Desertification is a change in soil properties, vegetation or climate, which results in a persistent loss of ecosystem services that are fundamental to sustaining life. Desertification affects large dryland areas around the world and is a major cause of stress in human societies. Here we review recent research on the drivers, feedbacks, and impacts of desertification. A multidisciplinary approach to understanding the drivers and feedbacks of global desertification is motivated by our increasing need to improve global food production and to sustainably manage ecosystems in the context of climate change. Classic desertification theories look at this process as a transition between stable states in bistable ecosystem dynamics. Climate change (i.e., aridification) and land use dynamics are the major drivers of an ecosystem shift to a “desertified” (or “degraded”) state. This shift is typically sustained by positive feedbacks, which stabilize the system in the new state. Desertification feedbacks may involve land degradation processes (e.g., nutrient loss or salinization), changes in rainfall regime resulting from land-atmosphere interactions (e.g., precipitation recycling, dust emissions), or changes in plant community composition (e.g., shrub encroachment, decrease in vegetation cover). We analyze each of these feedback mechanisms and discuss their possible enhancement by interactions with socio-economic drivers. Large scale effects of desertification include the emigration of “environmental refugees” displaced from degraded areas, climatic changes, and the alteration of global biogeochemical cycles resulting from the emission and long-range transport of fine mineral dust. Recent research has identified some possible early warning signs of desertification, which can be used as indicators of resilience loss and imminent shift to desert-like conditions. We conclude with a brief discussion on some desertification control strategies implemented in different regions around the world.

Societal pressure on the global land and freshwater resources is increasing as a result of the rising food demand by the growing human population, dietary changes, and the enhancement of biofuel production induced by the rising oil prices and recent changes in United States and European Union bioethanol policies. Many countries and corporations have started to acquire relatively inexpensive and productive agricultural land located in foreign countries, as evidenced by the dramatic increase in the number of transnational land deals between 2005 and 2009. Often known as "land grabbing," this phenomenon is associated with an appropriation of freshwater resources that has never been assessed before. Here we gather land-grabbing data from multiple sources and use a hydrological model to determine the associated rates of freshwater grabbing. We find that land and water grabbing are occurring at alarming rates in all continents except Antarctica. The per capita volume of grabbed water often exceeds the water requirements for a balanced diet and would be sufficient to improve food security and abate malnourishment in the grabbed countries. It is found that about 0.31 × 10(12) m(3) · y(-1) of green water (i.e., rainwater) and up to 0.14 × 10(12) m(3) · y(-1) of blue water (i.e., irrigation water) are appropriated globally for crop and livestock production in 47 × 10(6) ha of grabbed land worldwide (i.e., in 90% of the reported global grabbed land).

Abstract Water availability is a major factor constraining humanity's ability to meet the future food and energy needs of a growing and increasingly affluent human population. Water plays an important role in the production of energy, including renewable energy sources and the extraction of unconventional fossil fuels that are expected to become important players in future energy security. The emergent competition for water between the food and energy systems is increasingly recognized in the concept of the “food‐energy‐water nexus.” The nexus between food and water is made even more complex by the globalization of agriculture and rapid growth in food trade, which results in a massive virtual transfer of water among regions and plays an important role in the food and water security of some regions. This review explores multiple components of the food‐energy‐water nexus and highlights possible approaches that could be used to meet food and energy security with the limited renewable water resources of the planet. Despite clear tensions inherent in meeting the growing and changing demand for food and energy in the 21st century, the inherent linkages among food, water, and energy systems can offer an opportunity for synergistic strategies aimed at resilient food, water, and energy security, such as the circular economy.

We advance the notion of agricultural economic water scarcity to identify where irrigation expansion may increase food production.

Abstract The recent intensification of international trade has led to a globalization of food commodities and to an increased disconnection between human populations and the land and water resources that support them through crop and livestock production. Several countries are not self‐sufficient and depend on imports from other regions. Despite the recognized importance of the role of trade in global and regional food security, the societal reliance on domestic production and international trade remains poorly quantified. Here we investigate the global patterns of food trade and evaluate the dependency of food security on imports. We investigate the relationship existing between the trade of food calories and the virtual transfer of water used for their production. We show how the amount of food calories traded in the international market has more than doubled between 1986 and 2009, while the number of links in the trade network has increased by more than 50%. Likewise, global food production has increased by more than 50% in the same period, providing an amount of food that is overall sufficient to support the global population at a rate of 2700–3000 kcal per person per day. About 23% of the food produced for human consumption is traded internationally. The water use efficiency of food trade (i.e., food calories produced per unit volume of water used) has declined in the last few decades. The water use efficiency of food production overall increases with the countries' affluence; this trend is likely due to the use of more advanced technology.

Land degradation in drylands is one of the major environmental issues of the 21st century particularly due to its impact on world food security and environmental quality. Climate change, shifts in vegetation composition, accelerated soil erosion processes, and disturbances have rendered these landscapes susceptible to rapid degradation that has important feedbacks on regional climate and desertification. Even though the role of hydrologic–aeolian erosion and vegetation dynamic processes in accelerating land degradation is well recognized, most studies have concentrated only on the role of one or two of these components, and not on the interactions among all three. Drawing on relevant published studies, here we review recent contributions to the study of biotic and abiotic drivers of dryland degradation and we propose a more holistic perspective of the interactions between wind and water erosion processes in dryland systems, how these processes affect vegetation patterns and how vegetation patterns, in turn, affect these processes. Notably, changing climate and land use have resulted in rapid vegetation shifts, which alter the rates and patterns of soil erosion in dryland systems. With the predicted increase in aridity and an increase in the frequency of droughts in drylands around the world, there could be an increasing dominance of abiotic controls of land degradation, in particular hydrologic and aeolian soil erosion processes. Further, changes in climate may alter the relative importance of wind versus water erosion in dryland ecosystems. Therefore acquiring a more holistic perspective of the interactions among hydrologic–aeolian erosion and vegetation dynamic processes is fundamental to quantifying and modeling land degradation processes in drylands in changing climate, disturbance regimes and management scenarios.

Meeting the food needs of the growing and increasingly affluent human population with the planet’s limited resources is a major challenge of our time. Seen as the preferred approach to global food security issues, ‘sustainable intensification’ is the enhancement of crop yields while minimizing environmental impacts and preserving the ability of future generations to use the land. It is still unclear to what extent sustainable intensification would allow humanity to meet its demand for food commodities. Here we use the footprints for water, nitrogen, carbon and land to quantitatively evaluate resource demands and greenhouse gas (GHG) emissions of future agriculture and investigate whether an increase in these environmental burdens of food production can be avoided under a variety of dietary scenarios. We calculate average footprints of the current diet and find that animal products account for 43–87% of an individual’s environmental burden – compared to 18% of caloric intake and 39% of protein intake. Interestingly, we find that projected improvements in production efficiency would be insufficient to meet future food demand without also increasing the total environmental burden of food production. Transitioning to less impactful diets would in many cases allow production efficiency to keep pace with growth in human demand while minimizing the food system’s environmental burden. This study provides a useful approach for evaluating the attainability of sustainable targets and for better integrating food security and environmental impacts.

Abstract Despite the growing interest in predicting global and regional trends in vegetation productivity in response to a changing climate, changes in water constraint on vegetation productivity (i.e., water limitations on vegetation growth) remain poorly understood. Here we conduct a comprehensive evaluation of changes in water constraint on vegetation growth in the extratropical Northern Hemisphere between 1982 and 2015. We document a significant increase in vegetation water constraint over this period. Remarkably divergent trends were found with vegetation water deficit areas significantly expanding, and water surplus areas significantly shrinking. The increase in water constraints associated with water deficit was also consistent with a decreasing response time to water scarcity, suggesting a stronger susceptibility of vegetation to drought. We also observed shortened water surplus period for water surplus areas, suggesting a shortened exposure to water surplus associated with humid conditions. These observed changes were found to be attributable to trends in temperature, solar radiation, precipitation, and atmospheric CO 2 . Our findings highlight the need for a more explicit consideration of the influence of water constraints on regional and global vegetation under a warming climate.

Highly organized vegetation patterns can be found in a number of landscapes around the world. In recent years, several authors have investigated the processes underlying vegetation pattern formation. Patterns that are induced neither by heterogeneity in soil properties nor by the local topography are generally explained as the result of spatial self‐organization resulting from “symmetry‐breaking instability” in nonlinear systems. In this case, the spatial dynamics are able to destabilize the homogeneous state of the system, leading to the emergence of stable heterogeneous configurations. Both deterministic and stochastic mechanisms may explain the self‐organized vegetation patterns observed in nature. After an extensive analysis of deterministic theories, we review noise‐induced mechanisms of pattern formation and provide some examples of applications relevant to the environmental sciences.

Soil moisture is the environmental variable synthesizing the effect of climate, soil, and vegetation on the dynamics of water‐limited ecosystems. Unlike abiotic factors (e.g., soil texture and rainfall regime), the control exerted by vegetation composition and structure on soil moisture variability remains poorly understood. A number of field studies in dryland landscapes have found higher soil water contents in vegetated soil patches than in adjacent bare soil, providing a convincing explanation for the observed preferential establishment of grasses and seedlings beneath tree canopies. Thus, because water is the limiting factor for vegetation in arid and semiarid ecosystems, a positive feedback could exist between soil moisture and woody vegetation dynamics. It is still unclear how the strength of such a feedback would change under different long‐term rainfall regimes. To this end, we report some field observations from savanna ecosystems located along the south‐north rainfall gradient in the Kalahari, where the presence of relatively uniform sandy soils limits the effects of covarying factors. The data available from our field study suggest that the contrast between the soil moisture in the canopy and intercanopy space increases (with wetter soils under the canopy) with increasing levels of aridity. We hypothesize that this contrast may lead to a positive feedback and explore the implications of such a feedback in a minimalistic model. We found that when the feedback is relatively strong, the system may exhibit two stable states corresponding to conditions with and without tree canopy cover. In this case, even small changes in environmental variables may lead to rapid and largely irreversible shifts to a state with no tree canopy cover. Our data suggest that the tendency of the system to exhibit two (alternative) stable states becomes stronger in the more arid regions. Thus, at the desert margins, vegetation is more likely to be prone to discontinuous and abrupt state changes.