Impact of historical land use and soil management change on soil erosion and agricultural sustainability during the Anthropocene

Impact of historical land use and soil management change on soil erosion and agricultural sustainability during the Anthropocene

Accepted Manuscript Title: Impact of historical land use and soil management change on soil erosion and agricultural sustainability during the Anthrop...

1MB Sizes 0 Downloads 77 Views

Accepted Manuscript Title: Impact of historical land use and soil management change on soil erosion and agricultural sustainability during the Anthropocene Author: T. Vanwalleghem J.A. G´omez J. Infante Amate M. Gonz´alez de Molina K. Vanderlinden G. Guzm´an A. Laguna J.V. Gir´aldez PII: DOI: Reference:

S2213-3054(17)30001-2 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.ancene.2017.01.002 ANCENE 129

To appear in: Received date: Revised date: Accepted date:

2-2-2016 5-12-2016 3-1-2017

Please cite this article as: Vanwalleghem, T., G´omez, J.A., Infante Amate, J., Gonz´alez de Molina, M., Vanderlinden, K., Guzm´an, G., Laguna, A., Gir´aldez, J.V., Impact of historical land use and soil management change on soil erosion and agricultural sustainability during the Anthropocene.Anthropocene http://dx.doi.org/10.1016/j.ancene.2017.01.002 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

  Impact of historical land use and soil management change on soil erosion and agricultural  sustainability during the Anthropocene  Vanwalleghem, T.1,*, Gómez, J.A.2, Infante Amate, J.3, González de Molina, M.3, Vanderlinden,  K.4, Guzmán, G.2, Laguna, A.5, Giráldez, J.V.1,2    (1) Department of Agronomy, University of Cordoba (Cordoba)  (2) Instituto de Agricultura Sostenible, CSIC (Córdoba).   (3) Laboratorio de Historia de los Agroecosistemas. Universidad Pablo de Olavide (Sevilla).  (4) IFAPA, Centro Las Torres‐Tomejil (Sevilla)  (5) Department of Applied Physics, University of Cordoba (Cordoba)    * corresponding author. email = [email protected]     

 

1   

  Abstract  Since prehistoric times, farmers have constantly faced the challenge of balancing the demand  for  increasing  food  production  from  existing  soil  resources  with  their  conservation.  Land  use  change  from  natural  vegetation  to  agricultural  land  and  intensification  of  agricultural  soil  management  are  closely  linked  to  increased  soil  erosion  rates.  In  this  review,  the  effects  of  changes  in  both  past  land  use  and  agricultural  soil  management  on  soil  erosion  have  been  analyzed  and  quantified.  It  is  shown  how,  at  a  global  scale,  the  period  of  the  first  significant  land use closely corresponds to a first wave of soil erosion. Equally important however are past  soil  management  changes.  As  shown  by  a  number  of  case  studies,  a  change  in  management  under  the  same  land  use  can  convert  a  sustainable  agroecosystems  into  a  highly  degraded  system. As soil erosion rates, soil profile truncation, agricultural yield and biomass production  are  closely  related,  it  is  important  to  consider  interactions  and  feedback  effects  when  modelling this system. It is shown how many of the challenges faced when modelling past soil  erosion  dynamics  and  agricultural  sustainability  are  similar  to  those  of  quantifying  future  changes in climate or agricultural systems.  Key  words:  agricultural  sustainability,  soil  erosion,  land  use  change,  soil  management,  modelling, Anthropocene     

 

2   

  1. Introduction  Soil  erosion  is  a  serious  threat  to  global  agricultural  sustainability  because  soil  resources  are  finite on a human time scale. Sustainable agriculture depends, among many other issues, on  how efficiently it can use the natural resources, specifically soil and water. In a recent review,  Sposito (2013) explained how man’s use of soil and natural resources in their quest to face the  food  demand  of  the  world  population  approaches  the  limits  of  three  main  constraints:  land  use, water use, and ability of agriculture to produce crops. Steffen et al. (2015) recognized that  a “planetary boundary” limited the first constraint, the expansion of crop lands or the surface  area  of  land  used.  Then,  the  second  constraint,  water  use  is  limited:  while  rainfall  or  green  water  availability  is  relatively  constant,  additional  use  of  blue  water,  or  freshwater  derived  from surface or groundwater sources, was calculated by Hoekstra et al. (2012) to be limited to  20%  of  the  global  annual  runoff.  The  final  and  third  constraint,  the  ability  of  agriculture  to  increase or maintain  crop yields, is continuously threatened and reduced by soil erosion and  degradation.  While  better  agricultural  management,  such  as  improved  crop  varieties  or  mineral  fertilizer,  has  increased  crop  yields  spectacularly  over  the  past  century,  during  the  same  period  erosion  rates  have  increased  accordingly  (Mazoyer  and  Roudart,  1997;  Tilman,  1998).  Such  crop  inputs  are  becoming  increasingly  scarce,  and  might  be  depleted  in  50‐100  years (Cordell et al., 2009). Access to these crop inputs is unequal and already difficult in less‐ developed countries, where the erosion of the soil resource potential is felt more directly. Soil  erosion  by  water  is  therefore  currently  considered  as  one  of  the  most  significant  soil  degradation  processes  globally  (Pimentel  et  al.,  1995).  However,  to  acquire  a  better  understanding  of  the  main  current  drivers  and  their  effects,  soil  erosion  needs  to  be  interpreted and analyzed in its historical context. This review aims to give an overview of the  effects of past land use and soil management changes on soil erosion and assess its effects on  agricultural sustainability, focusing on the central role of soil resources. 

3   

  As early as in Neolithic times (Meybeck and Vörösmarty, 2005), land use change has resulted in  catastrophic episodes of soil erosion in many areas of the world (Bork and Lang, 2003). Over  the  last  century  however,  intensification  of  land  management,  especially  since  the  introduction  of  mechanized  agriculture,  has  led  to  soil  erosion  levels  and  widespread  soil  degradation  as  yet  unseen.  Humans  currently  manage  half  of  the  earth’s  surface  and  their  actions  have  led  to  the  rapid  evolution  of  basic  soil  characteristics,  such  as  soil  thickness,  texture or nutrient content. Richter (2007) states that humans today are the planet’s major soil  forming  factor,  in  a  process  that  started  with  the  dawn  of  agriculture.  For  several  thousand  years,  our  past  land  use  and  soil  management  have  significantly  affected  global  vegetation  patterns  (Kaplan  et  al.,  2010)  and  possibly  even  atmospheric  CH4  and  CO2  concentrations  (Ruddiman,  2003).  However,  the  effects  of  these  past  farming  activities  on  soil  erosion  dynamics and global soil resources have received much less research attention. While it is well  known  that  soil  erosion  has  led  to  a  significant  loss  of  fertile  land,  our  quantitative  understanding of the dynamics of past global soil erosion is still limited to a few case studies. It  also remains extremely difficult to evaluate how global soil resources have changed over time  due to erosion‐induced changes in soil depth, soil texture, stoniness or a decrease in nutrient  status.  And,  finally,  the  role  human‐induced  soil  erosion  has  played  in  agricultural  yields  and  sustainability over the past millennia is largely unknown.   Part  of  this  knowledge  gap  is  due  to  the  fact  that  feedbacks  between  erosion  rates,  soil  properties, vegetation and, more specifically, agricultural crop yields, are complex and hard to  quantify. The magnitude of erosion‐induced changes will depend on soil profile characteristics.  Soils are typically formed by different horizons, each with widely varying properties. Superficial  soil horizons are generally more nutrient‐rich and have a higher water holding capacity. Past ‐ but also future‐ changes in crop yield and other ecosystem services can therefore be expected  to  be  highly  non‐linear,  with  thresholds  that  are  determined  by  the  soil  horizons.  Significant  changes  in  soil  functioning  can  thus  occur  much  more  suddenly  than  typically  assumed  ones  4   

  based  on  assessments  of  whole  profile  depth.  Taking  a  typical  topsoil  depth  of  0.3  m,  combined with typical soil erosion rates on cultivated land of 1 to 4 mm yr‐1, the time required  to  erode  through  the  fertile  topsoil  is  in  the  order  of  75‐300  years.  Many  areas  around  the  world, such as the Mediterranean or Asia, have a long land use  history that by far surpasses  this  order  of  magnitude.  Therefore,  it  can  be  expected  that  many  regions  currently  have  a  significantly lower soil resource capacity than before the first land use and are more vulnerable  to future climate change.   The paper is organized as follows. In section 2 the dynamics of (pre)historic land use and soil  management, and its drivers is reviewed. In section 3 an analysis of the effect of (pre)historic  land  use  changes  on  soil  erosion  is  provided,  while  in  section  4  the  effect  of  historic  soil  management dynamics on soil erosion is further examined. Finally, in section 5, key challenges  are identified and a roadmap is established for modelling  past soil erosion and its effects on  agricultural  sustainability.  Also  similarities  between  the  modelling  of  past  and  future  soil  erosion processes are highlighted.    2. Historical trends and driving forces of land use, soil management and productivity  Land use changes are generally considered as one of the main factors of global change (Foley  et al., 2005). In some areas of the world, especially in Europe, occupation of the terrain started  already  several  millennia  ago.  Deforestation  (Kaplan  et  al.,  2009)  and  expansion  of  cropland  (Ellis et al., 2013) already reached its highest levels several centuries ago. Although this process  of  conversion  of  natural  vegetation  had  started  in  early  hunter‐gatherer  societies,  these  changes had a limited impact and were geographically limited with respect to those of the last  three centuries. The last phase of the Holocene witnessed global changes without precedent in  the history of mankind, to a large extent derived from changes in soil use, both including land  use or land cover changes and changes in soil management (DeFries et al., 2004). Therefore,  5   

  and  with  the  increasing  recognition  of  the  scientific  community,  the  Anthropocene  has  been  suggested  as  a  new  epoch  of  geologic  time  (Crutzen,  2002;  Ellis,  2011;  Steffen  et  al.,  2011;  Waters  et  al.,  2016),  reflecting  the  capacity  of  mankind  to  interfere  with  the  physical  and  biological dynamics of ecosystems. There is some controversy about the start date of this new  geological era, as to whether it began as from the Neolithic revolution (Ruddiman, 2003), the  industrial revolution (Crutzen, 2002) or from World War II (Zalasiewicz et al., 2010). There is no  doubt, as pointed out by Ellis (2015), that “the ecological patterns, processes, and dynamics of  the present day, deep past, and foreseeable future are shaped by human societies”. This is also  applicable to soils; many of their features are of anthropic origin (Certini and Scalenghe, 2011),  as discussed in the introduction.  Case  studies  around  the  world  have  shown  that  there  appears  to  be  a  parallel  evolution  pathway  in  land  cover  changes,  with  similar  transition  processes,  as  shown  in  Figure  1.  This  figure  shows  how  natural  ecosystems  start  suffering  perturbations  since  the  very  start  of  human presence in a particular area. During the first stages of colonization, when population  densities  are  minimal,  processes  like  deforestation  and  low‐intensity  agriculture  take  place  (Boserup,  1965).  As  population  density  increases,  periods  of  ever  more  intensive  agriculture  succeed  each  other.  This  intensification  is  fueled  by  the  increase  in  urban  demand  and  economic  incentives.  This  common  pattern  of  transition  processes  repeated  itself  in  accelerated or slowed down form, or even modified, in different historic periods or study areas  (DeFries et al., 2004).  Kaplan et al. (2009) confirmed that agriculture was the main vector of deforestation processes  in Europe from prehistoric times to industrialization. They also showed how from the start of  industrialization in Europe, this process accelerated and culminated in the second half of the  20th century, after which the surface area occupied by forests started to increase again in many  industrialized countries (Mather and Fairbairn, 2000; Mather and Needle, 1998). Parton et al. 

6   

  (2015) shows how also in areas of more recent colonization, the same patterns seem to have  been followed.   This suggests that intensification of agriculture spares other areas by concentrating production  on  certain  ones.  Over  the  last  years,  the  concept  of  “forest  transition”  was  proposed  by  Mather  (1992) and others (e.g. Grainger, 1995; Rudel et al., 2009), to describe this observed  trend  break  of  a  constantly  expanding  cropland  area.  The  concept  refers  to  the  shift  from  forest shrinking to forest expansion, observed at a national or regional scale around the world.  This  phenomenon  has  been  documented  in  several  European  countries,  North  America  and,  more recently, in China, India, Vietnam, Costa Rico, Puerto Rico among others (Lambin et al.,  2001;  Lambin  and  Meyfroidt,  2010;  Meyfroidt  and  Lambin,  2011).  Rudel  et  al.  (2009)  and   Borlaug (2007) have summarized the close links that exist between agricultural intensification  and  land  sparing.  The  reasons  for  this  transition  can  be  found  in  the  abandonment  of  agricultural activity and in the increase in environmental awareness, leading to the subsequent  reforestation  of  old  cropland  or  grazing  areas  (Mather  and  Needle,  1998).  Scientific  debate,  however,  has  reached  mixed  conclusions.  One  reason  is  that  in  these  studies,  virtual  or  embodied land use being imported or exported at a national scale and sustaining a diet of high  territorial  requirements  and  of  abandonment  and  conversion  of  large  areas  in  the  European  Union,  is  not  always  being  taken  into  account  (Rudel  et  al.,  2009;  Meyfroidt  et  al.,  2010;  Kastner et al., 2012). Also, for example Rudel et al. (2009) conclude in their review that the link  in  the  intensification–land‐sparing  hypothesis,  between  rising  yields  and  declining  cultivated  areas,  does  not  generally  characterize  agricultural  sectors  of  between  1990  and  2005.  This  supports the idea that forest transition processes are happening at a regional or national scale,  and fuels uncertainties whether or not agricultural intensification can really spare land.   Similarly  to  land  use,  intensification  of  soil  management  has  also  followed  parallel  trends  globally,  independently  of  where  and  when  the  case  study  occurred  (Mustard  et  al.,  2012). 

7   

  Foley et al. (2005) proposed a sequence of soil management or land use transitions that have  intensity  as  their  main  driver.  More  recently  and  following  the  same  criterion,  a  Land  Intensification Theory was formulated by Ellis et al. (2013). Soil management intensification is  defined here as an increase in agricultural operations and an increasing use of external inputs  which, generally, results in an increase in agricultural production (Soto et al., 2016). The major  body of existing literature tends to assume a Boserup‐type maximum, in which the processes  of  intensification  lead  to  an  increase  in  productivity  of  the  land  but  to  a  decrease  in  productivity  of  labor  (Boserup,  1965)  (Figure  1d).  Indeed,  recent  history  shows  a  sustained  growth  in  productivity,  associated  with  more  intensive  management.  However,  two  observations must be made on this generally accepted theory. Firstly, while it is clear that an  increase in agricultural productivity has been documented (Bindraban et al., 2012; Currie et al.,  2015), it is not at all evident whether net primary productivity also increased at the same rate  (Krausmann et al., 2013; Smil, 2011). What is generally happening is that an increase in fruit or  grain  production  is  obtained,  without  a  corresponding  increase  in  total  biomass  production.  Secondly,  more  and  more  studies  seem  to  support  that  there  was  never  a  continuously  growing  productivity,  but  rather  a  complex  succession  that  included  retrogression  and  crisis  phases  (Ellis  et  al.,  2013)  (Figure  1c).  The  debate  on  collapse  would  be  the  most  extreme  example of this (e.g. Diamond, 2005). Finally, in relation to labor force productivity, currently it  is  known  that  it  tended  to  decrease  in  preindustrial  contexts,  as  was  sustained  by  Boserup  (1965),  but  in  industrial  societies  a  very  significant  growth  occurred,  associated  with  the  process  of  industrialization  of  agriculture  and  of  the  agricultural  sector  in  general  (Fischer‐ Kowalski et al., 2014).  It  has  been  debated  in  recent  years  whether  it  is  possible  to  further  intensify  agricultural  production  without  damaging  natural  resources.  Agroecology  defends  that  the  only  sustainable way to increase the productive land is by using agroecological methods (Nicholls et  al.,  2016),  for  example  crop  rotations  (e.g.  incorporating  legumes)  or  increasing  biodiversity  8   

  with  agroforestry  techniques.  However,  outside  the  Agroecology  branch,  a  new  trend  has  emerged that defends the possibility of an "ecological or sustainable intensification". This idea  was  introduced  in  the  late  nineties,  linked  to  the  need  to  increase  productivity  in  degraded  land  in  Africa  (Pretty,  1997).  There  is  no  generally  accepted  definition  of  sustainable  intensification, but the term is used as the enhancement of efficiency (Lang and Barling, 2012)  or  the  “the  use  and  optimization  of  biological  regulation”  (Doré  et  al.,  2011)  in  order  to  improve  soil  productivity  without  degrading  agroecosystems.  It  means  an  increase  in  production,  while  minimizing  negative  environmental  impacts  and  avoiding  the  expansion  of  land  used  for  cultivation  (Godfray  and  Garnett,  2014).  Because  of  this  new  further  use  of  external  inputs,  some  authors  suggest  sustainable  intensification  actually  justifies  new  high‐ input models and the use of technologies, such as biotechnology (Loos et al., 2014).  With respect to the driving forces behind this intensification, the explanatory hypothesis based  on the theories of Boserup (1965) received most attention. This hypothesis puts forward that  the increase in land use and management intensity has been a consequence of the increase in  population density and a decrease in the available land area. Many hypotheses are based on  “population  pressure”  as  a  key  variable  causing  land  use  changes  (Currie  et  al.,  2015).  However,  more  recently,  criticism  of  the  hypothesis  of  Boserup  and  her  followers  has  appeared.  Lambin  et  al.  (2001)  oppose  the  idea  that  population  and  poverty  trigger  unsustainable  intensification  in  smallholder  agriculture.  Other  authors  have  limited  the  relation deforestation‐population density to preindustrial societies (Kaplan et al., 2009) or, in  general,  the  viability  of  the  Boserupian  theory  in  industrialized  agricultures  (Fischer‐Kowalski  et  al.,  2014).  Ellis  et  al.  (2013)  propose  to  extend  land‐use  intensification  as  the  adaptive  response  of  human  populations  not  only  to  demographic  pressures,  but  also  to  social,  and  economic  ones.  However,  they  warn  that  this  process  is  non‐linear,  neither  continuous,  nor  uniform,  and  can  experience  advances  and  regressions.  This  results,  according  to  the  social,  demographic  and  economic  conditions,  in  different  soil  uses  that  combine  Boserupian  with  9   

  other  Malthusian  explanations.  Among  others,  Kay  and  Kaplan  (2015)  sustain  that  intensification  drivers  are  more  complex  than  population,  social  or  economic  variables.  They  propose  that  there  is  a  sequence  of  factors  whose  specific  combination  explains  land  use  patterns. These authors describe, based on archaeological records and other sources, land use  pattern  characteristics  in  sub‐Saharan  Africa  during  the  period  1000  BC  –  1500  AD,  using  a  simple  classification  scheme  with  17  categories  that  cover  the  range  of  human  subsistence  strategies from foraging to urbanized societies. These categories reflect specific combinations  of  diet,  technology,  culture,  subsistence  and  urbanization  that  lead  to  distinctive  patterns  of  land use intensity.  Finally,  some  authors  state  that  land  changes  at  all  spatial  levels  are  influenced  by  long‐ distance  flows  of  raw  material,  energy,  products,  people,  information  and  capital,  creating  a  need  for  novel  theoretical  and  methodological  approaches  to  the  analysis  of  causal  relationships  in  land  system  dynamics  (Friis  et  al.,  2015).  They  propose  considering  land  systems  as  coupled  human–environment  systems.  In  this  sense,  land  use  systems  could  be  better understood and analyzed when considering the result of a specific metabolic design and  land  use  transitions  as  components  of  a  more  general  socio‐ecological  transition  (Fischer‐ Kowalski and Haberl, 2007; González de Molina and Toledo, 2014). Beyond the complexity of  land  use  change  across  history  cited  above,  the  existence  of  land  change  regimes  may  be  related  to  socio‐metabolic  changes.  In  this  sense,  preindustrial  economies,  characterized  by  their impossibility of establishing large trade networks, generated isolated settlements forced  to  integrated  multiple  land  uses  to  meet  subsistence  (Fischer‐Kowalski  and  Haberl,  2007).  Industrialization  allowed  to  decouple  production  and  consumption  activities  worldwide  (e.g.  Erb et al., 2009) as well as to intensify agro‐ecosystems (e.g. Soto et al., 2016), promoting the  spread of monocultures and changes in landscape morphology (e.g. Infante‐Amate, 2014). This  perspective  is  also  behind  new  proposals  to  understand  the  beforementioned  Forest  Transition, highlighting that forest increase may be explained by the growth of the fossil fuel  10   

  economy  (Erb  et  al.,  2007;  Gingrich  et  al.,  2016).  Carbon  economy  has  allowed  to  abandon  certain  forest  areas  (Meyfroidt  and  Lambin,  2011)  as  well  as  to  increase  their  carbon  stocks  (Gingrich et al., 2007; Kauppi et al., 2006), mainly due to the growing availability of fossil fuels  that  substituted  traditional  functions  of  forests  (Sieferle,  2001).  In  short,  a  growing  body  of  literature  is  putting  the  focus  on  explaining  land  use  changes  and  their  telecoupling  effects  from a biophysical perspective (Erb et al., 2008; Haberl, 2015).    3. Effects on past land use changes on soil erosion  Land  use  and  soil  management  intensification  over  time  is  due  to  a  complex  combination  of  driving factors, as was analyzed in the previous paragraph. The same is true for its effects. The  most direct of these effects, and that is generally considered to be one of the most significant  soil  degradation  processes,  is  soil  erosion  by  water.  While  natural  soil  erosion  rates  are  in  equilibrium  with  the  production  of  soil  as  a  result  of  weathering,  a  shift  from  natural  to  agricultural  land  use  increases  soil  erosion  by  one  to  two  orders  of  magnitude,  resulting  in  rapid  profile  truncation  (Montgomery,  2007).  As  shown  in  Figure  1,  the  earliest  human  presence in a particular area leads to a perturbation of the natural ecosystem. It is, however,  an  open  question  as  to  when  this  human  impact  was  high  enough  to  cause  significant  soil  erosion. Higher land use intensity can generally be associated with higher rates of soil erosion.  Under lower land use intensity, much of the sediment can be trapped along the same hillslope  by a strip of natural vegetation or a fallow plot. As agricultural expansion continues in a region,  the  landscape  connectivity  for  sediment  increases  as  field  patches  link  together  and  form  continuous  pathways  from  hillslopes  to  streams,  with  the  most  suitable  agricultural  areas  being  occupied  first.  A  first  mention  to  this  system  was  made  by  the  Greek  Theophrastus  in  313 BC, but the practice was much older (Semple, 2011). During intensification, farmers start  cultivating also steeper areas, resulting in higher soil erosion rates. This all supports the idea  11   

  that there is some threshold or limit of first significant land use, much like the concept of first  significant land use proposed by Ellis et al. ( 2013).   At  a  global  level,  recent  research  has  advanced  significantly  in  the  spatial  and  temporal  reconstruction of past land use changes. Land use scenarios such as KK10 or HYDE have been  applied  successfully  to  show  effects  of  human  land  use  change  on  the  global  carbon  cycle  (Kaplan et al., 2010). However, at present, geomorphic information is limited to isolated case  studies (Dotterweich, 2013). So far, no systematic attempt has been made to link past land use  changes to soil erosion at a broader, regional or global scale and there is no information as to  when a first significant erosion phase occurred. Therefore, this review has synthesized a global  overview of soil erosion case studies from literature in Table 1 and compared this to the land  use  and  land  change  scenario  KK10  developed  by  Kaplan  et  al.  (2010).  In  particular,  the  hypothesis  tested  was  that  the  period  of  first  significant  land  use,  as  proposed  by  Ellis  et  al.  (2013),  resulted  in  a  first  significant  soil  erosion  signal.  Only  studies  that  performed  an  absolute dating of the erosion phases and that focused on hillslopes or small catchments were  included where possible (i.e. where several studies were available for the same area, the study  performed  at  the  smallest  spatial  unit  was  included  in  Table  1).  Grove  and  Rackham  (2003)  pinpointed the amount of uncertainty associated typically with palaeo‐environmental studies  and indicated that the chronology of alluvial sediments does not regularly correspond to the  rise or decline of past land use. By selecting only those small‐scale case studies, a direct link  between land use and soil erosion can be expected, in other words the important complication  of  sediment  reworking  in  the  fluvial  system  of  larger  catchments  can  be  avoided.  The  drawback  is  then  that  a  single  site  could  potentially  not  be  representative  for  regional  dynamics. For example, an erosion phase could be induced by climate extremes rather than by  real changes in the land use. Identifying the correct cause of measured past erosion events is  often complex and while most studies use an interdisciplinary approach to compare observed  erosion  pulses  to  climate  or  vegetation  records  and  archeological  data,  some  level  of  12   

  uncertainty persists. However, by combining a high number of individual datasets at a global  scale,  it  can  be  expected  that  this  uncertainty  would  be  reduced  and  that  general  patterns  would emerge.  Figure 2a shows the location of the documented historical erosion case studies listed in Table 1  with  respect  to  the  global  distribution  of  first  significant  land  use.  The  global  distribution  of  historical  erosion  case  studies  is  clearly  heavily  skewed  towards  the  European  and  North  American context. While more and more studies are becoming available for China, much more  work still needs to be done in other areas with a similar or even longer land use history, such  as South America, Africa and parts of Asia.  Figure 2b shows the results of comparing the timing of significant first land use changes and  the  timing  of  the  first  soil  erosion  pulses  extracted  from  the  geomorphological  record.  In  general, there is a good correspondence between both, with most case studies scattered along  the 1:1 line. In about 25% of the case studies, the erosion pulses and land use periods coincide,  whereas in 50% of the cases they almost do (i.e. the difference in timing is limited to plus or  minus  one  time  period;  area  shaded  in  dark  grey).  Areas  that  plot  below  the  1:1  line  correspond to areas where erosion was documented before major land use changes occurred.  This is for example  the  case in the  US, where  Stinchcomb et al.  (2011) observed soil erosion  associated with agriculture from native Indian populations, while significant land use changes  were only detected after the arrival of European farmers. This is actually a relatively common  observation, and occurs in a third of all case studies. This observation points to one possible  problem  with  this  type  of  data,  which  might  be  the  spatial  representativeness  of  the  geomorphic  evidence,  as  early  land  use  changes,  in  particular  deforestation,  were  most  probably  much  more  limited  in  the  landscape  than  current  agricultural  land  use  that  has  a  much more generalized territorial impact (Foucher et al., 2014).  

13   

  On the other hand, areas plotting above the curve correspond to areas where erosion was not  measured until well after  significant land use  changes set in. This is a more rare observation  and only occurred in 10% of the cases.   In conclusion, in many case studies, important and widespread erosion peaks were found with  the  arrival  of  the  first  farmers  all  over  the  world.  This  good  match  between  soil  erosion  and  land use phases has important implications as it shows the potential of using global land use  scenarios,  such  as  KK10,  for  modelling  past  soil  erosion  rates  in  areas  where  little  or  no  geomorphic  evidence  is  available,  or  for  extrapolating  local  case  studies  to  a  regional  scale.  These results also corroborate findings of other studies, like that of Dotterweich (2013), who  presents  a  global  synopsis  of  different  case  studies  about  the  geomorphic  evidence  of  soil  erosion  in  humid  and  subhumid  areas  since  the  beginning  of  agriculture.  He  provides  a  comprehensive collection on the development of soil erosion research and soil conservation,  giving  examples  from  ancient  Greek  and  Roman  Times  and  from  central  Europe,  southern  Africa,  North  America,  the  Chinese  Loess  Plateau,  Australia,  New  Zealand,  and  Easter  Island.  Soil erosion has been a significant factor in a complex causality spiral leading to socioeconomic  instability  and  land  use  changes  (Dotterweich  and  Dreibrodt,  2011),  and  could  possibly  be  linked to the decline of numerous civilizations around the world. Dotterweich (2013) concludes  that globally, agricultural soil erosion occurred in three main waves (McNeill and Winiwarter,  2004). The first wave is generally assumed to have started around the second millennium BC  and  over  the  next  3000  years  the  soil  erosion  rates  increased  because  farmers  in  Eurasia,  Africa, and the Americas gradually converted a moderate proportion of the world's forests into  farmland or pasture. The second wave took place during the sixteenth to nineteenth centuries  with  the  introduction  of  stronger  and  sharper  plowshares,  which  helped  to  break  the  sod  of  the South American pampas, Eurasian steppe, and the North American prairies. And the third  wave  began  with  rapid  population  growth  after  the  mid‐twentieth  century  when  people 

14   

  started  to  clear  rainforests  and  steep  areas  to  exploit  wood  for  timber  or  fuel  or  to  expand  agricultural land.     4. Effect of past agricultural soil management changes on soil erosion     The  majority  of  the  studies  discussed  so  far  reveal  a  close  relationship  between  soil  erosion  and land use changes, especially deforestation and the advance of agricultural land. However,  it is much more difficult to analyze the effect of past soil management changes on soil erosion,  although soil management changes are potentially as important as land use changes. Current  knowledge shows us that under the same land use, different agricultural practices can change  erosion rates by an order of magnitude, as concluded by Montgomery et al. (2007) based on a  comparison  of  traditional  and  conservation  agriculture.  As  sustained  by  Dotterweich  (2013),  local  and  regional  variations  in  natural  situations,  cultural  traditions,  and  socioeconomic  conditions  played  a  major  role  in  the  dynamics  and  rates  of  soil  erosion  in  a  long‐term  perspective.  As  intensification  continues  and  the  available  land  is  taken  up,  farmers  need  to  intensify  the  existing  land  and  resort  to  changing  soil  management.  Even  under  forest  or  grassland, more intense use leads to activities such as overstocking, charcoal burning or iron  smelting,  all  significantly  altering  the  hydrological  and  sedimentological  response.  Yet  surprisingly, almost no studies exist at a temporal resolution that would allow the resolution of  the effects of changing historical soil management or of the implementation of conservation  structures such as terraces. Nevertheless, according to the literature, such practices were well  known and have been used almost since the introduction of agriculture. For example Arnáez et  al.  (2015)  state  that  terracing  dates  back  to  over  five  thousand  years  ago  in  south‐east  Asia,  after  which  it  spread  to  the  Mediterranean.  Terraces  are  also  found  in  ancient  American  civilizations. This knowledge gap, in which almost no information is available on the different  15   

  past  agricultural  practices  or  forms  of  soil  management  with  respect  to  soil  erosion  can  be  addressed  by  field  observations  at  a  higher  temporal  resolution,  by  modelling,  or  by  a  combination of both.   An example of the first type of study, field observations at a high temporal resolution, is given  by  Foucher  et  al.  (2014),  who  studied  in  detail  sediment  deposits  in  a  24  km2  cultivated  lowland catchment in France. A reconstruction of sedimentation rates by fallout radionuclides,  allowed them to distinguish seven different periods of large variations of sedimentation rates  over the last 60 years and link these to management changes. They observed how a major land  consolidation  scheme  between  1945‐1960  led  to  a  dramatic  increase  in  the  sedimentary  production, from 40 t yr ‐1 before 1950 AD to about 13,000 t yr ‐1 in the 1950s and 1960s. Since  then,  erosion and  transfers decreased regularly due  to management  changes  that  decreased  the  connectivity  in  the  catchment,  although  current  sediment  production  was  still  60‐fold  higher  than  before 1950. Similar observations were made in other countries, albeit with less  temporal  detail.  van  der  Post  et  al.  (1997)  identified  an  increase  in  modern  sedimentation  rates  in  the  English  Lake  District.  They  interpreted  this  as  a  direct  consequence  of  increased  sheep stocking rates in the nineties. In a review of lake sediment rates across the Midwestern  United  States  since  the  European  settlements  in  the  1800s,  Heathcote  et  al.  (2013)  also  observed  an  increasing  pattern.  They  attributed  this  to  an  increase  in  agricultural  intensification,  rather  than  in  agricultural  land  area,  and  to  a  failure  of  traditional  soil  conservation  programs  .  The  largest  increases  in  sediment  deposition  occurred  after  1950,  concurrent with agricultural intensification, while total agricultural land area remained stable  already since the early 1900s. Over a much longer time scale, Currás et al. (2012) presented a  high‐resolution  study  of  the  sediments  in  a  Mediterranean  dry  lake  in  Central  Spain.  Their  palaeolimnological  reconstruction  extends  from  the  9th  century  BC  till  the  8th  century  AD.  While they attributed most changes in their sedimentation record to land use changes, some  inferences  about  management  could  be  made  during  particular  periods.  For  example,  they  16   

  observed the disappearance of coprophilous fungal spores and low abundance of apophytes in  the  Visigoth  period,  a  period  of  lower  population  pressure,  which  they  attributed  to  a  a  reduction  in  grazing  pressure.  Of  course,  the  longer  the  temporal  scale,  the  more  difficult  it  becomes  to  establish  a  direct  link  between  management  and  observed  sedimentation  rates.  However,  as  these  case  studies  show,  high‐resolution  palaeolimnological  data  has  an  important potential for inferring not only climatic or land use forcings, but also for detecting  such  changes  in  past  management.  Other  field  methods  for  measuring  historical  soil  erosion  such as studies of soil profile truncation only allow to measure total average erosion and need  to be combined with modelling in order to reconstruct temporal patterns. The same is true for  direct  field  observations  from  long‐term  field  experiments.  These  offer  unique  and  valuable  information on management effects on soil erosion, but are limited to several decades at best  (Karlen  et  al.,  2014).  One  well‐known  disadvantage  of  palaeolimnoligical  data  is  the  issue  of  equifinality, as different causes can result in a similar effect on lake fauna or level. Therefore,  as shown by Currás et al. (2012) or Foucher et al. (2014), it is important to combine multiple  proxies  (pollen,  non‐pollen,  palynomorphs,  macrocharcoal,  ostracods,  diatoms,  other  biotic  remains and sedimentology) and to have access to detailed historical or archaeological records  to accurately interpret the causality of observed variations in sedimentation rates.   A combination of modelling with field observations is a second powerful tool, used in another  case  study  by  Vanwalleghem  et  al.  (2011)  in  Montefrío,  Southern  Spain,  and  extending  over  almost  three  centuries.  By  combining  empirical  field  data  and  erosion  model  analysis,  they  were  able  to  link  the  soil  erosion  rates  under  olive  cultivation,  one  of  the  oldest  and  most  characteristic  crops  of  the  Mediterranean,  to  different  management  periods.  Thanks  to  an  interdisciplinary collaboration, input parameter sets for the water erosion model RUSLE and a  tillage erosion model, could be derived for 8 different period between 1756 and 2010, based  on  historic  and  archival  data  from  that  site.  Cumulative  modeled  erosion  rates  were  then  compared  to  observed  total  soil  truncation  to  validate  the  model.  Figure  3  shows  how  soil  17   

  erosion rates increased about three fold between the start and the end of the studied period,  despite  being  under  the  same  land  use.  In  1750,  olive  farms  were  extensively  managed,  producing  200  kg  ha‐1  and  their  management  caused  relatively  low  soil  loss  rates,  albeit  far  from  being  sustainable.  However,  actual  crop  management  has  intensified  through  chemical  treatments, agricultural machinery, and removal of native plants and grasses. Now, olive yields  have increased tenfold (2,5 t ha‐1), but soil losses have also increased to 90‐100 t ha‐1 year‐1.  Over the last few years, soil erosion rates have been slightly reduced due to a shift towards no  tillage,  which  increased  water  erosion  rates  but  lowered  tillage  erosion  rates  considerably.  After  identifying  the  main  periods  of  soil  erosion,  Mabit  et  al.  (2012)  further  validated  the  erosion  model  with  radionuclide  tracers  and  Infante‐Amate  et  al.  (2013)  explored  the  social  and institutional context to explain the factors that changed management of olive groves and  influenced  soil  losses.  In  sum,  in  this  case  study,  two  main  conclusions  were  reached:  (1)  although the land use has been constant over the last 250 years (olive), soil management has  caused  large  variations  in  the  erosion  rates  and  sustainability  of  the  agro‐ecosystem  and  (2)  high  erosion  rates  are  not  related  to  socio‐demographic  or  economic  drivers  but  rather  the  result of poor soil management, which is the product of specific socio‐metabolic drivers.   These case studies stress the importance of accurately incorporating not only land use but also  soil management into soil erosion models. Both examples show how the same land use results  in  significantly  differing  soil  erosion  rates  due  to  management  effects.  The  next  section  discusses key challenges to perform this analysis on a historical scale, and shows the similarity  between reconstructing past processes with the modelling of future soil erosion rates.    5. From the past into the distant future: key challenges for modelling the effect of past and  future soil erosion on agricultural sustainability    18   

  5.1. Modelling past and future soil erosion    Analysis  with  simulation  models  is  an  effective  way  to  evaluate  the  impact  of  past  or  future  changes in land use, management or climate on soil erosion in agricultural systems. Although  the effects of past changes in any of these driving factors on soil erosion rates can be assessed  in  case  studies,  based  on  detailed  field  observations,  the  extrapolation  of  such  cases  to  regional  or  global  scales  is  limited  to  model  simulations.  With  respect  to  future  predictions,  simulation  models  are  actually  the  only  available  tool.  This  is  then  one  of  the  major  uses  of  models, as tools for decision‐making in engineering and environmental planning (Engel et al.,  1993). Many different erosion models exist, from simple, empirical ones such as the Universal  Soil  Loss  Equation  (USLE)  to  complex,  physically‐based  models  (e.g.  WEPP).  The  USLE  (Wishmeier  and  Smith,  1978),  and  its  revised  version  RUSLE  (Dabney  et  al.,  2012)  is  undoubtedly the model most widely used for soil erosion modelling. There are several reasons  for this, among which are its relative simplicity (compared to physically‐based models), the fact  that  comparisons  with  other  models  showed  that  the  average  error  and  model  efficiency  in  predicting  soil  loss  are  similar  (e.g.  Morgan  and  Nearing,  2002),  and  the  possibility  of  introducing directly, or through external calibration of key parameters, the effect of land use,  management or climate on key drivers of soil erosion such as rainfall erosivity or soil ground  cover.  The  various  erosion  models  have  all  been  extensively  calibrated  and  validated  under  present‐day conditions.  When modelling soil erosion over longer periods, from decades to centuries or even millennia,  some problems arise. Long‐term modelling of soil erosion and its consequences, soil truncation  and losses in yield or biomass production, are subject to some key limitations that are similar  for both, backward modelling over (pre)historical time scales, and forward modelling into the 

19   

  future.  These  key  limitations  are  related  to  (i)  feedback  effects  that  are  generally  not  considered and (ii) the uncertainty related to the determination of the input factors.   The  first  key  limitation  of  the  feedback  mechanisms  involved  is  represented  schematically  in  figure 4. This figure gives an overview of the main and secondary input factors for calculating  long‐term trends in soil erosion, soil resources and yield. The quantification of the relationship  between soil erosion and yield is the subject of the next paragraph. Irrespective of the erosion  model  used,  their  key  primary  input  parameters  being  similar.  Topography  and  soil  are  typically considered static, while climate, land use and soil management change over time in  most simulation studies. In a broader approach, socio‐economics should also be considered at  this  level.  Most  erosion  studies  do  not  include  socio‐economics  explicitly,  although  its  influence on soil erosion is well known. Clear examples are the effect of agricultural policies on  soil  conservation  measures  or  the  pricing  of  agricultural  commodities  on  land  use  changes  (Boardman  et  al.,  2003).  An  exception  to  this  is  the  study  by  Ye  and  Van  Ranst  (2009).  They  presented a scenario analysis for evaluating the impact of soil erosion on future food security  in  China  and  took  into  account  socio‐economic  variables,  such  as  population  growth  and  urbanization rate, at the highest level.   The secondary or derived input factors are calculated from the primary variables, and are the  specific  inputs  required  by  any  erosion  model.  For  the  example  of  RUSLE,  the  long‐time  average  annual  soil  loss,  carried  by  runoff  from  specific  field  slopes  in  specific  crop  and  management  systems,  is  computed  as  the  linear  product  of  six  factors:  a  rainfall  erosivity  factor;  a  soil  erodibility  factor;  a  slope  length  factor;  a  slope  gradient  factor;  a  cover‐ management factor; and finally a support practice factor. There are extensive definitions of the  meaning and procedures to determine these factors (e.g. Renard et al., 1997), but here we will  focus on interactions that could be important for modelling over long time scales.  

20   

  The first of the interactions commonly missing in erosion models is the dynamic feedback of  topography on erosion and deposition processes (Dabney et al., 2013) (Figure 4, far left). This  is  a  well‐known  problem  in  geomorphological  studies  as  the  initial  topography  is  unknown  (Hancock  et  al.,  2016).  Over  long  time  scales,  of  centuries  to  millennia,  slope  gradient  might  change considerably. As erosion tends to smooth out topography, keeping it static can lead to  a considerable underestimation of past erosion processes or an overestimation of future soil  erosion.  Some  recent  long‐term  models  such  as  WaTEM‐LT  (Peeters  et  al.,  2006),  LAPSUS  (Debolini et al., 2015) and LandSoil (Ciampalini et al., 2012) are erosion and sediment transport  models  in  which  erosion  and  landforms  are  coupled  and  coevolve.  However,  in  turn,  they  present  the  drawback  of  the  representation  of  erosion  being  simplified  and  are  more  comparable to Landscape Evolution Models (LEMs).  Literature support for their used erosion  parameters is more limited and harder to determine from current agricultural analogs. On the  other hand, in some cases, in which past agricultural land uses were significantly different from  their  present‐day  counterparts,  or  where  no  historical  information  exists,  our  limited  knowledge  of  the  system  might  justify  the  use  of  simplified  LEMs.  Peeters  et  al.  2006)  and  Temme et al. (2011) researched model soil erosion in the Belgian loess belt over the last 2500  years with different models, but using a constant set of input parameters through time. While  their models successfully reproduced the spatial patterns of erosion and deposition observed,  their  results  offer  no  insight  into  the  temporal  dynamics  due  to  the  different  land  uses  or  agricultural  practices  over  this  long  time  period  that  included  important  agricultural  innovations such as the moldboard plow or mechanization. Ciampalini et al. (2012) apply their  model  LandSoil  to  a  Mediterranean  catchment.  In  their  study,  they  take  into  account  field  layout and detailed management effects on soil surface characteristics. However, this type of  detailed approach is highly data‐demanding and difficult to parameterize over long time scales.  Their study is limited to a medium term time scale of 10‐100 years.  

21   

  The second feedback loop that is often not considered in erosion models is due to dynamic soil  properties, which include  those impacting  crop productivity  but  especially  those that  change  the  soil’s  erodibility.  Over  longer  timescales,  sediment  supply  and  availability  can  change  in  response to ongoing erosion. Soil erosion generally pushes soil profiles into becoming coarser,  to accumulate a protective surface stone cover or armor (Willgoose and Sharmeen, 2006), or – in  extreme  cases‐  even  to  be  completely  truncated  and  deprived  of  any  erodible  material.  Ample  evidence  from  landscapes  with  a  long  land  use  history  illustrates  this  process.  Anselmetti et al. (2007) studied lake sediments caused by ancient Maya land use in Northern  Guatemala.  After  an  initial  phase  of  important  soil  loss,  they  observed  a  steep  decline  in  sediment  accumulation  that  contrasted  with  the  continuously  growing  population  densities.  This decoupling between the land use and climate could only be explained by accounting for  the changing soils in the catchment.   In addition to these pedogenetic and topographic feedback mechanisms, people also respond  to soil erosion by adopting conservation practices such as for example terraces, although there  might  be  a  significant  time  lag  between  the  cause  and  reaction.  For  example,  Beach  et  al.  (2002)  documented  severe  Maya  soil  erosion  starting  in  the  Preclassic  period  (1500  BC  –  AD250),  while  the  first  terraces  did  not  appear  until  the  Early  Classic  period  (AD  250  –  600).  This time lag can possibly be explained by the fact that yield reduction due to soil erosion and  truncation is often a slow process, which will be discussed in detail in the next paragraph. Such  conservation  measures  are  specifically  designed  to  drastically  reduce  soil  erosion  rates,  and  will have a much greater effect compared to the previous feedback mechanisms, as indicated  in  Figure  4  by  the  double  minus  symbols.  In  any  case,  even  without  conservation  measures,  continued  erosion  of  the  soil’s  natural  resource  results  in  a  lower  yield  and  biomass  production.  This  will  have  a  direct  effect  on  the  amount  of  soil  cover  and  roots  that  provide  resistance to erosion, an effect that is rarely accounted for. In extreme cases, if conservation  measures do not reduce soil erosion sufficiently or, specifically, a (large) reduction in yields will  22   

  result,  leading  eventually  to  a  land  use  change,  which  can  be  sudden  in  some  cases.  In  Germany,  Bork  (1998)  describes  how  widespread  gully  erosion  after  extreme  rainfalls  in  the  15th century led to widespread abandonment of the eroded farmlands. These areas that have  since been conserved as forests still preserve these intact medieval gully networks. The choice  of  pathways  between  implantation  of  conservation  structures  and/or  land  use  changes  is  complex and has important interrelations with socio‐economic decision making processes, as  shown by the feedback arrows indicated in figure 4.    The second key limitation related to long‐term erosion modelling is the uncertainty limited to  the parameterization of the input factors. Again, many of the challenges for determining the  correct  variation  of  climate,  land  use  and  management  over  time  are  similar  between  modelling  soil  erosion  over  historic  time  scales  and  modelling  future  soil  erosion.  Figure  5  summarizes the different sources of input for generating information on the three key variable  input  variables  and  shows  a  conceptual  representation  of  the  error  associated  with  these  values,  both  for  future  as  for  past  predictions.  The  uncertainty  is  expected  to  increase  over  time,  both  for  predictions  of  the  past  and  the  present.  Uncertainty  is  smallest,  although  greater than zero, for present‐day conditions when simulating from direct observations. With  respect to climate, as long as instrumental records are available, roughly over the past 150‐250  years, uncertainty is low. For their historical erosion study, Vanwalleghem et al. ( 2011) used  instrumental  rainfall  record  observations  from  the  San  Fernando  observatory,  established  in  1751 and keeping one of the longest instrumental records in Europe (Gallego et al., 2007). To  extend such series further however, one must rely on proxy data that can range from historical  documents  containing  weather  descriptions  to  tree  rings  or  ice  cores  (Jones,  2004).  Documentary sources, although often questioned because of their subjective nature, have the  advantage  that  apart  from  temperature  or  precipitation,  they  often  yield  information  on 

23   

  additional  variables,  such  as  the  start  of  the  growing  season  or  extreme  events  that  are  significant for modelling agricultural systems. Future soil erosion modelling has focused mainly  on  climate  change  effects  on  rainfall  erosivity,  derived  from  downscaled  GCM  predictions.  Most erosion models however, such as RUSLE, do not link crop growth to climate inputs, and  the  user  has  to  describe  the  growth  and  specify  vegetation  yield.  It  contains  algorithms  that  allow  estimates  of  the  timing  and  amount  of  residue  creation  by  perennial  vegetation  to  dynamically  adjust  to  alternative  harvest  management  schemes  although  these  routines  are  not  linked  to  climate.  It  also  includes  similar  algorithms  for  the  definition  of  the  surface  roughness based on tillage operations and its decay from time and rainfall. As a result, RUSLE  relies on an external estimation of the impact of climate and management conditions of these  variables for a rigorous determination of the soil cover factor (Dabney et al., 2013), as opposed  to  more  process‐based  models  used  in  the  context  of  climate  change  such  as  WEPP  (e.g.  O’Neal  et  al.,  2005).  However,  in  many  of  the  climate  change  studies,  RUSLE  has  been  used  assuming soil cover values derived from current conditions without a deep exploration of the  effect  of  climate  change  on  variables  that  might  affect  vegetation  cover  (e.g.  Mello  et  al.,  2015). This is obviously a simplification as changing temperature and soil moisture conditions  will affect planting dates and may shift the growing season, leading to changes in the seasonal  variation  of  vegetation  cover.  Mullan  et  al.  (2012),  use  a  scenario  approach  to  include  the  uncertainties  related  to  the  indirect  effects  of  future  land  use  change  impacts.  When  considering only downscaled climate change predictions, they predict an erosion decrease in  their  N  Ireland  study  area,  whereas  they  obtain  large  increases  when  including  land  use  changes.  This  drastic  change  illustrates  the  high  uncertainty  of  erosion  model  predictions  under climate change, both for prediction of the future and the past, and shows that a proper  determination  of  the  effect  of  rainfall  changes  on  rainfall  erosivity  and  soil  cover,  and  especially their interactions, is key to obtaining a robust and reliable analysis.    24   

  Another level of uncertainty is added by socio‐economic drivers that control land use and soil  management intensity. The latter are expressed not only by the total farmed area, but also the  location, field size and  crop type. Field size is an important, yet often overlooked factor that  controls the length over which runoff water can collect and concentrate (Figure 4). Very few  data are available on the historical evolution of agricultural field size, but it is clear that current  commercial  agriculture  supports  much  larger  field  sizes  compared  to  those  of  subsistence  agriculture. In addition, increase in field size is accompanied by the tendency for large blocks  of the same crop, giving rise to bare ground at the same time of the year and, therefore, the  possibility  of  runoff  flows  over  long  distances.  White  and  Roy  (2015)  measured  field  size  changes  over  the  last  25  years  from  Landsat  imagery.  Over  historical  time  scales,  maps,  documents and archaeological evidence could provide the necessary information, as shown in  Figure  5.  However,  field  location  is  often  not  known  if  such  historical  maps  are  absent.  Although, locally, medieval maps are available for landscape reconstruction, most regions do  not have accurate maps spanning more than a couple of centuries (Jongepier et al., 2016). De  Brue and Verstraeten (2014) showed, with a soil erosion and sediment distribution model, that  different spatial allocations of land uses lead to a significantly different estimation of sediment  fluxes in the Belgian loess belt.   With respect to soil management, this can be reconstructed based on historical documents or  by  simulation  of  land  use  intensity  from  food  supply  and  demand.  The  primary  source  of  historical  soil  management  data  stems  from  cadastre  registers  that  contain  inventories  of  different soil management types with the original purpose of establishing tax quota. Another  important  source  for  reconstructing  historical  soil  management  are  private  accounting  documents, such as farm lease agreements wherein the owner established specific agricultural  management practices, and, to a lesser degree, other sources such as notary registers (Garcia‐ Ruiz et al., 2012). Soil management has a direct effect on soil erosion through the frequency of  plowing,  fertilization,  and  other  farming  operations  and  results  in  significantly  different  25   

  amount of ground cover, crop residue left on the fields, soil roughness or moisture. All these  factors combined are important for accurately estimating the cover factor in RUSLE, or in other  erosion  models.  Similar  to  land  cover  change  studies,  several  groups  have  studied  the  evolution of historical soil management. Vanwalleghem et al. (2011) derive farming operations  directly  from  historical  documents,  mostly  invoices  and  rent  agreements,  for  their  local  case  study  and  use  it  to  calculate  soil  erosion.  Garcia‐Ruiz  et  al.  (2012)  also  reconstruct  historical  cropland intensification at a parish scale in order to reconstruct nutrient balances of nitrogen,  phosphorus  and  potassium.  At  regional  scales,  McGrath  et  al.  (2015)  present  an  interesting  approach  for  reconstructing  historical  forest  management  from  1600  to  2010.  They  simulate  management  from  comparing  simulated  demand  and  supply,  based  o.a.  on  population  estimates  and  wood  use.  Jepsen  et  al.  (2015)  present  an  expert‐based  land  management  reconstruction for the past two centuries in Europe, although their regional assessment misses  the  level  of  detail  required  for  modelling  soil  erosion.  As  far  as  we  know,  no  such  detailed  regional study has been conducted for agricultural soil management.   

 

26   

  5.2. Modelling soil truncation effects on yield and agricultural sustainability    From the previous paragraphs, it has become evident that past conversion of natural land into  croplands, and subsequent agricultural soil management intensification has led to a significant  increase  in  erosion  rates  globally.  Soil  erosion  indisputably  affects  the  ability  of  soils  to  produce foods. However, the extent to which a soil’s crop yield potential has been affected by  historical  soil  erosion  is  largely  unknown  at  present.  In  some  areas  used  for  agriculture  for  millennia,  such  as  the  Mediterranean  or  parts  of  the  Ethiopian  highlands,  soil  erosion  might  have completely destroyed the productivity of cropland in hilly or mountainous areas (Govers  et al., 2014). In order to assess the long‐term effect of soil erosion on yields and agricultural  sustainability, the first step is to accurately model historical erosion rates. The next step is then  to  assess  how  the  resulting  soil  truncation  has  affected  crop  yields  and  agricultural  sustainability.  As  discussed  in  the  previous  paragraph,  erosion  models  allow  us  to  quantify  these increased erosion rates, albeit with a certain degree of uncertainty, that depends on our  ability  to  estimate  the  erosion  model’s  input  factors  over  past  or  future  periods.  However,  although the impact of soil erosion on crop yield is undisputable (Ye and Van Ranst, 2009), the  exact  relationship  between  soil  erosion  and  productivity  is  difficult  to  quantify.  Erosion‐ induced  effects  of  soil  erosion  on  crop  yield  are  hard  to  generalize  (  Lal  and  Moldenhauer,  1987)  because  they  vary  among  soils,  management  systems,  crops  and  climate.  Soil  profile  truncation will affect plant growth mainly through: (1) plant‐available water; (2) rooting depth;  and  (3)  vertical  distribution  of  nutrients  (Lal,  1998).  Soil  type  and  horizon  distribution  is  therefore the first factor leading to widely different crop yield responses to soil erosion. Deep,  fertile  soils,  for  example  loess‐derived  Luvisols  or  Fluvisols  that  get  regularly  replenished  by  floodplain deposits, can sustain high soil erosion rates for several centuries without any effect  on  crop  yield.  The  same  erosion  rates  in  soils  that  are  shallow,  or  underlain  by  a  hard, 

27   

  impeding  layer,  or  that  concentrate  plant‐available  nutrients  in  the  topsoil,  could  lead  to  dramatic  yield  losses  over  a  few  decades.  Examples  of  such  soils  are  Leptosols,  Durisols  and  most tropical soils. A classification of global soil types into deep, fertile soils (type A) and soils  that  are  vulnerable  to  soil  erosion  (type  B)  is  shown  in  Table  2.  A  third  soil  type  (type  C)  represents soils that do not fall into either class, either because that soil type has a marginal  agricultural suitability or because it cannot easily be classified into A or B. From Table 2 it can  be seen that  both A and B type soils are about equally important on a global level, with the  former occupying 40% of the global surface area versus 34 % for the latter. This implies that  the  removal  of  topsoil  by  soil  erosion  is  potentially  an  important  problem  for  most  farmers,  both at present and in the future, especially since the most vulnerable farmers have less access  to additional inputs to compensate for erosion‐induced yield losses.   Soil management or technology inputs is the second main factor that affects the erosion‐crop  yield relationship. In fact, it can be singled out as the reason why historically higher crop yields  have been observed in many agricultural systems, despite a severe erosion phase. This trend is  shown  conceptually  in  Figure  6.  Compared  to  the  reference  situation  without  erosion  and  technology  inputs,  erosion  will  yield  to  lower  yields.  However,  the  addition  of  technology  inputs  will  increase  yield  levels  significantly  for  both  cases.  The  increase  in  most  agricultural  systems  has  been  so  significant  that  erosion  effects  were  hardly  felt,  because  comparison  is  made to the reference situation. Lal (1998) cites several examples of sites in Whitman County,  Washington,  that,  despite  dramatic  increases  in  soil  erosion  rates,  has  seen  a  doubling  of  measured  grain  yield  since  the  1930s.  Vanwalleghem  et  al.’s  study  (2011)  of  historical  olive  yield in SE Spain gave even more dramatic results. Despite a cumulative soil loss of almost half  a  meter  over  the  last  250  years,  they  documented  a  continuously  increasing  production  of  olive fruit and overall biomass during the same period, which was the sole result of improved  agronomic management. On the other hand, Bakker et al. (2004) concluded from a systematic  analysis of plot data that soil erosion‐induced losses were, on average, ca. 4 % of the total crop  28   

  yield  per  10  cm  of  lost  soil  for  crops  under  intensive  agriculture.  At  the  regional  scale,  predicted crop yield reductions by soil erosion were simulated for the US by Den Biggelaar et  al.  (2001)  and  for  Europe  by  Bakker  et  al.  (2007).  Den  Biggelaar  et  al.  (2003)  made  a  global  review of erosion‐yield relationships and found that relative erosion‐induced yield losses were  two to six times smaller in North America and Europe than in Africa, Asia, Australia and Latin  America.  They  attributed  this  to  the  lower  absolute  yields  in  the  latter  countries  and  lower  inputs to replenish the lost nutrients.  In spite of these uncertainties and site‐to‐site differences, it is important to quantify the effect  of soil erosion on crop yields and agronomic sustainability over long time periods as this leads  to  essential  insights  on  how  soil  erosion  might  have  influenced  the  dynamics  of  agricultural  societies and their ability to sustain population growth. It is clear from the first paragraphs that  the  natural  potential  of  many  soils  around  the  world  has  decreased  significantly  due  to  historical  soil  erosion,  and  will  continue  to  do  so  over  the  next  decades.  A  recent  review  by  Brindraban et al. (2012) clearly concluded that continuing soil degradation remains a serious  threat to future food security. This calls for a modelling framework, that can again be applied  both backward in time to reproduce historical evolution and forward to quantify the effect of  future  climate  change  or  of  socio‐economic  changes.  In  general,  two  broad  modelling  approaches  can  be  distinguished.  The  first  would  be  to  assess  the  impact  of  soil  erosion  on  crop  yields  at  regional  to  subcontinental  scales  in  a  more  qualitative  way,  while  the  second  would  be  a  more  detailed,  quantitative  assessment  which  is  necessarily  limited  to  the  local  scale.  Although  Brindraban  et  al.  (2012)  distinguish  a  third,  intermediate  category  of  quantitative assessment at the country scale, the authors of the present work are not aware of  such  studies  existing  and  argue  that  the  amount  of  uncertainty  related  to  erosion‐yield  predictions is too great to produce meaningful assessments at such spatial scales and over long  time  periods.  Some  studies  published  recently  provide  erosion‐yield  predictions  of  the  first  type  (qualitative  and  large  spatial  scales)  for  the  next  few  decades.  At  present,  there  are  no  29   

  studies estimating the effect of past soil erosion on the historical evolution of potential yield  degradation.  Ye  and  Van  Ranst  (2009)  use  an  advanced  erosion‐yield  model,  with  several  degradation and population scenarios, that predicts up to a 30% productivity loss by 2050 for  China. However, the large national scale obliged the authors to use qualitative soil degradation  information, rather than quantitative soil erosion rates and truncation data. Also, as admitted  by  the  authors,  important  factors  such  as  changes  in  land  use,  water  availability  and  climate  change  could  not  yet  be  taken  into  account.  Such  limitations  can  be  overcome  at  the  local  scale, as long as an accurate erosion‐yield response curve can be established. A good example  is given in Gómez et al. (Gómez et al., 2014b) for Mediterranean olive orchards that are heavily  dependent  on  water  availability  during  the  growing  season.  Figure  7  illustrates  this  point  showing  the  cumulative  impact  of  soil  losses  and  soil  truncation  on  the  water  balance  and  resulting  yield  under  olive  groves  in  Andalusia.  Two  contrasting  situations  are  shown,  taken  from Gómez et al. (2014b).  Olive is a mostly rainfed crop, especially in steep areas under arid and semi‐arid conditions. It  is  under  these  conditions  that  erosion  is  highest,  and  also  that  the  role  of  soil  as  a  water  reservoir  is  vital,  and  plays  a  major  role  in  determining  the  potential  productivity  of  an  olive  orchard (assuming that other factors such as nutrient availability or pests and diseases are not  limiting).  In  this  simulation,  two  cases  are  compared.  The  first,  Obejo,  is  typical  for  ountain  areas and is characterized by shallow, coarse‐textured soils. The second, Cordoba, represents  orchards cultivated in the rolling landscape of the Guadalquivir river valley on deeper soils with  finer  texture,  fewer  stones  and  better  water‐holding  capacity.  The  two  types  of  agricultural  system correspond to, respectively, types B and A soils distinguished above. The first type can  be expected to be more sensitive to changes under soil erosion pressure. The results shown in  Figure  7  clearly  corroborate  this:  in  the  orchards  represented  by  the  Cordoba  scenario,  the  deep soils result in a low yield sensitivity to the decrease in available soil depth, unless these  values reach an inflexion point of close to 60 cm, where they effectively convert from a type A  30   

  into  type  B  soil.  The  simulations  for  this  typology  of  olive  orchard  are,  however,  extremely  sensitive  to  a  reduction  in  average  rainfall  values,  especially  of  below  400  mm,  due  to  their  larger crown canopies and greater water use. A contrasting situation occurs for the Obejo case,  representative  of  extensive  Mediterranean  areas  with  shallow,  stony  soils.  Here,  there  is  a  significant decrease in potential yield productivity due to the low water holding capacity of the  soil,  because  these  soils  are  coarser  and  rainfall  infiltrates  rapidly  below  the  olive  root  zone  into the relatively permeable parent material. Here however, the detailed simulations revealed  that,  surprisingly,  climate  change  sensitivity  is  lesser,  due  to  the  smaller  crown  canopy  and  reduced  tree  density.  Only  below  very  low  rainfall  values,  of  around  200  mm,  was  a  yield  response  observed.  This  truncation‐yield  model  can  then  be  connected  to  observed  or  modelled decreases of soil losses in olive orchards in the region, that range from 10 to 100 t  ha‐1 yr‐1, with cumulative losses of up to 45 cm of soil in the last 250 years (Vanwalleghem et  al.,  2011).  Although  water‐holding  capacity  of  degraded  soils  can  be  restored  with  management  systems  that  increase  soil  structure  and  soil  organic  carbon,  such  actions  are  complicated.  In  the  case  of  the  soils  mentioned  in  this  example,  this  increase  can  be  in  the  range  of  7  to  18%  after  incorporation  of  soil  amendments  (García‐Ruiz  et  al.,  2012).  This  increase, however, will be concentrated near the soil surface so if soil erosion is not stopped  first its positive impact will be rapidly lost again. These simulations at the local scale show the  importance  of  quantitative  modelling,  as  opposed  to  more  qualitative  estimates,  since  complex interactions, for example between rainfall and crop characteristics (in this case study,  crown size and planting density) can alter the effects of erosion on crop yields.    6. Conclusions   

31   

  Our analysis demonstrates the strong links between historical land use and soil management  changes,  soil  erosion  and  agricultural  sustainability.  Common  trends  have  been  identified  in  the historical evolution of land use and soil management intensification worldwide. The driving  forces  behind  this  intensification  are  a  complex  mixture  of  population,  economic  and  social  variables,  but  recent  research  indicates  that  even  more  complex  issues  might  underlie  observed changes. Its effects on global soil resources are equally complex.   However, some general patterns emerge from the review of existing studies on historical soil  erosion  and  their  comparison  to  global  land  use  dynamics.  First  phases  of  significant  soil  erosion are shown to correspond well with first significant land use changes at a global scale.  At  the  same  time,  our  novel  dataset  shows  important  gaps  in  areas  such  as  Africa  or  Asia,  where more research on historical soil erosion is needed. Historical soil management is equally  important and also very closely linked to soil erosion rates, but very few studies exist on the  topic. Only recently, have we started  to see the appearance of  case studies  that analyze  the  relationship soil management‐erosion at a historical scale (e.g. Vanwalleghem et al., 2011), but  much more empirical work is needed with a sufficiently high spatial and temporal resolution in  order to resolve this coupling.   More work also needs to be done on the prediction of the impact of past soil erosion on soil  resources  and  agricultural  crop  yields.  From  the  existing  body  of  work,  it  is  apparent  that  a  modeling  approach  is  needed  that  links  crop  and  erosion  models  and  that  incorporates  the  interactions  between  the  different  processes  involved.  One  of  the  pathways  in  which  these  studies could be pursued can be through the use of relatively simple, well‐understood models  that  could  be  calibrated  through  available  information.  Not  enough  historical  information  is  generally  available  to  allow  the  use  of  more  complex  erosion  or  crop  models.  Two  main  limitations  were  identified  in  this  review,  that  were  similar  between  backward  modelling  of  past  erosion  processes  and  forward  modelling  of  future  erosion  dynamics.  The  first  area  of 

32   

  limitations is related to feedbacks that are not represented in current models. Such feedbacks  include  dynamic  topography  and  evolving  soil  properties,  but  also  more  complex  responses  related  to  human  behavior  and  socio‐economics.  Those  responses  might  results  in  the  adoption of conservation practices or land use changes. A second main area of limitation is the  uncertainty related to constraining the model input factors. Reconstruction of past climate and  land use is common among many branches of natural sciences and agricultural management is  perhaps  the  most  challenging  to  tackle.  Historical  or  archaeological  records  might  provide  answers to where and when those certain changes in agricultural practices occurred, but for  broad  regional  evaluations  that  information  will  have  to  be  completed  by  multi‐disciplinary  modelling.   Finally,  the  last  hurdle  is  to  link  the  historical  evolution  of  soil  erosion  to  agricultural  crop  yields. Both local soil resources such as technology inputs or agricultural soil management are  key to understanding this coupling.     Acknowledgements    This  research  was  funded  under  the  research  projects  “AGL2012‐40128‐C03‐01”,“AGL2012‐ 40128‐C03‐02”  and  “AGL2012‐40128‐C03‐03”.  The  first  author  is  grateful  for  the  funding  by  the  Ministry  of  Economy  and  Competitiveness  under  the  Ramon  y  Cajal  Fellowship  programme.  We  thank  Dr.  Jed  Kaplan  for  sharing  the  KK10  land  use  scenario  data  shown  in  Figure  2  and  for  many  stimulating  discussions  on  this  topic,  especially  in  the  framework  of  COST Action ES0805 The Terrestrial Biosphere in the Earth System.      33   

      References  Anselmetti, F.S., Hodell, D.A., Ariztegui, D., Brenner, M., Rosenmeier, M.F., 2007.  Quantification of soil erosion rates related to ancient Maya deforestation. Geology 35,  915. doi:10.1130/G23834A.1  Arnáez, J., Lana‐Renault, N., Lasanta, T., Ruiz‐Flaño, P., Castroviejo, J., 2015. Effects of farming  terraces on hydrological and geomorphological processes. A review. CATENA 128,  122–134. doi:10.1016/j.catena.2015.01.021  Bakker, M.M., Govers, G., Jones, R.A., Rounsevell, M.D.A., 2007. The Effect of Soil Erosion on  Europe’s Crop Yields. Ecosystems 10, 1209–1219. doi:10.1007/s10021‐007‐9090‐3  Bakker, M.M., Govers, G., Rounsevell, M.D.., 2004. The crop productivity–erosion relationship:  an analysis based on experimental work. CATENA 57, 55–76.  doi:10.1016/j.catena.2003.07.002  Beach, T., Dunning, N., Luzzadder‐Beach, S., Cook, D.E., Lohse, J., 2006. Impacts of the ancient  Maya on soils and soil erosion in the central Maya Lowlands. CATENA 65, 166–178.  doi:10.1016/j.catena.2005.11.007  Beach, T., Luzzadder‐Beach, S., Dunning, N., Cook, D., 2008. Human and natural impacts on  fluvial and karst depressions of the Maya Lowlands. Geomorphology 101, 308–331.  doi:10.1016/j.geomorph.2008.05.019  Beach, T., Luzzadder‐Beach, S., Dunning, N., Hageman, J., Lohse, J., 2002. Upland Agriculture in  the Maya Lowlands: Ancient Maya Soil Conservation in Northwestern Belize*. Geogr.  Rev. 92, 372–397. doi:10.1111/j.1931‐0846.2002.tb00149.x  Bertran, P., 2004. Soil erosion in small catchments of the Quercy region (southwestern France)  during the Holocene. The Holocene 14, 597–606. doi:10.1191/0959683604hl737rp  34   

  Bindraban, P.S., van der Velde, M., Ye, L., van den Berg, M., Materechera, S., Kiba, D.I.,  Tamene, L., Ragnarsdóttir, K.V., Jongschaap, R., Hoogmoed, M., Hoogmoed, W., van  Beek, C., van Lynden, G., 2012. Assessing the impact of soil degradation on food  production. Curr. Opin. Environ. Sustain., Terrestrial systems 4, 478–488.  doi:10.1016/j.cosust.2012.09.015  Boardman, J., Poesen, J., Evans, R., 2003. Socio‐economic factors in soil erosion and  conservation. Environ. Sci. Policy 6, 1–6. doi:10.1016/S1462‐9011(02)00120‐X  Bork, H.‐R. (Ed.), 1998. Landschaftsentwicklung in Mitteleuropa: Wirkungen des Menschen auf  Landschaften ; 36 Tabellen, 1. Aufl. ed, Perthes GeographieKolleg. Klett‐Perthes,  Gotha.  Bork, H.‐R., Ahrendt, I., 2006. Landschaften der Erde unter dem Einfluss des Menschen.  Primus‐Verlag, Darmstadt.  Bork, H.‐R., Lang, A., 2003. Quantification of past soil erosion and land use / land cover  changes in Germany, in: Lang, P.D.A., Dikau, P.D.R., Hennrich, D.K. (Eds.), Long Term  Hillslope and Fluvial System Modelling, Lecture Notes in Earth Sciences. Springer Berlin  Heidelberg, pp. 231–239.  Borlaug, N., 2007. Feeding a hungry world. Science 318, 359. doi:10.1126/science.1151062  Boserup, E., 1965. The Conditions of Agricultural Growth: The Economics of Agrarian Change  under Population Pressure. George Allen & Unwin Ltd, London.  Bussmann, J., Stele, A., Härtling, J.W., Zielhofer, C., Fuchs, M.C., 2014. Holocene Sediment  Dynamics in the Vicinity of a Roman battlefield near Osnabrück (NW‐Germany). Z. Für  Geomorphol. Suppl. 58, 97–117. doi:10.1127/0372‐8854/2013/S‐00133  Certini, G., Scalenghe, R., 2011. Anthropogenic soils are the golden spikes for the  Anthropocene. The Holocene 959683611408454. doi:10.1177/0959683611408454 

35   

  Ciampalini, R., Follain, S., Le Bissonnais, Y., 2012. LandSoil: A model for analysing the impact of  erosion on agricultural landscape evolution. Geomorphology 175–176, 25–37.  doi:10.1016/j.geomorph.2012.06.014  Cordell, D., Drangert, J.‐O., White, S., 2009. The story of phosphorus: Global food security and  food for thought. Glob. Environ. Change 19, 292–305.  doi:10.1016/j.gloenvcha.2008.10.009  Crutzen, P.J., 2002. Geology of mankind. Nature 415, 23–23.  Currás, A., Zamora, L., Reed, J.M., García‐Soto, E., Ferrero, S., Armengol, X., Mezquita‐Joanes,  F., Marqués, M.A., Riera, S., Julià, R., 2012. Climate change and human impact in  central Spain during Roman times: High‐resolution multi‐proxy analysis of a tufa lake  record (Somolinos, 1280 m asl). CATENA 89, 31–53. doi:10.1016/j.catena.2011.09.009  Currie, T.E., Bogaard, A., Cesaretti, R., Edwards, N., Francois, P., Holden, P., Hoyer, D.,  Korotayev, A., Manning, J., Garcia, M., Carlos, J., Oyebamiji, O.K., Petrie, C., Turchin, P.,  Whitehouse, H., Williams, A., 2015. Agricultural productivity in past societies: Toward  an empirically informed model for testing cultural evolutionary hypotheses.  Cliodynamics 6.  Dabney, S.M., Vieira, D.A.N., Yoder, D.C., 2013. Effects of topographic feedback on erosion and  deposition prediction. Trans. ASABE 56, 727–736.  Dabney, S.M., Yoder, D.C., Vieira, D. a. N., 2012. The application of the Revised Universal Soil  Loss Equation, Version 2, to evaluate the impacts of alternative climate change  scenarios on runoff and sediment yield. J. Soil Water Conserv. 67, 343–353.  doi:10.2489/jswc.67.5.343  De Brue, H., Verstraeten, G., 2014. Impact of the spatial and thematic resolution of Holocene  anthropogenic land‐cover scenarios on modeled soil erosion and sediment delivery  rates. The Holocene 24, 67–77. doi:10.1177/0959683613512168 

36   

  Debolini, M., Schoorl, J.M., Temme, A., Galli, M., Bonari, E., 2015. Changes in Agricultural Land  Use Affecting Future Soil Redistribution Patterns: A Case Study in Southern Tuscany  (Italy): LAND‐USE CHANGES AND SOIL REDISTRIBUTION PATTERNS. Land Degrad. Dev.  26, 574–586. doi:10.1002/ldr.2217  DeFries, R.S., Foley, J.A., Asner, G.P., 2004. Land‐use choices: balancing human needs and  ecosystem function. Front. Ecol. Environ. 2, 249–257.  den Biggelaar, C., Lal, R., Wiebe, K., Breneman, V., 2001. Impact of soil erosion on crop yields in  North America, in: Advances in Agronomy. Academic Press, pp. 1–52.  den Biggelaar, C., Lal, R., Wiebe, K., Eswaran, H., Breneman, V., Reich, P., 2003. The Global  Impact Of Soil Erosion On Productivity∗: II: Effects On Crop Yields And Production Over  Time, in: Agronomy, B.‐A. in (Ed.), . Academic Press, pp. 49–95.  Diamond, J.M., 2005. Collapse: how societies choose to fail or succeed. Viking, New York.  Doré, T., Makowski, D., Malézieux, E., Munier‐Jolain, N., Tchamitchian, M., Tittonell, P., 2011.  Facing up to the paradigm of ecological intensification in agronomy: Revisiting  methods, concepts and knowledge. Eur. J. Agron. 34, 197–210.  doi:10.1016/j.eja.2011.02.006  Dotterweich, M., 2013. The history of human‐induced soil erosion: Geomorphic legacies, early  descriptions and research, and the development of soil conservation—A global  synopsis. Geomorphology 201, 1–34. doi:10.1016/j.geomorph.2013.07.021  Dotterweich, M., Dreibrodt, S., 2011. Past land use and soil erosion processes in central  Europe. PAGES News 19, 49–51.  Dotterweich, M., Rodzik, J., Zgłobicki, W., Schmitt, A., Schmidtchen, G., Bork, H.‐R., 2012. High  resolution gully erosion and sedimentation processes, and land use changes since the  Bronze Age and future trajectories in the Kazimierz Dolny area (Nałęczów Plateau, SE‐ Poland). CATENA 95, 50–62. doi:10.1016/j.catena.2012.03.001 

37   

  Dotterweich, M., Schmitt, A., Schmidtchen, G., Bork, H.‐R., 2003. Quantifying historical gully  erosion in northern Bavaria. CATENA 50, 135–150. doi:10.1016/S0341‐8162(02)00142‐ X  Dusar, B., Verstraeten, G., D’haen, K., Bakker, J., Kaptijn, E., Waelkens, M., 2012. Sensitivity of  the Eastern Mediterranean geomorphic system towards environmental change during  the Late Holocene: a chronological perspective. J. Quat. Sci. 27, 371–382.  doi:10.1002/jqs.1555  Ellis, E.C., 2015. Ecology in an anthropogenic biosphere. Ecol. Monogr. 85, 287–331.  doi:10.1890/14‐2274.1  Ellis, E.C., 2011. Anthropogenic transformation of the terrestrial biosphere. Philos. Trans. R.  Soc. Lond. Math. Phys. Eng. Sci. 369, 1010–1035. doi:10.1098/rsta.2010.0331  Ellis, E.C., Kaplan, J.O., Fuller, D.Q., Vavrus, S., Goldewijk, K.K., Verburg, P.H., 2013. Used  planet: A global history. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 7978–7985.  doi:10.1073/pnas.1217241110  Engel, B.A., Srinivasan, R., Rewerts, C., 1993. A spatial decision support system for modeling  and managing agricultural non‐point‐source pollution. J Amer Water Resour Assoc 30,  441–452.  Engel, M., Knipping, M., Brückner, H., Kiderlen, M., Kraft, J.C., 2009. Reconstructing middle to  late Holocene palaeogeographies of the lower Messenian plain (southwestern  Peloponnese, Greece): Coastline migration, vegetation history and sea level change.  Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 257–270. doi:10.1016/j.palaeo.2009.10.005  Erb, K.H., Gingrich, S., Krausmann, F., Haberl, H., 2008. Industrialization, fossil fuels, and the  transformation of land use. Journal of Industrial Ecology 12(5‐6), 686‐703.  Erb, K.H., Krausmann, F., Lucht, W., Haberl, H., 2009. Embodied HANPP: Mapping the spatial  disconnect between global biomass production and consumption. Ecological  Economics 69(2), 328‐334.  38   

  Fischer‐Kowalski, M., Haberl, H., 2007. Socioecological Transitions and Global Change. Edward  Elgar Publishing Limited, Cheltenham, UK.  Fischer‐Kowalski, M., Krausmann, F., Pallua, I., 2014. A sociometabolic reading of the  Anthropocene: Modes of subsistence, population size and human impact on Earth.  Anthr. Rev. 1, 8–33. doi:10.1177/2053019613518033  Foley, J.A., DeFries, R., Asner, G.P., Barford, C., Bonan, G., Carpenter, S.R., Chapin, F.S., Coe,  M.T., Daily, G.C., Gibbs, H.K., Helkowski, J.H., Holloway, T., Howard, E.A., Kucharik, C.J.,  Monfreda, C., Patz, J.A., Prentice, I.C., Ramankutty, N., Snyder, P.K., 2005. Global  Consequences of Land Use. Science 309, 570–574. doi:10.1126/science.1111772  Foucher, A., Salvador‐Blanes, S., Evrard, O., Simonneau, A., Chapron, E., Courp, T., Cerdan, O.,  Lefèvre, I., Adriaensen, H., Lecompte, F., Desmet, M., 2014. Increase in soil erosion  after agricultural intensification: Evidence from a lowland basin in France.  Anthropocene 7, 30–41. doi:10.1016/j.ancene.2015.02.001  Friis, C., Nielsen, J.Ø., Otero, I., Haberl, H., Niewöhner, J., Hostert, P., 2015. From  teleconnection to telecoupling: taking stock of an emerging framework in land system  science. J. Land Use Sci. 0, 1–23. doi:10.1080/1747423X.2015.1096423  Fuchs, M., 2007. An assessment of human versus climatic impacts on Holocene soil erosion in  NE Peloponnese, Greece. Quat. Res., Reconstructing past environments from  remnants of human occupation and sedimentary archives in western Eurasia 67, 349– 356. doi:10.1016/j.yqres.2006.11.008  Gale, S.J., Haworth, R.J., 2005. Catchment‐wide soil loss from pre‐agricultural times to the  present: transport‐ and supply‐limitation of erosion. Geomorphology 68, 314–333.  doi:10.1016/j.geomorph.2004.10.008  Gallego, D., Garcia‐Herrera, R., Calvo, N., Ribera, P., 2007. A new meteorological record for  Cádiz (Spain) 1806–1852: Implications for climatic reconstructions. J. Geophys. Res.  112. doi:10.1029/2007JD008517  39   

  Garcia‐Ruiz, R., Molina, M.G. de, Guzmán, G., Soto, D., Infante‐Amate, J., 2012. Guidelines for  Constructing Nitrogen, Phosphorus, and Potassium Balances in Historical Agricultural  Systems. J. Sustain. Agric. 36, 650–682. doi:10.1080/10440046.2011.648309  García‐Ruiz, R., Ochoa, M.V., Hinojosa, M.B., Gómez‐Muñoz, B., 2012. Improved soil quality  after 16 years of olive mill pomace application in olive oil groves. Agron. Sustain. Dev.  32, 803–810. doi:10.1007/s13593‐011‐0080‐7  Gingrich, S., Erb, K.H., Krausmann, F., Gaube, V., Haberl, H., 2007. Long‐term dynamics of  terrestrial carbon stocks in Austria: a comprehensive assessment of the time period  from 1830 to 2000. Regional Environmental Change 7(1), 37‐47.  Gingrich, S., Lauk, C., Kastner, T., Krausmann, F., Haberl, H., Erb, K.H., 2016. A Forest Transition:  Austrian Carbon Budgets 1830–2010, in: Haberl, H., Fischer‐Kowalski, M., Krausmann,  F., Winiwarter, V., Social Ecology, Springer International Publishing, Cham, pp. 417‐ 431.  Godfray, H.C.J., Garnett, T., 2014. Food security and sustainable intensification. Phil Trans R  Soc B 369, 20120273. doi:10.1098/rstb.2012.0273  Gómez, J.A., Infante‐Amate, J., González de Molina, M., Vanwalleghem, T., Taguas, E.V., Lorite,  I., 2014a. Olive Cultivation, its Impact on Soil Erosion and its Progression into Yield  Impacts in Southern Spain in the Past as a Key to a Future of Increasing Climate  Uncertainty. Agriculture 4, 170–198. doi:10.3390/agriculture4020170  Gómez, J.A., Rodríguez‐Carretero, M.T., Lorite, I.J., Fereres, E., 2014b. Modeling to Evaluate  and Manage Climate Change Effects on Water Use in Mediterranean Olive Orchards  with Respect to Cover Crops and Tillage Management, in: Ahuja, L.R., Ma, L., Lascano,  R.J. (Eds.), Advances in Agricultural Systems Modeling No. 5. American Society of  Agronomy, Madison, USA. 

40   

  González de Molina, M., Toledo, V.M., 2014. The Social Metabolism, Environmental History.  Springer, Berlin.  Govers, G., Van Oost, K., Wang, Z., 2014. Scratching the Critical Zone: The Global Footprint of  Agricultural Soil Erosion. Procedia Earth Planet. Sci. 10, 313–318.  doi:10.1016/j.proeps.2014.08.023  Grainger, A., 1995. The Forest Transition: An Alternative Approach. Area 27, 242–251.  Grove, A.T., Rackham, O., 2003. The nature of Mediterranean Europe: an ecological history, 2.  printing, with corr. ed. Yale University Press, New Haven.  Haberl, H., 2015. Competition for land: A sociometabolic perspective. Ecological  Economics 119, 424‐431.  Hancock, G.R., Coulthard, T.J., Lowry, J.B.C., 2016. Predicting uncertainty in sediment transport  and landscape evolution – the influence of initial surface conditions. Comput. Geosci.,  Uncertainty and Sensitivity in Surface Dynamics Modeling 90, Part B, 117–130.  doi:10.1016/j.cageo.2015.08.014  He, X., Zhou, J., Zhang, X., Tang, K., 2006. Soil erosion response to climatic change and human  activity during the Quaternary on the Loess Plateau, China. Reg. Environ. Change 6,  62–70. doi:10.1007/s10113‐005‐0004‐7  Heathcote, A.J., Filstrup, C.T., Downing, J.A., 2013. Watershed Sediment Losses to Lakes  Accelerating Despite Agricultural Soil Conservation Efforts. PLOS ONE 8, e53554.  doi:10.1371/journal.pone.0053554  Hoekstra, A.Y., Mekonnen, M.M., Chapagain, A.K., Mathews, R.E., Richter, B.D., 2012. Global  Monthly Water Scarcity: Blue Water Footprints versus Blue Water Availability. PLoS  ONE 7, e32688. doi:10.1371/journal.pone.0032688 

41   

  Infante‐Amate, J., Molina, M.G. de, Vanwalleghem, T., Fernández, D.S., Gómez, J.A., 2013.  Erosion in the Mediterranean: The Case of Olive Groves in the South of Spain (1752– 2000). Environ. Hist. 18, 360–382. doi:10.1093/envhis/emt001  Infante‐Amate, J., 2014. ¿Quién levantó los olivos? Historia de la especialización olivarera en el  sur de España (ss. XVIII–XX), Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio  Ambiente, Madrid.  IUSS Working Group WRB, 2007. World Reference Base for Soil Resources 2006, first update  (No. 103), World Soil Resources Reports. FAO, Rome.  Jepsen, M.R., Kuemmerle, T., Müller, D., Erb, K., Verburg, P.H., Haberl, H., Vesterager, J.P.,  Andrič, M., Antrop, M., Austrheim, G., Björn, I., Bondeau, A., Bürgi, M., Bryson, J.,  Caspar, G., Cassar, L.F., Conrad, E., Chromý, P., Daugirdas, V., Van Eetvelde, V., Elena‐ Rosselló, R., Gimmi, U., Izakovicova, Z., Jančák, V., Jansson, U., Kladnik, D., Kozak, J.,  Konkoly‐Gyuró, E., Krausmann, F., Mander, Ü., McDonagh, J., Pärn, J., Niedertscheider,  M., Nikodemus, O., Ostapowicz, K., Pérez‐Soba, M., Pinto‐Correia, T., Ribokas, G.,  Rounsevell, M., Schistou, D., Schmit, C., Terkenli, T.S., Tretvik, A.M., Trzepacz, P.,  Vadineanu, A., Walz, A., Zhllima, E., Reenberg, A., 2015. Transitions in European land‐ management regimes between 1800 and 2010. Land Use Policy 49, 53–64.  doi:10.1016/j.landusepol.2015.07.003  Jones, P.D., 2004. Climate over past millennia. Rev. Geophys. 42. doi:10.1029/2003RG000143  Jongepier, I., Soens, T., Temmerman, S., Missiaen, T., 2016. Assessing the Planimetric Accuracy  of Historical Maps (Sixteenth to Nineteenth Centuries): New Methods and Potential for  Coastal Landscape Reconstruction. Cartogr. J. 53, 114–132.  doi:10.1179/1743277414Y.0000000095  Kaplan, J.O., Krumhardt, K.M., Ellis, E.C., Ruddiman, W.F., Lemmen, C., Goldewijk, K.K., 2010.  Holocene carbon emissions as a result of anthropogenic land cover change. The  Holocene 959683610386983. doi:10.1177/0959683610386983  42   

  Kaplan, J.O., Krumhardt, K.M., Zimmermann, N., 2009. The prehistoric and preindustrial  deforestation of Europe. Quat. Sci. Rev. 28, 3016–3034.  doi:10.1016/j.quascirev.2009.09.028  Karlen, D.L., Peterson, G.A., Westfall, D.G., 2014. Soil and Water Conservation: Our History and  Future Challenges. Soil Science Society of America Journal 78, 1493–1499.  doi:10.2136/sssaj2014.03.0110  Kastner, T., Rivas, M.J.I., Koch, W., Nonhebel, S., 2012. Global changes in diets and the  consequences for land requirements for food. Proceedings of the National Academy of  Sciences 109(18), 6868‐6872.  Kauppi, P.E., Ausubel, J.H., Fang, J., Mather, A.S., Sedjo, R.A., Waggoner, P.E., 2006. Returning  forests analyzed with the forest identity. Proceedings of the National Academy of  Sciences 103(46), 17574‐17579.  Kay, A.U., Kaplan, J.O., 2015. Human subsistence and land use in sub‐Saharan Africa, 1000 BC  to AD 1500: A review, quantification, and classification. Anthropocene 9, 14–32.  doi:10.1016/j.ancene.2015.05.001  Krausmann, F., Erb, K.‐H., Gingrich, S., Haberl, H., Bondeau, A., Gaube, V., Lauk, C., Plutzar, C.,  Searchinger, T.D., 2013. Global human appropriation of net primary production  doubled in the 20th century. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110, 10324–10329.  doi:10.1073/pnas.1211349110  Lal, R., 1998. Soil Erosion Impact on Agronomic Productivity and Environment Quality. Crit.  Rev. Plant Sci. 17, 319–464. doi:10.1080/07352689891304249  Lal, R., Moldenhauer, W.C., 1987. Effects of soil erosion on crop productivity. Crit. Rev. Plant  Sci. 5, 303–367. doi:10.1080/07352688709382244  Lambin, E.F., Meyfroidt, P., 2010. Land use transitions: Socio‐ecological feedback versus socio‐ economic change. Land Use Policy 27, 108–118. doi:10.1016/j.landusepol.2009.09.003  43   

  Lambin, E.F., Turner, B.L., Geist, H.J., Agbola, S.B., Angelsen, A., Bruce, J.W., Coomes, O.T.,  Dirzo, R., Fischer, G., Folke, C., George, P.S., Homewood, K., Imbernon, J., Leemans, R.,  Li, X., Moran, E.F., Mortimore, M., Ramakrishnan, P.S., Richards, J.F., Skånes, H.,  Steffen, W., Stone, G.D., Svedin, U., Veldkamp, T.A., Vogel, C., Xu, J., 2001. The causes  of land‐use and land‐cover change: moving beyond the myths. Glob. Environ. Change  11, 261–269. doi:10.1016/S0959‐3780(01)00007‐3  Lang, A., 2003. Phases of soil erosion‐derived colluviation in the loess hills of South Germany.  CATENA 51, 209–221. doi:10.1016/S0341‐8162(02)00166‐2  Lang, T., Barling, D., 2012. Food security and food sustainability: reformulating the debate.  Geogr. J. 178, 313–326. doi:10.1111/j.1475‐4959.2012.00480.x  Li, Y., Wu, J., Hou, S., Shi, C., Mo, D., Liu, B., Zhou, L., 2010. Palaeoecological records of  environmental change and cultural development from the Liangzhu and Qujialing  archaeological sites in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Quat. Int.  227, 29–37. doi:10.1016/j.quaint.2010.05.015  Loos, J., Abson, D.J., Chappell, M.J., Hanspach, J., Mikulcak, F., Tichit, M., Fischer, J., 2014.  Putting meaning back into “sustainable intensification.” Front. Ecol. Environ. 12, 356– 361. doi:10.1890/130157  Mabit, L., Chhem‐Kieth, S., Toloza, A., Vanwalleghem, T., Bernard, C., Infante‐Amate, J.,  González de Molina, M., Gómez, J.A., 2012. Radioisotopic and physicochemical  background indicators to assess soil degradation affecting olive orchards in southern  Spain. Agric. Ecosyst. Environ. 159, 70–80. doi:10.1016/j.agee.2012.06.014  Mather, A.S., 1992. The Forest Transition. Area 24, 367–379.  Mather, A.S., Fairbairn, J., 2000. From Floods to Reforestation: The Forest Transition in  Switzerland. Environ. Hist. 6, 399–421. doi:10.3197/096734000129342352  Mather, A.S., Needle, C.L., 1998. The forest transition: a theoretical basis. Area 30, 117–124.  doi:10.1111/j.1475‐4762.1998.tb00055.x  44   

  Mazoyer, M., Roudart, L., 1997. Histoire des agricultures du monde: Du néolithique à la crise  contemporainere des agricultures du monde: Éditions du Seuil, Paris.  McGrath, M.J., Luyssaert, S., Meyfroidt, P., Kaplan, J.O., Bürgi, M., Chen, Y., Erb, K., Gimmi, U.,  McInerney, D., Naudts, K., Otto, J., Pasztor, F., Ryder, J., Schelhaas, M.‐J., Valade, A.,  2015. Reconstructing European forest management from 1600 to 2010.  Biogeosciences 12, 4291–4316. doi:10.5194/bg‐12‐4291‐2015  McNeill, J.R., Winiwarter, V., 2004. Breaking the Sod: Humankind, History, and Soil. Science  304, 1627–1629. doi:10.1126/science.1099893  McWethy, D.B., Whitlock, C., Wilmshurst, J.M., McGlone, M.S., Li, X., 2009. Rapid deforestation  of South Island, New Zealand, by early Polynesian fires. The Holocene 19, 883–897.  doi:10.1177/0959683609336563  Mello, C.R. de, Ávila, L.F., Viola, M.R., Curi, N., Norton, L.D., 2015. Assessing the climate change  impacts on the rainfall erosivity throughout the twenty‐first century in the Grande  River Basin (GRB) headwaters, Southeastern Brazil. Environ. Earth Sci. 73, 8683–8698.  doi:10.1007/s12665‐015‐4033‐3  Meybeck, M., Vörösmarty, C., 2005. Fluvial filtering of land‐to‐ocean fluxes: from natural  Holocene variations to Anthropocene. Comptes Rendus Geosci. 337, 107–123.  doi:10.1016/j.crte.2004.09.016  Meyfroidt, P., Rudel, T. K., & Lambin, E.F., 2010. Forest transitions, trade, and the global  displacement of land use. Proceedings of the National Academy of Sciences 107(49),  20917‐20922.  Meyfroidt, P., Lambin, E.F., 2011. Global Forest Transition: Prospects for an End to  Deforestation. Annu. Rev. Environ. Resour. 36, 343–371. doi:10.1146/annurev‐ environ‐090710‐143732  Mieth, A., Bork, H.‐R., 2005. History, origin and extent of soil erosion on Easter Island (Rapa  Nui). CATENA 63, 244–260. doi:10.1016/j.catena.2005.06.011  45   

  Montgomery, D.R., 2007. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. Natl. Acad. Sci. 104,  13268–13272. doi:10.1073/pnas.0611508104  Morgan, R.P.C., Nearing, M.A., 2002. Soil erosion models: present and future., in: Man and Soil  at the Third Millennium. Proceedings International Congress of the European Society  for Soil Conservation. Presented at the International Congress of the European Society  for Soil Conservation, 28 March‐1 April, 2000., GEOFORMA Edicions, S.L., Valencia,  Spain, pp. 187–205.  Mullan, D., Favis‐Mortlock, D., Fealy, R., 2012. Addressing key limitations associated with  modelling soil erosion under the impacts of future climate change. Agric. For.  Meteorol. 156, 18–30. doi:10.1016/j.agrformet.2011.12.004  Mustard, J.F., Defries, R.S., Fisher, T., Moran, E., 2012. Land‐Use and Land‐Cover Change  Pathways and Impacts, in: Gutman, D.G., Janetos, A.C., Justice, C.O., Moran, D.E.F.,  Mustard, J.F., Rindfuss, R.R., Skole, D., II, B.L.T., Cochrane, M.A. (Eds.), Land Change  Science. Springer, Berlin, pp. 411–429.  Nicholls, C., Altieri, M.A., Vazquez, L., 2016. Agroecology: Principles for the Conversion and  Redesign of Farming Systems. J. Ecosyst. Ecography 1. doi:10.4172/2157‐7625.S5‐010  O’Neal, M.R., Nearing, M.A., Vining, R.C., Southworth, J., Pfeifer, R.A., 2005. Climate change  impacts on soil erosion in Midwest United States with changes in crop management.  CATENA, Soil Erosion under Climate Change: Rates, Implications and FeedbacksSoil  Erosion under Climate Change: Rates, Implications and Feedbacks 61, 165–184.  doi:10.1016/j.catena.2005.03.003  Parton, W.J., Gutmann, M.P., Merchant, E.R., Hartman, M.D., Adler, P.R., McNeal, F.M., Lutz,  S.M., 2015. Measuring and mitigating agricultural greenhouse gas production in the US  Great Plains, 1870‐2000. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112, E4681‐4688.  doi:10.1073/pnas.1416499112 

46   

  Peeters, I., Rommens, T., Verstraeten, G., Govers, G., Van Rompaey, A., Poesen, J., Van Oost,  K., 2006. Reconstructing ancient topography through erosion modelling.  Geomorphology 78, 250–264. doi:10.1016/j.geomorph.2006.01.033  Pimentel, D., Harvey, C., Resosudarmo, P., Sinclair, K., Kurz, D., McNair, M., Crist, S., Shpritz, L.,  Fitton, L., Saffouri, R., Blair, R., 1995. Environmental and Economic Costs of Soil Erosion  and Conservation Benefits. Science 267, 1117–1123.  doi:10.1126/science.267.5201.1117  Pretty, J.N., 1997. The sustainable intensification of agriculture. Nat. Resour. Forum 21, 247– 256. doi:10.1111/j.1477‐8947.1997.tb00699.x  Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A., McCool, D.K., Yoder, D.C., 1997. Predicting soil  erosion by water: a guide to conservation planning with the revised universal soil loss  equation (RUSLE). U.S. Dep. Agric., Agric. Handb. No. 703., Washington DC.  Richter, D. deB., 2007. Humanity’s transformation of earth’s soil: pedology’s new frontier. Soil  Sci. 172, 957–967. doi:10.1097/ss.0b013e3181586bb7  Rommens, T., Verstraeten, G., Bogman, P., Peeters, I., Poesen, J., Govers, G., Van Rompaey, A.,  Lang, A., 2006. Holocene alluvial sediment storage in a small river catchment in the  loess area of central Belgium. Geomorphology 77, 187–201.  doi:10.1016/j.geomorph.2006.01.028  Rosen, A.M., 2008. The impact of environmental change and human land use on alluvial valleys  in the Loess Plateau of China during the Middle Holocene. Geomorphology 101, 298– 307. doi:10.1016/j.geomorph.2008.05.017  Ruddiman, W.F., 2003. The Anthropogenic Greenhouse Era Began Thousands of Years Ago.  Clim. Change 61, 261–293. doi:10.1023/B:CLIM.0000004577.17928.fa  Rudel, T.K., Schneider, L., Uriarte, M., Turner, B.L., DeFries, R., Lawrence, D., Geoghegan, J.,  Hecht, S., Ickowitz, A., Lambin, E.F., Birkenholtz, T., Baptista, S., Grau, R., 2009. 

47   

  Agricultural intensification and changes in cultivated areas, 1970–2005. Proc. Natl.  Acad. Sci. 106, 20675–20680. doi:10.1073/pnas.0812540106  Semple, E.C., 1931. The geography of the Mediterranean region; its relation to ancient history.  H. Holt and company, New York.  Sieferle, R.P., 2001. The subterranean forest: energy systems and the industrial revolution.  White Horse Press, Cambridge.  Silva‐Sánchez, N., Cortizas, A.M., López‐Merino, L., 2014. Linking forest cover, soil erosion and  mire hydrology to late‐Holocene human activity and climate in NW Spain. The  Holocene 959683614526934. doi:10.1177/0959683614526934  Smil, V., 2011. Harvesting the Biosphere: The Human Impact. Popul. Dev. Rev. 37, 613–636.  doi:10.1111/j.1728‐4457.2011.00450.x  Soto, D., Infante‐Amate, J., Guzmán, G.I., Cid, A., Aguilera, E., García, R., González de Molina,  M., 2016. The social metabolism of biomass in Spain, 1900–2008: From food to feed‐ oriented changes in the agro‐ecosystems. Ecol. Econ. 128, 130–138.  doi:10.1016/j.ecolecon.2016.04.017  Sposito, G., 2013. Green Water and Global Food Security. Vadose Zone J. 12, vzj2013.02.0041.  doi:10.2136/vzj2013.02.0041  Steffen, W., Grinevald, J., Crutzen, P., McNeill, J., 2011. The Anthropocene: conceptual and  historical perspectives. Philos. Trans. R. Soc. A 369, 842–867.  doi:10.1098/rsta.2010.0327  Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., Cornell, S.E., Fetzer, I., Bennett, E.M., Biggs, R.,  Carpenter, S.R., Vries, W. de, Wit, C.A. de, Folke, C., Gerten, D., Heinke, J., Mace, G.M.,  Persson, L.M., Ramanathan, V., Reyers, B., Sörlin, S., 2015. Planetary boundaries:  Guiding human development on a changing planet. Science 347, 1259855.  doi:10.1126/science.1259855  48   

  Stinchcomb, G.E., Messner, T.C., Driese, S.G., Nordt, L.C., Stewart, R.M., 2011. Pre‐colonial  (A.D. 1100–1600) sedimentation related to prehistoric maize agriculture and climate  change in eastern North America. Geology 39, 363–366. doi:10.1130/G31596.1  Temme, A.J. a. M., Peeters, I., Buis, E., Veldkamp, A., Govers, G., 2011. Comparing landscape  evolution models with quantitative field data at the millennial time scale in the Belgian  loess belt. Earth Surf. Process. Landf. 36, 1300–1312. doi:10.1002/esp.2152  Tilman, D., 1998. The greening of the green revolution. Nature 396, 211–212.  doi:10.1038/24254  Vanwalleghem, T., Bork, H.R., Poesen, J., Dotterweich, M., Schmidtchen, G., Deckers, J.,  Scheers, S., Martens, M., 2006. Prehistoric and Roman gullying in the European oess  belt: a case study from central Belgium. The Holocene 16, 393–401.  doi:10.1191/0959683606hl935rp  Vanwalleghem, T., Infante‐Amate, J., de Molina, M.G., Fernández, D.S., Gómez, J.A., 2011.  Quantifying the effect of historical soil management on soil erosion rates in  Mediterranean olive orchards. Agric. Ecosyst. Environ. 142, 341–351.  doi:10.1016/j.agee.2011.06.003  Post, K.D. van der, Oldfield, F., Haworth, E.Y., Crooks, P.R.J., Appleby, P.G., 1997. A record of  accelerated erosion in the recent sediments of Blelham Tarn in the English Lake  district. Journal of Paleolimnology 18, 103–120. doi:10.1023/A:1007922129794  Waters, C.N., Zalasiewicz, J., Summerhayes, C., Barnosky, A.D., Poirier, C., Gałuszka, A.,  Cearreta, A., Edgeworth, M., Ellis, E.C., Ellis, M., Jeandel, C., Leinfelder, R., McNeill, J.R.,  Richter, D. deB, Steffen, W., Syvitski, J., Vidas, D., Wagreich, M., Williams, M.,  Zhisheng, A., Grinevald, J., Odada, E., Oreskes, N., Wolfe, A.P., 2016. The  Anthropocene is functionally and stratigraphically distinct from the Holocene. Science  351, aad2622, 1‐10. doi:10.1126/science.aad2622 

49   

  White, E.V., Roy, D.P., 2015. A contemporary decennial examination of changing agricultural  field sizes using Landsat time series data. Geo Geogr. Environ. 2, 33–54.  doi:10.1002/geo2.4  Willgoose, G.R., Sharmeen, S., 2006. A one‐dimensional model for simulating armouring and  erosion on hillslopes: 1. model development and event‐scale dynamics. Earth Surf.  Process. Landf. 31, 970–991. doi:10.1002/esp.1398  Wishmeier, W., Smith, D., 1978. Predicting rainfall erosion losses: a guide to conservation  planning. U.S. Dep. Agric., Agric. Handb. No. 537., Washington DC.  Ye, L., Van Ranst, E., 2009. Production scenarios and the effect of soil degradation on long‐ term food security in China. Glob. Environ. Change 19, 464–481.  doi:10.1016/j.gloenvcha.2009.06.002  Zalasiewicz, J., Williams, M., Steffen, W., Crutzen, P., 2010. The New World of the  Anthropocene. Environ. Sci. Technol. 44, 2228–2231. doi:10.1021/es903118j     

 

50   

  Figures  Figure 1. Conceptual model showing the evolution over time of (a) models of subsistence; (b)  land use changes; (c) land intensification stages and (d) land and labor productivity.(elaborated  based  on  Boserup,  1965;  Foley  et  al.  2005;  Ellis  et  al.  2013;  and  González  de  Molina  and  Toledo,2014)  Figure 2. (a) Map of period of first significant land use change. The location of case studies of  (pre)historical soil erosion is shown in blue. (b) Relationship between first significant land use  change and first significant erosion pulse. Colors codes indicate  number of correspondences.  Dark and light shaded areas indicate a time difference of respectively 1 and 2 periods around  the dotted 1:1 line.  Figure 3. Water and tillage erosion between 1756‐2010 under olive in Montefrío, S Spain, with  identification of the main agricultural management changes (adapted from Vanwalleghem et  al., 2011).  Figure  4.  Interactions  and  importance  of  difference  factors  for  the  prediction  of  long‐term  trends in soil erosion, soil resources and yields.  Figure 5. Sources for input factors of long‐term soil erosion models and their uncertainty as a  function of the time scale considered.   Figure 6. Relationship between crop yield, erosion and technology inputs.  Figure  7.  Relationship  for  given  annual  rainfall  (P)  between  potential  yield  and  soil  depth  for  the Obejo (a); and Cordoba (b) case study. Current soil depth at each site is indicated. Adapted  from Gómez et al. (2014).   

 

51   

 

  Fig 1    52   

 

   

  Fig 2    53   

   

  Fig 3   

54   

 

  Fig 4   

55   

 

  Fig 5     

  fig 6   

56   

   

  Fig 7     

 

57   

  Tables   Table 1. Case studies on historical soil erosion, shown in Figure 2.    Period  Zone 

Location  

Country 

erosion pulsea 

2006 

Meerdaal Forest 

Belgium 



Rommens et al., 2006 

Belgian loess belt 

Belgium 



Bertran, 2004 

Quercy region 

France 



Lang, 2003 

Rhine catchment 

Germany 



Wolfsgraben 

Germany 



Germany 



Kasimiersz Dolny 

Poland 



NW Spain 

Spain 



Peloponnese) 

Greece 



Lower Messenian Plain  

Greece 



Baena 

Spain 



Sagalassos 

Turkey 



Source  Vanwalleghem  et  al., 

Northern and 

Dotterweich  et  al., 

Central Europe  2003 

Bussmann et al., 2014  Osnabrueck  Dotterweich  et  al.,  2012  Silva‐Sánchez  et  al.,  2014 

Phlious  Fuchs, 2007  Mediterranean  Engel et al., 2009 

Dusar et al., 2012 

Stinchcomb  et  al.,  Delaware  America 

Basin 

river 

(NE 

valley 

2011 

(Eastern US) 

USA 



Beach et al., 2006 

Mayan peninsula 

Mexico 



58   

earliest 

  Beach et al., 2008 

Mayan lowlands 

Mexico 



East Coast 

Australia 



Gale  and  Haworth,  2005 

New  McWethy et al., 2009 

New Zealand  

Zealand 



Asia and 

He et al., 2006 

Loess plateau 

China 



Oceania 

Rosen, 2008 

Loess plateau 

China 



2006 

Shaanxi 

China 



Li et al., 2010 

Liangzhu and Qujialing sites 

China 



Mieth and Bork, 2005 

Easter Island 

Chile 



Bork  and  Ahrendt, 

a

  see  legend  Figure  2.  Period  codes:  1  =  >  8000  years  ;  2  =  5000‐8000  years;  3  =  3000‐5000  years;    4  =  2000‐3000  years; 5 = 1000‐2000 years; 6 = 500‐1000years; 7 = 250‐500  years; 8 = 100‐250 years). 

59   

  Table  2.  Global  distribution  of  soil  types  and  their  classification  into  insensitive  (type  A)  and  sensitive (type B) to erosion. Type C soils cannot be classified as either or are not suitable for  agriculture. 

   Acrisols  Albeluvisol  Alisols  Andosols  Anthrosols  Arenosols  Calcisols  Cambisols  Chernozems  Cryosols  Durisols  Ferralsols  Fluvisols  Gleysols  Gypsisols  Histosols  Kastanozems  Leptosols  Lixisols  Luvisols  Nitisols  Phaeozems  Planosols  Plinthosols  Podzols  Regosols  Solonchaks  Solonetz  Stagnosols  Technosols  Umbrisols  Vertisols  Total A (%)  Total B (%)  Total C (%) 

Typea  A  B  A  A  C  B  B  A  A  C  B  A  A  C  B  C  A  B  B  A  A  A  B  B  C  A  C  B  C  A  C  A 

Surface   (106 km2)b  10,0  3,2  1,0  1,1  0,0  13,0  10,0  15,0  2,3  18,0  n.a.  7,5  3,5  7,2  1,0  3,5  4,7  16,6  4,7  5,5  2,0  1,9  1,3  0,6  4,9  2,6  2,6  1,4  1,8  n.a.  1,0  3,4  40  34  26 

 

60   

  a

 type A = deep, fertile soils; type B = shallow soils or soil with a layer impeding plant growth at 

shallow depth; type C = soils that are not suitable for agriculture or do not follow the previous  classification  b

 source: IUSS Working Group WRB (2007) 

   

61