Soil- and plant-based nitrogen-fertilizer recommendations in arable farming

• Published in: Journal of plant nutrition and soil science Vol. 168; no. 4; pp. 414 - 431
• Main Authors: Olfs, H.W, Blankenau, K, Brentrup, F, Jasper, J, Link, A, Lammel, J
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.08.2005; WILEY‐VCH Verlag; Wiley
• Subjects: Agronomy. Soil science and plant productions; application rate; arable soils; Biological and medical sciences; crop production; crop yield; fertilizer requirements; Fundamental and applied biological sciences. Psychology; General agronomy. Plant production; literature reviews; mineralization; N form; N mineralization; N recommendation; N splitting; nitrogen content; Nitrogen fertilization; nitrogen fertilizers; Nitrogen, phosphorus, potassium fertilizations; plant analysis; plant nutrition; remote sensing; review; soil analysis; soil chemistry; soil fertility; Soil-plant relationships. Soil fertility. Fertilization. Amendments; Plant tissue; Nitrogen fertilization; Biochemical analysis; N recommendation; Cropping system; Tissue analysis; Review; N mineralization; Nitrogen; Recommendation; Remote sensing; Fractionated dose; Soil testing; N splitting; Nitrogen cycle; soil analysis; Mineralization; Arable land; plant analysis; N form; Soil plant relation; Nitrogen fertilizer; Form factor; Arable crops
• ISSN: 1436-8730; 1522-2624
• DOI: 10.1002/jpln.200520526

Under‐ as well as overfertilization with nitrogen (N) will result in economic loss for the farmer due to reduced yields and quality of the products. Also from an ecological perspective, it is important that the grower makes the correct decision on how much and when to apply N for a certain crop to minimize impacts on the environment. To aggravate the situation, N is a substance that is present in many compartments in different forms (nitrate, ammonium, organic N, etc.) in the soil‐plant environment and takes part in various processes (e.g., mineralization, immobilization, leaching, denitrification, etc.). Today, many N‐recommendation systems are mainly based on yield expectation. However, yields are not stable from year to year for a given field. Also the processes that determine the N supply from other sources than fertilizer are not predictable at the start of the growing season. Different methodological approaches are reviewed that have been introduced to improve N‐fertilizer recommendations for arable crops. Many soil‐based methods have been developed to measure soil mineral N (SMN) that is available for plants at a given sampling date. Soil sampling at the start of the growing period and analyzing for the amount of NO$ _3^- $‐N (and NH$ _4^+ $‐N) is a widespread approach in Europe and North America. Based on data from field calibrations, the SMN pool is filled up with fertilizer N to a recommended amount. Depending on pre‐crop, use of organic manure, or soil characteristics, the recommendation might be modified (±10–50 kg N ha–1). Another set of soil methods has been established to estimate the amount of N that is mineralized from soil organic matter, plant residues, and/or organic manure. From the huge range of methods proposed so far, simple mild extraction procedures have gained most interest, but introduction into practical recommendation schemes has been rather limited. Plant‐analytical procedures cover the whole range from quantitative laboratory analysis to semiquantitative “quick” tests carried out in the field. The main idea is that the plant itself is the best indicator for the N supply from any source within the growth period. In‐field methods like the nitrate plant sap/petiole test and chlorophyll measurements with hand‐held devices or via remote sensing are regarded as most promising, because with these methods an adequate adjustment of the N‐fertilizer application strategy within the season is feasible. Prerequisite is a fertilization strategy that is based on several N applications and not on a one‐go approach. Boden‐ und Pflanzenanalyse zur Stickstoff‐Düngebedarfsprognose in Ackerkulturen Unter‐ und Überdüngung mit N führen zu deutlichen ökonomischen Verlusten für Landwirte, da sowohl der Ertrag als auch die Qualität der Erzeugnisse vermindert werden. Auch aus ökologischer Sicht ist die richtige Entscheidung des Anbauers über Höhe und Zeitpunkt der N‐Düngung von Bedeutung, um die Auswirkungen auf die Umwelt so gering wie möglich zu halten. Erschwerend kommt hinzu, dass N in sehr vielen Umweltkompartimenten in verschiedenen Bindungsformen (Nitrat, Ammonium, organisch gebundener N) vorkommt und dass N in verschiedenste Umsetzungsprozesse involviert ist (Mineralisation, Immobilisation, Auswaschung, Denitrifikation). Auch heutzutage orientieren sich viele Systeme, die zur N‐Düngebedarfsprognose eingesetzt werden, im Wesentlichen an der Ertragserwartung. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass weder der Ertrag als von Jahr zu Jahr stabil angesehen werden kann, noch dass die Prozesse, die das bodenbürtige N‐Angebot bestimmen, zu Beginn der Vegetationsperiode hinreichend gut vorausgesagt werden können. Daher werden im Folgenden verschiedene methodische Ansätze erläutert, die zur Verbesserung der N‐Düngebedarfsprognose für Ackerkulturen geeignet erscheinen. Viele Bodenanalyse‐Methoden zielen darauf ab, den mineralischen N‐Vorrat des Bodens, der an einem bestimmten Beprobungstermin als pflanzenverfügbarer N vorliegt, zu erfassen. Die Bodenprobeentnahme zu Beginn der Vegetationsperiode und die Bestimmung der Menge an Nitrat (und Ammonium) ist ein in Europa und Nord‐Amerika weitverbreiteter Ansatz. Anhand der Daten aus Kalibrierversuchen kann dann abgeleitet werden, wie viel Dünger‐N zum Auffüllen des N‐Vorrats eingesetzt werden soll. In Abhängigkeit von Vorfrucht, Einsatz von Wirtschaftsdüngern oder weiteren Bodeneigenschaften kann diese Empfehlung modifiziert werden (± 10 bis 50 kg N ha–1). Weitere Bodenuntersuchungsmethoden wurden entwickelt, um die Menge des während der Vegetationszeit aus der organischen Bodensubstanz, aus Ernteresten und/oder aus Wirtschaftsdüngern mineralisierten N zu bestimmen. Obwohl aus der Vielzahl der vorgeschlagenen Methoden einfache “milde“ Extraktionsverfahren eine gewisse Bedeutung erlangt haben, werden diese in der Praxis bei der Ermittlung des N‐Düngebedarfs als zusätzliche Information nur selten berücksichtigt. Verfahren der Pflanzenanalyse umfassen einen weiten Bereich von quantitativen Laboranalysen bis zu halbquantitativen Schnelltests, die direkt auf dem Acker eingesetzt werden können. Die wesentliche Idee beim Einsatz der Pflanzenanalyse ist die Vorstellung, dass die Pflanze an sich der beste Indikator ist, die N‐Verfügbarkeit aus den verschiedenen Quellen gewissermaßen kumulativ innerhalb der Wachstumszeit anzuzeigen. Methoden, die auf dem Acker eingesetzt werden können, wie z. B. der Nitrat‐Pflanzensaft‐ (oder Blattstiel‐)Test sowie die Chlorophyll‐Messung mit Handgeräten oder berührungslose Messverfahren haben den klaren Vorteil, dass sie eine schnelle Anpassung der N‐Düngestrategie während der Vegetation ermöglichen. Voraussetzung dazu ist allerdings, dass die N‐Düngestrategie nicht auf einer Einmal‐Applikation beruht, sondern dass die N‐Düngermenge auf mehrere Teilgaben verteilt wird.