield

Mean (plus
standard
deviation)

Variability
across
provinces (%)

SOM (%)

2.09

0.77

36.88

Overall mean yield

1949–1998

2.53

1.11

28.84

Yield of stabilizing stages

1949–1959

1.37

0.47

33.95

1965–1977

2.08

0.68

32.44

1984–1992

3.64

1.03

28.18

Yield of fluctuating stages

1959–1962

1.30

0.52

39.63

1978–1983

2.84

0.91

31.90

1993–1998

4.35

1.04

23.87

G. Pan et al. / Agriculture, Ecosystems and Environment 129 (2009) 344–348

345

cropland SOM level. A greater correlation between SOM and mean
cereal yield was found for Beijing, Tianjing, Jiangsu, Shanghai,
Sichuan, and Shandong than for other provinces, most of which
were from Eastern China with good agricultural management (

Zhai

and Zhong, 1999

).

Further evidence is provided by comparing yield and SOM

levels in provinces within the same climatic region.

Table 2

shows

the mean yield (1949–1998) and SOM content for provinces in
different eco-regions in China. It shows that in most eco-climate
zones, where the climatic drivers of yield are similar, the provinces
with higher SOM also tend to have a statistically higher yield.
Causality cannot be firmly attributed as a high yield is associated
with higher plant production, potentially higher carbon inputs to
the soil and therefore higher levels of SOM over time. Nevertheless,
within regions with similar current climatic growing conditions,
which should give similar yields if climate is the over-riding factor
determining current yield, those provinces with higher SOM tend
to have higher yield. This supports the argument that higher SOM

levels improve yields in areas that, climatically, one would expect
similar yields.

The correlation between SOM and productivity also varied with

the periods assessed.

Fig. 3

shows that, for most provinces except

those with marginal climate and severe land degradation, the
extent that SOM affected cereal productivity tended to increase
since 1949, as the slope increased from 0.67 in 1949–1955 to 0.963
in 1984–1992 despite the background productivity increasing
from 0.14 t ha

1

1949–1955 to 2.12 t ha

1

in 1984–1992. How-

ever, this correlation became weaker towards the present (

R

2

decreased from 0.771 in 1949–1959 to 0.364 in 1984–1992),
possibly due to the increasing contribution of technological
development, which masks the underlying correlation with
SOM. The fact that SOM and yield were still significantly correlated,
even in 1984–1994 when high rates of fertilization and high
yielding cultivars were prevalent in China’s agriculture, suggests
that SOM is important in underpinning crop productivity in
agriculture.

Fig. 4.

Mean cereal yield variability (%) 1949–1998 against mean cropland soil

organic matter content (%) of provinces of China (

D

, provinces with normal climate

region;

^

, provinces of Yunnan, Guizhou, Xizang, Qinghai, Jilin, Inner Mongolia, and

Heilongjiang (in dash-circle) and Tibet (in dash-square) with marginal climate).

Fig. 3.

Relationship between mean cereals productivity and mean cropland soil organic matter content (%) of provinces of China in different periods (A, B and C, in 1949–1959,

1965–1977 and 1984–1992 for the most provinces; C, D and E in 1949–1959, 1965–1977 and 1984–1992 for the provinces of Yunnan, Guangxi, Guizhou, Inner Mongolia, Jilin,
Heilongjiang, and Qinghai of China).

Fig. 2.

Mean cereal productivity 1949–1998 correlated with mean cropland soil

organic matter content for different blocks of provinces of China (

~

, provinces of

Beijing, Jiangsu, Shanghai, Shandong, Liaoning, and Sichuan with well managed
agricultural systems;

^

, most mid China and South China provinces with normal

agriculture;

D

, provinces of Guizhou, Yunnan, Xizang (Tibet), Inner Mongolia,

Qinghai and Heilongjiang).

G. Pan et al. / Agriculture, Ecosystems and Environment 129 (2009) 344–348

346

4.2. SOM and the yearly variability of cereal productivity

Yearly variability of mean provincial yield in relation to the

average SOM level is shown in

Fig. 4

. The variability followed an

exponentially decreasing trend, and a weaker linearly decreasing
trend with the average cropland SOM content for most provinces,
and for provinces with marginal climate, respectively. An
exponential regression of cereal yield stability against adverse
disturbance with average SOM level occurred in 73% of the
provinces, apart from those with marginal climate and severe land
degradation. From this regression, an increase of the average SOM
content from 1% to 3% would be expected to decrease yield
variability by 10%. Given that the total production for these
provinces amounted to 416.4 Mt of cereals in 1998 (

OCSNESBS,

1999

), the 10% decrease in yield variability could represent a yearly

increase of over 40 Mt of cereal food per year. This finding supports
the suggestion by

Lal (2004)

that C carbon sequestration helps to

enhance crop productivity in agricultural soils, and confirms our
previous finding from paddy soils in South China that carbon
sequestration in soils also produces more stable rice yields (

Pan

et al., 2006; Pan and Zhao, 2005

).

Using these relationships, a 1% increase in SOM on average

would lead to an increase in total cereal productivity of 0.43 t ha

1

,

and a decrease of yield variability against disturbance by 3.5%. As
the total cropland area, and the total cereal yield of China in 2006
were 140 Mha and 490 Mt, respectively (

Anonymous, 2006

), total

cereal production would be increased by 77 Mt per year if an
overall mean increase in SOM content of 1% in all China’s croplands
could be achieved. This increase in total cereal production could
potentially meet the food requirement of about 2 million people at
consumption rates of 370–380 kg per capita for the year 2000
(

NOSCPRC, 1996

). The more significant correlation between SOM

and the stability of cereal production, than with yield suggests that
enhancement of SOM in cropland soils may help greatly to
diminish the uncertainty of yearly cereal productivity in China,
which is an issue of considerable concern for the nation with
largest population in the world (

NOSCPRC, 1996

). Therefore, C

sequestration can be accepted as a reliable option both for
enhancing food security, and for mitigating greenhouse gases in
the croplands of China.

Acknowledgements

This work is partly supported by the China Natural Science

Foundation under a grant number 401700190002 and by the
Ministry of Education for a priority project on China’s cropland C
stock. PS is a Royal Society-Wolfson Research Merit Award and a
UK BBSRC China Partnership Award holder.

References

Anonymous, 2006. Yearbook of Statistics of China. China Statistics Press, Beijing (in

Chinese).

Brown, J.L., 1995. Who Will Feed China? Wake-up Call for a Small Planet. W.W.

Norton & Company, New York.

Dai, Y.X., 2001. Mathematical analysis on grain yield changes in China in the past 50

years. J. Inner Mong. Agric. Univ. 22 (3), 109–112. (in Chinese).

Dawea, D., Dobermannb, A., Ladhaa, J.K., 2003. Do organic amendments improve

yield trends and profitability in intensive rice systems? Field Crops Res. 83,
191–213.

FAO, 2001. Soil carbon sequestration for improved land management. World Soil

Resources Reports, 2001, No 96, Food & Agric. Organization, Rome, Italy, ISSN
0532-0488.

Hu, Y.M., 2001. A analysis of periodical fluctuation of China’s food production.

Jianghan Tribune 6, 32–34 (in Chinese).

Janzen, H.H., 2006. The soil carbon dilema: Shall we hoard it or use it? Soil. Biol.

Biochem. 38, 419–424.

Lal, R., 2004. Soil C sequestration impacts on Global Climatic Change and Food

Security. Science 11/06 (304), 1623–1627.

Table

2

Difference

in

average

crop

yield

(t

ha

1

)

o

f

1949–1998

between

province

s

with

different

contents

of

SOM

(%)

and

similar

climate

conditions

in

a

same

eco-region

from

China.

Eco-climat

e

Huang-Huai-Hai

plain

Temperate

Zone

Central

East

Subtropical

Zone

Central

South

Subtropical

Zone

Northwest

Arid

Zone

Southwes

t

Alpin

e

Zone

Provinces

Tianjin

Hubei

Henan

Jiangsu

Zhejiang

Jiangxi

Hun

an

Xinjiang

Ninxia

Yunnan

Guizhou

SOM

1.49

1.26

1.26

1.60

2.90

1.26

3.02

1.66

1.49

2.28

2.37

Yield

2.25

1.34A

1.99

1.04B

2.10

1.16B

3.29

1.66B

3.61

1.21A

2.10

1.19B

3.41

1.36A

2.07

1.32A

1.59

0.81B

3.14

0.59B

3.24

0.62A

Different

capital

letters

means

significant

difference

between

provinces

in

a

same

eco-region

at

p

<

0.01.

G. Pan et al. / Agriculture, Ecosystems and Environment 129 (2009) 344–348

347

Liao, Q.L., Zhang, X.H., Li, Z.P., Pan, G.X., Wu, X.M., 2008. Increase in soil organic

carbon stock over the last two decades in China’s Jiangsu Province. Glob. Change
Biol., in press.

Loveland, P., Webb, J., 2003. Is there a critical level of organic matter in

the agricultural soils of temperate regions: a review. Soil Tillage Res. 70,
1–18.

Manlay, R.J., Feller, C., Swift, M.J., 2007. Historical evolution of soil organic matter

concepts and their relationships with the fertility and sustainability of cropping
systems. Agric Ecosys Environ 119, 217–233.

News Office, State Council of Peoples’ Republic of China (NOSCPRC), 1996. White-

Book of China’s Food Supply. Released at:

www.chinagate.com.cn

2007 – 02–13

(in Chinese).

Office of Comprehensive Statistics of National Economy State Bureau of Statistics

(OCSNESBS), 1999. An Atlas of 50-yr Statistical Data of the State since 1949.
China Statistics Press, Beijing (in Chinese).

Pan, G.X., Li, L.Q., Wu, L.S., 2003. Storage and sequestration potential of topsoil

organic carbon in China’s paddy soils. Glob. Change Biol. 10, 79–92.

Pan, G.X., Zhao, Q.G., 2005. Study on evolution of organic carbon stock in agricul-

tural soils of China: facing the challenge of global change and food security. Adv.
Earth Sci. 20, 384–393 (in Chinese with English summary).

Pan, G.X., Zhou, P., Zhang, X.H., Qiu, D.S., Chu, Q.H., 2006. Effect of different

fertilization practices on crop carbon assimilation and soil carbon sequestra-
tion: a case study of a paddy under a long term fertilization trial from the Tai

Lake region, China. Acta Ecol. Sin. 26 (11), 3704–3710 (in Chinese with English
summary).

Pan, G.X., 2008. Soil C stock, dynamics of China’s croplands and climate change

mitigation. Adv. Clim. Change Res. 4 (5), 277–284 (in Chinese with English
summary).

Schlesinger, W.H., 1999. Carbon sequestration in soils. Science 284, 2095.
Schlesinger, W.H., 2000. Carbon sequestration in soils: some cautions amidst

optimism. Agric. Ecosys. Environ. 82, 121–127.

Smith, P., 2004. Carbon sequestration in croplands: the potential in Europe and the

global context. Eur. J. Agron. 20, 29–236.

State Soil Survey Service of China (SSSC), 1996. Dataset of National Soil Survey of

China. China Agriculture Press, Beijing, pp. 103–122 (in Chinese).

State Soil Survey Service of China (SSSC), 1992. Technical Report of the National Soil

Survey of China. China Agriculture Press, Beijing, pp. 4–41 (in Chinese).

Tiessen, H., Cuevas, E., Chacon, P., 1994. The role of soil organic matter in sustaining

soil fertility. Nature 371, 783–785.

Xu, X.W. 2008. Distribution and dynamics of soil organic carbon of croplands at

different space scales of China. A Ph D dissertation,Graduate School, Nanjing
Agric. University, Nanjing, pp 54–81 (in Chinese).

Zhang, X.W., 2008. Issue of food supply of China and suggestions for the counter-

measures.

http://www.rednet.cn

. 2008-6-10. 14:40:52 (in Chinese).

Zhai, H.Q., Zhong, F.N. (Eds.), 1999.

Introduction to Agriculture. China Higher

Education Press, Beijing, (in Chinese), pp. 198–221.

G. Pan et al. / Agriculture, Ecosystems and Environment 129 (2009) 344–348

348