| Literature DB >> 29211012 |
Panagiotis Dalias1, Damianos Neocleous2.
Abstract
The nitrogen (N) effect of legumes is one of the main reasons for their inclusion in rotation systems and their success in rainfed agriculture of Mediterranean areas. The comparative analysis of this effect in relation to alternative systems or practices is essential for a comprehensive appreciation in their merit. This field experiment was comprised of four three-year rotation cycles. Wheat (Triticum turgidum durum) was seeded for two consecutive years after common vetch (Vicia sativa L.), treated in three different ways, and after fallow and compared with three wheat monocultures: the conventional one, the continuous straw incorporation, and the sewage sludge incorporation once every three years. Wheat grain and straw yields and N uptake were compared among treatments. Results showed that rotation systems that included vetch were the most promising for improving sustainability. Maximum N uptake and the greatest yield surpluses were obtained when wheat followed vetch incorporated during flowering. When vetch in the rotation was cut for hay or left to fill grains subsequent wheat showed also enhanced yields. Fallow affected the rotation system's fertility due to the incorporation of volunteer plants into the soil. Sewage sludge sustained production without the need for inorganic fertilization during three years. Straw incorporation always gave the smallest yields and N harvests, presumably due to soil N immobilization.Entities:
Keywords: dry Mediterranean climate; fallow; nitrogen effect; sewage sludge application; straw incorporation; vetch-wheat rotation
Year: 2017 PMID: 29211012 PMCID: PMC5750637 DOI: 10.3390/plants6040061
Source DB: PubMed Journal: Plants (Basel) ISSN: 2223-7747
Mean wheat yields and N concentration and uptake at the first year of each rotation cycle. Statistical analysis results displayed at the right side of values refer to the comparison between treatments and the “cnvl”. Results in the “vgrn” column refer to vetch.
| Rotation Cycle No./Year of Harvesting | “cnvl” | “strw” | “vgrn” | “sldg” |
|---|---|---|---|---|
| 5.60 | 4.02 * | 6.03 n.s. | ||
| 4.82 | 4.22 n.s. | 4.27 n.s. | ||
| 3.83 | 3.68 n.s. | 3.46 n.s. | ||
| 4.50 | 3.81 n.s. | 6.08 ** | ||
| 6.71 | 5.51 * | 4.50 | 7.83 n.s. | |
| 5.90 | 4.80 n.s. | 4.96 | 5.74 n.s. | |
| 5.81 | 5.07 n.s. | 4.40 | 4.61 n.s. | |
| 5.79 | 4.75 n.s. | 4.23 | 8.18 ** | |
| 12.31 | 9.53 * | 13.86 n.s. | ||
| 10.72 | 9.02 n.s. | 10.01 n.s. | ||
| 9.64 | 8.75 n.s. | 8.07 n.s. | ||
| 10.29 | 8.56 * | 14.26 *** | ||
| 2.21 | 2.05 n.s. | 2.32 n.s. | ||
| 2.25 | 2.33 n.s. | 2.49 * | ||
| 2.09 | 1.89 * | 1.95 n.s. | ||
| 2.50 | 2.29 n.s. | 2.57 n.s. | ||
| 0.39 | 0.40 n.s. | 1.69 | 0.49 n.s. | |
| 0.44 | 0.45 n.s. | 1.57 | 0.53 n.s. | |
| 0.47 | 0.36 n.s. | 1.63 | 0.37 n.s. | |
| 0.64 | 0.70 n.s. | 1.42 | 0.69 n.s | |
| 111.99 | 74.23 ** | 127.01 n.s. | ||
| 97.81 | 88.37 n.s. | 83.21 n.s. | ||
| 71.12 | 62.18 n.s. | 59.60 n.s. | ||
| 99.96 | 77.69 n.s. | 138.69 * | ||
| 24.34 | 20.69 n.s. | 35.69 * | ||
| 24.70 | 20.13 n.s. | 27.26 n.s. | ||
| 25.77 | 16.77 * | 15.92 * | ||
| 33.84 | 30.23 n.s. | 50.86 ** | ||
| 136.33 | 94.92 * | 162.70 n.s. | ||
| 122.50 | 108.50 n.s. | 110.47 n.s. | ||
| 96.88 | 78.95 n.s. | 75.52 * | ||
| 133.80 | 107.92 * | 189.56 *** | ||
| 0.4549 | 0.4180 * | 0.4344 n.s. | ||
| 0.4498 | 0.4684 n.s. | 0.4357 n.s. | ||
| 0.3970 | 0.4253 n.s. | 0.4291 n.s. | ||
| 0.4381 | 0.4439 n.s. | 0.4264 n.s. | ||
| 0.8213 | 0.7797 n.s. | 0.7800 n.s. | ||
| 0.8016 | 0.8146 n.s. | 0.7531 n.s. | ||
| 0.7383 | 0.7883 n.s. | 0.7902 n.s. | ||
| 0.7472 | 0.7190 n.s. | 0.7316 n.s. | ||
* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, n.s.: not significant.
Treatment effects on wheat yields and N concentration and uptake at the second year of each rotation cycle (“test years”). Statistical analysis results displayed at the right side of values refer to the comparison between treatments and the “cnvl”.
| Rotation Cycle No./Year of Harvesting | “cnvl” | “strw” | “vhay” | “vinc” | “vgrn” | “falw” | “sldg” |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.19 | 1.60 n.s. | 2.99 * | 3.24 ** | 2.91 * | 2.33 n.s. | 2.16 n.s. | |
| 4.85 | 4.41 n.s. | 5.28 n.s. | 5.74 ** | 5.31 n.s. | 5.50 n.s. | 5.14 n.s. | |
| 4.09 | 3.76 n.s. | 5.16 n.s. | 6.48 *** | 4.78 n.s. | 5.61 * | 3.86 n.s. | |
| 3.41 | 2.64 n.s. | 3.69 n.s. | 5.01 *** | 4.90 *** | 4.07 n.s. | 4.25 * | |
| 3.88 | 3.42 n.s. | 3.99 n.s. | 4.67 n.s. | 4.12 n.s. | 4.13 n.s. | 3.54 n.s. | |
| 7.07 | 6.38 n.s. | 6.90 n.s. | 7.12 n.s. | 7.03 n.s. | 7.29 n.s. | 6.70 n.s. | |
| 5.59 | 5.37 n.s. | 5.69 n.s. | 6.94 * | 6.16 n.s. | 6.89 * | 5.33 n.s. | |
| 4.62 | 3.82 n.s. | 4.31 n.s. | 5.29 n.s. | 5.61 n.s. | 5.20 n.s. | 4.78 n.s. | |
| 6.07 | 5.02 n.s. | 6.98 n.s. | 7.90 ** | 7.03 n.s. | 6.46 n.s. | 5.70 n.s. | |
| 11.92 | 10.78 n.s. | 12.18 n.s. | 12.87 n.s. | 12.34 n.s. | 12.79 n.s. | 11.84 n.s. | |
| 9.68 | 9.13 n.s. | 10.85 n.s. | 13.43 ** | 10.94 n.s. | 12.50 * | 9.19 n.s. | |
| 8.04 | 6.46 n.s. | 7.99 n.s. | 10.30 * | 10.51 * | 9.27 n.s. | 9.03 n.s. | |
| 2.12 | 1.77 n.s. | 2.01 n.s. | 2.48 n.s. | 2.09 n.s. | 2.05 n.s. | 1.94 n.s. | |
| 1.95 | 1.97 n.s. | 2.03 n.s. | 2.06 n.s. | 2.03 n.s. | 2.00 n.s. | 2.05 n.s. | |
| 2.19 | 2.16 n.s. | 2.15 n.s. | 2.18 n.s. | 2.20 n.s. | 2.08 n.s. | 2.16 n.s. | |
| 2.15 | 2.05 n.s. | 1.96 n.s. | 2.04 n.s. | 2.06 n.s. | 1.87 n.s. | 2.14 n.s. | |
| 0.51 | 0.35 n.s. | 0.40 n.s. | 0.51 n.s. | 0.42 n.s. | 0.46 n.s. | 0.36 n.s. | |
| 0.46 | 0.47 n.s. | 0.40 n.s. | 0.45 n.s. | 0.46 n.s. | 0.43 n.s. | 0.50 n.s. | |
| 0.73 | 0.70 n.s. | 0.60 n.s. | 0.66 n.s. | 0.69 n.s. | 0.65 n.s. | 0.69 n.s. | |
| 0.43 | 0.40 n.s. | 0.36 n.s. | 0.36 n.s. | 0.40 n.s. | 0.37 n.s. | 0.43 n.s. | |
| 41.59 | 24.78 n.s. | 54.06 n.s. | 70.23 *** | 54.81 n.s. | 41.89 n.s. | 38.00 n.s. | |
| 84.19 | 77.23 n.s. | 95.22 n.s. | 105.34 ** | 96.41 n.s. | 97.71 n.s. | 94.10 n.s. | |
| 80.45 | 73.81 n.s. | 100.27 n.s. | 126.74 ** | 93.96 n.s. | 104.13 n.s. | 74.92 n.s. | |
| 66.29 | 48.67 n.s. | 65.57 n.s. | 92.63 * | 91.37 * | 68.95 n.s. | 82.00 n.s. | |
| 18.24 | 11.04 n.s. | 14.49 n.s. | 21.86 n.s. | 16.03 n.s. | 17.72 n.s. | 11.91 n.s. | |
| 30.51 | 28.13 n.s. | 26.23 n.s. | 29.99 n.s. | 30.50 n.s. | 29.59 n.s. | 31.15 n.s. | |
| 37.82 | 35.13 n.s. | 31.89 n.s. | 42.39 n.s. | 40.09 n.s. | 42.24 n.s. | 34.73 n.s. | |
| 18.26 | 14.40 n.s. | 14.41 n.s. | 18.18 n.s. | 21.19 n.s. | 17.96 n.s. | 19.59 n.s. | |
| 0.3548 | 0.3155 n.s. | 0.4324 ** | 0.4065 n.s. | 0.4080 * | 0.3592 n.s. | 0.3754 n.s. | |
| 0.4069 | 0.4083 n.s. | 0.4347 n.s. | 0.4467 * | 0.4303 n.s. | 0.4302 n.s. | 0.4346 n.s. | |
| 0.4227 | 0.4113 n.s. | 0.4737 * | 0.4827 * | 0.4325 n.s. | 0.4485 n.s. | 0.4201 n.s. | |
| 0.4273 | 0.4098 n.s. | 0.4608 n.s. | 0.4882 * | 0.4668 n.s. | 0.4398 n.s. | 0.4724 n.s. | |
| 0.6877 | 0.6921 n.s. | 0.7901 n.s. | 0.7623 n.s. | 0.7671 n.s. | 0.7040 n.s. | 0.7554 n.s. | |
| 0.7359 | 0.7327 n.s. | 0.7833 n.s. | 0.7799 n.s. | 0.7618 n.s. | 0.7670 n.s. | 0.7523 n.s. | |
| 0.6795 | 0.6756 n.s. | 0.7550 * | 0.7498 * | 0.6986 n.s. | 0.7123 n.s. | 0.6868 n.s. | |
| 0.7839 | 0.7729 n.s. | 0.8180 n.s. | 0.8377 n.s. | 0.8116 n.s. | 0.7908 n.s. | 0.8094 n.s. | |
* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, n.s.: not significant.
Figure 1Average grain yield production in t ha−1 obtained at the “test years” of the four rotation cycles. Numbers above the columns indicate yield surpluses, i.e., the percentage difference of this production in relation to the “cnvl”.
Summary of results of quality characteristics of flour coming from wheat grain harvested in 2008. Mean values followed by the same letter were not significantly different at p < 0.05.
| “cnvl” | “strw” | “vhay” | “vinc” | “vgrn” | “falw” | “sldg” | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 9.5 ab | 7.4 a | 8.9 a | 12.0 b | 10.0 ab | 9.30 ab | 8.6 a | |
| 63.7 bcde | 58.4 a | 62.5 ad | 67.6 b | 64.2 bcde | 62.7 ae | 61.6 ac | |
| 194.1 ab | 130.6 a | 154.3 ab | 243.9 b | 174.6 ab | 150.3 a | 155.1 ab |
Treatment effects on wheat yields and N concentration and uptake at the third year of each rotation cycle (“residual effect years”). Statistical analysis results appearing at the right side of values refer to the comparison between treatments and the “cnvl”.
| Rotation Cycle No./Year of Harvesting | “cnvl” | “strw” | “vhay” | “vinc” | “vgrn” | “falw” | “sldg” |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.74 | 2.07 n.s. | 3.44 n.s. | 3.93 n.s. | 2.31 n.s. | 4.48 * | 2.70 n.s. | |
| 3.90 | 3.23 ** | 3.15 ** | 3.77 n.s. | 3.16 ** | 4.21 n.s. | 3.50 n.s. | |
| 4.35 | 3.70 n.s. | 2.26 ** | 3.14 n.s. | 2.87 * | 4.51 n.s. | 4.08 n.s. | |
| 2.78 | 2.41 n.s. | 2.20 n.s. | 2.94 n.s. | 2.81 n.s. | 3.11 n.s. | 2.82 n.s. | |
| 6.09 | 7.25 n.s. | 5.01 n.s. | 5.41 n.s. | 5.71 n.s. | 7.19 n.s. | 6.15 n.s. | |
| 5.13 | 4.42 n.s. | 4.53 n.s. | 5.34 n.s. | 4.48 n.s. | 6.01 n.s. | 4.67 n.s. | |
| 4.84 | 4.31 n.s. | 2.73 ** | 3.68 n.s. | 3.29 * | 4.73 n.s. | 5.02 n.s. | |
| 4.77 | 4.37 n.s. | 3.68 n.s. | 4.21 n.s. | 4.04 n.s. | 5.64 n.s. | 4.81 n.s. | |
| 8.84 | 9.32 n.s. | 8.45 n.s. | 9.34 n.s. | 8.02 n.s. | 11.67 n.s. | 8.85 n.s. | |
| 9.03 | 7.65 n.s. | 7.68 n.s. | 9.11 n.s. | 7.64 n.s. | 10.22 n.s. | 8.17 n.s. | |
| 9.19 | 8.01 n.s. | 5.00 ** | 6.81 n.s. | 6.16 * | 9.24 n.s. | 9.10 n.s. | |
| 7.55 | 6.78 n.s. | 5.88 * | 7.15 n.s. | 6.85 n.s. | 8.74 n.s. | 7.62 n.s. | |
| 2.12 | 2.04 n.s. | 2.20 n.s. | 2.20 n.s. | 2.17 n.s. | 2.07 n.s. | 2.18 n.s. | |
| 2.24 | 2.17 n.s. | 2.22 n.s. | 2.22 n.s. | 2.18 n.s. | 2.24 n.s. | 2.24 n.s. | |
| 2.46 | 2.25 n.s. | 2.05 *** | 2.23 * | 2.12 ** | 2.38 n.s. | 2.18 ** | |
| 2.32 | 2.24 n.s. | 1.69 *** | 1.76 ** | 1.76 ** | 2.31 n.s. | 2.08 n.s. | |
| 0.55 | 0.54 n.s. | 0.42 n.s. | 0.35 n.s. | 0.45 n.s. | 0.34 n.s. | 0.51 n.s. | |
| 0.70 | 0.67 n.s. | 0.62 n.s. | 0.62 n.s. | 0.63 n.s. | 0.60 n.s. | 0.64 n.s. | |
| 0.60 | 0.60 n.s. | 0.54 n.s. | 0.60 n.s. | 0.55 n.s. | 0.57 n.s. | 0.56 n.s. | |
| 0.44 | 0.41 n.s. | 0.29 * | 0.31 n.s. | 0.25 ** | 0.37 n.s. | 0.36 n.s. | |
| 53.09 | 39.50 n.s. | 69.76 n.s. | 78.86 n.s. | 45.38 n.s. | 86.16 * | 58.41 n.s. | |
| 78.09 | 62.77 ** | 62.56 ** | 74.54 n.s. | 61.94 ** | 84.11 n.s. | 69.98 n.s. | |
| 95.36 | 74.16 n.s. | 41.43 *** | 62.85 * | 54.42 ** | 95.21 n.s. | 78.13 n.s. | |
| 71.24 | 53.19 n.s. | 55.67 n.s. | 79.06 n.s. | 77.05 n.s. | 84.54 n.s. | 79.40 n.s. | |
| 13.22 | 17.19 n.s. | 8.03 n.s. | 8.01 n.s. | 10.07 n.s. | 10.03 n.s. | 12.61 n.s. | |
| 34.49 | 28.10 n.s. | 27.19 n.s. | 31.12 n.s. | 26.40 n.s. | 24.92 n.s. | 27.66 n.s. | |
| 26.22 | 23.28 n.s. | 13.22 ** | 19.39 n.s. | 16.36 * | 24.46 n.s. | 25.32 n.s. | |
| 18.76 | 14.12 n.s. | 11.52 n.s. | 15.32 n.s. | 13.04 n.s. | 18.24 n.s. | 16.10 n.s. | |
| 0.3163 | 0.2267 n.s. | 0.4021 n.s. | 0.4290 ** | 0.2967 n.s. | 0.3818 n.s. | 0.3135 n.s. | |
| 0.4357 | 0.4301 n.s. | 0.4084 n.s. | 0.4148 n.s. | 0.4130 n.s. | 0.4116 n.s. | 0.4302 n.s. | |
| 0.4747 | 0.4646 n.s. | 0.4530 n.s. | 0.4598 n.s. | 0.4658 n.s. | 0.4906 n.s. | 0.4453 n.s. | |
| 0.3699 | 0.3548 n.s. | 0.3758 n.s. | 0.4100 n.s. | 0.4096 n.s. | 0.3565 n.s. | 0.3696 n.s. | |
| 0.7911 | 0.6918 n.s. | 0.8796 n.s. | 0.9100 n.s. | 0.8141 n.s. | 0.8901 n.s. | 0.8127 n.s. | |
| 0.7006 | 0.6972 n.s. | 0.7001 n.s. | 0.7067 n.s. | 0.7014 n.s. | 0.7066 n.s. | 0.7163 n.s. | |
| 0.7854 | 0.7595 n.s. | 0.7558 n.s. | 0.7556 n.s. | 0.7666 n.s. | 0.7961 n.s. | 0.7544 n.s. | |
| 0.7936 | 0.7902 n.s. | 0.8287 n.s. | 0.8405 n.s. | 0.8550 n.s. | 0.8246 n.s. | 0.8347 n.s. | |
* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, n.s.: not significant.
Figure 2Correlation between the percentage difference of grain yield in relation to “cnvl” and the percentage difference of the total N uptake by grain during the “test years” of the experiment. Paired data were calculated from results that were obtained inside the same block (see Figure 3).
Some physical and chemical properties of the soil in the experimental site and the incorporated sludge at the beginning of each three-year cycle.
| Harvest Year | Total N (%) | NH4 (ppm) | Moisture Content (%) | pH | Organic Matter (%) | CaCO3 (%) | Sand (%) | Silt (%) | Clay (%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.085 | 6.2 | 7.94 | 1.53 | 15 | 39 | 26 | 35 | |||
| 2007 | 3.6 | 1102 | 8.2 | 6.83 | 60 | |||||
| 2009 | 3.0 | 980 | 7.9 | 7.05 | 63 | |||||
| 2010 | 3.9 | 1415 | 9.1 | 7.90 | 63 | |||||
| 2012 | 4.9 | 1350 | 8.5 | 7.65 | 62 |
Figure 3Drawing showing the arrangement of plots in each of the two adjacent fields where the rotation experiment took place. Numbers 1–7 indicate the seven treatments, which were the main plots, and which were grouped in four blocks. The explanation of treatment abbreviations is given in the text.
Figure 4Cropping season (September to May) rainfall obtained from the closest meteorological station for each year of the experimental period.