Michael Baumecker

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.

Tillage and fertilizing effects on sandy soils. Review and selected results of long‐term experiments at Humboldt‐University Berlin

The Humboldt-University of Berlin conducts several long-term field trials designed to assess the effects of tillage methods, crop rotations, organic fertilization, mineral nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizers, liming, irrigation, and weather conditions. On silty sand soils shallow ploughing resulted in a distinct accumulation of soil organic matter and phosphorus in the tilled soil layer while potassium and pH values were unaffected. On average shallow ploughing increased yields, with a tendency for higher yields in spring crops and lower yields in winter cereals. Different amounts of organic and mineral fertilizers applied over 30 years resulted in a great differentiation in soil organic matter content. In the following 32 years this variation stayed more or less unchanged, but with an overall reduction in the carbon content. In variants in which phosphate and potassic fertilizers were omitted, 16 kg ha—1 P and 15 kg ha—1 K per year were still being mobilized in the soil after 60 years. In treatments with mineral fertilization, the phosphorus is nearly balanced whilst only 60 % of the potassium is withdrawn from the soil. Additional organic fertilizers, given as farm yard manure, led to a nutrient surplus of 19 kg ha—1 a—1 P and 99 kg ha—1 a—1 K. Omitted liming caused an acidification of the soil to such an extent that crop production became impossible. Bodenbearbeitungs- und Dungeeffekte in Sandboden — Ubersicht der Dauerfeldversuche an der Humboldt-Universitat zu Berlin Die Humboldt-Universitat zu Berlin verfugt uber langjahrige Dauerfeldversuche, mit denen die Wirkungen unterschiedlicher Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, organischer Dungung, mineralischer Stickstoff-, Phosphor- und Kalidungung, Kalkung, Beregnung sowie der Witterung gepruft werden. Dauerhaft verminderte Pflugtiefe hat auf mittel-schluffigem Sandboden in Berlin-Dahlem zur Humus- und Phosphoranreicherung in der bearbeiteten Krume gefuhrt, wahrend der Kaliumgehalt und der pH-Wert davon weitgehend unbeeinflusst blieben. Bei flacher Bodenbearbeitung wurden im Mittel tendenziell hohere Ertrage erzielt, wobei Fruchtarten der Sommerung Mehrertrage erreichten und Wintergetreide eher negativ reagierte. Differenzierte organisch-mineralische Dungung am Standort Thyrow hat im Verlauf von 30 Versuchsjahren zu Unterschieden im Gehalt an organischem Kohlenstoff von bis zu 75% gefuhrt. Nach sechs Jahrzehnten unterlassener P- und K-Dungung wurden jahrlich durchschnittlich noch 16kg ha—1 P und 15 kg ha—1 K mobilisiert. Bei ausschlieslicher Mineraldungung war die P-Bilanz nahezu ausgeglichen, wahrend die gedungte K-Menge nur zu 60 % entzogen wurde. Zusatzliche organische Dungung als Stallmist fuhrte im langjahrigen Mittel zu Nahrstoffuberschussen in Hohe von 19 kg ha—1 a—1 P und 99 kg ha—1 a—1 K. Bei unterlassener Kalkung des Bodens versauerte der Boden so stark, dass seine pflanzenbauliche Nutzung nicht mehr moglich ist.

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 Corg-Daten konnten nahezu lückenlos über einen Zeitraum von jeweils 20 Jahren einbezogen werden. Die Nt-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 Corg-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 Nt-Gehalten war in keinem Fall eine signifikante Verringerung festzustellen. Umfangreiche Großzahlanalysen und Dauerfeldversuchsauswertungen anderer Autoren bestätigen uneingeschränkt die Ergebnisse.

Die wirksamkeit mineralischer stickstoffdünger‐teilgaben zu winterroggen auf sandboden

Der Versuchsboden ist ein schluffiger Sand und hat einen Corg‐Gehalt von 600 mg 100 g−1Boden. Der einjährige Freilandmodellversuch mit Winterroggen wurde in Kleinparzellen (50 × 50 cm) durchgeführt. Als Stickstoffdünger wurde Ammonsulfatsalpeter in einer Gesamtgabe von 120kg ha−1 N und in Teilgaben von 80 + 40 sowie von 60 + 40 + 20kg ha−1 N, die 2. und 3. Gabe als Ammonsalpeter, eingesetzt. Die Gesamt‐ und Teilgaben waren wechselseitig mit dem Stabilisotop 15N‐angereichert. Gegenüber der zweigeteilten N‐Gabe war die Einmaldüngung im Frühjahr im Kornertrag signifikant überlegen. Ohne Düngung war der Ertrag auf 30% reduziert. Im Rohproteingehalt war die dreigeteilte N‐Variante am höchsten. Innerhalb von zwei Monaten betrug die apparente 15N‐Immobilisation bei allen Düngungs varianten der Frühjahrsgabe zwischen 18 und 32%. Die größten Dünger‐N‐Ausnutzungsraten waren mit 73 bis 84% im Mai erreicht. Zur Erntezeit verringerte sich die Dünger‐N‐Ausnutzung auf zirka50%. Beachtenswerte Ausnutzungswerte des Hafernachbaus wurden nur bei der frühen Nachsaat erzielt. Bei unterdurchschnittlichen Nmin‐Gehalten im Frühjahr (11,7kg ha−1 N) waren auch die Nmin‐Werte zur Ernte (10,4 bis 16,2kg ha−1 N) minimal. Die apparente Nettomineralisation/‐immobilisation war zur Abreife des Roggens nahezu ausgeglichen.

Die wirksamkeit des nitrifikationshemmers dimethylpyrazolphosphat zu winterroggen auf sandboden

Auf einem schluffigen Sandboden mit einem Corg‐Gehalt von 600 mg 100 g−1 Boden wurde ein einjähriger Freilandmodellversuch mit Winterroggen durchgeführt. Die Kleinparzellen (50×50 cm) wurden mit umgerechnet 120 kg ha−1 N als Ammonsulfatsalpeter einmalig bzw. in geteilter Gabe von 80+40 kg ha−1 N gedüngt. Die Gesamt‐ und Teilgaben des Mineraldüngers waren wechselseitig mit dem Stabilisotop 15N markiert und mit dem Nitrifikationsinhibitor 3,4‐Dimethylpyrazolphosphat (DMPP, Handelsname ENTEC®) formuliert. Mit Beginn des Schossens setzte die Differenzierung des Biomassezuwachses gegenüber ungedüngt ein. Im Vergleich zum Standard 60 + 40 + 20 kg ha−1 N (=100%) war der Kornund Strohertrag der 0‐Variante nur 33 bzw. 37%. Ein signifikanter Mehrertrag erzielte das Prüfglied einmalige Gabe von 120 kg ha−1 N. Alle anderen Varianten haben sich biostatistisch nicht unterschieden. Die Nitrifikationsverzögerung ist nach 6 Wochen beendet. Bei der 2. N‐Gabe wurde keine Wirkung durch DMPP erreicht. Der Inhibitor hat die apparente 15N‐Immobilisation erhöht, der DMPP‐Effekt betrug bis zu 24% der Dünger‐N‐Anwendung. In der Folge war zwischenzeitlich auch die Dünger‐N‐Ausnutzung bis 25% geringer. Schließlich war im N‐Entzug der DMPP‐Varianten der Anteil von Boden‐N relativ größer und in den DMPP‐freien Prüfgliedern der Anteil von Dünger‐N relativ höher.

Effects of nitrogen fertilization and irrigation on N2O emissions from a sandy soil in Germany

The aim of this study was to investigate the effect of supplemental irrigation on the amount of N2O emissions on a sandy soil in north-east Germany. N2O flux measurements were carried out over two vegetation periods from the emergence of plants to harvest. The level of N2O emissions was low, which is typical for sandy soils in north-east Germany. In both periods, irrigation had no increasing effect on N2O emissions. Relevant factors were the soil temperature and the soil water-filled pore space (WFPS), which were mainly influenced by weather conditions. This may indicate that nitrification was the main source of N2O emissions. In conclusion, this study has confirmed that sandy soils under weather conditions of north-east Germany generally have a very low potential for N2O emissions.

The dynamic of nitrogen in the thyrower bodenfruchtbarkeitsversuch

In the extremely dry year of 2000 three variants of the static long-term experiment were selected: (1) unfertilized, (2) N [60 kg ha v m v 1 ] PK v + v animal manure and (3) N [120 kg ha v m v 1 ] PK v + v manure v + v clay. Micro plots were adjusted in the experimental plots. 15 N-addition was fertilized at 0, 60 and 120 kg ha v m v 1 N in each field plot annually. Half of the ammoniumsulphate was formulated with the nitrification inhibitor Dimethylpyrazoliumdihydrogenphosphate. Throughout the vegetation of winter rye, soil was sampled and intermediate crops were taken up at two-week intervals. After the harvest of the main crop, Perko was replanted. The nitrification delay of the DMPP-treatments was minimal. In comparison, the apparent 15 N-immobilization was in parts very high. In contrast to the standard doses of 120 kg ha v m v 1 N, there was a significant reduction in yields in the variants with 50 per cent N doses. At the 120 kg ha v m v 1 N rate of application the use of inhibitor obtained significant additional yields. With increasing soil quality the soil-borne N-uptake of the harvest mass in both fertilizing doses was raised.

Long-term Development of Organic Matter of Sandy Soils Under Influence of Fertilization and Climate

The Static Nutient Deficiency Experiment at the location of Thyrow/Germany exists since 1937 and remained unchanged in its management during the whole period of experimentation. From the beginning of the 60th soil samples were collected every year in the autumn and the organic carbon content was determined constantly using the same method. For the period 1965-2000 a decrease of carbon content could be found in an order of 15% (average of all variants in the experiment). The air and soil temperatures showed rising tendencies. Since 1965 the average air temperature annually increased by 0.03°C and the soil temperature in the depth 0.1-0.2m by 0.02°C, respectively. According to the rising temperatures in this period the number of days with a soil temperature higher than 6°C increased by 3.8 days per decade of years. The evaluation of data by regression analysis revealed that in average the organic carbon content is reduced by 1.5mg per 100g soil each day which shows a higher soil temperature than 6°C.

65 Years Long-term Experiments at Thyrow. Results for Sustainable Crop Production at Sandy Soils

In 1937, K. Opitz founded an agricultural experimental station at Thyrow (Brandenburg County, Germany) where field experiments with a duration of 25 to 65 years still are being managed representing classical long-term field experiments. The location is characterized by low soil fertility, low silty sand soil and unstable water supply and represents arable land of low quality in the lowland of Northern Germany. The long-term collection of results of three different experiments lead to the following approaches for sustainable plant production on marginal sand soils: ” In cereal cropping a well-balanced crop rotation is more important than high amounts of soil organic matter. ” Sustainable reproduction of soil organic matter needs at least 10t/ha and year farm yard manure or straw manure in every second year. ” Irrigation is effective only if additional mineral N fertilizer is applied.

Bodenkennwerte und Ertrage von Nährstoffmangelvarianten und nach temporärer düngung von Mangelvarianten im Thyrower Statischen Nährstoffmangelversuch

Langjährig unterlassene Kalkung führte bei mineralisch (NPK) und mit Stallmist gedüngtem Boden in den letzten 20 Versuchsjahren zu pH‐Werten von 4,2 bis 3,6. Die Relativerträge nahmen im Vergleich zur mineralischen Volldüngung (NPKCa) ab. Diese Abnahme war von der Pflanzenart abhängig und bei Sommergerste deutlicher als bei Kartoffeln und Mais. Kalkung des mit NPK gedüngten Bodens erhöhte die Erträge bei Mais bereits im ersten Jahr, bei Gerste und Kartoffeln erst nach mehreren Jahren auf das Niveau der Vergleichsvariante. Bei einer Umstellung von Stallmist auf Stallmist + NPKCa glichen sich die Erträge von Mais und Sommergerste im gleichen Jahr, bei Kartoffeln erst nach mehreren Jahren dem langjährig mit Stallmist + NPKCa gedüngten Prüfglied an. Im langjährig ungedüngten Boden fielen pH‐Wert, KDL und PDL in den letzten 20 Versuchsjahren ebenfalls deutlich ab (pH 3,6 bis 4,1; KDL 2,2 bis 5,0 und PDL 3,5 bis 5,5 mg/100 g Boden). In deren Folge und durch N‐Mangel kam es bei Gerste zum Totalausfall und bei Mais nahezu zum Totalausfall. Bei Kartoffeln lag der Ertrag noch bei 15% der Vergleichsvariante NPKCa. Eine Düngung der Mangelparzellen mit NPKCa ließ den pH‐Wert bereits im ersten Jahr, KDL und PDL erst nach mehrmaliger Düngung in den anzustrebenden Bereich ansteigen. Eine Angleichung der Erträge an die Erträge des durchgehend mit NPKCa gedüngten Prüfgliedes dauerte drei bis vier Jahre.