The Loess Plateau in north China is famous for its deep loess. Due to the special geographic landscape, soil and climatic conditions, and long history (over 5000 years) of human activity, there has been intensive soil erosion which has resulted in prolonged and great impacts on social and economic development in the region. In this paper the factors causing soil and water loss from the Loess Plateau are discussed. Problems and measures for the comprehensive control of soil and water loss in the Loess Plateau are proposed. The objective of this paper is to provide a guide for the reconstruction of ecological and economic development in the region.

The Loess Plateau of China is a region with one of the most severe cases of soil erosion in the world. Since the 1950s, there has been afforestation measure to control soil erosion and improve ecosystem services on the plateau. However, the introduction of exotic tree species (e.g., R. pseudoacacia, P. tabulaeformis and C. korshinskii) and high-density planting has had a negative effect on soil moisture content (SMC) in the region. Any decrease in SMC could worsen soil water shortage in both the top and deep soil layers, further endangering the sustainability of the fragile ecosystem. This study analyzed the variations in SMC following the conversion of croplands into forests in the Loess Plateau. SMC data within the 5-m soil profile were collected at 50 sites in the plateau region via field survey, long-term in-situ observations and documented literature. The study showed that for the 50 sites, the depth-averaged SMC was much lower under forest than under cropland. Based on in-situ measurements of SMC in agricultural plots and C. korshinskii plots in 2004–2014, SMC in the 0–4 m soil profile in both plots declined significantly (p < 0.01) during the growing season. The rate of decline in SMC in various soil layers under C. korshinskii plots (−0.008 to −0.016 cm3 cm−3 yr−1) was much higher than those under agricultural plots (−0.004 to −0.005 cm3 cm−3 yr−1). This suggested that planting C. korshinskii intensified soil moisture decline in China’s Loess Plateau. In the first 20–25 yr of growth, the depth-averaged SMC gradually decreased with stand age in R. pseudoacacia plantation, but SMC somehow recovered with increasing tree age over the 25-year period. Irrespectively, artificial forests consumed more deep soil moisture than cultivated crops in the study area, inducing soil desiccation and dry soil layer formation. Thus future afforestation should consider those species that use less water and require less thinning for sustainable soil conservation without compromising future water resources demands in the Loess Plateau.

A dried soil layer (DSL) formed in the soil profile is a typical indication of soil drought caused by climate change and/or poor land management. The responses of a soil to drought conditions in water-limited systems and the impacts of plant characteristics on these processes are seldom known due to the lack of comparative data on soil water content (SWC) in the soil profile. The occurrence of DSLs can interfere in the water cycle in soil–plant–atmosphere systems by preventing water interchanges between upper soil layers and groundwater. Consequently, a DSL may limit the sustainability of environmental restoration projects (e.g., revegetation, soil and water conservation, etc.) on the Loess Plateau of China and in other similar arid and semiarid regions. In this study, we investigated and compared the impacts of soil type, land use and plant characteristics within each of the three climatic regions (arid, semiarid, semihumid) of the Loess Plateau. A total of 17,906 soil samples from 382 soil profiles were collected to characterize DSLs across the Plateau. Spatial patterns of DSLs (represented by four indices: (1) DSL thickness, DSLT; (2) DSL forming depth, DSLFD; (3) mean SWC within the DSL, DSL-SWC; and (4) stable field water capacity, SFC) differed significantly among the climatic regions, emphasizing the importance of considering climatic conditions when assessing DSL variations. The impact of land use on DSLs varied among the three climatic regions. In the arid region, land use had no significant effect on DSLs but there were significant effects in the semiarid and semihumid regions (P < 0.05). The development of DSLs under trees and grasses was more severe in the semiarid region than in the semihumid region. In each climatic region, the extent of DSLs depended on the plant species (e.g., native or exotic, tree or grass) and growth ages; while only in the semiarid region, the DSL-SWC and SFC (P < 0.001) were significantly influenced by soil type. The DSL distribution pattern was related to the climatic region and the soil texture, which both followed gradients along the southeast–northwest axis of the Plateau. Optimizing land use can mediate DSL formation and development in the semiarid and semihumid regions of the Loess Plateau and in similar regions elsewhere. Understanding the dominant factors affecting DSLs at the regional scale enables scientifically based policies to be made that would alleviate the process of soil desiccation and sustain development of the economy and restoration of the natural environment. Moreover, these results can also be useful to the modeling of the regional water cycle and related eco-hydrological processes.

While soil erosion drives land degradation, the impact of erosion on soil microbial communities and multiple soil functions remains unclear. This hinders our ability to assess the true impact of erosion on soil ecosystem services and our ability to restore eroded environments. Here we examined the effect of erosion on microbial communities at two sites with contrasting soil texture and climates. Eroded plots had lower microbial network complexity, fewer microbial taxa, and fewer associations among microbial taxa, relative to non-eroded plots. Soil erosion also shifted microbial community composition, with decreased relative abundances of dominant phyla such as Proteobacteria, Bacteroidetes, and Gemmatimonadetes. In contrast, erosion led to an increase in the relative abundances of some bacterial families involved in N cycling, such as Acetobacteraceae and Beijerinckiaceae. Changes in microbiota characteristics were strongly related with erosion-induced changes in soil multifunctionality. Together, these results demonstrate that soil erosion has a significant negative impact on soil microbial diversity and functionality.

Soil desiccation usually takes place below the depth of soil affected by rainfall infiltration (about 1–3 m) with relatively low water content, and is one kind of particular hydrological phenomena in semi-arid and semi-humid regions of the Loess Plateau in China. This desiccation results from the excessive depletion of deep soil water by artificial vegetation and long-term insufficient rainwater supply, which is difficult to disappear with land use change. Due to the influence of global warming during 1950–2000, large-scale vegetation rehabilitation aggravated water scarcity and led to soil desiccation in the deep soil layer in the Loess Plateau. From southeast to northwest, soil desiccation becomes more intensive with lower water content and bigger range in depth due to drier climate and lower water holding capacity. The range of soil desiccation has a close relationship with root distribution of plant, and its intensity varies with the types and ages of vegetation. The climate drought, soil properties and soil water cycle characteristics might be the precondition for the occurrence of soil desiccation, and artificial vegetation with improper type and exorbitant productivity could have accelerated this process in range and intensity. Soil desiccation has obviously negative effects on water cycle in soils, greatly reduces the anti-drought capacity of plants, and heavily influences the growth and natural succession of vegetation. In order to reduce the range, intensity, and negative effects of soil desiccation, proper types of vegetation should be selected according to rainfall and soil water conditions, and the control of vegetation density and productivity should be considered together with soil-water conservation measures.

Several reviews have analyzed the factors that affect the change in soil organic C (SOC) when forest is converted to agricultural land; however, the effects of forest type and cultivation stage on these changes have generally been overlooked. We collated observations from 453 paired or chronosequential sites where forests have been converted to agricultural land and then assessed the effects of forest type, cultivation stage, climate factors and soil properties on the change in the SOC stock and the SOC turnover rate constant (k). The percent decrease in SOC stocks and the turnover rate constants both varied significantly according to forest type and cultivation stage. The largest decrease in SOC stocks was observed in temperate regions (52% decrease), followed by tropical regions (41% decrease) and boreal regions (31% decrease). Climate and soil factors affected the decrease in SOC stocks. The SOC turnover rate constant after the conversion of forests to agricultural land increased with the mean annual precipitation and temperature. To our knowledge, this is the first time that original forest type was considered when evaluating changes in SOC after being converted to agricultural land. The differences between forest types should be considered when calculating global changes in SOC stocks.