Periodic fluctuations of soil fertility, crop yields and of responses to fertilization effected by alternating periods of low or high rainfall

Summary

The phenomenon of cyclic fluctuation of factors is common in meteorological literature.

More or less cyclic alternations of periods of different rainfall appear to be especially evident from 1910 to the present day and also from 1854 to 1879 (Figs. 1, 11, 14).

The soil fertility status is related to the prevailing weather conditions. Changes in the amount of precipitation give rise to considerable changes in the fertility of the soil.

Periodic fluctuations of soil factors such as the contents of water-soluble phosphorus (Figs. 5, 13) of exchangeable potassium (Fig. 6) and the pH (Figs. 4, 12) originate from gradual and cumulative effects of rainfall in alternating periods of markedly different precipitation. The contents of phosphorus and potassium rise in dry and fall in wet periods, the pH (of soil in water suspension) reacts in the opposite sense (Fig. 3, 10).

Periodic responses of crop yields to the application of phosphorus dressings opposite in sense to the periodic fluctuations of the content of water-soluble phosphorus (being large if content is low) have been observed (Fig. 13). Since the content of water soluble phosphorus has been proved to determine the response of potatoes to phosphorus dressing it is likely that the relation between the two periodic phenomena is causal.

Periodic fluctuations of pH also correspond to those of crop yields over a range of low pH (Fig. 12). It is doubtful whether this is also to be considered as a direct causal relation.

Similarly periodic responses to nitrogen dressing are found on soils with a poor production of available nitrogen (Figs. 13, 14, 15). Obviously the amount of available nitrogen is affected by alternating rainfall periods though the effect of winter rainfall on nitrogen response is paramount in most cases²⁰.

The differences noted in the content of exchangeable potassium in grassland are considerable and surpass those effected by different fertilizer practices. It is assumed, therefore, that the effect of these fluctuations on the crop may be important, but no reliable data are available as yet.

Distinct periodic fluctuations of crop yield which have been observed frequently with many crops on a variety of soils in practical farming and on experimental fields (Figs. 7, 9), must be attributed to periodic fluctuations of soil fertility. In their turn the latter are controlled by the alternation of periods of different rainfall (Fig. 10). The pattern of these alternations is rather similar in adjacent districts and only slowly changes from north to south and from east to west in the Netherlands (Fig. 8).

A similar pattern of rainfall to that observed in the Netherlands was apparent between 1844 and 1893 in England. The course of yields of wheat grown continuously on the Broadbalk field of Rothamsted Experimental Station closely corresponds to this distribution of rainfall (Fig. 11).

The response of yield to the alternating rainfall periods is economically important. The average yields of wheat and rye in Dutch provinces after some dry years amount to 1 1/2 times of those obtained after a succession of wet years. Similarly the yield of a more sensitive crop like peas is about 3 times higher. Over smaller areas especially on infertile soil these differences may be still larger.

It appears theoretically possible to eliminate yield fluctuations at a high level of production by means of appropriate measures of fertilization and soil management.

Since the fluctuations of crops yields may be ascribed to changes of the actual soil fertility status, it seems possible to forecast yields on the basis of the determination of the deviations of soil factors from the normal trend.

Résumé

La litérature météorologique fournit de nombreux exemples de variations cycliques de facteurs climatologiques. Spécialement dans les périodes de 1910 à aujourd'hui et de 1854 à 1879 on peut reconnaître des périodes de 2 à 3 années avec hautes et basses précipitations (fig. 1, 11, 14).

Les conditions climatologiques déterminent l'état dans lequel se trouve le sol. Un changement dans la quantité de précipitations exerce des changements considérables dans la fertilité des sols.

Des variations périodiques de certains facteurs du sol comme par exemple le pH (fig. 4, 12) ou la teneur en acide phosphorique soluble à l'eau (fig. 5, 13) ou en potasse échangeable (fig. 6) ont été constatées. Celles-ci correspondent avec les écarts périodiques des précipitations moyennes (déterminées pour chaque mois) et sont attribuées aux effets cumulatifs des précipitations Les teneurs en acide phosphorique et en potasse augmentent dans les périodes sèches et diminuent pendant les périodes humides. Le pH (déterminé dans une solution acqueuse) montre une relation contraire (fig. 3).

Au cours des années on observe une périodicité dans l'effet de la fumure phosphatée sur les récoltes contraire à la teneur du sol en acide phosphorique soluble à l'eau (fig. 13). Parce que dans beaucoup de nos expériences cette teneur en acide phosphorique s'est rélevée un norme précis pour l'assimilation de l'acide phosphorique par les cultures, il doit exister probablement une relation causale entre cette teneur en acide phosphorique du sol et l'effet de la fumure.

A un niveau bas du pH les récoltes correspondent positivement aux changements du pH (fig. 12). Ceci est remarquable, parce qu' une élévation des valeurs pH est justement provoquée par une augmentation des précipitations, défavorable aux récoltes, de sorte qu'elle donnait souvent une corrélation négative. Il est cependant douteux s'il existe dans le premier cas véritablement une relation causale entre le pH et la récolte.

Des variations périodiques de l'effet d'une fumure azotée furent constatées dans les sols dont la teneur en azote mobilisable était basse (fig. 13, 14, 15). Il semble que cette teneur est également influencée par la quantité de précipitations dans les périodes successives. Dans le pluspart des cas les précipitations de l'hiver précédant exercent probablement la plus grande influence²⁰.

Les différences en teneur de potasse échangeable dans les prairies permanentes sont plus fortes que les différences que les fumures ont pu provoquer dans le sol. Nous supposons donc que ces fluctuations sont très importantes pour la plante, quoi qu'il nous ait pas encore été possible d'en fournir la preuve au moyen d'expériences.

Les variations périodiques remarquables des récoltes de cultures diverses sur différents sols constatées de façon générale aussi bien dans la pratique que sur les champs d'essais (fig. 7, 9) sont attribuées à ces changements périodiques de la fertilité du sol. Ces derniers se forment sous l'influence des variations de précipitations (fig. 10). Cette périodicité suit un cours correspondant dans les régions avoisinantes (fig. 8).

En Angleterre les variations périodiques des récoltes sur le Broadbalk field avec monoculture de froment à la station de recherches agronomiques de Rothamsted entre 1844 et 1893 correspondent de même manière avec la hauteur des précipitations dans les périodes successives, exactement comme il en est le cas pour les années postérieures dans les Pays Bas (fig. 11).

Il est d'une importance économique capitale que les récoltes sont tellement fortement liées aux périodes continues de précipitations constantes. Les récoltes moyennes de froment et de seigle aux Pays Bas sont après quelques années sèches à peu près 1 1/2 fois aussi élevées qu'après quelques années humides. Les pois, une culture plus sensible, donne même une récolte moyenne 3 fois si haute. Ces écarts de rendements sont souvent encore plus forts sur des petites surfaces et sur les sols moins fertiles.

En principe il est possible de réduire considérablement ces variations des récoltes par des fumures et traitements du sol adéquates.

Si l'on réussirait à déterminer d'anvance les écarts de la fertilité du sol, il sera même possible de prédire la richesse des récoltes à venir.

Zusammenfassung

In der meteorologischen Literatur sind viele Beispiele zyklischer Schwankungen von Witterungsfaktoren beschrieben worden.

Besonders während der Jahre 1910 bis heute und auch von 1854 bis 1879 können, oft 2–3 Jahre dauernde, Perioden von hohen bzw. geringen Niederschlagsmengen erkannt werden (Abb. 1, 11, 14).

Die herrschenden Witterungsverhältnisse sind bestimmend für den Zustand worin der Boden sich befindet. Eine Änderung der Niederschläge veranlasst erhebliche Änderungen der Bodenfruchtbarkeit.

Periodische Schwankungen verschiedener Bodenfaktoren, so wie der pH-Werte (Abb. 4, 12) oder des Gehaltes wasserlöslichen Phosphors (Abb. 5, 13) oder austauschbaren Kalis (Abb. 6) wurden festgestellt. Diese korrespondieren mit den periodischen Abweichungen von den durchschnittlichen Niederschlagsmengen (für jeden Monat bestimmt) und werden zurückgeführt auf die kumulativen Wirkungen der Niederschläge. Die Phosphor- und Kaligehalte steigen in trockenen und nehmen ab in nassen Perioden; der pH-Wert (in wässeriger Suspension) zeigt das entgegengesetzte Verhältnis (Abb. 3).

Eine im Laufe der Jahre dem Gehalt wasserlöslichen Bodenphosphors entgegengesetzt schwankende Düngerwirkung des Phosphors auf die Erträge konnte festgestellt werden (Abb. 13). Weil der Gehalt wasserlöslichen Bodenphosphors sich bei vielen unserer Untersuchungen für die Phosphorentnahme als massgebend erwiesen hat, ist eine kausale Beziehung zwischen Phosphorgehalt des Bodens und Düngerwirkung wahrscheinlich.

Bei niedrigem pH-Niveau korrespondierten die erhaltenen Erträge positiv mit den Schwankungen des pH-Wertes (Abb. 12). Das ist bemerkenswert, da Steigerungen der pH-Werte gerade durch, für die Erträge ungünstige, nasse Witterung hervorgerufen werden, wodurch sonst oft eine negative Korrelation festgestellt wurde. Ob in dem ersten Fall wirklich eine direkte positive kausale Beziehung zwischen pH-Wert und Ertrag besteht, ist jedoch zweifelhaft.

Periodische Schwankungen der Wirkung von Stickstoffdüngern wurden festgestellt auf Böden mit geringen Mengen an mobilisierbarem Stickstoff (Abb. 13, 14, 15). Offenbar wird auch der Gehalt an leicht verfügbarem Stickstoff durch die Niederschlagsmengen der aufeinander folgenden Perioden beeinflusst. In den meisten Fällen haben wahrscheinlich die Niederschläge des letzten Winters den grössten Einfluss²⁰.

Die gefundenen Unterschiede im Gehalt austauschbaren Kalis auf Dauergrassland übersteigen die Unterschiede welche unter Einfluss weit auseinanderlaufender Düngergaben im Boden entstehen. Angenommen wird daher, dass diese Schwankungen für die Pflanzen sehr wichtig sind, obwohl es noch nicht gelungen ist dies anhand der Versuchsergebnisse zu beweisen.

Auffallende periodische Schwankungen der Erträge verschiedener Pflanzenarten auf verschiedenen Böden welche in der landwirtschaftlichen Praxis und auf verschiedenen Versuchsfeldern ganz allgemein festgestellt wurden (Abb. 7, 9), werden auf diese periodisch auftretenden Änderungen der Bodenfruchtbarkeit zurückgeführt. Letztere entstehen unter dem Einfluss von den Schwankungen des Niederschlags (Abb. 10). Ein übereinstimmender Verlauf dieser Schwankungen wurde in angrenzenden Gebieten beobachtet (Abb. 8).

In England korrespondierten die wellenartigen Schwankungen der Erträge bei ewigem Weizenbau auf dem Broadbalk Felde der Rothamstedschen Versuchsstation 1844–1893 in ähnlicher Weise mit der Menge der Niederschläge in den aufeinander folgenden Perioden wie es in späteren Jahren auch in den Niederlanden festgestellt wurde (Abb. 11).

Oekonomisch ist es von grosser Bedeutung, dass die Erträge auf lange anhaltende Perioden konstanter Niederschlagsmenge stark reagieren. Die mitleren Weizen- und Roggenerträge in den Niederlanden sind nach einigen trockenen Jahren im Durchschnitt etwa 1 1/2 Mal so hoch als nach einigen nassen Jahren. Bei einer empfindlicheren Pflanze, wie die Erbse, ist der Ertrag dann wohl 3 Mal so hoch. Die Unterschiede sind auf kleinerer Bodenfläche und auf unfruchtbaren Böden oft noch grösser.

Es ist prinzipiell möglich die Ertragsschwankungen durch zweckmässige Eingriffe bei der Düngung und Bodenbehandlung erheblich zu mässigen.

Es wurde auch gewiesen auf die Möglichkeit die zu erwartenden Erträge vorauszusagen, wenn es gelingen würde die Abweichungen der Bodenfruchtbarkeit zuvor festzustellen.