home    about    browse    search    latest    help 
Login | Create Account

Studies of the availability of soil phosphorus (P) and potassium (K) in organic farming systems, and of plant adaptations to low P- and K-availability

Løes, Anne-Kristin (2003) Studies of the availability of soil phosphorus (P) and potassium (K) in organic farming systems, and of plant adaptations to low P- and K-availability. [Undersøkelser av tilgjengeligheten av P og K i jorda i økologiske dyrkingssystemer, og av planters tilpasning til lav tilgjengelighet av disse næringsstoffene.] Thesis, Agricultural University of Norway, Department of Soil and Water Sciences. Doctor Scientiarum Thesis, no. 2003: 29. Department of Soil and Water Sciences, Agricultural University of Norway, P.O.Box 5028, N-1432 Ås.

[img] PDF
822Kb
[img] PDF
Limited to [Depositor and staff only]

1285Kb
[img] PDF
Limited to [Depositor and staff only]

1096Kb
[img] PDF
Limited to [Depositor and staff only]

3774Kb
[img] PDF
1133Kb
[img] PDF
1940Kb

Summary

In organic farming systems, the purchase of nutrients is firmly restricted as compared to conventional farming systems. This will often cause a negative nutrient budget on the field level, especially in cases with low animal density, where more nutrients are removed in yields than are applied in fertilisers. Studies on five organic dairy farms in Southern Norway, that were aiming at self-sufficiency,revealed that the concentrations of ammonium-acetate lactate (AL) soluble phosphorus (P) had decreased with time. The farms had been organically managed since 1986 or earlier. It was found that the higher the initial P-AL concentration,the greater was the decrease that occurred, calculated per year. Out of 156 topsoil samples,only 6 had low P-AL values (< 25 mg P kg-1 soil) at the second soil sampling. Nevertheless, in the long run, a supply of P will be required in organic farming systems. For potassium (K), no corresponding decrease in K-AL was found, but for this nutrient a considerable proportion of the cultivated land had low concentrations (< 65 mg K kg-1 soil) on all farms. The concentrations of acidsoluble K were also low to medium. With soil that does not have a high ability to replace K taken up by plants, a supply of K will be required in organic farming systems. Hence, the development of nutrient supplies that may fulfil the standards of organic farming is very important. Furthermore, organic farmers must strive even harder than their conventional colleagues to reduce nutrient losses caused by for example erosion or during animal manure storage and spreading.
A basic principle in organic farming is the cycling of nutrients within the farming system. With low animal density, plant material may be used as
manure (green manure or mulching). The fate of P, K and nitrogen (N) was studied when chopped plant material was used as a mulch in vegetable growing. Application of 9-10 tonnes plant dry matter (DM) ha-1 increased vegetable yields by 26% in the year of application, and grain yields were increased by 0.6 tonne ha-1 in the subsequent year. However, when the nutrient uptake in non-mulched plants was subtracted, only 15-20% of the N, P and K applied in mulch was recovered by the vegetable crops.
Much of the N was probably lost by leaching or gaseous losses, whereas most of the surplus P and K were recovered in soil. The mulch-method is suited for relatively small farms with low animal density where there is no capacity to use all the farmland for vegetables. About 2/3 of the land should be used for mulch production, and 1/3 devoted to vegetables. A systematic crop rotation must be used to avoid an uneven distribution of
nutrients within the farm.
Studies in low-P growing media have shown that plants may react to low P supply by adaptations such as increased root-shoot ratio, relatively longer and thinner roots or longer root hairs. Plants have a remarkable ability to adapt tochanges in environmental conditions, such as a variable nutrient supply. In order to assess whether such daptations might be useful for organic farming systems, this topic was studied by growing accessions of spring wheat and barley released during the period 1900-2000, in the field at both optimum and limited nutrient supply, as well as in the laboratory in low-P utrient solution, where root traits were recorded. Nutrient uptake and grain yields varied significantly, but the relations between nutrient uptake and root traits were weak. Modern accessions produced higher yields than older ones, mostly because they had a higher harvest index and were more resistant to fungal disease.In cereal breeding, root traits should be recorded and the root length is important. As no significant differences in SRL were found among barley or wheat accessions in our study, I suggest that root characterisation may be simplified by estimating root length from the root weight and an appropriate value for the specific root length (SRL, m root g-1 root DM). Measuring SRL is very tedious.
Most studies that have shown large effects in root or root hair growth, as a consequence of low P supply, have either not confirmed the obtained results under a controlled nvironment in the field, or the plants were not grown to maturity. Commonly, the P oncentration in such studies has been below a level that is relevant for practical farming. Such low levels would most probably have led to crop failure in the field. My studies indicate that root morphological adaptations to low P concentrations in soil are of theoretical interest, as they demonstrate the ability of plants to survive in contrasting environments. However, for the conditions found in agricultural soil within the Nordic countries, such adaptations probably have little significance.

Summary translation

I økologisk landbruk er det sterke begrensninger på hvor mye næringsstoffer som kan tilføres gården utenfra, og på skiftenivå blir det lett en negativ næringsbalanse – mer næring fjernes i avling enn det tilføres i gjødsel. Dette gjelder særlig på gårder med lav husdyrtetthet. Undersøkelser på fem gårder i Sør-Norge som hadde drevet økologisk melkeproduksjon med minst mulig fôrinnkjøp siden 1986 eller lenger tilbake, viste at innholdet av fosfor (P) i jorda målt som P-AL (ammonium-acetat laktat løselig) sank over tid, også lang tid etter omlegging. Jo høyere innholdet var ved første gangs måling, jo større var nedgangen beregnet per år. Av til sammen 156 jordprøver fra matjordlaget på de fem gårdene var det bare 6 som hadde lave verdier for P-AL (< 25 mg P kg-1 jord) ved andre gangs prøvetaking. Likevel vil det på sikt være behov for tilførsler av P i økologisk landbruk. For kalium (K) var det ikke noen tilsvarende nedgang i K-AL, men for dette næringsstoffet var nivået lavt (< 65 mg K kg-1 jord) på en betydelig del av arealet på alle gårdene, og innholdet av tyngre tilgjengelig K var også lavt eller middels høyt. På jord som ikke har en god frigjøring av K fra naturens side vil det derfor bli nødvendig å tilføre K-holdig gjødsel eller jordforbedringsmateriale ved økologisk drift. Det er stort behov for å utvikle næringstilførsler som kan tilfredsstille de kravene som stilles til økologisk produksjon. Videre må man gjøre en enda sterkere innsats for å redusere næringstap fra gården, f eks ved erosjon eller fra husdyrgjødsel, enn det som er vanlig ved konvensjonell drift.
Økologisk landbruk baserer seg på å sirkulere næringsstoffer som finnes på gården. Ved begrenset husdyrhold er det aktuelt å bruke plantemateriale som gjødsel (grønngjødsling, jorddekke). Vi har undersøkt hva som skjer med P, K og nitrogen (N) når opphakket plantemasse ble brukt som jorddekke til grønnsaker (hvitkål, rødbeter). Med en plantemasse tilsvarende ca 1 tonn tørrstoff tilført per dekar økte avlingene med 26%, og ettervirkningen i bygg året etter var 60 kg korn per dekar. Sammenliknet med næringsopptaket i planter uten jorddekke ble lite av næringen I jorddekket tatt opp i grønnsaker.
Opptaket tilsvarte bare 15-20% av N, P og K innholdet i jorddekket. N går lett tapt til luft eller vaskes ut med nedbør, men for P og K ble mesteparten av den overflødige næringa lagret i jorda. Jorddekke-metoden er godt egnet på mindre gårder med lite husdyrhold, der det ikke er kapasitet til å dyrke grønnsaker på hele arealet. Man bruker da ca 2/3 av arealet til produksjon av plantemateriale til gjødsling, og 1/3 til grønnsaker. Det er viktig å ha et systematisk vekstskifte for at ikke næringsstoffene skal bli ujevnt fordelt.
Undersøkelser i svært P-fattige dyrkingsmedier har vist at planter ofte reagerer på lav P-tilgang med å øke rot-skudd forholdet, utvikle lengre og tynnere røtter, lengre rothår og liknende tilpasninger. Planter har en betydelig evne til å tilpasse seg ulike miljø, herunder en varierende næringstilgang. For å undersøke om slike tilpasninger kan være nyttige også i økologiske dyrkingssystem, ble sorter av bygg og vårhvete fra perioden 1900-2000 dyrket i felt med optimal og begrenset næringstilførsel, og i næringsløsning med lavt Pinnhold. Sentrale rotegenskaper ble målt I næringsløsning, og i felt med begrenset næringstilførsel. Både næringsopptak og kornavling varierte betydelig, men det var lite samsvar mellom næringsopptak og rotegenskaper hos de ulike sortene. Gjennomgående ga moderne sorter høyere avling enn eldre sorter både ved optimal og begrenset næringstilgang. Viktige årsaker til dette er en høyere kornandel (”harvest index”), og en bedre soppresistens. I kornforedlingsarbeid bør man likevel være oppmerksom på linjenes rotegenskaper, spesielt rotlengden. Mine undersøkelser viste at denne egenskapen kan måles indirekte på en enkel måte, ved hjelp av rotvekten. Det var ingen sikre sortsforskjeller i rotfinhet, også kalt spesifikk rotlengde (antall meter rot per g rot-tørrstoff) verken i bygg eller hvete. Den spesifikke rotlengden er svært arbeidskrevende å måle.
De fleste undersøkelsene som har vist store effekter av et næringsfattig miljø på veksten av røtter eller rothår, har ikke prøvd ut resultatene fra kontrollerte betingelser i felt eller dyrket plantene fram til høsting. I mange tilfeller har P-konsentrasjonen som forsøkene er utført ved vært mye lavere enn det som er mulig i praktisk jordbruk uten å få misvekst. Våre undersøkelser tyder på at rotmorfologiske tilpasninger til lave P-konsentrasjoner kan være viktige for planters evne til å overleve i svært forskjellige miljø. Men i praksis, for de forholdene som gjelder i dyrka jord I Norden, har slike tilpasninger sannsynligvis liten betydning.

EPrint Type:Thesis
Thesis Type:Doctor Scientiarum Thesis
Keywords:phosphorus, potassium, soil P, soil K, depletion, nutrient balance, P-AL, sustainability, cation exchange capacity, CEC, clay minerals, soil fertility, mulches, green manure, root hairs, root hair length, wheat, barley, root length, nutrient uptake, genetic variation
Subjects: Soil > Nutrient turnover
Crop husbandry > Production systems > Cereals, pulses and oilseeds
Animal husbandry > Production systems > Dairy cattle
Crop husbandry > Breeding, genetics and propagation
Crop husbandry > Production systems > Vegetables
Food systems > Recycling, balancing and resource management
Research affiliation: Norway > NORSØK - Norwegian Centre for Ecological Agriculture
Norway > UMB - Norwegian University of Life Sciences
Deposited By: Løes, Anne-Kristin
ID Code:7424
Deposited On:20 Apr 2006
Last Modified:12 Apr 2010 07:32
Document Language:English
Status:Published
Refereed:Peer-reviewed and accepted

Repository Staff Only: item control page