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Xu et al. (2025). Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency

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Rapid #: -27733283

CROSS REF ID:

36821152710001865

LENDER:

YGM (SUNY Geneseo) :: Milne Library

BORROWER:

ORE (Oregon State University) :: Main Library

TYPE:

Article CC:CCG

JOURNAL TITLE:

Nature food

USER JOURNAL TITLE:

Nature Food

ARTICLE TITLE:

Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency

ARTICLE AUTHOR:

Xu, Jianming

VOLUME:

6

ISSUE:

6

MONTH:

YEAR:

2025-06-01

PAGES:

597 - 609

ISSN:

2662-1355

OCLC #:

Processed by RapidX:

10/19/2026 1:02:16 PM

This material may be protected by copyright law (Title 17 U.S. Code)

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User Name: = 

Date and Time: = 2026-10-19 

Job Number: = 299267460 

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-None-

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

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NaturalAnd 

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1. Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use 

efficiency 

Nature Food 

April 2025 

Copyright 2025 The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Limited All Rights Reserved 

Section: Pg. 597-609; Vol. 6; No. 6; ISSN: 2662-1355 

Length: 8735 words 

Byline: Jianming Xu; 

1221

Chenchen Ren; 

3

Xiuming Zhang; 

4

Chen Wang; 

2

Sitong Wang; 

2

Bin Ma; 

2

Yan He; 

2

Lingfei Hu; 

2

Xingmei Liu; 

2

Fangzhou Zhang; 

2

Luotian Lu; 

2

Shuyao Li; 

2

Jiabao Zhang; 

5

Yong-Guan Zhu; 

6

Peter 

Vitousek; 

7

Baojing Gu; 

1222 

1 

State  Key  Laboratory  of  Soil  Pollution  Control  and  Safety,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

jmxu@zju.edu.cn 

3 

Biosphere  Sciences  and  Engineering,  Carnegie  Institution  for  Science,  Stanford,  CA,  USA,  0000  0001  2323  7340, 

grid.418276.e,

https://ror.org/04jr01610 

4 

, 

International 

Institute 

for 

Applied 

Systems 

Analysis, 

Laxenburg, 

, 

Austria, 

0000 

0001 

1955 

9478, 

grid.75276.31,

https://ror.org/02wfhk785 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Body 

Abstract 

Soil  health  affects  both  food  production  and  environmental  quality.  However,  quantifying  its  impact  poses  a 
substantial  global  challenge  due  to  the  scarcity  of  comprehensive  soil  health  data  and  the  complexity  of 
disentangling its effects from other variables. Here we integrate high-resolution global data on soil, climate and farm 
management  practices  to  assess  the  contribution  of  soil  health  to  agricultural  productivity.  We  show  that  soil 
health 
is responsible for approximately 12% and 22% of global variations in crop production and nitrogen use 
efficiency
,  respectively.  While  the  influence  of  climate  on  crop  yields  is  comparable  to  that  of  soil  health,  it  is 
substantially overshadowed by the role of agricultural management, which accounts for roughly 70% of the global 
yield variation. In regions such as China, India and the central United States, the influence of soil health on crop 
yields and nitrogen use efficiency is less pronounced due to the dominant effects of farming practices, including 
the  intensive  use  of  fertilizers.  Enhancing  global  soil  health  could  increase  crop  yields  by  7.8  Mt  while  reducing 
nitrogen  surplus  by  8.1  Mt  worldwide  by  2050.  It  is  crucial  to  achieve  global  sustainable  development  through 
managing soil health beyond traditional agricultural practices and climate adaptation. 

The role of soil health in crop productivity and environmental sustainability is often overlooked. Using a 0.5° × 0.5° 
global  dataset,  this  study  shows  that  soil  health  accounts  for  12%  of  yield  variation  and  22%  of  nitrogen  use 
efficiency variation
. Enhancing global soil health could increase yields by 7.8 Mt and cut nitrogen surplus by 8.1 
Mt by 2050. 

Main 

Nourishing  a  global  population  of  8  billion  is  a  grand  challenge.  Annually,  over  120  Mt  of  nitrogen  fertilizers  are 
applied to boost global food production; yet, a substantial portion of this input is not absorbed by crops but lost to 
the  environment1,  leading  to  substantial  environmental  consequences,  including  the  degradation  of  air  and  water 
quality, ecosystem health, and climate stability2. Increasing nitrogen use efficiency (NUE) to promote crop yields 
while curbing environmental nitrogen surplus stands is critical for global sustainability3. Predominant research has 
traditionally  focused  on  the  effects  of  agricultural  management—such  as  fertilization  strategies—and  climate 
impacts4,5,  with  soil  health,  particularly  the  role  of  soil  microorganisms,  being  largely  overlooked  in  discussions 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

5 

State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, , 

China, 0000000119573309, grid.9227.e,

https://ror.org/034t30j35 

6 

State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Centre for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of 

Sciences, Beijing, , China, 0000000119573309, grid.9227.e,

https://ror.org/034t30j35 

7 

Department of Biology, Stanford University, Stanford, CA, USA, 0000 0004 1936 8956, grid.168010.e,

https://ror.org/00f54p054 

1 

State  Key  Laboratory  of  Soil  Pollution  Control  and  Safety,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

2 

College  of  Environmental  and  Resource  Sciences,  Zhejiang  University,  Hangzhou,  ,  China,  0000  0004  1759  700X, 

grid.13402.34,

https://ror.org/00a2xv884 

bjgu@zju.edu.cn 

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Figures and page graphics, page 5

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

around  crop  productivity  and  its  environmental  sustainability.  Soil  health  here  refers  to  a  soil  condition  that  can 
benefit both yield and environmental quality during crop production (see Methods and Supplementary Information 
for more details of soil health definition). Nevertheless, growing evidence highlights the critical role of soil health in 
agriculture,  particularly  within  the  holistic  ‘One  Health’  framework,  which  emphasizes  soil  stewardship  as  a 
fundamental pillar in the continuum of food production6. 

Soil  hosts  a  diverse  microbial  community7,  maintaining  optimal  conditions  for  food  production  and  ecosystem 
services by regulating physical properties, chemical balance and biological activity8,9. Soil physics facilitates plant 
growth  by  ensuring  favourable  conditions  for  water  retention  and  root  support10,11,  also  influencing  greenhouse 
gas emissions across various soil textures12. Concurrently, soil chemistry and biology enrich the soil with essential 
nutrients  and  offer  biological  advantages  that  bolster  crop  growth13,14.  Despite  recognition  of  the  importance  of 
soil  health  in  agriculture,  concrete,  quantifiable  indicators  of  soil  health  remain  underdeveloped,  and  their 
application  in  evaluating  contributions  to  crop  productivity  is  infrequent.  With  the  adoption  of  improved  farming 
practices,  the  influence  of  soil  health  on  achieving  higher  crop  yields  and  diminishing  environmental  impacts  on 
global farmlands has become ever more pivotal. This is crucial not only for safeguarding food security but also for 
lessening  the  burden  of  agricultural  pollution,  which  is  responsible  for  a  major  portion  of  environmental 
contaminants across many regions worldwide. 

Here we establish a comprehensive global soil health dataset at a 0.5° × 0.5° resolution for the world’s croplands. 
This dataset encompasses not only conventional factors such as soil pH, nutrient content and bulk density, but also 
accounts for soil bacteria, viruses and fauna (Supplementary Table 1). To quantify the contribution of soil health 
to agricultural productivity, our dataset also integrates aspects of agricultural management and climatic conditions— 
factors of great interest in prior research. Beyond assessing crop yields (indicated by crop harvested nitrogen per 
area),  we  employ  NUE  (harvested  crop  nitrogen  divided  by  total  nitrogen  input)  as  a  metric  to  signify  the 
environmental  impact  of  agricultural  practices:  the  higher  the  NUE,  the  lower  the  detrimental  environmental 
implications. We integrated data from all crops to incorporate the impact of crop rotation interactions on yield and 
NUE  across  cropland  systems.  Finally,  we  analyse  the  stewardship  of  soil  health  and  other  interrelated 
components in the context of global crop production. 

Results and discussion 

Soil health, climate and management 

To equitably assess the contributions of various factors affecting crop yield and NUE, we normalized all potential 
influencing  variables  within  each  0.5°  ×  0.5°  grid  cell  based  on  their  relationships  with  yield  and  NUE 
(Supplementary  Table  1).  Subsequently,  we  grouped  these  factors  into  three  categories:  soil,  climate  and 
management.  ‘Soil’  encompasses  the  conditions  and  health  parameters  that  underpin  crop  growth,  including 
factors  such  as  soil  pH,  bulk  density,  soil  organic  carbon  and  soil  bacteria  (Methods).  Globally,  soil  appears  to 
exhibit a consistent pattern for both crop yield and NUE (Fig. 1a,b), with higher scores occurring in higher latitude 
regions  such  as  northern  Europe,  Russia,  New  Zealand  and  the  southern  portions  of  Latin  America  (Fig.  1a). 
Conversely, lower soil health scores are typically found in the arid zones of lower latitudes, including the southern 
United  States,  northern  Africa  and  India  (Fig.  1b).  This  similar  pattern  indicates  that  enhanced  soil  health  could 
simultaneously improve crop yields and NUE.Fig. 1 

Global pattern of soil, climate and management drivers for crop nitrogen yield and NUE. 

a,b, Soil drivers for yield (a) and NUE (b). c,d, Climate drivers for yield (c) and NUE (d). e,f, Management drivers 
for  yield  (e)  and  NUE  (f).  To  determine  each  driver’s  value  per  pixel,  the  average  of  each  normalized  indicator  is 
employed.  The  normalization  direction  of  indicators  is  based  on  its  relationship  with  yield  and  NUE,  as  shown  in 
Supplementary Table 1. The base map was applied without endorsement using data from the Database of Global 
Administrative Areas (GADM) (

https://gadm.org/

). 

Source data 

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Figures and page graphics, page 6

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Regarding  climate  (temperature  and  precipitation),  we  observed  divergent  patterns  regarding  crop  yield  (Fig.  1c) 
and  NUE  (Fig.  1d).  Regions  with  higher  climate  scores  for  crop  yields  tend  to  be  in  lower  latitudes,  including  the 
Amazon basin, central Africa and Southeast Asia. In contrast, the NUE is more favourable in higher latitude areas 
like  northern  Europe  and  Canada,  as  well  as  in  parts  of  Latin  America4.  Higher  temperatures  and  greater 
precipitation may bolster crop yields but also exacerbate nitrogen leakage to the environment15, thus diminishing 
NUE. Meanwhile, these climate impacts on crop yield and NUE closely interact with management practices. 

Agricultural management practices, including nitrogen inputs from chemical fertilizers and manure, pesticides, and 
farm size, act as a broad indicator of farming practice changes. These changes encompass increased irrigation, the 
adoption of machinery and advancements in technology associated with farm size expansion16,17 (further details 
are provided in the ‘Management category’ section of the Supplementary Information). These management factors 
exhibit  distinct  patterns  in  their  influence  on  crop  yield  and  NUE  (Fig.  1e,f).  Areas  with  high  management  scores, 
which  correlate  with  increased  crop  yields,  are  identifiable  in  China,  India,  South  America,  North  America  and 
western  Europe.  These  regions  are  characterized  by  intensive  fertilizer  and  pesticide  application  and  generally 
possess  more  advanced  agricultural  technologies  compared  with  other  global  areas1.  On  the  other  end  of  the 
spectrum, regions such as Africa and central Europe receive lower scores due to insufficient fertilizer use, which is 
a key limiting factor for yield3. Conversely, higher fertilizer inputs often result in a lower NUE due to the diminishing 
yield returns with increased fertilizer usage. 

Contributions from different factors 

To elucidate the contributions and their functional pathways of soil, climate and management factors on crop yield 
and  NUE,  we  employed  a  structural  equation  model  (SEM;  Fig.  2).  Among  all  assessed  direct  and  indirect 
influencers,  nitrogen  input  emerges  as  the  predominant  factor,  with  a  standardized  deviation  change  of  0.56  in 
yield for each standard deviation change in nitrogen input. This finding aligns with the notion that the advent of the 
Haber–Bosch process for nitrogen fixation accounts for nearly half of the global crop production18. Soil chemical 
content  and  additive  pesticide  use  are  positively  corelated  with  crop  yields.  In  contrast,  several  elements  are 
negatively associated with NUE, including nitrogen input, additive pesticide use, air temperature and soil chemical 
components. Conversely, larger farm sizes and healthier soil physical and biotic conditions are positively correlated 
with NUE, as these factors improve nutrient utilization by crops13,19. Although climatic factors contribute modestly 
and directly to crop yield and NUE with standard coefficients of 0.07 and 

−0.2,

 

respectively, they exert substantial 

indirect  effects  via  soil  health.  Air  temperature  negatively  affects  soil  health,  except  for  biotic  features  (Fig.  2), 
while  precipitation  positively  influences  soil  physical  properties  but  negatively  impacts  soil  chemical  and  biotic 
aspects.  Climate  conditions  shape  soil  health  by  altering  moisture  levels  and  texture,  key  factors  influencing  soil 
viral diversity20, then affecting cropland production and NUE.Fig. 2 

SEM of climate, management and soil impacts on agriculture yield and NUE. 

**P < 0.05, ***P <0.01. TAP, total annual precipitation; MAT, mean air temperature. The P value is 0.000 except for 
biotic 

→

 

ln  NUE,  where  it  is  0.764.  The  numbers  adjacent  to  the  lines  are  the  standardized  path  coefficients, 

indicating  the  degree  of  standard  deviation  changes  in  dependent  variables  if  each  of  the  independent  variables 
changes  by  one  standard  deviation.  The  blue  and  red  lines  represent  positive  and  negative  effects,  respectively. 
The  arrow  width  is  proportional  to  the  strength  of  the  relationship.  Direct  effects  are  shown  by  arrows  connecting 
variables directly, while indirect effects occur when one variable influences another through intermediate variables. 
The  overall  R2  values  for  the  model  are  0.78.  The  GFI  of  the  SEM  model  can  be  found  in  the  Supplementary 
Information. 

Based on the SEM results, we quantified the contributions of soil, climate and management factors to crop yield or 
NUE  fluctuations  by  multiplying  the  absolute  values  of  the  standardized  coefficients  by  the  standardized 
independent  variables  (Methods),  providing  the  relative  contribution  of  each  factor  at  the  grid  level  (Fig.  3).  Our 
quantitative analysis reveals that agricultural management is the principal driver of crop yield variability, accounting 
for 70% of the observed changes. This is because we considered not only nitrogen and pesticide inputs but also 
farm size, which serves as an indicator of broader shifts in inputs16,17. In contrast, soil health and climate factors 
are  associated  with  12%  and  18%  of  crop  yield  changes,  respectively  (Table  1).  This  result  closely  aligns  with 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

findings  on  the  impact  of  soil  health  on  crop  productivity  from  large-scale  field  experiments  across  Europe21, 
demonstrating  strong  agreement  between  our  big  data  analysis  and  the  experimental  outcomes.  In  the  case  of 
NUE,  climate  and  management  account  for  34%  and  44%  of  the  contribution,  respectively,  with  soil  health 
correlated with the remaining 22%.Fig. 3 

Relative contribution of drivers on yield and NUE changes. 

a,b, Global pattern of crop nitrogen yield (a) and NUE (b). c,d, Contribution of soil drivers to yield (c) and NUE 
(d). e,f, Contribution of climate drivers to yield (e) and NUE (f). g,h, Contribution of management drivers to yield 
(g) and NUE (h). The sum of contributions of drivers to yield or NUE is 100%. The base map was applied without 
endorsement using data from the GADM (

https://gadm.org/

). 

Source data 

Table 1 

Summary of effects from the SEM 

Direct effect 

Indirect effect 

Total 

Yield 

NUE 

Yield 

NUE 

Yield 

NUE 

Effect 

Ratio 

Effect 

Ratio 

Effect 

Effect 

Ratio 

Ratio (%) 

(%) 

(%) 

(%) 

Climate 

MAT 

7 

?0.2 

16 

0.070 

0.158 

18 

34 

TAP 

0.07 

0.045 

0.059 

Manage 

Farm 

?0.02 

70 

0.2 

44 

70 

44 

ment 

size 

N input 

0.56 

?0.24 

Additive 

0.14 

?0.09 

Soil 

Chemic 

0.04 

12 

?0.17 

22 

12 

22 

al 

Physical 

?0.07 

0.09 

Biotic 

?0.02 

0.002 

Direct 

effectIndirect 

effectTotalYieldNUEYieldNUEYieldNUEEffectRatio 

(%)EffectRatio 

(%)EffectEffectRatio 

(%)Ratio 

(%)ClimateMAT7−0.2160.0700.1581834TAP0.070.0450.059ManagementFarm

 

size−0.02700.2447044N

 

input0.56−0.24Additive0.14−0.09SoilChemical0.0412−0.17221222Physical−0.070.09Biotic−0.020.002

 

Direct  effects  are  derived  from  the  standardized  path  coefficient  from  climate,  management  and  soil  to  explain 
variables based on Fig. 2. Indirect effects are calculated as the product of all effects in a single path. Ratio is the 
absolute value of direct or indirect effects divided by the sum of the absolute values of all effects. 

Spatially,  crop  yields  and  NUE  exhibit  variation  across  global  regions  (Fig.  3a,b).  South  America,  the  United 
States,  western  Europe  and  China  show  higher  crop  yields  exceeding  1,000  kg  N 

ha−1

 

yr−1.

 

In  contrast,  Africa, 

central  Europe  and  Australia  have  yields  below  200  kg  N 

ha−1

 

yr−1.

 

NUE  displays  a  different  pattern,  with  high 

efficiencies  (>60%)  in  South  America,  the  central  United  States,  Europe  and  Africa,  while  Asia  and  Australia 
generally  fall  below  50%.  These  disparities  are  attributed  to  the  interplay  of  soil  health,  climate  and  agricultural 
management  across  spatial  scales  (Fig.  3c–h).  In  regions  with  intensive  agricultural  management,  such  as  Asia, 
western  Europe  and  parts  of  South  America,  many  hotspots  exhibit  soil  health  contributions  to  crop  yield 
fluctuations  below  10%,  averaging  at  6%  (Fig.  3c).  However,  in  North  America,  Africa  and  central  to  northern 
Europe, where over-fertilization is not prevalent, soil health gains importance, associated with 30% or more of the 
contribution.  Remarkably,  the  contribution  of  soil  health  to  NUE  fluctuations  is  more  substantial  than  to  crop 
yield,  exceeding  50%  in  regions  such  as  northern  Europe,  the  southern  United  States,  the  Middle  East,  parts  of 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Latin America, South Africa and southeastern Australia (Fig. 3d). Yet, in areas with excessive fertilizer use such as 
China and India, soil health contributes only 7% to NUE. 

The  role  of  climate  in  crop  yield  mirrors  that  of  soil  health,  except  in  Southeast  Asia,  with  less  than  10% 
contribution observed in China, western Europe, the central United States and parts of Latin America (Fig. 3e,f). 
However, the influence of climate on NUE surpasses its impact on yield, with over 50% contribution noted in the 
northern  United  States  and  Canada,  northern  Europe,  most  of  Latin  America  and  Africa,  as  well  as  South  and 
Southeast  Asia.  Conversely,  the  Mediterranean  coast,  the  southern  United  States,  parts  of  Latin  America  and 
southern  Australia  exhibit  about  7%  climate  contribution  to  NUE.  Agricultural  management  consistently  exerts  a 
dominant influence on global crop yield, with a prime example being China, where it accounts for 79% (Fig. 3g,h). It 
also  dictates  NUE  variations  in  China,  northern  India,  western  Europe  and  parts  of  South  America,  averaging  at 
60%, while other regions generally see contributions from management practices ranging from 10% to 40%, with 
an average of 25%. It indicates that there are interactions among soil health, climate and management at different 
spatial  scales,  emphasizing  that  localized  soil  health  management  is  essential  for  both  food  production  and 
environmental sustainability. 

Managing soil health 

In the face of global change, existing strategies have been employed to manage agricultural practices and adapt to 
climate variations to sustain and potentially enhance crop yield and NUE. Therefore, here we address soil health 
management as a pivotal component for a sustainable agricultural future. To include soil health into the analysis of 
future  agriculture,  we  considered  three  Shared  Socioeconomic  Pathway  (SSP)–Representative  Concentration 
Pathway  (RCP)  scenarios:  SSP1–RCP2.6,  SSP2–RCP4.5  and  SSP5–RCP8.5,  hereafter  referred  to  as  SSP126, 
SSP245  and  SSP585,  with  low,  intermediate  and  high  emissions  and  radiative  forcing,  respectively.  For  future 
projections, we primarily used the most favourable scenario, SSP126, as our baseline to assess the global impact 
of soil health management on nitrogen utilization and surplus. SSP126 envisions the least climate pressure and 
the most favourable socioeconomic conditions. 

Under the SSP126 scenario, a global yield reduction of approximately 9% by 2050 is anticipated when compared 
with  2020  levels,  with  substantial  geographical  variability  (Figs.  4  and  5).  Notable  yield  decreases  are  projected 
across  eastern  Europe,  Mexico,  southern  Latin  America  and  India,  ranging  from 

−42%

 

to 

−1%

 

(Fig.  4a),  while 

scattered  increases  may  occur  in  Southeast  Asia  and  Africa.  This  projected  yield  reduction  is  also  expected  to 
associate with a global NUE decrease from roughly 0.50 to 0.47 (Fig. 5b), particularly pronounced in Mexico and 
southern  Latin  America,  where  some  areas  see  reductions  exceeding  20%  compared  with  their  2020  levels  (Fig. 
4c).  However,  the  regional  variation  in  nitrogen  surplus  diverges  from  that  of  crop  yield  and  NUE  (Fig.  4e).  An 
average increase of 80% in nitrogen surplus is projected for eastern Europe, parts of Africa, the northern United 
States and southeastern Latin America. Conversely, regions like northern China, India, western Europe and Mexico 
are  expected  to  experience  an  average  19%  decline  in  nitrogen  surplus.  Under  the  SSP245  and  SSP585 
scenarios,  global  patterns  are  similar,  but  they  exhibit  more  substantial  divergences  (Supplementary  Figs.  1  and 
2).Fig. 4 

Relative changes of yield, NUE and nitrogen surplus in 2050 under the SSP126 scenario. 

a–f, Changes in yield (a,b), NUE (c,d) and nitrogen surplus (e,f). Panels a, c and e are relative changes compared 
with  those  in  2020  under  the  SSP126  scenario.  Panels  b,  d  and  f  further  considered  the  improvements  in  soil 
management. The base map was applied without endorsement using data from the GADM (

https://gadm.org/

). 

Source data 

Fig. 5 

Trends of crop nitrogen yield, NUE, nitrogen surplus and total crop production under SSP–RCP scenarios 
towards 2050 and the cost–benefit of improvement of soil health
. 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

a–d, Crop nitrogen yield (a), NUE (b), nitrogen surplus (c) and total crop production trends (d). Pink lines show 
trends under different SSP–RCP scenarios. Green lines further considered the role of soil management. e, Costs 
and benefits of improvement of soil health by 2050. 

Source data 

Integrating soil health management could substantially alter nitrogen usage and surplus on global croplands (Figs. 
4b,d,f  and  5  and  Supplementary  Figs.  1  and  2).  Practices  such  as  stover  management,  conservation  tillage,  soil 
amendments and biological disease control, among others (Supplementary Fig. 3 and Supplementary Table 2), are 
considered.  Under  the  SSP126  scenario,  the  implementation  of  these  measures  is  expected  to  substantially 
mitigate crop yield reductions from a 5% decrease to a 6% increase globally (Fig. 5a), with reversed yield increases 
in  East  and  Southeast  Asia,  North  America  and  South  Africa  (Fig.  4b).  These  increases  would  bring  7.8  Mt  more 
crop globally, while cutting nitrogen surplus by 8.1 Mt (Fig. 5). Accompanying the enhanced crop yields and less 
nitrogen surplus, a surge in NUE is projected for most global regions, ranging from 0% to 20%, except for Middle 
America, Argentina, Paraguay, Venezuela and eastern Europe (Fig. 4d). The dual increase in crop yield and NUE 
is  poised  to  result  in  a  substantial  decrease  in  nitrogen  surplus,  averaging  22%,  particularly  in  western  Europe, 
Asia, North America, southern Africa and Brazil (Fig. 4f). 

Cost and benefits 

We conducted a cost–benefit analysis of the proposed soil health management practices under different scenarios 
to  assess  their  feasibility  and  inform  policy  decisions.  The  initial  expenditure  required  to  adopt  sustainable 
agricultural  practices  is  substantial  across  all  scenarios,  standing  at  a  uniform  US$155  billion  in  2020.  This 
uniformity  symbolizes  the  considerable  capital  input  needed  to  instigate  a  range  of  techniques  such  as  cover 
cropping, no-till farming, crop rotation and the application of organic amendments (Supplementary Table 11). 

By  2050,  the  cost  diverges  substantially  depending  on  the  scenario  (Fig.  5e).  Under  the  SSP126  scenario,  which 
emphasizes  sustainability,  the  implementation  costs  are  the  lowest  at  US$210  billion,  aligning  with  the  scenario’s 
focus on long-term soil health investments that promote sustainable practices. In contrast, the SSP245 scenario, 
which requires more intensive interventions to maintain productivity, sees costs rise to US$318 billion, reflecting the 
need  for  more  aggressive  measures.  The  highest  costs  are  observed  in  the  SSP585  scenario,  at  US$333  billion, 
highlighting a lack of emphasis on soil health and a preference for short-term gains over sustainable investments. 

Despite these costs, the benefits of these investments are substantial and multifaceted. They encompass increased 
grain  production,  health  improvements,  enhanced  ecosystem  services  and  substantial  contributions  to  climate 
change  mitigation  through  carbon  sequestration.  Notably,  the  benefits  grow  markedly  as  we  approach  2050, 
particularly  in  terms  of  grain  output  and  climate-related  gains  (Fig.  5).  Quantifying  these  benefits  reveals  that  the 
total accrued advantages soar highest in the SSP126 scenario, reaching an impressive US$894 billion. This figure 
not only eclipses the US$834 billion of SSP245 but also the US$790 billion associated with SSP585 (Fig. 5). These 
figures  bring  to  the  forefront  the  profound  economic  and  environmental  dividends  that  can  be  reaped  from  a 
commitment  to  sustainable  soil  management  practices  over  the  long  haul.  Such  practices  are  not  merely  cost-
effective; they represent an investment in the very foundation of our food systems and the health of our planet. 

Policy implications 

The Anthropocene is characterized by human influence on the Earth’s geology and ecosystems, which includes the 
profound impacts on soil health. As the bedrock of global food production, the health of our soils is a barometer 
for the sustainability of human civilization itself. With the mounting evidence suggesting that protecting soil health 
is not only beneficial but essential, there is an urgent need to incorporate comprehensive soil health measures into 
global agricultural policies9. Given the favourable cost–benefit analysis, such measures are within reach and carry 
the potential for widespread benefits. Here we expand on the proposed policy recommendations. 

Enhanced investment in soil health 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Governments and international bodies should intensify their commitments to soil health by substantially increasing 
funding  for  research  and  development. This  could  include  setting  up  dedicated  soil health  centres  of excellence, 
expanding  extension  services  to  educate  farmers  on  soil  health  best  practices,  and  supporting  citizen  science 
initiatives  that  engage  local  communities  in  soil  monitoring  and  conservation  efforts.  Public–private  partnerships 
could  also  play  a  role  in  fostering  innovation  in  soil  health  technologies.  To  cultivate  resilience  in  food  systems, 
soil health programmes must be context-specific, accounting for the vast diversity of global ecosystems. Research 
should be geared towards developing a deep understanding of regional soil types and their responses to different 
management  practices.  Such  knowledge  will  enable  the  crafting  of  bespoke  soil  health  improvement  plans  that 
could range from biochar application in depleted soils to precision agriculture techniques that optimize inputs and 
reduce waste22. 

Policy integration and climate-smart soil strategies 

Soil  health  should  be  intricately  woven  into  the  fabric  of  agricultural,  environmental  and  climate  policies23.  This 
means designing policies that not only incentivize sustainable soil management but also ensure that these practices 
are resilient to climate variability. Climate-smart soil strategies should be developed with an emphasis on adaptation 
and  mitigation,  incorporating  measures  such  as  improved  irrigation  for  water  conservation,  agroforestry  for 
enhanced  biodiversity  and  integrated  pest  management  to  reduce  chemical  use24.  To  ensure  the  long-term 
success  of  soil  health  policies,  a  robust  framework  for  monitoring  and  reporting  changes  in  soil  quality  across 
different landscapes is required23. This framework should facilitate the collection of standardized data, enabling the 
tracking of progress and the effectiveness of soil health interventions. Reporting mechanisms could help in sharing 
best practices globally and fostering international cooperation on soil conservation. 

Soil health as part of global sustainability goals 

Education initiatives aimed at raising awareness about the importance of soil health should be scaled up. School 
curricula  at  all  levels  should  include  modules  on  sustainable  agriculture  and  soil  conservation.  Public  campaigns 
could spotlight the role of healthy soils in food security and climate change, potentially shifting consumer behaviour 
towards  more  sustainable  food  choices  and  supporting  the  market  for  sustainably  produced  goods.  Soil  health 
should be explicitly included in the SDGs and other international targets. By doing so, it would elevate the profile of 
soil  health  and  encourage  the  integration  of  soil  conservation  into  broader  development  and  sustainability 
objectives. 

In  essence,  these  expanded  policy  recommendations  advocate  for  a  holistic,  forward-thinking  approach  to  soil 
health
.  They  encourage  the  incorporation  of  soil  stewardship  into  the  larger  environmental  and  agricultural 
discourse, ensuring that soil health is not seen in isolation but as part of a broader ecosystem that supports all life 
on  Earth.  With  commitment  and  collaboration  across  sectors  and  regions,  these  policies  can  contribute 
substantially to a more sustainable and secure global food system. 

Limitations 

Our study, while providing valuable insights, has some limitations that could impact the robustness of our findings. 
The  evaluation  of  the  relative  contributions  of  agricultural  yield  and  NUE  was  based  on  19  indicators.  However, 
the  limited  scope  of  these  indicators  may  potentially  influence  the  precision  of  quantifying  their  relative 
contributions.  While  our  analysis  primarily  focused  on  soil  health  and  climate,  it  is  important  to  recognize  that 
crop varieties and farming practices also play pivotal roles in agricultural productivity. Different crop varieties exhibit 
varied  responses  to  soil  conditions,  nutrient  availability  and  climate,  which  can  alter  yield  outcomes  and  NUE. 
Future research should aim to refine the soil health dataset and incorporate more detailed data on crop varieties 
and management practices to provide a more comprehensive and accurate assessment of the factors driving crop 
yields and NUE globally. 

Additionally, omitting the square terms of temperature and precipitation in the SEM may introduce some bias into 
our  quantification.  Furthermore,  the  data  for  soil  health  indicators  were  sourced  from  various  channels  with 
different resolutions, introducing uncertainties and potential estimation errors in our analysis. Our reliance on cross-

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

sectional  data,  rather  than  longitudinal  panel  data,  also  presents  challenges  in  effectively  capturing  temporal 
changes. Utilizing cross-sectional data for future projections introduces an inherent level of uncertainty. 

Our  study  relies  on  global  models  and  datasets25,  26–27,  which  may  not  fully  capture  localized  soil  health 
interventions. Despite our efforts to incorporate finer-scale data, the 0.5° × 0.5° resolution may overlook some local 
variations and interpretations. While our approach provides a broad perspective on the global benefits and costs of 
improving soil health, it does not account for the complex realities faced by farmers with varying levels of access 
to  knowledge,  tools  and  market  infrastructure,  particularly  for  smallholder  farmers  with  limited  resources.  This 
generalization could lead to discrepancies in the estimated costs and benefits across different farming contexts. To 
address  this  gap,  future  research  should  incorporate  ground-truthing  through  survey-based  or  field-based 
evaluations  involving  human  subjects.  This  approach  would  provide  more  granular  data,  capturing  the  unique 
challenges  and  outcomes  experienced  by  diverse  agricultural  communities  at  the  local  scale.  Such  detailed, 
localized  data  would  not  only  validate  and  refine  the  model  projections  but  also  enhance  their  applicability  and 
relevance across a wider range of farming systems globally, ensuring that recommendations are better tailored to 
the specific needs of smallholder farmers and other vulnerable groups. 

Despite  these  limitations,  our  study  represents  a  systematic  analysis  of  indicators  influencing  agriculture  from  the 
perspectives  of  soil,  climate  and  management.  We  underscore  the  crucial  role  of  soil  health,  quantifying  its 
contribution  to  yield  and  NUE,  and  emphasize  the  importance  of  managing  soil  health  for  attaining  both  food 
security  and  environmental  sustainability,  introducing  a  novel  perspective  on  the  promotion  of  sustainable 
agricultural development. 

Methods 

Data sources 

We categorized our indicator data into three main groups: soil, climate and management. Supplementary Table 3 
details the specific indicators and their respective data sources within these categories. The data year specifications 
are as follows: nitrogen budget, cropland distribution, population distribution and climate data all correspond to the 
year 2020. However, the physical, chemical and microbial property data of the soil do not have a specific year, as 
the samples come from a wide range of sources. We utilized nitrogen budget data at a spatial resolution of 0.5° × 
0.5°,  including  fertilizer  input,  biological  nitrogen  fixation,  deposition  and  manure,  sourced  from  the  Integrated 
Model  to  Assess  the  Global  Environment–Global  Nutrient  Model  (IMAGE–GNM)  database28.  Cropland  data, 
measured in square kilometres per grid at the same spatial resolution, were obtained from the History Database of 
the  Global  Environment  (HYDE  v.  3.2)29.  These  datasets  represent  distinct  scales:  soil  health  data,  primarily 
measured  belowground;  management  data,  reflecting  aboveground  practices;  and  climate  data,  representing 
surface-level  conditions.  Each  scale  influences  specific  stages  of  crop  growth  through  unique  mechanisms,  as 
reflected  in  crop  yield  and  NUE.  Soil  conditions  predominantly  affect  root  development,  providing  crucial  support 
for crop growth. Aboveground management practices interact with soil properties, shaping nutrient uptake and crop 
productivity,  which  subsequently  influence  crop  yield  and  NUE.  Climate  indicators  define  the  environmental 
conditions that further regulate crop growth and yield. Despite operating at different scales, these factors collectively 
drive the key processes that determine crop performance and productivity. 

Farm size was determined by dividing cropland area by population (cropland population density) with normalization 
performed  in  the  negative  direction30.  We  consider  farm  size  a  key  management  factor,  as  changes  in  farm  size 
indicate  the  shifts  in  practices,  such  as  increased  use  of  machinery,  irrigation  techniques,  technology  and 
knowledge31,32.  In  contrast,  small  farms,  particularly  those  under  two  hectares,  tend  to  overapply  chemical 
fertilizers and pesticides, as observed in China32,33. Given that many management factors are correlated, leading 
to  multicollinearity,  farm  size  serves  as  a  broad  indicator  representing  a  wide  range  of  farming  practice  changes. 
Soil  physical  and  chemical  properties,  such  as  soil  bulk  density,  soil  pH  and  soil  organic  carbon  density,  were 
extracted  from  the  surface  layer  (0–30  cm)  at  a  spatial  resolution  of  1  km  ×  1  km.  The  mean  values  of  these 
properties were calculated. Temperature and precipitation data for the year 2020, at a spatial resolution of 0.5° × 
0.5°,  were  sourced  from  version  4  of  the  Climatic  Research  Unit  Time-Series  monthly  high-resolution  gridded 
multivariate  climate  dataset  (CRU  TS  v.  4.06)34.  Yearly  averages  for  temperature  and  total  precipitation  were 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

calculated based on monthly data. All specific metrics were then trimmed to match the extent of the cropland raster 
and ensure spatial coherence. 

For our scenario analysis, we gathered cropland area, population, temperature and precipitation data under three 
SSP–RCP scenarios: SSP1–RCP2.6, SSP2–RCP4.5 and SSP5–RCP8.5. Cropland area data until 2050 for these 
scenarios  were  obtained  from  the  Land-Use  Harmonization  (LUH2)  ‘extension’  datasets35.  Population  data  until 
2050  were  derived  from  gridded  datasets  for  population  and  economy  under  SSPs36.  Monthly  temperature  and 
precipitation  data  covering  the  period  2015–2050,  at  a  spatial  resolution  of  0.9°  ×  1.25°,  were  acquired  from  the 
World  Climate  Research  Programme  Coupled  Model  Intercomparison  Project  Phase  6  (CMIP6)37.  These  data 
were then transformed into year-average temperature and year-total precipitation. 

Crop yield and NUE 

To  quantify  the  contribution  of  soil  health  to  global  crop  yield,  it  is  essential  to  identify  a  unified  indicator  that 
reflects  plant  growth  conditions  across  diverse  global  regions.  Given  the  variation  in  harvest  amounts  among 
different crops, including both grain and straw, we use the nitrogen content in the harvest to represent crop yield 
across cropland system.12 

Here,  subscript  i  denotes  grid.  N  yield  represents  the  total  nitrogen  harvested  per  harvest  area  from  croplands, 
encompassing both grain (N grain) and straw (N straw) across over 170 different crops globally. Unharvested straw 
is considered part of the soil in the cropland system. NUE measures the capacity of croplands to utilize nitrogen. It 
is  defined  as  the  ratio  of  nitrogen  harvested  from  croplands  to  the  total  nitrogen  input  (N  total)  for  crop 
production,  which  includes  synthetic  fertilizers  (N  fertilizer),  manure  (N  manure,  from  both  livestock  and  human 
sources), biological nitrogen fixation (N BNF), irrigation (N irrigation) and nitrogen deposition (N deposition).345N 
surplusi  refers  to  the  nitrogen  that  is  not  harvested,  the  majority  of  which  is  lost  to  the  environment,  while  some 
may  accumulate  in  the  soil  and  potentially  be  utilized  in  the  future.  Despite  the  uncertainty  surrounding  its  future 
use, N surplus can still serve as an indicator of the environmental impact associated with nitrogen surplus. From a 
long-term  nitrogen  balance  perspective,  current-year  yields  also  absorb  residual  nitrogen  from  previous  years, 
making  nitrogen  surplus  a  reasonable  proxy  for  environmental  impacts.  Although  some  lost  nitrogen  may  be 
converted into environmentally benign dinitrogen gas (N2), this process still represents environmental impact due to 
the  energy  consumption  and  emissions  involved  in  nitrogen  fertilizer  production.  All  of  these  nitrogen-related 
indicators are estimated using the Coupled Human and Natural Systems (CHANS) model and IMAGE–GNM38,39. 

We  corrected  the  raster  data  from  the  IMAGE–GNM  based  on  the  nitrogen  budget  of  the  CHANS  model.  Some 
raster values exceeded reasonable limits, and we set them to the upper limit of the reasonable range. The upper 
limit was determined based on Supplementary Table 16. 

Framework for quantifying soil health contributions 

To integrate data from diverse sources, along with crop yield and NUE, we first resampled all datasets to a uniform 
spatial resolution of 0.5° × 0.5° in ArcGIS using a fishnet-based statistical method. The nitrogen budget data, which 
are  central  to  this  study’s  focus  on  crop  nitrogen  yield  and  NUE,  were  used  as  the  resolution  benchmark  for 
harmonization. For instance, although bulk density data are available at a finer resolution of 1 km × 1 km, aligning 
all  datasets  to  0.5°  ×  0.5°  was  necessary  to  ensure  compatibility  with  phosphorus  content,  historical  temperature 
and  precipitation  datasets  (‘Data  sources’).  As  all  datasets  were  provided  at  the  gridded  level,  this  resampling 
approach ensures consistency and spatial alignment across indicators (Supplementary Fig. 34). 

To ensure consistency across soil factors for large-scale analysis of soil health impacts on crop yield and NUE, we 
normalized  all  data  at  the  raster  scale.  Indicators  were  standardized  on  a  scale  of  0–1  based  on  their  correlation 
direction  with  crop  yield  (Supplementary  Information).  This  standardization  enabled  us  to  compile  various  soil 
factors in a consistent manner, facilitating large-scale analysis of soil health impacts on crop yield and NUE based 
on  field  experiments.  The  indicators  were  then  grouped  into  three  main  categories:  soil  health,  climate  and 
management (Supplementary Information). Soil health in this study refers to soil conditions that support both crop 
growth  and  environmental  sustainability,  characterized  by  higher  yields  and  lower  environmental  impacts.  It 
includes  three  key  sub-categories—physical,  chemical  and  biotic  properties—each  substantially  influencing  crop 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

production.  We  then  included  average  annual  temperature  and  total  annual  precipitation  as  climate  control 
variables.  Management  were  grouped  into  three  sub-categories:  farm  size,  nitrogen  input  and  additive  inputs 
(Supplementary Information). 

Next,  we  developed  models  linking  crop  yield  and  NUE  (dependent  variables)  to  soil,  climate  and  management 
variables  (independent  variables;  see  ‘Statistical  analysis’).  We  integrated  data  from  all  crops  to  assess  NUE 
holistically,  as  the  NUE  of  specific  crop  varieties  is  unlikely  to  change  notably.  However,  crop  mixes  and  rotation 
interactions  influence  NUE  in  croplands1.  By  combining  all  crops,  we  aimed  to  examine  how  soil  health  affects 
nitrogen yield and NUE across cropland systems. Standardized coefficients from the statistical analysis were used 
to  quantify  each  variable’s  contribution  to  crop  yield  and  NUE  (‘Contribution  quantification’).  To  ensure  the 
reliability  and  robustness  of  our  quantifications,  we  employed  an  alternative  method  to  validate  our  findings  and 
assessed  the  uncertainties  (Supplementary  Information).  Finally,  we  conducted  scenario  analyses  to  explore 
potential pathways for enhancing crop yield and NUE. We further evaluated the feasibility of these pathways using 
cost–benefit analysis. 

Statistical analysis 

The SEM employed in this study offers a comprehensive approach to simultaneously consider and manage multiple 
independent and dependent variables. It provides insights into the strength of relationships between various factors 
and  the  overall  model  fit.  It  is  a  robust  method  for  combining  with  theoretical  frameworks,  research  design  and 
control of confounding variables. Stata 16.0 software was utilized for SEM analysis to delve into the pathways and 
magnitudes of climate conditions, soil conditions and agricultural management factors’ direct and indirect effects on 
agricultural yield and NUE. The direct effect refers to the effect of an independent variable on a dependent variable. 
In the SEM path diagram, the coefficient along the direct path between two variables is the direct influence. Indirect 
effect  is  the  influence  transmitted  through  mediating  variables,  where  one  variable  affects  the  target  variable  via 
others. For example, in the model, the effect of mean air temperature (MAT) on yield through physical is MAT 

→

 

physical 

→

 

yield, and the path coefficient MAT 

→

 

physical: 

−0.64,

 

physical 

→

 

yield: 

−0.07.

 

Therefore, the indirect 

effects of MAT on yield are 

−0.64

 

× 

−0.07

 

= 0.045. This is calculated by multiplying all path coefficients along the 

mediating  variables.  The  total  effect  is  the  sum  of  both  direct  and  indirect  effects.  The  contribution  of  each 
category is the absolute value of the direct or indirect effects divided by the sum of the absolute values of all effects. 
The final SEM results provided insights into direct and indirect effects of soil, climate and farming management, with 
standardized path coefficients presented in Fig. 2, Table 1 and Supplementary Table 14. 

Here  the  analytical  process  of  SEM  involved  determining  potential  interaction  relationships  between  factors 
impacting cropland yield and NUE, incorporating theoretical and empirical knowledge. It was constructed based on 
well-established agricultural production theories and empirical evidence (Supplementary Table 1), organizing the 
factors that influence crop yield and NUE into logical pathways. Consequently, our model encompasses multi-level 
relationships. Beginning with a comprehensive model incorporating all original- variables, we iteratively refined the 
model by eliminating variables that did not contribute substantial information, guided by variable significance and 
model testing indices (for example, total annual precipitation (TAP) 

→

 

yield versus TAP 

→

 

NUE, whether to include 

the  variable  virus_richness  and  so  on).  This  iterative  process  allowed  us  to  identify  the  optimal  model  and  select 
classification variables. The final models, chosen from several alternatives, were assessed based on goodness of fit 
statistics  and  the  comparative  fit  index.  The  commonly  used  indices—root  mean  square  error  of  approximation 
(RMSEA, where RMSEA < 0.1 indicates a good model fit) and goodness of fit index (GFI, where GFI > 0.9 indicates 
a good model fit)—were employed to evaluate model fit. To meet these criteria and avoid multicollinearity issues, 
we incorporated temperature and precipitation but excluded their square terms in the SEM. The calculation of GFI is 
obtained  by  comparing  the  empty  model  with  the  original  model.  The  chi-squared  metric  does  not  have  a  fixed 
range, and its size depends on the complexity of the model and sample size. The chi-squared test is meaningless in 
this study because of the enormous sample size (n = 24,959). The code availability for the SEM building process is 
presented  in  the  Supplementary  Information.  Explanation  of  GFIs  are  in  Supplementary  Table  4.  The  overall  R2 
value for the SEM is 0.78. 

Contribution quantification 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Based  on  the  SEM  results,  we  obtained  the  absolute  values  of  standardized  coefficients  for  yield  and  NUE 
associated with each variable (Supplementary Table 5). To evaluate the contribution of independent variables to 
yield or NUE fluctuations, we calculated a score by multiplying the absolute value of the standardized coefficients 
(

β

)  obtained  from  the  SEM  by  the  absolute  value  of  the  standardized  independent  variables  (Xij).  This  score 

allowed us to determine the relative contribution of each driving variable to yield and NUE at the grid level using 
the  following  equations:67where  subscript  i,  j  and  k  denote  grid,  independent  variable  and  category,  respectively. 
Scoreij represents the contributing score of driving variable j in grid i. 

βj

 

is the standardized coefficient of variable j 

to yield or NUE. Xij corresponds to variable j in grid i, which have been normalized by standard deviation. 

Σ

kScoreij 

is  the  sum  of  the  contribution  scores  of  driving  variables  in  category  k,  including  soil  health,  climate  and 
management. 

ΣScore

i,total  is  the  total  contributing  score  of  19  driving  variables.  The  relative  contribution  of 

driving category k in grid i on yield or NUE on grid level is Contributionik (%). 

Scenario analysis 

To predict the agriculture affected by soil health, we also used a multiple regression model to conduct the cross-
sectional  analysis,  while  controlling  for  confounding  factors.  We  first  estimated  the  following  equation  to  explore 
how climate and nitrogen use affect soil variables:8where subscript i and j denote grid and independent variable, 
respectively.  Soili  denotes  the  variables  of  soil  health,  including  physical,  chemical  and  biotic  sub-category 
variables.  Xij  includes  climate  variables  (temperature,  precipitation  and  their  quadratic  terms),  log-transformed 
population  density  and  its  quadratic  term.  We  use  temperature  and  precipitation  as  standard  meteorological 
indicators  to  represent  for  climate  change,  consistent  with  previous  research31,  32–33.  Moderate  temperatures 
promote  crop  growth,  while  extreme  temperatures  can  cause  heat  stress  and  yield  losses32,40.  Precipitation  is 
essential  as  well,  particularly  in  rainfed  croplands,  as  it  is  a  primary  water  source  for  crop  growth41,42. 

βj

 

is  the 

coefficient  that  needs  to  be  estimated. 

α

 

is  a  constant,  and 

μ

 

is  an  error  item.  Population  density  is  chosen  over 

normalized  farm  size  in  the  future  prediction  equation  to  avoid  estimation  errors  caused  by  the  variability  of 
normalized values, which are influenced by the data distribution. 

We  then  estimated  how  soil  properties  affect  yield  and  NUE  change  using  the  following  equation:9where  ln 
Agriculturei  refers  to  log-transformed  crop  nitrogen  yield  or  NUE;  Xij  includes  climate  variables  (temperature, 
precipitation  and  their  quadratic  terms),  log-transformed  population  density  and  its  quadratic  term,  nitrogen  use 
variables (log-transformed nitrogen fertilizer input and fertilizer–manure ratio) and additive variables. Soili denotes 
the  variables  of  soil  health,  including  physical,  chemical  and  biotic  sub-category  variables. 

β

 

and 

γ

 

are  the 

coefficients  that  need  to  be  estimated.  Detailed  results  are  in  Supplementary  Table  9.  The  summary  statistics  of 
variables are listed in Supplementary Table 10. 

To  incorporate  future  projections,  we  obtained  grid-level  temperature  and  precipitation  data  (2020–2050,  every 
decade) from the SSP–RCP database to calculate their changes compared with 2020. Additionally, we used data 
on  grid-level  rural  populations  and  cropland  areas  to  derive  population  density  data  and  their  changes  compared 
with  2020.  The  changes  in  soil  variables  under  SSP–RCP  scenarios  towards  2050  were  calculated  as 
follows:10where f8 is the function related to equation (8) and t is the year. 

Finally, the agriculture variables including crop nitrogen yield and NUE under SSP–RCP scenarios towards 2050 
were calculated based on equations (11) and (12):1112where f9 is the function related to equation (9), 

Δ

 

denotes 

the  difference  in  values  between  year  t  and  2020,  and 

γ

 

is  the  coefficient  estimated  from  equation  (9).  is  the 

simulated yield or NUE under SSP–RCP scenarios. 

To enhance agricultural performance, we assume improvements in soil properties, including physical, chemical and 
biotic  aspects.  We  expect  a  5%  improvement  in  2030,  10%  in  2040  and  15%  in  2050.  Based  on  the  coefficients 
estimated from a multiple regression model in Supplementary Table 9, positive improvements are anticipated in the 
physical  score,  while  negative  improvements  are  expected  in  the  chemical  and  biotic  scores.  For  grid  i,  the 
predicted value of agricultural variables under soil properties management is calculated as follows:1314where 

ρtk

 

represents the proportion of improvement in soil properties and  is the simulated yield or NUE with soil management 
under SSP–RCP scenarios. Global mean changes are shown in Fig. 5, while the global patterns of yield and NUE 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

changes under different scenarios (SSP126, SSP245 and SSP585) are depicted in Fig. 4, and Supplementary Figs. 
1 and 2, respectively. 

Cost–benefit analysis 

Implementation cost 

Costs of soil health improvements refer to the near-term expenses and potential income surpluses associated with 
adopting regenerative soil practices, including investment in new equipment, seeds, amendments and labour; short-
term reductions in yields; surplus of land in production; and the transition costs as practices are put in place. Here 
we identified nine key options (o) for soil health improvement based on the literature review (Supplementary Table 
11). We break down the implementation costs (ICo,t) of these mitigation options into three distinct components: (1) 
the  investment  cost  (INo,t)  over  the  entire  lifecycle  of  the  management  options,  which  may  include  initial 
investment,  establishment,  training  and  any  necessary  replacements  or  renovations;  (2)  fixed  operating  costs 
(FOo,t)  of  repairs,  maintenance  and  administration  of  the  equipment  or  facilities  used;  and  (3)  variable  operating 
costs  (VOo,t)  of  the  immediate  expenses  or  saving  on  the  changing  labour,  energy,  fertilizer,  irrigation  and  any 
other  inputs.  Here  we  mainly  refer  to  the  methodology  used  in  the  GAINS  model43  and  collected  related 
parameters  and  indicators  of  soil  health  management  options  from  previous  literature26,44,  and  supplemented 
with expert judgements to calculate global implementation costs:15 

All  cost  figures  from  model  calculations  are  measured  in  constant  2020  US$  in  this  study.  Detailed  cost-related 
parameters  used  for  specific  management  options  can  be  found  in  Supplementary  Table  12.  The  implementation 
cost  does  not  account  for  the  marginal  cost  increase  of  individual  abatement  strategies  due  to  technological 
advancement. 

Benefit assessment 

Benefits  of  soil  health  improvements  accrue  over  the  long  term  and  can  be  financial,  environmental  and  social, 
specifically:  (1)  financial  benefits  mainly  refer  to  higher  crop  yields  (Grainbenefit,t);  (2)  improved  human  health 
(HHbenefit,t)  through  better  water  and  air  quality;  (3)  environmental  benefits  (EHbenefit,t)  include  improved  water 
and nutrient retention, increased biodiversity and ecosystem services from oxygen (O2) release; and (4) the benefit 
of  climate  change  mitigation  (CCbenefit,t)  through  carbon  sequestration  (fixing  carbon  dioxide  in  the  air)  by  crop 
photosynthesis  and  soil  organic  matter  accumulation.  Here  the  total  benefits  arising  from  improved  soil  health 
(SHbenefit,t)  are  defined  as  the  sum  of  the  above-mentioned  four  types  of  benefit,  as  shown  in  equations  (16)– 
(20):1617181920where 

ΔProduction

i,o,t  is  the  estimated  crop  production  change  (kg  N 

yr−1),

 

which  is  derived 

from the yield change multiplied by harvest area, due to the implementation of soil health management options o; 
Grainprice,t  represents  the  regional  weighted  grain  price  (U$  per  kg  N); 

Δ

Ei,o,t  is  the  estimated  soil  pollutant 

reduction in the form of Nr (kg N 

yr−1);

 

and HCostN,t is the weighted nitrogen-related human health damage cost 

derived  from  previous  peer-reviewed  studies25,45,46.  Here  the  ecosystem  benefits  are  the  sum  of  avoided 
nitrogen-related  damage  cost  and  the  increased  oxygen  release  for  the  ecosystem.  ECostN,t  is  the  regional 
weighted damage cost of nitrogen waste to the ecosystem in terms of water and air pollution (2020, US$ per kg N; 
Supplementary Table 12). 

ΔNPP

i,t refers to the changed net primary productivity (NPP) due to the implementation 

of  healthy  soil  options.  NPP  is  frequently  used  in  large-scale  studies  to  estimate  the  carbon  sequestration  and 
oxygen  release  of  various  land  types.  The  values  1.2  and  1.63  are  the  fixed  parameters  for  the  estimation  of  O2 
release  and  C  sequestration  for  every  1.  00  kg  of  organic  matter  produced  by  vegetation  based  on  the 
photosynthesis  equation47.  is  the  price  of  the  industrial  oxygen  production48  and  is  used  here  to  monetize  the 
ecosystem value of increased oxygen release; PC is the carbon price49 to monetize the climate benefit. 

Reporting summary 

Further information on research design is available in the Nature Portfolio Reporting Summary linked to this article. 

Acknowledgements 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (42325707 and 42261144001) and 
National Key Research and Development Project of China (2022YFE0138200). 

Notes 

Supplementary informationThe online version contains supplementary material available at 

https://doi.org/10.1038/s43016-025-01155-6

.Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to 

jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

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Classification 

Language: ENGLISH 

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Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency 

Publication-Type: Magazine 

Journal Code: 43016 

Subject: SOIL HEALTH (94%); ENVIRONMENT & NATURAL RESOURCES (90%); HEALTH CARE 
INFORMATION (90%); SOIL CONSERVATION (90%); SUSTAINABLE DEVELOPMENT (90%); CORPORATE 
ENVIRONMENTAL RESPONSIBILITY (89%); ENVIRONMENTALISM (89%); PRODUCTIVITY (89%); 
SUSTAINABILITY (89%); SUSTAINABLE AGRICULTURE (89%); LIFE FORMS (79%); CLIMATE CHANGE (78%); 
NATURAL SCIENCES (78%); POLLUTION & ENVIRONMENTAL IMPACTS (78%); AIR QUALITY (73%); 
RESEARCH REPORTS (72%) 

Organization: STANFORD UNIVERSITY (59%); INTERNATIONAL INSTITUTE FOR APPLIED SYSTEMS 
ANALYSIS (59%); State Key Laboratory of Soil Pollution Control and Safety; Zhejiang University; College of 
Environmental and Resource Sciences; Zhejiang University; Biosphere Sciences and Engineering; Carnegie 
Institution for Science; International Institute for Applied Systems Analysis; State Key Laboratory of Soil and 
Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science; Chinese Academy of Sciences; State Key Laboratory of Urban 
and Regional Ecology, Research Centre for Eco-Environmental Sciences; Chinese Academy of Sciences; 
Department of Biology; Stanford University 

Industry: SOIL HEALTH (94%); CROP PRODUCTION (92%); AGRICULTURE (90%); HEALTH CARE 
INFORMATION (90%); SUSTAINABLE DEVELOPMENT (90%); FERTILIZERS (89%); SUSTAINABLE 
AGRICULTURE (89%); AGRICULTURAL CHEMICALS (77%) 

Geographic: EAST CHINA (92%); ZHEJIANG, CHINA (92%); CHINA (79%); INDIA (79%) 

Load-Date: June 23, 2025 

End of Document 


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