Comparative Analysis of Soil Fertility, Productivity, and Sustainability of Organic Farming in Central Europe—Part 2: Cultivation Systems with Different Intensities of Fertilization and Legume N2 Fixation as well as Perspectives for Future Development
Abstract
:1. Introduction
2. Description of Long-Term Field Trials Involved
3. Farm Surveys of Agricultural Practice
4. Methods of Soil and Plant Examination
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- Nmin (kg N ha−1) as NH4- and NO3-nitrogen (N) in 0.0125 molar calcium chloride (CaCl2) solution at 0–90 cm soil depth or depth drilling at 90–200 cm with ram core probes (6 cm diameter) [55];
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- Smin as soluble sulfur (S) (kg S ha−1) at 0–90 cm soil depth, according to [56];
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- pH value at 0–30 cm depth in 0.01 molar calcium chloride solution (CaCl2) [57];
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- CaCl2-available magnesium (Mg) (mg 100 g−1) at 0–30 cm depth [60];
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- total organic carbon (Corg in % DM) at 0–30 cm depth with elemental analysis (DIN ISO 10694);
- -
- total N (Nt in % DM) at 0–30 cm depth, according to [56].
5. Biometric Evaluation
6. Results of Increasing Intensities of Fertilization and Leguminous N2 Fixation
6.1. Influence of Average Intensities of Fertilization and Crop Rotation Shares of Legumes as a Basis for Comparison
6.2. Influence of Low Intensities of Fertilization and without Livestock Farming
Crop Rotations with 33% Forage Legumes
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- Loamy soils: +0.031% Corg, −0.008% Nt, −1.24 mg P 100 g−1, −3.67 mg K 100 g−1 soil;
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- Sandy soils: +0.008% Corg, −0.009% Nt, −2.55 mg P 100 g−1, −2.35 mg K 100 g−1 soil.
6.3. Market Crop Cultivation with Low Legumes Predominantly as Grain Legumes in Crop Rotations
6.3.1. Effects of 33% Legumes
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- Decrease in average yield level with partial replacement to 87% and with complete replacement by grain legumes to an average of 74%.
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- The N2 fixation of legumes drops only slightly by up to 10%.
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- The gross N balances decrease from approx. +48 kg N ha−1 (=100%) with 33% clover-grass cultivation to +45 kg to +22 kg N ha−1 with 33% grain legumes.
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- The increased removal of P-rich grain products and the reduction in K-rich clover-grass cultivation leads to a further strengthening of the negative P balances on one side and to an improvement of the negative K balances on the other side.
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- The stepwise reduced supply of crop and root residues due to the replacement of clover-grass by grain legumes causes an increasing reduction in the Corg contents of the soil, which can also be confirmed by humus balancing.
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- The extent of the soil Corg change until equilibrium is reached would be approximately as follows: variant 1 +0.124% Corg, variant 2 −0.090% Corg, and variant 3 −0.155% Corg.
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- Since there are clearly lower Nmin values under the clover-grass cultivation, a slight increase in the mean Nmin contents in the spring occurs due to the cultivation of grain legumes, but the Nmin values of the first and second after-crops are at the same high level or, after clover-grass mulch, at a slightly higher level.
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- The values of the crude protein contents or the sedimentation values of wheat also decrease by 10–15%, with the probability of achieving a sufficiently high baking quality being reduced (not included in Table 5).
6.3.2. Effect of 20% Legumes
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- Variant 2 with clover-grass cultivation and organic fertilization by 30–40 kg N ha−1 year−1: yields −15%, N2 fixation −27%, N balance −44%, Corg content −2%, slightly positive humus balance.
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- Variant 3 with grain legume cultivation and similar high fertilization: yields −26%, N2 fixation ±0%, N balance −56%, Corg content −4%, still slightly positive humus balance.
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- Variant 4 with grain legume cultivation without organic fertilization: yields −31%, N2 fixation ±0%, N balance −16 kg ha−1, Corg content −10%, negative humus balance.
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- Legume portions and composition: 12 (0–19)% clover-grass, 9 (0–25)% grain legumes, 21 (10–27)% proportions per crop rotation;
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- legume N2 fixation: 31 (4–48) kg N ha−1 year−1;
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- animal husbandry: 0.08 (0–0.8) LU ha−1;
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- organic fertilization: 8 (0–50) kg N ha−1 year−1;
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- Gross N balance: +7 (−22 to +33) kg N ha−1 year−1;
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- humus balance: −63 (−250 to +187) HEQ ha−1 year−1.
6.4. Effect of High to Very High Intensities with 33% Legume Cultivation in the Crop Rotations
6.4.1. Effects of Intensities around 1.0 LU ha−1
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- N supply from organic manures: 65 kg N ha−1 (=245%);
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- legume N2 fixation: 70 kg N ha−1 (=139%);
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- N removal through crop yields: 121 kg N ha−1 (=136%);
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- N balance: 58 kg N ha−1 (=180%);
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- P balance: −3.2 kg P ha−1;
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- K balance: −38 kg K ha−1.
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- Loamy soils: +0.077% Corg, −0.004% Nt, −0.26 mg P 100 g−1, −1.30 mg K 100 g−1 soil;
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- sandy soils: +0.040% Corg, −0.004% Nt, −1.13 mg P 100 g−1, +0.29 mg K 100 g−1 soil.
6.4.2. Effects of High Intensities around 2.0 LU ha−1
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- Loamy soils: +0.108% Corg, +0.002% Nt, +0.84 mg P 100 g−1, +1.74 mg K 100 g−1 soil;
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- sandy soils: +0.058% Corg, ±0.000% Nt, +0.45 mg P 100 g−1, +2.36 mg K 100 g−1 soil.
6.5. Systems with 50% Legume Cultivation and Very High Organic Fertilization
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- Although the legume share in the crop rotation increases by approx. 17% between variants 1–3, only an additional legume N2 fixation of approx. 5–20 kg N ha−1 is still achieved.
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- The increased legume cultivation can therefore only save a small amount of organic N fertilization between 0–40 kg ha−1, so that between variant 1 and around variants 3–4, an equal level of yields in the crop species and in the soil supply is ensured.
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- A legume share of 46% in the crop rotation is still not sufficient in variant 2 with additional leaving of the by-products and mulching of the clover-grass growth on the plots to achieve a level of congruence with variant 1 in many characteristics.
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- Between variant 1 and 2, the proportion of deep-rooted clover-grass has been reduced by 5%, the balances are 12 kg N ha−1 higher, with decreasing Nmin values up to 90 cm depth, the N transfer potential between 0.90–2.50 m depth has been increased by 12 kg, and up to 4.00 m soil depth in variant 2 by 9 kg N ha−1.
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- With increasing organic fertilization, the legume share in the clover-grass mixture obviously drops from 58% without fertilization (variant 3) to 49% with 2.7 LU ha−1 organic fertilization (variant 6) more clearly than at the level of 33% legume cultivation in the crop rotation.
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- The legume N2 fixation increases by 32% overall up to the 1.3 LU ha−1 organic fertilization stage (variant 1 compared to variant 5) and then drops again by about 4% at the very high fertilization of variant 6.
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- At the stage of 50% legumes in the crop rotation, the N2 fixation level increases by only 15% due to organic fertilization (variant 3 compared to variant 5).
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- The yield increase in all crops with increasing fertilization clearly follows the law of diminishing yield growth and already reaches a maximum at the level of 1.3 LU ha−1 (cf. variant 1 and variant 5: +15% yield increase); only for potatoes is an additional rise of +17% in tuber yield achieved, up to 2.7 LU ha−1 (variant 6, not shown).
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- While at a legume level of 33% a yield increase of approx.. 20% can still be achieved up to the 2.7 LU ha−1 stage; with high legume cultivation an increase in yield of only 17% up to the 1.3 LU ha−1 stage occurs due to increasing fertilization, and with further doubling of fertilization already drops again by 4%.
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- Although the crop yield has been significantly increased as a result of fertilization, the N balances have risen considerably more in line with the fertilization level; from variant 5 and especially from variant 6, it can no longer be assumed that a well-managed agricultural land use is taking place, even if the Nt reserves in the soil are taken into account, as the balances rise to values of over 150 kg N ha−1.
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- Nmin amounts in the spring also increased over-proportionally between variants 1 and 6 by up to 32% reaching 90 kg N ha−1.
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- Due to the higher N availability, the contents of crude protein of winter wheat have also increased by relatively 12% to over 12.1% crude protein in the DM of the grains.
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- The Corg contents in the soil have increased very strongly in the topsoil as a result of the organic fertilization; a further aspect to consider is the still relatively short period of 12 years that has been taken into account.
- -
- The calculated humus balances have developed largely parallel to the Corg levels as a result of increasing fertilization, but cultivation methods of variants 1 and 3 mark a lower end (supply grade B), and for variant 6, the upper end, of well-managed cultivation (grade D).
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- The P and K balances have also changed as a result of increasing fertilization, although at the same fertilization level (variant 1 compared to variant 4) there has been hardly any change in the often clearly negative balances as a result of the increased proportion of legumes (P: −6 to −14 kg ha−1; K: −57 to −76 kg ha−1 year−1), while after high fertilization in variant 6 there have been equally clear positive balances with +10 kg P ha−1 and +52 kg K ha−1.
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- Variant 3: +0.094% Corg, ±0.000% Nt, −0.29 mg P 100 g−1, +0.29 mg K 100 g−1 soil.
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- Variant 4: +0.109% Corg, +0.001% Nt, −0.05 mg P 100 g−1, +0.74 mg K 100 g−1 soil.
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- Variant 5: +0.127% Corg, +0.002% Nt, +0.30 mg P 100 g−1, +1.53 mg K 100 g−1 soil.
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- Variant 6: +0.157% Corg, +0.005% Nt, +1.00 mg P 100 g−1, +3.11 mg K 100 g−1 soil.
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- N supply of organic fertilizer: 112 kg N ha−1 (=267%);
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- legume share in the crop rotation: 48% (=146%);
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- legume N2 fixation: 96 kg N ha−1 (=185%);
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- humus balance: ~564 kg HEQ ha−1 (approx. 397%, supply grade E);
- -
- N balance: 80 kg N ha−1 (=296%);
- -
- P balance: +7 kg P ha−1;
- -
- K balance: +35 kg K ha−1.
7. Summary Effects of Fertilization Intensity Using Nitrogen as an Example
7.1. Long-Term Influence of Fertilization on N2 Fixation and Legume Proportions in Clover-Grass
Intensity Level: | 0.0 LU ha−1 | 0.5 LU ha−1 | 1.0 LU ha−1 | 2.0 LU ha−1 |
| 100 (64.9) | 104 | 97 | 88 |
| 100 (123) | 98 | 95 | 94 |
| 100 (84.4) | 88 | 85 | 81. |
7.2. Relationships between Components of N Balancing and GE-Yields on Sites with Light and Heavy Soils
- -
- Balance criteria (input, output, balance);
- -
- the sum of reactive N (=Nmin quantities after harvest up to 0.90 m + 0.90–2.00 m in the depth profile + calculated N leaching quantity);
- -
- the calculated N mineralization;
- -
- a relative comparison between the amount of N removed with the harvests and the GE-yield.
8. Validity of Relations between Nutrient Balances and Development of Soil Fertility Characteristics
9. Quantitative Relation between Intensity of Organic Fertilization and Legume Cultivation, Using the Example of Heavy Soils (Loam)
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- y = −985.91 + 4.48035x1 − 0.00924x12 + 56.69970x2 − 0.65578x22 − 0.01492x1x2.
- -
- y = −582.85 + 8.69935x1 − 0.00356x12 + 19.36387x2 + 0.00102x22 − 0.14583x1x2.
- -
- y = 43.84 + 1.09191x1 − 0.000893x12 − 4.78565x2 + 0.07597x22 − 0.01659x1x2.
- -
- y = −101.35 − 0.03893x1 − 0.00153x12 + 8.22668x2 − 0.08806x22 + 0.00720x1x2.
- -
- y = 80.68 − 0.02214x1 − 0.000454x12 − 2.94914x2 − 0.05613x22 + 0.00396x1x2.
- -
- y = 3.34 + 0.39234x1 − 0.00153x12 + 2.78015x2 − 0.02438x22 − 0.00192x1x2.
- -
- y = −132.88 + 0.29868x1 + 0.00165x12 + 7.81346x2 − 0.09995x22 + 0.00768x1x2.
- -
- y1 = −26.67 + 0.29259x1 + 0.000411x12 + 0.45648x2 − 0.00393x22 − 0.00414x1x2;
- -
- y2 = −251.61 + 0.51302x1 + 0.00369x12 + 9.30328x2 − 0.11358x22 − 0.00607x1x2.
- -
- Ordinary gross balancing including N deposition and determination of N balances and (apparent) N efficiencies (N efficiency trials; N efficiency farms).
- -
- Ordinary gross balancing with additional accounting of negative soil Nt balances in nutrient inputs and positive balances in outputs and determination of total balances and total efficiency (total N efficiency trials).
- -
- y = 209.81 + 0.57091x1 − 0.000913x12 − 8.42298x2 + 0.11956x22 − 0.01323x1x2.
10. Discussion and Conclusions
- -
- Cultivation of mixed crops;
- -
- cultivation of second crops;
- -
- better use of breeding progress;
- -
- cultivation and crop rotation optimization depending on the intensity level of the farm;
- -
- reduction in application losses during the storage and application of fertilizers;
- -
- use of fertilizers with low contents of readily available and reactive nutrient components;
- -
- prevention of yield losses caused by the minimum law for nutrients, pH value, organic matter, water supply, etc.
Funding
Institutional Review Board Statement
Informed Consent Statement
Conflicts of Interest
References
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Legume Content up to 20% | Legume Content Approx. 33% | Legume Content around 50% | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Location | ||||||||
Trial site | Köln-Auweiler | Bernburg | Viehhausen | Villmar | Methau | Spröda | Roda | Roda |
Altitude (m above sea level) | 48 | 80 | 480 | 160–170 | 265 | 120 | 224 | 224 |
Trial type | Exact experiment | Exact experiment | Exact experiment | Exact experiment | Exact experiment | Exact experiment | Large plot experiment | Exact experiment |
Climate | ||||||||
Mean precipitation (mm per year) | 750 | 469 | 797 | 649 | 693 | 547 | 711 | 711 |
Mean annual temperature (°C) | 9.5 | 9.1 | 7.5 | 9.5 | 8.4 | 8.8 | 8.6 | 8.6 |
Soils | ||||||||
Soil type | Sandy loam | Silty loam | Sandy loam | Strong clayey silt | Loam | Poor loamy sand | Loam | Loam |
Soil quality index | 65–70 | 85–96 | 61 | 66 | 70/63 | 30/33 | 68 | 68 |
Clay content (%) | - | 22 | 25 | 24–32 | 15–18 | 5–7 | 12–15 | 13 |
Cultivation and fertilization system | ||||||||
Cultivation system | Market crop system with field vegetables | Conventional and organic systems with and without livestock | 6 crop rotation systems in comparison | Forage production, market crop and soil cultivation systems, partial clover-grass mulching, straw fertilization | Forage production (by-products removed), market crop systems (by-products remain, clover-grass mulching) | Forage production (by-products removed), market crop systems (by-products remain, clover-grass mulching) | Typical livestock-less and livestock-rich cropping systems | Legume-rich cropping and fertilization systems |
Fertilization system (fertilizer types, amount) (1) | Organic commercial fertilizers 0.0, 0.3 LU ha−1 | Stable manure 0.0, 1.0 and 1.5 LU ha−1 | Slurry, stable manure 0.0, 0.8 LU ha−1 | Stable manure 0.0, 0.8 LU ha−1 | Stable manure, slurry, green manure 0.0, 0.5, 1.0 and 2.0 LU ha−1 N-mineral fertilization | Stable manure, slurry, green manure 0.0, 0.5, 1.0 and 2.0 LU ha−1 N-mineral fertilization | Stable manure, slurry 0.0 and 1.0 LU ha−1 | Stable manure, slurry 0.0, 0.7, 1.3 and 2.7 LU ha−1 |
Crop rotation | ||||||||
Clover-grass, grain legumes (share per crop rotation) (%) | Clover-grass, grain legumes 20 | Clover-grass, grain legumes 25 | Clover-grass, grain legumes 33–40 | Clover-grass, grain legumes 33 | Clover-grass 34 | Clover-grass 33 | Clover-grass, grain legumes 33–50 | Clover-grass, grain legumes 50 |
Cereals (share per crop rotation) (%) | Wheat, winter rye 20–40 | Winter wheat, spring barley, winter rye 63 | Winter wheat, spring barley 33–66 | Winter wheat, winter rye, oats 50 | Winter wheat, spring wheat 33 | Winter wheat, triticale 34 | Winter wheat, spring barley, winter barley, winter rye 33–50 | Winter wheat, winter barley 33 |
Root crops, corn, field vegetables (share per crop rotation) (%) | Potatoes 20 + field vegetables | Potatoes 12 | Potatoes 0–33 | Potatoes 17 | Potatoes, corn 33 | Potatoes, corn 33 | Potatoes 17 | Potatoes 17 |
Literature sources | [33] | [34,35,36] | [37,38] | [39] | [40] | [40] | [41] | [42] |
Trial Variant | Organic Fertilization | GE-Yield | N Balance | P Balance | K Balance | Humus Balance (2) | Nmin Spring | PCAL | KCAL | N Translocation |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t GE ha−1] | [kg N ha−1] | [kg P ha−1] | [kg K ha−1] | [kg HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1 0–90 cm Soil Depth] | [mg P 100 g−1/Class] | [mg K 100 g−1/Class] | [kg N ha−1, 90–200 cm Depth] | |
Loamy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 37 | 8.2 ± 0.49 | +0 ± 2.5 | −17 ± 3.4 | −120 ± 19.0 | +158 C ± 25.5 | ca. 45 ± 6.1 | 3.9 C ± 0.12 | 7.4 C ± 0.13 | 8.1 ± 0.40 |
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 33 | 7.8 ± 0.58 | +87 ± 4.5 | −7 ± 2.3 | −14 ± 17.8 | +433 D ± 8.5 | 38 ± 2.2 | 4.3 C ± 0.26 | 11.6 D ± 0.21 | 7.0 ± 0.62 |
Sandy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 32 | 4.4 ± 0.23 | +14 ± 3.1 | −10 ± 1.1 | −89 ± 16.1 | +82 C ± 12.7 | 40 ± 2.4 | 5.2 D ± 0.28 | 10.4 D ± 0.78 | 18.1 ± 5.3 |
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 30 | 4.3 ± 0.18 | +83 ± 3.4 | −2 ± 1.5 | −1 ± 9.1 | +214 C ± 25.5 | 45 ± 2.8 | 7.0 D ± 0.12 | 10.7 D ± 1.12 | ca. 19.0 ± 3.2 |
Mean values (ms) | 33 | 6.2 ± 0.37 | 46 ± 3.4 | −9 ± 2.1 | −56 ± 15.5 | +222 C ± 18.0 | 42 ± 3.4 | 5.1 ± 0.19 | 10.0 ± 0.56 | 13.1 ± 2.4 |
Trial Variant | Organic Fertilization | GE-Yield | N Balance | P Balance | K Balance | Humus Balance (2) | Nmin Spring | PCAL | KCAL | N Translocation |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t GE ha−1] | [kg N ha−1] | [kg P ha−1] | [kg K ha−1] | [kg HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1] | [mg P 100 g−1/Class] | [mg K 100 g−1/Class] | [kg N ha−1, 90–200 cm Depth] | |
Loamy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 0 −37 | 7.2 −1.0 (88%) | −24 −24 | −23 −6 (−135%) | −141 −21 (−118%) | +119 C −39 (75%) | 41 −4 (91%) | 3.9 C ±0 (100%) | 7.2 C −0.2 (97%) | 7.0 −1.1 (86%) |
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 0 −33 | 7.3 −0.5 (94%) | +51 −36 (59%) | −14 −7 (−200%) | −52 −38 (−371%) | +328 D −105 (76%) | 35 −3 (92%) | 4.2 C −0.1 (98%) | 11.1 D −0.5 (96%) | 4.9 −2.1 (70%) |
Sandy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 0 −32 | 4.0 −0.3 (93%) | −13 −27 | −14 −4 (−140%) | −111 −22 (−125%) | +38 C −44 (46%) | ca. 40 ±0 (100%) | 4.9 D −0.3 (94%) | 8.7 C −1.7 (84%) | 15.0 −3.1 (83%) |
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 0 −30 | 3.8 −0.5 (88%) | +58 −25 (70%) | −6 −4 (−300%) | −20 −19 (−2000%) | +139 C −75 (65%) | ca. 40 −5 (89%) | 4.8 D −2.2 (69%) | 9.5 C −1.2 (89%) | 16.2 −2.8 (85%) |
Mean values (ms) | 0 −33 | 5.6 ± 0.3 | +18 ± 4.6 | −14 ± 3.8 | −81 ± 21.0 | +156 ± 54.2 | 39 ± 4.6 | 4.5 ± 0.44 | 9.1 ± 0.88 | 10.8 ± 1.6 |
Attribute | Loamy Soils | Sandy Soils | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Forage Crop | Market Crop | ms | Forage Crop | Market Crop | ms | |
DM inputs (t ha−1) clover-grass mulch straw organic fertilizer | ||||||
0.0 | 5.56 | - | 0.0 | 2.13 | - | |
0.0 | 2.08 | - | 0.0 | 1.00 | - | |
0.0 | 0.0 | - | 0.0 | 0.0 | - | |
GE-yield (t ha−1) | 0.0015 | 0.1093 | ±1.69 | −0.0679 | 0.0021 | ±1.97 |
Corg (% DM) | 0.003375 | 0.009313 | ±0.111 | 0.001071 | 0.003929 | ±0.102 |
Nt (% DM) | −0.001125 | −0.000312 | ±0.0186 | −0.000786 | −0.000500 | ±0.0212 |
N mineralization (kg ha−1) | 0.423 | 7.460 | ±61.5 | −3.628 | 1.305 | ±54.6 |
Nmin spring (kg ha−1) | −1.083 | −0.295 | ±24.7 | 1.393 | 1.255 | ±31.1 |
Nmin fall (kg ha−1) | 0.583 | 1.487 | ±15.2 | 4.047 | 2.620 | ±57.9 |
PDL (mg 100 g−1) | −0.095000 | −0.037143 | ±0.52 | −0.183438 | −0.127188 | ±0.82 |
KDL (mg 100 g−1) | −0.312143 | 0.080714 | ±2.07 | −0.816667 | −0.188438 | ±1.31 |
MgCaCl2 (mg 100 g−1) | −0.24107 | −0.003125 | ±0.54 | −0.395833 | −0.044844 | ±0.80 |
Trial Variant | Organic Fertilization | Crop Yield (Main Product) | Legume N2 Fixation | N Balance | P Balance | K Balance | Corg Difference | Humus Balance (HE) (2) | Nmin Spring (0–90 cm) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t DM ha−1] | [kg N ha−1] | [kg N ha−1] | [kg P ha−1] | [kg K ha−1] | [kg Corg ha−1 year−1] | [HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1] | |
1 Comparison 1 33% clover-grass | 38 (=100%) | 4.9 (=100%) | 89 (=100%) | +48 (=100%) | −10 (=100%) | −50 (=100%) | +218 (=100%) | +541 E (=100%) | 41 (=100%) |
2 16.7% clover-grass, 16.7% grain legumes | 0 | 4.3 −0.6 (78–95%) | 88 −1 (99%) | +45 −3 (=94%) | −12 −2 | −33 +17 | −158 −376 | +315 D −226 | 50 +9 (122%) |
3 33% grain legumes | 0 | 3.6 −1.3 (65–83%) | 79 −10 (89%) | +22 −26 | −13 −3 | −29 +21 | −274 −492 | −155 B −696 | 47 +6 (115%) |
ms | - | ±0.16 | - | - | - | - | ±74 | - | ±3.1 |
Trial Variant | Organic Fertilization | Crop Yield (Main Products) | Legume N2 Fixation | N Balance | Corg Content Trial End | Humus Balance Supply Level (HE) (2) | Humus Balance (HE) (2) | Nmin Spring (0–90 cm) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t DM ha−1] | [kg N ha−1] | [kg N ha−1] | [% DM] | [%] | [HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1] | |
1 Comparison 1 20% clover-grass, by-products removed | 84 | 61 (=100%) | ca. 30 (=100%) | +18 (=100%) | ca. 1.77 (=100%) | 137 | +180 C (=100%) | - |
2 Comparison 2 20% clover-grass, by-products ½ removed | 38 | 5.2 −0.9 (85%) | 22 −8 (73%) | +10 −8 (56%) | 1.74 −0.03 (98%) | 121 | +20 C −160 | 39 (100%) |
3 20% grain legumes, by-products remain | 29 | 4.5 −1.6 (69–79%) | 30 ±0 (100%) | +8 −10 (44%) | 1.69 −0.14 (96%) | 96 | +78 C −93 | 50 +11 (128%) |
4 20% grain legumes, by-products remain | 0 | 4.2 −1.9 (62–75%) | 30 ±0 (100%) | −16 −34 | 1.59 −0.15 (90%) | 44 | −176 B −356 | 47 +8 (121%) |
ms | - | ±0.18 | - | ±3.03 | ±0.08 | - | ±12.0 | ±3.5 |
Trial Variant | Organic Fertilization | GE-Yield | N Balance | P Balance | K Balance | Humus Balance (2) | Nmin Spring | PCAL | KCAL | N Translocation |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t GE ha−1] | [kg N ha−1] | [kg P ha−1] | [kg K ha−1] | [kg HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1] | [mg P 100 g−1/Class] | [mg K 100 g−1/Class] | [kg N ha−1, 90–200 cm Depth] | |
Loamy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 71 | 8.4 | +25 | −8 | −87 | +295 C | 46 | 4.1 C | 7.4 C | 9.8 |
+34 | +0.2 | +25 | +9 | +33 | +137 | +1 | +0.2 | ±0.0 | +1.8 | |
(192%) | (102%) | (47%) | (73%) | (187%) | (102%) | (105%) | (100%) | (121%) | ||
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 65 | 8.0 | +114 | +1 | +27 | +505 E | 47 | 4.5 C | 13.0 D | 8.4 |
+32 | +0.2 | +27 | +8 | +41 | +72 | +9 | +0.2 | +1.4 | +1.4 | |
(197%) | (103%) | (131%) | (117%) | (124%) | (105%) | (112%) | (120%) | |||
Sandy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 63 | 4.3 | +48 | −5 | −51 | +202 C | 50 | 5.4 D | 12.4 D | 19.7 |
+31 | ±0.0 | +34 | +5 | +38 | +120 | +10 | +0.2 | +2.0 | +1.6 | |
(197%) | (100%) | (343%) | (50%) | (57%) | (246%) | (125%) | (104%) | (119%) | (109%) | |
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 59 | 4.3 | +111 | +2 | +23 | +277 C | 51 | 7.8 D | 11.3 D | 19.8 |
+29 | ±0.0 | +28 | +4 | +24 | +63 | +6 | +0.8 | +0.6 | +0.8 | |
(197%) | (100%) | (134%) | (129%) | (113%) | (111%) | (106%) | (104%) | |||
Mean values (ms) | 65 | 6.3 ± 0.27 | +75 ± 2.8 | −3 ± 3.4 | −22 ± 26.5 | +320 ± 47.9 | 49 ± 6.4 | 5.5 ± 0.49 | 11.0 ± 0.65 | 14.4 ± 5.1 |
Attribute | Loamy Soils | Sandy Soils | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Forage Crop | Market Crop | ms | Forage Crop | Market Crop | ms | |
DM inputs (t ha−1) clover-grass mulch straw organic fertilizer | ||||||
0.0 | 5.83 | - | 0.0 | 2.26 | - | |
0.0 | 2.17 | - | 0.0 | 1.01 | - | |
1.37 | 1.76 | - | 1.95 | 1.59 | - | |
GE-yield (t ha−1) | 0.0957 | 0.1456 | ±1.99 | −0.0440 | 0.0711 | ±2.00 |
Corg (% DM) | 0.008375 | 0.014313 | ±0.114 | 0.005714 | 0.007857 | ±0.080 |
Nt (% DM) | −0.000125 | 0.000375 | ±0.0195 | −0.000250 | −0.000071 | ±0.0190 |
N mineralization (kg ha−1) | 1.800 | 11.939 | ±63.3 | −3.021 | 2.902 | ±53.2 |
Nmin spring (kg ha−1) | 0.272 | 0.895 | ±27.8 | 1.645 | 1.297 | ±22.2 |
Nmin fall (kg ha−1) | 2.008 | 2.472 | ±17.7 | 1.381 | 2.237 | ±47.5 |
PDL (mg 100 g−1) | −0.060781 | −0.023259 | ±0.70 | −0.029063 | 0.023958 | ±1.01 |
KDL (mg 100 g−1) | −0.287768 | 0.230804 | ±2.04 | −0.163958 | −0.170156 | ±1.42 |
MgCaCl2 (mg 100 g−1) | −0.008482 | 0.043750 | ±0.70 | −0.007500 | −0.002083 | ±0.67 |
Trial Variant | Organic Fertilization | GE-Yield | N Balance | P Balance | K Balance | Humus Balance (2) | Nmin Spring | PCAL | KCAL | N Translocation |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t GE ha−1] | [kg N ha−1] | [kg P ha−1] | [kg K ha−1] | [kg HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1] | [mg P 100 g−1/Class] | [mg K 100 g−1/Class] | [kg N ha−1, 90–200 cm Depth] | |
Loamy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 134 | 8.6 | +84 | +9 | −18 | +411 D | 47 | 4.8 D | 8.8 C | 9.0 |
+97 | +0.4 | +84 | +26 | +102 | +253 | +2 | +0.9 | +1.4 | +1.0 | |
(362%) | (105%) | (260%) | (104%) | (123%) | (119%) | (111%) | ||||
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 126 | 8.2 | +167 | +15 | +107 | +631 E | 57 | 5.4 D | 15.2 D | 13.1 |
+93 | +0.4 | +80 | +22 | +121 | +198 | +19 | +1.1 | +3.6 | +6.1 | |
(382%) | (105%) | (192%) | (154%) | (150%) | (126%) | (131%) | (187%) | |||
Sandy soils | ||||||||||
Forage production, by-products removed | 122 | 4.4 | +101 | +5 | −4 | +288 C | 54 | 5.5 D | 14.1 D | 18.7 |
+90 | +0.1 | +87 | +15 | +85 | +206 | +14 | +0.3 | +3.7 | +0.6 | |
(381%) | (102%) | (721%) | (351%) | (135%) | (106%) | (136%) | (103%) | |||
Market crop systems, by-products remain, clover-grass mulching | 111 | 4.5 | +162 | +9 | +63 | +365 D | 52 | 8.5 D | 12.5 D | 19.1 |
+81 | +0.2 | +79 | +11 | +64 | +151 | +7 | +1.5 | +1.8 | +0.1 | |
(370%) | (105%) | (195%) | (171%) | (116%) | (121%) | (117%) | (101%) | |||
Mean values(ms) | 123 | 6.4 ± 0.35 | +129 ± 7.1 | +10 ± 3.9 | +37 ± 32.8 | +424 ± 59.6 | 53 ± 7.6 | 6.1 ± 0.50 | 12.7 ± 1.52 | 15.0 ± 4.9 |
Attribute | Loamy Soils | Sandy Soils | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Forage Crop | Market Crop | ms | Forage Crop | Market Crop | ms | |
DM inputs (t ha−1) clover-grass mulch straw organic fertilizer | ||||||
0.0 | 5.89 | - | 0.0 | 2.41 | - | |
0.0 | 2.16 | - | 0.0 | 1.02 | - | |
2.60 | 3.39 | - | 3.77 | 2.99 | - | |
GE-yield (t ha−1) | 0.1131 | 0.1752 | ±1.97 | −0.0264 | 0.0755 | ±2.15 |
Corg (% DM) | 0.011656 | 0.017906 | ±0.119 | 0.008179 | 0.010357 | ±0.072 |
Nt (% DM) | 0.000344 | 0.000938 | ±0.0195 | −0.000107 | 0.000321 | ±0.0181 |
N mineralization (kg ha−1) | 3.251 | 15.903 | ±59.8 | −2.295 | 5.065 | ±52.7 |
Nmin spring (kg ha−1) | 0.381 | 1.107 | ±29.8 | 0.161 | 1.095 | ±27.5 |
Nmin fall (kg ha−1) | 2.662 | 3.247 | ±24.1 | 2.120 | 2.875 | ±55.3 |
PDL (mg 100 g−1) | 0.007232 | 0.055357 | ±0.93 | 0.014583 | 0.097604 | ±1.35 |
KDL (mg 100 g−1) | −0.176920 | 0.392857 | ±1.91 | 0.041667 | 0.251563 | ±2.75 |
MgCaCl2 (mg 100 g−1) | 0.038170 | 0.075446 | ±0.63 | 0.010729 | 0.018750 | ±0.64 |
Trial Variant (2) | Organic Fertilization | Crop Yield (Main Product) | Legume N2 Fixation | N Balance | Corg Difference | Humus Balance | Nt Difference | Nmin Spring (0–90 cm) | Crude Protein Wheat |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[kg N ha−1] | [t DM ha−1] | [kg N ha−1] | [kg N ha−1] | [kg ha−1 year−1] | [kg HEQ ha−1/Class] | [kg N ha−1 year−1] | [kg N ha−1] | [% DM] | |
1 = Comparison 1 33% Clover-grass, by-products removed | 45 | 5.3 (=100%) | 71 (=100%) | +23 (=100%) | ±0 (=100%) | −41 B (=100%) | −39 (=100%) | 68 (=100%) | 10.8 (=100%) |
2 28% clover-grass + 18% grain legumes, by-products remain, clover-grass mulches | 0 | 5.2 −0.1 (98%) | 75 +4 (106%) | +35 +12 | +540 | +138 C +179 | −18 +21 | 64 −4 (94%) | 10.0 −0.8 (93%) |
3 33% clover-grass + 17% grain legumes, by-products removed | 0 0.0 LU ha−1 | 5.2 −0.1 (98%) | 82 +11 (116%) | −2 +25 | +349 | −27 B +14 | −3 +36 | 75 +7 (110%) | 11.2 +0.4 (104%) |
4 = Comparison 2 33% clover-grass + 17% grain legumes, by-products removed | 40 0.7 LU ha−1 | 5.9 +0.6 (111%) | 90 +19 (127%) | +34 +11 | +445 | +107 C +148 | +7 +46 | 80 +12 (118%) | 11.6 +0.8 (107%) |
5 33% clover-grass + 17% grain legumes, by-products removed | 80 1.3 LU ha−1 | 6.1 +0.8 (115%) | 93 +22 (131%) | +79 +56 | +413 | +217 C +258 | +3 +42 | 83 +15 (122%) | 12.0 +1.2 (111%) |
6 33% clover-grass + 17% grain legumes, by-products removed | 160 2.7 LU ha−1 | 5.9 +0.6 (111%) | 90 +19 (127%) | +154 +131 | +571 | +458 D +499 | +16 +55 | 90 +22 (132%) | 12.1 +1.3 (112%) |
ms | - | ±0.29 | ±4.9 | ±11.5 | - | ±55.0 | - | ±5.9 | ±0.21 |
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© 2022 by the author. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
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Kolbe, H. Comparative Analysis of Soil Fertility, Productivity, and Sustainability of Organic Farming in Central Europe—Part 2: Cultivation Systems with Different Intensities of Fertilization and Legume N2 Fixation as well as Perspectives for Future Development. Agronomy 2022, 12, 2060. https://doi.org/10.3390/agronomy12092060
Kolbe H. Comparative Analysis of Soil Fertility, Productivity, and Sustainability of Organic Farming in Central Europe—Part 2: Cultivation Systems with Different Intensities of Fertilization and Legume N2 Fixation as well as Perspectives for Future Development. Agronomy. 2022; 12(9):2060. https://doi.org/10.3390/agronomy12092060
Chicago/Turabian StyleKolbe, Hartmut. 2022. "Comparative Analysis of Soil Fertility, Productivity, and Sustainability of Organic Farming in Central Europe—Part 2: Cultivation Systems with Different Intensities of Fertilization and Legume N2 Fixation as well as Perspectives for Future Development" Agronomy 12, no. 9: 2060. https://doi.org/10.3390/agronomy12092060
APA StyleKolbe, H. (2022). Comparative Analysis of Soil Fertility, Productivity, and Sustainability of Organic Farming in Central Europe—Part 2: Cultivation Systems with Different Intensities of Fertilization and Legume N2 Fixation as well as Perspectives for Future Development. Agronomy, 12(9), 2060. https://doi.org/10.3390/agronomy12092060