Back to report · Publisher record

Zhao et al. (2026). The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world farms in Northeast China

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Rapid #: -27733242

CROSS REF ID:

36821144720001865

LENDER:

KWC (University of the Cumberlands) :: Main Library

BORROWER:

ORE (Oregon State University) :: Main Library

TYPE:

Article CC:CCG

JOURNAL TITLE:

Nature food

USER JOURNAL TITLE:

Nature Food

ARTICLE TITLE:

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not
translate to real-world farms in Northeast China

ARTICLE AUTHOR:

Zhao, Shuaixiang

VOLUME:

7

ISSUE:

8

MONTH:

YEAR:

2026-08-01

PAGES:

782 - 791

ISSN:

2662-1355

OCLC #:

Processed by RapidX:

10/20/2026 7:54:40 AM

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

Page 2

Figures and page graphics, page 2

 | 

About LexisNexis

 | 

Privacy Policy

 | 

Terms & Conditions

 | 

Copyright © 2020 LexisNexis

 

User Name: =  

Date and Time: = 2026-10-20 

Job Number: = 299360716 

 

Documents (1) 

Client/Matter: 

-None-

 

Search Terms: 

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to 

real-world farms in Northeast China

 

Search Type: 

NaturalAnd

 

Content Type

 

Narrowed by

 

news

 

-None-

 

 

1. The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 
farms in Northeast China

 

 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

Page 1 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field 

trials does not translate to real-world farms in Northeast China

Nature Food

August 2026

Copyright 2026 The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Limited All Rights Reserved

Section: Pg. 782-791; Vol. 7; No. 8; ISSN: 2662-1355

Length: 6767 words

Byline: Shuaixiang Zhao; 

1

Susanne Schmidt; 

2

Zhi Quan; 

3

Fenglan Li; 

4

Shuqi Qin; 

1

Yunting Fang; 

31

Feng Zhou; 

1552

Body

Abstract

1 

Institute  of  Carbon  Neutrality,  Laboratory  for  Earth  Surface  Processes,  College  of  Urban  and  Environmental  Sciences,  Sino-

France  Institute  of  Earth  System  Science,  Peking  University,  Beijing,  ,  China,  0000  0001  2256  9319, 
grid.11135.37,

https://ror.org/02v51f717

2 

School of Agriculture and Food Sustainability, The University of Queensland, Brisbane, Queensland, Australia, 0000 0000 9320 

7537, grid.1003.2,

https://ror.org/00rqy9422

3 

Institute  of  Applied  Ecology,  Chinese  Academy  of  Sciences,  Shenyang,  ,  China,  0000  0001  1957  3309, 

grid.9227.e,

https://ror.org/034t30j35

4 

College 

of 

Life 

Sciences, 

Northeast 

Agricultural 

University, 

Harbin, 

, 

China, 

0000 

0004 

1760 

1136, 

grid.412243.2,

https://ror.org/0515nd386

1 

Institute  of  Carbon  Neutrality,  Laboratory  for  Earth  Surface  Processes,  College  of  Urban  and  Environmental  Sciences,  Sino-

France  Institute  of  Earth  System  Science,  Peking  University,  Beijing,  ,  China,  0000  0001  2256  9319, 
grid.11135.37,

https://ror.org/02v51f717

3 

Institute  of  Applied  Ecology,  Chinese  Academy  of  Sciences,  Shenyang,  ,  China,  0000  0001  1957  3309, 

grid.9227.e,

https://ror.org/034t30j35

 

fangyt@iae.ac.cn

1 

Institute  of  Carbon  Neutrality,  Laboratory  for  Earth  Surface  Processes,  College  of  Urban  and  Environmental  Sciences,  Sino-

France  Institute  of  Earth  System  Science,  Peking  University,  Beijing,  ,  China,  0000  0001  2256  9319, 
grid.11135.37,

https://ror.org/02v51f717

5 

, Southwest United Graduate School, Kunming, , China, , ,

 

zhouf@pku.edu.cn

Page 4

Figures and page graphics, page 4

Page 2 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

Carbon  sequestration  in  agricultural  soils  is  an  economically  viable  pathway  to  achieve  climate  and  food  co-
benefits,  but  it  remains  unclear  whether  the  positive  soil  organic  carbon  (SOC)–yield  relationship  observed  in 
field trials applies to real-world farms. Here we analysed maize yield responses to SOC on 1,246 field trials and 
192  farms  in  Northeast  China  using  multiple  causal  inference  approaches.  We  found  that  an  increase  in  SOC 
consistently  enhanced  maize  yield  in  field  trials  but  had  no  detectable  effect  in  farms.  Field  trials  showed 
significant yield increases of 8–13% up to a threshold of 30–40 g SOC 

kg−1

 soil. On farms, however, yields rose 

by only up to 5% with increasing SOC to a threshold of 10.0 g SOC 

kg−1

 soil and then decreased to around the 

initial  yield.  The  absence  of  a  positive  yield–SOC  response  in  real-world  farms  was  mainly  attributable  to 
excessive  nitrogen  fertilizer  applications,  along  with  limited  farmer  knowledge  and  inadequate  infrastructure 
hindering  effective  adoption  of  soil  conservation  practices.  Our  findings  underscore  the  need  to  integrate 
fertilization, soil conservation strategies and farmer support to fully realize the potential of SOC on yield.

Soil organic carbon (SOC) is widely recognized for its potential to enhance agricultural productivity and contribute 
to climate mitigation, yet its benefits in real-world farming contexts remain uncertain. This study reveals that while 
increased SOC significantly boosts maize yields in controlled field trials, it has negligible effects on actual farm 
yields  in  Northeast  China,  primarily  due  to  excessive  nitrogen  fertilization  and  inadequate  adoption  of  soil 
conservation practices.

Main

Achieving  net-zero-emissions  food  systems  is  central  to  the  Sustainable  Development  Goals1.  Nearly  half  of  all 
countries  have  adopted  carbon  sequestration  in  agricultural  soils  as  an  economically  viable  pathway  for  climate 
mitigation with the co-benefit of increasing soil organic carbon (SOC)2,3. Increasing SOC improves soil structure, 
water retention, nutrient supply and microbial function4, all of which, indicated by multiple pieces of evidence from 
on-station  or  on-farm  field  trials,  can  enhance  crop  production5,  6–7.  However,  much  less  is  known  about  real-
world
  farms  managed  by  farmers  using  local  practice  with  limited  scientific  guidance8.  This  knowledge  gap 
motivated  us  to  examine  whether  the  beneficial  relationship  between  SOC  and  yield  observed  in  field  trials 
translates to real-world farms and, if not, to identify the limiting factors.

Unlike  the  field  trials,  which  control  many  variables  to  isolate  the  SOC–yield  relationship,  farms  represent  real-
world
  conditions  that  may  obscure  the  beneficial  effects  of  SOC.  Suboptimal  fertilization,  heterogeneous  field 
conditions, and limitations in farmers’ knowledge and access to resources may further hinder the effective adoption 
of  soil  conservation  practices,  such  as  manure  use,  straw  return  and  no-till,  for  enhancing  SOC  or  crop  yield9. 
These  management  practices,  designed  to  enhance  SOC,  can  also  affect  crop  yields,  potentially  disordering  the 
SOC–yield relationship10. This is more critical in regions where farmers are encouraged to enhance SOC because 
its  depletion  has  caused  severe  soil  degradation,  threatening  crop  productivity  and  long-term  agricultural 
sustainability.

Here  we  focus  on  the  maize  crop  in  Northeast  China  because  this  region  accounts  for  a  quarter  of  China’s 
cropland  and  40%  of  national  maize  production11,  yet  it  is  the  only  region  in  China  experiencing  a  continuous 
decline  in  SOC  over  the  past  6  decades12.  The  Chinese  government  has  recently  launched  a  series  of  policy 
interventions to enhance SOC for improving crop productivity11. Clarifying the SOC–yield relationship on farms in 
Northeast  China  is  crucial  for  optimizing  such  interventions,  especially  considering  that  maize  yields  have 
stagnated  in  recent  years13.  However,  this  is  particularly  challenging  due  not  only  to  the  lack  of  paired 
measurements of SOC and yield from large-scale surveys of real-world farms8 but also to the difficulty of isolating 
the  causal  effect  of  SOC  on  maize  yield,  which  is  often  confounded  by  soil,  climate  and  management 
practices5,10.

To  address  these  challenges,  we  conducted  a  large-scale  survey  of  192  real-world  farms  using  multiple  causal 
inference  approaches  to  quantify  the  SOC–yield  relationship  in  Northeast  China,  which  spans  a  wide  range  of 
soils,  climates  and  management  practices  (Supplementary  Fig.  1  and  Supplementary  Table  1).  To  examine 
differences  in  the  SOC–yield  relationship,  the  same  analyses  were  further  performed  for  field  trials,  including 
1,030 on-farm and 216 on-station trials in this region. These analyses allowed us to address three key questions. 

Page 5

Figures and page graphics, page 5

Page 3 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

What is the magnitude of the effect of SOC on maize yield in Northeast China? Does the effect of SOC on maize 
yield  differ  between  farmer-managed  fields  and  controlled  field  trials?  What  are  the  key  mechanisms  driving 
maize yield responses to SOC?

Results and discussion

Divergent SOC–yield relationships

We  used  causal  forest  (CF)  and  double  machine  learning  (DML),  which  rely  on  distinct  estimation  principles,  to 
quantify the effects of SOC on maize yields in both farms and field trials. These approaches yielded consistent 
causal effect estimates, revealing that increasing SOC consistently enhanced maize yield in field trials but had no 
detectable effect on farms across Northeast China (Fig. 1b). For farms, the mean causal effects were 

−62.3

 kg 

ha−1

  (CF)  and 

−56.0

  kg 

ha−1

  (DML)  per  unit  increase  in  SOC  (hereafter  referring  to  1  g 

kg−1),

  with  95% 

confidence  intervals  (CIs)  of 

−183.2

  to  48.7  (CF)  and 

−137.7

  to  25.8  (DML).  The  mean  effects  were  40.7  (21.1–

60.3, CF) and 21.4 

(−1.4

 to 44.1, DML) for on-farm trials and 118.2 (13.0–223.2, CF) and 204.3 (52.6–356.0, DML) 

for on-station trials. These causal results were confirmed by farm and field trial data from regions with comparable 
soil  and  climate  conditions  (Supplementary  Fig.  2).  When  further  accounting  for  potential  biases  arising  from 
discrepancies  between  farms  and  field  trial  data,  as  well  as  modelling  uncertainties,  these  causal  conclusions 
remained robust (Supplementary Fig. 3).

Fig. 1

Geographic  distribution  of  the  studied  data  and  the  relationship  between  SOC  and  maize  yield  across 
Northeast
 China.

a,  Map  of  China  with  Northeast  China  in  grey  and  the  distribution  of  sites.  Coloured  points  represent  data  from 
farms  (blue,  n  =  192),  on-farm  trials  (yellow,  n  =  1,030)  and  on-station  trials  (brown,  n  =  216).  Farms  were 
surveyed  from  three  counties:  Changtu  (CT),  Lishu  (LS)  and  Gannan  (GN).  b,  Causal  effects  of  SOC  on  maize 
yields. Two methods, CF and DML, were applied. Data are represented as mean ± 95% confidence interval of the 
causal effects across farms, on-farm trials and on-station trials. Error bars not overlapping 0 indicate P < 0.05. c, 
Relationships  between  SOC  and  maize  yield.  Maize  yield  was  normalized  to  the  yield  with  the  lowest  SOC 
content,  which  was  9.2  Mg 

ha−1

  (farms),  9.3  Mg 

ha−1

  (on-farm  trials)  and  10.3  Mg 

ha−1

  (on-station  trials).  The 

fitted  regression  lines  with  shaded  areas  represent  the  partial  dependence  of  the  RF  model  for  SOC–yield 
relationships, and the shaded regions correspond to the 95% CIs. The bars at the bottom of each panel represent 
the  distribution  of  SOC.  Base  map  of  the  China  and  provincial  administrative  boundary  was  obtained  from  the 
Resource and Environmental Science Data Platform of China (

https://www.resdc.cn/DOI/DOI.aspx?DOIID=122

).

Source data

Partial  dependence  analysis  of  random  forest  (RF)  models  revealed  differences  in  the  SOC–yield  relationship 
between field trials and farms. Field trials showed 8% and 13% higher maize yield with increasing SOC up to 
thresholds of 30.1 g 

kg−1

 for on-station field trials and 39.5 g 

kg−1

 for on-farm field trials (Fig. 1c). In contrast, 

maize yield on farms increased by only up to 5% as SOC reached 10.0 g 

kg−1

 before decreasing to around the 

initial  yield.  The  divergent  SOC–yield  relationships  were  supported  by  Shapley  additive  explanations  (SHAP) 
analysis.  A  general  increasing  trend  between  SOC  and  its  SHAP  values  was  observed  in  both  on-farm  and  on-
station  trials  (Fig.  2e,f,h,i),  indicating  an  overall  positive  effect  of  SOC  on  maize  yield  across  the  observed  SOC 
range. However, SHAP values for farms showed that the beneficial effect of SOC on maize yield first increased 
and then decreased with increasing SOC content (Fig. 2b,c).

Fig. 2

Factors influencing maize yield.

Page 6

Figures and page graphics, page 6

Page 4 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

a,d,g, Mean absolute SHAP values showing the relative importance of variables for maize yield on farms (a), in 
on-farm trials (d) and in on-station trials (g). b,e,h, Beeswarm plots of SHAP values for farms (b), on-farm trials (e) 
and  on-station  trials  (h).  Dots  represent  the  SHAP  value  of  each  factor  across  all  individual  observations.  Point 
colour  represents  the  normalized  feature  value,  with  red  indicating  high  values  and  blue  indicating  low  values. 
Higher SHAP values indicate higher predicted yields, and lower SHAP values indicate lower predicted yields. The 
labels for the axes in b, e and h are the same as those in a, d and g, respectively. c,f,i, SHAP dependence plot 
showing the relationship between SOC and its SHAP values for farms (c), on-farm trials (f) and on-station trials (i). 
SHAP values were calculated using RF models. SHAP values (y axis) indicate the marginal contribution of SOC to 
maize  yield  (Mg 

ha−1).

  Asterisks  indicate  statistically  significant  effects  from  two-sided  permutation  tests  (**P  < 

0.01 and *P < 0.05). NS, nonsignificant.

Source data

RF–SHAP  analyses  also  identified  divergent  determinants  of  maize  yield  variability  between  farms  and  field 
trials
.  Nitrogen  (N)  fertilizer  input  was  the  top  driver  of  yield  variation  in  field  trials  (Fig.  2d,g).  Maize  yield 
increased with N input and plateaued at ~150 kg N 

ha−1

 for both on-farm and on-station trials, but yield on farms 

did  not  change  with  N  input  (Supplementary  Fig.  4).  In  contrast,  growing  period  rainfall  (GPR)  dominated  yield 
variations  on  farms  (Fig.  2a),  with  yield  being  positively  correlated  with  GPR  (Supplementary  Fig.  4).  High-SOC 
soils  in  farms  were  more  prominent  in  regions  with  lower  GPR  (Supplementary  Fig.  5),  which  may  explain  the 
lower yields in these regions.

Drivers of SOC–yield relationships

To  further  explore  the  drivers  of  SOC–yield  response,  we  considered  ten  potential  factors  influencing  this 
relationship,  including  three  fertilizer  input  variables  (N,  phosphorus  (P2O5)  and  potassium  (K2O)),  two  soil 
variables  (clay  content  and  pH  level),  two  climatic  variables  (GPR,  growing  period  temperature  (GTE))  and  three 
soil management variables (manure use, straw return and no-till). A combined approach integrating sliding-window 
analysis with partial correlation enabled us to evaluate how each factor regulates the impact of SOC on maize yield 
(Methods).

The results showed that higher fertilizer rates reduced the partial correlation between SOC and yield (Fig. 3a–c). 
This  pattern  was  confirmed  in  both  farms  and  field  trials,  as  well  as  for  almost  all  N,  P2O5  (except  for  on-farm 
trials)  and  K2O  fertilizers.  Data  from  three  long-term  (16–38  years)  field  trial  sites  also  showed  a  weaker  SOC–
yield correlation under a higher N rate than under a lower N rate (Supplementary Fig. 6). In line with this result, a 
controlled greenhouse study of spring wheat also showed that N input generated greater yield benefits in low-SOC 
soils,  owing  to  higher  net  N  mineralization  in  high-SOC  soils14.  Excessive  fertilization  may  further  suppress  root 
growth, thereby reducing the uptake of water and nutrients15,16. This may help explain why SOC enhanced yield 
in  field  trials  but  not  on  farms,  which  received  50%  more  fertilizer  (225  kg  N 

ha−1

  versus  150  kg  N 

ha−1

  on 

average) and had approximately twice the available soil nutrient content of field trials (Supplementary Table 1).

Fig. 3

The SOC–yield partial correlation response to environmental and management variables.

a–h, Effects of nitrogen (a), phosphorus (b) and potassium (c) fertilization, soil clay content (d), soil pH (e), GPR 
(f),  GTE  (g)  and  soil  conservation  practices  (h),  including  manure  use,  straw  return  and  no-till.  Coloured  lines 
represent values for farms (blue), on-farm trials (yellow) and on-station trials (brown). Regression lines show linear 
(a,b,f,g) and quadratic (d,e) models, with error bands indicating 95% CIs. Model performance is represented by the 
regression  coefficient  (R2)  and  the  P  value,  with  significant  regressions  (P  <  0.05,  two-sided  t-test).  Model 
equations are provided in Supplementary Table 5.

Source data

Page 7

Figures and page graphics, page 7

Page 5 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

The  effects  of  soil  clay  content  and  soil  pH  value  on  the  SOC–yield  relationship  were  nonlinear  (Fig.  3d,e). 
Positive SOC–yield partial correlations occurred often in sandy soils (clay content <15%) and clay-rich soils (clay 
content >35%)17, mainly because of improved soil structure and nutrient buffering capacity in these soils6. Positive 
SOC–yield partial correlations also occurred often in soil pH >5.5, while a negative correlation emerged at pH <5.5, 
suggesting  that  SOC  provides  fewer  yield  benefits  in  acidic  soils.  This  contrasts  with  previous  research  showing 
strong  yield  benefits  of  biochar  amendment  in  acidic  soils,  primarily  through  soil  liming18,19.  This  further 
underscores the detrimental impact of soil acidity on crop production by inhibiting root function involved in nutrient 
cycling  and  reducing  the  bioavailability  of  essential  nutrients  (for  example,  phosphorus  and  micronutrients)  in  the 
rhizosphere20,21.  High  N  inputs,  which  often  co-occurred  with  low  soil  pH  (Supplementary  Fig.  7),  may  further 
weaken  the  SOC-derived  yield  benefits.  These  results  highlight  the  need  to  improve  soil  pH  on  farms  to 
strengthen the SOC–yield relationship, as farms showed lower pH than field trials (average 5.6 versus 6.3–6.6; 
Supplementary Table 1), probably owing to prolonged high N fertilization20.

The  SOC–yield  partial  correlation  declined  with  increasing  GPR  and  GTE  on  farms  (Fig.  3f,g),  indicating  greater 
SOC-derived yield benefits under dry and/or cold climates. This is primarily attributed to the positive effects of SOC 
on water-holding capacity in low-rainfall regions22 and on soil nutrient availability in cold regions6,23. In contrast, 
the  SOC–yield  partial  correlation  in  on-farm  trials  showed  no  responses  to  GPR  or  GTE.  While  the  SOC–yield 
partial  correlation  response  to  GTE  in  on-station  trials  mirrored  that  in  on-farm  trials,  the  response  to  GPR  was 
reversed. These results suggest that the climate sensitivity of the SOC–yield relationships differs between farms 
and field trials. One possible explanation is contrasting soil fertility. On-farm trials had higher initial soil SOC (17.8 
g C 

kg−1)

 than farms and on-station trials (14.5 g C 

kg−1

 and 15.1 g C 

kg−1,

 respectively; Supplementary Table 

1). This enhances soil water and nutrient regulation and reduces the climate resilience of on-farm trials relative to 
the  other  two.  Another  explanation  is  that  crop  yields  in  many  field  trials  are  often  estimated  from  small-area 
sampling, which can underestimate climate impacts, such as yield losses from waterlogging in low-lying areas24. In 
contrast, farm yields reflect the overall harvest of fields and therefore better capture the impacts of climate.

Soil  conservation  practices  (manure  use,  no-till  and  straw  return)  also  affect  the  SOC–yield  relationship,  with 
marked  differences  between  farms  and  field  trials  (Fig.  3h).  Compared  with  traditional  practices,  manure 
application  and  no-till  increased  the  SOC–yield  partial  correlation  in  on-station  trials  but  had  minimal  effects  on 
farms.  This  contrast  probably  stems  from  the  quality  of  implementation  of  these  practices.  Manure  application  in 
on-station  trials  typically  follows  an  optimized  method  with  a  knowledge-based  rate,  thereby  resulting  in  greater 
SOC-derived  yield  benefits.  In  contrast,  farms  often  lack  the  machinery  and  knowledge,  leading  to  improper 
manure  application,  with  43%  of  manure-using  farmers  reporting  no  yield  gains  (Supplementary  Fig.  8).  Straw 
return  is  an  essential  part  of  no-till  because  it  improves  soil  structure  and  increases  water-use  efficiency25. 
However, among farmers adopting no-till, only 33% practiced both straw return and no-till, compared with 83% in 
on-station  trials  (Supplementary  Fig.  9).  This  discrepancy  helps  explain  why  63%  of  no-till  farmers  reported  no 
obvious yield benefits (Supplementary Fig. 10).

Implications and perspectives

Our survey demonstrates that the beneficial relationship between SOC and maize yield observed in field trials 
does  not  translate  to  real-world  farms  in  Northeast  China.  Our  findings  align  with  those  of  a  regional  farm 
survey in Europe, which also showed a weak SOC–yield association but relied on farmers’ self-reported SOC26. 
Our  results  contrast  with  a  farm  survey  in  the  USA,  which  identified  a  positive  SOC–yield  relationship  among 
farmers practicing tight nutrient management8. This finding reinforces our interpretation: when fertilizer is applied 
judiciously, farms can capitalize on the yield-promoting benefits of SOC.

The  absence  of  yield  benefits  from  SOC  on  farms  in  Northeast  China  can  be  attributed  to  high  fertilizer  inputs 
(Fig. 4). This suggests that the real-world yield benefits of SOC are negligible in highly fertilized regions such as 
China.  This  is  probably  different  in  areas  where  fertilizer  underuse  is  common,  such  as  sub-Saharan  Africa6.  In 
such systems, SOC accrual via fertilizer input combined with organic amendments (for example, crop residues and 
manure) remains highly beneficial for crop productivity. Irrespective of the region, achieving sustainable SOC–crop 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

Page 6 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

yield  interplay  requires  context-specific  strategies  that  balance  trade-offs  between  SOC  sequestration,  nutrient 
availability and broader ecosystem functions10.

Fig. 4

Conceptual summary of the divergent SOC–yield relationship between farms and field trials.

The positive SOC–yield link characterized field trials but not farms. Soil conservation practices have synergistic 
effects  on  SOC  and  crop  yield  in  field  trials,  in  contrast  to  farms.  Arrow  thickness  indicates  the  strength  of  the 
effects  shown  in  the  explanatory  panel.  Icons  were  adapted  from  the  iSlide  plugin  icon  library 
(

https://www.islide.cc/

), which is available for free use under the CC0 license.

Source data

Our  analysis  also  suggests  that  government-recommended  soil  practices  may  fail  to  deliver  the  expected  SOC-
derived gains on farms because of management deficiencies in real-world practices across Northeast China (Fig. 
4). For example, although combining no-till with straw return is recommended to enhance SOC-derived yield25, low 
temperatures in Northeast China may hinder straw decomposition and seedling emergence, discouraging farmers 
from  adopting  both  practices  together.  In  our  survey,  more  than  70%  of  farmers  either  burned  or  removed  straw 
rather than returning it to the soil, as suggested by the government (Supplementary Fig. 10).

If  SOC-derived  yield  benefits  are  also  absent  in  most  other  real-world  crops  and  regions,  our  results  have 
important scientific and policy implications. First, financial and technical support for farmers should shift from front-
end promotion of SOC accrual to back-end assessment of in-field benefits to identify context-dependent measures 
that  jointly  enhance  SOC  and  yield  under  real-world  farming  conditions  while  also  identifying  ineffective  or 
adverse ones. Second, our findings raise a critical cross-scale question: how generalizable are the results of small-
plot  controlled  experiments  to  real-world  agriculture?  More  empirical  evidence  is  needed  to  test  the  SOC-
enhancing  measures  in  diverse  agroecosystems.  Third,  SOC  remains  relevant  to  yields,  but  farm  and  research 
condition  differences  (fertilization,  management  practices  and  so  on)  mediate  its  benefits.  Achieving  meaningful 
yield improvements thus requires integrated measures with coordinated actions across sectors within and beyond 
agriculture.

In summary, our findings challenge the prevailing belief of a positive SOC–yield relationship and provide empirical 
evidence  from  real-world  farms  where  such  optimization  is  not  achieved.  To  advance,  we  call  for  further 
experiments  to  reveal  potential  underlying  mechanisms  that  may  have  been  overlooked.  In  particular,  more 
mechanistic studies are needed to elucidate how the quantity and quality of SOC regulate crop yield formation and 
stability  through  their  integrated  effects  on  soil  physical  properties  (for  example,  water  retention  and  structure), 
chemical  nutrient  dynamics  and  microbial  activity  under  the  complex,  socioeconomically  constrained  settings  of 
real-world farming. Such insights are vital for scaling up carbon projects that boost yields while advancing soil 
health, climate mitigation and food security.

Methods

Dataset compilation

Farm dataset

The farm dataset was compiled by pairing a farmer survey with soil sampling. The farmer survey was conducted 
for  the  major  spring  maize  crop  across  Northeast  China  from  July  to  August  2024.  We  selected  three  major 
maize-producing counties (Changtu, Lishu and Gannan) in Northeast China. In each county, 4–6 townships were 
randomly  selected,  followed  by  1–5  villages  per  township  and  1–12  farmers  per  village.  Finally,  a  total  of  192 
maize farmers from 34 villages across 14 towns, 3 counties and 3 provinces were surveyed (Supplementary Fig. 1 
and  Supplementary  Table  2).  Face-to-face  interviews  were  used  to  collect  farm  information.  As  each  farmer 
usually managed multiple maize plots with different management practices, our survey focused on the largest plot 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

Page 7 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

among  them.  We  collected  management  information  on  plot  area,  total  fertilizer  use,  maize  yield  and  soil 
management  practices  (that  is,  use  or  no  use  of  manure,  tillage  and  straw  management).  All  information  was 
recorded for 2023, 1 year before soil sampling. All maize yields were standardized to 14% moisture content. Total 
application rates of N, P2O5 and K2O were calculated based on the total quantity of fertilizer applied and its nutrient 
content.

Soil  samples  were  collected  from  the  0–20  cm  topsoil  of  each  farmer’s  largest  maize  plot,  and  locations  were 
recorded  using  GPS.  Five  to  six  points  (5  m  apart)  were  sampled  per  field,  composited  into  ~1  kg  fresh  samples 
and stored at 

−20

 °C before further processing. We used a standard method27 to measure soil data of SOC, soil 

total  nitrogen  (TN),  available  phosphorus  (AP),  available  potassium  (AK)  concentration,  soil  pH  and  soil  clay 
content.  Specifically,  SOC  was  measured  using  the  potassium  dichromate  volumetric  method.  Soil  TN  was 
measured  by  the  Kjeldahl  nitrogen  analyser  method.  Soil  AP  was  analysed  by  the  Olsen  method.  Soil  AK  was 
measured  with  a  flame  photometer  after  extraction  with  1  M  ammonium  acetate.  Soil  pH  was  measured  using  a 
glass electrode in a 1:2.5 soil/water suspension. Soil clay content was measured by the hydrometer method. GPR 
and GTE were extracted from the WorldClim database (

www.worldclim.org

) based on sampling coordinates.

Field trial dataset

The  field trial  dataset consisted  of  two  data  sources.  One  was  from  on-farm  trials  conducted  from  2005  to  2013 
within  the  National  Soil  Test  and  Fertilizer  Recommendation  Project,  which  was  launched  to  assess  nutrient  use 
efficiency and optimize fertilizer recommendations across China28. The other was from on-station trials reported in 
published studies.

As previous research28 has already provided a complete on-farm trial dataset covering diverse soils and climates 
in China, we selected from it according to our specific requirements. In this study, a total of 1,030 site-years of on-
farm  trials  for  spring  maize  across  Northeast  China  were  chosen.  These  trials  were  designed  and  managed  by 
local  agricultural  experts  and/or  trained  extension  officers  and  were  implemented  in  on-farm  fields.  For  each  on-
farm  trial,  ten  indicators  were  selected:  soil  organic  matter  (SOM);  AP,  AK  and  pH;  GPR  and  GTE;  total 
application rates of N, P2O5 and K2O; and maize yield. Notably, the total application rates of N, P2O5 and K2O 
followed optimized fertilizer recommendations developed by local agricultural experts. Soil texture was not included 
in the on-farm trial dataset because it was derived from the online Gridded dataset of the Harmonized World Soil 
Database  rather  than  laboratory  measurements.  All  these  trials  used  conventional  tillage  without  straw  return  or 
manure application. Topsoil (0–20 cm) sampling was consistent with that of our farm dataset. SOM was converted 
to  SOC  using  the  simple  equation  SOM/1.724  (ref.  29).  All  yield  data  were  standardized  to  14%  moisture  for 
uniform comparison.

We  obtained  on-station  trial  data  from  field  experimental  studies  by  searching  the  ISI  Web  of  Science 
(

https://www.webofscience.com/

)  and  China  National  Knowledge  Infrastructure  (

https://www.cnki.net/

)  databases. 

The search terms were ‘maize’ OR ‘corn’ OR ‘spring maize’ AND ‘soil organic carbon’ OR ‘soil organic matter’ 
OR ‘SOC’ OR ‘SOM’ AND ‘crop yield’ AND ‘Northeast China’ OR ‘black soil region’. Studies were included if they 
met the following criteria: (1) field-based conditions; (2) conducted in Northeast China; and (3) concurrent reporting 
of topsoil SOC and SOM content and maize yield. We extracted site coordinates, initial soil properties (SOC/SOM, 
TN, AP, AK, pH), fertilizer inputs (N, P2O5  and K2O), soil management practices (manure use, tillage and straw 
return), maize yield and soil sampling depth from each paper. To obtain complete data on the above information, 
we  excluded  studies  that  reported  only  one-sided  data  (that  is,  articles  reporting  only  SOC  without  other  soil 
nutrient  properties).  GPR  and  GTE  of  each  small-plot  trial  were  also  obtained  from  the  WorldClim  database 
(

www.worldclim.org

)  using  the  trial  site  coordinates.  Topsoil  depth  (20  cm)  and  yield  moisture  (14%)  were 

standardized for consistency. As a result, a total of 216 paired SOC–yield records from 35 studies were compiled 
for analysis following the Preferred Reporting Items for Systematic reviews guidelines (Supplementary Fig. 11).

Description and comparison of datasets

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Page 8 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

We  compared  climate,  soil  and  management  differences  across  the  three  datasets  to  assess  their  comparability 
(Supplementary  Table  1).  On-station  trials  had  the  highest  GPR  (520  mm),  followed  by  farms  (487  mm)  and  on-
farm  trials  (433  mm).  On-farm  trials  had  the  highest  GTE  (19.5  °C),  followed  by  on-station  trials  (16.8  °C)  and 
farms  (17.0  °C).  Farms  had  relatively  lower  SOC  (14.5  g  C 

kg−1)

  and  soil  pH  (5.7),  but  notably  higher  soil  AP 

(55.3 mg 

kg−1)

 and AK (219.2 mg 

kg−1)

 than on-farm trials (SOC, 17.8 g C 

kg−1;

 AP, 26.4 mg 

kg−1;

 AK, 145.3 mg 

kg−1)

 and on-station trials (SOC, 15.1 g C 

kg−1;

 AP, 27.9 mg 

kg−1;

 AK, 156.4 mg 

kg−1).

 On-farm and on-station 

trials  had  similar  total  application  rates  of  N  (~150  kg 

ha−1),

  P2O5  (70–80  kg 

ha−1)

  and  K2O  (~70  kg 

ha−1),

  all 

significantly lower than those of farms (N, 225 kg 

ha−1;

 P2O5, 95 kg 

ha−1;

 K2O, 103 kg 

ha−1).

 Most farms (>70%) 

implemented  traditional  soil  management  practices,  with  no  adoption  of  no-tillage,  straw  return  or  manure 
application. Maize cultivation in both farms and field trials was entirely rain-fed, with no irrigation applied.

We further quantified the comparability of key climatic and soil variables across the datasets by calculating overlap 
coefficients (OVLs), defined as the common area under two probability densities30 (Supplementary Fig. 12) using 
the R (version 4.3.2) Package ‘overlapping’31. OVL ranges from 0 (no overlap) to 1 (complete overlap). Specifically, 
the  OVL  for  SOC  across  all  datasets  was  0.8–0.9,  indicating  a  relatively  consistent  distribution  of  SOC  data 
between  farms  and  field  trials.  For  GTE  and  GPR,  the  similarity  between  farm  and  field  trials  was  moderate, 
with  OVLs  of  0.51  and  0.52  (farms  versus  on-farm  trials)  and  0.53  and  0.59  (farms  versus  on-station  trials), 
respectively. Similarity in fertilization application rates was lower for N (OVL range, 0.46–0.63) than for P2O5 (0.58–
0.76) and K2O (0.47–0.66). These analyses indicate that the soil and climatic conditions of farms are comparable 
to those in on-farm and on-station trials.

Quantifying causal effects of SOC on maize yield

The  aim  of  this  study  is  to  determine  whether  increased  SOC  leads  to  improved  maize  yield.  The  use  of 
observational data in farms posed a pervasive challenge for identifying this causal effect, as treatment status may 
be  correlated  with  confounding  factors.  To  overcome  this  inferential  hurdle,  we  used  causal  machine  learning 
approaches to estimate treatment effects from observational data32.

We used two approaches to estimate the causal effects of SOC on maize yield in both farms and field trials. The 
first  was  CF,  an  adaptation  of  the  classic  RF  algorithm  designed  to  estimate  and  infer  causal  effects  in 
observational  studies33.  The  CF,  widely  used  in  the  social  sciences,  is  now  gaining  traction  in  agronomic 
research34,35.  Like  RFs,  CF  generates  a  large  number  of  decision  trees,  called  causal  trees.  Each  tree  splits 
samples into small subgroups by randomly selecting features and subsets of data. Unlike traditional decision trees, 
which  split  to  minimize  prediction  error  in  building  trees,  causal  trees  split  to  maximize  the  variance  in  treatment 
effects between the two resulting leaves and make samples more uniform within each subgroup36. For our study, 
this means ensuring that samples within a subgroup are as similar as possible in all conditions except SOC, thereby 
enabling  us  to  estimate  the  causal  effect  of  SOC  on  yield  within  that  subgroup.  In  this  way,  CF  addresses  the 
fundamental problem of causal inference posed by the unobservability of true treatment effects.

The  second  approach  was  DML,  designed  to  overcome  the  challenge  of  evaluating  causal  effects  in  complex 
nonlinear  datasets,  especially  when  confounding  variables  are  present37.  DML  estimates  the  causal  effect  of  a 
treatment  variable  on  an  outcome  variable  in  two  stages.  In  the  first  stage,  flexible  machine  learning  algorithms 
predict  the  treatment  and  outcome  variables  separately,  controlling  for  confounders  and  then  calculate  their 
residuals (differences between actual and predicted values). In the second stage, these residuals are incorporated 
into a regression model to estimate the causal effect. By accounting for confounders, DML enables more accurate 
estimation of the ‘relatively pure’ effect of the treatment on the outcome, supporting causal inference. DML balances 
interpretability  and  modelling  flexibility  through  staged  modelling,  Neyman-orthogonal  moments,  cross-fitting  to 
reduce bias and overfitting, and without requiring prior assumptions about the relationships among variables38.

We  used  these  two  methods  because  they  are  based  on  different  causal  estimation  principles,  as  noted  above, 
which enhances the robustness of our results. For both CF and DML, we set SOC as the treatment variable, maize 
yield as the outcome variable and the remaining variables (GPR, GTE, TN, AP, AK, pH, N rate, P rate, K rate) as 
confounders.  These  approaches  enable  quantification  of  the  yield  benefits  of  SOC,  expressed  as  maize  yield 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

Page 9 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

gains per unit increase in SOC. We conducted CF and DML analyses using the R (version 4.3.2) packages ‘grf’33 
and ‘DoubleML’39, respectively. Specifically, we used the causal_forest’ function in ‘grf’ with 2,000 causal trees and 
other default parameters to run the CF analysis. We implemented DML analysis using RF regressors as learners 
(‘lrn’  function)  to  predict  both  the  outcome  variable  (yield)  and  the  treatment  variable  (SOC)  using  default 
parameters.  A  partially  linear  regression  model  (‘DoubleMLPLR’  function)  was  then  implemented  within  the  DML 
framework  using  these  prespecified  learners  and  fivefold  cross-validation  for  robust  estimation.  Results  from  both 
CF and DML are reported as average treatment effects with 95% CIs.

Exploring relationships between SOC and maize yield

We applied RF models to identify the key drivers of maize yield in the farm and field trial datasets, focusing on the 
effect  and  relative  importance  of  SOC.  Partial  dependence  analysis  of  the  RF  models  was  used  to  visualize  the 
marginal  relationship  between  SOC  and  maize  yield  in  both  farms  and  field  trials.  This  method  also  enabled 
identification of the critical SOC threshold for maize yield5. The RF model was developed using the environmental 
and managerial variables in the above dataset with the R (version 4.3.2) package randomForest40. Specifically, for 
farms, it was constructed with explanatory variables of GPR, GTE, SOC, TN, AP, AK, pH, N rate, P rate and K rate; 
for on-farm trials, it was constructed with GPR, GTE, SOC, AP, AK, pH, N rate, P rate and K rate; and for on-station 
trials, it was constructed with GPR, GTE, SOC, TN, AP, AK, pH, N rate, P rate and K rate. All three models used 
maize yield as the dependent variable (Supplementary Table 3).

A grid-search procedure was used to select the best hyperparameters (the number of trees, ntree, and the number 
of variables at each node, mtry) for the RF models based on the lowest cross-validation error (Supplementary Table 
4). The optimal values of ntree and mtry were 500 and 5 for farms, 1,600 and 3 for on-farm trials, and 100 and 5 
for on-station trials, respectively. We validated the RF models using fivefold cross-validation with stratified random 
sampling.  We  evaluated  model  performance  on  the  test  sets  using  the  coefficient  of  determination  (R2)  and  root 
mean square error, with the final metrics reported as the mean across all folds. RF models performed well on the 
test  sets  for  on-station  trials,  with  R2  values  of  0.62,  compared  with  0.43  for  farms  and  0.42  for  on-farm  trials 
(Supplementary  Fig.  13).  Predictor  importance  in  the  RF  models  was  assessed  using  the  percentage  increase  in 
mean squared error (%IncMSE). Multiple independent runs with different random seeds confirmed the robustness 
of the ranking of the most important predictors (Supplementary Fig. 14). To investigate the potential impact of data 
structure  and  distribution  on  RF  models,  we  further  incorporated  spatial/group  information  (coded  as  the  factor 
‘site’) as an additional predictor. Whether the site factor was included or not had minor effects on the validated R2 
values  and  SOC–yield  relationships  (Supplementary  Fig.  15).  Partial  dependence  analysis  was  conducted  using 
the R (version 4.3.2) package pdp41 and subsequently smoothed using a generalized additive model implemented 
in the R (version 4.3.2) package mgcv42. The 100-time bootstrap approach was used to estimate the uncertainty 
associated with the partial dependence analysis, in accordance with previous research5. The rfPermute package43 
was used to estimate the statistical significance of each predictor.

To  further  understand  the  SOC–yield  relationship,  we  used  SHAP  analysis44.  For  SOC,  positive  SHAP  values 
indicate increases in predicted maize yield, whereas negative SHAP values indicate decreases in predicted maize 
yield. SHAP values for RF models were computed using the R (version 4.3.2) packages fastshap and shapviz, with 
the explain function and 1,000 Monte Carlo repetitions to ensure numerical stability and reliability.

Evaluating the effects of environments and management practices

We  used  a  combined  approach  of  a  sliding-window  analysis  and  partial  correlation  to  evaluate  how  soil,  climate 
and management factors modulated the correlation between SOC and maize yield. This analysis is well suited to 
investigating the trend of the correlation between two factors in response to the gradient of the third one45,46. It 
could  be  applied  to  evaluate  whether  modulating  effects  are  linear  or  abrupt,  which  was  more  refined  and 
meaningful  than  the  conventional  grouping  approach.  In  this  study,  we  evaluated  the  modulating  effects  of  GPR, 
GTE, pH, clay, N rate, P rate, K rate, no-till, straw return and manure application on the partial correlation between 
SOC and maize yield in both farms and field trials. For the continuous variables (GPR, GTE, pH, clay, N rate, P 
rate  and  K  rate),  we  first  ordered  each  variable  starting  from  the  lowest  to  the  highest  value,  along  with  all  other 

Page 12

Figures and page graphics, page 12

Page 10 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

variables in the dataset. We then selected a window width of 50 steps for both farms and on-station trials and 200 
steps  for  on-farm  trials  because  the  on-farm  trials  had  a  larger  observation  size  (n  =  1,030)  than  the  farms  (n  = 
192)  and  on-station  trials  (n  =  216).  For  each  window  width,  we  calculated  the  mean  value  of  every  moderating 
variable and the partial correlation between SOC and maize yield. For the categorical variables (use or no use of 
till, straw return and manure application), we first grouped the datasets according to the categorical variables and 
then  calculated  the  partial  correlation  between  SOC  and  maize  yield  separately.  Note  that  this  analysis  was 
applied only to the farms and on-station trials because the soil management practices in on-farm trials were the 
same:  conventional  tillage  without  straw  return  and  manure  application.  When  calculating  partial  correlations,  we 
controlled  all  indicators  except  SOC  to  eliminate  the  influence  of  other  pedoclimatic  and  managerial  factors.  The 
response  of  the  SOC–yield  partial  correlation  to  each  factor  was  quantified  using  linear  and/or  nonlinear  models 
(Supplementary Table 5). The sliding-window analysis was performed using the R (version 4.3.2) packages zoo47 
paired with ppcor48 for partial correlation analyses.

Uncertainty and sensitivity analyses

We  conducted  uncertainty  and  sensitivity  analyses  to  assess  the  robustness  of  SOC  effects  on  maize  yield  by 
accounting for data quality and modelling choice. First, model input data may affect our findings. We conducted a 
Monte Carlo simulation to quantify uncertainties arising from both data sources and the CF, DML and RF models. 
All  model  inputs,  including  climate  variables  (GPR,  GTE),  soil  properties  (SOC,  TN,  AP,  AK,  pH),  N,  P  and  K 
application  rates,  and  maize  yield,  were  assumed  to  follow  normal  distributions  for  both  farms  and  field  trials. 
Uncertainty  was  characterized  using  the  coefficient  of  variation  (standard  deviation/mean),  with  the  coefficient  of 
variation values sourced from previous studies (Supplementary Table 6). We ran 1,000 iterations for all models, and 
the  results  are  summarized  as  means  with  95%  prediction  intervals  constructed  using  the  2.5th  and  97.5th 
quantiles.  Uncertainty  from  model  misspecification  was  also  quantified  through  variation  in  outcomes  across 
different  model  structures  and  parameter  settings.  We  assessed  variability  in  model  predictions  under  different 
hyperparameter settings (for example, the number of trees and the number of features). Algorithmic instability was 
determined  from  the  variability  in  model  estimates  across  multiple  fits  to  the  same  simulated  data.  Results 
accounting  for  all  sources  of  uncertainty  supported  the  conclusion  that  increasing  SOC  enhanced  maize  yield  in 
field trials but had no detectable effect on maize yield in farms across Northeast China (Supplementary Fig. 3). 
Partitioning  of  the  total  uncertainty  revealed  that  model-related  uncertainty  was  the  dominant  contributor  (~95%) 
relative to other sources (Supplementary Fig. 16).

Second,  we excluded  data  points that  showed  large  discrepancies between  farms  and  field trials.  This  analysis 
focused  on  key  variables:  SOC,  GPR  and  GTE.  Outliers  were  identified  using  a  cross-group  3

σ

  rule:  the  lower 

threshold was set as the maximum of (

μ

 (mean value) 

−

 3

σ

) and the upper threshold as the minimum of (

μ

 + 3

σ

), 

calculated separately for farms, on-farm and on-station trials (Supplementary Table 7). After removing outliers for 
SOC, GPR and GTE, we re-ran the CF and DML analyses. The results remained consistent with those from the full 
dataset  (Supplementary  Fig.  2),  confirming  that  our  causal  conclusions  are  robust  to  the  exclusion  of  SOC  and 
climate outliers. Together, our uncertainty and sensitivity analyses demonstrated that the divergent SOC effects on 
maize yield between farms and field trials remain robust to variations in data quality and modelling adjustments.

Reporting summary

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

Acknowledgements

We  thank  all  farmers  and  county  government  staff  who  supported  the  study.  We  thank  all  the  people  who 
participated  in  the  survey  and  soil  sampling.  We  thank  S.  Wang  and  X.  Cui  for  their  helpful  comments  on  the 
methodology in an earlier version of this paper.

Notes

Page 13

Figures and page graphics, page 13

Page 11 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

Supplementary informationThe online version contains supplementary material available at 

https://doi.org/10.1038/s43016-026-01401-5

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

jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Bibliography

[1].Nerini, FF. Extending the Sustainable Development Goals to 2050—a road mapNature (2024). Vol. 630. Pg 555-
558. 

[2].Nationally 

Determined 

Contributions 

(NDC) 

under 

the 

Paris 

Agreement 

Synthesis 

Report 

FCCC/PA/CMA/2024/10 (UNFCCC Secretariat, 2024).

[3].Bossio, DA. The role of soil carbon in natural climate solutionsNat. Sustain. (2020). Vol. 3. Pg 391-398. 

[4].Lal, R. Soil organic matter content and crop yieldJ. Soil Water Conserv. (2020). Vol. 75. 

[5].Ma, Y. Global crop production increase by soil organic carbonNat. Geosci. (2023). Vol. 16. Pg 1159-1165. 

[6].Lal, R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food securityScience (2004). Vol. 304. 
Pg 1623-1627. 

[7].Oldfield,  EE.  Bradford,  MA.  Wood,  SA.  Global  meta-analysis  of  the  relationship  between  soil  organic  matter 
and crop yieldsSoil (2019). Vol. 5. Pg 15-32. 

[8].Oldfield, EE. Positive associations of soil organic matter and crop yields across a regional network of working 
farmsSoil Sci. Soc. Am. J. (2022). Vol. 86. Pg 384-397. 

[9].Zhang,  W.  Closing  yield  gaps  in  China  by  empowering  smallholder  farmersNature  (2016).  Vol.  537.  Pg  671-
674. 

[10].Moinet, GY. Hijbeek, R. van Vuuren, DP. Giller, KE. Carbon for soils, not soils for carbonGlob. Change Biol. 
(2023). Vol. 29. Pg 2384-2398. 

[11].Zhao, J. For the protection of black soilsNat. Food (2025). Vol. 6. Pg 119-120. 

[12].Zhao,  Y.  Economics-  and  policy-driven  organic  carbon  input  enhancement  dominates  soil  organic  carbon 
accumulation in Chinese croplandsProc. Natl Acad. Sci. USA (2018). Vol. 115. Pg 4045-4050. 

[13].National Bureau of Statistics of China Chinese Statistical Yearbook 2024 (China Statistics Press, 2025).

[14].Oldfield,  EE.  Wood,  SA.  Bradford,  MA.  Direct  evidence  using  a  controlled  greenhouse  study  for  threshold 
effects of soil organic matter on crop growthEcol. Appl. (2020). Vol. 30. 

[15].Ordóñez,  RA.  Insufficient  and  excessive  N  fertilizer  input  reduces  maize  root  mass  across  soil  typesField 
Crops Res.
 (2021). Vol. 267. 

[16].Xing,  H.  Excessive  nitrogen  application  under  moderate  soil  water  deficit  decreases  photosynthesis, 
respiration, carbon gain and water use efficiency of maizePlant Physiol. Biochem. (2021). Vol. 166. Pg 1065-1075. 

[17].National Soil Survey Office Chinese Soil (China Agricultural Press, 1998).

[18].Jeffery, S. Biochar boosts tropical but not temperate crop yieldsEnviron. Res. Lett. (2017). Vol. 12. 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

Page 12 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

[19].Guo, N. A quantitative review of the effects of biochar application on the reduction of Cu concentration in plant: 
a meta-analysisEnviron. Sci. Pollut. Res. (2024). Vol. 31. Pg 60731-60748. 

[20].Guo, JH. Significant acidification in major Chinese croplandsScience (2010). Vol. 327. Pg 1008-1010. 

[21].Hu,  Z.  Nutrient-induced  acidification  modulates  soil  biodiversity-function  relationshipsNat.  Commun.  (2024). 
Vol. 15. 

[22].Daniel,  AK.  Bradford,  MA.  Fuller,  M.  Oldfield,  EE.  Wood,  SA.  Soil  organic  matter  protects  US  maize  yields 
and lowers crop insurance payouts under droughtEnviron. Res. Lett. (2021). Vol. 16. 

[23].Hijbeek,  R.  Do  organic  inputs  matter—a  meta-analysis  of  additional  yield  effects  for  arable  crops  in 
EuropePlant Soil (2017). Vol. 411. Pg 293-303. 

[24].Garcia-Vila,  M.  Gaps  and  strategies  for  accurate  simulation  of  waterlogging  impacts  on  crop  productivityNat. 
Food
 (2025). Vol. 6. Pg 553-562. 

[25].Zhao, X. Crop yields under no-till farming in China: a meta-analysisEur. J. Agron. (2017). Vol. 84. Pg 67-75. 

[26].Vonk, WJ. European survey shows poor association between soil organic matter and crop yieldsNutr. Cycl. 
Agroecosyst.
 (2020). Vol. 118. Pg 325-334. 

[27].Jiang, R. F. & Cui, J. Y. in Fertilization Technology Highlights (ed. Zhang, F. S.) Ch. 5 (China Agricultural Univ. 
Press, 2006).

[28].Qiao,  L.  Soil  quality  both  increases  crop  production  and  improves  resilience  to  climate  changeNat.  Clim. 
Change
 (2022). Vol. 12. Pg 574-580. 

[29].Van Bemmelen, J. Der 851 in Den Colloïdalen Silikaten Gebundenen Kieselsäure, Des Mangans U. S. W. Im 
Ack-852 erbodenLandwirthsch. Vers.-Stat. (1890). Vol. 37. Pg 279-290. 

[30].Friedrich,  S.  Schmidt,  A.  Nonparametric  estimation  of  the  coefficient  of  overlapping—theory  and  empirical 
applicationComput. Stat. Data Anal. (2006). Vol. 50. Pg 1583-1596. 

[31].Pastore,  M.  Overlapping:  a  R  package  for  estimating  overlapping  in  empirical  distributionsJ.  Open  Source 
Softw.
 (2018). Vol. 3. 

[32].Feuerriegel, S. Causal machine learning for predicting treatment outcomesNat. Med. (2024). Vol. 30. Pg 958-
968. 

[33].Breiman, L. Random forestsMach. Learn. (2001). Vol. 45. Pg 5-32. 

[34].Deines, JM. Wang, S. Lobell, DB. Satellites reveal a small positive yield effect from conservation tillage across 
the US Corn BeltEnviron. Res. Lett. (2019). Vol. 14. 

[35].Kluger, DM. Owen, AB. Lobell, DB. Combining randomized field experiments with observational satellite data to 
assess the benefits of crop rotations on yieldsEnviron. Res. Lett. (2022). Vol. 17. 

[36].Altey, S. Wager, S. Estimating treatment effects with causal forests: an applicationObs. Stud. (2019). Vol. 5. Pg 
37-51. 

[37].Chernozhukov,  V.  Double/debiased  machine  learning  for  treatment  and  structural  parametersEconomet.  J. 
(2018). Vol. 21. Pg C1-C68. 

[38].Jonathan,  F.,  Philipp,  B.  &  Dominik,  P.  Estimating  causal  effects  with  double  machine  learning—a  method 
evaluation. Preprint at 

https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.14385

 (2024).

Page 15

Figures and page graphics, page 15

Page 13 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

[39].Bach, P. Kurz, MS. Chernozhukov, V. Spindler, M. Klaassen, S. DoubleML: an object-oriented implementation 
of double machine learning in RJ. Stat. Softw. (2024). Vol. 108. Pg 1-56. 

[40].Liaw, A. Wiener, M. Classification and regression by random forestR. News (2002). Vol. 2. Pg 18-22. 

[41].Greenwell, BM. pdp: an R package for constructing partial dependence plotsR J. (2017). Vol. 9. Pg 421-436. 

[42].Wood, S. N. Generalized Additive Models: An Introduction with R 2nd edn (Chapman and Hall/CRC, 2017).

[43].Archer, E. rfPermute: estimate permutation p-values for random forest importance metrics. R Package v 2.5.4 
(2025).

[44].Lundberg, SM. From local explanations to global understanding with explainable AI for treesNat. Mach. Intell. 
(2020). Vol. 2. Pg 56-67. 

[45].Gross, N. Unforeseen plant phenotypic diversity in a dry and grazed worldNature (2024). Vol. 632. Pg 808-814. 

[46].Berdugo,  M.  Gaitán,  JJ.  Delgado-Baquerizo,  M.  Crowther,  TW.  Dakos,  V.  Prevalence  and  drivers  of  abrupt 
vegetation shifts in global drylandsProc. Natl Acad. Sci. USA (2022). Vol. 119. 

[47].Zeileis,  A.  Grothendieck,  G.  Zoo:  S3  infrastructure  for  regular  and  irregular  time  seriesJ.  Stat.  Softw.  (2005). 
Vol. 14. Pg 1-27. 

[48].Kim, S. ppcor: an R package for a fast calculation to semi-partial correlation coefficientsCommun. Stat. Appl. 
Methods
 (2015). Vol. 22. Pg 665-674. 

[49].Zhao, S. X. et al. The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does 
not  translate  to  real-world  farms  in  Northeast  China.  figshare

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.32529207

 

(2026).

[50].Zhao,  S.  X.  The  beneficial  relation  between  soil  organic  carbon  and  maize  yield  in  field  trials  does  not 
translate to real-world farms in Northeast China. figshare

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.32539239

 (2026).

Classification

Language: ENGLISH

Publication-Type: Magazine

Journal Code: 43016

Subject:  SOIL HEALTH (92%);  SOIL CONSERVATION (90%);  CORN FARMING (90%);  CROP RESEARCH 
(90%);  AGRICULTURE (89%);  FERTILIZERS (89%);  FOOD INDUSTRY (89%);  CARBON CAPTURE & 
STORAGE (89%);  CONSERVATION (89%);  CARBON SEQUESTRATION (89%);  CROP PRODUCTION (78%);  
SUSTAINABILITY (78%);  FOOD & BEVERAGE (78%);  SUSTAINABLE DEVELOPMENT (78%);  EMISSIONS 
(73%);  SUSTAINABLE DEVELOPMENT GOALS (73%);  EVIDENCE (72%);  PRODUCTIVITY (65%); 
AGRICULTURAL WASTES (78%); SOIL CONSERVATION (90%); SUSTAINABLE DEVELOPMENT GOALS 
(73%); CARBON SEQUESTRATION (89%); CARBON CAPTURE & STORAGE (89%); EVIDENCE (72%); CROP 
RESEARCH (90%); SOIL HEALTH (92%); SUSTAINABILITY (78%); PRODUCTIVITY (65%); SUSTAINABLE 
DEVELOPMENT (78%); EMISSIONS (73%); CONSERVATION (89%)

Page 16

Figures and page graphics, page 16

Page 14 of 14

The beneficial relation between soil organic carbon and maize yield in field trials does not translate to real-world 

farms in Northeast China

Organization: Institute of Carbon Neutrality, Laboratory for Earth Surface Processes, College of Urban and 
Environmental Sciences, Sino-France Institute of Earth System Science; Peking University; School of Agriculture 
and Food Sustainability; The University of Queensland; Institute of Applied Ecology; Chinese Academy of Sciences; 
College of Life Sciences; Northeast Agricultural University; Southwest United Graduate School

Industry: AGRICULTURAL WASTES (78%); AGRICULTURE (89%); SUSTAINABLE DEVELOPMENT GOALS 
(73%); FOOD INDUSTRY (89%); FOOD & BEVERAGE (78%); FOOD & BEVERAGE OVERVIEW (78%); CROP 
RESEARCH (90%); SOIL HEALTH (92%); CORN FARMING (91%); SUSTAINABLE DEVELOPMENT (78%); 
EMISSIONS (73%); CROP PRODUCTION (89%); FERTILIZERS (89%)

Geographic:  BEIJING, CHINA (57%); BEIJING, CHINA (57%);  NORTHEAST CHINA (92%); NORTHEAST 
CHINA (92%);  CHINA (94%); CHINA (94%)

Load-Date: August 20, 2026

End of Document


Document Outline