Meilleures pratiques de JUnit JUnit est une boîte à outils typique: s'il est utilisé avec soin et avec la reconnaissance de ses idiosyncrasies, JUnit aidera à développer de bons tests robustes. Utilisé aveuglément, il peut produire une pile de spaghetti au lieu d'une suite de tests. Cet article présente quelques lignes directrices qui peuvent vous aider à éviter le cauchemar des pâtes. Les lignes directrices parfois se contredisent et les uns les autres - c'est délibéré. Selon mon expérience, il y a rarement des règles strictes en matière de développement, et les lignes directrices qui prétendent être trompeuses. Egalement examiner attentivement deux ajouts utiles à la boîte à outils des développeurs: Un mécanisme pour créer automatiquement des suites de test à partir de fichiers de classe dans une partie d'un système de fichiers Un nouveau TestCase qui supporte mieux les tests dans plusieurs threads En face de tests unitaires, Cadre de test. JUnit, disponible en open source, élimine cette lourde tâche en fournissant un cadre ready-made pour les tests unitaires. JUnit, mieux utilisé comme partie intégrante d'un régime de test de développement, fournit un mécanisme que les développeurs peuvent utiliser pour écrire et exécuter des tests de manière cohérente. Donc, quelles sont les meilleures pratiques de JUnit N'utilisez pas le constructeur de test pour configurer un cas de test La configuration d'un cas de test dans le constructeur n'est pas une bonne idée. Considérez: Imaginez que lors de l'exécution de l'installation, le code d'installation lance une exception IllegalStateException. En réponse, JUnit jetterait un AssertionFailedError. Indiquant que le cas de test ne pouvait pas être instancié. Voici un exemple de trace de pile résultante: Cette trace de pile s'avère plutôt uninformative, elle indique seulement que le cas de test n'a pas pu être instancié. Il ne détaille pas les erreurs originales lieu ou lieu d'origine. Ce manque d'information rend difficile de déduire les exceptions sous-jacentes. Au lieu de configurer les données dans le constructeur, effectuez la configuration du test en remplaçant setUp (). Toute exception lancée dans setUp () est signalée correctement. Comparez cette trace de pile avec l'exemple précédent: Cette trace de pile est beaucoup plus informative elle montre quelle exception a été lancée (IllegalStateException) et d'où. Cela rend beaucoup plus facile d'expliquer l'échec des tests de configuration. Ne supposez pas l'ordre dans lequel les tests dans un cas de test de test Vous ne devez pas supposer que les tests seront appelés dans un ordre particulier. Considérons le segment de code suivant: Dans cet exemple, il n'est pas certain que JUnit exécutera ces tests dans un ordre spécifique lors de l'utilisation de la réflexion. Exécuter les tests sur différentes plates-formes et machines virtuelles Java peut donc produire des résultats différents, à moins que vos tests ne soient conçus pour fonctionner dans n'importe quel ordre. Éviter le couplage temporel rendra le cas de test plus robuste, puisque les changements dans l'ordre n'affecteront pas les autres tests. Si les tests sont couplés, les erreurs qui résultent d'une mise à jour mineure peuvent s'avérer difficiles à trouver. Dans les situations où les tests de commande ont un sens - quand il est plus efficace pour les tests de fonctionner sur certaines données partagées qui établissent un nouvel état que chaque test fonctionne - utilisez une méthode statique suite () comme celle-ci pour assurer la commande: Il ya Aucune garantie dans la documentation de l'API JUnit quant à l'ordre dans lequel vos tests seront appelés car JUnit emploie un vecteur pour stocker des tests. Cependant, vous pouvez vous attendre à ce que les tests ci-dessus soient exécutés dans l'ordre dans lequel ils ont été ajoutés à la suite de tests. Évitez d'écrire des cas de test avec des effets secondaires Les cas de test qui ont des effets secondaires présentent deux problèmes: Ils peuvent affecter des données sur lesquelles d'autres cas de test reposent Vous ne pouvez pas répéter des tests sans intervention manuelle Dans la première situation, Toutefois, s'ils sont incorporés dans un TestSuite qui exécute chaque cas de test sur le système, il peut provoquer d'autres cas de test échouer. Ce mode de défaillance peut être difficile à diagnostiquer, et l'erreur peut être située loin de l'échec du test. Dans la deuxième situation, un cas de test peut avoir mis à jour certains états du système pour qu'il ne puisse plus être exécuté sans intervention manuelle, ce qui peut consister à supprimer des données de test de la base de données (par exemple). Réfléchissez bien avant d'introduire une intervention manuelle. Premièrement, l'intervention manuelle devra être documentée. Deuxièmement, les tests ne pouvaient plus être exécutés en mode sans surveillance, ce qui supprime votre capacité à exécuter des tests pendant la nuit ou dans le cadre d'une exécution de test périodique automatisée. Appeler une superclasse setUp () et tearDown () méthodes lors de la sous-classe Lorsque vous considérez: Pouvez-vous repérer l'erreur délibérée setUp () devrait appeler super. setUp () pour s'assurer que l'environnement défini dans AnotherTestCase initialise. Bien sûr, il ya des exceptions: si vous concevez la classe de base de travailler avec des données de test arbitraires, il ne sera pas un problème. Ne chargez pas les données à partir d'emplacements codés sur un système de fichiers Les tests doivent souvent charger des données à partir d'un emplacement dans le système de fichiers. Considérez ce qui suit: Le code ci-dessus repose sur l'ensemble de données étant dans le chemin C: TestData. Cette hypothèse est incorrecte dans deux situations: Un testeur n'a pas de place pour stocker les données de test sur C: et les stocke sur un autre disque Les tests exécutés sur une autre plate-forme, telle que la solution Unix One pourrait être: Cependant, cette solution dépend de la Test exécuté à partir du même répertoire que les données de test. Si plusieurs cas de test différents le supposent, il est difficile de les intégrer dans une suite de tests sans changer continuellement le répertoire courant. Pour résoudre le problème, accédez à l'ensemble de données en utilisant Class. getResource () ou Class. getResourceAsStream (). En les utilisant, cependant, signifie que les ressources se chargent à partir d'un emplacement par rapport à l'origine des classes. Les données d'essai devraient, si possible, être stockées avec le code source dans un système de gestion de configuration (CM). Toutefois, si vous utilisez le mécanisme de ressources susmentionné, vous aurez besoin d'écrire un script qui déplace toutes les données de test du système CM dans le classpath du système sous test. Une approche moins lâche consiste à stocker les données de test dans l'arborescence source avec les fichiers source. Avec cette approche, vous avez besoin d'un mécanisme indépendant de la localisation pour localiser les données de test dans l'arborescence source. Un tel mécanisme est une classe. Si une classe peut être mappée à un répertoire source spécifique, vous pouvez écrire un code comme celui-ci: Maintenant, vous devez uniquement déterminer comment mapper d'une classe vers le répertoire qui contient le fichier source pertinent. Vous pouvez identifier la racine de l'arborescence source (en supposant qu'elle a une racine unique) par une propriété système. Le nom du package classes peut alors identifier le répertoire où se trouve le fichier source. La ressource se charge de ce répertoire. Pour Unix et NT, le mappage est simple: remplacez chaque instance de. Avec File. separatorChar. Conserver les tests au même endroit que le code source Si la source de test est conservée au même endroit que les classes testées, les tests et la classe seront compilés pendant une compilation. Cela vous oblige à conserver les tests et les classes synchronisés pendant le développement. En effet, les tests unitaires qui ne sont pas considérés comme faisant partie de la construction normale deviennent rapidement périmés et inutiles. Nom des tests correctement Nommez le test TestClassUnderTest. Par exemple, le cas de test pour la classe MessageLog doit être TestMessageLog. Cela simplifie le calcul de la classe testée par un test. Les noms des méthodes de test dans le cas de test doivent décrire ce qu'ils testent: testLoggingEmptyMessage () testLoggingNullMessage () testLoggingWarningMessage () testLoggingErrorMessage () Le nomage approprié aide les lecteurs de code à comprendre chaque but des tests. Assurez-vous que les tests sont indépendants du temps Dans la mesure du possible, évitez d'utiliser des données qui peuvent expirer, ces données doivent être actualisées manuellement ou par programme. Il est souvent plus simple d'instrumenter la classe à l'essai, avec un mécanisme pour changer sa notion d'aujourd'hui. Le test peut alors fonctionner indépendamment du temps sans avoir à actualiser les données. Considérons la localisation lors de l'écriture des tests Considérons un test qui utilise des dates. Une approche pour créer des dates serait: Malheureusement, ce code ne fonctionne pas sur une machine avec un locale différent. Par conséquent, il serait beaucoup mieux d'écrire: La deuxième approche est beaucoup plus résistant aux changements de paramètres régionaux. Utiliser les méthodes assertfail de JUnits et la gestion des exceptions pour le code de test propre Plusieurs novices de JUnit commettent l'erreur de générer des blocs try et catch élaborés pour saisir des exceptions inattendues et signaler un échec de test. Voici un exemple banal de ceci: JUnit détecte automatiquement les exceptions. Il considère que les exceptions non capturées sont des erreurs, ce qui signifie que l'exemple ci-dessus contient du code redondant. Voici un moyen beaucoup plus simple d'obtenir le même résultat: Dans cet exemple, le code redondant a été supprimé, rendant le test plus facile à lire et à maintenir (car il ya moins de code). Utilisez la grande variété de méthodes assert pour exprimer votre intention d'une manière plus simple. Au lieu d'écrire: L'exemple ci-dessus est beaucoup plus utile à un lecteur de code. Et si l'assertion échoue, elle fournit au testeur plus d'informations. JUnit prend également en charge les comparaisons en virgule flottante: Lorsque vous comparez des nombres en virgule flottante, cette fonction utile vous évite d'écrire à plusieurs reprises du code pour calculer la différence entre le résultat et la valeur attendue. Utilisez assertSame () pour tester deux références qui pointent vers le même objet. Utilisez assertEquals () pour tester deux objets égaux. Les tests de documents dans javadoc Les plans de test documentés dans un traitement de texte ont tendance à être propice aux erreurs et fastidieux à créer. En outre, la documentation basée sur le traitement de texte doit être synchronisée avec les tests unitaires, ajoutant une autre couche de complexité au processus. Si possible, une meilleure solution serait d'inclure les plans de test dans les tests javadoc. En veillant à ce que toutes les données du plan de test résident en un seul endroit. Éviter l'inspection visuelle Le contrôle des servlets, des interfaces utilisateur et d'autres systèmes produisant des sorties complexes est souvent laissé à l'inspection visuelle. L'inspection visuelle - un humain qui inspecte les données de sortie pour des erreurs - requiert de la patience, la capacité de traiter de grandes quantités d'informations et une grande attention aux détails: des attributs qui ne se rencontrent pas souvent chez l'être humain moyen. Voici quelques techniques de base qui aideront à réduire la composante d'inspection visuelle de votre cycle d'essai. Lorsque vous testez une interface utilisateur basée sur Swing, vous pouvez écrire des tests pour vous assurer que: Tous les composants résident dans les panneaux corrects Vous avez configuré correctement les gestionnaires de mise en page Les widgets texte ont les polices correctes Test d'une interface graphique, référencé dans la section Ressources. Lors du test des classes qui traitent XML, il est avantageux d'écrire une routine qui compare deux DOM XML pour l'égalité. Vous pouvez ensuite définir par programmation le DOM correct à l'avance et le comparer avec la sortie réelle de vos méthodes de traitement. Avec les servlets, quelques approches peuvent fonctionner. Vous pouvez écrire un cadre servlet fictif et le préconfigurer lors d'un test. Le framework doit contenir des dérivations de classes trouvées dans l'environnement de la servlet normale. Ces dérivations devraient vous permettre de préconfigurer leurs réponses aux appels de méthodes de la servlet. Le recyclage des nutriments et le maintien de la fertilité des sols dans les systèmes de cultures de fruits et légumes. Introduction Agriculture conventionnelle, agriculture alternative, agriculture biologique, agriculture chimique, agriculture industrielle, éco-agriculture : Des distinctions pointues sont établies parmi les systèmes de production agricole associés à ces étiquettes. Les différences dans les pratiques et la philosophie sont réelles et peuvent être source de controverse et de discussion animée, mais il existe d'importantes similitudes sous-jacentes entre les systèmes agricoles de tous types et labels. Les plantes ont besoin de trois facteurs pour la croissance et la reproduction: la lumière, l'eau et les nutriments. Le troisième de ces facteurs, c'est-à-dire la gestion des cultures pour fournir un approvisionnement optimal en éléments nutritifs, est l'endroit où certaines des principales différences existent entre les systèmes d'exploitation. Ces différences sont souvent décrites comme des méthodes biologiques ou chimiques pour maintenir la fertilité du sol. Cette distinction est significative, mais les catégories ne s'excluent pas mutuellement. Il est important de comprendre à la fois les processus biologiques et chimiques pour efficacement et efficacement fournir des plantes avec des nutriments. Les nutriments des plantes sont des éléments chimiques qui sont principalement absorbés par les racines des plantes en tant que produits chimiques inorganiques dissous dans l'eau. Dans le même temps, les nutriments des plantes sont utilisés par d'autres formes de vie et passer par de nombreuses transformations biologiques qui déterminent quand et comment les plantes les prennent. Les matières biologiques comme le fumier sont des sources nutritives majeures dans de nombreuses fermes conventionnelles, ainsi que dans les fermes biologiques, tandis que les minéraux inorganiques (matériaux chimiques) comme le phosphate de roche et la chaux sont des amendements acceptables de fertilité pour la production biologique certifiée. Objectifs Le présent bulletin porte sur la biologie, en plaçant le cycle des nutriments au centre de la gestion des éléments nutritifs, mais l'accent mis sur la biologie n'est pas censé faire abstraction d'autres facteurs. Comment ces processus affectent la disponibilité des éléments nutritifs pour les plantes et le mouvement des nutriments des champs agricoles aux eaux de surface ou souterraines Les façons de gérer les cultures et les sols Maximiser la disponibilité des éléments nutritifs et minimiser les mouvements de nutriments dans l'environnement environnant Comprendre les processus permet d'identifier des options pratiques adaptées aux différents systèmes d'exploitation. Comprendre les cycles des nutriments aide tous les types d'agriculteurs à maintenir la fertilité de leurs sols, tout en protégeant nos ressources en eau. Éléments nutritifs essentiels Il existe au moins 16 éléments chimiques essentiels à la croissance des plantes. Le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, obtenus en grande quantité à partir de l'air et de l'eau, constituent la matière sèche de la plante dans les produits de la photosynthèse, mais ne sont généralement pas inclus comme éléments nutritifs. Azote (N), phosphore (P), potassium (K), calcium (Ca), magnésium (Mg), soufre (S), fer (Fe), manganèse (Mn), zinc (Zn) Le bore (B), le molybdène (Mo) et le chlore (Cl) sont obtenus à partir du sol et requis par toutes les plantes. Le sodium, le silicium et le nickel sont des éléments essentiels pour certaines espèces de plantes et, bien que non nécessaires, ont des effets positifs ou bénéfiques sur la croissance d'autres espèces. Le cobalt est essentiel à la fixation de l'azote par les légumineuses. D'autres éléments, comme le sélénium et l'iode, ne sont pas exigés par les plantes, mais ils peuvent être importants dans la nutrition des plantes car ils sont des nutriments essentiels pour les humains et d'autres animaux qui consomment des plantes. Tous les nutriments essentiels sont tout aussi importants pour une croissance saine des plantes, mais il existe de grandes différences dans les quantités requises. N, P et K sont des macronutriments primaires dont les besoins en culture sont généralement de l'ordre de 50 à 150 lbsacre. Ca, Mg et S sont des macronutriments secondaires, requis en quantités d'environ 10 à 50 lbsacre. Les besoins en micronutriments (Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo et Cl) sont généralement inférieurs à 1 lbacre. Sources de nutriments des plantes dans le sol Les plantes obtiennent des nutriments minéraux par l'absorption des racines de la solution du sol. Les sources de ces substances nutritives solubles dans le sol incluent: Décomposition des résidus végétaux, des restes d'animaux et des microorganismes du sol Résistance aux intempéries des minéraux du sol Application d'engrais Engrais, composts, biosolides (boues d'épuration), algues marines et autres modifications organiques comme les sous-produits de transformation des aliments N-fixation par les légumineuses Produits de la roche de terre, y compris la chaux, le phosphate rocheux et greensand Sous-produits industriels inorganiques tels que les cendres de bois ou de cendres de charbon Dépôts atmosphériques, tels que N et S de la pluie acide ou fixation N par décharges éclair Dépôt de sédiments riches en nutriments De l'érosion et des inondations Pertes de nutriments des plantes du sol Les nutriments minéraux peuvent aussi être perdus du système du sol et devenir indisponibles pour l'absorption des plantes. Les pertes de nutriments ne sont pas seulement coûteuses et inutiles, elles peuvent être une source de contamination environnementale lorsqu'elles atteignent les lacs, les rivières et les eaux souterraines. Les pertes de nutriments se produisent à travers: La perte de ndash de ruissellement des éléments nutritifs dissous dans l'eau se déplaçant à travers la surface du sol Érosion ndash perte de nutriments dans ou attaché aux particules de sol qui sont retirées des champs par le vent ou l'eau mouvement À travers le sol vers l'eau souterraine ou hors du champ par des conduites de drainage Pertes gazeuses à l'atmosphère ndash principalement des pertes de différentes formes de N par la volatilisation et la dénitrification (voir Cycle de nitrogène) L'enlèvement des plantes et l'enlèvement des nutriments du champ dans les produits récoltés Figure 1. Bassins nutritifs des sols En plus de la variété des intrants et des sorties, les nutriments végétaux existent sous différentes formes, ou des bassins nutritifs, dans le sol (figure 1). Ces bassins vont de formes solubles, facilement disponibles, à des formes faiblement liées qui sont en équilibre rapide avec des pools solubles, à des formes fortement liées ou précipitées qui sont très insolubles et ne deviennent disponibles que sur de longues périodes de temps. Les nutriments en solution peuvent être absorbés immédiatement par les racines des plantes, mais ils se déplacent aussi avec de l'eau et peuvent facilement se lessiver en dessous de la zone racinaire de la plante ou être perdus dans le ruissellement des champs. Le sol fertile idéal a des concentrations élevées en nutriments dans la solution du sol lorsque les taux de croissance des cultures sont élevés et une grande capacité de stockage pour retenir les nutriments quand les besoins des cultures sont faibles ou il n'y a pas de culture en croissance. Les cations échangeables (voir ci-dessous) sont un pool de stockage à court terme qui peut rapidement reconstituer les ions nutritifs dans la solution du sol. La matière organique du sol libère lentement les éléments nutritifs lorsqu'elle se décompose, mais constitue une source importante de N, P, S, B et de micronutriments de métaux traces. Les minéraux du sol varient des types relativement solubles (chlorures et sulfates) aux formes insolubles (feldspaths, apatite, mica) qui libèrent des éléments nutritifs par des réactions d'altération avec des agents chimiques et biochimiques tels que des acides organiques. Les anions adsorbés, tels que les phosphates et les oxydes de fer liés à l'argile et aux surfaces de matière organique, sont maintenus fortement et libérés très lentement, mais peuvent contribuer à l'approvisionnement à long terme en éléments nutritifs disponibles dans les plantes. Cations Anions Les ions sont des éléments chimiques ou des composés avec une charge électrique. Les cations ont une charge positive et les anions ont une charge négative. Figure 2. Capacité d'échange de cations (CEC) Les particules d'argile et la matière organique ont des sites chargés négativement qui contiennent des ions chargés positivement sur leurs surfaces (figure 2). CEC protège les cations solubles de la lixiviation hors de la zone racinaire de la plante. Ces ions sont rapidement échangeables avec d'autres ions solubles, de sorte que lorsque l'absorption des racines épuise l'apport en nutriments, ils remplissent les cations disponibles dans la solution du sol. L'échange de cations est le principal réservoir nutritif de K, Ca2 et Mg2, est important pour retenir le N dans la forme ammonium (NH4) et, dans une certaine mesure, fournit des oligo-éléments comme le Zn2 et le Mn2. L'échange de cations aide les sols à résister aux changements de pH en plus de retenir les nutriments des plantes. Matière organique La matière organique du sol est un facteur très important dans la fertilité du sol. Il s'agit d'un réservoir d'éléments nutritifs pour les plantes, qui possède une CEC élevée, qui tamponne le pH du sol et qui chélate les micronutriments. La matière organique existe sous différentes formes dans le sol, allant des organismes du sol vivant aux résidus végétaux frais et facilement décomposés en humus très stable et résistant à une dégradation accrue. Les organismes vivants du sol comprennent les bactéries, les champignons, les actinomycètes, les nématodes, les vers de terre, les acariens et les insectes. Ils constituent le réseau alimentaire du sol, qui effectue le cycle des nutriments biologiques. Les racines des plantes sont une partie parfois oubliée de la biomasse du sol vivant. La matière organique décomposée ou active est la forme de matière organique par laquelle les nutriments sont activement recyclés. La décomposition produit des gommes, des polysaccharides (sucres) et d'autres composés qui sont les colles d'agrégats de sol stables à l'eau nécessaires à une bonne structure du sol. L'humus stable contribue à l'approvisionnement en nutriments à long terme et constitue la fraction de matière organique avec une CEC élevée. La chélation est la capacité des composés organiques solubles à former des complexes avec des métaux micronutriments qui les maintiennent en solution et disponibles pour l'absorption. Dans les sols organiques (tourbe et limon), les complexes métalliques à l'état de traces avec la matière organique peuvent réduire leur disponibilité. Le recyclage des nutriments des plantes par la matière organique du sol fournit une part importante des besoins croissants en nutriments des cultures. Un autre aspect de ce processus cyclique est que la matière organique contribue non seulement à la fertilité du sol, mais les sols fertiles contribuent à la production de matière organique. Une des meilleures façons d'ajouter la matière organique au sol est de maintenir la fertilité et de cultiver des cultures saines qui ajoutent de grandes quantités de résidus végétaux. Cycle des éléments nutritifs Figure 3. Cycle des éléments nutritifs des plantes Figure 4. Cycle de l'azote La fertilité des sols peut être maintenue lorsque les éléments nutritifs sont recyclés efficacement à travers le réseau alimentaire du sol et le système sol-plante-animal. Le cycle des nutriments est illustré de manière pratique dans des diagrammes allant de très simples (figure 3) à extrêmement complexes (figure 4). Cycle des éléments nutritifs de base Le cycle des éléments nutritifs de base met en évidence le rôle central de la matière organique du sol. Cyclisme de nombreux nutriments des plantes, en particulier N, P, S et B, suit de près les parties du cycle du carbone. Les résidus végétaux et le fumier provenant d'animaux nourris avec du fourrage, des céréales et d'autres aliments dérivés de plantes sont renvoyés dans le sol. Ce réservoir de matière organique de composés du carbone devient nourriture pour des bactéries, des champignons, et d'autres décomposeurs. Comme la matière organique est décomposée en composés plus simples, nutriments des plantes sont libérés dans les formes disponibles pour l'absorption des racines et le cycle recommence. Les K, Ca, Mg, P, S et certains micronutriments disponibles dans l'usine sont également libérés lorsque les minéraux du sol et les précipités se dissolvent (figure 1). Cycle azoté Le cycle N (figure 4) est le cycle nutritif le plus complexe (le cycle S est également complexe). N existe sous plusieurs formes, différents états physiques ainsi que des composés organiques et inorganiques, de sorte que les transformations entre ces formes rendent le cycle N ressemblant à un labyrinthe plutôt qu'à un simple cycle circulaire. Les transformations biochimiques de N (voir ci-dessous), telles que la nitrification, la dénitrification, la minéralisation, l'immobilisation (assimilation) et la fixation en N, sont effectuées par divers organismes habitant le sol. Les transformations physiques de N comprennent plusieurs formes qui sont des gaz qui se déplacent librement entre le sol et l'atmosphère. Bien que le cycle N soit très complexe, il est probablement le cycle nutritif le plus important à comprendre. Il y a deux raisons à cela: 1) le N est habituellement le nutriment végétal le plus limitant pour la croissance dans les écosystèmes terrestres (terrestres), de sorte qu'il y a souvent une très grande réponse au N et 2) N dans la forme nitrate Très soluble et un des nutriments les plus mobiles des plantes dans le sol, de sorte qu'il peut facilement être perdu à partir de champs agricoles et devenir un contaminant dans les eaux de surface ou souterraines. La gestion du N est un élément essentiel de la gestion de la fertilité du sol. Transformation biologique de l'azote Nitrification ndash conversion de l'ammonium-N (un cation détenu dans le sol par la CEC) en nitrate-N (un anion soluble facilement perdu dans le ruissellement ou le lessivage) Denitrification ndash conversion de nitrate-N disponible en N-gaz qui Ne sont pas disponibles pour les plantes et facilement perdues du sol Minéralisation ndash décomposition biologique de N organique et de libération comme l'ammonium disponible en usine N Immobilisation (assimilation) ndash absorption du N inorganique du sol et l'incorporation dans les composés organiques-N dans les microbes (N devient Non disponible pour les plantes) N-Fixation ndash conversion du N-gaz dans l'air en N organique qui devient disponible pour les plantes (effectuée par des bactéries associées à des racines de légumineuses et d'autres plantes et certains microbes du sol vivant) Équilibre nutritif et nutriments Budgets Le recyclage des nutriments n'est pas efficace. Il ya toujours des pertes ou des fuites dans les cycles, même pour les écosystèmes naturels. Dans les systèmes agricoles, où les produits sont achetés et vendus, l'équilibre entre les apports nutritifs et les produits est facilement déplacé dans un sens ou dans l'autre. Lorsque l'équilibre entre les intrants et les extrants est quantifié, on peut calculer un budget de nutriments. Les budgets des éléments nutritifs peuvent être déterminés à différentes échelles, allant de champs isolés à des fermes entières, à des paysages et même à des régions plus vastes. A strictement parler, un cycle est un modèle circulaire, à boucle fermée, de sorte que les cycles nutritifs schématisés sur les Fig. 3 et 4 ne sont pas des cycles vrais. Il y a des cycles à l'intérieur d'eux, mais ils incluent d'autres composantes et décrivent une image plus large où il ya des mouvements ou des flux de nutriments dans et hors de systèmes plus petits tels que des champs de ferme. Les bilans de nutriments ou les budgets examinent ces flux de nutriments entre les différents systèmes. Budgets des éléments nutritifs des fermes entières Différents types de fermes ont des profils différents de flux nutritifs. Ils varient dans les modes de déplacement interne à l'intérieur de l'exploitation ainsi que dans les montants des transferts externes à l'intérieur et à l'extérieur de la ferme. Les cultures de rente et les fermes d'élevage concentrées représentent deux extrêmes dans les profils d'écoulement des nutriments, les exploitations mixtes de culture et d'élevage se trouvant dans une position intermédiaire. L'examen de ces trois types de fermes décrit les conséquences et les défis auxquels sont confrontés divers types de fermes pour maintenir la fertilité des sols, utiliser efficacement les nutriments des plantes et éliminer les écoulements incontrôlés des nutriments des fermes et dans le milieu environnant. Cultures en espèces Les fermes de céréales et de légumes qui n'ont pas de bétail exportent fréquemment de grandes quantités d'éléments nutritifs dans les ventes hors ferme. Une culture de pommes de terre de 500 cwtacre, par exemple, supprime environ 215 livres de N, 30 livres de P et 240 livres de K dans les tubercules récoltés. Une culture de maïs de 150 bushelacre contient environ 135 livres de N, 25 livres de P et 35 livres de K dans le grain. Lorsque la paille de maïs ou de petits grains est vendue en plus du grain, les pertes de nutriments de la ferme sont plus importantes, en particulier pour K. Pour maintenir des rendements élevés, ces nutriments doivent être remplacés. Le N biologique fixé à partir du soja ou d'autres légumineuses dans la rotation fournit une certaine quantité de N, mais de grandes quantités de N provenant des légumineuses fourragères ne font habituellement pas partie des systèmes sans bétail pour consommer le fourrage. Lorsque le foin de haute qualité est cultivé en tant que culture de rente, les exportations de nutriments hors de la ferme sont encore plus importantes que pour les céréales ou les légumes. Il existe des sols profonds, naturellement fertiles, à forte teneur en matière organique et des réserves minérales pouvant être exploitées et qui répondent à de nombreux besoins en éléments nutritifs pendant un certain temps, mais il faut des quantités importantes d'engrais hors ferme dans la plupart des sols La suffisance en nutriments et le rendement des cultures. À l'ère de la mondialisation, les ventes internationales de céréales sont devenues un marché important pour les agriculteurs américains. Une conséquence du commerce mondial est le transfert mondial associé de nutriments pour les plantes. Un flux actuel de phosphore roches phosphatées extraites en Floride --gt transformés en engrais phosphatés transportés à la ceinture de maïs --gt Engrais appliqué aux champs de maïs --gt Le grain récolté transformé en aliments pour animaux --gt Alimentation expédiée à la Delmarva Péninsule alimentée à des poulets --gt Litière appliquée à des cultures avoisinantes --gt L'excédent P contribue à la qualité de l'eau altérée par la charge nutritive dans la baie de Chesapeake. La péninsule de Delmarva (Delaware, Maryland, Virginie) est une zone de production avicole importante qui fournit des consommateurs à travers le pays. La production concentrée rend difficile le recyclage du P dans la litière, étant donné que l'industrie produit plusieurs fois la quantité de P nécessaire pour répondre aux besoins des cultures sur les terres cultivées environnantes. Parmi les stratégies explorées par l'industrie de la volaille pour réduire le mouvement de P dans la baie de Chesapeake sont: 1) un programme de granulation de l'excédent de litière dans un engrais qui peut être efficacement transporté vers une région plus grande; Répondre aux besoins alimentaires de la volaille, 3) ajouter l'enzyme phytase à la volaille alimentation pour rendre le P dans l'alimentation plus disponible nutritionnellement et de réduire la quantité qui doit être alimentée, et 4) l'ajout de sulfate d'aluminium à la litière pour immobiliser chimiquement P avant l'épandage . Élevage mixte Les exploitations agricoles et le bétail ont le potentiel de recycler une grande partie des nutriments utilisés par les cultures vers le sol, car environ 75 ou plus des NPK consommés dans l'alimentation animale sont excrétés dans le fumier ou l'urine. Le recyclage efficace dépend du stockage, de la manipulation et des méthodes d'application qui minimisent les pertes et d'un plan de gestion efficace des éléments nutritifs qui applique le fumier aux champs en quantités correspondant aux besoins des cultures et à la teneur en éléments nutritifs du fumier. Dans une ferme, les applications de fumier peuvent être une méthode de transfert des nutriments entre les champs. En fonction de l'équilibre entre les cultures et les entreprises d'élevage, les budgets des éléments nutritifs des exploitations agricoles mixtes comprennent des quantités différentes de pertes de nutriments dans le lait, la viande ou les œufs et des niveaux différents de nutriments provenant des aliments achetés et des engrais. Elevage concentré Les activités d'alimentation animale concentrée importent de grandes quantités d'éléments nutritifs dans les céréales achetées, le fourrage et la litière. Ce sont généralement des importateurs nets de nutriments, car les intrants achetés dépassent les pertes de nutriments découlant des ventes de lait, de viande ou d'œufs. Ces excès de nutriments s'accumulent dans les déchets animaux qui créent souvent des problèmes de stockage ou d'élimination. Les exploitations élevées de bétail à forte densité ont souvent une base foncière inadéquate pour utiliser efficacement tout le fumier qu'elles génèrent, ce qui augmente le risque de contamination de l'eau. À mesure que les exploitations d'élevage se sont développées, elles ont aussi tendance à se concentrer sur le plan régional, ce qui a eu pour effet d'accroître la séparation géographique entre les producteurs de céréales fourragères et les consommateurs. Les fumiers sont des produits encombrants qui sont difficiles et coûteux à appliquer et à transporter de longues distances. À certains endroits, il n'est actuellement pas rentable de recycler les nutriments dans les déchets animaux, de sorte que le stockage à long terme plutôt que la réutilisation est devenu la solution au problème des déchets. Il en résulte un transfert croissant de nutriments d'une partie du pays à l'autre et une dépendance accrue à l'égard des intrants d'engrais achetés dans les zones de production de céréales (voir encadrés sur les flux de phosphore). La gestion des éléments nutritifs peut être définie comme l'utilisation efficace de toutes les sources de nutriments et les principaux défis pour maintenir la fertilité des sols sont les suivants: Réduire les pertes de nutriments Maintenir ou augmenter la capacité de stockage des nutriments Promouvoir le recyclage des nutriments des plantes Appliquer des nutriments supplémentaires en quantités appropriées En outre, les pratiques culturelles qui soutiennent le développement de systèmes radicaux sains et vigoureux aboutissent à une absorption et une utilisation efficaces des nutriments disponibles. De nombreuses pratiques culturelles contribuent à atteindre ces objectifs, notamment l'établissement de diverses rotations de cultures, la réduction du travail du sol, la gestion et l'entretien des résidus de culture, la culture des cultures de couverture, la gestion du fumier comme source nutritive précieuse, le compostage et l'utilisation de tous les déchets ou sous - L'application d'engrais supplémentaires et l'analyse systématique des sols. These beneficial management practices have multiple effects on nutrient cycling and soil fertility, which make it important to integrate their use and examine their effects on the complete soil-crop system, rather than just a single component of that system. There are many good ways to farm, so different solutions or combinations of practices are appropriate for different systems to reach similar goals. Phosphorus Flows and the Minnesota River Phosphorus enrichment of surface waters is a major issue in some parts of Minnesota. In fresh water systems, P is usually the limiting nutrient for growth of algae and aquatic plants, so their growth is stimulated when P in runoff or eroded soil enters lakes and rivers. Algal blooms lead to accelerated eutrophication of surface waters and degradation of water quality. In extreme cases, depleted levels of dissolved oxygen in the water cause death of fish and other aquatic life. Water quality concerns led to a recent Minnesota law restricting P fertilizer application on home lawns and other turfgrass areas. In the agricultural landscape, similar concerns are expressed about the role of agriculture in P enrichment of the Minnesota River. P loading into the Minnesota River comes from a variety of sources, including stream bank erosion, water treatment plants, and industrial activity. The extent of the contribution from agriculture is difficult to measure, but P in runoff from farm fields and P attached to eroded soil are certainly potential pathways of P delivery to the river and its tributaries. Phosphorus flows into Minnesota are not as dramatic as those described for the poultry production areas of the Delmarva Peninsula, but there are similarities and some common pathways. Phosphate rock mined in Florida or other distant locations is processed into phosphate fertilizers that are transported to Minnesota and applied to crop fields. Some of the grain harvested from these fields becomes part of animal feeds that are shipped to places like the Delmarva Peninsula, and additional harvested products are transported for other uses, so some of the imported P flows back out of the state in exported agricultural products. However, some of the imported P accumulates in various forms and locations, and is a potential source of nutrient loading and impaired water quality in the Minnesota River if not properly managed. Accumulation of P in manure and increasing levels of P in the soil are two ways the flow of P into the state can build up and threaten the Minnesota River or other surface water bodies if not managed efficiently. Concentrated livestock production is not as widespread as it is in the Delmarva Peninsula, but in localized areas the amount of P in manure exceeds the amount of P required to meet crop needs on surrounding cropland. Manure is a valuable resource, but fields with a long history of heavy manure application can exceed the capacity of the soil to efficiently recycle the amount of P in continual manure additions. Buildup of soil P can also occur when P fertilizer is applied at rates exceeding crop P requirements. Efficient use of fertilizer and manure P requires sound nutrient management planning to reduce the potential for environmental problems. This includes soil testing to determine the need for P, manure analysis, proper storage and handling of manure, and fertilizer and manure application methods that reduce the potential for movement of P from farm fields. In addition, soil management practices that limit surface runoff and reduce soil erosion help protect water quality, as well as sustaining long-term soil productivity. Crop rotations The term rotation effect was coined to describe the observation that yields for a crop grown in rotation with other crops are usually 5 to 15 greater than for continuous monoculture of that same crop. The reason for increased yields is not always clear, and in most cases it is probably not due to a single cause, but growing a variety of crops in sequence has many positive effects on soil fertility. In a diverse rotation, deep-rooted crops alternate with shallower, fibrous-rooted species to bring up nutrients from deeper in the soil. This captures nutrients that might otherwise be lost from the system. Differences in plant rooting patterns, including root density and root branching at different soil depths, also results in more efficient extraction of nutrients from all soil layers when a series of different crops is grown. Including sod-forming crops in rotation with row crops decreases soil and nutrient losses from runoff and erosion, and increases soil organic matter. Growing legumes to fix atmospheric N reduces the need for purchased fertilizer and increases the supply of N stored in organic matter for future crops. Biologically fixed N is used most efficiently in rotations where legumes are followed by crops with high N requirements. Rotating crops also increases soil biodiversity and nutrient cycling capacity by supplying different residue types and food sources, reduces the buildup and carryover of soil-borne disease organisms and insect pests (breaks disease and pest cycles), and can help create favorable growing conditions for healthy, well-developed crop root systems. Soil and water conservation practices Soil erosion removes topsoil, which is the richest layer of soil in both organic matter and nutrient value. Implementing soil and water conservation measures that restrict runoff and erosion minimizes nutrient losses and sustains soil productivity. Tillage practices and crop residue cover, along with soil topography, structure, and drainage, are major factors in soil erosion. Surface residue limits erosion by reducing detachment of soil particles by wind or raindrop impact and restricting water movement across the soil. Tillage practices manage the amount of crop residue left on the soil surface. Reduced tillage or no-till maximizes residue coverage. Water moves rapidly and is more erosive on steep slopes, so reducing tillage, maintaining surface residue, growing sod crops, and planting on the contour or in contour strips are recommended conservation practices. Using diverse rotations and growing cover crops also can reduce erosion. Soils with stable aggregates are less erodible than those with poor structure, and organic matter (including the activity of living soil organisms and fine roots) helps bind soil particles together into aggregates. Tillage breaks down soil aggregates and also increases soil aeration, which accelerates organic matter decomposition. Well-drained soils with rapid water infiltration are less subject to erosion, because water moves rapidly into and through them and does not build up to the point where it moves across the surface. Drainage improvements on poorly drained soils reduce runoff, erosion, and soil compaction. Improving drainage also decreases N losses from denitrification, which can be substantial on waterlogged soils, by increasing aeration. Improving aeration in the plant-root zone also promotes healthy root growth. A negative consequence of improved drainage is loss of nitrate-N and other nutrients through tile outlets to surface waters. Especially important are flushes of residual N after late winterearly spring rains. Cover crops and green manures Growing cover crops and green manure crops can be viewed as a type of crop rotation, where adding a non-revenue generating crop between annual cash crops extends the growing season. Many of the benefits, therefore, are the same as those achieved with crop rotation. The terms cover crop and green manure are frequently used synonymously. They perform many similar functions and many of the same plant species are used as both cover crops and green manure crops. The main difference between the two is that the primary purpose of growing a cover crop is to protect the soil surface from raindrop impact, runoff, and erosion and the primary purpose of a green manure is as a soil-building crop to produce organic material for incorporation into the soil. Winter grains like cereal rye planted after potatoes are cover crops that are designed to hold soil in place until the next main crop is planted in the spring, but they also add organic matter to the soil when they are turned under. Rapidly growing summer annuals like buckwheat and sorghum-sudangrass are planted between short-season vegetable crops as green manures to add organic matter to the soil, but they also protect the soil from erosion between spring and fall vegetables. Growing legume cover crops adds biologically fixed N. The additional plant diversity with cover crops stimulates a greater variety of soil microorganisms, enhances carbon and nutrient cycling, and promotes root health. The soil surface is covered for a longer period of time during the year, so nutrient losses from runoff and erosion are reduced. This longer period of plant growth substantially increases the amount of plant biomass produced, which in turn increases organic matter additions to the soil. The extended growth period obtained with cover crops also extends the duration of root activity and the ability of root-exuded compounds to release insoluble soil nutrients. A winter cover crop that makes good fall growth traps excess soluble nutrients not used by the previous crop, prevents them from leaching, and stores them for release during the next growing season. Complementary cover crop mixtures produce root exudates with varying composition and effects, and have different zones of nutrient uptake, because they differ in amount, depth, and patterns of root branching. Deep-rooting cover crops, like sorghum-sudangrass hybrids and sweet clover, can break up some types of compacted soil layers and improve rooting depth for the next crop. Cereal rye, sorghum-sudangrass, and brassicas (mustards), such as oilseed radish and forage turnip, all suppress some nematode species and may be useful cover crops in fields with moderate infestation levels. Cover crops also can suppress weeds, which otherwise would compete with crops for nutrients. Cover crop benefits are probably greatest as soil-building crops preceding high-value perennial fruits and in rotations with low-residue, short-season crops such as annual vegetables. It is often easier find places to grow cover crops in vegetable rotations than in agronomic rotations, and there may be opportunities to grow both summer and fall cover crops in vegetable systems. Many vegetables have relatively shallow, sparse root systems, but are well fertilized because of their value. Both summer and fall cover crops absorb residual nutrients, in addition to increasing the time and amount of surface cover. Disadvantages of growing cover crops are: Large amounts of residue can make planting difficult and reduce crop stands In wet springs, planting may be delayed if wet soil conditions delay killing the cover crop Soil warms more slowly in the spring under cover crops than for tilled soil and lower soil temperatures can slow seed germination, reduce early-season growth, delay maturity, and reduce crop yields Spring cover crop growth uses water, which can adversely affect the following cash crop in a dry year (in wet years, cover crop water use may be beneficial on poorly drained soils) Some cover crops attract andor harbor pests that can damage succeeding crops. There are expenses and management time required to grow cover crops Cover crops have many benefits, but when you grow them you need to commit time to their selection and management to fully realize their benefits and avoid potential problems. Select cover crops with characteristics that will meet your objectives and fit your rotations, and then manage them with the same attention and skill you give any other crop. Manure management Returning manure to crop fields recycles a large portion of the plant nutrients removed in harvested crops. On farms where livestock are fed large amounts of off-farm purchased feeds, manure applied to crop fields is a substantial source of nutrient inputs to the whole farming system. However, just as nutrients can be lost from the soil, nutrient losses from manure during storage, handling, and application are both economically wasteful and a potential environmental problem. Soluble nutrients readily leach from manure, especially when it is unprotected from rainfall during storage. N is readily lost through volatilization of ammonia, both during storage and when manure is not incorporated soon after field application. Nutrient losses from manure also occur when it is applied at rates exceeding crop nutrient requirements. Nutrient management is the efficient use of all nutrient sources. A Nutrient Management Plan that takes all nutrient sources into account is not just environmentally sound, it is good business. Analyze manure for its nutrient content and adjust application rates according to crop needs, soil tests, and frequency of manure applications. Avoid applying manure at rates that exceed crop requirements for any nutrient, but especially for N and P on fields that receive manure on a regular basis. This often means that rates should be based on P requirements rather than N requirements. Following heavy manure applications with crops that have high nutrient requirements (especially for N and P) reduces losses and increases nutrient-use efficiency. In addition to nutrient value, manure adds organic matter to the soil, which can improve soil structure and increase CEC. Refer to Using Manure and Compost as Nutrient Sources for Vegetable Crops for further information on nutrient content, nutrient availability, and calculation of application rates for efficient use of manure as a source of plant nutrients for vegetable crop production. Compost and other soil amendments In addition to manure, organic amendments such as biosolids, food processing wastes, animal byproducts, yard wastes, seaweed, and many types of composted materials are nutrient sources for farm fields. Biosolids contain most of the essential plant nutrients, and are much cleaner than they were twenty years ago, but regulations for farm application must be followed to prevent the possibility of excessive trace metal accumulation. Biosolids are also not an acceptable nutrient source for certified organic production. Composting is a decomposition process similar to the natural organic matter breakdown that occurs in soil. Proper composting conserves volatile and soluble N, and other mobile nutrients in waste products, by incorporating them into organic forms where they are more stable and less readily lost. Composting reduces the bulk of organic wastes and makes transportation and field application of many waste products more feasible. On-farm composting of manure and other farm wastes also facilitates their handling. Most organic materials can be composted, nearly all organic materials contain plant-nutrient elements, and recycling all suitable wastes or byproducts through soil-crop systems by either composting or direct field application should be encouraged. These practices build up soil organic matter and provide a long-term, slow-release nutrient source. Some composts also have disease-suppressive properties that improve root growth and health. Inorganic byproducts also can be recycled through the soil and supply plant nutrients. Available materials vary by region, but wood ash, rock dust from quarries, gypsum from scrubbers in power plants burning high-sulfur coal, and waste lime from water treatment plants are among the waste products that are beneficially re-used. When considering the agricultural use of any byproduct, a thorough chemical analysis and review of possible regulations should be done to avoid soil contamination problems. Even seemingly benign byproducts should be analyzed and field-tested on a trial basis before using them on a large acreage. Table 1 . Percentage of the Total Soil Volume Occupied by Plant Roots (in the surface 8-inches of soil) Healthy, vigorous root systems Figure 5. Effect of mycorrhizae on growth and Cu, Zn, and P content of 40-day-old soybean plants Vigorous root systems tap nutrient supplies from a larger volume of soil, so management practices that stimulate healthy root growth can also increase nutrient uptake. Uptake efficiency by extensive, well-distributed root systems results from increases in the amount of root surface area in contact with the soil. The extent of root-soil contact is limited by the fact that roots occupy only about 1 to 3 or less of total soil volume, even for fibrous-rooted plants in the surface layer of soil where root density is greatest (Table 1). For immobile nutrients like P, root growth to the nutrient is especially important for uptake, because in most soils P moves only about 110 of an inch over the entire growing season. Root-soil contact is determined by root length (both vertical horizontal), root branching, and root hairs. Root hairs are located just behind the root tip and have a relatively short life span of a few days to a few weeks. Actively growing feeder roots are necessary to continually renew these important locations for nutrient uptake. Symbiotic associations between soil fungi and plant roots also increase nutrient absorbing capacity (Fig. 5). These fungi, called mycorrhizae (fungus roots), function as an extension of plant root systems. Mycorrhizae obtain food from plant roots and in return increase the nutrient absorbing surface for the plant through their extensive network of fungal strands (hyphae). Mycorrhizae are particularly important for P uptake in low P soils. They can increase Zn and Cu uptake and also provide some protection against root disease. Root activity also has direct effects on nutrient availability in the soil. Insoluble nutrients are released and maintained in solution by the action of organic acids, chelates, and other compounds produced by roots. Nutrients are also released because the soil immediately adjacent to roots, the rhizosphere, often has a lower pH than the bulk soil around it as a consequence of nutrient uptake. The rhizosphere stimulates microbial activity and microbes also release compounds like organic acids, enzymes, and chelates that solubilize nutrients. A number of soil factors and management practices affect root growth, distribution, and health. Compacted soil layers restrict root penetration, low pH in the subsoil can restrict rooting depth, water saturation and poor aeration inhibit root growth, and roots will not grow into dry zones in the soil. Alleviating these conditions through some of the management practices described in this bulletin can increase nutrient uptake. Cultural practices that promote soil biodiversity help maintain healthy root systems, because an active and diverse microbial population competes with root pathogens and can reduce root disease. Phosphorus cycling: The critical importance of soil P transformations Soil P is chemically and physically very reactive, so P transformations in the soil (see Fig. 1) are a critical part of the P cycle and control P availability to plants. The necessity for dynamic nutrient cycling processes in soil is clearly illustrated by comparing crop requirements for P with typical P concentrations in the soil solution. A 150-bushelacre corn crop has about 40 pounds of P in the grain and stover, so the crop requirement is 40 pounds of Pacre (ignoring the P requirement of roots). P solubility is very low and the soil solution concentration commonly ranges from less than 0.01 to 1 part per million (ppm). An average value for a fertilized agricultural soil is about 0.05 ppm of dissolved, available P. Soil with a 25 water-holding capacity holds nearly 250,000 gallons of water in the upper 3-feet of one acre when it is at field capacity. However, because P solubility is so low, the soil solution in this soil will contain only 110 of a pound of plant-available, dissolved Pacre. This means that soil-P nutrient pools, both inorganic and organic, must be able to replenish available P in the soil solution 400 times during the growing season to meet crop needs. Roots occupy only a small part of the soil volume and P moves only a short distance during a growing season, so the actual turnover rate in the vicinity of plant roots will have to be much greater. Soil acidity and liming Soil pH has strong effects on the availability of most nutrients. This is because pH affects both the chemical forms and solubility of nutrient elements. Trace metals such as Fe, Zn, and Mn are more available at lower pH than most nutrients, while Mo and Mg are more available at higher pH than many other nutrients. The ideal soil pH for many crops is slightly acid, between about 5.8 and 7.0, because in that range there is well-balanced availability for all nutrients. This pH range also promotes an active and diverse soil microbial population and is a healthy range for earthworms and other soil organisms. Alkaline soil conditions reduce Fe availability, resulting in Fe chlorosis (lime-induced chlorosis) on crops like soybeans when soil pH is above 7.2. Some crops grow better at distinctly lower or higher soil pH than 5.8 to 7.0, usually because of specific nutrient requirements. Blueberries grow best around pH 4.5 to 4.8 and often are Fe deficient when the pH is above 5.2. Most other crops suffer from Al or Mn toxicity when soil pH is that low. Legumes do best at higher pH than most other crops, due to the high requirement for Mo by N-fixing bacteria. Potatoes are often grown at a pH of 5.4 or less, but to reduce the incidence of potato scab rather than for fertility reasons. The target pH range for crops grown on organic soils is about 1 to 1.5 units lower than it is on mineral soils. Liming is generally not beneficial unless soil pH is 5.4 or less and lime recommendations for organic soils are only designed to raise pH to 5.5. Mn deficiency can occur on vegetable crops like onions when soil pH is 5.8 or higher on organic soils. Plant roots can tolerate lower soil pH on muck or peat soils than they can on mineral soils, because amounts of potentially toxic metals like Al and Mn are lower and they are also bound by the high organic matter levels. However, formation of similar Cu-organic matter complexes can cause Cu deficiency in sensitive crops like carrots on organic soils. Limestone is the most commonly used material to increase soil pH. Liming also supplies Ca and dolomitic lime supplies Mg as well. Liming rates depend upon the buffering capacity of a soil, in addition to the measured pH. Buffering capacity, or ability to maintain pH within a given range, is related to CEC and increases as clay andor organic matter content of the soil increases. The lime requirement for raising soil pH a given amount is much larger for fine-textured, high organic matter soils than for sandy, low organic matter soils. Liming frequency also depends on soil buffering capacity. Because soil pH changes more slowly on well-buffered, high CEC soils, their larger lime requirements are applied at more widely spaced intervals than on poorly-buffered, low CEC soils, where more rapid changes in pH require smaller, but more frequent, lime applications. Regular lime applications are required on many soils to maintain soil pH in the desired range, because soil acidification is an ongoing process. Major causes of acidity are leaching and plant uptake of basic cations (Ca and Mg), production of organic acids from organic matter decomposition, and application of acidifying N fertilizers. Ammoniumammonia N sources, including products like urea that break down to release ammonia, generate acidity when they are converted to nitrate or taken up directly by plant roots. Reducing soil pH is often necessary for acid-requiring crops like blueberries. Elemental S is the most economical and commonly used material to lower soil pH. Al-sulfate and Fe-sulfate effectively reduce pH, and act more rapidly than elemental S, but they are more expensive and much higher rates are required for equivalent pH changes. Al-sulfate should be avoided, especially on low organic matter soils, because of the potential for Al toxicity to plant roots. Fertilizing with ammonium sulfate, the most acidifying N fertilizer, helps maintain soil pH after it is lowered to the desired range. Do not use ammonium sulfate for large pH changes, because that will result in excessive N applications. Unprocessed elemental S can be applied to reduce soil pH in organic crop production, but not Al, Fe, or ammonium sulfates. Ca:Mg ratios Some nutrient management philosophies stress exchangeable cation ratios, especially the importance of a large ratio of Ca to Mg. If Ca:Mg is less than 6 or 7:1, application of high-Ca limestone or gypsum (Ca-sulfate) is recommended. Soil Ca certainly can be low, and balance between nutrient cations is important, but from a fertility standpoint, the actual amount of exhangeable Ca or Mg in soil, rather than the ratio between them, is the most critical factor. In Minnesota, 300 ppm Ca and 100 ppm Mg are adequate soil test levels. There is very little research evidence supporting the existence of an ideal Ca:Mg ratio, while a number of studies show that as long as adequate amounts of both Ca and Mg are present, and Ca:Mg is at least 1:1, crops yield equally well over a wide range of ratios. In fact, a soil could have the ideal ratio of Ca:Mg, but actually be deficient in both nutrients. Ca is usually adequate if soil pH is maintained in the proper range. Lime should generally be purchased on the basis of cost per unit of total neutralizing power (TNP). When Mg is low and the ratio of Mg:K is less than 2:1, dolomitic (Ca Mg) limestone is preferred over high-Ca liming materials. Fertilizer applications Many materials can be applied to soil as sources of plant nutrients, but the term fertilizer is often used to refer to relatively soluble nutrient sources with a high analysis or concentration. Commercially available fertilizers supply essential elements in a variety of chemical forms, but many are relatively simple inorganic salts. Advantages of commercial fertilizers are their high water solubility, immediate availability to plants, high concentration and low price per unit of nutrient, and the uniformity and accuracy with which specific amounts of available nutrients can be applied. Because they are relatively homogeneous compounds of fixed and known composition, it is fairly easy to calculate precise application rates and attain relatively consistent performance. This is in contrast to organic nutrient sources, which are a much greater challenge to manage, because of their variable composition, variable nutrient availability, and patterns of nutrient release that are greatly affected by temperature, moisture, and other conditions that alter biological activity. Dont forget about magnesium Concern about maintaining high soil Ca levels, relative to Mg, should not lead to the misconception that Mg is something to be avoided. Mg is an essential plant nutrient. Among other functions, it is the central atom in the chlorophyll molecule and required for photosynthesis. Forages grown on low Mg soils can cause grass tetany, a serious nutritional deficiency of Mg in cattle. When Ca applications are excessive, other exchangeable cations like Mg (and K) are displaced and can be lost through drain lines or by deep leaching. It is important to maintain adequate amounts, and balance between, all essential cations. Dolomitic limestone is an important source of Mg, but we sometimes forget that it still contains more Ca than Mg. Dolomites range from 6 to 12 Mg and 20 to 30 Ca (on a weight basis). Expressed on a cation equivalency basis, dolomite that is 12 Mg and 21 Ca has a Ca:Mg ratio of a little more than 1:1. Many factors affect the balance between Ca and Mg in the soil (more Ca is removed by crops, Mg is more easily lost through water movement), but it is important to recognize that commonly available dolomitic limestone in the Midwest (10 to 12 Mg) cannot by itself reduce the Ca:Mg ratio in soil to less than 1:1. Situations where calcitic lime is preferred over dolomitic lime certainly can occur, but evaluate that need carefully before you pay a significantly higher price for calcite that has to be transported a long distance to your farm. The solubility of commercial fertilizers can sometimes be a problem, because soluble nutrients may move out of farm fields when applied in excess or when large rains occur soon after fertilizer application. Soluble nutrients can be lost by leaching on well-drained soils and through tile outlets or in runoff on poorly drained soils. Denitrification can cause large losses of nitrate-N from water-saturated soils in wet springs. Increasing soil CEC by increasing organic matter reduces the movement and loss of some nutrients, although not nitrate-N (an anion). Management practices that synchronize nutrient availability with crop demand and uptake also minimize losses. Both application timing and the amount of fertilizer applied are important. Splitting fertilizer application into several small applications, rather than a single, large one, is especially important to limit N leaching on sandy, well-drained soils. Split N applications can also reduce N losses in runoff or from denitrification on poorly drained soils. Excess nutrient applications can be eliminated or at least significantly reduced by soil testing on a regular basis, setting realistic yield goals and fertilizing accordingly, accounting for all nutrient sources such as legumes, manure, and other amendments, and using plant analysis as a monitoring tool for the fertilizer program. What about Ca amendments, Ca:Mg ratios, and soil structure Applying gypsum, high-Ca lime, or other Ca amendments is sometimes recommended to add Ca, increase Ca:Mg ratios, and improve soil structure. Ca ions with multiple positive charges help build good soil structure by acting as bridges that bind negatively charged clay particles together. These flocculated clays are basic building blocks in the formation of stable soil aggregates. The cation sodium (Na), with a single charge, does not promote aggregation and has adverse effects on soil structure (see below). Mg ions are similar to Ca with two positive charges, but some believe that too much Mg relative to Ca forms tight soils due to differences in size between Ca and Mg. However, within the ranges of these the two ions commonly found in soil, there is no clear evidence for a Ca:Mg ratio effect on soil structure. Do some of our fine-textured soils have weak structure and poor drainage because they lack Ca Soil structure is affected by many factors (e. g. clay, humus, roots, microorganisms, earthworms, tillage), so it is difficult to clearly separate and evaluate the contribution of Ca. It is clear that Ca is important and high Ca levels are commonly associated with soils that have good structure. What is not always clear are the specific soil conditions where a benefit from Ca can be consistently expected. Soil conditions where Ca amendments have improved structure include: Soils with high amounts of exchangeable Na, where Na ions with a single positive charge tend to disperse clay particles rather than flocculate them. This leads to plugging of soil pores with clay particles, restricted water movement, and surface crusting. Adding gypsum can replace Na with Ca and improve structure, but Na dominated soils occur in arid climates and in higher rainfall areas leaching prevents Na accumulation. Claims that gypsum (Ca) is a universal soil conditioner that loosens tight soils may arise from an erroneous extrapolation of the benefits in arid, irrigated areas to soils with poor structure in all regions. Soils where organic matter is low, easily dispersed clays dominate, and soil aggregates are weak and readily broken down by physical forces like tillage and raindrop impact. In these situations, gypsum can promote clay binding, improve structure at the soil surface, and reduce crusting. The gypsum effect is often short-lived, however, and long-term improvements in soil structure require additional changes in soil management such as addition of organic matter and reduced tillage. Soils with low amounts of Ca in the subsoil. Gypsum is more soluble than lime, so incorporation of gypsum is a better (although still not rapid) way of moving Ca into high clay subsoils and improving root growth. Often these low Ca subsoils are very acid and better root growth results from displacement of toxic Al by Ca rather than better soil structure. Extremely acid subsoils are rare in the agricultural regions of Minnesota. Ca amendments can improve soil structure, but their usefulness probably has to be evaluated on a case-by-case basis. This may mean testing their effectiveness on strips in a field before making a large investment to treat the entire area. On a practical basis, it is important to remember that the formation of stable soil aggregates requires organic matter, and the presence and activity of a variety of soil organisms, not just Ca binding of clay particles. In addition, maintaining good soil structure requires soil management that avoids mechanical compaction, avoids physical destruction of soil aggregates by excessive tillage, and uses crop residue management to reduce surface crusting. Good soil structure results from the interaction of many physical, chemical, and biological factors. Organic agricultures approach to fertilization is to feed the soil and let the soil feed the plant. Manure, compost, kelp, and other organic fertilizers that supply multiple nutrients are emphasized, but inorganic materials are also important. Inorganic fertilizers for organic crop production must be from natural rock deposits and cannot be chemically processed. They are relatively insoluble with slow release of plant nutrients. Ground minerals like rock phosphate (P), especially colloidal or soft rock phosphate, greensand (K, P), gypsum (Ca, S), and limestone (Ca, Mg, pH) are commonly applied. Even less soluble products like basalt and granite dust (K, Mg, Ca, trace-metal micronutrients) are also used. Nutrient release from minerals with low solubility depends upon accelerated weathering reactions, which are stimulated by an active population of soil microbes. Living microorganisms themselves are also a major nutrient storage pool, so organic cultural practices to maintain soil fertility are designed to enhance soil biological activity. Ideally, this microbial population functions both as a sponge that soaks up excess nutrients and a nutrient source that releases nutrients when the population turns over, in addition to its role in promoting release of nutrients from minerals and decomposing organic matter. The phrase feed the soil refers to the importance of meeting the nutrient needs of these soil organisms and their subsequent roles in meeting the nutrient needs of plants. Soil testing The first step in maintaining soil fertility is to know current nutrient levels. This is accomplished by soil testing, which is an important soil management tool and effective basis for nutrient and lime recommendations. The goal of soil testing is no longer simply to find out whether the soil contains adequate plant nutrients for optimum growth. It also is a tool for determining whether nutrient levels are excessive and prone to move off-site. Soil fertility today is a social issue as well as a crop production concern. Soil test each field every 1-3 years, depending upon crop rotation, field history, and the value of the crop. Testing every 3-5 years is probably sufficient for agronomic crop fields with a stable rotation, long-term record of soil tests, and no recent manure or compost applications (only commercial fertilizer since the last soil test). Choose a reliable, experienced laboratory that makes recommendations suitable for the soil types and growing conditions in your location. Laboratories using procedures described in Recommended Chemical Soil Test Procedures for the North Central Region, NCR Publication 221, are preferred, because fertilizer recommendations based on University research trials in this region are calibrated using those procedures. Soil sampling Collecting a representative soil sample is often the weakest link in a soil-testing program. Each field sampled should be divided into uniform areas having the same soil texture and color, cropping history, and fertilizer, manure, and lime applications. Standard soil sampling depths are 6 to 8 inches for annual crops and 10 to 12 inches for perennial crops. Collect a 0- to 2-foot sample for a soil nitrate test. About 15 to 20 subsamples, one core per subsample, should be collected in a random, zig-zag pattern across the field or sampling area. If you are tempted to save time or money and collect fewer cores to represent more acres, remember that any soil test can only be as accurate as the sample you submit. A single soil sample should never represent more than 20 acres on a level, uniform field or 5 acres on hilly, rolling ground. Site-specific soil sampling methods for use with the modern technological tools of precision farming, such as yield maps and variable-rate lime and fertilizer application equipment, are continually being developed and refined. Two approaches are currently used: 1) zone sampling, where fields are divided into management zones by soil type, topography, soil color, and similar criteria, and 2) grid sampling, where fields are systematically divided into uniform-sized grids (the most common size is 2.5 acres). Types of soil tests Standard soil testing in Minnesota focuses on soil organic matter, the macronutrients P and K, soil pH, and the lime requirement if pH is below the desired range. A number of other soil tests are available, but their value is very localized. Their use in different regions of the state depends upon soil types, crops grown, the likelihood of a specific deficiency, and availability of research to usefully interpret soil test results and make reliable recommendations for fertilizer use. Soil tests for Ca, Mg, Mn, Cu, Zn, and soluble salts are useful on some soils and for some cropping systems, but are not usually necessary on a routine basis. Fertilizer recommendations are commonly based on either sufficiency level or buildup and maintenance philosophies. The main difference between the two approaches is that ideal soil nutrient levels, and therefore typical fertilizer rates, are higher for buildup and maintenance (feeding the soil) than the more conservative sufficiency level approach (feeding the plant). Plant roots grow through soil containing about 1,000 lbs of N per acre for every 1 organic matter the soil contains. Plant leaves are bathed in air that is about 78 N, so there are about 70 million pounds of N in the column of air above every acre of land. Despite this abundance of N in both the soil and atmosphere, N is commonly the most limiting nutrient for crop production. Fertilizer recommendations for N are not routinely based on soil tests for N. Organic N is the largest pool of N in the soil, but testing for organic N is a poor measure of available N because the rate of organic matter breakdown and N release is variable and unpredictable. It is a biological process that varies with temperature, moisture, aeration, the type of organic compounds being decomposed, and the relative abundance of different types of soil organisms. In Minnesota the type of crop grown and the average requirement for N by that crop at a specific, anticipated yield level is one of the two primary criteria determining N fertilizer recommendations. The other major factor is soil organic matter content, but organic matter measurements are used to estimate an average release of N from organic matter during the growing season. These average requirements are determined by research over many years and weather patterns, and across the different soil types of the region. Additional adjustments to the crop N requirement are made for preceding legume crops, manure applications, other N sources, and in some situations a soil test for nitrate-N. Soil nitrate testing The majority of the N taken up by most crops is in the nitrate form and testing for soil nitrate is used to adjust N fertilizer recommendations in regions with low rainfall and limited leaching. Under these conditions, residual soil nitrate from a previous crop can accumulate in the soil profile and be available for root uptake by the following crop. Soil testing for nitrate-N is strongly recommended for the western part of Minnesota to improve the accuracy of N fertilizer recommendations. Collect soil samples to a depth of 2 feet, either in the fall or in the early spring before planting. The measured amount of nitrate-N is used to adjust N recommendations and prevent excessive N fertilizer applications. In more humid areas, soil nitrate testing has not been considered an accurate measure of nitrate availability during the growing season, because it is easily lost before crops are planted or established by denitrification, leaching, or through tile lines. However, recent research has led to development of a recommended procedure for measuring residual nitrate-N in south central, southeast, and east central Minnesota. In contrast to recommendations for western Minnesota, samples for nitrate testing should not be collected in the fall for these parts of the state with higher rainfall. Sample to a depth of 2 feet, but only in the spring before planting, at planting, or soon after planting. At the present time, recommendations for adjusting N rates in these regions have only been developed for corn. The importance of N management for both crop production and water quality protection may stimulate additional research to extend its use to other crops, but currently it should only be used for monitoring purposes on crops other than corn. Nitrate testing is not recommended on sandy soils. Conventional soil testing and organic agriculture Conventional soil tests use chemical solutions to extract nutrient elements from soil. These chemical extractants include acid, alkaline, or concentrated salt solutions, and various complexing agents and buffers. Questions are sometimes raised about the validity of such chemical methods for evaluating soil fertility in non-chemical organic farming systems. An alternative advocated by some is that a simple water extraction is more natural and better suited for organic agriculture. These are reasonable questions, but the goals of soil testing and the role of nutrient cycling in soil fertility supports the idea that conventional soil testing methods are as useful to organic farming as they are to conventional agriculture. Solutions to fertility problems will differ, but conventional soil testing is reasonably accurate for assessing the fertility needs of soils in both conventional and organic systems. The goal of analyzing soil samples is to find out whether the soil contains adequate, but not excessive, plant nutrients for optimum growth and crop production. Roots absorb nutrients from soil water, so mixing soil with water removes soluble nutrients and analyzing this solution tells you the supply of nutrients immediately available for plant uptake. This method works well in situations like frequently fertilized greenhouse crops, which are grown in artificial media with low nutrient-holding capacity, but gives only part of the picture for field-grown crops. Simple water extractions dont provide sufficient information to analyze the nutrient status of field soils, because what you really want to know are the total amounts of nutrients that will be available to a crop throughout the full growing season. In addition to what is immediately available, you need a measure of the capacity of the soil to replenish the supply of nutrients in the soil solution as roots absorb them (e. g. see Soil P Transformations). The native soil solution is not pure water. It is a chemically reactive solution that solubilizes nutrients and plays an active role in nutrient cycling, so extractants that mimic this activity are the most natural and useful. Organic farming depends upon building a biologically active soil as a basis for fertility, which means creating a corresponding soil solution that is chemically and biochemically active. If anything, it is probably even more important in an organic farming system, than a conventional system, to measure the slowly available supply of soil nutrients. The ideal chemical extractant removes all nutrient forms capable of cycling into the soluble, readily available nutrient pool during the next growing season. No extractant is that complete or selective, but useful chemical procedures remove an extractable fraction of one or more soil nutrients that is well correlated with nutrient uptake by plants. The extracted amount is a useable index of nutrient availability. Soils with low soil-test values are very likely to respond to nutrient additions, while high-testing soils are very unlikely to benefit. Specific fertilizer recommendations are based on calibration research that determines the amount of fertilizer a crop will respond to at any given soil test level. Development of chemical extractants specifically designed for organic systems probably could improve their accuracy. For example, conventional soil tests may underestimate P availability in soils with large amounts of organic P, and depending on the method, may be low or high for soils where large applications of rock phosphate have been made. However, more correlation and calibration research on organic crops, measuring responses to organically certified nutrient sources, could be a more productive approach than developing completely different extractants. Results of conventional soil tests are definitely useful to organic agriculture, but there are opportunities to improve the way they are applied. Plant analysis Plant analysis is a nutrient management tool most effectively used in conjunction with a regular soil-testing program. The crop integrates effects of soil fertility and other growth factors, and balanced plant nutrition is the ultimate goal of crop nutrient management, so it makes sense to directly analyze plants. Just as in soil testing, proper sampling is critical. Nutrient sufficiency levels are based on analyzing specific plant parts, sampled at a specific growth stage. Recently matured, fully expanded leaves, or petioles (leaf stalks) from recently matured leaves, are the most frequently used plant tissues. A shortcoming of plant analysis is that when a nutrient deficiency is diagnosed, it may be too late in the season to correct the problem for the current crop. However, plant analysis is a requirement for sound nutrient management of perennial fruit crops, can be cost effective on a routine basis for high-value vegetables, and is a useful validation tool for the fertility program of all crops. Plant analysis is the only way to confirm a crop nutrient deficiency and is often a better diagnostic tool than a soil test for micronutrients. Soil tests in conjunction with plant analysis are necessary because: 1) when a nutrient deficiency is diagnosed by plant analysis, there usually are no standardized recommendations for the amount of that nutrient you need to apply to overcome the deficiency, and 2) when a nutrient deficiency is diagnosed, the cause is not necessarily inadequate nutrient supply in the soil. Several plant tests are specifically designed to refine N management. Chlorophyll meters are hand-held instruments used in the field to measure the greenness or chlorophyll content of plant leaves. They give an indirect measure of leaf N, because most N in leaves is contained in chlorophyll. Another approach, used for intensively grown, drip-irrigated vegetables, is on-farm analysis of sap squeezed from fresh petioles. Both nitrate-N and K can be monitored with petiole-sap testing and results used to determine fertigation rates for these nutrients through the irrigation system. Keeping detailed records of plant analysis, soil tests, lime and fertilizer applications, crop yields and quality, and changes that occur over time are key elements of a nutrient management program. This information permits producers to monitor crop responses on their own farms to different soil test levels and standard fertilizer recommendations. They can use the accumulated results to adjust these average recommendations to the unique conditions of their farms and cropping systems. Goals of effective nutrient management are to provide adequate plant nutrients for optimum growth and high-quality harvested products, while at the same time restricting nutrient movement out of the plant-root zone and into the off-farm environment. Biological processes control nutrient cycling and influence many other aspects of soil fertility. Knowledge of these processes helps farmers make informed management decisions about their crop and livestock systems. How these decisions affect soil biology, especially microbial activity, root growth, and organic matter, are key factors in efficient nutrient management. Managing soil organic matter and biological nutrient flows is complex, because crop residues, manures, composts, and other organic nutrient sources are variable in composition, release nutrients in different ways, and their nutrient cycling is strongly affected by environmental conditions. Chemical and physical processes in soil largely control mineral solubility, cation exchange, solution pH, and binding to soil particle surfaces. Knowledge of soil chemistry makes it possible to formulate fertilizers that supply readily available plant nutrients. Management of inorganic nutrient sources is simpler than organic nutrient sources, because of their known and uniform composition and the predictability of their chemical reactions, but they are also more easily lost from farm fields. Chemical and biological processes and their effects on plant nutrients cannot be clearly separated, because inorganic nutrients are quickly incorporated into biological cycles and biological processes release nutrients from organic matter in plant-available, inorganic forms. Use chemical fertilizers only after accounting for all organic nutrient sources to avoid overloading the system and losing soluble nutrients. For many farming systems, inorganic fertilizer will still be the largest nutrient input, but even then it is useful to think of chemical fertilizers as supplementary nutrients. When used to supplement biological nutrient sources, inorganic fertilizers can help make more efficient use of other available plant-growth resources, such as water and sunlight, by eliminating nutrient supply as the limiting factor in crop growth and yield. Chemical processes should be managed so they work together with biological processes for a productive agriculture and healthy environment. This bulletin was originally published by the Ohio State University Piketon Research Extension Center (SWR-2, 1999). It has been updated and adapted to fit Minnesota conditions and University of Minnesota recommendations. The information given in this publication is for educational purposes only. Reference to commercial products or trade names is made with the understanding that no discrimination is intended and no endorsement by University of Minnesota Extension is implied.
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