Effect of mineral and organic fertilization on crop yield,nitrogen uptake,carbon and nitrogen balances,as well as soil organic carbon content and dynamics: results from 20 European long-term field experiments of the twenty-first century

Assembled results from 20 European long-term experiments (LTE), mainly from the first decade of the twenty-first century, are presented. The included LTEs from 17 sites are the responsibility of institutional members of the International Working Group of Long-term Experiments in the IUSS. Between the sites, average annual temperatures differ between 8.1 and 15.3°C, annual precipitation between 450 and 1400 mm, and soil clay contents between 3 and 31%. On average of 350 yield comparisons, combined mineral and organic fertilization resulted in a 6% yield benefit compared with mineral fertilization alone; in the case of winter wheat, the smallest effect was 3%, the largest effect, seen with potatoes, was 9%. All unfertilized treatments are depleted in soil organic carbon (SOC), varying between 0.36 and 2.06% SOC. The differences in SOC in unfertilized plots compared with the respective plots with combined mineral (NPK) and organic (10 t ha^?1 farmyard manure) fertilization range between 0.11 and 0.72%, with an average of 0.3% (corresponding to ～15 t ha^?1). Consequently, the use of arable soils for carbon sequestration is limited and of low relevance and merely depleted soils can temporarily accumulate carbon up to their optimum C content.     

Humus und Klimaänderung - Ergebnisse aus 15 langjährigen Dauerfeldversuchen

Zusammenfassung

Die Quantifizierung des Einflusses von Klimaänderungen auf den Humusgehalt des Bodens ist von großer wirtschaftlicher und wissenschaftlicher Bedeutung. Eine Möglichkeit dieser Quantifizierung besteht in der Auswertung von Dauerfeldversuchen mit der kontinuierlichen Bestimmung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehaltes von Böden über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten unter Wahrung des Ceteris-Paribus-Prinzips. Für die vorliegende Arbeit wurden die Ergebnisse von insgesamt 15 Dauerfeldversuchen an zehn verschiedenen Standorten mit rund 150 unterschiedlichen Düngungsvarianten ausgewertet. Die Versuchsdauer lag mit einer Ausnahme zwischen 40 und 110 Jahren. Die C_org-Daten konnten nahezu lückenlos über einen Zeitraum von jeweils 20 Jahren einbezogen werden. Die N_t-Gehalte wurden in sechs Versuchen berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei allen Prüfgliedern mit kombinierter organisch-mineralischer Düngung in der Größenordnung, wie sie der “guten fachlichen Praxis“ oder auch der Humusbilanzmethode entspricht, keine Verringerung der C_org-Gehalte eingetreten ist. In einigen Fällen waren signifikante Erhöhungen zu verzeichnen. In 11 von 15 Versuchen war auch ohne Düngung oder mit ausschließlicher Mineraldüngung keine Reduzierung und somit keine klimabedingte Verringerung der Humusgehalte im Untersuchungszeitraum nachweisbar. Stattdessen wurde in einigen Fällen eine signifikante Erhöhung gefunden. Auch bei den N_t-Gehalten war in keinem Fall eine signifikante Verringerung festzustellen. Umfangreiche Großzahlanalysen und Dauerfeldversuchsauswertungen anderer Autoren bestätigen uneingeschränkt die Ergebnisse.     

The Static Fertilization Experiment at the Start and the End of the 20th Century

Changes of yields, nitrogen uptake on the zero plots and nitrogen balances are discussed in the course of the decades at the Static Fertilization Experiment exemplary. 1991-2000 yields of cereals on the fertilized plots were nearly 200% in comparison to 1906-1915. At potatoes and sugar beets increase of yields was smaller. In the middle of all crops 52kg/ha nitrogen were taken up on the unfertilized plots in the years 1959-2000. Since there is a balance in the soil this nitrogen can only derived from the air. On the PK plots the atmogenic nitrogen input is 6kg/ha still higher. Crops with a long vegetation period like winter wheat and sugar beets take up more atmogenic nitrogen than such with a shorter vegetation period like summer barley and potatoes. The atmogenic nitrogen input per day of vegetation period is between 0,24 (winter wheat) and 0,38 (sugar beet)kg/ha and day. Nitrogen balances of the more important variants show that nitrogen uptake is higher than nitrogen input for a long time. In comparison of the decades 1961-1970 and 1991-2000 the best effect is in the case of mineral fertilization alone, also at increasing nitrogen input at the end of the century. The reason is the optimal control of nitrogen amount and time of application. In contrast organic fertilization and nitrogen release from the organic matter you can't control with the result of more unfavourable balances.     

Substance and Energy Balances in the "Static Fertilisation Experiment Bad Lauchstädt"

Data of the "Static Fertilisation Experiment Bad Lauchstädt" were used to identify the effect of different fertiliser application on yield, various energetic parameters as well as on carbon and nitrogen balance of the long-term trial in a selected time period (1991-2000). The fertiliser regimes considered, are neither mineral fertiliser nor farmyard manure (without/without), mineral NPK and no farmyard manure (NPK/without), no mineral fertiliser and 10t ha m 1 a m 1 farmyard manure (without/10), mineral NPK and 10t ha m 1 a m 1 farmyard manure (NPK/10), no mineral fertiliser and 15t ha m 1 a m 1 farmyard manure (without/15), as well as mineral NPK and 15t ha m 1 a m 1 farmyard manure (NPK/15). The farmyard manure was only applicated to root crops. The crop rotation included sugar beets, spring barley, potatoes and winter wheat. In most cases, the treatment NPK/10 yielded in the most favourable results whereas the treatment without/without was the most unfavourable one. Sugar beets were - followed by winter wheat - the most profitable crops, potatoes the most unfavourable one. The fossil energy input was highly variable; it ranged from 4.1 to 24.3GJ ha m 1 a m 1 depending on fertiliser regime and crop. The total yield (based on main products and by-products) varied from 2.1 to 20.1t dry matter ha m 1 a m 1 , corresponding to an energy output between 3.4 and 33.6GJ ha m 1 a m 1 . The energetic parameters energy gain (net energy output) and energy intensity ranged form 25.5 to 315GJ ha m 1 a m 1 and from 143 to 1824MJ GE m 1 , respectively. The carbon balances resulted the highest C gain with the exclusive mineral fertilisation (NPK/without), followed from the treatment NPK/10. The same applies for the nitrogen balances.     

Stellungnahme der "Internationalen Abbeitsgemeinschaft Bodenfruchtbarkeit" in Der Iuss Zu Einigen Speziellen Fragen Nachhaltiger Landwirtschaftlicher Bodennutzung

Die Entstehung der Internationalen Arbeitsgemeinschaft für Bodenfruchtbarkeit innerhalb der Kommission IV "Bodenfruchtbarkeit" der Internationalen Bodenkundlichen Union (IUSS) geht auf die Initiative von Mitgliedern aus den Niederlanden, aus Deutschland und aus Dä;nemark zurück. Der Gründungsvorschlag wurde wä;hrend der Sitzungen der Kommissionen II und IV der damaligen ISSS in Dublin (1952) unterbreitet und wä;hrend mehrerer Arbeitssitzungen in Kinshasa (1954, Leopoldville) und in Deutschland (1955) ausgearbeitet. Die Gründung erfolgte wä;hrend des ISSS-Kongresses in Paris im Jahre 1956. Die Arbeitsgruppe befasst sich mit den Interaktionen zwischen Stickstoffdüngung, Standort gegebenheiten und Ertrag in definierten Fruchtfolge- und Bewirtschaftungs- systemen. Mit der Geschichte der Arbeitsgemeinschaft eng verbunden ist der Name Eduard von Boguslawski. Prof. Dr. Dr.h.c. Eduard von Boguslawski war Mitinitiator und Mitbegründer der Arbeitsgruppe und prä;gte von Beginn an die konzeptionellen, technischen und wissenschaftlichen Ansä;tze zusammen mit dem ersten Prä;sidenten der Arbeitsgemeinschaft, Dr. Pieter Bruin, dem langjä;hrigen Direktor des Instituts für Bodenfruchtbarkeit in Haren (Groningen, Niederlande). Bruin leitete die Gruppe zusammen mit seinem Sekretür, Dr. Th. J. Ferrari. Ab dem Jahre 1973 übernahm Dr. B. Bretschneider-Herrmann (Rauischholzhausen) bis zu seinem Ableben im Jahre 1981 die Aufgaben des Sekretä;rs. Im Jahre 1980 übergab Dr. Bruin das Amt des Prä;sidenten an Prof. von Boguslawski, der die Arbeitsgemeinschaft bis zu seinem Tode am 1. Februar 1999 leitete. Danach übernahm Prof. Dr. Dr.h.c. Martin Körschens, Bad Lauchstä;dt, die Leitung. Das Amt des Sekretä;rs wird seit 1982 von Prof. Dr. Hans-Richard Wegener ausgeübt. Der Arbeitsgemeinschaft gehören zurzeit mehr als 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 12 europä;ischen Lä;ndern an. Die Mitglieder verfügen mit den Dauerfeldversuchen der Serie der "Internationalen Organischen Stickstoffdauerdüngungsversuche - IOSDV" sowie mit einer Vielzahl weiterer langjä;hriger Dauerfeldversuche über eine exzellente experimentelle Basis für Forschungen auf dem Gebiet der Bodenfruchtbarkeit. Alljä;hrlich werden eine Wintertagung im Schloss Rauischholzhausen (Deutschland) sowie eine Sommerexkursion in einem der beteiligten Lä;nder durchgeführt. In den letzten Beratungen haben sich die Mitglieder der AG ausführlich mit Fragen der nachhaltigen Bodennutzung beschä;ftigt und nach Auswertung der vorhandenen Ergebnisse und Erfahrungen mit sehr großer Mehrheit folgende Erklä;rung verabschiedet. 1. Ziele einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Bodennutzung sind hohe Erträ;ge zur ausreichenden Versorgung der stä;ndig zunehmenden Weltbevölkerung mit gesunden Nahrungsmitteln sowie zur Produktion von Energie und Rohstoffen. Gleichbedeutend ist die Erhaltung der ökologischen Bodenfunktionen, der Artenvielfalt, der Landschaft und damit der Umwelt im weitesten Sinne. 2. Die Ergebnisse der umfangreichen Dauerfeldversuche belegen, dass die Erhaltung und Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit am ehesten mit der optimalen Kombination organischer und mineralischer Düngung zu erreichen ist. 3. Der Einsatz von organischem Dünger, Mineraldünger und Pflanzenschutzmitteln hat bei konsequenter Beachtung des gegenwä;rtigen Kenntnisstandes, als Ergebnis einer international sehr intensiven und erfolgreichen Forschung der letzten Jahrzehnte, einen positiven Einfluss auf die Umwelt und zugleich einen erheblichen Energiegewinn zur Folge. 4. Ein Verzicht auf Mineraldüngerstickstoff und chemischen Pflanzenschutz reduziert die Erträ;ge auf 60 bis 70%. Damit werden zur Produktion gleicher Mengen an Biomasse rd. 50 % mehr Land benötigt, das CO 2 -Minderungspotential unzureichend genutzt, das Risiko von Stickstoffverlusten erhöht und ökologisch sensible Flä;chen werden zunehmend in landwirtschaftliche Nutzflä;chen umgewandelt. 5. Über den standort- und nutzungsabhä;ngigen Optimalwert erhöhte Humusgehalte können zu Umweltbelastungen führen, insbesondere durch eine negative Beeinflussung des C- und N- Haushaltes der Atmosphä;re und durch die Beeinträ;chtigung der Qualitä;t des Grundwassers. 6. Die Einhaltung der Fruchtfolgegrundsä;tze führt zu effektiver Verwertung der eingesetzten Produktionsmittel und positiven Umweltwirkungen. 7. Es gibt keine abgesicherten wissenschaftlichen Ergebnisse die belegen, dass durch den Verzicht auf Agrochemikalien die Nahrungsmittelqualitä;t verbessert und der Einfluss auf die Umwelt vermindert wird. Sowohl durch unsachgemäßben Einsatz als auch durch Verzicht auf Agrochemikalien können nachteilige Wirkungen nicht ausgeschlossen werden. 8. Die Zukunft kann nur im Konzept des Integrierten Landbaus liegen: Orientierung der Mineraldüngung auf das ökologisch und ökonomisch vertretbare Optimum und Einsatz von Pflanzenschutzmitteln nach dem Schadschwellenprinzip. Der gegenwä;rtige Wissensstand gewä;hrleistet eine leistungsfä;hige und nachhaltige Landwirtschaft und verfügt auch mit entsprechenden Instrumentarien über die Möglichkeit einer ausreichend sicheren Kontrolle.     

Nachhaltige Bodennutzung,gemessen am Ertrag sowie an C‐ und N‐Bilanzen

Der Boden gehört zu den wichtigsten Lebensgrundlagen des Menschen, die Erhaltung seiner Fruchtbarkeit ist deshalb unerläßlich. Am Beispiel ausgewählter Prüfglieder des Statischen Düngungsversuches Bad Lauchstädt wird nach 90 Versuchsjahren der Einfluß unterschiedlicher Düngung (ohne, mineralisch, organisch und organisch/mineralisch) auf die Nachhaltigkeit der Bodennutzung, gemessen am Winterweizenertrag, Zuckerertrag sowie an C‐ und N‐Bilanzen dargestellt und im Zusammenhang mit den Begriffen Bodenfruchtbarkeit und Bodengesundheit diskutiert. Die ausschließliche Mineraldüngung bringt auf diesem Standort (Lößschwarzerde) bei beiden Fruchtarten keine geringeren Erträge als die kombinierte Düngung, verursacht die geringsten N‐Verluste und schneidet auch beim Vergleich der C‐Bilanzen am günstigsten ab. Es wird geschlußfolgert, daß mit der Erzeugung von Biomasse zur Energie‐ und Rohstoffgewinnung ein Beitrag zur Verringerung der energiebedingten CO₂‐Emmission geleistet werden kann und eine umsichtige, den gegenwärtigen Kenntnisstand berück‐sichtigende Mineraldüngung diesen Prozeß positiv beeinflußt. Ziel sollte sein, nicht nur einen geringen Anteil der Nutzfläche alternativ zu bewirtschaften, sondern die gesamte Landwirtschaft leistungsfähig, ökologisch vertretbar und ökonomisch zu gestalten.     

Limited genotype- and ploidy-related variation in the nutritive value of perennial ryegrass (Lolium perenne L.)

Abstract

Water-soluble carbohydrates and fibre fractions are important traits that influence forage utilization by the ruminant. Little is known about the quality variation among perennial ryegrass genotypes within the same maturity group or between near-isogenic diploids and tetraploids. The current study was carried out in the form of two experiments on two successive years (2006–2007) in three sites in Northern Germany. The main aim was to investigate the variation in nutritive value that could be attributed to differences in maturity among 20 intermediate heading perennial ryegrass genotypes or to differences in ploidy between near-isogenic diploids and tetraploids. Results of the first experiment revealed significant variation among the 20 tested genotypes in the investigated quality parameters that were consistent with the discovered variation in the maturity of the genotypes determined in terms of their Mean Stage by Count (MSC). In the second experiment, few but consistent significant differences were detected between near-isogenic diploids and tetraploids. The tetraploid derivatives had always significantly higher water-soluble carbohydrate content and lower neutral detergent fibre (NDF), acid detergent fibre (ADF) and acid detergent lignin (ADL) than their near-isogenic diploid parents.     

Effect of Foliar Application of Phosphorus on Winter Wheat Grain Yield,Phosphorus Uptake,and Use Efficiency

ABSTRACT

One would expect foliar applied phosphorus (P) to have higher use efficiencies than when applied to the soil, but limited information is available concerning this. Experiments were conducted in 2002, 2003, and 2004 to determine the effect of foliar applications of P on winter wheat grain yields, P uptake, and use efficiency. Twelve treatments containing varying foliar P rates (0, 1, 2, and 4 kg ha^{? 1} in 2002 and 2003 and additional 8, 12, 16, and 20 kg ha^{? 1} in 2004) with and without pre-plant rates of 30 kg ha^{? 1} were evaluated. Foliar applications of P at Feekes 7 generally increased grain yields and P uptake versus no foliar P. Use efficiency was higher when P was applied at Feekes 10.54. Results from this study suggested that low rates of foliar applied P might correct mid-season P deficiency in winter wheat, and that might result in higher P use efficiencies.     

Compost Recycling of Wood Fiber Waste Produced by Paper Manufacture

The composting of wood fiber waste from the manufacture of newsprint is described, with a mixture of wood fiber waste:sewage sludge at a ratio of 1:1 giving best results in a trial of shoot growth of Pinus radiata. An alternative chemical nutrient amendment (initial C:N ratio of 60:1) gave a plant response which was not significantly different to that of sewage sludge. Over a five month period volume reductions of up to 39 percent were observed in the composts, providing potential savings in subsequent transport operations. Use of uncomposted materials or addition of fly- or screen-ash compost amendment (12.5 percent or 25 percent v /v) was inhibitory to plant growth. Concentrations of some heavy metals in Hobart city sewage (particularly of chromium) were high, precluding its long-term use as a soil nutrient supplement. In view of the high heavy metal content of sewage sludge and its high volume to nutrient ratio, it was concluded that composting with chemical amendment was the preferred option for future investigation. Such composts would require ash amendment (or lime equivalent) at concentrations lower than those used in this study to counter acidity produced during composting.