DOI: https://doi.org/10.1007/s13165-026-00545-9
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: Morten Möller وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الزراعة الحراجية والرعي الحراجي
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث التحديات والنتائج الناتجة عن تجربة ميدانية طويلة الأمد (LTFE) بدأت في هيسه، ألمانيا، لتقييم تأثيرات أنظمة الزراعة المختلفة على خصوبة التربة وإنتاجية المحاصيل. مع ارتفاع عدد المزارع العضوية بدون حيوانات في أوروبا، تقارن الدراسة بين ثلاثة أنواع من المزارع العضوية بدون حيوانات، كل منها مع دورات محصولية ومعالجات تسميد مختلفة، مقابل مزرعة مختلطة تقليدية مع كثافات مختلفة من الماشية. تشير النتائج الأولية إلى أن المزارع المختلطة تحقق تزامنًا أفضل في العناصر الغذائية مع كثافة أعلى من الماشية، بينما تواجه المزارع بدون حيوانات نقصًا في العناصر الغذائية، خاصة في الفوسفور (P) والبوتاسيوم (K)، ما لم يتم دعمها بأسمدة عضوية خارجية. من الجدير بالذكر أن استخدام السماد العضوي وعلف العشب-البرسيم يعزز بشكل كبير من الكربون العضوي في التربة، والذي يرتبط إيجابيًا بعوائد المحاصيل في الأنظمة بدون حيوانات.
تهدف LTFE إلى تعميق الفهم للتفاعل بين ممارسات إدارة المزارع وخصوبة التربة على مر الزمن. تشير النتائج المبكرة إلى أن الحفاظ على أو زيادة مخزونات الكربون في التربة أمر ممكن، لكن الإدارة المستدامة للعناصر الغذائية في الأنظمة بدون حيوانات تتطلب دورات محصولية فعالة واستراتيجيات تسميد. ستركز الأبحاث المستقبلية على قياس مدخلات النيتروجين من خلال التثبيت البيولوجي وتقييم التأثيرات البيئية، بما في ذلك فقدان النيتروجين وانبعاثات غازات الدفيئة. بالإضافة إلى ذلك، ستستكشف LTFE الجوانب الاجتماعية والاقتصادية، مثل الجدوى الاقتصادية لاستراتيجيات إدارة العناصر الغذائية ووجهات نظر المزارعين، مما يسهم في تقديم توصيات مخصصة لممارسات الزراعة العضوية المستدامة عبر مستويات تكامل الماشية المختلفة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث هذه الضوء على الأهمية المتزايدة للزراعة العضوية كنظام إنتاج زراعي مستدام، خاصة في أوروبا، حيث كانت 9.1% من الأراضي الزراعية تحت الزراعة العضوية في عام 2020. في ألمانيا، تعتبر الزراعة العضوية شائعة بشكل ملحوظ، حيث تم إدارة 10.9% من الأراضي الزراعية و14.0% من المزارع بشكل عضوي. تركز الدراسة على المزارع العضوية بدون حيوانات، التي شهدت زيادة في أعدادها، لكنها تواجه تحديات في إدارة العناصر الغذائية وخصوبة التربة بسبب غياب الماشية. تناقش الورقة دور البقوليات العلفية في الحفاظ على خصوبة التربة من خلال تثبيت النيتروجين وإدخال الكربون، مما يقارن فوائدها بالجدوى الاقتصادية للبقوليات الحبيبية، التي ارتبطت بانخفاضات في المادة العضوية في التربة واستقرار العائد.
تسعى تجربة الحقل طويلة الأمد (LTFE) الجارية في جامعة كاسل إلى استكشاف سيناريوهات إدارة مختلفة للزراعة العضوية بدون حيوانات، بما في ذلك الاستخدامات البديلة لمخاليط البقوليات والعشب والأسمدة الخارجية. تسعى الأبحاث إلى تقييم تأثير هذه الممارسات على خصوبة التربة وإدارة العناصر الغذائية، خاصة في ضوء الطلب المتزايد على ممارسات الزراعة النباتية. تقيم الدراسة أربعة أنواع من المزارع العضوية – ثلاثة بدون حيوانات وواحدة تدمج الماشية – عبر معالجات تسميد مختلفة، مع التركيز على الحفاظ على الكربون العضوي في التربة وعوائد المحاصيل. تشمل الفرضيات التي يتم اختبارها توقع أن تظهر المزارع المختلطة ميزانية غذائية أكثر توازنًا وأن المزارع بدون حيوانات يمكن أن تحافظ على الكربون العضوي في التربة من خلال الإدارة الاستراتيجية لمخاليط البقوليات والعشب والسماد الخارجي.
الطرق
تم إجراء البحث في تجربة الحقل طويلة الأمد (LTFE) الواقعة في مجال الدولة الهيسية فرانكنهاوزن، ألمانيا، التي أُنشئت في عام 2017. يتميز الموقع بتربة هابلي لوفيزل مع تركيبة من 18.5% طين، 80.0% سلت، و1.5% رمل في أفق Ap. على مدار الفترة من 2014 إلى 2024، تم تسجيل متوسط درجة الحرارة السنوية عند 10.0 درجة مئوية، مع متوسط هطول الأمطار عند 553 مم. كانت ميزانية المياه المناخية (CWB) سلبية باستمرار خلال دورة المحاصيل الأولى، تم حسابها عن طريق طرح التبخر اليومي (ET) من هطول الأمطار اليومي، باستخدام معادلة بنمان-مونتيث.
استخدم التصميم التجريبي ترتيب تقسيم العوامل ذو العاملين مع أربع تكرارات، حيث تمثل القطع الرئيسية أنواع المزارع المختلفة والقطع الفرعية تشير إلى معالجات تسميد متنوعة. كانت كل قطعة بمساحة 135 م² (مساحة صافية) و171 م² (مساحة إجمالية). تضمنت دورة المحاصيل من 1999 إلى 2016 بشكل أساسي البقوليات، مع زراعة عشب البرسيم، والفاصوليا الميدانية، وفول الصويا في 50% من السنوات، بينما شكلت الحبوب مثل القمح الشتوي 11% فقط. شكلت المحاصيل الجذرية والخضروات 39% من الدورة، مما يبرز نهجًا زراعيًا متنوعًا.
النتائج
تشير النتائج من دورة المحاصيل الأولية التي استمرت ست سنوات ضمن تجربة الخصوبة طويلة الأمد (LTFE) إلى رؤى مهمة حول تأثير استراتيجيات إدارة العناصر الغذائية المختلفة على خصوبة التربة وأداء المحاصيل. على الرغم من أن LTFE لا تزال في مراحلها الأولى، بدأت النتائج المتعلقة بمستويات الكربون العضوي في التربة، وعوائد المحاصيل، وتوازن العناصر الغذائية في الظهور. تشير هذه النتائج إلى أن ممارسات إدارة العناصر الغذائية المختلفة يمكن أن تؤثر على كل من استدامة صحة التربة وإنتاجية المحاصيل، مما يبرز أهمية استراتيجيات العناصر الغذائية المخصصة في الأنظمة الزراعية.
المناقشة
تستكشف تجربة الحقل طويلة الأمد (LTFE) أربعة أنظمة زراعية عضوية متميزة، بما في ذلك ثلاثة أنظمة بدون حيوانات ونظام مزرعة مختلطة تقليدي واحد، كل منها مع معالجة تحكم غير مخصب. تؤكد الدراسة على تعقيد توازن العناصر الغذائية في الزراعة العضوية، خاصة عند استخدام الأسمدة العضوية التي تحتوي على عناصر غذائية متعددة. تم إبلاغ تخطيط الأسمدة بواسطة بيانات العائد طويلة الأمد الخاصة بالموقع وقيم محتوى العناصر الغذائية القياسية، على الرغم من أن بعض العوامل التي تؤثر على ديناميات العناصر الغذائية، مثل فقدان النيتروجين أثناء تطبيق السماد، لم يتم قياسها. تبرز الدراسة أيضًا أهمية دورة المحاصيل في إدارة العناصر الغذائية، مع محاولات مختلفة لمحاكاة استراتيجيات تسميد مختلفة بناءً على تكامل الماشية والمدخلات العضوية.
تشير النتائج إلى أن نوع المزرعة المختلطة تفوق على الأنظمة الأخرى من حيث عوائد المحاصيل، وهو ما يُعزى إلى كثافات الماشية الأعلى وتطبيقات الأسمدة المرتبطة بها. بينما أظهرت أنواع المزارع النقدية والمزارع النباتية ميلاً لعوائد أعلى من المادة الجافة بسبب حصة المحاصيل الجذرية، لم تكن الفروق العامة في العائد بين أنواع المزارع ذات دلالة إحصائية. من الجدير بالذكر أن قياسات الكربون العضوي في التربة (SOC) أظهرت زيادات كبيرة في معالجات معينة، خاصة تلك التي تلقت تعديلات غنية بالكربون بشكل مستمر مثل العلف والسماد العضوي. تؤكد النتائج على الدور الحاسم للمدخلات العضوية في تعزيز خصوبة التربة وإنتاجية المحاصيل، بينما تشير أيضًا إلى أن توقعات العائد الأولية قد لا تتماشى مع النتائج الفعلية، خاصة في السنوات الأولى من التجربة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s13165-026-00545-9
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): Morten Möller et al.
Primary Topic: Agroforestry and silvopastoral systems
Overview
The research paper discusses the challenges and findings from a long-term field experiment (LTFE) initiated in Hesse, Germany, to evaluate the impacts of different farming systems on soil fertility and crop productivity. With the rise of stockless organic farms in Europe, the study compares three stockless organic farm types, each with varying crop rotations and fertilization treatments, against a traditional mixed farm with different livestock densities. Initial results indicate that mixed farms achieve better nutrient synchronization with higher livestock density, while stockless farms face nutrient deficits, particularly in phosphorus (P) and potassium (K), unless supplemented with external organic fertilizers. Notably, the use of compost and grass-clover silage significantly enhances soil organic carbon, which correlates positively with crop yields in stockless systems.
The LTFE aims to deepen the understanding of the interplay between farm management practices and soil fertility over time. Early findings suggest that maintaining or increasing soil carbon stocks is feasible, but sustainable nutrient management in stockless systems requires effective crop rotations and fertilization strategies. Future research will focus on quantifying nitrogen inputs through biological fixation and assessing environmental impacts, including nitrogen losses and greenhouse gas emissions. Additionally, the LTFE will explore socio-economic aspects, such as the economic viability of nutrient management strategies and farmers’ perceptions, ultimately contributing to tailored recommendations for sustainable organic farming practices across varying livestock integration levels.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing significance of organic agriculture as a sustainable agricultural production system, particularly in Europe, where 9.1% of agricultural land was under organic cultivation in 2020. In Germany, organic farming is notably prevalent, with 10.9% of agricultural land and 14.0% of farms managed organically. The study focuses on stockless organic farms, which have seen an increase in their numbers, yet face challenges in nutrient management and soil fertility due to the absence of livestock. The paper discusses the role of fodder legumes in maintaining soil fertility through nitrogen fixation and carbon input, contrasting their benefits with the economic viability of grain legumes, which have been linked to declines in soil organic matter and yield stability.
The ongoing long-term field experiment (LTFE) at the University of Kassel aims to explore various management scenarios for stockless organic farming, including alternative uses of legume-grass mixtures and external fertilizers. The research seeks to assess the impact of these practices on soil fertility and nutrient management, particularly in light of the rising demand for vegan agricultural practices. The study evaluates four organic farm types—three stockless and one integrating livestock—across different fertilization treatments, with a focus on maintaining soil organic carbon and crop yields. The hypotheses being tested include the expectation that mixed farms will exhibit a more balanced nutrient budget and that stockless farms can sustain soil organic carbon through strategic management of legume-grass mixtures and external compost.
Methods
The research was conducted at the Long-Term Field Experiment (LTFE) located at the Hessian State Domain Frankenhausen, Germany, established in 2017. The site features a Haplic Luvisol soil with a composition of 18.5% clay, 80.0% silt, and 1.5% sand in the Ap horizon. Over the period from 2014 to 2024, the average annual temperature was recorded at 10.0 °C, with mean precipitation at 553 mm. The climatic water balance (CWB) was consistently negative during the first crop rotation, calculated by subtracting daily evapotranspiration (ET) from daily precipitation, using the Penman-Monteith equation.
The experimental design employed a two-factor split-plot arrangement with four repetitions, where the main plots represented different farm types and the subplots indicated various fertilization treatments. Each plot measured 135 m² (net area) and 171 m² (gross area). The crop rotation from 1999 to 2016 predominantly included legumes, with clover grass, field beans, and soybeans cultivated in 50% of the years, while cereals like winter wheat comprised only 11%. Root crops and vegetables accounted for 39% of the rotation, emphasizing a diverse agricultural approach.
Results
The results from the initial six-year crop rotation within the Long-Term Fertility Experiment (LTFE) indicate significant insights into the impact of various nutrient management strategies on soil fertility and crop performance. Although the LTFE is still in its early stages, findings related to soil organic carbon levels, crop yields, and nutrient balances have begun to emerge. These results suggest that different nutrient management practices can influence both the sustainability of soil health and the productivity of crops, highlighting the importance of tailored nutrient strategies in agricultural systems.
Discussion
The long-term field experiment (LTFE) investigates four distinct organic farming systems, including three stockless systems and one traditional mixed farm system, each with an unfertilized control treatment. The study emphasizes the complexity of nutrient balancing in organic farming, particularly when utilizing organic fertilizers that contain multiple nutrients. Fertilizer planning was informed by long-term site-specific yield data and standard nutrient content values, although certain factors influencing nutrient dynamics, such as nitrogen losses during manure application, were not quantified. The study also highlights the importance of crop rotation in nutrient management, with various treatments simulating different fertilization strategies based on livestock integration and organic inputs.
The results indicate that the Mixed Farm type outperformed the other systems in terms of crop yields, attributed to higher livestock densities and associated fertilizer applications. While the Cash Crop and Vegan Farm types showed a tendency for higher dry matter yields due to their root crop share, the overall yield differences among farm types were not statistically significant. Notably, soil organic carbon (SOC) measurements revealed significant increases in specific treatments, particularly those receiving consistent high-carbon amendments like silage and compost. The findings underscore the critical role of organic inputs in enhancing soil fertility and crop productivity, while also suggesting that initial yield expectations may not align with actual outcomes, particularly in the early years of the experiment.