Back to report · Publisher record

Hijbeek (2017). On the role of soil organic matter for crop production in European arable farming

Page 1

Figures and page graphics, page 1

 

 

On the role of soil organic matter for crop 

production in European arable farming 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Renske Hijbeek 

 

 

Page 2

Figures and page graphics, page 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thesis committee 

Promotor 

Prof. Dr. Martin K. van Ittersum 

Personal chair at the Plant Production Systems Group  

Wageningen University & Research 

 

Co-promotor 

Dr. Hein F. M. ten Berge 

Senior researcher at Agrosystems Research 

Wageningen University & Research 

 

Other members 

Prof. Dr. Oene Oenema, Wageningen University & Research 

Dr. Julie Ingram, University of Gloucestershire, UK 

Dr. Frank Verheijen, University of Aveiro, Portugal  

Dr. Hans J. M. van Grinsven, Netherlands Environmental Assessment Agency (PBL), the 
Hague, the Netherlands 

 

This research was conducted under the auspices of the C.T. de Wit Graduate School 
Production Ecology and Resource Conservation - PE&RC. 

Page 3

Figures and page graphics, page 3

 

 

On the role of soil organic matter for crop 

production in European arable farming 

 

 

 

 

 

Renske Hijbeek 

 

 

 

 

 

 

 

Thesis 

submitted in fulfilment of the requirements for the degree of doctor 

at Wageningen University 

by the authority of the Rector Magnificus 

Prof. Dr. A.P.J. Mol, 

in the presence of the 

Thesis Committee appointed by the Academic Board 

to be defended in public 

on Wednesday 4 October 2017 

at 1.30 p.m. in the Aula. 

Page 4

Figures and page graphics, page 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Renske Hijbeek 
On the role of soil organic matter for crop production in European arable farming 
211 pages 

 
PhD thesis, Wageningen University, Wageningen, the Netherlands (2017) 
With references, with summary in English 

 
ISBN 978-94-6343-663-2 
DOI https://doi.org/10.18174/421022

Page 5

Figures and page graphics, page 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“

The management of organic matter for nutrient supply and soil improvement is as old 

as the history of arable agriculture itself. Yet science has been slow to provide the 

predictive understanding that will assist farmers to move beyond their own traditional 

knowledge based on centuries of empirical trial and error

”

 

(Palm et al. 2001) 

Page 6

Figures and page graphics, page 6

 

 

 

Abstract 

The aim of this thesis was to improve understanding of the role of organic inputs and soil organic 
matter  (SOM)  for  crop  production in contemporary  arable  farming  in Europe.  For  this purpose, 
long-term experiments were analysed on the additional yield effect of organic inputs and savings in 
mineral fertiliser. In addition, a farm survey was conducted to find drivers and barriers for the use 
of organic inputs and to assess if arable farmers in Europe perceive a deficiency of SOM. 

The findings in this thesis suggest that at least on the shorter term, on average, there seems to be no 
immediate threat from a deficiency of SOM to crop production in arable farming in Europe. The 
long-term  experiments  showed  that  with  sufficient  use  of  only  mineral  fertilisers,  on  average, 
similar yields could be attained over multiple years as with the combined use of organic inputs and 
mineral  fertiliser.  This  was  reflected  in  the  farm  survey,  in  which  a  large  majority  of  farmers 
indicated not to perceive a deficiency of SOM. Analysis of long-term experiments also showed that 
more mineral fertiliser N was saved when using farmyard manure at high N rates (with mineral 
fertiliser  application)  than  at  low  N  rates  (without  mineral  fertiliser  application),  based  on 
comparisons at equal yield. 

Specific crops and environments did benefit from organic inputs and more SOM in terms of crop 
production. Long-term experiments showed that organic inputs give benefit to crop production in 
wet climates and on sandy soils. In addition, farmers perceived a higher deficiency of SOM on steep 
slopes, sandy soils, wet and very dry climates. The additional yield effect of organic inputs was 
significant for potatoes. More in general, farmers who cultivated larger shares of their land with 
specialized  crops  (including  potatoes,  sugar  beets,  onions  and  other  vegetables)  than  cereals 
perceived a higher deficiency of SOM. It seems that while the functions of SOM can be replaced 
with technical means to a large extent (

e.g. 

tillage, use of mineral fertilisers), there are limits to this 

technical  potential  when  environmental  conditions  are  more  extreme  and  crops  are  more 
demanding. 

The farm survey revealed that farmers perceive a trade-off between improved soil quality on the 
one hand and increased pressures from weeds, pests and diseases and financial consequences on the 
other hand when using organic inputs. If policies aim to stimulate the maintenance or increase of 
SOM, more insight is needed into the conditions that regulate the pressures of weeds, pests and 
diseases in response to organic inputs. Financial consequences (at least on the short term) should 
also be accounted for. More importantly however, benefits from SOM for crop production cannot 
be taken for granted. Only in specific situations such benefits will exist. If European policies on 
SOM  aim  to  include  benefits  for  crop  production,  focus  should  be  on  areas  with  more  extreme 
environmental conditions (very dry or wet climates, steep slopes, sandy soils), or cropping systems 
with more specialized or horticultural crops rather than cereals.

Page 7

Figures and page graphics, page 7

Table of contents 

 

 

Contents 

Chapter 1 

General introduction 

1 

Chapter 2 

Do organic inputs matter 

–

 a meta-analysis of additional yield 

effects for arable crops in Europe 

13 

Chapter 3 

Nitrogen  fertiliser  replacement  values  for  organic  inputs 
appear to increase with N application rates 

41 

Chapter 4 

Drivers and barriers for arable farmers to use organic inputs 
in six agro-ecological zones across Europe 

57 

Chapter 5 

How  are  farmers’  beli

efs  on  soil  organic  matter  related  to 

their use of organic inputs? A case study in the Netherlands 

95 

Chapter 6 

Do farmers perceive a deficiency of soil organic matter? A 
European and farm level analysis 

123 

Chapter 7 

General discussion 

159 

List of references 

171 

Summary/ Samenvatting 

193 

Acknowledgements 

204 

About the author 

206 

List of publications 

207 

PE&RC Education certificate 

209 

Financial support 

211 

 

 

 

Page 8

Figures and page graphics, page 8

 

 

 

 

 

Page 9

Figures and page graphics, page 9

 General introduction 

 

1 

 

Chapter 1. General introduction 

Soil  organic  matter  (SOM)  is  known  to  improve  many  soil  properties  such  as  soil 
structure,  water  holding capacity and  nutrient supply  (Johnston et al. 2009). For this 
reason, SOM content is commonly seen as the main indicator for soil fertility (Reeves 
1997). Yet there is surprisingly little scientific consensus on the exact relation between 
SOM  and  crop  production.  For  such  a  generally  accepted  indicator  this  might  seem 
rather strange at first. However, when the many pathways through which SOM affects 
soil productivity are considered, and how these may vary, depending on the prevailing 
environment and cultivation technologies, it becomes more understandable.  

European  agriculture  benefits  from  a  mostly  temperate  climate  and  has  achieved 
relatively  high  yields  through  intensive  use  of  external  inputs  and  technologies. 
Nonetheless, concerns have been raised that SOM is declining in European soils (Morari 
et al. 2016; Toth et al. 2008). Therefore, proposals have been made to maintain SOM 
above 3.5% SOM (EC 2011a) or increase SOM annually with 4

‰

 (UNFCCC 2015) to 

protect productive capacity of soils. It is currently unclear whether these concerns are 
justified. The aim of this thesis is to improve understanding of the role of organic inputs 
and  SOM  for  crop  production  in  contemporary  arable  farming  in  Europe.  Effects  of 
SOM on crop productivity are analysed in European soils and climates and with current 
degrees of intensification. In addition, perceptions of European arable farmers on the 
use of organic inputs and their SOM content are assessed using a farm survey.  

In  this  chapter,  I  introduce  my  thesis  by  providing  a  short  overview  on  SOM 
composition and the carbon cycle (Section 1.1). This should be considered background 
information and is not intended  to be comprehensive.  For further details, readers are 
advised to follow the references. Subsequently, an overview is given on the different 
functions SOM has in arable farming and how these relate to environmental conditions 
and farm management (Sections 1.2 to 1.5). This leads us to the research questions and 
outline of this thesis (Sections 1.6 and 1.7). 

1.1.

 

SOM and the carbon cycle 

SOM  is  composed  of  plant  or  animal  debris  (including  faeces)  in  various  stages  of 
decomposition to humus and includes the living organisms in soils (Oades 1988). Based 
on physical fractionation, SOM can be divided into a number of fractions based on either 
particle size, density class or aggregate size (Stockmann et al. 2013). Based on chemical 

Page 10

Figures and page graphics, page 10

Chapter 1 

 

2 

 

fractionation,  SOM  is  often  divided  into  humic  acids,  fulvic  acids,  and  humin 
(Stevenson 1994; Stockmann et al. 2013).  

In contrast,  for modelling purposes  SOM is often divided into a  number  of arbitrary 
pools,  based  on  decomposition  rates  rather  than  chemical  or  physical  characteristics 
(Shibu et al. 2006). When these model pools were conceived, they were conceptual in 
nature  and  could  not  be  directly  related  to  measurable  fractions  (Zimmermann  et  al. 
2007).  Some  authors  have  tried  to  relate  SOM  fractions  to  SOM  pools  used  for 
modelling purposes (Dungait et al. 2012; Wander 2004; Zimmermann et al. 2007). In 
these cases, often three broad categories are used which can be denoted active, slow or 
passive SOM (for an example see Table 1.1). Besides chemical stabilization, SOM can 
also be physically stabilized through association with silt and clay particles (Feller & 
Beare 1997; Six et al. 2002) or by forming micro and macro aggregates (Tisdall & Oades 
1982).  

Table 1. 1

 

Mean residence time of SOM pools used in the Century model linked to chemical compounds (based on 

Dungait et al. 2012; Stockmann et al. 2013). 

 

Mean residence time (yr) 

Chemical compounds 

Active SOM 

1-2 

Living biomass 
Particulate organic matter 
Polysaccharides 

Slow SOM 

15-100 

Lignified tissues 
Waxes 
Polyphenols 

Passive SOM 

500-5000 

Humic substances 
Clay-OM complexes 
Biochar 

Rice and MacCarthy (1991) have shown that elemental composition of SOM (carbon 
[C], hydrogen [H], oxygen [O], nitrogen [N] and sulphur [S]) is very similar around the 
world,  regardless  of  the  origin.  This  suggests  that  a  relatively  narrow  range  of 
compositions exists for SOM, especially for C content. Conventionally the factor 1.72 
is used between SOM and SOC (Pribyl 2010; Waksman & Stevens 1930). 

Despite the similarity in elemental contents, it is not possible to construct a molecular 
structure  that  fully  describes  a  humic  substance  (MacCarthy  2001).  In  addition,  no 
scientific consensus exists on how formation of SOM molecules takes place. Lehmann 
and  Kleber  (2015)  identify  four  theoretical  models  on  SOM  formation:  1)  classic 
humification;  2)  selective  preservation;  3)  progressive  decomposition  and  4)  soil 
continuum  model.  In  classic  humification,  synthesis  of  decomposed  and  smaller 
molecules results in large macromolecules resistant to decomposition (Schulten et al. 

Page 11

Figures and page graphics, page 11

 General introduction 

 

3 

 

1991; Stevenson 1994). Selective preservation is similar to classic humification, with 
the difference that compounds can be labile or more recalcitrant and that the latter do 
not necessarily have to be large macromolecules (Baldock et al. 1992). In progressive 
decomposition, organic materials are degraded on an energetic downhill trajectory, as 
opposed  to  the  classic  humification  model  (Hedges  et  al.  2000;  Lehmann  &  Kleber 
2015). Finally, in the soil continuum model, a continuum of organic fragments exists 
that are continuously processed towards smaller molecular sizes while at the same time 
opportunities for incorporation into aggregates increase (Lehmann & Kleber 2015). 

Carbon is an essential component of SOM and part of the global carbon cycle. In the 
global carbon cycle, three large reservoirs of carbon exist: sedimentary carbonates and 
kerogens (together > 60,000,000 Pg C, Falkowski et al. 2000), ocean reservoirs (38,400 
Pg C, Falkowski et al. 2000) and reservoirs of fossil fuels (mean estimation 1,972 Pg C, 
Ciais et al. 2013). Sedimentary carbonates and large parts of the ocean reservoirs are 
inorganic carbon. In addition to these reservoirs, smaller pools of carbon exist, of which 
size estimations differ. Generally, the soil carbon pool (around 1,500 Pg C) is thought 
to be roughly three times larger than the terrestrial vegetation carbon pool (500 Pg C) 
and two times larger than the carbon present in the atmosphere (currently around 829 
Pg C, Ciais et al. 2013; Janzen 2004; Scharlemann et al. 2014).  

Since the start of the industrial revolution (middle of the 18

th

 century) concentrations of 

atmospheric carbon dioxide (CO

2

) have increased from around 280 ppm to 400 ppm in 

2016 (Dlugokencky & Tans 2017; Eggleton 2013). This increase in CO

2

 concentration 

is mainly caused by the burning of fossil fuels and to a lesser extent cement production 
and land use change (Le Quéré et al. 2012).  

1.2.

 

SOM content of arable fields 

Between 1765 and 2005, 6.6-6.8 million km2 of forest land has been converted into crop 
land  (Meiyappan & Jain 2012). Conversion from natural vegetation 

–

 especially forests 

- to agriculture almost always causes a decrease in SOM content (Poeplau & Don 2015) 
due to non-permanent vegetation, export of biomass and consequently reduced amounts 
of organic inputs. It has been estimated that the global soil carbon pool has decreased 
78 + 12 Pg between 1850 and 1998 due to land use change and soil cultivation (Lal 
2004a). If SOM content could be increased in arable lands, this would be a potential 
global carbon sink (Lal 2004b). Therefore, a number of initiatives exist to promote soil 
carbon sequestration, such as the recent 4/1000 initiative (UNFCCC 2015).  

Page 12

Figures and page graphics, page 12

Chapter 1 

 

4 

 

Increasing SOM content in arable fields is however strongly limited by environmental 
conditions and inherent SOM dynamics (Ingram & Fernandes 2001). SOM content is a 
balance  between  rates  of  inputs  (composition)  and  rates  of  outputs  (decomposition). 
This balance is affected by three environmental factors (soil texture, temperature and 
precipitation) and management (Burke et al. 1989; Haynes & Naidu 1998; Kätterer et 
al. 1998; Krull et al. 2001; Leiros et al. 1999; Miller et al. 2004; Motavalli et al. 1995).  

Which crops a farmer cultivates and the achieved yields determine together the amounts 
of available crop residues that can be returned to the soil. Amounts of crop residues can 
be increased by cultivating green manures within a crop rotation, including more cereals 
or  returning  crop  residues  such  as  straw  which  otherwise  would  have  been  sold.  If 
available, a farmer can also import organic inputs from other fields or livestock farms. 
In addition, a number of crop management choices such as drainage or tillage systems 
and crop protection or erosion prevention measures influence the actual SOM content 
of a field.  

On  a  given  arable  field,  a  farmer  can  thus  increase  SOM  content  by:  1)  increasing 
organic  inputs,  ii)  reducing  tillage  or  iii)  reducing  drainage  (Verheijen  2005b).  The 
effect of reducing tillage on SOM depends on soil texture, with more effects shown on 
clay soil than on sandy soils (Chivenge et al. 2007). Reducing tillage might only increase 
stratification of SOM in the surface soil horizons, while reducing SOM content below, 
with no net change as a result (Baker et al. 2007; Luo et al. 2010).  

1.3.

 

Benefits of SOM for soil fertility 

SOM content is known to improve soil fertility by stabilizing soil structure, increasing 
nutrient availability and improving water holding capacity (Johnston et al. 2009; Watts 
& Dexter 1997). Despite these positive attributes, crop  yields do not always increase 
with  higher  SOM  contents  (Loveland  &  Webb  2003).  This  discrepancy  between 
improvements in soil quality and lack in yield response has been explained by De Haan 
(1977) and Janssen (2002). They assert that apparently sometimes factors improved by 
adding organic matter are not the yield limiting ones. 

Crop yield factors can be divided into three categories: water, nutrients and pests and 
diseases (Fig. 1.1, arrows 8 to 10; van Ittersum & Rabbinge 1997). SOM contents affects 
yield factors in a number of ways such as by increasing the cation exchange capacity, 
improving aggregate stability or changing soil microbial mass (Fig. 1.1, arrows 1 to 6). 
Farmers might profit from SOM content if yields are increased (Fig. 1.1, arrow 11) or if 

Page 13

Figures and page graphics, page 13

 General introduction 

 

5 

 

improved workability of the soil leads to more flexibility in their working schedule (Fig. 
1.1, arrows 7 and 12). 

 
 

During the last century, different technical replacements have been developed which 
replace some of the functions of SOM (Fig. 1.2, van Noordwijk et al. 1997). Mineral 
fertilisers  can  complement  nutrient  supply,  irrigation  can  complement  water  holding 
capacity  and  an  array  of  pest  control  methods  have  been  developed  (chemical  or 
biological) which can replace or complement these functions of SOM. The degree of 
intensification often determines the extent to which a cropping system relies on SOM or 
on technical replacements to provide the functions mentioned. 

Fig 1. 1: Schematic overview of the different functions of SOM and relations with crop yields and farm level 
benefits.

 

Page 14

Figures and page graphics, page 14

Chapter 1 

 

6 

 

In  traditional  agricultural  systems,  SOM  content  is  maintained  either  by  importing 
organic  inputs  from  other  fields  or  by  rotating  cultivated  land  (

e.g. 

slash-and-burn 

agriculture or using a ley-arable cropping system). Slash-and-burn agriculture is hereby 
a  typical  example  of  a  cropping  system  that  primarily  relies  on  SOM  for  all  the 
functions.  Hydroponic  horticulture  is  a  typical  example  in  which  SOM  has  been 
completely replaced by technical means. Most other cropping systems fall somewhere 
in between (horizontal axis Fig. 1.2). 

 

For nutrient supply, using a combination of both mineral fertilisers and organic inputs 
has  been  recommended,  in  what  is  framed  as  integrated  soil  fertility  management 
(Richards et al. 2016; Vanlauwe et al. 2010). N in organic inputs is released more slowly 
than  N  in  mineral  fertilisers,  mainly  depending  on  the  C/N  ratio  (Flavel  &  Murphy 
2006). Therefore, N in organic inputs must be carefully matched with mineral fertiliser 
N application to make sure that sufficient N is available for crop growth while avoiding 
leaching. One manner in which this can be done is to characterize organic inputs by their 
Nitrogen Fertiliser Replacement Value (NFRV, Jensen 2013). NFRV is defined as the 
amount of mineral fertiliser N saved when using organic input-N (kg/kg), while attaining 
the same crop yield (Herron & Erhart 1965). 

It  is  often  difficult  to  disentangle  the  different  functions  of  SOM  as  they  are 
interdependent. Janssen (2002) made a division between effects of SOM through the 

Fig 1. 2: Schematic overview of the existing technical replacements of SOM (van Noordwijk et al. 1997).

 

Page 15

Figures and page graphics, page 15

 General introduction 

 

7 

 

provision of macro-nutrients (N, P and K) and other effects. Any effect of organic inputs 
or SOM on crop yield not related to macro-nutrients is called 

“the additional yield effect 

of SOM”

(Janssen 2002). De Haan (1977) made an investigation into the additional yield 

effect of farmyard manure (FYM) in two experiments in the Netherlands. After around 
20 years he found a positive additional yield effect for potatoes and sugar beets, but no 
effects on cereals. As his analysis was only based on two experimental sites with FYM, 

it’s not clear 

to which extent these results are valid for different types of organic inputs 

across different climates and soil types. 

1.4.

 

Threshold values for SOM 

With a decrease in SOM content, most soil properties change along a continuum (Karlen 
et al. 2001). This continuous change is one of the factors which makes it difficult to 
define a critical or desirable SOM content for farmers (Sparling et al. 2003). Even so, 
for the percentage of SOM to be a useful indicator for productive capacity, target values 
need to be specified. Sparling et al. (2003) argue in favour of a minimum or threshold 
soil  C  value: 

“below  which  there  would  be  loss  of  desirable  soil  characteristics, 

productive capacity and ecological functions that were not readily restored within an 

acceptable timeframe”.

 

A number of authors have tried to specify minimum or threshold values for SOM for 
crop  production  (also  called  critical  levels),  using  a  range  of  approaches  such  as 
information from soil surveys, literature reviews, soil organic carbon modelling, expert 
opinions or a combination of these (Aune & Lal 1997; Körschens et al. 1998; Loveland 
& Webb 2003; Sparling et al. 2003). Proposed threshold values range between 1 to 5.1% 
SOM (0.6 to 3% SOC). None of the authors of these  studies asked farmers for their 
views whilst farmers are the group of stakeholders with the longest and most practical 
exposure to SOM of their fields. Farmers would therefore be well suited to asses SOM 
in view of their local context.  

1.5.

 

Management of SOM by farmers 

When managing their farm, farmers need to balance SOM management with different 
objectives such as profit maximization or labour use efficiency (Mandryk 2016). In a 
recent farm survey in Denmark, Case et al. (2017) found low costs an important driver 
for the use of organic inputs. Glenk et al. (2017) however found that organic inputs have 
mixed  effects  on  farm  gross  margin.  In  two  different  areas  in  Europe  (Scotland  and 

Page 16

Figures and page graphics, page 16

Chapter 1 

 

8 

 

Spain), incorporation of straw was found to have a negative effect on farm gross margin, 
cultivation of green  manure a small negative or neutral effect  and  the  application  of 
animal  manure  had  a  positive  effect  on  farm  gross  margin.  This  study  relied  on  an 
economic model which only included effects on crop yields and input costs. Farmers 
might have a larger number of drivers and barriers for using certain measures, beyond 
effects on yields and input costs, such as seasonal labour or machinery requirements. 
Glenk et al. (2017) 

note that farmers’ behaviour may be motivated by factors which are 

not directly economic such as perceived workability of the soil, or soil health for future 
generations. 

Similarly, Van den Putte et al. (2010) argue that farmers often have too few incentives 
to use soil conservation measures because

 

productive capacities of farms are not affected 

by soil degradation in the short term (and thus not included in economic models). Simple 
cost-

benefit models do not capture the complexity of farmers’ behaviour and attitudes

 

(Lynne et al. 1988). Therefore, Burton (2004) argues that using the theory of planned 
behaviour  (Ajzen  1991) 

might improve  our understanding of farmers’ willingness to 

adopt certain management practices. 

According to the theory of planned behaviour, farmers will base their SOM management 
on three main constructs: 1) their attitude, 2) their subjective (social) norm and 3) the 
degree of perceived behavioural control. The attitude refers to the expected impact or 
outcome of SOM management. The subjective norm is the social pressure to manage 
SOM  in  a  certain  way.  Perceived  behaviour  control  reflects  past  experiences  and 
anticipated impediments and obstacles for SOM management. This theory can be used 
to find drivers and barriers for farmers to use specific measures (such as specific types 

of organic inputs) or to understand farmers’ intention to i

ncrease SOM content of their 

soils.  

1.6.

 

Research questions 

My aim in this thesis is to improve understanding of the role of organic inputs and SOM 
for  crop  production  in  contemporary  arable  farming  in  Europe.  The  adjective  term 
contemporary  relates  to  the  current  level  of  agricultural  intensification  in  Europe 
(relatively  high  yields  and  intensive  use  of  external  inputs  and  technologies),  placed 
more to the right on the horizontal axis of Fig. 1.2. The following research questions are 
addressed: 

Page 17

Figures and page graphics, page 17

 General introduction 

 

9 

 

 

What is the additional yield effect of organic inputs for arable crops in Europe? 
(

Chapter 2

) 

 

Do mineral fertiliser savings from organic inputs depend on total N supply? 
(

Chapter 3

) 

 

What are currently the main drivers and barriers for arable farmers to use organic 
inputs? (

Chapter 4

) 

 

How are farmers’ beliefs on SOM related to their use of organic inputs

? (

Chapter 5

) 

 

Do farmers perceive a deficiency of SOM? (

Chapter 6

) 

This thesis  uses data  form field and farm  level to answer the research  questions. To 
answer the first two research questions, data from long-term experiments were analysed. 
To answer the last three research questions, a large farm survey was conducted in six 
European countries (the Netherlands, Belgium, Austria, Spain, Italy and Germany).  

1.1.

 

Outline of the thesis 

This thesis consists of this introductory chapter, five research chapters and a discussion 
chapter.  Each  of  the  research  chapters  answers  a  research  question.  In  Fig.  1.3  an 
overview is given of the research questions, outcomes and the relationships between the 
different components of this thesis. 

The effect of SOM on crop production will depend on the measure used to maintain or 
increase SOM content. My research focuses on the use of organic inputs as a measure 
to maintain or increase SOM content. As mentioned, organic inputs can be crop residues, 
green  manures,  compost  or  animal  manures  (also  called  organic  fertilisers,  organic 
amendments, organic manures or organic resources). In Chapters 2 to 5, relationships 
between the use of different types of organic inputs and crop production are analysed. 
In Chapters 2, 5 and 6, the relationships between SOM and crop production are analysed 
(Table 1.2). 

 

Page 18

Figures and page graphics, page 18

Chapter 1 

 

10 

 

 

Page 19

Figures and page graphics, page 19

 General introduction 

 

11 

 

Table 1. 2: Focus on either SOM or on the use of organic inputs in each research chapter 

 

Subject of investigation: 

  

Organic inputs 

SOM 

Chapter 2. Additional yield effects of organic inputs 

X 

X 

Chapter 3. Mineral fertiliser savings from organic inputs  

X 

 

Chapter 4. Drivers and barriers for organic inputs  

X 

 

Chapter 5. 

Farmers’ beliefs on SOM 

(case study in the Netherlands) 

X 

X 

Chapter 6. Perceived deficiency of SOM by farmers 

 

X 

I hypothesize that the contribution of SOM to crop production on arable farms depends 
on  environmental  conditions  and  crop  types  cultivated.  Where  possible,  analyses 
therefore include effects of environmental factors (slope, soil texture and climate) and 
types of crops cultivated on the relation between SOM and crop production (Table 1.3).  

Table 1. 3: Overview of environmental factors and land use included as co-variables in each chapter 

  

Climate 

Slope 

Soil 

texture 

Crop 

type 

Chapter 2. Additional yield effects of organic inputs 

X 

 

X 

X 

Chapter 3. Mineral fertiliser savings from organic inputs  

 

 

 

 

Chapter 4. Drivers and barriers for organic inputs  

X 

X 

X 

 

Chapter 5. 

Farmers’ beliefs on SOM 

(case study in the Netherlands) 

 

 

X 

 

Chapter 6. Perceived deficiency of SOM by farmers 

X 

X 

X 

X 

Chapter 2 differentiates the additional yield effect for climate, soil texture and crop type. 
Chapter 4 differentiates drivers and barriers for organic inputs by agro-ecological zones, 
which are based on climate, slope and soil texture. In a case study in the Netherlands, 

Chapter  5  differentiates  farmers’  intention  to  increase  SOM  content  by  soil  texture. 

Chapter 6 differentiates perceived deficiency of SOM by farmers by climate, slope, soil 
texture and crop types cultivated. 

In 

Chapter 2

, a meta-analysis was performed to find the additional yield effect of organic 

inputs and SOM. Using data from 20 long-term experiments, yield response curves to 
mineral fertiliser-N were calculated, with and without organic inputs (and with sufficient 
P and K supply). The additional yield effect of organic inputs was calculated by taking 
the  difference  between  the  maxima  of  the  yield  response  curves.  The  size  of  the 
additional yield effect was related to clay content, aridity, crop types and SOM content 
of the fields.  

In 

Chapter 3

,  yield response curves to mineral fertiliser-N were calculated, with and 

without organic inputs (and with sufficient P and K supply). Using data from eight long-

Page 20

Figures and page graphics, page 20

Chapter 1 

 

12 

 

term experiments, savings in mineral fertiliser N from organic inputs were compared at 
low and high total N supply. 

In 

Chapter 4

, the theory of planned behaviour was used to analyse drivers and barriers 

for the use of organic inputs (incorporation of straw, cultivation of green manures or 
cover crops, FYM and compost). A farm survey was held among 1180 arable farmers 
in  six  agro-ecological  zones  in  four  European  countries  (the  Netherlands,  Belgium, 
Austria and Italy). Drivers and barriers were based on underlying beliefs of farmers and 
classified into nine main categories (soil type & climate, soil quality, crop protection, 
land  use,  technical,  financial,  environmental  impact,  legal  and  social).  Drivers  and 
barriers were compared per type of organic input and agro-ecological zone. 

To  assess 

how  farmers’

  underlying  beliefs  on  SOM  are  related  to  their  intention  to 

increase  SOM  content  and  use  of  organic  inputs,  a  case  study  was  done  in  the 
Netherlands (

Chapter 5

). In an online survey, 435 arable farmers were asked questions 

to understand their attitude (perceived benefits), subjective norm (social pressure) and 
perceived  behavioural  control  (anticipated  impediments  and  obstacles)  related  to 

management of SOM. Farmers’ answers were 

compared to their intention to increase 

SOM content, reported use of organic inputs and perceived increase in SOM content.  

A risk indicator for SOM deficiency is proposed in 

Chapter 6

 based on environmental 

factors  (climate,  slope  and  soil  texture)  and  agricultural  land  use.  The  proposed  risk 
indicator was tested using a farm survey among 1452 farmers in five European countries 
(Belgium, Germany, Austria, Spain and Italy). Threshold values for SOM content were 
developed by comparing perceived  deficiency  of SOM to reported  SOM contents  by 
farmers.  

Chapter 7

 summarizes and integrates the various chapters. First, an answer is given to 

each research question. Then, the influence of environmental factors and crop types on 
the relation between SOM and crop production on arable farms in Europe is discussed. 
Following, attention is given to synergies and trade-offs with other ecosystems services 
and limitations of the study. Finally, implications of the findings are presented.  

 

Page 21

Figures and page graphics, page 21

Additional yield effect of organic inputs 

 

13 

 

Chapter 2.  

 

Do organic inputs matter 

–

 a meta-analysis of additional yield effects 

for arable crops in Europe 

Renske Hijbeek

1

, Martin K. van Ittersum

1

, Hein F.M. ten Berge

2

, Gerrit Gort

3

, Heide 

Spiegel

4

, and Andy P. Whitmore

5 

 

1

Plant  Production  Systems,  Wageningen  University  and  Research,  Wageningen,  the 

Netherlands.  

2

Plant Research International, Wageningen University and Research, Wageningen, the 

Netherlands.  

3

Biometris, Wageningen University and Research, Wageningen, the Netherlands.  

4

Institute for Sustainable Plant Production, Austrian Agency for Health and Food Safety, 

Vienna, Austria.  

5

Sustainable Soils and Grassland Systems, Rothamsted Research, Harpenden, UK 

 

Plant and Soil (2017) 411: 293-303  

 

 

Page 22

Figures and page graphics, page 22

Chapter 2 

14 

 

Abstract  

Organic  inputs  have  a  positive  effect  on  the  soil  organic  matter  balance.  They  are 
therefore an important asset for soil fertility and crop growth. This study quantifies the 
additional yield effect due to organic inputs for arable crops in Europe when macro-
nutrients are not a limiting factor.  

A meta-analysis was performed using data from 20 long-term experiments in Europe. 
Maxima of yield response curves to mineral fertiliser nitrogen were compared, with and 
without organic inputs, under abundant P and K supply.  

We were surprised to find that, across all experiments, the mean additional yield effect 
of organic inputs was not significant (+ 1.4 percent + 1.6 - 95 % Confidence Interval). 
In specific cases however, especially for root and tuber crops, spring sown cereals, or 
for very sandy  soils or wet  climates,  organic inputs did increase  attainable  yields. A 
significant correlation was found between increase in attainable yields and increase in 
soil organic matter content. 

Aggregating  data  from  20  long-term  experiments  in  Europe,  this  study  shows  that 
organic  inputs  and/or  soil  organic  matter  do  not  necessarily  increase  yields,  given 
sufficient nutrients are supplied  by  mineral  fertilisers.  Results show the relevance  of 
some environmental factors for additional yield effect of organic inputs, but no simple 
relation between organic inputs and crop growth. 

Keywords: 

soil fertility, soil organic matter, organic inputs, crop yield, food security, 

soil carbon sequestration 

Abbreviations 

C 

carbon 

K 

potassium  

N 

nitrogen 

P 

phosphorus 

SOC  soil organic carbon 

SOM  soil organic matter 

 

 

Page 23

Figures and page graphics, page 23

Additional yield effect of organic inputs 

 

15 

 

2.1.

 

Introduction  

Soil  organic  matter  (SOM)  is  often  considered  the  most  important  indicator  of  soil 
fertility (Johnston et al. 2009; Reeves 1997)

. It contributes to each of fertility’s three 

dimensions: the physical (structure, aeration, water retention), the biological (biomass, 
biodiversity,  nutrient  mineralisation,  disease  suppression)  and  the  chemical  (nutrient 
supply) dimension. On this basis, maintaining SOM is an important strategy to maintain 
crop productivity (Lal 2004a). SOM contains about 50% organic carbon (Pribyl 2010), 

making  it’s  increase  a  potential  means  to  mitigate  greenhouse  gas  emissions

  (Smith 

2016).  Because  of  this  positive  contribution  to  climate  change  mitigation  and  food 
security, a voluntary action plan has been proposed at COP21 to increase SOM in all 

soils,  called  “

the  4/1000  initiative:  Soils  for  Food  security  and  Climate

”

(UNFCCC 

2015). 

In some cases however, yield effects of SOM seem smaller than expected. Reviewing 
the literature, Loveland and Webb (2003) found it difficult to establish a critical level of 
SOM for temperate regions. They also did not find evidence for an adverse effect on 
crop  yields  where  SOM  contents  in  the  soils  of  England  and  Wales  were  reduced. 
Similarly, comparing potential yields of winter wheat and spring barley across a large 
range of SOM contents in Denmark, Oelofse et al. (2015) found no significant effect on 
yields of winter wheat and only a small effect on yields of spring barley.  

The mentioned studies compared the effect of actual SOM content, they did not assess 
specific  management  practices  used  to  increase  SOM.  In  arable  soils,  SOM  can  be 
increased  by  increasing  organic  inputs  or  reducing  organic  outputs  (Freibauer  et  al. 
2004).  Increasing  organic  inputs  can  be  done  by  increasing  returned  biomass  (roots, 
litter)  via  higher  yields  or  adding  additional  organic  inputs  such  as  compost,  animal 
manure  or  crop  residues.  Decreasing  organic  outputs  can  be  done  by  changing  the 
moisture content of the soil or by using reduced or no tillage, although the effect of the 
latter two remain disputed (Govaerts

∗

 et al. 2009). Actual increase in SOM depends on 

a number of factors, such as the current amount of SOM, type of organic input, and 
environmental  factors  such  as  temperature,  soil  texture,  and  humidity  (Smith  et  al. 
1997).  

Studies assessing the effects  of  organic  inputs on crop  yields show mixed results. A 
recent meta-analysis of 32 long-term experiments in China compared the combined use 
of organic inputs and fertilizers with either only organic inputs or only fertilisers (Wei 
et al. 2016). The average yield increase of combining organics and fertilizers on wheat, 

Page 24

Figures and page graphics, page 24

Chapter 2 

16 

 

maize and rice was found to be 8% compared to using only fertilizers. In a different case 
however,  Dawe  et  al.  (2003)  found  no  improvement  in  grain  yield  trends  with 
application of either manure or straw in intensive rice systems.  

How do these contrasting insights compare? Although previous research has found a 
positive effect of either organic inputs or SOM on crop yields (Monreal et al. 1997; Wei 
et al. 2016), it has been argued that  in these  studies the effect of nutrients is seldom 
separated from other effects (Oelofse et al. 2015). In fact, Wei et al. (2016) mention this 
as the largest limitation of their study. 

To circumvent this limitation, we have assessed the effect of organic inputs in a system 
without macro-nutrient limitation. In such a system, any effect of organic inputs on yield 
can be attributed to improved soil structure or soil life (the other two components of soil 
fertility). In our study, effects of organic inputs (also called organic fertilisers, organic 
manures or organic inputs) on attainable crop  yields were examined in 20 long term 
experiments across a variety of soils and climates in Europe. To exclude the effects of 
macro-nutrients,  the  yield  effect  was  analysed  under  abundant  phosphorus  (P)  and 
potassium (K) supply and varying rates of nitrogen (N). Using this approach, we answer 
the  following  research  question:  Do  organic  inputs  increase  attainable  yields? 
Previously, any effect of organic inputs or SOM on crop yield which are not related to 
macro-nutrients  has  been  called  the 

“additional  yield  effect”

(Janssen  2002).  Our 

objective is: to find the additional yield effect of organic inputs, beyond the nutrients 
supplied. 

2.2.

 

Materials and methods

 

2.2.1.

 

Literature search 

To find data on long term experiments in Europe, two databases with metadata were 
used:  the  EuroSOMNET  metadata  on  110  long-term  experiments  and  a  database 
compiled in a recent European research project called CATCH-C, containing 377 long-
term experiments. Promising experiments were selected and publications were searched 
using  online  search  engines  (Google  scholar,  ISI  Web  of  knowledge).  When  more 
publications  were  available  for  one  treatment,  only  yield  data  from  the  most  recent 
publication was included.  

The following selection criteria were used to select experiments: (1) at least 4 increasing 
levels of N applications without organic inputs; (2) at least 4 increasing N application 

Page 25

Figures and page graphics, page 25

Additional yield effect of organic inputs 

 

17 

 

levels with organic inputs; (3) P and K applied in ample amounts on all fields; (4) at 
least 5 years of yield data; (5) if crops are cultivated in rotation, yield data available for 
at least 2 rotations; (6) yield data reported for individual crop types (mean yield values 
averaged over rotation were excluded). 

Data from 20 experiments was found adhering to these selection criteria (Fig. 2.1 and 
Table 2.1). Following, 107 distinct data sets were created, each representing a single 
combination  of  experiment  location,  crop  type  and  organic  input  type,  covering  a 
number of years of yield observations. All data were processed in R 3.0.0. 

 

 

 

Fig 2. 1: Overview of locations of long term experiments included in the meta-analysis (N=20).

 

Page 26

Figures and page graphics, page 26

Chapter 2 

18 

 

 

Page 27

Figures and page graphics, page 27

Additional yield effect of organic inputs 

 

19 

 

2.2.2.

 

Calculating  additional  yield  effect  of  organic  inputs  for  each  set  of 

data  

Crop  yields  are  known  to  steeply  increase  at  lower  levels  of  N  application  while 
levelling off or slightly decrease at high levels of N application. When yields are known 
at different levels of N application, response curves can be fitted (Cerrato & Blackmer 
1990). For each set of data in our meta-analysis, two yield response curves were drawn: 
one with and one  without organic inputs (Fig.  2.2a). To fit the curves, the following 
equation was used (George 1984):  

𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 = 𝑎 + 𝐵 ∗ 0.99

𝑁

+ 𝑐 ∗ 𝑁 + 𝜀                                                                                                               (2.1)

  

In  Equation  2.1,  N  is  nitrogen  added  as  mineral  fertiliser  (kg  N/ha),  a,  b  and  c  are 
parameters  to  be  fitted  and 

𝝴

  is  the  error  term.  The  maximum  of  each  curve  was 

calculated by setting the first-order derivative equal to zero and inserting the optimal N 
rate in Equation 2.1. As P and K were applied in ample amounts, at the maximum of 
each curve N, P and K (the macro-nutrients necessary for crop growth) are not a limiting 
factor for crop yields. Accordingly, the maximum of each curve was regarded as the 
attainable  yield  for  local  environmental  conditions  and  management.  The  additional 
yield  effect  of  organic  inputs  was  calculated  by  taking  the  difference  between  the 
attainable yield with and without organic inputs (Fig. 2.2b). 

 

 

Fig 2. 2: Example of yield response curves to mineral fertiliser-N under sufficient P and K supply with and without 
organic inputs. a) Black line is the response curve without organic inputs. Green line is the response curve with 
organic inputs. Squares indicate the maximum of each curve. The vertical difference between the two maxima is 
due  to the additional yield effect  of organic  inputs. b) Green circle  is the  relative  difference between the  two 
maxima. Green line indicates the 95% confidence interval due to the goodness of fit of the two curves. Yield data 
is from maize grown in Novi Sad between 1996 and 2003, with and without farmyard manure.

 

Page 28

Figures and page graphics, page 28

Chapter 2 

20 

 

For each data set, response curves might fit the data points better or worse, creating an 
error in the estimation of the additional yield effect. To correct for the goodness of fit of 
each curve, the delta method (Oehlert 1992) was used, giving a variance for each data 
set.  The  inverse  of  the  variance  was  used  as  a  weighting  factor  for  the  calculated 
additional yield effect of each data set. To enable comparisons among crops, the relative 
difference  was  chosen  as  the  response  variable  in  the  meta-analysis,  expressing  the 
additional  yield  effect  of  organic  inputs  as  percentage  of  attainable  yield  with  only 
mineral fertiliser. 

Supplementary  Fig.  2.1  to  2.4  show  the  individual  response  curves,  while 
Supplementary  Fig.2.5  gives  the  additional  yield  effect  and  related  95%  confidence 
interval for each data set (pages 30 to 35).

 

2.2.3.

 

Removing of outliers  

Sizes of the additional  yield effects  were  checked  for outliers by assessing the point 
cloud across different variables and constructing a funnel plot. If a data point was located 
outside the point cloud and P and K could not be excluded as yield limiting factors in 
the treatment without organic inputs, the data was removed from the meta-analysis (this 
was only necessary in one case). 

2.2.4.

 

Assessing influence of co-variates 

To  assess  the  influence  of  environmental  conditions,  crop  characteristics  or  type  of 
organic  input,  a  number  of  factors  and  co-variables  were  identified.  Two  grouping 
factors were used: type of organic input and crop type. In some cases, a combination of 
organic inputs was used, for example straw and slurry, where one of year straw was 
applied and the next year slurry. Each combination of organic inputs was included as a 
separate category.  

In addition, for each dataset the following information was obtained from the literature: 
clay content, percentage of SOM content at the beginning of each experiment, amount 
of carbon (C) in organic input, SOM change during each experiment and duration of 
each experiment. When numbers were given in percentage of soil organic carbon (SOC), 
they  were  multiplied  with  the  conventional  factor  1.724  ((Pribyl  2010;  Waksman  & 
Stevens 1930). Duration of each experiment was multiplied with yearly  C applied to 
give the total C added over the years. Geographical coordinates of each experiment were 
used to find the CGIAR-CSI Global Aridity Index (Trabucco & Zomer 2009).  

Page 29

Figures and page graphics, page 29

Additional yield effect of organic inputs 

 

21 

 

To assess the effect of the grouping factors and co-variates, a mixed effects model with 
a hierarchical structure (Konstantopoulos 2011) was used. Mixed effect models allow 
for incorporation of random effects, which is important when observations are not from 
a  stratified  or  random  sampling  design  as  is  typical  in  meta-analyses  (Gurevitch  & 
Hedges 1999). The following two random effects were incorporated in the analysis: (1) 
Experiment: As a single experiment may produce multiple data sets, experiment was 
used  as  a  random  factor.  (2)  Treatment  without  organic  inputs:  Within  a  single 
experiment,  multiple  treatments  with  organic  inputs  can  exist  (for  example  one 
treatment with farmyard manure and one with crop residues) which are all compared to 
the same treatment without organic inputs (with only mineral fertiliser). 

Group means for crop type and type of organic input were estimated with R-package 
lsmeans (Lenth 2015). To find the marginal effect of each co-variate on the additional 
yield effect of organic inputs, a separate model was made for each co-variate using the 
function  lme  (linear  mixed-effects  model)  of  package  nlme  (Pinheiro  et  al.  2015). 
Within these models, log-likelihood was maximized and yield effects were weighted by 
the inverse of the variance. Interaction between crop type and co-variate were checked 
on significance. Only SOM change had a significant interaction with crop type. 

2.2.5.

 

Model selection  

To assess which combination of co-variates and factors could best explain the difference 
in the additional  yield effect of organic inputs, multi-model dredging was performed 
using  the  dredge  function  in  the  R-package  MuMin  (Barton  2015).  This  function 
constructs a list of models by combining the given co-variates and then gives a ranking 
according to the corrected Akaike Information Criteria (AICc), an indicator commonly 
used to assess model fit (Bozdogan 1987). 

Two model selections were run. In the first model selection, only data from experiments 
was included for which information on both percentage of clay and SOM content was 
available (15 out of 20

)

. For the second model selection, only experiments were included 

for which data on SOM change was available (8 out of 20).

 

2.2.6.

 

Sensitivity analysis  

For some sets of data, maximum yield was not reached within the N applications of the 
experimental set-up. These maxima had to be estimated beyond the experimental set-
up, resulting in a higher uncertainty. When analysing the data, these points could be 

Page 30

Figures and page graphics, page 30

Chapter 2 

22 

 

either included or excluded, with each choice having its own advantage. Excluding these 
data points gives a dataset with more certainty on each individual estimate, but including 
them increases the size of the total dataset. Because a greater uncertainty results in a 
larger variance, meaning a smaller weight is given to a yield effect which is calculated 
with a maximum yield outside the experimental setup, we chose to include these data 
sets in the meta-analysis. To see the effect of including or excluding the maxima outside 
the experimental set-up, a sensitivity analysis was done on the main results. 

2.3.

 

Results 

The  mean  additional  yield  effect  of  organic  inputs  across  all  107  data  sets  is  not 
significant in this meta-analysis (1.4 percent + 1.6 - 95% CI). When excluding maxima 
estimated outside the experimental set-up, the mean yield effect is slightly higher: 1.9 
percent + 2.0 (95% CI.), yet still not significant.  

2.3.1.

 

Additional yield effect across type of organic inputs, crop types and 

time of sowing 

Comparing different types of organic inputs, the yield effect is roughly similar, but only 
the mean additional yield effect of farmyard manure is significantly positive (2.2 percent 
+ 1.8 - 95% CI, Fig. 2.3a). Yet we did find effects on specific crops. For potatoes the 
mean yield increase is 7.0 percent + 4.9 (95% CI). In addition, our results show that 
maize,  a  crop  with  a  less  developed  root  system  than  wheat  or  barley,  also  benefits 
significantly from organic inputs (mean yield effect of 4.0 percent + 3.7 - 95% CI, Fig. 
2.3b).  

Across the 20 experiments, cereals sown in winter do not benefit form organic inputs in 
our meta-analysis (Fig. 2.3c). On the other hand, spring sown cereals do benefit (3.4 
percent + 2.6 - 95% CI). Spring sown crops have a shorter time frame to develop their 
root system which is needed to acquire sufficient nutrients and water (Johnston et al. 
2009).  Organic  inputs,  by  improving  soil  structure,  might  facilitate  this  process, 
resulting in larger yields. 

 

Page 31

Figures and page graphics, page 31

Additional yield effect of organic inputs 

 

23 

 

 

Fig 2. 3

 

Influence of type of organic input (a), crop type (b) and time of sowing (c) on the additional yield effect 

of organic inputs. Circles are mean additional yield effects, lines the 95% confidence interval. Numbers in brackets 
are the number of data sets in each group. Only groups with at least 8 data sets are shown. Green residues are 
either green manures or beet leaves. Groups with less than 8 data sets and results of the sensitivity analysis are 
shown in Supplementary Fig. 2.6. 

2.3.2.

 

Influence of soil, climate and amount of C added 

Crops grown on more sandy soils show a positive yield effect of organic inputs, while 
more clayey soils show neutral or negative yield effects (Fig. 2.4a). Relatively sandy 
soils normally have a poorer soil structure, which can be improved by adding organic 
inputs. Soils with low SOM content would also be expected to benefit more from organic 
inputs, but this is not apparent in our results (Fig. 2.4b). 

For each experiment, climate was expressed in terms of aridity using the CGIAR-CSI 
Global  Aridity  Index  (Trabucco  &  Zomer  2009).  Lower  values  indicate  lower 
temperatures with more rainfall while higher numbers indicate higher temperatures with 

Page 32

Figures and page graphics, page 32

Chapter 2 

24 

 

less rainfall. In our study, crops grown in wetter climates  benefit more from organic 
inputs (Fig. 2.4c).  

 

 

 

Experiments differ in the type and the amounts of organic inputs applied annually, and 
in their duration. After converting all organic inputs to total C (tonnes C/ha, cumulated 
over the years), no significant relation was found between total C input and the yield 
effect (Fig. 2.4d). 

2.3.3.

 

Relative increase in SOM 

For a subset of experiments, percentage increase in SOM during the experiment could 
be calculated. When running a model selection, combining the relative increase in SOM 
content with crop type gives the largest explanation of variance in the additional yield 
effect  of  organic  inputs  (Supplementary  Tables  2.2  and  2.3,  pages  37-38).  The 
magnitude of the effect is shown in Fig. 2.5a. 

Fig 2. 4: Influence of soil texture (a), SOM content at the start of the experiment (b) climate (c) and amount of C 
applied  over  the  years  (d)  on  the  additional  yield  effect  of  organic  inputs.  Clay  content  is  expressed  as  the 
percentage of particles < 2µm in the soil. Climate is expressed as the CGIAR-CSI Global Aridity Index. Larger 

points have a smaller variance and therefore a higher weight. P (Δ intercepts) is the 

probability for the intercepts 

to be equal. P (slope) is the probability the common slope is equal to zero.

 

Page 33

Figures and page graphics, page 33

Additional yield effect of organic inputs 

 

25 

 

 

Fig 2. 5

 

Relation between increase in SOM and yield increase. a) Increase in yield related to increase in SOM. x-

axis: increase in SOM between the treatment with only mineral fertiliser and the treatment with organic inputs 
added. y-axis: difference in maximum yield between the treatment with only mineral fertiliser and the treatment 
with organic inputs added. b) axes vice versa from a. Larger points have a smaller variance and therefore a higher 

weight. P (Δ intercepts) is the probability for the intercepts to be equal. P (Δ slope) is the probability for the slopes 

to be equal. 

2.4.

 

Discussion 

When  discussing  possible  benefits  of  organic  inputs  and  SOM  beyond  nutrients 
supplied, it has been suggested that root or tuber crops might benefit more than cereals 
(De Haan 1977; Verheijen 2005a). The reason being that root and tuber crops depend 
more on soil structure for their successful cultivation and harvesting. Our study confirms 
this suggestion with a mean yield increase for potatoes of 7 percent.  

Crops  grown  in  both  very  dry  or  very  wet  conditions  could  potentially  benefit  from 
organic inputs as SOM increases water holding capacity in dry climates (Díaz-Zorita et 
al. 1999) and prevents soil compaction in wet climates (Soane 1990). In our study, crops 
grown in wetter climates do benefit more from organic inputs. As expected for a meta-
analysis  over  Europe,  most  of  our  experiments  (16)  however  have  a  humid  climate 
(index > 0.65), with three experiments having a dry sub-humid climate (index 0.5-0.65), 
one a semi-arid climate (0.2-0.5) and none arid or hyper arid climates (index <0.2).  As 
very dry climate were not included, this could be the reason why we could not confirm 
whether organic inputs have additional yield effects in dry climates.  

Very weathered soils, mostly occurring in tropical regions, were also not included in our 
meta-analysis. Weathered soils often have very low cation exchange capacity (Palm et 
al. 1997) and lack a number of micro nutrients necessary for crop growth (Gupta et al. 
2008). On weathered soils therefore, yield effect of organic inputs could be larger when 
related to treatments with only N, P and K supplied. A recent global database suggests 

Page 34

Figures and page graphics, page 34

Chapter 2 

26 

 

experimental set-ups as used in our meta-analysis do not exist outside temperate regions 
(ISCN  2015),  establishment  of  such  long  term  experiments  would  therefore  be 
recommended. 

 

Before analysis, percentage of SOM at the start of each experiment was expected to be 
the  largest  influencing  factor.  Yet,  no  significant  difference  was  found  comparing 
experiments  with  different  SOM  contents  (Fig.  2.4b).  There  is  however  uncertainty 
associated  with  comparing  SOM  contents  across  20  experiments.  When  available, 
measurements of the upper soil layer or plough layer (often 24-30 cm) were included in 
the analysis,  yet depth of measurement was not always explicitly stated. In addition, 
measurements of SOM are known to deviate, depending on methods used (Hoogsteen 
et al. 2015). Even  though some  error  in SOM  measurements  might be  involved,  our 
finding does correspond well with a recent study in Denmark comparing yields of winter 
wheat across a  large range of SOM contents (Oelofse et al. 2015), with similarly no 
effects found.  

Fig. 2.5a seems to indicate that more so than the total SOM at start (Fig. 2.4b) or the 
total C added (Fig. 2.4d), it is the percentage of fresh SOM in the soil which makes a 
difference. If so, this finding corresponds well with suggestions of (Loveland & Webb 
2003) that the proportions of fresh SOM is more important than the total pool of SOM. 
On the other hand, higher yields also have an effect on SOM by returning more crop, 
root and stubble residues (Glendining & Powlson 1995). One could therefore question 
if  larger yields in our analysis are the result of the increased SOM content (Fig.2.5a), 
or vice versa (Fig. 2.5b)? In practice, both possibilities might be true and 

–

 if so 

–

 can 

be mutually reinforcing: in some cases more SOM gives somewhat higher yields, which 
adds more organic matter to the soil which in turn gives higher yields, which then again 
gives more SOM.  

2.4.1.

 

Limitations of study and broader contextualization 

This  meta-analysis  did  not  find  a  significant  mean  additional  yield  effect  of  organic 
inputs. When assessing the use of organic inputs on a farm or regional level however, 
other aspects might also be relevant. Organic inputs can promote the buffering function 
of soil in years with less favourable conditions, thereby reducing yield variability (Pan 
et al. 2009). In our experiments, variability in attainable yields was not lessened with 
organic inputs (data not shown), but this could be tested further under more extreme 
climates. 

Page 35

Figures and page graphics, page 35

Additional yield effect of organic inputs 

 

27 

 

Using  organic  inputs  can  also  have  environmental  effects.  Soils  with  higher  SOM 
contents for example might create a more flourishing habitat for soil biota (Chang et al. 
2007). Maintaining SOM contents can therefore contribute to biodiversity conservation. 
Combining organic inputs with mineral fertilisers can decrease the demand for mineral 
fertilisers which can have positive effects such as a decrease in demand for fossil fuels 
(Wood & Cowie 2004). In our meta-analysis, the savings of mineral fertiliser N with 
organic  inputs  are  substantial  (Supplementary  Fig.  2.7  and  Table  2.4,  page  39).  The 
savings in mineral fertiliser N however do not outweigh the total N in the organic inputs 
and  the  occasionally  added  mineral  fertiliser  N  for  growth  of  green  manures  or 
decomposition of straw. Consequently, organic inputs might affect the extend of nitrate 
leaching,  nitrous  oxide  or  ammonia  emissions.  For  nitrate  leaching,  both  positive 
(Leclerc et al. 1995) and negative cases (Basso & Ritchie 2005; Oelofse et al. 2015) are 
known. It has been suggested that the number of years of application is crucial and that 
over the long-term, if nutrients are applied attuned to crop requirements, organic inputs 
have no significant effect on nitrate leaching (Maeda et al. 2003). 

Even though the mean additional yield effect across all data sets was not significant, a 
large variance exists between data sets (additional yield effects ranged between -10 to 
+18%; supplement Fig. 2.5). Using grouping factors (crop type, type of organic input) 
and  co-variates  (clay  content,  aridity),  some  variance  was  explained,  but  large  parts 
remained  unknown.  In  some  individual  cases,  organic  inputs  did  increase  attainable 
yield  significantly.  In  others,  organic  inputs  might  have  had  little  effects  on  soil 
structure, either because soil structure was already very good or because it was beyond 
simple repair. These type of nuances can be tackled in-depth in single experiments, but 
are difficult to disentangle when aggregating larger data sets. Combining meta-analysis 
with  more  in-depth  studies  is  therefore  vital  for  more  thorough  understanding  of 
processes and mechanisms involved. 

2.5.

 

Conclusions 

Using  organic  inputs  to  increase  SOM  is  often  seen  as  a  win-win  situation  for  food 

security  and  climate  change  mitigation,  such  as  in  the  recently  proposed    “

4/1000 

initiative”

 at COP21 (UNFCCC 2015). Using organic inputs to sequester carbon might 

be  a  viable  option  to  buy  time  for  developing  technologies  for  reducing  industrial 
emissions (IGBP 1998), this meta-analysis however shows that benefits for crop yields 
cannot be assumed to follow directly. On sandy soils, in wet climates and for certain 
crops (some root or tuber crops and spring sown cereals) organic inputs can increase 

Page 36

Figures and page graphics, page 36

Chapter 2 

28 

 

yields beyond the nutrients they supply. In those cases, increases in attainable  yields 
vary mostly between 3 to 7%. In the majority of cases however, supplying only mineral 
fertiliser gives similar yields. 

2.6.

 

Acknowledgments  

We thank all who set up, maintained and shared data from long-term experiments in 
Europe  through  their  publications.  We  thank  Dietmar  Barkusky  (ZALF),  Matthias 

Wendland (Bayern LFL),  Guido Baldoni (University  of Bologna)  and  Dorota Pikuła 

(IUNG)  for  providing  additional  data.  We  acknowledge  Margaret  Glendining  for 
providing an overview on long term experiments in Europe and sharing her network. 
We thank Jan Verhagen and Bert Janssen for suggestions on methodology and Steve 
McGrath and Ken Giller for reviewing the text.  

 

Page 37

Figures and page graphics, page 37

Additional yield effect of organic inputs 

 

29 

 

Supplement Chapter 2 

 

Supplementary Fig. 2.1 

Response curves of root and tuber crops 

30 

Supplementary Fig. 2.2 

Response curves of spring sown cereals 

31 

Supplementary Fig. 2.3 

Response curves of winter sown cereals 

32 

Supplementary Fig. 2.4 

Response curves of winter sown cereals 
continued 

33 

Supplementary Fig. 2.5 

Additional yield effect and 95% confidence 
interval for each data set. 

34 

Supplementary Table 2.1 

Legend for Supplementary Fig. 2.4 

35 

Supplementary Fig. 2.6 

Sensitivity analysis for including or excluding 
estimations of maximum yield outside the 
experimental set-up 

36 

Supplementary Table 2.2 

Results of model selection including all 
experiments with data available on both 
percentage of clay and SOM content 

37 

Supplementary Table 2.3 

Results of model selection including all 
experiments with data available on on SOM 
change 

38 

Supplementary Fig. 2.7 

Illustration of difference in mineral fertiliser N 
application rate needed to reach equal crop 
yield with and without organic inputs. 

39 

Supplementary Table 2.4 

Comparing mineral fertiliser N needed to 
achieve equal yields with and without organic 
inputs 

39 

 

 

Page 38

Figures and page graphics, page 38

Supplement Chapter 2 

 

30 

 

Response curves of root and tuber crops 

 

 

Supplementary  Fig. 2.  1:  Yield response  curves of  root and tuber crops  to mineral fertiliser  with and without 
organic  inputs.  X-axes  are  mineral  fertiliser  applied  in  kg  N/ha.  Y-axes  are  crop  yield  in  tonnes/ha.  Colours 
indicate  types  of  organic  input.  Squares  indicate  the  maximum  of  each  curve.  Shaded  areas  lie  outside  the 
experimental set-up.

 

Page 39

Figures and page graphics, page 39

Additional yield effect of organic inputs 

 

31 

 

Response curves of spring sown cereals 

 

 

 

Supplementary  Fig. 2.  2:  Yield response  curves of  spring sown cereals  to mineral fertiliser with and without 
organic  inputs. X-axes are  mineral fertiliser applied in kg N/ha. Y-axes are  crop yield in tonnes/ha. Colours 
indicate  types  of  organic  input.  Squares  indicate  the  maximum  of  each  curve.  Shaded  areas  lie  outside  the 
experimental set-up.

 

Page 40

Figures and page graphics, page 40

Supplement Chapter 2 

 

32 

 

Response curves of winter sown cereals 

 

 

 

Supplementary  Fig. 2.  3:  Yield response  curves of  winter sown cereals  to mineral fertiliser with and without 
organic  inputs. X-axes are  mineral fertiliser applied in kg N/ha. Y-axes are  crop yield in tonnes/ha. Colours 
indicate  types  of  organic  input.  Squares  indicate  the  maximum  of  each  curve.  Shaded  areas  lie  outside  the 
experimental set-up.

 

Page 41

Figures and page graphics, page 41

Additional yield effect of organic inputs 

 

33 

 

 

Supplementary  Fig.  2.  4:  Yield  response  curves  of  winter  sown  cereals  to  mineral  fertiliser  with  and  without 
organic  inputs.  X-axes  are  mineral  fertiliser  applied  in  kg  N/ha.  Y-axes  are  crop  yield  in  tonnes/ha.  Colours 
indicate  types  of  organic  input.  Squares  indicate  the  maximum  of  each  curve.  Shaded  areas  lie  outside  the 
experimental set-up. 

 

 

Page 42

Figures and page graphics, page 42

Supplement Chapter 2 

 

34 

 

Additional yield effect for all data sets  

 

 

 

Supplementary Fig. 2. 5: Additional yield effect of organic inputs across experiments, crops and types of organic 
input.  Lines indicate 95% confidence interval.* indicates maximum yield was estimated outside the experimental 
set-up. Numbers of data sets are explained in Supplementary Table 2.1 

 

Page 43

Figures and page graphics, page 43

Additional yield effect of organic inputs 

 

35 

 

Supplementary Table 2. 1: Explanation of dataset numbers of Supplementary Fig. 2.4. m = maize; p= potatoes; s 
= sugar beet; sb = spring barley; wb =winter barley; wr = winter rye; ww = winter wheat; sw = spring wheat. 
FYM = farm yard manure, GM = green manure, BL = beat leaves. 

1 

Grabow: p with FYM 

55 

Puch: s with straw & GM & BL 

2 

Methau: p with straw 

56 

Bologna 1: ww with slurry 

3 

Muncheberg: sb with FYM 

57 

Vienna: ww with straw & GM & BL 

4 

Vienna: s with straw & GM & BL 

58 

Ivanovice: ww with FYM 

5 

Muncheberg: m with FYM 

59 

Methau: ww with straw 

6 

Sproda: s with FYM 

60 

Speyer: wb with straw & GM & BL 

7 

Grabow: sb with FYM 

61 

Prah Ruzyne: ww with FYM 

8 

Tartu: p with FYM 

62 

Muencheberg: wr with FYM 

9 

Bad Lauchstadt: p with FYM 

63 

Vienna: ww with slurry 

10 

Grabow: m with FYM 

64 

Sproda: s with straw 

11 

Puch: m with straw & GM & slurry 

65 

Prah Ruzyne: s with straw & GM & BL 

12 

Vienna: wb with straw & GM & BL 

66 

Limburgerhof: m with straw & GM & slurry 

13 

Bad Lauchstadt: p with straw 

67 

Limburgerhof: m with straw & GM 

14 

Muencheberg: m with straw 

68 

Lukavec: wb with straw & GM 

15 

Muencheberg: sb with straw 

69 

Novi Sad: ww with FYM 

16 

Puch: m with slurry 

70 

Speyer: s with straw & GM & BL 

17 

Lukavec: p with FYM 

71 

Iasi: s with straw & BL 

18 

Tartu: p with straw & BL 

72 

Speyer: ww with FYM 

19 

Iasi: s with FYM 

73 

Bad Lauchstadt: s with straw 

20 

Vienna: s with slurry 

74 

Ivanovice: ww with straw & BL 

21 

Puch: s with straw & BL 

75 

Muencheberg: ww with FYM 

22 

Puch: m with straw & slurry 

76 

Keszthely: wb with straw & GM 

23 

Tartu: sb with straw & BL 

77 

Rau: ww with FYM 

24 

Rau: s with FYM 

78 

Novi Sad: s with straw & BL & slurry 

25 

Vienna: wb with slurry 

79 

Limburgerhof: ww with straw & GM & slurry 

26 

Oldenburg: s with straw & GM & BL 

80 

Sproda: ww with FYM 

27 

Keszthely: wb with FYM 

81 

Methau: s with straw 

28 

Vienna: wb with FYM 

82 

Muencheberg: s with straw 

29 

Grabow: ww with FYM 

83 

Madrid: ww with straw 

30 

Rau: s with straw & GM & BL 

84 

Sproda: sb with FYM 

31 

Oldenburg: wb with straw & GM & BL 

85 

Bad Lauchstadt: s with GM 

32 

Methau: sb with straw 

86 

Rau: ww with straw & GM & BL 

33 

Oldenburg: s with slurry 

87 

Novi Sad: ww with straw & BL & slurry 

34 

Muencheberg: s with FYM 

88 

Madrid: sb with straw 

35 

Tartu: sw with FYM 

89 

Novi Sad: ww with straw & BL 

36 

Novi Sad: m with straw & BL & slurry 

90 

Prah Ruzyne: ww with straw & GM & BL 

37 

Vienna: ww with FYM 

91 

Bologna 1: m with straw 

38 

Novi Sad: m with straw & BL 

92 

Muencheberg: p with FYM 

39 

Muencheberg: ww with straw 

93 

Speyer: ww with straw & GM & BL 

40 

Iasi: m with FYM 

94 

Sproda: ww with straw 

41 

Lukavec: p with straw & GM 

95 

Madrid: sb with FYM 

42 

Bologna 1: ww with FYM 

96 

Ivanovice: wb with FYM 

43 

Oldenburg: ww with straw & GM & BL 

97 

Lukavec: wb with FYM 

44 

Novi Sad: m with FYM 

98 

Muencheberg: p with straw 

45 

Puch: m with straw 

99 

Sproda: sb with straw 

46 

Iasi: m with straw & BL 

100 

Prah Ruzyne: wb with FYM 

47 

Oldenburg: wb with slurry 

101 

Tartu: sw with straw & BL 

48 

Limburgerhof: ww with straw & GM 

102 

Rau: wb with straw & GM & BL 

49 

Oldenburg: ww with slurry 

103 

Rau: wb with FYM 

50 

Bologna 1: ww with straw 

104 

Ivanovice: wb with straw & BL 

51 

Bad Lauchstadt: p with GM 

105 

Tartu: sb with FYM 

52 

Novi Sad: s with straw & BL 

106 

Madrid: ww with FYM 

53 

Muencheberg: wr with straw 

107 

Prah Ruzyne: wb with straw & GM & BL 

54 

Speyer: wb with FYM 

 

 

 

 

Page 44

Figures and page graphics, page 44

Supplement Chapter 2 

 

36 

 

Sensitivity analysis 

 

 

 

Supplementary Fig. 2. 6: Results of sensitivity analysis for including or excluding estimations of maximum yield 
outside the experimental set-up. Circles are mean effect size, lines show the 95% confidence interval. The number 
in brackets is the number of data sets in each group. GM = green manure or cover crop.

 

Page 45

Figures and page graphics, page 45

Additional yield effect of organic inputs 

 

37 

 

Model selection 

Page 46

Figures and page graphics, page 46

Supplement Chapter 2 

 

38 

 

 

 

 

Page 47

Figures and page graphics, page 47

Additional yield effect of organic inputs 

 

39 

 

Savings of mineral fertilisers when using organic inputs (at equal yields) 

 

 

 

Supplementary Table 2.4: Comparing mineral fertiliser N needed to achieve equal yields with and without organic 
inputs (as illustrated in supplementary  Fig. 6). Mineral fertiliser N requirements are compared at   the highest 
yield  which  is  achieved  both  with  and  without  organic  inputs.  Analysis  and  results  only  for  data  sets  with  N 
contents of organic inputs measured/reported (38 data sets across 8 experiments). 

Organic input 

# 

data 

sets 

Mean fertiliser 

N savings with 

organic inputs 

(kg N/ha/year) 

Mean mineral 

fertiliser N 

added to straw 

or green 

manures 

(kg N/ha/year) 

Mean total N 

in organic 

inputs 

(kg N/ha/year) 

Δ mineral 

fertiliser N + 

added N + 

total N organic 

inputs  

(kg N/ha/year) 

FYM 

17 

-76.92 

0.00 

120.22 

43.30 

Slurry 

1 

-109.25 

0.00 

189.68 

80.42 

Straw 

15 

-7.42 

0.00 

22.18 

14.76 

Straw & beet 
leaves 

2 

-81.16 

16.67 

79.42 

14.93 

Straw & GM 
& beet leaves 

3 

-64.44 

16.67 

49.30 

1.53 

Supplementary Fig. 2.7: Illustration of difference in mineral fertiliser N application rate needed to reach equal 
crop yield with and without organic inputs. Squares indicate the maximum of each curve. The blue arrow shows 
the difference in mineral fertiliser N needed to achieve a similar level of high yield (N savings). Data is from 
maize grown in Novi Sad between 1996 and 2003, with and without farmyard manure.

 

Page 48

Figures and page graphics, page 48

Chapter 3 

 

40 

 

 

 

 

Page 49

Figures and page graphics, page 49

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

 

41 

 

Chapter 3. 

 

Nitrogen  fertiliser  replacement  values  for  organic  inputs  appear  to 
increase with N application rates 

Renske Hijbeek

1

, Hein F.M. ten Berge

2

, Andy P. Whitmore

3

, Dietmar Barkusky

4

, Jaap 

J. Schröder

2

, and Martin K. van Ittersum

1 

 

1

Plant  Production  Systems,  Wageningen  University  and  Research,  Wageningen,  the 

Netherlands.  

2

Plant Research International, Wageningen University and Research, Wageningen, the 

Netherlands.  

3

Sustainable Soils and Grassland Systems, Rothamsted Research, Harpenden, UK 

4

 Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF), Eberswalder Straße 84, 

15374 Muencheberg, Germany

 

 

Nutrient Cycling in Agroecosystems (DOI 10.1007/s10705-017-9875-5) 

 

 

 

Page 50

Figures and page graphics, page 50

Chapter 3 

 

42 

 

Abstract 

Nitrogen (N) supply from organic inputs (such as farmyard manure (FYM), slurries or 
crop  residues)  to  crops  is  commonly  expressed  in  the  input

’s  Nitrogen  Fertiliser 

Replacement Value (

NFRV

). Values for 

NFRV

 can be determined by comparison of crop 

yield  or  N  uptake  in  amended  plots  against  mineral  fertiliser-only  plots.  Most 
commonly,  

NFRV

 is defined as the amount of mineral fertiliser N saved when using 

organic input-N (kg/kg), while attaining the same crop yield. Factors known to affect 
NFRV  are  crop  type  cultivated,  soil  type,  manuring  history  and  method  or  time  of 
application. 

We investigated whether long-term 

NFRV

 depends on N application rates. Using data 

from eight long term experiments in Europe, values of 

NFRV

 at low total N supply were 

compared with values of 

NFRV

 at high total N supply. Our findings show that FYM has 

a significant higher 

NFRV

 value at high total N supply than at low total N supply (1.12 

vs 0.53, 

p

 = 0.04). For the other input types investigated, 

NFRV

 was also higher at high 

total N supply than at low total N supply, but sample sizes were too small or variations 
too large to find significant differences. 

Farmers  in  Europe  usually  operate  at  high  rates  of  total  N  applied.  If  fertiliser 
supplements  are  based  on 

NFRV 

of  the  manure  estimated  at  low  total  N  supply,  N 

fertiliser requirements might be overestimated. This might lead to overuse of N, lower 
N use efficiency and larger losses of N to the environment.  

Keywords: 

Nitrogen  Fertiliser  Replacement  Value,  Mineral  Fertiliser  Equivalent, 

organic inputs, mineral fertiliser, Nitrogen, soil fertility, crop yield 

 

Abbreviations 

DM 

dry matter weight

 

FM 

fresh matter weight

 

FYM 

farmyard manure

 

K 

potassium

 

LS 

least squares

 

N 

nitrogen

 

Page 51

Figures and page graphics, page 51

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

 

43 

 

NFRV 

Nitrogen Fertiliser Replacement Value

 

NFRV

high

  NFRV at high total N supply

 

NFRV

low

  NFRV at low total N supply

 

N

saved high

  mineral fertiliser N saved from organic inputs at high total N supply

 

N

saved low

  mineral fertiliser N saved from organic inputs at low total N supply 

N yield 

N content crop yield

 

P 

phosphorus

 

3.1  

 

Introduction 

Efficient use of nitrogen (N) requires careful matching of N supply to crop demand. 
Often application of mineral fertilisers is combined with application of organic inputs 
such  as  farmyard  manure  (FYM),  slurries,  and  crop  residues  (also  called  organic 
manures, organic fertilisers or organic inputs). N in organic inputs generally has a lower 
availability to crops than N in mineral fertilisers, mainly depending on the C:N ratio of 
the input (Flavel  & Murphy 2006). Therefore, N in organic  inputs must be carefully 
matched  with  mineral  fertiliser  N  application  to  avoid  leaching  while  making  sure 
sufficient  N  is  available  for  crop  growth.  This  requires  the  characterization  of  the 
organic inputs by their Nitrogen Fertiliser Replacement Value (

NFRV

), also called the 

Mineral Fertiliser Equivalent (Jensen 2013). 

NFRV

 can be based on the amount of mineral fertiliser N which is substituted by an 

amount of organic input-N (kg/kg) while attaining the same crop yield (Herron & Erhart 
1965; Schilling 1987; Schröder 2005b). Crop yields can be expressed as fresh matter 
weights (FM), dry matter weights (DM) or N contents (N yields, Jensen 2013). These 
are all valid procedures, with the difference that values of 

NFRV

 based on N yields are 

often slightly lower than those based on DM or FM weights (Jensen 2013). N in organic 
inputs is always accompanied by other nutrients, such as phosphorus (P), potassium (K) 
or sulphur (S) which also affect crop yields. It is therefore important to exclude these 
effects when estimating values of 

NFRV

 based on yields (either DM, FM or N yields, 

Schröder 2005b)  

Lory et al. (1995) have suggested to calculate 

NFRV

 using economic N rates (mineral 

fertiliser  N  application  rates  at  which  marginal  crop  yields  offset  marginal  fertiliser 
costs) with and without organic inputs. Yields at economic N rates with and without 

Page 52

Figures and page graphics, page 52

Chapter 3 

 

44 

 

organic inputs might however differ, which hampers comparison at equal yield levels. 
In  addition,  economic  N  rates  are  dependent  on  prices  of  fertilisers  and  harvested 
products, which makes estimations less robust through time and space.  

Another  manner  to  determine 

NFRV

  of  organic  inputs  is  by  using  isotope  dilution 

techniques. Using 

15

N  labelled  materials, the  fate  of N from  either  organic  inputs or 

mineral fertilisers is measured among plant and soil fractions and compared (Diekmann 
et  al.  1993;  Janzen  et  al.  1990).  Additional  methods  to  calculate 

NFRV

  (such  as  the 

analysis of near infrared reflectance spectra of organic inputs) have been proposed but 
need further development (Delin et al. 2012). 

Values for 

NFRV

 differ when estimated in the first year of application of organic inputs 

(short-term 

NFRV

) or after repeated applications and several years (long-term NFRV, 

Gutser et al. 2005; Schröder 2005a), with higher values found for long-term 

NFRV

. For 

FYM, 

NFRV

 ranges between 0.10 and 0.70 (Birkmose 2009; Jensen 2013; Pikula et al. 

2016; Webb et al. 2013). For slurry, 

NFRV

 ranges between 0.20 and 0.90 (Birkmose 

2009; Delin et al. 2012; Jensen 2013; Kundler et al. 1989; Langmeier et al. 2002; Webb 
et al. 2013). For straw, 

NFRV

 has been estimated to be around zero (Dhillon and Dev 

(1984) as cited by Katyal 1993). For green manures, 

NFRV

 has been estimated ca. 0.4 

(Janzen  et  al.  1990),  but  this  will  probably  depend  on  the  species  of  green  manure 
cultivated.  

Factors known to affect 

NFRV

 (at a given dose of the input) include the form of N in the 

input, crop type cultivated, soil type, method of application, time of application and the 
manuring  history  which  may  govern  N  retention  and  losses  (Birkmose  2009;  Jensen 
2013; Katyal 1993; Kundler et al. 1989; Webb et al. 2013). Here we evaluate the effect 
of an additional factor on 

NFRV

 which is currently not taken into account: the total N 

supply.  We  address  the  following  research  question:  Does 

NFRV

  of  organic  inputs 

depend on total N supply? 

3.2  

 

Materials and methods 

To answer the research question, values for long-term 

NFRV

 were calculated based on 

yield response curves (either DM or FM weights of marketable products) at low and 
high total N supply. This required data from field trials where different N rates were 
applied with and without organic inputs. In such a set-up, mineral fertiliser N saved with 
an addition of organic input at low mineral fertiliser rates (

N

saved low

) can be compared 

with  mineral  fertiliser  N  saved  by  adding  the  same  amount  of  organic  input  at  high 

Page 53

Figures and page graphics, page 53

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

 

45 

 

mineral fertiliser rates (

N

saved

 

high

)

. 

In these cases, sufficient P and K has to be applied to 

ensure these macro-nutrients are not a yield limiting factor and affect the calculation of 

NFRV

 of organic inputs. Organic inputs however do not only supply N, P and K but also 

other nutrients, such as sulphur (S). Over the past decades, S was often not yield limiting 
due to the ample supply from the atmosphere (Eriksen 2009). More recently this has 
changed but not always adjusted for in field experiments. 

In Chapter 2, a database was compiled with data from 20 long term experiments. All 
these 20 experiments fulfilled the following six criteria: (1) at least four increasing levels 
of mineral fertiliser N rates  without organic inputs; (2) at least four increasing mineral 
fertiliser N rates with organic inputs; (3) P and K applied in ample amounts on all fields; 
(4)  at least five  years  of  yield data; (5)  if crops are  cultivated  in rotation,  yield  data 
available for at least two rotation cycles; (6) yield data reported for individual crop types 
(no aggregated data of whole-rotation yield output were used).  

Assessing 

NFRV

 called for an additional requirement: (7) N contents of organic inputs 

must be known. Using these seven criteria, 38 data sets (with multiple crops and organic 
input types) were assembled  from eight experiments in five countries across Europe 
(Table 3.1).  

The experiments ranged in duration between 15 to 44 years. These data, therefore, can 
be used to consider long-term 

NFRV

, including the greater part of the residual effect of 

manure  (Hernández  et  al.  2013;  Jensen  2013;  Schröder  2005a).  The  setup  of  these 
experiments implies that mineral fertiliser N rates are always confounded with total N 

supply. We therefore use the term ‘total N supply’.

 

For  each  data  set,  two  yield  response  curves  to  mineral  fertiliser-N  were  fitted,  one 
without (Y

0

) and one with organic inputs (Y

A

), following George (1984), see Fig. 3.1. 

𝑌 = 𝑎 + 𝑏 ∗ 0.99

𝑁

+ 𝑐 ∗ 𝑁 + 𝜀                                                                                                                       (3.1)

 

 

In Equation 3.1, 

Y

 is crop yield (t/ha) expressed in either fresh or dry matter weight of 

the  marketable  product, 

N

  is  the  mineral  fertiliser  N  rate  (kg  N/ha), 

a

, 

b

  and 

c

  are 

parameters to be fitted and 

𝝴

 is the error term.  

 

Page 54

Figures and page graphics, page 54

Chapter 3 

 

46 

 

 

 

Page 55

Figures and page graphics, page 55

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

 

47 

 

For each pair of curves, the amount of mineral fertiliser saved with an organic input was 
calculated at low and high total N supply (

N

saved low

 and 

N

saved

 

high

). 

N

saved low

 was defined 

as the amount of mineral fertiliser N required without organic inputs to match the yield 
obtained with the input alone (Equation 3.2; N = 0):  

𝑌

0

(𝑁

saved low

) = 𝑌

𝐴

(𝑁 = 0)                                                                                                                          (3.2)

 

To  calculate 

N

saved

 

high

,  the  highest  yield  level  which  was  reached  by  both  response 

curves within the experimental set-up was determined for each pair of response curves 
and called 

𝑌

max

0,𝐴

. This could be the maximum of one of the two response curves (as in 

Fig. 3.1a) or the highest yield reached within the experimental set-up (as in Fig. 3.1b).  

 

 

 

Accordingly, 

𝑁

max

0

 was defined as the mineral fertiliser N rate needed to reach 

𝑌

max

0,𝐴

 

without organic inputs. Following, 

N

saved high

 is the reduction in mineral N fertiliser when 

reaching 

𝑌

max

0,𝐴

 with organic inputs (Equation 3.3):  

𝑌

𝐴

(𝑁

𝑚𝑎𝑥

0

− 𝑁

𝑠𝑎𝑣𝑒𝑑 ℎ𝑖𝑔ℎ

) =   𝑌

𝑚𝑎𝑥

0,𝐴

                                                                                                                  (3.3)

 

Thus, 

N

saved low

 represents the reduction of mineral fertiliser when using organic inputs 

at low total N supply. 

N

saved high

 represents the reduction of mineral fertiliser when using 

organic  inputs  at  high  total  N  supply  matching  the  highest  yield  possible.  For  each 
dataset, a pair of response curves with 

N

saved low

 and 

N

saved high

 indicated is presented in 

the supplementary information (Supplementary Fig. 3.1 to 3.4, pages 54 to 56). 

Fig 3. 1: Illustration of calculating savings of N with organic inputs at low total N supply (N

saved low

) and at high 

total N supply (N

saved high

). Y

0

 is the yield response curve without organic inputs. Y

A

 is the yield response curve 

with organic inputs. At the left yields are shown from maize grown in Muencheberg between 1995-2003, with and 
without straw. At the right yields are shown from winter barley grown in Keszthely between 1999-2010, with and 
without farmyard manure.

 

Page 56

Figures and page graphics, page 56

Chapter 3 

 

48 

 

To find 

NFRV

low 

and 

NFRV

high

, both 

N

saved low

 and 

N

saved high

 were divided by the total N 

content of the organic inputs (Equations 3.4 and 3.5). 

𝑁𝐹𝑅𝑉

𝑙𝑜𝑤

=

𝑁

𝑠𝑎𝑣𝑒𝑑 𝑙𝑜𝑤

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑁 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑐 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡

                                                                                               (3.4)

 

𝑁𝐹𝑅𝑉

ℎ𝑖𝑔ℎ

=

𝑁

𝑠𝑎𝑣𝑒𝑑 ℎ𝑖𝑔ℎ

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑁 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑐 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡

                                                                                             (3.5)

 

Following,  for  each  pair  of  response  curves,  the  difference  between 

NFRV

low

  and 

NFRV

high

  was calculated. Statistical models based on the function lme (linear mixed-

effects model) of package nlme (Pinheiro et al. 2015) were used to find the least squares 
(LS)  means  for 

NFRV

low

  and 

NFRV

high

  per  type  of  organic  input.  These  models  can 

account  for  random  effects.  In  this  analysis,  the  eight  experiment  locations  were 
included as random effects. All data were processed in R version 3.2.5. 

3.3  

 

Results 

For FYM, mean 

NFRV

low

 was 0.53 (+ 0.26 - 95% Confidence Interval [CI]) and mean 

NFRV

high

 was 1.12 (+ 0.71 - 95% CI; N=17, Table 3.2). 

NFRV

high

 was 2.13 times larger 

than 

NFRV

low

 (

p

 = 0.04, Table 3.2). For slurry, only one dataset was available. For this 

set, the ratio between 

NFRV

high

 and 

NFRV

low

 was 1.65 (N=1, Table 3.2).  

For straw, one third of the 

NFRV

  values  were  negative at low total N supply,  while 

almost half (47%) of the 

NFRV

 values for straw were negative at high total N supply. 

Mean 

NFRV

low

 for straw was 0.12 (+ 0.36 

–

 95% CI) and mean 

NFRV

high

 was 0.35 (+ 

1.67 

–

 95% CI). 

NFRV

high

 for straw was 3.07 times larger than mean 

NFRV

low

, but not  

significantly so due to the large variation in the effects of straw on mineral  fertiliser 
requirements (

p 

=0.79).   

In five data sets, a combination of straw and green residues (green manures and/or beet 
leaves)  was  used  as an organic  input. At low total N supply, this combination had a 
negative 

NFRV

  in  two  cases  and  no  negative 

NFRV

  at  high  total  N  supply.  Mean  

NFRV

low

 was 0.14 (+ 0.39 

–

 95% CI) and mean 

NFRV

high

 was 0.91 (+ 1.21 

–

 95% CI). 

For the combination of straw and green residues, 

NFRV

high

 was 6.6 times larger than 

NFRV

low, 

but not significantly so, due to the small sample size (Table 3.2). 

Page 57

Figures and page graphics, page 57

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

 

49 

 

 

Page 58

Figures and page graphics, page 58

Chapter 3 

 

50 

 

3.1  

 

Discussion 

For all types of organic inputs, mean 

NFRV

 was higher at high total N supply than at 

low total N supply. Only for FYM the difference was significant (

p 

=0.04). For the other 

types of organic input either the sample sizes were too small or the variation too large. 

Currently,  values  for 

NFRV

  are  often  estimated  by  applying  organic  inputs  without 

mineral  fertilisers.  In  Europe,  farmers  often  apply  a  mixture  of  organic  inputs  and 
mineral fertilisers, thus having a higher total N supply (Potter et al. 2010). We compared 
values for 

NFRV

 at high total N supply (either the highest yield within the experimental 

set-up or the maximum of a response curve) with values of 

NFRV

 for organic inputs at 

low total N  supply  (at the start of the response curves). In practice,  farmers will (1) 
operate within environmental restrictions on N applications and (2) try to achieve an 
economic optimum. Therefore, most often farmers will target yields somewhat below 
the maximum of the N response curves, which will generally be closer to the values we 
calculated for 

NFRV

high

 than for 

NFRV

low

. 

Crop residues are often not used by farmers to replace mineral fertilisers as they have a 
high C:N ratio and  might require  N for decomposition  (Knapp et al. 1983). In these 
cases, crop residues have a negative 

NFRV

. Straw had a negative NFRV in one third 

(

NFRV

low

) to half (

NFRV

high

) of the cases in our study. A combination of green manures 

and straw had a negative NFRV in two fifth (

NFRV

l

ow

) to none (

NFRV

high

) of the cases.  

Our findings are based on 38 datasets from eight long term experiments. Besides straw 
and FYM, however, there were only a limited number of observations per organic input 
type (Table 3.2). Further work is needed to assess to what extent 

NFRV

 differs between 

low  and  high  total  N  supply  for  the  other  input  types,  for  different  soil  and  climate 
conditions and in combination with different crop types. Such an exercise would require 
a much larger dataset, preferably with N contents of organic inputs available.  

A  number  of  mechanisms  might  change  the  shape  of  the  yield  response  curve  and 
therefore cause a difference between the values of 

NFRV

low

 and 

NFRV

high

, on which we 

will  now  elaborate.  A  first  mechanism  could  be  that  organic  inputs  provide  other 
benefits than N to the crops (other nutrients or soil improvements), which has not been 
adjusted for in the  mineral fertiliser only  plots. In this case, the calculated values of 

NFRV

 cannot be solely attributed to N but include additional yield effects (Janssen 2002; 

Wadman et al. 1987). Elimination of the limitation(s) that caused such additional yield 
effect (

e.g

. by supplying a mineral S fertilizer) would result in a steeper mineral fertilizer 

Page 59

Figures and page graphics, page 59

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

 

51 

 

response (

i.e

. a better conversion of applied mineral fertiliser N into DM or FM yield). 

Consequently, 

NFRV

high

 

would decrease and approach 

NFRV

low

. A second alternative 

explanation  is  that  addition  of  mineral  fertiliser  might  increase  available  N  from  the 
input  (or  vice  versa).  Third,  addition  of  mineral  fertiliser  could  increase  uptake 
efficiency  of  N  from  organic  input  (or  vice  versa).  Finally,  a  combination  of  above 
mechanisms might take place at the same time.  

In our study, savings of mineral fertiliser when using organic inputs were compared at 
low and high total N supply. At low N supply, using only organic inputs was compared 
with using only mineral fertiliser. At high total N supply, using a combination of organic 
inputs and mineral fertiliser was compared with using only mineral fertiliser. The larger 
value of NFRV at high total N supply could suggest that the NFRV of organic inputs is 
higher when combined with mineral fertiliser than without. This suggestion could be 
further investigated by calculating NFRV (at equal yield) of organic inputs when applied 
in different amounts. If validated, this would open a new perspective on the advantage 
of  distributing  available  organic  inputs  among  many  farmers  in  a  given  region:  the 
region would require less fertiliser to produce the same yield output, than when organic 
inputs were concentrated in few farms. 

In this study, we have used yield response curves expressed in either dry or fresh matter 
to calculate values for 

NFRV

low

 and 

NFRV

high

. Other methods exist to calculate 

NFRV

, 

such  as  based  on  N  content  (Jensen  2013)  or  using  isotope  dilution  techniques 
(Diekmann et al. 1993; Janzen et al. 1990). An exploration of different methods into 
NFRV

low

 and NFRV

high

 might give further insights into possible mechanisms.  

3.2  

 

Conclusions 

Currently, values for 

NFRV

 are often based on experiments where crop yields in plots 

with only organic inputs (no mineral fertilisers) are compared with crop yields in plots 
with  only  mineral  fertiliser,  at  relatively  low  total  N  supply.  In  many  European 
countries, however, farmers operate at high total N supply. 

NFRV

 coefficients play a 

key  role  in  fertiliser  recommendation  systems  and  tools  (e.g.  MANNER-NPK,  
Nicholson et al. 2013) and various national Action Programmes in response to the EU 
Nitrates Directive (EEC 1991). For example, current Action Programmes in the UK, 
Denmark  and  the  Netherlands  use 

NFRV

  values  of  0.10,  0.45  and  0.30-0.60    kg/kg, 

respectively for total N in FYM, and values of 0.45, 0.75 and 0.60-0.80 kg/kg for pig 

Page 60

Figures and page graphics, page 60

Chapter 3 

 

52 

 

slurry (Dalgaard et al. 2014; RVO 2014; UK 2015)

1

. These values are often a political 

compromise,  but  based  on  short  or  long-term  estimations  of 

NFRV

.  These  statutory 

values define, in combination with N application standards, the maximum amounts of 
N fertiliser that farmers in those countries may apply, depending on crop and soil type. 

This meta-analysis of eight long term experiments on different types of organic inputs 
shows that 

NFRV

 of FYM was roughly up to two times larger at high than at low total 

N supply rate. Currently, 

NFRV

 

is usually assessed at the ‘lower end’ of the N response 

curve. Considering that farmers in Europe normally operate at relatively high mineral 
fertilisation rates, the use of 

NFRV

 

determined at the ‘lower’ end of the N response curve 

may underestimate 

NFRV

 of organic inputs. When using these lower values to estimate 

the N fertilizer replacement value of organic inputs, complementary mineral N fertiliser 
requirements are estimated to be larger than actually needed for achieving certain yields. 
This might lead to overuse, lower N use efficiency and more losses to the environment. 

If our findings can be further generalized, the observed contrast in 

NFRV

 between the 

respective  N  ranges  may  have  practical  implications  for  fertiliser  recommendations, 
depending  on  the  mechanisms  underlying  the  contrast.  Similarly,  the  contrast  might 
justify adjustment of statutory values for fertiliser equivalency coefficients as used to 
regulate N use in the Action Programmes - under the Nitrates Directive - of various EU 
member states. 

 

3.3  

 

Acknowledgments 

We thank all who set up, maintained and shared data from long-term experiments in 
Europe through their publications. We thank Guido Baldoni (University of Bologna) for 
providing  additional  data,  and  Margaret  Glendining  (Rothamsted  Research)  for 
providing an overview on long term experiments in Europe and sharing her network. 
We are grateful to Gerrit Gort (Wageningen University and Research) for his support 
on statistics. 

                                              

1

 Values for the Netherlands refer to arable crops on sandy soils 

Page 61

Figures and page graphics, page 61

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

53 

 

Supplement Chapter 3 

 

Supplementary Fig.3.1 

Mineral  fertiliser  N  savings  from  FYM  at  low 
and high total N supply 

54 

Supplementary Fig. 3.2 

Mineral  fertiliser  N  savings from slurry  at  low 
and high total N supply 

55 

Supplementary Fig. 3.3 

Mineral fertiliser N savings from a combination 
of straw and green residues at low and high total 
N supply 

55 

Supplementary Fig. 3.4 

Mineral  fertiliser  N  savings  from  straw  at  low 
and high total N supply 

56 

 

 

 

Page 62

Figures and page graphics, page 62

Supplement Chapter 3 

 

54 

 

N savings from FYM at low and high total N supply 

 

 

 

Supplementary Fig. 3. 1: Yield response curves to mineral fertiliser, with and without FYM. Blue arrows pointing 
to the left indicate a saving of mineral fertiliser N when applying FYM. Blue arrows pointing to the right indicate 
additional mineral fertiliser N is needed when applying FYM. Years of yield data: A) 1990-2000; B) 1986-2006; 
C) 1984-1992; D) 1999-2010; E) 2002-2007; F) 2002-2007; G) 1985-1993; H) 1983-1999; I) 1996-2004; J) 1984-
2002: K) 1995-2003; L) 1978-1982; M) 1994-1999; N) 1994-1999; O) 1999-2010; P) 1999-2010; Q) 1999-2010

 

Page 63

Figures and page graphics, page 63

Mineral fertiliser savings from organic inputs 

55 

 

N savings from slurry at low and high total N supply 

 

Supplementary  Fig.  3.  2:  Yield  response  curves  of  winter  wheat  to  mineral  fertiliser,  with  and  without  slurry 
applied in Bologna (1999-2010). Blue  arrows pointing to the  left indicate  saving of mineral fertiliser N when 
applying slurry at low and high total N supply. 

 

N savings from a combination of straw and green residues at low and high total N 
supply 

 

Supplementary Fig. 3. 3:

 

Yield response curves to mineral fertiliser, with and without a combination of straw and 

green  residues.  X-axes  indicate  mineral  fertiliser  N,  including  additional  mineral  fertiliser  N  added  for  the 
cultivation of green manures or decomposition of straw (at each site on average 16.7 kg N/ha/year). Blue arrows 
pointing to the left indicate a saving of mineral fertiliser N for a combination of straw and green residues. Blue 
arrows pointing to the right indicate additional mineral fertiliser N is needed for a combination of straw and green 
residues. Years of yield data: A) 1984-1992; B) 1986-2006; C) 1994-1999; D) 1994-1999; E) 1994-1999. 

 

Page 64

Figures and page graphics, page 64

Supplement Chapter 3 

 

56 

 

N savings from straw at low and high total N supply 

 

Supplementary Fig. 3.  4: Yield response curves to mineral fertiliser,  with and without straw application. Blue 
arrows pointing to the left indicate a saving of mineral fertiliser N when applying straw. Blue arrows pointing to 
the right indicate additional mineral fertiliser N is needed when applying straw. Years of yield data: A) 1991-
2001; B) 1990-2000; C) 1999-2010; D) 1999-2010; E) 1999-2010; F) 1999-2010; G) 1995-2003; H) 1983-1999; 
I) 1978-1982; J) 1985-1993; K) 1996-2004; L) 1984-2002; M) 1999-2010; N) 1999-2010; O) 1999-2010 

 

Page 65

Figures and page graphics, page 65

Drivers and barriers for organic inputs 

57 

 

Chapter 4. 

 

Drivers  and  barriers  for  arable  farmers  to  use  organic  inputs  in  six 
agro-ecological zones across Europe 

Renske  Hijbeek

1

,  Anette  A.  Pronk

2

,  Martin  K.  van  Ittersum

1

,  Jan  Verhagen

2

,  Greet 

Ruysschaert

3

, Jo Bijttebier

3

, Laura Zavattaro

4

, Luca Bechini

5

, Norman  Schlatter

6

, Hein 

F.M. ten Berge

2

 

 

1

Plant Production Systems, Wageningen Plant Research,  Wageningen University and 

Research, the Netherlands 

2

Agrosystems Research, Wageningen University and Research, the Netherlands

 

3

Flanders research institute for agriculture, fisheries and food, Belgium 

4

Department of Agricultural Forest and Food Sciences, Università degli Studi di Torino, 

Italy 

5

Department  of  Agricultural  and  Environmental  Sciences,  Università  degli  Studi  di 

Milano, Italy 

6

Department for Soil Health and Plant Nutrition, Austrian Agency for Health and Food 

Safety, Austria. 

 

To be submitted 

Page 66

Figures and page graphics, page 66

Chapter 4 

 

58 

 

Abstract 

Soil  organic  matter  (SOM)  can  be  built  up  by  using  organic  inputs  (such  as  straw, 
compost, farmyard manure or the cultivation of green manures or cover crops). SOM is 
known to have benefits for long-term soil fertility and can provide certain ecosystem 
services. This could be an incentive to stimulate farmers to use more organic inputs. 

Farmers’ behaviour is known to be motivated by a large number of factors. Using th

e 

theory  of  planned  behaviour,  we  aim  to  disentangle  these  factors.  We  address  the 
following research question: What are currently the main drivers and barriers for arable 
farmers in Europe to use organic inputs? 

This study focuses on six agro-ecological zones in four European countries (Austria, 
Belgium, Italy and the Netherlands) and four practices (straw incorporation, cultivation 
of  green  manure  or cover  crops,  application  of  compost and  application of  farmyard 
manure). In a first step, relevant factors were identified for each practice using five to 
ten semi-structured interviews with farmers per agro-ecological zone. In a second step, 
these factors were quantified as either drivers or barriers in a large scale farm survey 
among 1180 farmers.  

In  the  semi-structured  interviews,  91  relevant  factors  were  identified  influencing 

farmers’ decisions to use an organic input. In the larger farm survey, 60% of the factors 

included were evaluated as drivers, while 40% were evaluated as barriers for the use of 
organic inputs. Major drivers to use organic inputs were related to perceived effects on 
soil  quality  (such  as  improved  soil  structure  or  reduced  erosion)  and  the  positive 
influence from social referents (such as fellow farmers or agricultural advisors). Major 
barriers to use organic inputs were financial (increased costs or foregone income) and 
perceived effects on crop protection (such as increased pressure from weeds, pests and 
diseases, or increased pesticide use).  

Our study shows that farmers perceive a trade-off between improved soil quality on the 
one  hand  and  increased  pressures  from  weeds,  pests  and  diseases  and  financial 
consequences on the other hand when using organic inputs. Motivating farmers to use 
organic inputs therefore requires specific guidance on how to adapt cultivation practices 
in  order  to  reduce  the  pressure  of  weeds,  pests  and  diseases  for  specific  soil  types, 
weather conditions, and crops cultivated. In addition, more research is needed on the 
long-term financial effects of using organic inputs.

 

Key-words: 

drivers;  barriers;  straw;  farmyard  manure;  green  manures;  cover  crops; 

compost; soil organic matter; Europe; agro-ecological zones  

Page 67

Figures and page graphics, page 67

Drivers and barriers for organic inputs 

59 

 

Abbreviations 

AEZ

 

agro-ecological zone 

CT

 

conservation tillage 

FYM

 

farmyard manure 

SOM

 

soil organic matter 

4.1.

 

Introduction 

Using  organic  inputs  (such  as  straw,  green  manures,  compost  or  animal  manure) 
contributes to the soil organic  matter (SOM) content of a soil  (Panagos  et al. 2015). 
SOM  is  generally  considered  an  important  indicator  for  soil  fertility  (Christensen  & 
Johnston 1997; Reeves 1997) as it is known to stabilize soil structure, increase nutrient 
availability and improve water holding capacity (Johnston et al. 2009; Watts & Dexter 
1997). In addition, SOM content can have environmental benefits such as supporting 
soil biodiversity or sequestering carbon (Chang et al. 2007; Freibauer et al. 2004). 

Recently,  a  decline  in  SOM  content  has  been  identified  as  a  threat  to  soil  quality  at 
European scale (Stolte et al. 2015; Toth et al. 2008). Precise magnitudes of decline are 
unknown  as  monitoring  of  SOM  is  currently  sparse  (ten  Berge  et  al.  2017)  or  give 
contrasting results. For Great Britain, monitoring studies suggest no changes in SOM 
content over the last decades (Chapman et al. 2013; Reynolds et al. 2013). For Austria 
and the Netherlands, positive changes in SOM content have been reported (Dersch 2015; 
Reijneveld et al. 2009). For Germany, Italy, Belgium, Finland and Denmark, a negative 
change in SOM content of arable soils over the last decades has been reported (Capriel 
2013;  Fantappiè  et  al.  2011;  Goidts  &  van  Wesemael  2007;  Heikkinen  et  al.  2013; 
Taghizadeh-Toosi et al. 2014). 

Currently, maintenance of SOM content is included in the cross-compliance standards 
of Good Agricultural and Environmental Conditions (GAEC, EC 2013). Most member 
states have specified only a ban on burning of stubble, but a small number of countries 
has added additional measures including the use of organic inputs (such as solid manures 
or  soil  organic  manures;  Frelih-Larsen  et  al.  2016).  Frelih-Larsen  et  al.  (2016) 
recommend a strengthening of GAEC 6 by adding a requirement to incorporate crop 
residues, either directly or following mulching, after composting or after use as animal 
bedding.  Before  enforcing  such  a  measure,  it  is  important  to  understand  the  current 
drivers and barriers for farmers in Europe to use organic inputs. 

Page 68

Figures and page graphics, page 68

Chapter 4 

 

60 

 

Van  den  Putte  et  al.  (2010)  argue  that  farmers  often  have  few  incentives  to  use  soil 
conservation measures because

 

productive capacities of farms are not affected by soil 

degradation on the short term. Glenk et al. (2017) made an economic farm level analysis 
of SOM management in two areas in Scotland and Spain and found varied effects on 
farm gross margin, depending on input type  and region. They did however  note that 

farmers’ behaviour may be motivated by factors which are not directly economic such 

as perceived workability of the soil, or soil health for future generations. Simple cost-
benefit models might therefore not capture the complexity 

of farmers’ behaviour and 

attitudes  (Lynne  et  al.  1988).  Burton  (2004) 

argues  that  understanding  farmers’ 

willingness to adopt certain management practices improves when the theory of planned 
behaviour (Ajzen 1991) is used as a conceptual framework. 

 

Fig 4. 1: Illustration of the framework of the Theory of planned behaviour (Ajzen 1991). 

According to the theory of planned behaviour (Fig. 4.1), people base their behaviour on 
three main constructs: 1) their attitude, 2) their subjective (social) norm and 3) the degree 
of perceived behavioural control. In this framework, an attitude refers to the degree to 
which a person expects a certain outcome, together with the desirability of that outcome. 
An outcome is an expected result or impact of the practice, for example increased weed 
pressure or improved soil fertility. Subjective norm refers to the influence from social 
referents to perform a behaviour. Social referents in this case are for example fellow 
farmers  or  an  agricultural  advisor.  Perceived  behavioural  control  refers  to  perceived 
support  or  hindrance  from  control  factors.  A  control  factor  is  a  specific,  often  local, 
condition that governs the impact of the practice, or facilitates or hampers its adoption. 
These  three  constructs  together  lead  to  an  intention,  which  might  lead  to  a  certain 
behaviour (Ajzen 1991). 

Page 69

Figures and page graphics, page 69

Drivers and barriers for organic inputs 

61 

 

The  theory  of  planned  behaviour  has  been  successfully  applied  previously  in  an 
agricultural context. For example, Werner et al. (2017) found that in Germany, attitudes 
and perceived behavioural control were linked to intentions of farmers to cultivate cover 
crops. 

In this study, the theory of planned behaviour is used to identify drivers and barriers for 
the use of different organic inputs. We presume that specific drivers and barriers will be 
context-specific,  depending  among  others  on  soil  types  and  climates.  Therefore,  we 
assess drivers and barriers in six regions with specific combinations of slope, soil texture 
and  climate,  hereafter  called  agro-ecological  zones  (AEZ).  We  ask  the  following 
research question: What are currently the main drivers and barriers for arable farmers to 
use organic inputs?  

4.2.

 

Materials and methods 

4.2.1.

 

Study approach 

The  study  approach  consisted  of  two  steps:  1)  a  qualitative  step  to  identify  relevant 
outcomes,  referents  and  control  factors  for  each  practice;  2)  a  quantitative  step  to 
quantify each relevant outcome, referent or control factor (Fig. 4.2). For the first step, 
semi-structured  interviews  were  held  with  a  small  number  of  farmers,  whilst  for  the 
second  step, a  much  larger  farm survey was conducted.  In this  manner,  a  bottom-up 
approach is used relying on 

farmers’ knowledge o

f their local farming conditions in each 

AEZ. 

 

Fig 4. 2: Overview of the study approach. 

4.2.2.

 

Study area 

This study formed part of the European project CATCH-C in which AEZs in Europe 
were identified based  on three environmental factors: climate, slope and soil texture. 
Each  AEZ  has  more  or  less  homogeneous  conditions  for  each  factor  (Hijbeek  et  al. 
2013).  Six  AEZs  were  studied  in  four  countries  (Austria,  Belgium,  Italy  and  the 

Page 70

Figures and page graphics, page 70

Chapter 4 

 

62 

 

Netherlands). Selection of AEZs in each country was mainly based on the area of the 
AEZ and the economic importance of agriculture in the AEZ. Six AEZs were selected 
(Fig.  4.3  and  Table  4.1):  Austria  (AT1),  Belgium  (BE1),  Italy  (IT1,  IT2)  and  the 
Netherlands  (NL1,  NL2).  Within  each  AEZ,  data  collection  was  focused  on  arable 
farmers.

 

Fig 4. 3: Map of study area indicating the six AEZs in four European countries (Austria, Belgium, Italy and the 
Netherlands). 

In Austria, AT1 has a relatively dry climate (mean aridity index of 0.51), level or gentle 
slopes and a medium soil texture (meaning > 15% sand and 18-35% clay or 15-65% 
sand and  < 18% clay). In Belgium, BE1 has a relatively wet climate (mean aridity index 
0.73), a medium fine soil texture (meaning <15% sand, < 35% clay) and level to gently 
sloping lands.  

In Italy, IT1 and IT2 both have a very dry climate. IT1 is mainly present in the Po plain 
and has more level land. IT2 is mostly located in the hills of centre and southern Italy 
and  has  steeper  slopes.  To  differentiate  this  difference,  in  figures  and  tables  IT1  is 
labelled  IT1-level  and  IT2  is  labelled  IT2-sloping.  To  keep  the  text  flowing,  this 
adjective is not added in the text.  

Page 71

Figures and page graphics, page 71

Drivers and barriers for organic inputs 

63 

 

In the Netherlands, NL1 and NL2 both have a wet climate and level land. NL1 however 
has medium or medium fine soil textures and NL2 has only coarse soil textures (meaning 
> 65% sand  and < 18% clay). To differentiate this difference in soil texture between the 
two AEZs in the Netherlands, NL1 is labelled NL1-clay and NL2 is labelled NL2-sand 
in figures and tables. 

Table 4. 1

 

Characteristics of each AEZ. Climate zones follow Metzger et al. (2005). Aridity index of each climate 

zone is calculated by dividing annual precipitation by potential evapotranspiration, using spatial climatic data for 
the period 1975-2009 (Janssen et al. 2009). A lower aridity index indicates a drier climate. Soil texture classes 
follow classes used in the European soil database (EC & ESBN 2004). 

 

Climate zone 

Average aridity 
index of the climate 
zone 

Slope 

Soil texture 

AT1 

Pannonian 

0.51 (dry) 

level (0°) or gentle (2-3°)  medium 

BE1 

Atlantic Central 

0.73 (wet) 

nearly level (1°) 

medium fine 

IT1-level 

Mediterranean North  0.38 (very dry) 

level (0°) or gentle (2-3°)  coarse to medium fine 

IT2-sloping 

Mediterranean North  0.38 (very dry) 

gentle to moderate (2-7°) 

medium  or  medium 
fine 

NL1-clay 

Atlantic  North  and 
Central 

0.76 (wet) 

level (0°) 

medium  or  medium 
fine 

NL2-sand 

Atlantic Central 

0.76 (wet) 

level (0°) 

coarse 

Farmers were questioned on four types of organic inputs: incorporation of small grain 
cereal  straw  or  grain  maize  straw;  cultivation  of  green  manures  or  cover  crops; 
application of compost; and application of farmyard manure (FYM). Not all practices 
were  included  in each AEZ  (Table 4.2). Incorporation of straw  was included in five 
AEZs.  Cultivation  of  green  manures  or  cover  crops  was  included  in  six  AEZs. 
Application of compost was included in two AEZs. Application of FYM was included 
in only one AEZ.  

Table 4. 2: Overview of AEZs and types of organic inputs included in the farm survey. 

 

Incorporation of 

straw 

Cultivation of green 

manures or cover crops 

Compost 

FYM 

AT1 

 

X 

 

 

BE1 

X 

X 

X 

X 

IT1-level 

X 

X 

 

 

IT2-sloping 

X 

X 

 

 

NL1-clay 

X 

X 

 

 

NL2-sand 

X 

X 

X 

 

4.2.3.

 

Step 1: semi-structured interviews 

In the first step, five to ten farmers were interviewed in each AEZ to identify outcomes, 
referents and control factors for each practice. The objective of these semi-structured 

interviews was to use farmers’ knowledge to identify relevant factors for each practice, 

Page 72

Figures and page graphics, page 72

Chapter 4 

 

64 

 

based on the theory of planned behaviour. Farmers were asked five questions to identify 
outcomes of each practice, four questions to identify social referents for each practice 
and three questions to identify control factors for each practice (specific questions asked 
are listed in Supplementary Table 4.1, page 84). 

The  semi-structured  interviews  in  the  six  AEZs  resulted  in  285  identified  outcomes, 
referents and control factors. Each of these was related to a type of organic input and an 
AEZ. As could be expected, a substantial number of these items were similar, or almost 
similar,  across  different  types  of  organic  inputs  and  AEZs.  Therefore,  mentioned 
outcomes,  referents  and  control  factors  were  clustered  in  101  classes  (40  outcome 
classes, 12 referent classes and 49 control factor classes). Following, they were given 
shorthand labels (such as soil structure, or contract workers), which had overlap between 
outcomes, referents and control factors (

e.g. 

the label contract worker could refer to a 

referent or a control factor). This resulted in 91 labels. The 91 labels were classified into 
nine main categories (Table 4.3). The nine main categories were: soil type & climate, 
soil quality, crop protection, land use, technical, financial, environmental impact, legal 
and social (Fig. 4.4). 

 

Fig 4.  4:  Overview of the nine  main categories used for clustering outcomes,  referents and control factors as 
identified in the semi-structured interviews.

 

Page 73

Figures and page graphics, page 73

Drivers and barriers for organic inputs 

65 

 

 

Page 74

Figures and page graphics, page 74

Chapter 4 

 

66 

 

4.2.4.

 

Step 2: farm survey 

The outcomes, referents and control factors for the use of organic inputs identified in 
the semi-structured interviews were quantified in a large farm survey. For each outcome, 
referent and control factor, two questions were asked, based on the theory of planned 
behaviour.  In  this  manner,  the  attitude,  subjective  norm  and  perceived  behavioural 
control on the use of organic inputs could be calculated.  

The sampling for the questionnaires depended on the availability of a valid sampling 
frame of arable farmers within each country (

i.e.

 contact details of farmers). The most 

ideal sampling frame to obtain a completely random sample is a nation-wide database 

of farmers’ addresses. Such a database was available for Flanders (Belgium) and the 

Netherlands. In these countries farmers were invited by letter to participate in the farm 

survey.  In  Austria  and  Italy  researchers  depended  on  farmers’  associations,  farmers’ 

extension services or other contacts to distribute the questionnaires. Questionnaires were 
filled online (Austria and the Netherlands) or as a paper questionnaire (Belgium and 
Italy). Response rates varied between 12 to 59% (Table 4.4). 

To reduce the length of the questionnaires and increase the response rate, in Belgium 
and  the  Netherlands  questionnaires  were  split  into  two  or  three  parts  allocated  to 
different groups of farmers. As such, each group of farmers received a questionnaire 
with a common introduction section combined with in-depth questions only on a specific 
type of organic input. Questions on the incorporation of straw were then for example 

only sent to a subset of farmers. To reduce errors in farmers’ answers, respondents were 

not obliged to fill out every question. In the case of partly completed questionnaires, 
only the filled parts were used in the analysis. For these two reasons, numbers of farmers 
can  differ  between  analyses.  Questionnaires  were  returned  during  the  summer  and 
autumn of 2013. Filled questionnaires were checked on irregularities (typing mistakes 
or extreme numbers) and if any, removed from analysis.  

Table 4. 4: Numbers of farmers included in the semi-structured interviews (step 1) and the larger farm survey 
(step 2) NA = not applicable. 

 

Step 1 

Step 2 

 

 

 

Semi-structured 

interviews 

Questionnaires 

sent 

Response 

Response rate 

AT1 

8 

open online survey 

34 

NA 

BE1 

7 

1600 

430 

27% 

IT1-level 

8 

211 

124 

59% 

IT2-sloping 

9 

165 

98 

59% 

NL1-clay 

10 

2700 

336 

12% 

NL2-sand 

5 

2000 

241 

12% 

Page 75

Figures and page graphics, page 75

Drivers and barriers for organic inputs 

67 

 

In the farm survey, farmers were  also asked  if they used each  type of organic input. 
Hence,  farmers  were  asked  whether  they  cultivate  green  manures  or  cover  crops, 
incorporate straw, use FYM or compost, on at least one of their fields. 

Quantification of attitudes 

For each identified outcome (i), two types of questions were asked in the farm survey: 
1) To which degree  a  farmer  expects a  certain outcome (

i.e., 

result, effect)  from the 

given practice (‘belief strength’) and 2) how the outcome is  valued on a scale from 
‘bad’  to  ‘good’  (‘outcome  valuation’).  For  example:  a  possible  outcome  from  the 

application of compost is improved soil structure. In the farm survey, farmers were first 
asked  to which degree they expect  compost to improve  soil structure  (1 =  little, 5  = 
much) and second how they evaluate an improvement in soil structure (1 = bad, 5 = 
good). Outcome valuations were lowered by three points to give a negative to positive 
scaling (-2 to +2). In the data analysis, beliefs strengths and outcome valuations were 
multiplied to obtain an attitude score for each outcome (Equation 4.1, values for attitude 
ranging from -10 to +10). 

𝑎𝑡𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒

𝑖

= 𝑏𝑒𝑙𝑖𝑒𝑓 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ

𝑖

∗ (𝑜𝑢𝑡𝑐𝑜𝑚𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑖

− 3)                                                                (4.1)

 

Quantification of subjective norm 

For each social referent (k) identified in the semi-structured interviews, two types of 
questions were asked in the farm survey: 1) how motivated they are to comply with the 

referents’ view (‘motivation to comply’) and 2) t

o which degree the referent is positive 

or negative towards a practice 

(‘normative belief’). For example: A

 social referent for 

the incorporation of straw  are  fellow farmers. In the  farm survey, farmers  were  first 
asked  if  they  thought  fellow  farmers  are  positive  on  the  incorporation  of  straw  (1  = 
negative, 5 = positive). Second, farmers were asked how motivated they are to comply 
with the opinion of fellow farmers (1 = little, 5 = much). Normative beliefs were lowered 
by three points to give a negative to positive scaling (-2 to +2). In the data analysis, 
motivations to comply and normative beliefs were multiplied to obtain a subjective norm 
score for each referent (Equation 4.2, values for subjective norm ranging from -10 to 
+10). 

𝑠𝑢𝑏𝑗𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑛𝑜𝑟𝑚

 𝑘

= 𝑚𝑜𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑦

𝑘

∗ (𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑏𝑒𝑙𝑖𝑒𝑓

𝑘

− 3)                                    (4.2)

 

Quantification of perceived behavioural control 

For each identified control factor (m), also two types of questions were asked in the farm 
survey: 1) to which degree that control factor is valid for the farm 

(‘control strength’) 

and  2)  to  which    degree  the  control  factor  makes  the  practice  attractive  or  difficult 

Page 76

Figures and page graphics, page 76

Chapter 4 

 

68 

 

(‘control power’). 

For example: a control factor for using compost is the availability of 

compost in the farmers’ region. In the f

arm survey, farmers were first asked if there is 

compost availability in the region  (1 = not agree, 5 = agree) and second how much they 
thought  availability  of  compost  will  affect  utilization  (1  =  negative,  5  =  positive). 
Control powers were lowered by three points to give a negative to positive scaling (-2 
to  +2).  In  the  data  analysis,  control  strengths  and  control  powers  were  multiplied  to 
obtain a value for perceived behavioural control for each control factor (Equation 4.3, 
values for perceived behavioural control ranging from -10 to +10). 

𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑒ℎ𝑎𝑣𝑖𝑜𝑢𝑟𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙

𝑚

= 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ

𝑚

∗ (𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟

𝑚

− 3)                     (4.3)

 

Classification as drivers or barriers 

For each attitude, subjective norm and perceived behavioural control, the mean value 
across  all  respondents  in  an  AEZ  was  calculated,  together  with  the  95%  confidence 
interval. The 95% confidence interval was calculated as 

1.96 ∗

𝑠𝑑

√𝑁

 in which sd is the 

standard  deviation  and  N  is  the  number  of  farmers  who  answered  the  question. 
Significantly  positive  values  (when  zero  was  not  included  in  the  95%  confidence 
interval)  were  considered  drivers.  Significantly  negative  values  were  considered 
barriers.  

Each driver or barrier belonged to one of the 91 sub categories (Table 4.3) and nine main 
categories (Fig. 4.4). If two identified factors for a type of organic input and AEZ fell 
into  the  same  subcategory  (

e.g.

  soil  fertility)  and  they  were  both  positive  (or  both 

negative), the average was taken. When two identified factors for a practice and AEZ 
fell into the same sub category but the signs differed (the one being negative and the 
other  positive)  they  were  kept  separate  in  the  analysis  (meaning  the  sub  category 
represents both a driver and a barrier for a given practice). The latter was done because 
apparently  sometimes  an  outcome  or  control  factor  (

e.g. 

soil  fertility)  can  be  both  a 

driver and a barrier, and we wanted to keep this information visible in the results. 

4.3.

 

Results 

4.3.1.

 

Characteristics of farmers in the survey 

When  conducting  the  farm  survey,  we  aimed  to  target  arable  farmers  with  specific 
climates,  slopes  and  soil  textures  (Table  4.1),  based  on  European  scale  datasets. 
Targeting farmers with similar conditions for slope and soil texture however proved to 
be difficult as these characteristics differ at smaller geographical scales. Overall, soil 

Page 77

Figures and page graphics, page 77

Drivers and barriers for organic inputs 

69 

 

textures and slopes of the respondents in each AEZ showed correspondence with the 
targeted AEZs but there was also considerable variation within each AEZ (Table 4.5). 

Table 4. 5: Characteristics (slope, soil texture) of the AEZ and their farms in the survey, averaged per AEZ. N 
indicates number of farmers on which the analysis is based, if a range is specified, this means that the number of 
farmers varied by practice.  

  

AT1 

(N=34) 

BE1  

(N=371-395) 

IT1-level 

(N=102-114) 

IT2-sloping 

(N=82-85) 

NL1-clay 

(N=331-333) 

NL2-sand 

(N=217-219) 

Slope  (mean  percentage 
farm area) 

  

  

  

  

  

  

Level (0°) 

18% 

39% 

80% 

8% 

100% 

100% 

Nearly level (1°) 

22% 

31% 

10% 

8% 

0% 

0% 

Gently sloping (2-3°) 

32% 

22% 

5% 

31% 

0% 

0% 

Sloping (4-7°) 

16% 

7% 

4% 

39% 

0% 

0% 

Steep (>8°) 

12% 

2% 

1% 

14% 

0% 

0% 

Soil 

texture 

(mean 

percentage farm area) 

  

  

  

  

  

  

Sand 

26% 

8% 

12% 

1% 

1% 

93% 

Loam 

40% 

91% 

72% 

62% 

7% 

1% 

Clay 

32% 

1% 

16% 

38% 

91% 

1% 

Peat 

0% 

0% 

0% 

0% 

0% 

4% 

In Austria, respondents to the farm survey had a very diverse range of slopes and soil 
textures. In Belgium, farmers had mainly loamy soils (91%) and mostly level to gently 
sloping lands. In Italy, IT1 farmers had mainly level land and in IT2 farmers had mainly 
gentle to steep sloping land. In the Netherlands, farmers in NL1 had mainly clay soils 
and farmers in NL2 had mainly sandy soils. 

4.3.2.

 

Current use of organic inputs 

In all AEZs, farmers used organic inputs to some degree (Table 4.6). When cultivating 
cereals, the majority of farmers incorporated straw sometimes to always, although some 
differences  between  AEZs were  observed. In BE1, fewer farmers  incorporated  straw 
(26%),  probably  at  least  partly  due  to  the  high  use  of  FYM  (in  which  case  straw  is 
exported to livestock farms and then again imported as FYM). When cultivating grain 
maize,  the  majority of  farmers  also incorporated  straw  sometimes  to always, only in 
NL1 this was not the case.   

A  large  difference  in  the  cultivation  of  green  manures  or  cover  crops  is  observed 
between the six AEZs (Table  4.6). While in AT1, BE1, NL1 and NL2 most farmers 
cultivated green manures or cover crops on at least one of their fields (> 80%), only a 
small minority cultivated green manures or cover crops in IT1 and IT2 (10%).  

Page 78

Figures and page graphics, page 78

Chapter 4 

 

70 

 

Table 4. 6: Use of organic inputs in each AEZ. Bold numbers indicate combinations of AEZ and input type for 
which  questions  on  outcomes,  referents  and  control  factors  are  included  in  the  farm  survey.  For  straw 
incorporation, percentages are calculated as share of the farmers who cultivate the specified crop. 

 

AT1 

BE1 

IT1-level 

IT2-sloping 

NL1-clay 

NL2-sand 

Straw incorporation  
(% farmers incorporating straw 
sometimes to always)

1

 

  

  

  

  

  

  

small grain cereal straw 

71% 

26% 

- 

- 

68% 

60% 

maize straw 

88% 

94% 

- 

- 

38% 

65% 

cereals, maize or sunflower 

- 

- 

93% 

69% 

- 

- 

 

 

 

 

 

 

 

Cultivation of green manure or 
cover crops on at least one field 
(% farms) 

  

  

  

  

  

  

Green manure or cover crop 

93% 

87% 

10% 

10% 

84% 

83% 

 

 

 

 

 

 

 

Application FYM or compost 
(% farmers applying compost or 
FYM  on at least some part of 
the land) 

  

  

  

  

  

  

Compost 

17% 

8% 

42% 

55% 

35% 

29% 

FYM 

46% 

71% 

57% 

67% 

39% 

16% 

A higher percentage of farmers in IT1 and IT2 (42 and 55%) used compost compared to 
farmers in AT1 and BE1 (17% and 8%), with NL1 and NL2 in between (35% and 29%). 
The use of FYM varies widely, with the highest percentage of farmers using FYM in 
BE1 and IT2 (71% and 67%) and the lowest  in NL2 (16%). In the Netherlands, farmers 
on sandy soils are often located near pig farms, which create a large availability of slurry, 
possibly explaining the low use of FYM. 

 

4.3.3.

 

Drivers and barriers for the incorporation of straw 

Incorporation of straw was included in the farm survey of five AEZs (BE1, IT1, IT2, 
NL1 and NL2). The total number of outcomes, referents and control factors identified 
for the incorporation of straw 

was 93 (summed over the five AEZ’s, or on average 15.5 

per AEZ). Out of these, 48 were evaluated significantly positive as drivers and 33 were 
evaluated  significantly  negative  as  barriers  by  the  farmers  (Fig.  4.5).  Of  the  drivers, 
around 40% were related to soil quality (N=19). 

 

                                              

1

 Only farmers are included when a specific crop (maize, cereal) was present in the  a crop rotation of farm. In 

Italy, sunflower was also included in the question on straw incorporation.  

Page 79

Figures and page graphics, page 79

Drivers and barriers for organic inputs 

71 

 

 

Fig 4. 5: Drivers and barriers for incorporation of straw per AEZ

. ■ = mean attitude score on outcome; ● = mean 

subjective  norm  of  referent  ▲=  mean  perceived  behavioural  control  on  control  factor.  Lines  indicate  95% 

confidence interval. N = numbers of farmers i

ncluded in analysis. Numbers in [] link to farmers’ descriptions in 

Supplementary Table 4.2. GM = green manure. Colours indicate main categories. 

Page 80

Figures and page graphics, page 80

Chapter 4 

 

72 

 

Of the barriers, Almost half was financial (N=15), yet there were also some financial 
drivers  (N=6).  All  outcomes  and  control  factors  related  to  crop  protection  were 
evaluated as barriers (4 out of 4). 

In all AEZs, effects on soil structure and SOM content were identified as outcomes and 
evaluated as drivers for straw incorporation (Fig. 4.5). In almost all AEZs - besides BE1 
- weeds, pests and diseases in general or specifically fungal diseases were evaluated as 
a barrier for straw incorporation. In addition, costs of straw incorporation and loss of 
income from selling straw were also evaluated as barriers for straw incorporation in all 
AEZs.  In  most  AEZs,  subjective  norms  of  referents  were  positive  on  straw 
incorporation. Only in BE1, a negative subjective norm exists from fellow farmers and 
contract workers.  

In  BE1,  legal  nutrient  limits  were  seen  as  a  driver  as  well  as  a  barrier.  Like  the 
Netherlands, the region of Flanders in Belgium (where the study was conducted), is a 
Nitrate Vulnerable Zone, which gives stricter limitations on nutrient inputs for farmers. 
Straw is however  not  counted  within the legal nutrient limits, therefore  it is seen  by 
some  farmers  as  an  easy  manner  to  increase  SOM  content.  At  the  same  time,  other 
farmers  prefer  to add  N to straw  for decomposition, in which case  the legal  nutrient 
limits  are  a  barrier.  The  relatively  high  application  of  FYM  in  BE1  (Table  4.6)  also 
makes incorporation of straw less attractive.  

In Italy (both IT1 and IT2), legal prohibition of burning straw was considered a driver 
for straw incorporation. In IT1 specifically, effects of straw incorporation on product 
quality (protein content) was a driver, while in IT2 availability of adequate machinery 
for chopping and incorporating residue was a driver.  

In  the  Netherlands  (NL1  and  NL2),  reduced  labour  or  time  requirements  for  straw 
incorporation  (compared  to  removing  it  from  the  land)  and  positive  effects  on 
workability of the soil were considered important drivers. Fertiliser use was evaluated 
by farmers as a strong barrier, because farmers believe additional fertiliser is needed for 
straw decomposition.  

4.3.4.

 

Drivers and  barriers  for  the  cultivation  of green  manures or cover 

crops 

Cultivation of green manures or cover crops was evaluated in the farm survey of all six 
AEZs (Fig. 4.6).  

Page 81

Figures and page graphics, page 81

Drivers and barriers for organic inputs 

73 

 

 

Fig 4. 6: Drivers and barriers for cultivation of green manures or cover crops per AEZ

. ■ = mean attitude score 

on outcome; ● = mean subjective norm of referent ▲= mean perceived behavioural control on control factor. 

Lines indicate  95% confidence intervals.  N = numbers of farmers  included in analysis.  Numbers in []  link  to 

farmers’ descriptions in 

Supplementary Table 4.3. GM = green manure. CT = conservation tillage. For legend of 

colours see Fig. 4.5 or 4.

 7

 

Page 82

Figures and page graphics, page 82

Chapter 4 

 

74 

 

The total number of outcomes, referents and control factors identified for the cultivation 
of green manure or cover crops was 138 (summed over the six 

AEZ’s, or on average 

23 

per  AEZ).  The  majority  (N=80)  was  evaluated  significantly  positive  as  drivers,  a 
minority  (N=42)  was  evaluated  significantly  negative  as  barriers.  A  small  minority 
(N=16) was not significantly different from zero (Fig. 4.6). Of the drivers, 35% was 
related to soil quality (N=28). One third of the barriers was financial (N=14), yet there 
were  also  some  financial  drivers  (N=9).  All  outcomes  and  control  factors  related  to 
environmental impact were evaluated as drivers (5 out of 5). 

Like for straw incorporation, effects on soil structure and SOM content were identified 
and evaluated as drivers in each AEZ for the cultivation of green manures or cover crops 
(Fig. 4.6). The effect of green manures or cover crops on soil erosion was also identified 
and evaluated  as a driver in almost each AEZ, except in IT1 (not included in survey 
because  it  was  not  identified  as  an  outcome  or  control  factor  in  the  semi-structured 
interviews). In the Netherlands (NL1 and NL2) subjective norms of all referents were 
positive, unlike for example Italy (IT1 and IT2) where especially fellow farmers and 
family were perceived to have a negative view on the cultivation of green manures or 
cover crops. 

In four AEZs (AT1, BE1, NL1 and NL2) weeds, pests and diseases (as a general term) 
or more specifically increases in weeds, nematodes, herbicide use or pesticide use (as 
specific terms) were evaluated negatively as barriers for the cultivation of green manures 
or cover crops. In BE1 however, positive effects of green manures or cover crops on 
weeds were also a driver. In IT1 and IT2 issues with crop protection were not mentioned 
in the semi-structured interviews with the farmers and therefore not included in the farm 
survey.  In  all  AEZs,  costs  and  effects  on  income  were  important  barriers  for  the 
cultivation of green manures or cover crops.  

In  AT1,  effects  of  cultivating  green  manures  or  cover  crops  on  the  water  holding 
capacity  of  the  soil  was  evaluated  as  well  a  driver  as  a  barrier  (Fig.  4.6a).  Previous 
studies have shown 

–

 on average - no significant effect on water holding capacity from 

the cultivation of green manures or cover crops in this area (Bodner 2013; Bodner et al. 
2011). Austrian farmers can receive a subsidy for the cultivation of green manures or 
cover crops, which is evaluated as a driver. To receive a subsidy, farmers have to follow 
specific trainings. 

In Flanders (BE1), farmers can also receive a subsidy for cultivating green manures or 
cover crops at the time the survey was conducted. To be eligible for subsidy, farmers in 
Flanders have to sow the green manure before a certain date (before the 1

st

 of September 

Page 83

Figures and page graphics, page 83

Drivers and barriers for organic inputs 

75 

 

or the 15

th

 of October, depending on their location). As the time period between harvest 

of some crops and legal sowing date is perceived as too short, this preconditions was 
considered a barrier.  

In Italy (IT1 and IT2), costs were a major barrier for the cultivation of green manures or 
cover  crops.  Additional  costs  include  production  factors  such  as  seeds,  but  also 
mechanical  operations  such  as  tillage  or  sowing.  Interestingly,  farmers  perceived  a 
positive effect of green manure or cover crops on fertiliser use in IT2, with savings of 
fertiliser in the following cash crop. In IT1, having clay soils was seen as a barrier for 
the cultivation of green manure or cover crops. On clay soils, seedbed preparation for 
green manures might be more complicated due to excessive soil water content. 

In the Netherlands (NL1 and NL2), improved workability of the soil was evaluated as 
an  important  driver.  This  relates  to  perceived  reductions  in  fuel  costs  and  perceived 
reductions  in  the  loss  of  soil  during  harvest.  In  the  Netherlands  (NL1  and  NL2), 
requirements  in  labour  and  time  to  cultivate  green  manures  or  cover  crops  was 
considered a barrier. This relates specifically to the small time frame available at the end 
of summer after harvesting the main crop for the sowing of the green manure. 

4.3.5.

 

Drivers and barriers for the application of compost or FYM 

Application of compost was included in the farm survey of two AEZs (BE1 and NL2-
sand), while the use of FYM was included only in BE1. As both types of input are often 
imported on arable farms, the results of these two input types are presented together. 
The total number of outcomes, referents and control factors identified for the application 
of compost or FYM was 54 (summed over three AEZs, or on average 18 per AEZ). Out 
of  these,  23  were  evaluated  significantly  positive  as  drivers  and  25  were  evaluated 
significantly negative as barriers (Fig. 4.7). Of the drivers, more than half were related 
to soil quality (N=13). Forty percent of the barriers was financial (N=10) and almost a 
quarter of the barriers was technical (N=6). A number of outcomes and control factors 
related  to  crop  protection,  environmental  impact  and  legal  aspects  were  identified 
(respectively 2, 2 and 1). These were all evaluated as barriers. 

For compost, the effect on SOM content was evaluated positively by farmers as a driver 
in both AEZs (Fig. 4.7). In BE1, effects of compost on various aspects related to soil 
quality were also evaluated as drivers (

e.g. 

soil life, soil health, soil fertility and soil 

structure). In the Netherlands compost may be applied throughout the year - in contrast 
to animal manures - making it a more attractive option compared to other organic inputs. 
Therefore, the legally allowed timing of application was also evaluated as a driver for 

Page 84

Figures and page graphics, page 84

Chapter 4 

 

76 

 

compost  in  NL2.  Availability  of  alternative  organic  inputs  such  as  animal  manure, 
pollution  of  compost  and  required  labour  and  time  for  spreading  were  considered 
barriers for using compost in both BE1 and NL2. In addition a range of other issues were 
evaluated  as  barriers  in  BE1,  such  as  availability,  required  knowledge,  nitrogen 
leaching, increases in weeds, pests and diseases, legal nutrient restrictions, availability 
of appropriate machinery and compatibility with residue incorporation.  

 

Fig 4. 7: Drivers and barriers for application of compost or FYM per AEZ

. ■ = mean attitude score on outcome; 

● = mean subjective norm of referent ▲= mean perceived behavioural control on control factor. Lines indicate 
95% confidence intervals. N = numbers of farmers included in analysis. Numbers in [] link to farmers’ descrip

tions 

in Supplementary Tables 4.4 to 4.5. FYM = farmyard manure. N = nitrogen. Colours indicate main categories. 

 

 

Page 85

Figures and page graphics, page 85

Drivers and barriers for organic inputs 

77 

 

For  the  application  of  FYM,  a  similar  range  of    positive  effects  were  found  on  soil 
quality as from compost (

e.g. 

soil life, soil health, soil fertility and soil structure). An 

important barrier for FYM in Flanders was the need for appropriate storage facilities 
during winter. Many farmers state that they do not have such a storage place and that 
this makes the use of FYM  unattractive. 

4.3.6.

 

Drivers and barriers aggregated per category 

Of all the 285 identified outcomes, referents and control factors in the semi-structured 
interviews, 151 were evaluated significantly positive as a driver and 100 were evaluated 
significantly negative as a barrier (Fig. 4.8). 

 

Fig 4. 8: Counts and percentages of drivers and barriers per practice and category. Red colours indicate barriers 
and blue colour indicates drivers. 

Page 86

Figures and page graphics, page 86

Chapter 4 

 

78 

 

Aggregating drivers across AEZs, soil quality stands out as the most important driver 
for using organic inputs. For all types of organic input, soil quality consistently has the 
highest  count  and  percentages  of  cases  in  which  it  is  evaluated  as  a  driver  (except 
environmental impact of green manures or cover crops, Fig. 4.8b).  

For each type of organic input, financial consequences are most often mentioned as a 
barrier, but crop protection has the highest percentage of cases in which it is evaluated 
as  a  barrier  compared  to  the  total  sum  of  barriers  and  driver  in  that  category.  Both 
financial consequences and crop protection are therefore important barriers for the types 
of organic input considered in this study. 

4.4.

 

Discussion 

4.4.1.

 

Drivers and barriers identified 

In  this  study,  a  large  number  of  outcomes,  referents  and  control  factors  (285)  were 
identified being relevant to farmers for using organic inputs. To support data analysis, a 
clustering was made consisting of 91 labels falling into nine main categories (Table 4.3). 
Using a bottom-up approach, the categories were based on insights provided by farmers.  

For all types of organic inputs, important drivers were perceived effects on soil quality 
and a positive influence from social referents. In contradiction to the assumption that 
farmers have too few incentives to use soil conservation measures because productive 
capacities are not affected by soil degradation on the short term (Van den Putte et al. 
2010), farmers in our survey show a great interest in maintaining long term soil fertility 
and SOM contents. Effects on SOM content and soil fertility are consistently amongst 
the top drivers for each type of organic input (Fig.4.5, 4.6 and 4.7). We confirmed the 

notion that farmers’ behaviour 

is  motivated by a wide array of factors which are not all 

directly economic (Glenk et al. 2017) as financial aspects were only a selected part of 
the  total  listed  drivers  and  barriers.  If  mentioned,  financial  consequences  of  using 
organic inputs were more often evaluated negative than positive.  

In our farm survey, farmers consistently evaluated the effects of organic inputs on crop 
protection  negatively.  From  field  experiments,  cereal  straw  is  known  to  spread  an 
important fungal disease causing grain contamination (Fusarium head blight, FHB) to 
subsequent cereals in crop rotations (Maiorano et al. 2008), although some measure to 
relieve this pressure are also known. For example, the spread of FHB can be reduced 
when crop residues are incorporated into the soil (Blandino et al. 2012). Organic inputs 
have been observed to reduce soil-borne diseases, but only if they are rich in nitrogen 

Page 87

Figures and page graphics, page 87

Drivers and barriers for organic inputs 

79 

 

(Bailey and Lazarovits 2003). In a recent literature review on the role of compost on 
soil-borne  plant  diseases,  Mehta  et  al.  (2014)  found  a  large  variation  in  effects,  but 
mainly  positive  effects  on  disease  suppression  when  composts  were  enriched  with 
specific soil microbes. In a more general observation, Bailey and Lazarovits (2003) note 
that it takes time to develop disease suppressive soils when using organic inputs and that 
benefits manifest only after a number of successive years. If farmers see negative effects 
on crop protection in the first year of using a specific type of organic input, they might 
however not be willing 

–

without convincing evidence - to wait and see if this changes 

in the future.

 

4.4.2.

 

Relating drivers and barriers to the use of organic inputs  

When considering the use of organic inputs in each AEZ (Table 4.6), the most striking 
was the difference in cultivation of green manures or cover crops. In both IT1 and IT2, 
only 10% of farmers cultivated green manures or cover crops, whilst in the other AEZs 
this percentage was above 83%. Looking at the drivers and barriers for the cultivation 
of green manures or cover crops (Fig. 4.6), the number of identified outcomes, referents 
and control factors is smaller in IT1 and IT2 (12 and 15 respectively) compared to the 
other AEZs (ranging from 23 in BE1 to 38 in AT1). This situation, however, cannot 
satisfactorily explain the low adoption in Italy, because a similar situation (small number 
of outcomes, referents and control factors) was also found for straw incorporation, for 
which the adoption was higher. Relatively more outcomes, referents and control factors 
were evaluated as barriers compared to drivers in IT1 and IT2 (50% and 47%) than in 
the other AEZs (ranging from 16% in NL1 and NL2 to 43% in BE1).  

As in the other AEZs, costs and foregone income were also mentioned in IT1 and IT2 
as barriers for the cultivation of green manures or cover crops. In IT1 and IT2 however, 
fellow farmers and family were also perceived to have a negative view on the cultivation 
of green manures or cover crops whilst suppliers and advisors were somewhat neutral. 
In Italy, suppliers have a more positive view regarding straw incorporation (Fig. 4.5b,c). 
Thus,  it  appears  that  the  community  around  farmers  does  not  help  in  promoting  the 
adoption of green manures or cover crops. From the personal experience of the Italian 
co-authors it is known that, because green manure is still a relatively new practice for 
Italian farmers, communication and learning from peers are very important factors to 
increase the adoption. From the experience of farmers who are already successful with 
green manures or cover crops in Italy, other farmers could learn what are the best species 
or  mixes,  seed  rate,  seeding  date,  seeding  technique,  and  termination  technique  in  a 

Page 88

Figures and page graphics, page 88

Chapter 4 

 

80 

 

given  soil  and  climate.  Currently  the  adoption  of  green  manures  or  cover  crops  is 
however low so that farmers have little exposure to these practices. 

4.4.3.

 

Straw incorporation and N requirements 

For the incorporation of straw, legal nutrient limits are mentioned to be relevant in BE1, 
NL1  and  NL2.  Flanders  (Belgium)  and  the  Netherlands  are  designated  Nitrate 
Vulnerable Zones (EEC 1991). In these cases, farmers are restricted by legal nutrient 
limits when using mineral fertilisers and/or organic inputs. In BE1, legal nutrient limits 
are as well a driver and barrier for the incorporation of straw. This can be explained by 
the variability in N demands of straw decomposition. In certain cases, incorporation  of 
straw can supply N to crops, whilst in other circumstances, it can induce temporary N 
immobilization  and  needs  N  for  decomposition  (Chapter  3  of  this  thesis;  Silgram  & 
Chambers 2002). A similar phenomenon is seen in IT1, where fertiliser use is evaluated 
as a driver and a barrier for the incorporation of straw by farmers. 

4.4.4.

 

Limitations of the study 

Agro-ecological zones 

For this study, farmers were clustered in AEZs to assess drivers and barriers for the use 
of organic inputs of large groups of farmers in certain areas. The aim was to assess these 
drivers  and  barriers  for  farmers  with  similar  environmental  conditions  (soil  textures, 
slopes,  climates)  After  data  collection,  it  became  obvious  that  slope  and  soil  texture 
varied  greatly  within  each  AEZ.  For  the  purpose  of  this  study,  it  was  however  not 
possible to divide farmers on their separate farm characteristics, because numbers per 
group would become too small to make meaningful comparisons. In further chapters of 
this  thesis  which  are  based  on  the  farm  survey  (Chapters  5  and  6),  environmental 
conditions  for  each  individual  farm  will  be  calculated  and  used  as  such  in  the  data 
analysis. 

Underlying beliefs 

In this study, we assessed means of the combined scores for attitude, subjective norm 

and  perceived behavioural  control.  These concepts  are  based on underlying farmers’ 

beliefs (

e.g. 

attitudes are formed by belief strengths and outcome valuations, Equation 

4.1). In future work, these two separate components might be explored in more detail, 
as done for example by Bechini et al. (2015) for straw incorporation in Italy and by 
Viaene et al. (2016) for compost in Flanders.  

Page 89

Figures and page graphics, page 89

Drivers and barriers for organic inputs 

81 

 

Assessing the different types of organic inputs separately 

Drivers and barriers were analysed separately for the use of each type of organic input. 
Farmers indicated that the use of one type of organic input depends on the use of another 
type of organic input (for example, if a farmer already uses slurry, that might be a reason  
not  to  use  FYM).  Both  the  Netherlands  and  Belgium  have  a  large  supply  of  animal 
manure  due  to  the  presence  of  a  relatively  large  livestock  sectors  (Oenema  and 
Berentsen 2004; Viaene et al. 2016). Sometimes, animal slurry is even offered for free 
to arable farmers. In these cases, this cheap offer of slurry is a barrier for the use of for 
example compost (BE1 and NL2, Fig. 4.7). In a case study in the Netherlands (Chapter 
5 of this thesis), an aggregated measure of all organic inputs used by a farmer will be 
used, expressed in total C or effective C. In addition, drivers and barriers for increasing 
SOM content (as a general concept) will be analysed, including underlying beliefs.  

4.5.

 

Conclusion 

Major drivers for the use of organic inputs across six AEZs in this study were perceived 
effects on soil quality (

e.g. 

soil structure, soil fertility, soil health) and in most cases a 

positive influence from social referents. Major barriers for the use of organic inputs were 
perceived    negative  effects  on  (or  the  need  for)  crop  protection  (

e.g. 

effects  on  the 

incidence of weeds, pests and diseases or effects on herbicide or pesticide requirements) 
and financial consequences (higher costs; income forgone).  

Our findings shows that farmers perceive a trade-off between improved soil quality on 
the  one  hand  and  increased  pressures  from  weeds,  pests  and  diseases  and  financial 
consequences  on  the  other  hand  when  using  organic  inputs.  If  agricultural  and 
environmental policies aim to include the use of organic inputs as a measure to maintain 
or increase SOM contents (as proposed by Frelih-Larsen et al. 2016), then farmers need 
specific guidance on how reduce the pressure of weeds, pests and diseases. Ideally, this 
advice  would  be  differentiated  for  specific  soil  types,  weather  conditions,  and  crops 
cultivated.  

On the moment, financial consequences of using organic inputs cannot be assumed to 

be neutral on the short term, at least not from a farmers’ perspective. Therefore, more 

research is needed on the long-term financial effects of using organic inputs. If the use 
of  organic  inputs  has  societal  benefits  beyond  the  farm-gate  (

e.g.

  biodiversity 

conservation  or  soil  carbon  sequestration),  these  financial  consequences  could  be 
accounted for.  

Page 90

Figures and page graphics, page 90

Chapter 4 

 

82 

 

4.6.

 

Acknowledgements 

Our gratitude goes to all European farmers who spared some of their time to fill in the 
questionnaire. Setting up a large scale farm survey would not have been possible without 
numerous  colleagues  across  different  institutes.  In  Austria,  main  contacts  were  the 
provincial  and  regional  officials  of  the  chamber  of  agriculture  in  Lower  Austria.  In 
Belgium,  data  was  collected  with  the  help  of  Erwin  Wauters  (ILVO).  In  Italy,  we 
received  support  from  universities  of  Ancona,  Bari,  Milano,  Napoli  Udine,  Pisa, 
Teramo, Tuscia, Ancona and Perugia; provincial and regional officials; farmers unions 
(Coldiretti,  Confagricoltura,  Confederazione  Italiana  Agricoltori);  CadirLab 
(Quargnento,  AL);  Consorzio  Agrario  di  Siena;  advisors  of  the  Italian  Farm 
Accountancy Data Network; Chiara Costamagna; students of the University of Torino 
and  University  of  Milano.  In  the  Netherlands,  Rob  Smidt  helped  with  extracting 

farmers’ addresses from the database and Bert Rijk 

supported the survey logistics. We 

thank all colleagues for their efforts and support. 

Page 91

Figures and page graphics, page 91

Drivers and barriers for organic inputs 

 

83 

 

Supplement chapter 4 

 

Supplementary Table 4.1 

Questions asked in semi-structured interviews 

84 

Supplementary Table 4.2 

Farmer

s’ descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the incorporation of 
straw 

85 

Supplementary Table 4.3 

Farmer

s’ descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the cultivation of 
green manures or cover crops 

88 

Supplementary Table 4.4 

Farmer

s’ descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the application of 
compost 

92 

Supplementary Table 4.5 

Farmer

s’ descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the application of 
FYM 

93 

 
 

 

 

Page 92

Figures and page graphics, page 92

Supplement Chapter 4 

 

84 

 

Questions asked in semi-structured interviews 

Supplementary Table 4. 1 Questions asked in the semi-structured interviews. For each type of organic input in 
each AEZ, all questions were asked with each farmer, which resulted in a list of outcomes, referents and control 
factors. Between brackets [] the specific type of organic input was mentioned by the interviewer.

 

 

A. General questions on the BMP 

Do you use [this practice]? 
 

B.  Questions to elicit behavioural outcomes (with the example of low pressure tires): 

What do you believe are the advantages of [this practice]? 
What do you believe are the disadvantages of [this practice]? 
Is there anything else you associate with [this practice]? 
Would [this practice] lead to any good or bad things? 
Can you think of other consequences of [this practice]? 
 

C. Questions to elicit normative referents: 

Are there any individuals or groups who would approve of [this practice]? 
Are there any individuals or groups who would disapprove of [this practice]? 
Are there any other individuals or groups who come to mind when you think about [this practice]? 
Are there people or groups of people who try to influence your decision to use [this practice]? 
 

D. Questions to elicit control factors: 

What factors or circumstances would enable (make it easy) you to use [this practice]? 
What factors or circumstances would make it difficult or impossible for you to use [this practice]? 
Are there any other issues that come to mind when you think about the difficulty of using [this practice]? 

 

 

 

Page 93

Figures and page graphics, page 93

Drivers and barriers for organic inputs 

 

85 

 

Incorporation of straw 

Supplementary Table 4. 2: Labels (as used in the figures) 

and related farmers ‘descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the incorporation of straw 

AEZ 

[#] 

Label 

Category TPB 

Farmers' description 

BE1 

[1] 

Soil structure 

outcome 

Improved soil structure 

BE1 

[2] 

Long term quality 

Outcome 

Good investment for my soil 

BE1 

[3] 

Soil fertility 

outcome 

Increased soil fertility 

BE1 

[4] 

Soil organic matter 

outcome 

More soil humus 

BE1 

[5] 

Legal nutrient limits 

control factor 

Straw is not calculated as source of N 
and P in legislation 

BE1 

[6] 

Market 

control factor 

Not easy to find a buyer for straw 

BE1 

[7] 

Livestock farmers 

referent 

Animal farmers 

BE1 

[8] 

Wet climate 

control factor 

Straw is often too wet and of bad 
quality 

BE1 

[9] 

Fertiliser use 

control factor 

Additional nitrogen is needed to 
digest straw 

BE1 

[10]  High biomass straw 

control factor 

Dry matter yield of straw is high on 
my field 

BE1 

[11]  Straw decomposition 

outcome 

Straw is hard to digest 

BE1 

[12]  # field operations 

control factor 

Two operations are needed instead of 
one 

BE1 

[13]  Sowing cover crops 

outcome 

Sowing cover crops is difficult 

BE1 

[14]  Cooperation livestock 

control factor 

Agreement with animal farmer (straw 
against manure) 

BE1 

[15]  Night harvests 

control factor 

I prefer to harvest cereals at night 

BE1 

[16]  Costs chopping straw 

control factor 

Increased cost for chopping straw 

BE1 

[17]  Legal nutrient limits 

control factor 

Not allowed to give enough nitrogen 
to digest straw 

BE1 

[18]  Other organic inputs 

control factor 

I often use manure 

BE1 

[19]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers 

BE1 

[20]  Contract workers 

referent 

Contract worker 

BE1 

[21]  Fuel use 

outcome 

Additional fuel is needed 

BE1 

[22]  Straw prices 

control factor 

Good prices for straw 

IT1-level 

[23]  Soil structure 

outcome 

Improved soil structure 

IT1-level 

[24]  Soil organic matter 

outcome 

Higher soil organic matter 

IT1-level 

[25]  Fertiliser use 

outcome 

Reduced use of mineral fertilisers 

IT1-level 

[26]  Burning not allowed 

control factor 

Crop residues burn is forbidden 

IT1-level 

[27]  Suppliers 

referent 

Advisors of companies selling 
production factors 

IT1-level 

[28]  Fellow farmers 

referent 

Other farmers 

IT1-level 

[29]  Protein content 

outcome 

Increased protein content in wheat 
grain 

IT1-level 

[30]  Straw decomposition 

outcome 

Slow decomposition of crop residues 
in soil 

IT1-level 

[31]  Fellow farmers 

referent 

Farm that collect crop residues 

IT1-level 

[32]  Straw prices 

control factor 

Residues selling at a high price 

IT1-level 

[33]  Fertiliser use 

outcome 

Increased nitrogen fertiliser use 

Page 94

Figures and page graphics, page 94

Supplement Chapter 4 

 

86 

 

IT1-level 

[34]  Weather 

control factor 

Adverse environmental conditions 
that hinder residues degradation 

IT1-level 

[35]  Fungal diseases 

outcome 

Increased risk of fungal diseases 

IT2-sloping  [36]  Soil fertility 

outcome 

Increased soil fertility 

IT2-sloping  [37]  Soil structure 

outcome 

Improved soil structure 

IT2-sloping  [38]  Soil organic matter 

outcome 

Higher soil organic matter 

IT2-sloping  [39]  Machinery 

control factor 

I have adequate machineries 

IT2-sloping  [40]  Burning not allowed 

control factor 

Legislation forbids crop residues 
burning 

IT2-sloping  [41]  Suppliers 

referent 

Advisors of producer association 

IT2-sloping  [42]  Family 

referent 

Family members 

IT2-sloping  [43]  Fellow farmers 

referent 

Other farmers 

IT2-sloping  [44]  Availability of straw 

control factor 

Crop residues given for free 

IT2-sloping  [45]  Costs chopping straw 

control factor 

Residues chopping and distribution is 
expensive 

IT2-sloping  [46]  Straw prices 

control factor 

Crop residue sale is possible, high 
price residues & else loss of income 

IT2-sloping  [47]  Weeds, pests, diseases 

outcome 

More weeds, pests and diseases 

IT2-sloping  [48]  Fertiliser use 

outcome 

Increased nitrogen fertiliser use 

IT2-sloping  [49]  Sowing cover crops 

outcome 

Following crop sowing hindered by 
residues 

NL1-clay 

[50]  Soil structure 

outcome 

Improves soil structure 

NL1-clay 

[51]  Soil organic matter 

outcome 

Provides organic matter to the soil 

NL1-clay 

[52]  Soil fauna 

outcome 

Improves soil fauna 

NL1-clay 

[53]  Soil workability 

outcome 

Improves soil cultivation 

NL1-clay 

[54]  Soil nutrients 

outcome 

When straw is not removed nutrients 
stay in the field 

NL1-clay 

[55]  Labour/time 

outcome 

Easier to incorporate straw than to 
remove it 

NL1-clay 

[56]  Compatibility GM 

control factor 

I sow a green manure after my wheat 

NL1-clay 

[57]  Magazines 

referent 

Magazines are positive 

NL1-clay 

[58]  Advisors 

referent 

Extension agents recommend the 
incorporation of straw 

NL1-clay 

[59]  Study club 

referent 

Study club is positive 

NL1-clay 

[60]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers are positive 

NL1-clay 

[61]  Wet climate 

control factor 

The weather is often too wet to 
remove the straw 

NL1-clay 

[62]  Other organic inputs 

control factor 

There are enough other ways to apply 
organic matter 

NL1-clay 

[63]  Cooperation livestock 

control factor 

I have a corporation with a husbandry 
farm for the straw 

NL1-clay 

[64]  Straw as crop cover 

control factor 

I use the straw to cover beats and 
potatoes 

NL1-clay 

[65]  Straw prices 

control factor 

Price is often too good to incorporate 
it 

NL1-clay 

[66]  Legal nutrient limits 

control factor 

The Manure and Fertiliser Act makes 
it impossible to apply the necessary N 
to the straw to decompose 

Page 95

Figures and page graphics, page 95

Drivers and barriers for organic inputs 

 

87 

 

NL1-clay 

[67]  Cultivation silage corn 

control factor 

I have silage corn: to incorporate 
straw of corn I need to change to corn 
cop mix 

NL1-clay 

[68]  Machinery 

outcome 

Incorporation does not need heavy 
machinery 

NL1-clay 

[69]  Costs 

outcome 

Costs extra money 

NL1-clay 

[70]  Fungal diseases 

outcome 

Increases fungal diseases 

NL1-clay 

[71]  Fertiliser use 

outcome 

Decomposition of straw needs extra N 

NL2-sand 

[72]  Soil structure 

outcome 

Improves soil structure 

NL2-sand 

[73]  Soil organic matter 

outcome 

Provides organic matter to the soil 

NL2-sand 

[74]  Soil fauna 

outcome 

Improves soil fauna 

NL2-sand 

[75]  Soil workability 

outcome 

Improves soil cultivation 

NL2-sand 

[76]  Labour/time 

outcome 

Easier to incorporate straw than to 
remove it 

NL2-sand 

[77]  Magazines 

referent 

Magazines are positive 

NL2-sand 

[78]  Compatibility GM 

control factor 

I sow a green manure after my wheat 

NL2-sand 

[79]  Soil nutrients 

outcome 

When straw is not removed nutrients 
stay in the field 

NL2-sand 

[80]  Study club 

referent 

Study club is positive 

NL2-sand 

[81]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers are positive 

NL2-sand 

[82]  Advisors 

referent 

Extension agents recommend the 
incorporation of straw 

NL2-sand 

[83]  Wet climate 

control factor 

The weather is often too wet to 
remove the straw 

NL2-sand 

[84]  Straw as crop cover 

control factor 

I use the straw to cover beats and 
potatoes 

NL2-sand 

[85]  Other organic inputs 

control factor 

There are enough other ways to apply 
organic matter 

NL2-sand 

[86]  Straw prices 

control factor 

Price is often too good to incorporate 
it 

NL2-sand 

[87]  Legal nutrient limits 

control factor 

The Manure and Fertiliser Act makes 
it impossible to apply the necessary N 
to the straw to decompose 

NL2-sand 

[88]  Cooperation livestock 

control factor 

I have a corporation with a husbandry 
farm for the straw 

NL2-sand 

[89]  Cultivation silage corn 

control factor 

I have silage corn: to incorporate 
straw of corn I need to change to corn 
cop mix 

NL2-sand 

[90]  Costs 

outcome 

Costs extra money 

NL2-sand 

[91]  Fungal diseases 

outcome 

Increases fungal diseases 

NL2-sand 

[92]  Machinery 

outcome 

Incorporation does not need heavy 
machinery 

NL2-sand 

[93]  Fertiliser use 

outcome 

Decomposition of straw needs extra N 

 

 

 

Page 96

Figures and page graphics, page 96

Supplement Chapter 4 

 

88 

 

Cultivation of green manures or cover crops 

Supplementary Table 4. 3: Labels (as used in the figures) 

and related farmers ‘descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the cultivation of green manures or cover crops 

AEZ 

[#] 

Label 

Category TPB 

Farmers' description 

AT1 

[94] 

Reduced erosion 

outcome 

Reduced erosion  

AT1 

[95] 

Soil structure 

outcome 

Soil is rooted and loosened 

AT1 

[96] 

Soil fauna 

outcome 

Enhanced soil life 

AT1 

[97] 

Soil organic matter 

outcome 

Increased humus content 

AT1 

[98] 

Soil water 

outcome 

Improved water storage over the 
winter 

AT1 

[99] 

Soil nutrients 

outcome 

Fixation of nitrogen & enrichment 
soil other nutrients 

AT1 

[100]  Attracting insects 

outcome 

Attractive & food for (beneficial) 
insects 

AT1 

[101]  Extensification 

outcome 

Relaxing of the crop rotation 

AT1 

[102]  Landscape view 

outcome 

More beautiful landscapes 

AT1 

[103]  Weather 

control factor 

Sufficient precipitation 

AT1 

[104]  Seed costs 

control factor 

Cheap seeds 

AT1 

[105]  Machinery 

control factor 

Available technical equipment & use 
of cultivator 

AT1 

[106]  Subsidy 

control factor 

Support by ÖPUL 

AT1 

[107]  Adjacent agricultural 

land 

control factor 

Contiguous agricultural area 

AT1 

[108]  Agricultural education 

referent 

Agricultural school 

AT1 

[109]  Magazines 

referent 

Literature 

AT1 

[110]  Compatibility CT 

control factor 

Combination with mulch or non-
inversion tillage 

AT1 

[111]  Advisors 

referent 

Advisor of the Chamber of 
Agriculture & "Bioforschung Austria"  

AT1 

[112]  Fodder need 

control factor 

Fodder for the animals 

AT1 

[113]  Crop rotation 

control factor 

Gaps in the crop rotation are needed 

AT1 

[114]  Land availability 

control factor 

Higher availability of agricultural area 

AT1 

[115]  Fellow farmers 

referent 

Other farmers 

AT1 

[116]  Government 

referent 

Politicians 

AT1 

[117]  Study club 

referent 

Society "Distelverein" (Association 
for Agriculture and Nature 
Conservation)  

AT1 

[118]  Suppliers 

referent 

Advisors of seed companies 

AT1 

[119]  Livestock 

control factor 

Reduced livestock 

AT1 

[120]  Weeds, pests, diseases 

outcome 

"Green bridges" cause a higher 
disease pressure 

AT1 

[121]  Knowledge 

control factor 

No sufficient know-how 

AT1 

[122]  Crop rotation 

outcome 

Not possible to use the field for cash 
crops 

AT1 

[123]  Residue incorporation 

outcome 

Difficult incorporation of crop 
residues 

AT1 

[124]  Soil water 

outcome 

Loss of water that is no longer 
available for the main crop 

Page 97

Figures and page graphics, page 97

Drivers and barriers for organic inputs 

 

89 

 

AT1 

[125]  Risk low biomass GM 

outcome 

High risk of failure  

AT1 

[126]  Weeds 

outcome 

Higher weed pressure 

AT1 

[127]  Labour/time 

outcome 

Time consuming 

AT1 

[128]  Income 

outcome 

Reduction of the income 

AT1 

[129]  Pesticide use 

outcome 

Higher application of plant protection 

AT1 

[130]  Fuel use 

outcome 

Higher use of fuel  

AT1 

[131]  Costs 

outcome 

Higher costs 

BE1 

[132]  Soil structure 

outcome 

Improved soil structure 

BE1 

[133]  Soil health 

outcome 

Increased soil health 

BE1 

[134]  Reduced erosion 

outcome 

Lower erosion risk 

BE1 

[135]  Soil carbon 

sequestration 

outcome 

More carbon in soil 

BE1 

[136]  Weeds 

outcome 

Prevents development of weeds 

BE1 

[137]  Soil workability 

outcome 

Can be tilled earlier to till in spring 

BE1 

[138]  Nitrogen leaching 

outcome 

Prevents nitrogen leaching 

BE1 

[139]  Legal nutrient limits 

control factor 

I fertilize as much as is allowed on 
my parcels 

BE1 

[140]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers 

BE1 

[141]  Subsidy 

control factor 

Subsidy compensates cost of cover 
crops 

BE1 

[142]  Government 

referent 

Flemish government  stimulates cover 
crops by providing subsidy 

BE1 

[143]  Fertiliser use 

control factor 

Additional fertilization is needed  for 
white mustard 

BE1 

[144]  Labour/time 

control factor 

Additional labour for sowing and 
incorporation 

BE1 

[145]  Seeding 

control factor 

I grow seed for cover crop myself 

BE1 

[146]  Costs 

control factor 

Increase of total cost 

BE1 

[147]  Wet climate 

control factor 

Weather conditions are often bad in 
autumn 

BE1 

[148]  Administrative 

demands 

control factor 

Too much administration  to get 
subsidy 

BE1 

[149]  Crop rotation 

control factor 

Crops are harvested late in autumn 

BE1 

[150]  Legal sowing 

restrictions 

control factor 

sowing before Sept 1 to get subsidy 

BE1 

[151]  Machinery 

control factor 

No appropriate machinery for sowing 
& incorporation 

BE1 

[152]  Weeds 

outcome 

Might result in more weeds 

BE1 

[153]  Herbicide use 

outcome 

Increased use of herbicides 

BE1 

[154]  Land owners 

referent 

Owner of land 

IT1-level 

[155]  Soil organic matter 

outcome 

Higher soil organic matter 

IT1-level 

[156]  Soil structure 

outcome 

Improved soil structure 

IT1-level 

[157]  Soil nutrients 

outcome 

Higher soil nitrogen content 

IT1-level 

[158]  Crop yields 

outcome 

Higher crop yield 

IT1-level 

[159]  Advisors 

referent 

Advisors of professional organisation 

IT1-level 

[160]  Suppliers 

referent 

Advisors of companies selling 
production factors & producer 
associations 

Page 98

Figures and page graphics, page 98

Supplement Chapter 4 

 

90 

 

IT1-level 

[161]  Sod seeding 

control factor 

I do sod seeding 

IT1-level 

[162]  Clay soil 

control factor 

Clay soils 

IT1-level 

[163]  Fellow farmers 

referent 

Other farmers 

IT1-level 

[164]  Knowledge 

control factor 

I know green manure benefits 

IT1-level 

[165]  Income 

control factor 

No incentives for green manure 

IT1-level 

[166]  Costs 

control factor 

Additional costs for green manure 

IT2-sloping  [167]  Soil structure 

outcome 

Improved soil structure 

IT2-sloping  [168]  Soil organic matter 

outcome 

Higher soil organic matter 

IT2-sloping  [169]  Fertiliser use 

outcome 

Reduced use of mineral fertilisers 

IT2-sloping  [170]  Protein content 

outcome 

Increased protein content in following 
crop  

IT2-sloping  [171]  Reduced erosion 

outcome 

Reduced erosion 

IT2-sloping  [172]  Income 

control factor 

I have incentives for green manure 

IT2-sloping  [173]  Protein content 

contracts 

control factor 

Cultivation contracts that remunerate 
high protein content 

IT2-sloping  [174]  Clay soil 

control factor 

Clay soils 

IT2-sloping  [175]  Suppliers 

referent 

Advisors of companies selling 
production factors & producer 
associations 

IT2-sloping  [176]  Costs fertilisers 

control factor 

Low prices of mineral fertilisers 

IT2-sloping  [177]  Soil water 

outcome 

Green manure depletes the soil water 
content 

IT2-sloping  [178]  Family 

referent 

Family members 

IT2-sloping  [179]  Fellow farmers 

referent 

Other farmers 

IT2-sloping  [180]  Machinery 

control factor 

Lack of adequate machineries 

IT2-sloping  [181]  Costs cultivation 

outcome 

Higher cultivation costs 

NL1-clay 

[182]  Soil structure 

outcome 

Better soil structure 

NL1-clay 

[183]  Soil workability 

outcome 

Improve soil handling 

NL1-clay 

[184]  Soil organic matter 

outcome 

More organic matter 

NL1-clay 

[185]  Soil nutrients 

outcome 

Support long term soil fertility & N 
mineralisation 

NL1-clay 

[186]  Soil fauna 

outcome 

Increase soil fauna 

NL1-clay 

[187]  Reduced erosion 

outcome 

Less wind and soil erosion 

NL1-clay 

[188]  Nitrogen leaching 

outcome 

Less nitrogen leaching 

NL1-clay 

[189]  Advisors 

referent 

Extension agents recommend green 
manures 

NL1-clay 

[190]  Magazines 

referent 

Magazines are positive 

NL1-clay 

[191]  Study club 

referent 

Study club is positive 

NL1-clay 

[192]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers are positive 

NL1-clay 

[193]  Suppliers 

referent 

Green manure seed salesmen are 
positive 

NL1-clay 

[194]  Ploughing straw 

control factor 

I like to plough down my straw 

NL1-clay 

[195]  Other organic inputs 

control factor 

Enough other ways to apply organic 
matter 

NL1-clay 

[196]  Timing application 

control factor 

It is not always possible to apply 
liquid manure in time 

Page 99

Figures and page graphics, page 99

Drivers and barriers for organic inputs 

 

91 

 

NL1-clay 

[197]  Cultivation winter 

wheat 

control factor 

I mainly grow winter wheat 

NL1-clay 

[198]  Cultivation potatoes 

control factor 

I grow a lot of early potatoes 

NL1-clay 

[199]  Crop rotation 

control factor 

sometimes growing season is too 
short for good crop 

NL1-clay 

[200]  Land exchange 

control factor 

I exchange land with husbandry 
farmers 

NL1-clay 

[201]  Wet climate 

control factor 

In the fall there are not enough dry 
days to sow green manures 

NL1-clay 

[202]  Legal nutrient limits 

control factor 

Nitrogen quotum too low to grow 
green manures 

NL1-clay 

[203]  Weeds 

outcome 

More weeds in following crop 

NL1-clay 

[204]  Nematodes 

outcome 

More nematodes 

NL1-clay 

[205]  Labour/time 

outcome 

Requires extra time 

NL1-clay 

[206]  Costs 

outcome 

Increases costs 

NL2-sand 

[207]  Soil structure 

outcome 

Better soil structure 

NL2-sand 

[208]  Soil organic matter 

outcome 

More organic matter 

NL2-sand 

[209]  Reduced erosion 

outcome 

Less wind and soil erosion 

NL2-sand 

[210]  Soil nutrients 

outcome 

Support long term soil fertility & N 
mineralisation 

NL2-sand 

[211]  Soil fauna 

outcome 

Increase soil fauna 

NL2-sand 

[212]  Soil workability 

outcome 

Improve soil handling 

NL2-sand 

[213]  Nitrogen leaching 

outcome 

Less nitrogen leaching 

NL2-sand 

[214]  Advisors 

referent 

Extension agents recommend green 
manures 

NL2-sand 

[215]  Magazines 

referent 

Magazines are positive 

NL2-sand 

[216]  Study club 

referent 

Study club is positive 

NL2-sand 

[217]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers are positive 

NL2-sand 

[218]  Suppliers 

referent 

Green manure seed salesmen are 
positive 

NL2-sand 

[219]  Ploughing straw 

control factor 

I like to plough down my straw 

NL2-sand 

[220]  Other organic inputs 

control factor 

Enough other ways to apply organic 
matter 

NL2-sand 

[221]  Crop rotation 

control factor 

sometimes growing season is too 
short for good crop 

NL2-sand 

[222]  Cultivation potatoes 

control factor 

I grow a lot of early potatoes 

NL2-sand 

[223]  Timing application 

control factor 

It is not always possible to apply 
liquid manure in time 

NL2-sand 

[224]  Cultivation winter 

wheat 

control factor 

I mainly grow winter wheat 

NL2-sand 

[225]  Land exchange 

control factor 

I exchange land with husbandry 
farmers 

NL2-sand 

[226]  Wet climate 

control factor 

Not enough dry days to sow green 
manures 

NL2-sand 

[227]  Legal nutrient limits 

control factor 

Nitrogen quota too low to grow green 
manures 

NL2-sand 

[228]  Weeds 

outcome 

More weeds in following crop 

NL2-sand 

[229]  Labour/time 

outcome 

Requires extra time 

NL2-sand 

[230]  Nematodes 

outcome 

More nematodes 

Page 100

Figures and page graphics, page 100

Supplement Chapter 4 

 

92 

 

NL2-sand 

[231]  Costs 

outcome 

Increases costs 

Application of compost 

Supplementary Table 4. 4: Labels (as used in the figures) 

and related farmers ‘descriptions

 of outcomes, referents 

and control factors for the use of compost 

AEZ 

[#] 

Label 

Category TPB 

Farmers' description 

BE1 

[232]  Soil fauna 

outcome 

Improved soil life 

BE1 

[233]  Soil health 

outcome 

Improved soil health 

BE1 

[234]  Reduced erosion 

outcome 

Lower erosion risk 

BE1 

[235]  Soil organic matter 

outcome 

Increased humus content of soil 

BE1 

[236]  Soil nutrients 

outcome 

Improved long term N release by 
the soil 

BE1 

[237]  Soil structure 

outcome 

Obtain less heavy soils 

BE1 

[238]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers make little use 
of compost 

BE1 

[239]  Livestock farmers 

referent 

I can do animal farmers in area a 
favour by using their 
slurry/farmyard manure 

BE1 

[240]  Magazines 

referent 

agricultural magazines 

BE1 

[241]  Other organic inputs 

control factor 

I prefer organic fertilizer of animal 
origin & solid/liquid 

BE1 

[242]  Residue incorporation 

control factor 

I incorporate straw 

BE1 

[243]  Contract workers 

control factor 

Dependent on contractor to spread 
compost 

BE1 

[244]  Fertiliser use 

outcome 

Supply of nitrogen needed to digest 
compost 

BE1 

[245]  Heterogeneous spread 

outcome 

no homogenous spread 

BE1 

[246]  Other organic inputs 

control factor 

More than enough slurry & manure 
available 

BE1 

[247]  Uncertainty N release 

outcome 

Unsure on timing of N release for 
crop 

BE1 

[248]  Legal nutrient limits 

control factor 

Legislation  for fertilization is too 
strict 

BE1 

[249]  Variation in quality 

control factor 

Much variation in quality 

BE1 

[250]  Labour/time 

control factor 

Slurry is spread for me. compost 
not 

BE1 

[251]  Diseases 

outcome 

Higher risk on diseases 

BE1 

[252]  Weeds 

outcome 

More weeds 

BE1 

[253]  Nitrogen leaching 

outcome 

Higher risk on too high N residue in 
autumn 

BE1 

[254]  Costs 

control factor 

Expensive or difficult 
transport/compared to 
alternatives/variable/ 

BE1 

[255]  Knowledge 

control factor 

Not enough knowledge on 
composition/ no experience 

BE1 

[256]  Availability of compost 

control factor 

Not sure on availability when 
needed & low offer 

BE1 

[257]  Polluted compost 

outcome 

Contains waste products 

NL2-sand 

[258]  Soil organic matter 

outcome 

Compost provides organic matter 

Page 101

Figures and page graphics, page 101

Drivers and barriers for organic inputs 

 

93 

 

NL2-sand 

[259]  Timing application 

outcome 

Can be applied in the fall/winter 

NL2-sand 

[260]  Advisors 

referent 

Extension agents are positive 

NL2-sand 

[261]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers are positive 

NL2-sand 

[262]  Study club 

referent 

Study club is positive 

NL2-sand 

[263]  Availability of compost 

control factor 

It is not available in my region 

NL2-sand 

[264]  Costs 

control factor 

Compost application increases costs 

NL2-sand 

[265]  Other organic inputs 

control factor 

Plenty of other possibilities to apply 
organic matter 

NL2-sand 

[266]  Legal nutrient limits 

control factor 

The levy free Phosphate level is too 
low 

NL2-sand 

[267]  Other organic inputs 

control factor 

Slurry is largely available 

NL2-sand 

[268]  Labour/time 

outcome 

Cost more labour to apply 

NL2-sand 

[269]  Polluted compost 

outcome 

It can contain unwanted waste 

Application of FYM 

Supplementary Table 4. 5: Labels (as used in the figures) 

and related farmers ‘descriptions of outcomes, referents 

and control factors for the use of FYM 

AEZ 

[#] 

Label 

Category TPB 

Farmers' description 

BE1 

[270]  Soil structure 

outcome 

Better soil structure compared to 
slurry 

BE1 

[271]  Soil fauna 

outcome 

More soil life 

BE1 

[272]  Reduced erosion 

outcome 

Lower erosion risk 

BE1 

[273]  Soil organic matter 

outcome 

More organic matter compared to 
slurry 

BE1 

[274]  Soil water 

outcome 

Improved water holding capacity of 
the soil 

BE1 

[275]  Soil nutrients 

outcome 

Higher N supplying capacity of the 
soil & soil fertility 

BE1 

[276]  Contract workers 

control factor 

Depending on the contractor 

BE1 

[277]  Livestock farmers 

referent 

Animal farmers offer more slurry 

BE1 

[278]  Legislation on effective 

N 

control factor 

Working with system of effective 
nitrogen 

BE1 

[279]  Fellow farmers 

referent 

Other arable farmers  apply it a lot 

BE1 

[280]  Contract workers 

control factor 

Contractor not available when 
farmyard manure has to be spread 

BE1 

[281]  Machinery 

control factor 

Appropriate machinery not available 
& homogeneous spread 

BE1 

[282]  Uncertain N release 

outcome 

Less sure on timing and quantity of N 
release by the soil compared to 
mineral fertilizer and slurry 

BE1 

[283]  Costs 

control factor 

Slurry is less expensive for me/ 
transport costs FYM 

BE1 

[284]  Availability of FYM 

control factor 

Limited supply of farmyard manure 
in my area/ supply varies/region 

BE1 

[285]  Storage facilities 

control factor 

Farmyard manure has to be stored on 
the farm/ appropriate storage 
capacity 

 

 

Page 102

Figures and page graphics, page 102

Supplement Chapter 4 

 

94 

 

 

Page 103

Figures and page graphics, page 103

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

95 

 

Chapter 5 

 

How  are  farmers’  beliefs  on 

soil  organic  matter  related  to  their  use  of  organic 

inputs? A case study in the Netherlands 

Renske Hijbeek

1

, Annette A. Pronk

2

, Martin K. van Ittersum

1

, Hein F.M. ten Berge

2

, Jo 

Bijttebier

3

 and Jan Verhagen

2 

 

1

Plant  Production  Systems,  Wageningen  University  and  Research,  Wageningen,  the 

Netherlands. 

2

Agrosystems Research, Wageningen University and Research, the Netherlands 

3

Flanders Research Institute for Agriculture, Fisheries and Food, Belgium 

 

Accepted  for  publication  in  Soil  Use  and  Management  under  the  title: 

“What  drives 

farmers to increase soil organic matter? A case study in the Netherlands”

  

 

Page 104

Figures and page graphics, page 104

Chapter 5 

 

96 

 

Abstract 

Soil organic matter (SOM) is an important resource base for arable farming. For policies 
on SOM to be effective, insight is needed on why and under which conditions farmers 
are willing to increase SOM content. 

This study uses the theory of planned behaviour to analyse what prevents or encourages 
Dutch farmers to increase the percentage of SOM content of their fields. In an online 
survey, 435 arable farmers were asked questions to understand their attitude (perceived 
benefits),  subjective  norm  (social  pressure)  and  perceived  behavioural  control 
(anticipated  impediments  and  obstacles)  related  to  management  of  S

OM.  Farmers’ 

answers were related to their intention to increase SOM content, use of organic inputs 
and perceived increase of SOM content.  

Our results show that Dutch farmers are well aware of the  possible benefits of SOM 
content for crop productivity. Most Dutch farmers also have a positive subjective norm 
on SOM (rating 5.84 on a scale from -10 to +10, based on 

e.g. 

scientific research or 

agricultural advisors). Consequently, most farmers in our survey have a high or very 
high intention to increase SOM content (90.1%). A higher intention to increase SOM 
content was correlated with the use of organic inputs as expressed in total and effective 
C (

P=0.003 and P=0.002 

respectively), but this did not lead to a perceived increase in 

SOM content. The Dutch Manure and Fertiliser Act and the need to cultivate profitable 
crops (such as potatoes or sugar beets) were indicated as important impeding factors for 
increasing SOM content.  

 

Keywords

:  soil  organic  matter;  soil  management;  organic  inputs;  theory  of  planned 

behaviour; farmers’ intentions; farmers’ behaviour; soil conservation 

 

Abbreviations 

C

 

carbon 

FYM

 

farmyard manure 

SO

 

standard output 

SOM

 

soil organic matter 

 

Page 105

Figures and page graphics, page 105

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

97 

 

5.1.

 

Introduction 

Soil organic matter (SOM) content co-determines many soil properties including soil 
structure, nutrient availability and soil health (Johnston et al. 2009). Increasing SOM 
content  can  therefore  be  seen  as  a  strategic  means  to  safeguard  long  term  farm 
productivity. As such, SOM management is an important farm objective for many Dutch 
arable farmers (Mandryk et al. 2014).  

Farmers can use different practices to increase SOM content of their fields. They can 
use  more  organic  inputs  (such  as  animal  manures  or  compost)  instead  of  mineral 
fertilisers,  include  more  cereals  in  their  crop  rotation  or  cultivate  green  manures 
(Magdoff & Weil 2004). These practices might conflict with other farm objectives such 
as profit maximization, labour use efficiency or minimization of gross margin variation. 
Farmers  need  to  balance  these  objectives,  which  can  prevent  implementation  of 
practices to increase SOM content  of their topsoil. This  can become especially  more 
challenging when short-term profits outweigh long-term objectives (Ingram et al. 2014; 
Mandryk 2016). 

In the  Netherlands, organic  inputs are  widely  available  for arable  farmers  due  to the 
large  livestock  sector  and  related  production  of  animal  manures.  Since  the  1980s 
however, restrictions on the use of organic manure have been implemented (Schröder & 
Neeteson 2008)

, which has caused some concern for farmers’ abilities to maintain or 

increase SOM contents. Using approximately two million soil samples, Reijneveld et al. 
(2009) showed that between 1984 and 2004, average SOM content remained stable in 
agricultural  soils  in  the  Netherlands.  Some  increases  in  SOM  content  were  found  in 
regions with lower initial SOM contents and decreases in SOM content in regions with 
higher initial SOM content. 

Maintenance of SOM is a policy target, as documented in European policy documents 
(EC 2011a, b) and international food security and climate objectives (UNFCCC 2015). 
Through  maintenance  of  SOM,  soil  is  being  protected  as  a  resource  base  for  food 
production, soil life  is conserved  (Chang  et  al. 2007)  and  carbon  sequestered  (Smith 
2016). For policies on SOM to be effective, insight is needed on why and under which 
conditions farmers are willing to increase SOM content. 

Behavioural  research  approaches  aim  to  identify  what  prevents  or  encourages 
individuals from displaying a certain type of behaviour. In this case, we would like to 
understand what prevents or encourages Dutch arable farmers to increase SOM content. 

Page 106

Figures and page graphics, page 106

Chapter 5 

 

98 

 

Several models have been developed to try to understand and predict human behaviour. 
The most widely used of these models is the theory of planned behaviour (Ajzen 1991), 
which will be used in this study.  

 

 

According to the theory of planned behaviour, people base their behaviour on three main 
constructs:  1)  their  attitude,  2)  their  subjective  (social)  norm  and  3)  the  degree  of 
perceived  behavioural  control.  In  this  framework,  an  attitude  refers  to  the  degree  to 
which a person expects a certain impact or outcome. The subjective norm refers to the 
social  pressure  to  perform  a  behaviour.  Perceived  behaviour  control  refers  to  the 
perceived  ease  of  performing  a  behaviour,  and  reflects  both  past  experiences  and 
anticipated  impediments  and  obstacles.  These  three  constructs  together  lead  to  an 
intention, which might lead to a certain behaviour (Ajzen 1991, Fig. 5.1, other relations 
between component might also be possible).  

According to the theory of planned behaviour, attitudes, subjective norm and perceived 
behavioural  control  are  formed  by  underlying  beliefs.  These  can  be  beliefs  on  the 
outcomes of a certain behaviour, beliefs on the views of social referents or beliefs on 
the strength of control factors restricting a certain behaviour.  

When recently asked for their concerns on the future of soil fertility, Dutch farmers place 
SOM content at the top of the list (Reijneveld 2013). It is however yet unknown how 

Fig 5. 1: Illustration of the framework of the Theory of planned behaviour (Ajzen, 1991). When experiences are 
clear and risks are low, perceived behaviour control is directly linked to actual behaviour.

 

Page 107

Figures and page graphics, page 107

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

99 

 

the  different  elements  of  the  theory  of  planned  behaviour  play  a  role  in  farmers’ 

intention to increase SOM content or use of organic inputs. In this study the theory of 
planned  behaviour  is  used  to  analyse  why  and  under  which  conditions  Dutch  arable 
farmers are willing to increase the percentage of SOM content of their fields. We address 
the following research questions for arable farmers in the Netherlands: 

1.

 

Which beliefs form farmers’ attitudes, subjectiv

e norms and perceived 

behavioural controls regarding SOM and its management? 

2.

 

How do these beliefs (Q. 1) influence the intention of farmers to increase SOM 
content? 

3.

 

How does actual behaviour (use of organic inputs) correspond to farmers’ 

intention to increase SOM content? 

5.2.

 

Materials and Methods 

A farm survey was conducted among 435 arable farmers in the Netherlands (Section 
5.2.1). Using this  survey, we first studied the underlying beliefs of attitude, subjective 
norm  and  perceived  behavioural  control  of  Dutch  farmers  regarding  SOM  and  its 
management (Section 5.

2.2). Second, we related these beliefs to farmers’ intention to 

increase SOM content (Section 5.2.3). F

armers’ intention to increase SOM content 

was 

then related to actual (as stated by respondent) use of organic inputs (Section 5.2.4). 
Finally,  perceived  change  in  SOM  was  related  to  perceived  behavioural  control, 
intentions to increase SOM content and the use of organic inputs (Section 5.2.5). 

5.2.1.

 

Online farm survey 

An online survey was held among arable farmers in the Netherlands. We focused only 
on arable farmers because (compared to livestock farmers) arable farmers cultivate less 
grass  and  feedstocks  and  are  therefore  assumed  to  be  more  dependent  on  high  soil 
fertility and related SOM content. Three groups of farmers were targeted: farmers on 
sandy soils, farmers on loam soils and farmers on clay soils (Supplementary Fig. 5.1, 
page 121). Addresses were obtained from the national agricultural census 2012 (CBS 
2012).  While  selecting  addresses  the  following  two  criteria  were  used  to  exclude 
pensioners and hobby farmers: 1) year of birth after 1947 and 2) spending more than 20 
hours  labour  per  week  to  farming.  In  total,  4770  letters  were  sent  to  farmers  with  a 
personal link and password to the online questionnaire. 

Page 108

Figures and page graphics, page 108

Chapter 5 

 

100 

 

Before  data  analysis,  two  criteria  were  used  to  select  only  arable  farmers  from  the 
respondents (following Andersen et al. 2007): 1) more than 2/3 of the monetary value 
of  agricultural  outputs  from  arable  crops;  and  2)  less  than  50%  of  farm  land  was 
grassland (either temporary or permanent). In addition, farmers with less than 10 ha of 
land or having peat soils (either reporting peat soils and/ or more than 12% SOM on 
average across all fields) were also excluded from data analysis. 

Each  farmer  was  asked  to  provide  information  on  age,  gender,  farm  size  (ha),  crop 
rotation, soil texture and average SOM content. To reduce errors, farmers could leave 
certain  questions  unanswered  (for  example  due  to  confidentiality  of  crop  rotation  or 
manure application). In those cases, only filled sections were used in the data analysis. 
Economic farm sizes (expressed in the monetary value of agricultural output at farm-
gate price) were calculated using farm activities (

e.g. 

crops cultivated, ha) and Standard 

Output  (SO)  coefficients  for  the  Netherlands  (Eurostat  2013).  Economic  intensity  of 
each farm was calculated by dividing economic farm size by farm ha (and thus expressed 

in €/ha). In addition, farmers were asked to indicate which type of organic inputs they 

used and how much. 

5.2.2.

 

Finding underlying beliefs of attitude, subjective norm and perceived 

behavioural control regarding SOM and its management 

Farmers’ attitude

 

A  literature  review  revealed  nine  outcomes  that  SOM  may  have  for  soil  properties, 
processes and functions in arable farming: improved soil structure, rooting, workability, 
water holding capacity, soil life, nutrient release, nutrient binding capacity, soil fungi 
and productivity (Allison 1973; Gregorich et al. 1994; Johnston et al. 2009; Murphy 
2014). 

For  each  outcome  (N  =  9,  Table  5.1),  farmers  were  asked  to  rate  its  probability  of 
occurrence on a Likert scale from not very likely (1) to very likely (5). For instance, 
farmers were asked to rate the likelihood that SOM improves workability of their soil. 
This is called the belief strength. Farmers were also asked to evaluate each outcome. In 
the  same  example,  farmers  were  asked  to  evaluate  workability  from  negative  (1)  to 
positive (5). This is called the outcome valuation. Outcome valuations were lowered by 
three points to give a negative to positive scaling (-2 to +2). 

For  each  farmer,  an  attitude  on  each  outcome  (i)  was  found  by  multiplying  belief 
strength with outcome valuation (Equation 5.1). Consequently, attitude values ranged 

Page 109

Figures and page graphics, page 109

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

101 

 

between -10 and +10. Mean attitude values for each outcome were found by taking the 
average across all farmers. 

𝑎𝑡𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒

𝑖

= 𝑏𝑒𝑙𝑖𝑒𝑓 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ

𝑖

∗ (𝑜𝑢𝑡𝑐𝑜𝑚𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑖

− 3)                                                                (5.1)

 

 

Table 5. 1: 

Expected outcomes of increasing SOM content, farmers’ referents and control factors included in the 

farm survey. For each factor, two types of scales were used, scale 1 and scale 2. Scores on these respective scales 
wer

e multiplied to find farmers’ attitudes, subjective norm and perceived behavioural control on increasing SOM 

content, following Equations 5.1 to5. 3. 

 

 

Scale 1 

Scale 2 

A. Outcomes 

Belief strength 

Outcome valuation 

Improved soil structure 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Easy rooting 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Increased productivity 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Improved workability 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Increased water holding capacity 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

More soil life 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Continuous nutrient release 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Increased binding capacity of 
nutrients 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

Increase in fungi 

not likely (1) - likely (5) 

bad (-2) to good (+2) 

B. Referents 

Normative belief 

Motivation to comply 

Advisors 

negative (-2) to positive (+2) 

none (1) to very much (5) 

Research 

negative (-2) to positive (+2) 

none (1) to very much (5) 

Magazines 

negative (-2) to positive (+2) 

none (1) to very much (5) 

Study clubs 

negative (-2) to positive (+2) 

none (1) to very much (5) 

Fellow farmers 

negative (-2) to positive (+2) 

none (1) to very much (5) 

C. Control factors 

Control strength 

Control power 

Effects of SOM are long term instead 
of short term 

none (1) to very much (5) 

negative (-2) to positive (+2) 

Costs of organic inputs 

none (1) to very much (5) 

negative (-2) to positive (+2) 

Availability of organic inputs 

none (1) to very much (5) 

negative (-2) to positive (+2) 

Crop rotation with specialized crops

1

 

none (1) to very much (5) 

negative (-2) to positive (+2) 

Dutch Manure and Fertiliser Act 

none (1) to very much (5) 

negative (-2) to positive (+2) 

Usually, overall attitude of farmers is calculated as the sum of the attitude values for the 
separate outcomes. In this study however, we aimed for consistency in scales between 
categories by keeping all scales between -10 to +10. Therefore, the mean attitude value 
of  all  outcomes  was  taken  as  a  proxy  for  overall  attitude  (which  had  no  further 
consequences in data analysis except for improving readability of tables). 

                                              

1

 

In the Dutch questionnaire the term ‘hakvruchten’  was used. This c

ategory of crops includes potatoes, sugar 

beets, carrots, onions and other vegetables 

Page 110

Figures and page graphics, page 110

Chapter 5 

 

102 

 

Farmers were not only asked to rate specific outcomes of SOM (such as improved water 
holding capacity or nutrient binding capacity), but also to rate the overall effect of SOM 
on crop productivity as a more general term (thus bypassing any presumed mechanisms 
of contribution to crop yields). To assess how the perceived specific outcomes of SOM 
are related to perceived effect of SOM on productivity as a general term, a correlation 
analysis was done using a Spearman correlation (Kendall 1948). 

Farmers’ subjective norm

 

As  part  of  the  CATCH-C  project,  a  series  of  open  interviews  revealed  five  social 
referents to be most important for arable farmers in the Netherlands, being: advisors, 
research,  magazines,  study  clubs  and  fellow  farmers  (Pronk  et  al.  2014).  These  five 
referents  were  included  in  our  questionnaire.  For  each  referent  (N  =  5,  Table  5.1), 
farmers  were  asked  if  they  thought  the  referent  had  a  negative  or  positive  view  on 
increasing SOM. For example, farmers were asked if they thought agricultural advisors 
are pos

itive on increasing SOM (1 to 5). This is called the normative belief of farmers’ 

referents on SOM. For each social referent, farmers were also asked how motivated they 

are to comply with the referents’ view. For example, farmers were asked how motivated 

t

hey are to comply with the opinion of fellow farmers (1 to 5). This is called the farmers’ 

motivation to comply. 

For each farmer, subjective norm for each social referent (k) was found by multiplying 
normative belief with the motivation to comply (Equation 5.2). Normative beliefs were 
lowered by three points to give a negative to positive scaling (-2 to +2). This resulted in 
a subjective norm value for each referent for each farmer between -10 and +10. Mean 
values of subjective norm for each referent were found by taking the average value of 
the farmers in the survey. Means of all subjective norm scores (N=5, see Table 5.1) were 
taken as a proxy for overall subjective norm. 

𝑠𝑢𝑏𝑗𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑛𝑜𝑟𝑚

 𝑘

= 𝑚𝑜𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑦

𝑘

∗ (𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑏𝑒𝑙𝑖𝑒𝑓

𝑘

− 3)                                    (5.2)

 

Farmers’ perceived behavioural control

 

Perceived behavioural control of farmers on increasing SOM content was assessed using 
five control factors: the long-term effect of SOM, costs of organic inputs, availability of 
organic inputs, cultivation of specialized crops and the Dutch

 

Manure and Fertiliser Act. 

For  each  control  factor  (N  =    5,  Table  5.1),  farmers  were  asked  how  strongly  they 
thought  the  factor  was  applicable  to  them.  For  example,  farmers  were  asked  if 
availability of organic inputs was limited in their region on a scale from 1 to 5. This is 

Page 111

Figures and page graphics, page 111

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

103 

 

called  the control strength. For each control factor,  farmers  were  also asked to what 
extent they thought the control factor hampers increasing SOM content. For example, 
farmers were asked if they thought limited availability prevents increasing SOM on a 
scale from 1 to 5. This is called the control power. 

For each farmer, perceived behavioural control of each control factor (m) was found  by 
multiplying  control  strength  with  control  power  (Equation  5.3).  Values  for  control 
power were lowered by three points to obtain a negative to positive scaling (-2 to +2). 
This resulted in a value for perceived behavioural control for each control factor for each 
farmer between -10 and +10. Mean values were found by taking the average score of all 
farmers in the survey. Means of all values for perceived behavioural control (N=5, see 
Table 5.1) were taken as a proxy for overall perceived behavioural control. 

𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑒ℎ𝑎𝑣𝑖𝑜𝑢𝑟𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙

𝑚

= 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ

𝑚

∗ (𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟

𝑚

− 3)                    (5.3) 

 

Dependency of farmers’ beliefs on farm characteristics

 

Statistical tests were done to assess if beliefs of attitude, subjective norm and perceived 
behavioural control were dependent on certain farm characteristics such as soil texture, 
age, farm size or farm intensity. Farms and farmers were classified according to their 
age, soil texture, farm size and farm intensity. For soil texture, the dominant soil texture 
present on a farm (largest share of farm land being either sand, loam or clay) was chosen 
as an indicator. When constructing classes based on continuous variables (such as age 
or farm intensity), farmers were divided into three equally sized groups (N = 145) where 
possible. 

For each class, means of beliefs were calculated and a test of significant difference was 
done using a Kruskal-Wallis rank sum test (McDonald 2009). If a significant difference 
was found, pairwise comparisons were done using the Conover-Iman test (Holm, 1979) 
to find which group means actually differed (

e.g.

 whether attitudes of farmers on the 

effect of SOM on water holding capacity on clay soils differed from those farmers on 
loam soils or farmers on sandy soils or both). 

5.2.3.

 

Testing  correlations  between  underlying  beliefs  and  farmers’ 

intention to increase SOM 

Farmers were asked to indicate their intention to increase SOM content on a Likert scale 
from low (1) to high (5). Correlations were tested between intention to increase SOM 
content  and  stated  beliefs  on  outcomes,  referents  and  control  factors.  In  addition, 

Page 112

Figures and page graphics, page 112

Chapter 5 

 

104 

 

correlation tests were  done between farmers’ intention to increase  SOM conten

t and 

calculated values of attitude, subjective norm and perceived behavioural control using 

Spearman’s rank correlation test

 (Kendall 1948). 

5.2.4.

 

Testing  correlations  between  farmers

’

  intention  to  increase  SOM 

content and (stated) use of organic inputs 

Farmers  were  asked  to  report  their  use  of  organic  inputs,  such  as  compost,  slurry, 
farmyard  manure  (FYM)  and  the  incorporation  of  straw.  Fresh  weight  quantities  as 
reported by farmers were converted to total carbon (C) and effective C content (see for 
conversion coefficients Supplementary Table 5.1, page 122). To calculate effective C, 
humification coefficients were used indicating the remaining fraction of residues which 
is still present in the soil after one year (Wolf & Janssen 1991). This conversion allowed 
for the calculation of  an annual input of organic inputs expressed in total C and effective 

C per ha, which we refer to as ‘actual organic input’. Following, farmers’ intentions to 

increase SOM were correlated with their annual organic input.  

5.2.5.

 

Testing  correlations  between  perceived  change  in  SOM,  perceived 

behavioural  control,  intentions  to  increase  SOM  and  use  of  organic 
inputs 

Farmers were asked to state whether SOM content of  their fields showed an increasing 
or decreasing trend, on a scale from 1 to 5. This perceived trend was correlated with 
actual organic input (as defined above), 

farmers’ intention

s to increase SOM and the use 

of organic inputs. All correlations were tested using Spearman’s rank correlation test

. 

5.3.

 

Results 

5.3.1.

 

Farm and Farmers’ characterist

ics and actual use of organic inputs 

Of the 4770 farmers who were sent an invitation, 542 farmers filled out the section of 
the  survey  that  dealt  with  SOM.  Of  these  farmers,  501  were  confirmed  to  be  arable 
farmers (more than 2/3 of the Standard Output (SO) comes from arable crops and less 
than  50%  of  farm  land  is  grassland).  Of  these  501  farmers,  10  were  excluded  from 
analysis  because  their  farm  size  was  smaller  than  10  ha.  Another  52  farmers  were 
excluded because they either reported to farm peat soils or have an average SOM content 
above  12%.  Four  farmers  were  removed  because  their  stated  application  of  organic 

Page 113

Figures and page graphics, page 113

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

105 

 

inputs  seemed  unreasonably  high  (more  than  two  times  the  legally  permitted  N 
application), which we interpreted as typographical error. As a result, 435 farmers were 
included in the analysis. 

 

Fig 5. 2: Characteristics of farmers in the farm survey (N = 435). Land use categories: Cereals indicates more 
than 50% of farm land is cultivated with cereals such as wheat, barley, rye, oat, triticale and/or grass. Specialized 
land use indicates more than 50% of farm land is cultivated with specialized crops such as potatoes, sugar beets, 
carrots, onions. Mixed land use means none of both categories is present on more than 50% of farm land. 

 

Page 114

Figures and page graphics, page 114

Chapter 5 

 

106 

 

Mean  age  of  farmers  included  in  the  analysis  was  48.8  years  old,  with  median  age 
exactly 50 years (Fig. 5.2a). Farmers in our survey were some years younger compared 
to the entire  population of Dutch farmers, for which mean age was 55 years in 2012 
(Voskuilen et al. 2013). The difference in age can at least partly be attributed to our 
criteria used for address selection (only farmers born after 1947 were included). 

Farm size can be expressed in ha or monetary values, for example by using the monetary 
value  of  agricultural  output  at  farm-gate  price  (SO).  Mean  farm  size  of  the  farmers 
included in the analysis was 79.4 ha (Fig. 5.2c), which was larger than the mean farm 
size  of  Dutch  arable  farmers  in  the  same  year  (57.2  ha  according  to  CBS  (2017), 

excluding farms SO < € 25,000). Mean economic farm size was € 238,924 (

Fig. 5.2d), 

which was also larger than mean economic farm size of Dutch arable farmers in 2013 

(€ 187,700 according to CBS (2017), excluding farms SO < € 25,000).

 

Mean reported SOM contents of farms was 3.61% SOM (Fig.5.2e), which is very similar 
to mean SOM content of Dutch arable farms on mineral soils in the last decades (around 
20  g  C/kg  soil  in  the  upper  25  cm,  or  approximately  3.5%  SOM,  as  reported  by 
Reijneveld (2013). Most farmers cultivated specialized crops (such as potatoes, sugar 
beets or onions) on more than half of their land (Fig.5.2h). 

Most farmers (N = 409) also provided information on their use of organic inputs (Fig. 
5.3). The majority of the farmers (around 87%) cultivated green manures on some parts 
of their land, but exact percentages of farm land cultivated with green manures differed 
widely  (Fig.  5.3a).  Slurry  was  the  most  often  used  animal  manure,  with  81%  of  the 
farmers using some amount of slurry (Fig. 5.3b). Most farmers did not use FYM (N = 
271), while 21 farmers used less than 1 tonne FYM per ha (together 292 farmers, Fig. 
5.3c). Most farmers did not use compost (N = 258), and 35 farmers used less than 2 
tonnes compost per ha (together 293, Fig. 5.3d). 

When  grain  maize  or  other  cereals  were  cultivated,  more  than  half  of  the  farmers 
incorporated  the  straw,  from  at  least  sometimes  up  to  always  (Fig.  5.3e).  When 
converting  organic  inputs  into  total  C  content,  mean  application  was  1.35  tonne 
C/ha/year (+ 0.06 - 95% Confidence Interval [CI], Fig. 5.3f). When converting organic 
inputs into effective C content, mean application was 0.57 tonne effective C/ha/year (+ 
0.04, 95% CI, Fig. 5.3g). 

 

Page 115

Figures and page graphics, page 115

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

107 

 

 

Fig 5. 3: Use of organic inputs by farmers in the farm survey (N = 435).

 

Page 116

Figures and page graphics, page 116

Chapter 5 

 

108 

 

5.3.2.

 

Beliefs of Dutch farmers on SOM 

Farmers’ attitude

 

Dutch farmers had a strong positive valuation on eight outcomes of SOM and a negative 
valuation of one outcome (the last being soil fungi, Fig 5.4b). 

 

 

Among  the  positive  outcomes,  nutrient  release  and  nutrient  binding  capacity  were 
considered  the  least  strong  outcomes  of  SOM  content  and  were  also  evaluated  least 
positive  by  Dutch  arable  farmers  (Fig.  5.4a).  At  the  other  end  of  the  spectrum,  soil 

Fig  5.  4:  Mean  values  of  outcome  strengths  related  to  mean  outcome  valuations.  CEC  =  nutrient  binding 
capacity; nutrients = nutrient release.

 

Page 117

Figures and page graphics, page 117

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

109 

 

structure was considered one of the strongest outcomes of SOM and was also evaluated 
most  positively  by  Dutch  arable  farmers.  For  farmers  on  sandy  soils,  water  holding 
capacity takes exactly the same position as soil structure for both outcome strength and 
valuation. For farmers on clay soil, workability takes almost the exact same position as 
soil structure for outcomes strength and valuation. 

Farmers evaluated the general term ‘soil life’ positive, but when asked specifically for 

soil fungi, this was the  only  outcome of SOM which was evaluated negatively (Fig. 
5.4c). The  perceived strength of SOM causing  soil fungi was however  much  weaker 
than the strength of the other perceived outcomes (2.6-2.8 and.4.3-4.9 respectively).  

Combining outcome strengths and valuations into attitude scores, farmers with different 
soil textures had a significantly different attitude on a number of outcomes from SOM. 
These  outcomes  were:  workability,  productivity,  water  holding  capacity,  nutrient 
binding capacity and soil fungi (Table 5.2).  

Table 5. 2: Attitudes on SOM (calculated using Equation 5.1). Farmers are grouped  by the dominant soil texture 
of their farm. Letters indicate a significant difference within one column between outcome scores. * indicates a 
significant difference between at least two outcome scores within one row (using the post hoc Conover-Iman test). 

 

Sand (N = 147) 

Loam (N = 98) 

Clay (N = 190) 

 

Attitude 

(-10 to +10) 

Rank 

Attitude 

(-10 to +10) 

Rank 

Attitude 

(-10 to +10)  Rank 

Improved soil structure 

8.76

ab

 

3 

9.17

a

 

1 

9.12

a

 

1 

Easy rooting 

8.54

bc

 

4 

8.92

ab

 

2 

8.61

b

 

3 

Improved workability 

7.99

cd

* 

6 

8.70

ab

* 

3 

9.08

a

* 

2 

Increased productivity 

8.83

a

* 

1 

8.62

c

* 

4 

8.30

c

* 

4 

Increased water holding capacity 

8.78

ab

* 

2 

7.99

c

* 

6 

8.04

bc

* 

6 

More soil life 

8.44

abc

 

5 

8.10

bc

 

5 

8.07

bc

 

5 

Continuous nutrient release 

6.64

e

 

8 

7.36

d

 

7 

6.87

d

 

7 

Increased binding capacity of 
nutrients 

7.70

d

* 

7 

5.87

e

* 

8 

6.68

d

* 

8 

Increase in soil fungi 

        -3.19

f

* 

9 

        -2.50

f

* 

9 

        -2.44

e

* 

9 

MEAN 

6.94 

 

6.91 

 

6.93 

 

Despite these differences in attitude for specific benefits of SOM, mean attitudes on the 
overall benefit of SOM did not vary significantly between soil textures (mean attitude 
scores vary non-significantly between 6.90 and 6.96). This shows that farmers across 
different soil textures appreciated the effects of SOM content equally, but for different 
reasons. On sandy soils, farmers valued the effect of SOM content on productivity, water 
holding capacity and soil structure the most. On loam and clay soils, farmers valued the 
effect of SOM content on soil structure, ease of rooting and workability the most. 

Page 118

Figures and page graphics, page 118

Chapter 5 

 

110 

 

How  are  the  perceived  effects  of  SOM  on  specific  soil  characteristics  related  to 
perceived effects of SOM on crop productivity? On sandy and clay soils correlations 
were  overall  highest  (Fig.  5.5).  On  sandy  soils,  perceived  effects  of  SOM  on  crop 
productivity  was  strongest  correlated  with  perceived  effects  of  SOM  on  continuous 
nutrient  release  and  water  holding  capacity 

(Spearman’s  rho  >  0.5).  On  clay  soils, 

perceived effects of SOM on crop productivity was strongest correlated with perceived 
effects of SOM on ease of rooting and soil life.

(Spearman’s rho > 0.5). On loam soils, 

perceived  effects  of  SOM  crop  productivity  was  strongest  correlated  with  perceived 
effect of SOM on ease of rooting 

(Spearman’s rho > 0.5).

 

 

 

Fig 5. 5: Correlations between perceived effect of SOM on specific soil characteristics and perceived effects of 

SOM  on  productivity,  using  Spearman’s  rank  correlation  test.  Numbers  indicate  Spearman’s  rho.  Stars  show 

confidence level of correlation coefficients (* means P<0.05. ** means P<0.01).  

Farmers’ subjective norm

 

Considering  the  subjective  norm  of  Dutch  arable  farmers,  there  were  significant 
differences dependent on the age group. The results indicate that younger farmers are 
less motivated to comply with views from the given referents (such as fellow farmers, 
research or advisors, Fig. 5.6). Overall, advisors were thought to be most positive about 
increasing  SOM  content,  whilst  fellow  farmers  were  thought  to  be  least  positive  on 
increasing SOM content. 

Page 119

Figures and page graphics, page 119

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

111 

 

 

 

On average, subjective norm of farmers to increase SOM content was positive (5.84 on 
a scale from -10 to +10). Age group had a significant effect on the subjective norm. 
Older farmers (55-65 year) had a significantly more positive overall subjective norm on 
increasing SOM content than medium age (45-55 year) or younger (18-45 year) farmers 
(6.29 vs 5.96 and 5.28 respectively, Table 5.3). 

Table 5. 3: Subjective norm on SOM (calculated using Equation 5.2). Farmers are classified according to their 
age. Letters indicate a significant difference within one column between referent scores. * indicate a significant 
difference between at least two referent scores within one row (using the post hoc Conover-Iman test). 

 

Young 18-45 yr 

(N = 124) 

Middle 45-55 yr 

(N = 176) 

Old 55-65 yr 

(N = 131) 

 

Subjective norm 
(-10 to +10) 

Rank 

Subjective norm 
(-10 to +10) 

Rank 

Subjective norm 
(-10 to +10) 

Rank 

Advisors 

6.25

a

 

1 

6.80

a

 

1 

6.75

ab

 

2 

Research 

5.06

b

* 

3 

6.27

ab

* 

2 

6.83

a

* 

1 

Study club 

5.41

b

* 

2 

5.94

b

* 

4 

6.23

b

* 

4 

Magazines 

4.85

b

* 

4 

6.03

b

* 

3 

6.55

ab

* 

3 

Fellow farmers 

4.81

b

 

5 

4.74

c

 

5 

5.07

c

 

5 

MEAN 

5.28* 

 

5.96* 

 

6.29* 

 

Fig 5. 6: Mean values of normative belief related to mean motivation to comply with referents. Shapes indicate 
age groups of farmers.

 

Page 120

Figures and page graphics, page 120

Chapter 5 

 

112 

 

Farmers’ perceived behavioural control 

 

Considering the perceived behavioural control of Dutch arable farmers, the long-term 
effect of SOM was evaluated as the factor with the highest control strength and valuated 
most positively (Fig. 5.7). Availability and costs of organic inputs were considered more 
or  less  neutral  in  control  power,  while  Dutch  law  on  manure  and  fertiliser  use  (The 
Dutch Manure and Fertiliser Act) and crop rotations were considered to have a negative 
influence on SOM management. 

 

 

There were some significant differences in perceived behavioural control, depending on 
farm intensity (

€

/ha). Farmers with high intensive farms were most positive on the long-

term effect of SOM content. Farmers with medium intensive farms were most negative 
on the costs of organic inputs. Farmers with low intensive farms were least negative on 
the  effects  of  specialized  crops  on  the  management  of  SOM.  Overall  perceived 
behavioural control was not significantly different across farm intensities (Table 5.4). 

For low, medium and high intensive farms, control factors had exactly the same ranking 
in order of relevance. For all farm intensities, the Dutch Manure and Fertiliser Act was 
considered  the  most  hampering  factor,  followed  by  crop  rotations  with  specialized 
crops.  

Fig 5. 7: Mean values of control strength related to control power. Crop rotation = crop rotation with specialized 
crops. Law = Dutch Manure and Fertiliser Act. Shapes indicate farm intensity.

 

 

Page 121

Figures and page graphics, page 121

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

113 

 

Table 5. 4: Perceived behavioural control on SOM content by farmers (calculated using Equation 5.3). Farmers 
were divided into equally size

d groups according to their farm intensity. Low intensive  farms: < 2273.4 €/ha. 

Medium intensive farms: 2273.4 -  

3062.4 €/ha. High intensive farms: > 3062.4 4 €/ha. A different uppercase letter 

indicates a significant difference within one column between control factors. * indicates a significant difference 
between at least two values for perceived behavioural control within one row (using the post hoc Conover-Iman 
test). 

 

Low intensive farms 

(N = 144) 

Medium intensive farms 

(N = 144) 

High intensive 

farms 

(N = 143) 

 

Perceived 

behavioural 

Control 

(-10 to +10)  Rank 

Perceived 

behavioural 

control 

(-10 to +10)  Rank 

Perceived 

behavioural 

Control 

(-10 to +10) 

R
a
n
k 

Effects of SOM are long term 
instead of short term 

 4.00

d

* 

1 

 4.13

d

* 

1 

 5.00

d

* 

1 

Costs of organic inputs 

 0.35

c

* 

2 

-0.10

c

* 

2 

 0.91

c

* 

2 

Availability of organic inputs 

-0.19

c

 

3 

-0.24

c

 

3 

 0.16

c

 

3 

Crop rotations with specialized 
crops 

             -
1.24

b

* 

4 

             -
1.90

b

* 

4 

             -
2.84

b

* 

4 

Dutch Manure and Fertiliser Act 

-4.61

a

 

5 

-4.80

a

 

5 

-4.81

a

 

5 

MEAN 

-0.34 

 

-0.58 

 

-0.31 

 

5.3.3.

 

Correlations  between 

farmers’  beliefs  and  farmers’  intention  to 

increase SOM 

Most Dutch farmers who participated in the survey stated an intention to increase SOM 
content (90.1%). On a scale from 1 to 5, 71.9% gave a 5 and 18.2% a 4. Only 2.5% of 
the farmers did not want to increase SOM content of their fields (indicating either 1 or 
2 on a scale of 5) and 7.4% of the farmers was neutral (indicating a 3). 

In  the  previous  sections,  underlying  beliefs  of  Dutch  arable  farmers  on  SOM  were 

assessed. How are these underlying beliefs related to farmers’ intention to increase SOM 

content?  Almost  all  beliefs  on  outcomes  and  social  referents  were  significantly  but 
weakly 

related to farmers’ 

intentions to increase SOM content. Beliefs on control factors 

were much less related to farmers’ intentions to increase SOM content (Table 5.5) 

 

For outcomes, (Table 5.5a), belief strengths and outcome valuations were more or less 

equally  related  to  farmers’  intention  to  increase  SOM  conten

t  (significant  spearman 

Rho’s  between  0.15  and  0.30).

  The  strongest  relation  was  found  between  perceived 

increase in crop productivity and intention to increase SOM content.  

There was a stronger correlation between normative beliefs of referents and farme

rs’ 

intentions to increase SOM content than between the motivations to comply with those 

referents  and  farmers’  intentions  to  increase  SOM  content 

(Table  5.5b,  0.22-0.33  vs 

Page 122

Figures and page graphics, page 122

Chapter 5 

 

114 

 

0.11-0.16). Subjective norms based on advisors and study clubs were slightly stronger 
related with intentions to increase SOM content than the subjective norms of research, 
magazines and fellow farmers. 

 

Table 5. 5: 

Correlations between farmers’ intentions to increase SOM content and beliefs on expected outcome

s, 

referents and control factors on increasing SOM content. Tests of significance were done using Spearman’s rank 
correlation test. Numbers indicate Spearman’s rho.

 

 

Correlation 

with 

intention to 

increase 

SOM 

P

 value 

Correlation 

with 

intention to 

increase 

SOM 

P

 value 

Correlation 

with 

intention to 

increase 

SOM 

P

 value 

A. Outcomes 

Belief strength

 

Outcome valuation 

Attitude

 

Improved soil structure 

0.21 

0.000 

0.29 

0.000 

0.28 

0.000 

Easy rooting 

0.16 

0.001 

0.26 

0.000 

0.24 

0.000 

Increased productivity 

0.30 

0.000 

0.26 

0.000 

0.32 

0.000 

Improved workability 

0.22 

0.000 

0.15 

0.002 

0.18 

0.000 

Increased water holding 
capacity 

0.18 

0.000 

0.29 

0.000 

0.27 

0.000 

More soil life 

0.18 

0.000 

0.26 

0.000 

0.24 

0.000 

Continuous nutrient release 

0.17 

0.000 

0.16 

0.001 

0.18 

0.000 

Increased binding capacity of 
nutrients 

0.21 

0.000 

0.27 

0.000 

0.26 

0.000 

Increase in soil fungi 

-0.07 

0.127 

0.07 

0.143 

0.12 

0.013 

B. Referents 

Normative belief 

Motivation to comply 

Subjective norm 

Advisors 

0.33 

0.000 

0.13 

0.006 

0.29 

0.000 

Research 

0.25 

0.000 

0.08 

0.084 

0.21 

0.000 

Magazines 

0.25 

0.000 

0.16 

0.001 

0.24 

0.000 

Study clubs 

0.33 

0.000 

0.09 

0.053 

0.29 

0.000 

Fellow farmers 

0.22 

0.000 

0.11 

0.027 

0.21 

0.000 

C. Control factors 

Control strength 

Control power 

Perceived behavioural 

control 

Effects of SOM are long term 
instead of short term 

0.05 

0.291 

0.12 

0.010 

0.11 

0.018 

Costs of organic inputs 

0.10 

0.043 

0.15 

0.002 

0.13 

0.007 

Availability of organic inputs 

0.07 

0.177 

-0.03 

0.591 

-0.05 

0.267 

Crop rotation with specialized 
crops 

0.15 

0.002 

-0.11 

0.021 

-0.13 

0.008 

Dutch Manure and Fertiliser Act 

0.19 

0.000 

-0.08 

0.091 

-0.06 

0.212 

Page 123

Figures and page graphics, page 123

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

115 

 

Control factors 

were not or only weakly related with farmers’ intention to increase SOM 

content  (Table  5.5c,  significant  numbers  ranging  between  -0.11  to  0.19).  Significant 
relations between perceived behavioural control and intentions to increase SOM content 
were only found for costs of organic inputs, long-term effects of SOM and crop rotations 
with specialized crops. This indicates that despite low availability of organic inputs or 
the restrictions of the Dutch Manure and Fertiliser Act, farmers still have the intention 
to increase SOM content. If they succeed in doing so is a different question. 

5.3.4.

 

Correlations between farmers’ intention to increase SOM

 and actual 

use of organic inputs 

Comparing farmers’ intention to increase SOM content with their use of organic inputs, 

a  positive  correlation  was  found  with  the  use  of  slurry  and  compost  (

p

=0.044  and 

p

=0.035 respectively, Table 5.6c).  

Table  5.  6:  Actual  use  of  organic  inputs  by  farmers  with  different  intentions  to  increase  SOM  content.  For 
incorporation of straw, only farmers for which the mentioned cereal is included in their crop rotation are shown. 
P values below 0.05 indicate a significant positive trend between a intention to increase SOM and the use of an 
organic input (straw - spearman rank correlation test, all others - Jonckheere-Terpstra trend test). 

 

Intention to increase SOM (1 = low, 5 = high) 

 

  

1 

(N=2) 

2 

(N=7) 

3 

(N=31) 

4 

(N=75) 

5 

(N=290) 

p  

A.

 

Green manures 

 

 

 

 

 

 

Percentage farm land with green manures 

24% 

34% 

20% 

33% 

33% 

0.079 

 

 

 

 

 

 

 

B.

 

Straw 

 

 

 

 

 

 

Grain maize (never/sometimes/always) N = 99 

0/1/0 

0/1/0 

4/6/0 

6/9/3 

40/23/6 

0.11 

Other cereals (no/sometimes/yes) N = 390 

0/1/1 

3/0/5 

17/5/8 

28/20/2

5 

82/81/11

4 

0.06 

Rapeseed(no/sometimes/yes) N = 63 

0/1/0 

0/1/0 

1/10/1 

0/9/2 

4/32/2 

0.81 

 

 

 

 

 

 

 

C.

 

Off-farm 

 

 

 

 

 

 

Slurry application (t/ha) 

3.00 

6.70 

10.71 

11.86 

12.56 

0.044 

FYM application (t/ha) 

3.41 

0.73 

1.52 

1.06 

1.15 

0.555 

Compost application (t/ha) 

0.00 

0.00 

1.39 

1.80 

2.09 

0.035 

 

 

 

 

 

 

 

D.

 

Total 

 

 

 

 

 

 

Total C added (t/ha) 

1.16 

1.09 

1.04 

1.33 

1.40 

0.003 

Effective C added (t/ha) 

0.43 

0.35 

0.45 

0.55 

0.60 

0.002 

Page 124

Figures and page graphics, page 124

Chapter 5 

 

116 

 

When converting all organic inputs into total C added or total effective C added (Table 
5.6d), in both cases  application amounts increased  with higher  intentions to increase 
SOM content (

p

=0.003 and 

p=

0.002 respectively). 

5.3.5.

 

Correlations  between  perceived  change  in  SOM,  perceived 

behavioural  control,  intentions  to  increase  SOM  and  use  of  organic 
inputs  

Farmers also indicated if SOM contents on their farm increased or decreased. Asked if 
SOM content was decreasing on their farms, on a scale from 1 to 5, only 1% indicated 
a 5 (meaning large decrease of SOM content). Following, 11% of the farmers indicated 
to  perceive  some  decrease.  Around  one  third  (33.6%)  of  the  farmers  gave  a  neutral 
indication, while the majority (55% of the farmers) indicated a 1 or a 2, meaning that 
the SOM content of their farms was stable or increasing.  

Perceived change in SOM content was significantly related to the perceived behavioural 
control  of  farmers  (Table  5.7,  significant  numbers  ranging  between  -0.22  and  0.25). 
Among the different control factors, perceiving the Dutch Manure and Fertiliser Act as 
a strong obstacle was strongest related with perceived trends in SOM content. 

Table 5. 7: 

Correlations between farmers’ beliefs on control factors and perceived increase in SOM content. Tests 

of significance are done using Spearman’s rank correlation test. Numbers indicate Spearman’s rho.

 

 

Correlation 

with 

perceived 

increase in 

SOM 

P

 value 

Correlation 

with 

perceived 

increase in 

SOM 

P

 value 

Correlatio

n with 

perceived 

increase in 

SOM 

P

 value 

Control factors 

Control strength 

Control power

 

Perceived behavioural 

control 

Effects of SOM are long term 
instead of short term 

0.04 

0.392 

0.21 

0.000 

0.17 

0.000 

Costs of organic inputs 

-0.11 

0.021 

0.11 

0.024 

0.11 

0.024 

Availability of organic inputs 

-0.22 

0.000 

0.09 

0.059 

0.05 

0.310 

Crop rotation with specialized 
crops 

-0.16 

0.001 

0.12 

0.013 

0.13 

0.008 

Dutch Manure and Fertiliser 
Act 

-0.19 

0.000 

0.25 

0.000 

0.24 

0.000 

No correlation was found between the use of organic inputs and perceived increase in 
SOM (Fig. 5.8). This might be due to the time it takes before organic inputs have an 
effect on SOM content and thus before any change will be perceived by the farmers (for 

Page 125

Figures and page graphics, page 125

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

117 

 

example through soil analyses) - this can take decades. At the same time, the lack of 
correlation also illustrates how difficult it can be for farmers to increase SOM content.  

There  was  a  weak but significant  negative  correlation  between  perceived  increase  in 
SOM and the intention to increase SOM content 

(Spearman’s  Rho 

-0.16).  The  more 

SOM content was perceived to 

decrease, the higher was farmers’ intention to increase 

SOM content. Thus, a perceived decrease in SOM content can lead to a higher intention 
to increase SOM content, which again can lead to an increase in the use of organic inputs 
(Fig.  5.8).  In  addition,  a  significant  correlation  was  found  between  perceived 
behavioural control and perceived increase (or decrease) of SOM content, highlighting 
the apparent importance of control factors on the long term. 

 

 

 

5.4.

 

Discussion 

The  435  Dutch  arable  farmers  included  in  the  analysis  of  this  study  were  somewhat 
younger and had larger farms (both in total land area cultivated and economic size) than 
average Dutch arable farmers. The differences were however small. In addition, SOM 
contents o

f farmers’ soils corresponded very well with the average for the Netherlands 

Fig 5. 8: Correlations bet

ween farmers’ attitude, subjective norm, perceived behavioural control, intention to 

increase  SOM  and  perceived  increase  of  SOM  using  Spearman’s  rank  correlation  test.  Numbers  in  circles 

indicate mean values. Numbers besides arrows give correlation coeffic

ients (Spearman’s rho). Numbers at top of 

figure  indicate  potential  ranges.  Dotted  lines  indicate  relations  with  no  significant  correlation.  Stars  show 
confidence level of correlation coefficients (* means P<0.05. ** means P<0.01

 

Page 126

Figures and page graphics, page 126

Chapter 5 

 

118 

 

(3.6  vs  3.5%  SOM).  The  outcomes  of  this  study  could  therefore  be  considered 
representative for the larger population of Dutch arable farmers. 

In the Netherlands, farmers usually have sufficient access to mineral fertilisers (Eurostat 
2012; Potter et al. 2010). It is therefore not surprising that Dutch farmers value nutrient 
release and nutrient binding capacity of SOM the least (Table 5.2 and Fig. 5.4): they do 
not primarily rely on these functions of SOM for crop production. Farmers value the 
effect of SOM content on soil structure more, especially where it improves workability 

on clay soils and water holding capacity on sandy soils. In this respect, farmers’ views 

align  well  with  findings  from  field  experiments  (Barzegar  et  al.  2002;  Hamza  & 
Anderson 2005; Rawls et al. 2003; Soane 1990; Watts & Dexter 1997). 

Farmers  with  a  higher  intention  to  increase  SOM  content  used  significantly  more 
compost  and  slurry  (

P

=

0.035

  and 

0.044

  respectively)  and  applied  significantly  more 

total C and effective C to their soils (

P=0.003 

and

 0.002

 respectively). We however 

found that the use of organic inputs was not directly related to a perceived increase in 
SOM content. Increasing SOM content by using organic inputs often takes many years 
or even decades (Körschens et al. 2013), which could be one explanation for this lack 
of correlation. 

Comparing  farm  intensities,  farmers  with  high  intensive  farms  (with  the  highest 
economic output per ha), value the long-term effect of SOM more than medium or low 
intensive farms and see the costs of organic inputs as less of a constraint (Table 5.4). At 
the  same  time,  farmers  with  more  intensive  farms  cultivate  more  specialized  crops 
(including root and tuber crops), which makes it more difficult for them to increase SOM 
content. This can be an additional challenge considering root and tuber crops depend 
more on a good soil structure for successful crop growth than cereals (Verheijen 2005b). 
Over the past decades, the ratio of gross margins between specialized crops and cereals 
has gone up (KWIN 2015), thereby making crop rotations with higher shares of cereals 
economically challenging. 

Comparing  age  groups,  younger  farmers  were  less  motivated  to  comply  with  social 
referents  than  older  farmers,  especially  when  it  comes  to  messages  received  from 

research,  farmers’  magazines  and  study  clubs  (

Fig.  5.6).  In  general,  advisors  were 

perceived to be most positive about increasing SOM content, especially compared with 
fellow farmers, who were perceived to be the least positive.  

Page 127

Figures and page graphics, page 127

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

119 

 

This  study  looked  specifically  at  farmers’  beliefs  in  increasing  SOM  content  in 

the 

Netherlands.  In  the  Netherlands  there  is  a  large  supply  of  animal  manure  due  to  the 
presence of a relatively large livestock sector (Oenema & Berentsen 2004), making this 
a relatively cheap source of nutrients. In addition, costs of fertilizers are low relative to 
land prices in the Netherlands. Therefore, in other countries nutrient supply of SOM and 
costs of organic inputs might play a larger role. 

5.5.

 

Conclusion 

Using the theory of planned behaviour, this study has gained insight into the underlying 
beliefs of farmers to increase SOM content. We found that Dutch arable farmers are well 
aware of the benefits of SOM. Most Dutch farmers also have a positive subjective norm 
on  SOM  (rating  5.84  on  a  scale  from  -10  to  +10).  Advisors  seem  most  positive  on 
increasing SOM content, whilst Dutch arable farmers are most motivated to comply with 
findings from research.  

Farmers’  at

titude,  subjective  norm  and  perceived  decrease  in  SOM  content  were  

significantly related to their intention to increase SOM content (Fig. 5.8). In our farm 
survey, this intention was very strong: 90.1% of the farmers stated a high or very high 
intention to increase SOM content of their fields.  

In contrast, perceived behavioural control had no significant correlation with farmers’ 

intention to increase SOM content. Perceived behavioural control did have a significant 
positive correlation with perceived increase in SOM content. From a farmers point of 
view, this indicates that increase of SOM content is to a large degree beyond their direct 
influence. Important impeding factors on SOM management were found to be the Dutch 
Manure and Fertiliser Act and need for crop rotations with specialized crops.  

Currently,  Dutch  and  European  laws  on  manure  and  fertiliser  use  mainly  focus  on 
reducing nutrient leaching to surface waters, not necessarily enhancing organic matter 
applications.  There  is  however  potential  to  re-use  organic  wastes  with  low  nutrient 
contents to arable land (van der Kolk & Zwart 2013). Meyer-Kohlstock et al. (2015) 
recently  found  that  only  one  third  of  biowaste  is  used  as  compost  in  Europe. 
International  policies  to  increase  SOM  content  could  therefore  start  by  investigating 
how the availability of organic inputs can be increased by facilitating the use of organic 
wastes.  Meyer-Kohlstock  et  al.  (2015)  recommend  setting  recycling  targets  and 
implementation of collection systems. In addition, incentives are needed for farmers to 

Page 128

Figures and page graphics, page 128

Chapter 5 

 

120 

 

cultivate crops in a more balanced crop rotation, 

i.e. 

a higher share of cereals or other 

crops which are beneficial for SOM content. 

5.6.

 

Acknowledgements 

We thank all Dutch farmers who participated in the online farm survey. Gratitude goes 

to Rob Smidt for extracting farmers’ addresses from the database and to Bert Rijk for 

supporting  survey  logistics.  We  thank  Greet  Ruysschaert,  Marian  Vlaswinkel,  Joske 
Houtkamp,  Mark  Kronen,  Jan  Reimer  and  Zwier  van  der  Vegte  for  testing  our 
questionnaire and giving useful suggestions for improvement. Finally, thanks to all our 
colleagues in the CATCH-C project for the pleasant collaboration. 

  

Page 129

Figures and page graphics, page 129

Farmers’ beliefs on SOM

 

 

121 

 

Supplement Chapter 5 

 

Supplementary Fig. 5.1 

Soil texture map of the Netherlands 

121 

Supplementary Table 5.1  Conversion  coefficients  for  C  and  effective  C 

contents of organic inputs 

122 

 

Soil texture map of the Netherlands 

 

 

 

Supplementary Fig. 5. 1: Soil texture map of the Netherlands. Sampling area for this study includes farmers on 
sand, loam and clay soils. Figure is adapted from the Dutch soil map (WUR-Alterra, 2006).

 

Page 130

Figures and page graphics, page 130

Supplement Chapter 5 

 

122 

 

Conversion coefficients for C and effective C contents of organic inputs 

 

Supplementary Table 5. 1: Conversion coefficients for calculating total and effective C content of organic inputs. 
If  estimates  of  biomass  or  C  content  are  based  on  multiple  literature  sources,  averages  are  taken.  Where 
information was absent, carbon content of dry organic plant material is assumed to be 0.425 tonne C per tonne 
dry organic matter (Janssen, 2002). FM = Fresh matter. 

 

Conversion coefficients 

Comments 

References 

On-farm 

Total C 

(tonnes 

C/ha) 

Effective C 

(tonnes effective 

C/ha) 

 

 

Green manures  

1.28 

0.34  For each ha 

cultivated with 
green manures 

(De Jonge 1981 as cited by 
Dekker et al. 2004; Florentín 
2011; Timmer et al. 2004) 

Straw from maize  

1.60 

0.57  For each ha 

cultivated with 
maize, when 
incorporated 

On biomass estimates:  

(LNE 2009) 

On straw to grain ratios:

(De 

Jonge 1981 as cited by Dekker et 
al. 2004; Fleischer et al. 1989; Lal 
1995) 

Straw from other 
cereals (such as 
wheat, barley, rye, 
oat, triticale) 

1.63 

0.54  For each ha 

cultivated with 
cereals, when 
incorporated 

On biomass estimates: 

(KWIN 2015; LNE 2009) 

On straw to grain ratios: 

(Bauder 2000; De Jonge 1981 as 
cited by Dekker et al. 2004; Lal 
1995) 

Straw from 
rapeseed 

1.15 

0.40  For each ha 

cultivated with 
rapeseed, 
when 
incorporated 

On biomass estimates:  

(KWIN 2015) 

On straw to grain ratios:  

(De Jonge 1981 as cited by 
Dekker et al. 2004; Lal 1995) 

 

 

   

 

Off-farm 

(tonne 

C/tonne FM 

organic 

input) 

(tonne effective 

C /tonne FM 

organic input) 

 

 

Slurry  

0.03 

0.011   

(CBAV 2017; de Vries 2014; 
LNE 2009; Pronk & Korevaar 
2008) 

FYM  

0.08 

0.044   

(De Jonge 1981 as cited by CBAV 
2017; De Vries et al. 2012; 
Dekker et al. 2004; LNE 2009; 
Pronk & Korevaar 2008) 

Compost  

0.10 

0.093   

(De Jong 1981 as cited by CBAV 
2017; Dekker et al. 2004; LNE 
2009; Pronk & Korevaar 2008) 

 

 

 

Page 131

Figures and page graphics, page 131

Perceived deficiency of SOM 

 

123 

 

Chapter 6 

 

Do  farmers  perceive  a  deficiency  of  soil  organic  matter?  A  European  and  farm 
level analysis 

Renske Hijbeek

1

, Anouk Cormont

2

, Gerard Hazeu

3

, Luca Bechini

4

, Laura Zavattaro

5

, 

Bert Janssen

1

, Magdalena Werner

6

, Norman Schlatter

7

, Gema Guzmán

8

, Jo Bijttebier

9

, 

Annette A. Pronk

10

, Michiel van Eupen

2

, Martin K. van Ittersum

1

 

1

Plant Production Systems, Wageningen Plant Research,  Wageningen University and 

Research, the Netherlands 

2

Earth informatics, Wageningen Environmental Research, Wageningen University and 

Research, the Netherlands 

3

Spatial  Knowledge  Systems,  Wageningen  Environmental  Research,  Wageningen 

University and Research, the Netherlands 

4

Department  of  Agricultural  and  Environmental  Sciences,  Università  degli  Studi  di 

Milano, Italy 

5

Department of Agricultural Forest and Food Sciences, Università degli Studi di Torino, 

Italy 

6

Centre of Biodiversity and Sustainable Land Use, University of Göttingen, Germany 

7

Department for Soil Health and Plant Nutrition, Austrian Agency for Health and Food 

Safety, Austria. 

8

Department of Agronomy, University of Cordoba, Spain 

9

Flanders research institute for agriculture, fisheries and food, Belgium 

10

Agrosystems Research, Wageningen University and Research, the Netherlands

 

 

Ecological Indicators (2017) 83: 390

–

403 

 

 

 

Page 132

Figures and page graphics, page 132

Chapter 6 

 

124 

 

Abstract 

Agricultural soils with too little soil organic matter (SOM) content are characterized by 
fertility problems. A number of authors have tried to specify threshold values for SOM 

content to indicate what is ‘too little’, ranging from 1 to 5%, below which yields may 

be affected. How much SOM content is sufficient, however, depends on a number of 
environmental factors. In addition

, up to date farmers’ perceptions were not included 

when  developing  thresholds.  Therefore,  this  study  focuses  on  the  following  three 
objectives:  (1)  to  put  forward  a  risk  indicator  for  SOM  deficiency  based  on 
environmental  factors  and  agricultural  land  use;  (2)  to  test  the  risk  indicator  using 

farmers’ perceptions and (3) to establish threshold values for SOM content based on 
farmers’ perceptions. 

 

For objective 1, literature was reviewed on effects of environmental factors and land use 
on SOM deficiency. Findings were combined into nine options for a risk indicator on 
SOM deficiency, mapped at European scale. For objective 2, a farm survey was done 
among  1452 arable farmers in five European countries (Belgium,  Germany, Austria, 
Spain and Italy). Associations between perceived deficiency of SOM by farmers and 
environmental factors, land use and the risk indicator were investigated. For objective 

3, farmers’ perceptions on SOM 

deficiency were related to the average SOM content of 

their fields.  

Mapping the risk indicator at European scale gives a high to very high risk of SOM 
deficiency for 7 to 37% of European agricultural land, mainly located in Southern and 
Eastern Europe. Of the farmers in our survey, 18% perceived a high to very high SOM 
deficiency. 

A  weak  correlation  was  found  between  the  risk  indicator  and  farmers’ 

perceptions  of  SOM  deficiency  (0.15-

0.18,  Spearman’s  rank  correlation). 

Stronger 

relations  were  found  between  separate  environmental  factors  and  perceived  SOM 
deficiency. Apparently, having a more extreme environmental condition for one factor 
gives  a  higher  chance  of  perceiving  a  deficiency  of  SOM  than  a  combination  of 

moderate environmental conditions. Based on farmers’ perceptions 

threshold intervals 

for  SOM  content  were  established  (sand:  1.2

–

4.7%,  loam:  0.6

–

2.6%  and  clay:  1.0

–

2.4%).  

If policies on SOM management want to include benefits for crop production, targeting 
areas  with  a  relatively  high  risk  of  SOM  deficiency,  more  extreme  environmental 
conditions or with very low SOM contents (below the given threshold intervals) seems 
most promising. 

Page 133

Figures and page graphics, page 133

Perceived deficiency of SOM 

 

125 

 

Keywords:

 soil organic matter; soil organic carbon; productive capacity; risk indicator; 

farmers' perceptions; SOM deficiency; threshold value; critical level; land use; arable 
farming; Europe; crops; agriculture

  

Abbreviations 

IQR 

inter-quartile range 

L 

lower extreme: lowest point observed within Q1 

–

 (1.5*IQR) and Q3 + 

(1.5*IQR) 

L

L

 

lower extreme for the range of SOM contents of farmers with a low 
perceived deficiency of SOM 

L

VL

 

lower extreme for the range of SOM contents of farmers with a very low 
perceived deficiency of SOM 

Q1 

first quartile 

Q3 

third quartile 

SOM 

soil organic matter 

U 

upper extreme: highest point observed within Q1 

–

 (1.5*IQR) and Q3 + 

(1.5*IQR) 

U

H

 

upper extreme of the range of SOM contents of farmers with a high 
perceived deficiency of SOM 

U

VH

 

upper extremes of the range of SOM content of farmers with a very high 
perceived deficiency of SOM 

6.1.

 

Introduction 

Percentages of soil organic matter (SOM) in soils vary widely, from below 1% for some 
sandy  soils,  to  almost  100%  for  certain  peat  soils  (Loveland  &  Webb  2003).  When 
pastures or forests are converted to arable land, SOM content decreases often to less 
than  10%  SOM,  depending  on  soil  texture,  climate,  land  use  and  management 
(Verheijen 2005b). This decrease in SOM also reduces the global carbon stock (Smith 
2004), which could be an incentive to maintain or increase SOM content in arable soils 
above certain levels, especially if this improves productive capacity.  

Page 134

Figures and page graphics, page 134

Chapter 6 

 

126 

 

SOM improves a number of soil properties relevant for productive capacity such as soil 
structure, water holding capacity and buffering of nutrients (Hudson 1994; Johnston et 
al. 2009; Oades 1984). Farming on soils with a loose soil structure, low water holding 
capacity  or  low  availability  of  nutrients  can  generate  less  profit,  which  would  be  an 
incentive for farmers to maintain SOM content above certain threshold values (Gardner 
& Barrows 1985; Kimetu et al. 2008; Scrimgeour & Shepherd 1998). At the same time, 
demands for organic inputs (such as straw) are increasing with  new markets for bio-
energy and renewable materials emerging (Nicholson et al. 2014).  

With a decrease in SOM content, most soil properties change along a continuum (Karlen 
et al. 2001), making it difficult to define a critical or desirable C content for farmers 
(Sparling et al. 2003). Even so, for the percentage of SOM to be a useful indicator for 
productive capacity, target values need to be specified. Sparling et al. (2003) argue in 
favour of a minimum or threshold soil C value: 

“below which there would be loss of 

desirable soil characteristics, productive capacity and ecological functions that were 

not readily restored within an acceptable timeframe”.

 This study follows this definition, 

focussing mainly  on the  relevance  for productive  capacity.  With sufficient supply of 
external inputs or when target yields are low, threshold values will mostly depend on 
the  contribution  of  SOM  to  stability  of  soil  structure  and  related  ease  of  cultivation 
(Janssen & De Willigen 2006).  

Setting  threshold  values  can  be  an  important  guide  for  farmers  to  improve  their 
management and for policy makers when providing farm subsidies. A number of authors 
have tried to specify minimum or threshold values for SOM for crop production (also 
called critical levels), using a range of approaches such as information from soil surveys, 
literature reviews, soil organic carbon modelling, expert opinions or a combination of 
these. Table 6.1 shows a summary of these threshold values. Often, values mentioned 
by authors are very tentative. When based on experiments, threshold values are often 
related to observed losses in aggregate stability or direct losses in yield.  

When threshold values depend on soil texture, typically higher values are given for soils 
with more clay or fine silt particles. How much SOM is needed however will probably 
not only depend on soil texture, but also on other environmental factors (such as slope 
or climate) and land use (types of crops cultivated).  

Page 135

Figures and page graphics, page 135

Perceived deficiency of SOM 

 

127 

 

 

 

Page 136

Figures and page graphics, page 136

Chapter 6 

 

128 

 

Furthermore, none of the studies asked farmers for their views whilst farmers are the 
group  of  stakeholders  with  the  longest  and  most  practical  exposure  to  SOM  of  their 
fields. 

For targeted and effective policies on SOM management, more insight is needed under 
which circumstances increases in SOM content benefit the productive capacity of soils. 
It is hereby imperative to base this insight not only on results from experimental fields, 

but also on farmers’ knowledge an

d perceptions. Currently, it is unclear which areas 

have a high risk of SOM deficiency 

for productive capacity and farmers’ knowledge has 

not been included when proposing thresholds for SOM content in agricultural soils. 

Therefore, this study focuses on the following three research objectives:  

1.

 

To put forward  a risk indicator for SOM deficiency based on environmental 
factors and land use. 

2.

 

To test the risk indicator using farmers’ perceptions.

 

3.

 

To establish threshold values for SOM content based on farmers’ perceptions. 

 

Objectives  1  and  3  give  insight  where  policies  on  SOM  management  can  increase 

productive  capacities  of soils, whilst objective  2 brings together  farmers’ knowledge 

and existing scientific evidence. 

6.2.

 

Methodology 

For  objective  1,  literature  was  reviewed  on  the  influence  of  different  environmental 
factors and land use on the relationship between SOM content and productive capacity. 
Effects of environmental factors and land use were combined into an aggregated risk 
indicator on SOM deficiency, mapped at European scale (Section 6.2.1).  

For objectives 2 and 3, a farm survey was conducted to estimate farmers’ perceptions 

on  SOM  deficiency 

of  their  fields.  Following,  farmers’  perceptions  w

ere  related  to 

environmental  factors,  land  use,  the  combined  risk  indicator  and  the  average  SOM 

content of farmers’ fields (Section 

6.2.2). 

6.2.1

 

Developing a risk indicator on SOM deficiency 

In  this  study,  a  higher  risk  of  SOM  deficiency  indicates  that  with  similar  soil 
management, a farmer has an increased chance of perceiving a reduction in productive 
capacity  due  to  low  SOM  contents  compared  to  a  farmer  with  a  lower  risk  of  SOM 

Page 137

Figures and page graphics, page 137

Perceived deficiency of SOM 

 

129 

 

deficiency. A reduction in productive capacity might be observed directly (

e.g.

 lower 

yields) or indirectly (reduced workability of the soil). From this definition it follows that 
specific problems perceived by the farmer due to SOM deficiency (

e.g. 

concerning soil 

structure) can be solved by increasing SOM content. The risk of SOM deficiency for the 
productive capacity of agricultural soils depends on environmental conditions and land 
use. In this paper, we aim to define a risk indicator on SOM deficiency with a scale from 
1 to 5. 

To develop a risk indicator on SOM deficiency (objective 1), a number of consecutive 
steps  were  followed.  First  scientific  literature  was  reviewed  to  find  effects  of 
environmental factors and land use on the risk of SOM deficiency. Following, findings 
were used to define a risk indicator on SOM deficiency. Finally, the risk indicator on 
SOM deficiency was mapped at European scale. Each step is explained below. 

Literature review on effects of environmental factors and land use on SOM and risk of 
SOM deficiency 

Relevant  environmental  factors  for  SOM  deficiency  were  identified  based  on  three 
criteria:  1)  The  factor  is  not  changed  by  human  management  (therefore  shaping  the 
context in which farmers have to operate); 2) Datasets have to be available at European 
scale; 3) Literature has to be available on how the environmental factor influences the 
relation between SOM content and productive capacity.  Following  these criteria, the 
following  three  environmental  factors  were  selected:  land  slope,  soil  texture,  and 
climate.  

Soil texture  was  chosen to describe  soil types instead of soil taxonomy classes for a 
number of  reasons: 1) Soil classifications schemes such as the World Reference Base 
for Soil Resources (ISSS Working Group, WRB 1998) have many taxonomy classes 
(WRB has 32 main groups) which makes statistical analyses difficult. 2) We wanted to 

compare the risk indicator with farmers’ perceptions in which case we relied on farmers’ 

descriptions of soils. Farmers are more aware of their soil texture than of the scientific 
names  given  to  their  soil  profiles.  3)  Soil  textures  have  more  easily  understandable 
relations with aggregate stability, water holding capacity and productive capacity than 
do soil classifications. 

Scientific literature was searched using online search engines (Google scholar, ISI Web 
of  knowledge)  to  find  how  these  different  factors  plus  land  use  (types  of  crops 
cultivated) influence the effect of SOM content on productive capacity. Based on the 

Page 138

Figures and page graphics, page 138

Chapter 6 

 

130 

 

literature, two types of effects on the relation between SOM and productive capacity 
were identified for each environmental factor and land use: 1) a direct effect on actual 
SOM content (

e.g.

 wetter climates slow down decomposition rates) and 2) an indirect 

effect on how likely it will be that SOM affects productive capacity (

e.g.

 wetter climates 

give a higher chance on soil compaction which SOM might alleviate). The second effect 
illustrates that in some conditions, SOM will have a larger contribution to productive 
capacity than others. The difference between the two types of effects is schematically 
shown in Fig 6.1.  

 

Fig 6. 1: Schematic overview of two types of effects of environmental factors and land use on the relation between 
SOM and productive capacity: (1) a direct effect on actual SOM content and (2) an indirect effect on the possible 
contribution of SOM content to productive capacity. Corn figure adapted from Thomas (2010). 

In the following four paragraphs, the specific effects of each environmental factor and 
land use are described. A summary of the literature findings is given per effect type in 
Table  6.2.  Often,  findings  were  described  in  trends  rather  than  precise  magnitudes. 
Therefore,  qualitative  diagrams  were  drawn  for  each  factor,  showing  an  increase, 
decrease or parabolic curve along an environmental spectrum (Fig 6.2). 

Page 139

Figures and page graphics, page 139

Perceived deficiency of SOM 

 

131 

 

Slope effect 

Soils on steeper slopes often have less SOM while they would benefit more from the 
soil structural effects of SOM content and steeper slopes are more prone to erosion (Fox 
& Bryan 2000; Gregorich et al. 1998). Erosion causes a loss of soil and thus SOM, while 
SOM itself can reduce runoff by increasing porosity and enhancing aggregate stability, 
both diminishing surface sealing and promoting infiltration rates (Benito & Diaz-Fierros 
1992; Malinda 1995; Rhoton et al. 2002). Therefore, soils on steeper slopes are expected 
to have a higher risk of SOM deficiency to maintain productive capacity (Fig 6.2a) 

Soil texture effect 

SOM content improves structures of both very heavy and very light soils. Light sandy 
soils normally have a loose soil structure, which can be improved by adding organic 
inputs (Chaney & Swift 1986; Johnston et al. 2009; Tisdall & Oades 1982). SOM binds 
more easily to clay particles and therefore, on average, clay soils have a higher SOM 
content (Körschens et al. 1998; Reeves 1997; Verheijen et al. 2005). When clay soils 
are very heavy, however, they are 

–

 despite the higher SOM contents - more prone to 

soil  compaction.  Soil  compaction  causes  mechanical  impedance  for  root  growth  and 
inadequate aeration (Janssen & van der Weert 1977; Wiersum 1957). Increasing SOM 
contents can reduce compaction of soils (Soane 1990). Therefore, soils at both ends of 
the soil texture spectrum are expected to have a higher risk of SOM deficiency than in 
the middle (Fig 6.2b). 

Climate effect 

Soil productivity benefits from SOM in both very dry and very wet climates. For crops 
cultivated in hot and dry areas, SOM increases water holding capacity (Díaz-Zorita et 
al. 1999). In wet climates, SOM prevents soil compaction and  water  logging  (Soane 
1990). At the same time, soils in cold and wet climates are expected to have more SOM 
content due to slower  decomposition  (Gonçalves & Carlyle 1994;  Verheijen  2005b). 
Yet  apparently,  effects  of  reduced  decomposition  are  often  not  sufficient  to  prevent 
compaction. Therefore, a parabolic relationship is proposed between aridity and risk of 
SOM deficiency (Fig 6.2c). 

Land use effect (types of crops cultivated) 

The type of crops a farmer cultivates (

i.e. 

land use) has an effect on the SOM balance, 

whilst also determining the dependence on soil structure for crop growth.  

Page 140

Figures and page graphics, page 140

Chapter 6 

 

132 

 

 

 

Page 141

Figures and page graphics, page 141

Perceived deficiency of SOM 

 

133 

 

In general, cereals and grass provide more crop residues (root, stubble, leaves) which 
can be returned to the field as organic inputs than specialized or horticultural crops (such 
as  root  or  tuber  crops,  legumes  or  flowers  (Zwart  et  al.  2013)).In  addition,  most 
specialized  and  horticultural  crops  have  a  less  developed  root  system  and  therefore 
depend more on a better soil structure for their successful cultivation and harvesting (De 
Haan 1977; Hijbeek et al. 2017; Verheijen 2005b). Specialized and horticultural crops 
thus  contribute  less  to  the  amount  of  SOM  content  whilst  benefiting  more  from  it. 
Therefore,  soils  with  more  specialized  and/or  horticultural  crops  than  cereals  are 
expected to have a higher risk of SOM deficiency (Fig 6.2d). 

 

 

Combining effects of environmental factors and land use into a risk indicator 

Environmental  effects  and  land  use  do  not  affect  SOM  deficiency  in  solitude,  but 
interact with each other. For example, a farmer will probably have a higher risk of SOM 
deficiency on a sandy soil when the farm is on a steep slope than on level land. This risk 
will again be different, depending on land use or climate.  

Fig 6. 2: Proposed relationships between environmental factors and land use and risk of SOM deficiency, based 
on literature. X-axes show ranges of different environmental factors and land use. Y-axes show risk of SOM 
deficiency

 

Page 142

Figures and page graphics, page 142

Chapter 6 

 

134 

 

Effects  of  all  four  factors  (Fig.  6.2)  interact  with  each  other.  Therefore,  effects  of 
different  environmental  factors  and  land  use  were  combined  into  a  risk  indicator  on 
SOM  deficiency.  This  risk  indicator  gives  a  risk  score  of  SOM  deficiency  for  each 
combination of slope, soil texture, climate and land use on a scale of 1 to 5. 

To calculate the risk indicator, effects of environmental factors and land use were added 
one  by  one  using  expert  views.  First,  effects  of  soil  texture  and  land  slope  were 
combined into a soil risk score. Each combination of soil texture and slope was given a 
score between 1 and 5, where 1 indicates a very low soil risk of SOM deficiency (

e.g. 

a 

loamy soil with no slope) and 5 a very high soil risk of SOM deficiency (

e.g.

 a sandy 

soil on a steep slope). Assigning the numbers 1 to 5 included some arbitrary choices. To 
reduce the effect of this arbitrariness, three types of combination options were proposed, 
resulting in a low, medium and high estimate for soil risk (Supplementary Tables 6.1-
6.3, page 155). 

Second, soil risk scores were combined with aridity into an environmental risk score. 
Each combination of a soil risk and a degree of aridity was given a score between 1 and 
5. Again, 1 indicates a very low environmental risk of SOM deficiency (

e.g. 

a low soil 

risk  with  an  intermediate  climate)  and  5  a  very  high  environmental  risk  of  SOM 
deficiency (

e.g.

 high soil risk with a very dry climate). Again, three types of combination 

options were proposed, resulting in a low, medium and high estimate for environmental 
risk (Supplementary Tables 6.4-6.6, page 156). 

Finally, environmental risk scores were combined with type of land use into a total risk 
score on SOM deficiency. Each combination of environmental risk and land use was 
given a score between 1 and 5, where 1 indicates a very low risk of SOM deficiency 
(

e.g. 

low  environmental  risk  with  cereals  or  grass)  and  5  a  very  high  risk  of  SOM 

deficiency  (

e.g.

  high  environmental  risk  with  specialized  crops).  One  combination 

option was  proposed, in which  cereals  and  grass reduce  the risk and specialized  and 
horticultural crops increase the risk of SOM deficiency (Supplementary Table 6.7, page 
157). 

A flow diagram of the procedure to combine the different factors into a risk indicator is 
shown in Fig. 6.3. The procedure resulted in nine different versions of the risk indicator 
(3 options for soil risk x 3 options for environmental risk x 1 option for the effect of land 
use). 

Page 143

Figures and page graphics, page 143

Perceived deficiency of SOM 

 

135 

 

 

 

 

Creating a spatial overview of the risk of SOM deficiency in Europe 

To create a spatial overview on risk of SOM deficiency in Europe, a dataset was needed 
for each environmental factor and land use. For slope, the GTOPO30 (a global elevation 
dataset;  USGS 1996)  was  used. For soil texture,  the European Soil Database  (EC & 
ESBN 2004) was selected. For climate, the degree of aridity was calculated by dividing 
annual  precipitation with potential evapotranspiration, using spatialized  climatic  data 
for the period 1975-2009 (Janssen et al. 2009). For land use, the land use dimension of 
the European farm typology as developed by Andersen et al. (2007) was used. 

Datasets were combined spatially using QUICKScan  (Verweij et al. 2016). For each 
data pixel (km

2

), QUICKScan used the rules from Supplementary Tables 6.1-6.7 and 

calculated  a  combined  risk  score  on  SOM  deficiency.  This  resulted  in  nine  maps 
showing estimated risk of SOM deficiency with European coverage. 

6.2.2

 

Perceived deficiency of SOM by farmers  

To test the risk indicator (objective 2) and to establish threshold values for SOM content 
(objective 3), a farm survey was held in five European countries.  Respondents came 
from a wide range of soil types, climate zones and land uses across Europe. By doing 
so, we capitalized on many years of practical farming experience across different soils 
and SOM contents. 

Fig 6. 3: Flow diagram of the procedure followed to combine effects of different factors into a risk indicator on 
SOM deficiency. SI = Supplementary Information.

 

Page 144

Figures and page graphics, page 144

Chapter 6 

 

136 

 

All farmers were asked if they perceived a deficiency of SOM on a Likert scale from 1 
to 5 (very low to very high SOM deficiency). This number is a holistic measurement of 
SOM deficiency 

perceived by farmers. Farmers’ perceptions 

might be based on many 

aspects (experience, observations, information, instinct, tacit knowledge), which they 
translate  into  one  number.  Underlying  mechanisms and disadvantages  of insufficient 
SOM (such as little water holding capacity, poor soil structure, little nutrient supply) all 
play a role, but in this study are aggregated together into one term (SOM deficiency). 

As seen in Fig 6.1, environmental factors and land use affect the relation between SOM 
and  productivity in two ways: (1)  a  direct  effect  on  actual  SOM content  (e.g.  wetter 
climates slow down decomposition rates) and (2) an indirect effect on how likely it will 
be that SOM affects productive capacity (e.g. wetter climates give a higher chance on 
soil compaction which SOM might alleviate). To account for both mechanisms, first, 
average  SOM  contents  of  farms  were  related  to  environmental  factors  and  land  use. 
Then, perceived deficiency of SOM was related to environmental factors and land use 
separately and to the risk indicator. In this manner, we compared scientific findings on 
the influence of environmental factors and land use on SOM deficiency 

with farmers’ 

practical  experience.  Next,  perceived  deficiency  of  SOM  was  related  to  the  average 
SOM content of each farm to find threshold values. Finally, farmers with a very high or 
very  low  perceived  deficiency  of  SOM  were  clustered  around  gradients  of 
environmental  factors  and  land  use.  Each  of  these  steps  is  explained  in  more  detail 
below. All data was processed in R (version 3.2.5). 

Farm survey  

A  large-scale  farm  survey  was  held  in  five  European  countries  (Belgium,  Germany, 
Austria, Spain and Italy). This survey was sent out as part of a European research project 
CATCH-C. The sampling for the questionnaires depended on the availability of a valid 
sampling  frame  within  each  country  (

i.e.

  contact  details  of  farmers).  The  most  ideal 

sampling  frame  to  obtain  a  completely  random  sample  is  a  nation-wide  database  of 

farmers’ addresses. Such a database was available for Flanders in Belgium and some 

states  i

n  Germany.  In  the  other  countries,  researchers  had  to  depend  on  farmers’ 

associations,  farmers’  extension  services  or  other  contacts  to  distribute  the 

questionnaire. Questionnaires were distributed online (Austria), as paper questionnaire 
(Belgium and Italy), or both (Germany and Spain). In Spain questionnaires were only 
distributed in Andalusia. 

Page 145

Figures and page graphics, page 145

Perceived deficiency of SOM 

 

137 

 

Questionnaires  were  returned  during  the  summer  and  autumn  of  2013.  Filled 
questionnaires were checked on irregularities (typing mistakes or extreme numbers) and 
if any, removed from analysis. Because of the specific nature of peat soils (Lucas, 1982), 
farmers  reporting  peat  soils  or  reporting  an  average  SOM  content  above  12%  were 

excluded from analysis. To reduce errors in farmers’ answers, farmers were not obliged 

to fill out every question. If a farmer was uncertain of the SOM content of their soils, 

they could tick the option: “

I do not know

”. Questions on slope or land use information 

could also be left unanswered. In those cases, only the filled parts of the questionnaire 
were used in the analysis. 

Relating SOM contents to environmental factors and land use 

Environmental factors and land use are known to affect SOM content (Fox & Bryan 
2000;  Gonçalves  &  Carlyle  1994;  Gregorich  et  al.  1998;  Körschens  et  al.  1998; 
Verheijen et al. 2005)

. SOM contents of farmers’ fields in our survey 

were related to the 

factors identified above (slope, soil texture, climate and land use) to assess if patterns 
are similar as found in the literature.  

Farmers were asked to declare the average SOM content of their fields and to report 
different  soil  textures  present  on  their  farm,  slopes  of  their  land  and  types  of  crops 
cultivated.  Farms  were then classified according to their dominant  soil textural class 
(largest percentage of farm land in a certain soil texture class), dominant slope (largest 
percentage farm land with a certain slope) and land use type (> 50% farm land  with 
cereals and/or grass; > 50% with specialized and/or horticultural crops; a mix of these 
two  categories  and  forage  crops).  Supplementary  Table  6.8  (page  157)  gives  an 
overview  of  the  crops  cultivated  by  the  farmers  in  our  survey  and  how  they  were 
classified. Farm locations were used to calculate an aridity index.  

For  each  environmental  factor,  similar  classes  were  used  as  in  the  risk  indicator 
(Supplementary Tables 6.1-6.7). Following, ranges of SOM contents were calculated 
for each class. Because SOM contents among farms did not have a normal distribution 
(distribution was slightly skewed to the right), group medians were compared using the 
non-parametric Kruskal-Wallis test (Conover 1971; Pohlert 2014). If applicable, a post-
hoc Nemenyi test was used to see which group medians differed (Sachs 1997). 

Relating perceived deficiency of SOM to environmental factors and land use 

Perceived  deficiency  of  SOM  by  farmers  was  compared  with  patterns  found  in  the 
literature.  Frequency  distributions  of  SOM  deficiency  (expressed  on  a  1  to  5  Likert 

Page 146

Figures and page graphics, page 146

Chapter 6 

 

138 

 

scale) were made, classifying farmers by their soil texture, slope, climate or land use. 
For  each  environmental  factor  and  land  use,  similar  classes  were  used  as  in  the  risk 
indicator  (Supplementary  Tables  6.1-6.7).  Following,  a  non-parametric  test  using 
ordinal data, the Jonckheere-Terpstra test (Jonckheere 1954; Seshan 2012) was done to 
assess if trends in perceived SOM deficiency by farmers followed similar patterns as 
found in the literature (Fig 6.2). 

Relating perceived deficiency of SOM to the risk indicator 

Using the indicator developed in Section 2.1.2, a risk of SOM deficiency was calculated 
for  each  farmer.  To  assess  if  a  high  risk  indication  also  corresponds  with  a  high 
perceived deficiency 

of SOM by farmers, a Spearman’s rank correlation test

 (Kendall 

1948) was performed. 

Establishing threshold intervals of SOM based on farmers’ pe

rceptions 

Can threshold values for SOM be determined, based on farmers’ perceptions? To find 

the answer to this question, SOM contents of farms were related to perceived deficiency 
of SOM. First, farmers were classified according to their perceived deficiency of SOM: 
very low, low, neutral, high, or very high perceived deficiency of SOM. A low or very 
low perceived deficiency of SOM means farmers have a positive perception on the SOM 
content of their fields, while a high or very high perceived deficiency of SOM means 
farmers have a negative perception on the SOM content of their fields. Ranges of SOM 
contents were calculated for each level of SOM deficiency (from very low to very high).  

Because SOM contents did not have a normal distribution, inter-quartile ranges were 
used to calculate lower and upper extremes (Frigge et al. 1989; McGill et al. 1978). With 
this non-parametric method, the distance between the first quartile (Q1) and the third 
quartile (Q3) is the inter-quartile range (IQR). Values lower than Q1 

–

 (1.5*IQR) and 

higher  than  Q3  +  (1.5*IQR)  were  considered  outliers.  Causes  for  numbers  to  be  an 
outlier can be either extreme soil conditions or mistakes in the recordings. The upper 
extreme is the highest SOM value not being an outlier. The lower extreme is the lowest 
SOM value not being an outlier. 

Based on the lower extremes of farmers with a low perceived deficiency of SOM and 
the  upper  extremes  of  farmers  with  a  high  perceived  deficiency  of  SOM,  threshold 
intervals  for  SOM  were  calculated  for  each  soil  textural  class.  Below  each  interval, 
farmers perceive a neutral, high or very high deficiency of SOM. Above each interval, 
farmers perceive a neutral, low or very low deficiency of SOM. 

Page 147

Figures and page graphics, page 147

Perceived deficiency of SOM 

 

139 

 

Clustering farmers along gradients of environmental factors and land use 

Below a  certain  SOM content, farmers could be found with any perceived degree of 
SOM  deficiency  (from  very  low  to  very  high  SOM  deficiency).  At  these  low  SOM 
contents, different farmers might have the same SOM content, one perceiving a very 
low deficiency of SOM and the other a very high deficiency of SOM. Using only farmers 
with a low SOM content and with either a very high or very low perceived deficiency 
of SOM, a principal component analysis was done to find possible causes. Instead of 
using classes for each environmental factor or land use type, for the principal component 
analysis continuous variables were used. For soil texture, the percentage of farm land 
with sandy soils was used as a variable. For slope, the percentage of land with moderate 
or  steep  slopes  was  used.  For  land  use,  the  percentage  of  farm  land  cultivated  with 
specialized or horticultural crops was used. As climate could not be converted into a 
continuous variable at farm level, it was left out of the principal component analysis. 

6.3.

 

Results 

6.3.1

 

A spatial overview of the risk of SOM deficiency in Europe 

Fig 6.4 shows the spatial distribution of estimated risk of SOM deficiency in Europe, 
using  nine  different  manners  of  combining  environmental  factors  and  land  use.  This 
figure is based on four datasets (Section 6.1.1) that are combined following the scheme 
of Fig 6.3.  

Depending on the manner in which environmental factors and land use are combined 
(Supplementary Tables 6.1 to 6.7), 7 to 37% of agricultural land in Europe has a high or 
very  high  risk  of  SOM  deficiency  (Fig.  6.4).  It  is  self-evident  that  combining  high 
estimates for soil risks and high estimates for environmental risks gives the largest share 
of a high total risk of SOM deficiency. 

Higher estimates for soil or environmental risk might give a larger share of agricultural 
land with a higher risk of SOM deficiency, the distribution between areas is very similar 
(Fig 6.4). On all maps, soils with a high or very high risk of SOM deficiency are mainly 
located in southern and eastern European countries (in areas with drier climates, steeper 
slopes, coarse soils and/or more cultivation of specialized or horticultural crops). Soils 
with a lower risk of SOM deficiency are mainly located northern and western European 
countries.  

 

Page 148

Figures and page graphics, page 148

Chapter 6 

 

140 

 

 

Fig 6. 4

 

Percentage of European agricultural land area with a low to very high risk of SOM  deficiency within 

each of the nine risk indicator options. Maps are obtained following the procedure of Fig. 6.3. 

Page 149

Figures and page graphics, page 149

Perceived deficiency of SOM 

 

141 

 

6.3.2

 

Perceived deficiency of SOM by farmers 

Respondents to farm survey 

In total 1642 arable farmers (all cultivating more than 50% of their farm land with arable 
crops)  responded  to  the  farm  survey.  Seventeen  respondents  were  removed  from 
analysis because of irregularities in answers. An additional 83 farmers reported to have 
peat soils and/or had an average SOM content above 12% and were also excluded from 
analysis. A summary of farm characteristics per country is provided in Supplementary 
Table 6.9 (page 158). 

Not all farmers provided information on slope, soil texture and land use (Table 6.3). In 
total 1447 farmers provided information on slope, 1481 on soil texture and 1466 on land 
use.  For  all  farmers  included  in  the  analysis  (1542)  an  aridity  index  was  calculated. 
Using the information on environmental factors and land use, a risk indication on SOM 
deficiency was calculated for 1371 farmers. In addition, 683 farmers reported an average 
SOM content, while 1469 farmers gave an indication of perceived deficiency of SOM. 
Relatively more farmers from Austria and Germany reported SOM contents than did 
farmers from Belgium, Italy and Spain (respectively, 68%, 62%, 42%, 34% and 22%), 
probably because in Austria and Germany soil analyses are more common. 

Table  6.3:  Numbers  of  farmers  providing  specific  information  in  the  farm  survey.  In  total  1542  farmers  were 
included in the analysis. To reduce errors, farmers could leave questions unanswered, therefore numbers differ 
per category. 

 

Total 

(n) 

Farmers 

providing 

average SOM 

content (n)  

Farmers 

providing 

perceived 

deficiency of 

SOM (n) 

Farmers 

providing 

average SOM 

content and 

perceived 

deficiency of 

SOM (n) 

Farmers with information on slope 

1447 

665 

1402 

657 

Farmers with information on soil texture 

1481 

680 

1433 

672 

Farmers with an aridity index calculated 

1542 

683 

1469 

675 

Farmers with information on land use 

1466 

668 

1411 

660 

Farmers for which risk indicator can be 
calculated 

1371 

648 

1331 

640 

SOM contents related to environmental factors and land use 

SOM contents reported by farmers in the survey were very variable, ranging from 0.5 
to 11.6 % SOM (mean 2.6%, median 2.2%, standard deviation 1.3%). This indicates that 
our  survey  covered  a  wide  range  of  conditions.  In  Section  2.1.1,  the  effects  of 
environmental  factors  and  land  use  on  the  risk  of  SOM  deficiency  were  discussed, 

Page 150

Figures and page graphics, page 150

Chapter 6 

 

142 

 

including effects on actual SOM content. How do SOM contents reported by our farmers 
vary with environmental factors and land use? In Fig 6.5, 

SOM contents of farmers’ 

fields are related to their slope, soil texture, aridity and land use. 

 

 

 

On farmers’ fields, the effect of slope (Fig. 6.5a) was as expected: soils with steeper 

slopes have lower SOM content. The effect of soil texture however is less clear: in our 
dataset (Fig. 6.5b) farmers with loamy soils have the lowest SOM content, while this 
was expected for farms with sandy soils. This might be due to some unbalance in the 
sampling design as slightly more farms with loamy soils are located in drier climates 
with steeper slopes.  Soils on steeper slopes and in drier climates are expected to have 
lower  SOM  content  due  to  faster  decomposition  and/or  increased  erosion  risk 
(Gregorich et al., 1998), so this might be interfering with the effect of soil texture. 

Fig 6. 5

 

Range of SOM content per environmental factor and land use type as reported by the farmers. X-axes 

are classes of different environmental factors and land use. Y-axes are the SOM contents reported by farmers. 
Violin  shapes  show  the  density  distribution  of  farmers  reporting  a  certain  SOM  content.  Inside  the  violins, 
boxplots give medians, quartiles, lower extremes and upper extremes. If the letters above the violins differ, there 
is a significant difference between the medians (using a Nemenyi test).

 

Page 151

Figures and page graphics, page 151

Perceived deficiency of SOM 

 

143 

 

As  expected,  farms  in  very  dry  climates  and  farms  with  more  specialized  and/or 
horticultural crops  have  less SOM content  (Fig. 6.5c,d).  However, SOM contents on 
farms in wet climates do not differ significantly from SOM contents on farms with dry 
climates. The lack of a significant difference might be due to the low number of farms 
in  dry  climates  (19).  Interestingly,  farms  with  mixed  cropping  systems  reported  the 
highest average SOM content, higher than those with mainly cereals and/or grass. 

Perceived deficiency of SOM related to environmental factors and land use 

Comparing patterns based on the literature (6.2a) and perceived deficiency of SOM by 
farmers (6.6a), some similarities can be observed. From findings in the literature, risk 
of SOM deficiency is expected to increase with increasing slopes (Fig 6.2a). A similar 
pattern is observed in our farm data on mean perceived SOM deficiency per class (p = 
0.004, Jonckheere-Terpstra trend test, Fig 6.6a).  

 

 

 

Fig 6. 6

 

Frequency distributions of perceived deficiency of SOM related to environmental factors and land use. 

X-axes are classes of each environmental factor and land use. Colours indicate percentage of farmers perceiving 
a certain deficiency of SOM (left y-axis). Circles indicate mean perceived deficiency per class (right y-axis). P-
values give significance of trends using the Jonckheere-Terpstra trend test. Lines between means are fitted using 
the function lm (least squares).

 

Page 152

Figures and page graphics, page 152

Chapter 6 

 

144 

 

From the literature, a parabolic curve was expected in which risk of SOM deficiency 
first decreases with increasing clay content, and then starts to increase for very heavy 
clay  soils  (Fig.  6.2b).  Based  on  our  farm  survey,  perceived  deficiency  of  SOM  by 
farmers does decrease with increasing clay content (p = 0.015, Fig. 6.6b), but our farm 
data does not show a parabolic curve. The latter could be explained because our farm 
survey did not include many farms with very heavy clay soils (fine or very fine soils 
with more than 35% clay particles). 

From findings in the literature, soil in very dry and very wet climates are expected to 
have a higher risk of SOM deficiency than soils in intermediate climates (Fig. 6.2c). In 
our farm data, a significant tendency for a parabolic curve can be observed (p = 0.001, 
Fig. 6.6c).  

Finally,  based  on  findings  from  literature,  farms  cultivating  more  specialized  or 
horticultural crops are expected to have a higher risk of SOM deficiency (Fig 6.2d). A 
significant trend (p = 0.001, Fig. 6.6d) was found with a higher perceived deficiency of 
SOM  by  farmers  cultivating  more  specialized  or  horticultural  crops  than  those  with 
mixed crops and those with more cereals and/or grass. 

Perceived deficiency of SOM related to the risk indicator 

Farmers’ perceptions confirm the p

roposed relationships between environmental factors 

and  land  use  and  risk  of  SOM  deficiency  on  which  the  risk  indicator  is  based  (as 
discussed  in  the  previous  section).  How  does  the  risk  indicator  itself  correlate  with 
perceived deficiency of SOM by farmers?  Do farmers with a higher risk indication for 
SOM deficiency also perceive a higher deficiency of SOM on their fields? Among the 
farmers of our survey up to a quarter had a high to very high risk of SOM deficiency (3-
25%,  depending  on  the  risk  indicator  option).  Among  the  same  farmers,  18% 
experienced a high to very high SOM deficiency, which is within the same range. Using 

Spearman’s rank correlation test however, there was only a weak positive correlation 
between the risk indicator and farmers’ percept

ions (both Likert scale 1-5). Depending 

on which of the nine risk indicator options, the Spearman's rank correlation coefficient 
differed  between  0.15  and  0.18,  albeit  with  high  significance  (p<0.0001).  The  low 
correlations indicate that none of the nine risk indicator options gives a very accurate 
prediction of SOM deficiency as perceived by farmers. 

Page 153

Figures and page graphics, page 153

Perceived deficiency of SOM 

 

145 

 

Threshold values of SOM based on farmers’ perceptions

 

Ranges of SOM content for each degree of perceived SOM deficiency (very low, low, 
neutral, high or very high) were dependent on the dominant soil texture of the farms 
(Fig. 6.7).  

 

 

Fig 6. 7: SOM contents reported by farmers, classified by perceived deficiency of SOM (672 farmers) in (a) sandy, 
(b) loamy and (c) clay soils. X-axes are SOM contents reported by farmers. Y-axes are perceived SOM deficiency. 
Violin shapes show the density distribution of farmers reporting a certain SOM content. Inside the violin shapes, 
boxplots show medians, first  and third quartiles and lower and upper extremes. L indicates lower extreme of 
farmers with a low (L

L

) or very low (L

VL

) perceived SOM deficiency. U indicates upper extreme of farmers with a 

high (U

H

) or very high (U

VH

) perceived SOM deficiency. Points are considered outliers.

 

Page 154

Figures and page graphics, page 154

Chapter 6 

 

146 

 

Within  each  violin  shape  of  Fig.  6.7,  boxplots  show  the  lower  (L)  and  upper  (U) 
extremes of SOM content for each group. Points below the lower extremes and points 
above the upper extreme are considered outliers.  

Lower extremes of SOM for farmers with a low or very low perceived  deficiency of 
SOM (L

L

 or L

VL

), tend to be higher than lower extremes of SOM for farmers with a high 

or very high perceived deficiency of SOM. This is the case for both sandy and clay soils 
(Fig.  6.7a,c).  This  indicates  a  certain  SOM  content  is  needed  before  farmers  start 
perceiving a (very) low SOM deficiency. For farmers on sandy soils, L

L 

and

 

L

VL 

were 

1.2%, 1.9% SOM respectively. For farmers on loamy soils, L

L 

and

 

L

VL

 are 0.6% and 

0.7% SOM respectively. For farmers on clay soils, L

L 

and

 

L

VL 

were 1.0% and 2.0% SOM 

respectively. 

Upper  extremes  of  SOM  content  for  farmers  with  a  high  or  very  high  perceived 
deficiency of SOM (U

H

 or U

VH

), are lower than upper extremes of SOM content for 

farmers with a low or very low perceived deficiency of SOM. This is the case for all 
three soil textures (Fig. 6.7). This indicates that farmers only perceive a high or very 
high  SOM  deficiency  up  to  a  certain  percentage  of  SOM  content.  Above  this  SOM 
content (U

H

), no farmer perceives a high or very high SOM deficiency. For farmers on 

sandy soils, U

H

 and U

VH

 were 4.7% and 3.4% SOM respectively. For farmers on loamy 

soils, U

H

 and U

VH 

were both 2.6% SOM. For farmers on clay soils, U

H

 and U

VH 

were 

2.4% and 1.5% SOM respectively. 

For each soil texture, L

L

 and U

H 

values are combined into a threshold interval (yellow 

areas Fig 6.8, sand: 1.2

–

4.7%, loam: 0.6

–

2.6% and clay: 1.0-2.4%). Below each interval, 

farmers perceive a neutral, high or very high deficiency of SOM (red areas, Fig. 6.8). 

 

 

Fig 6. 8: 

Threshold intervals (in yellow) of SOM based on farmers’ perceptions, dependent on dominant soil 

texture of a farm. Yellow areas indicate the threshold interval. Below each interval, farmers perceive a neutral, 
high or very high deficiency of SOM (red areas). Above each interval, farmers perceive a neutral, low or very 
low deficiency of SOM (green areas). Numbers of farmers are indicated between brackets.

 

Page 155

Figures and page graphics, page 155

Perceived deficiency of SOM 

 

147 

 

Above each interval, farmers perceive a neutral, low or very low  deficiency of SOM 
(green areas, Fig. 6.8). Within each threshold interval, farmers can perceive any degree 
of SOM deficiency (from very low to very high), indicating that other factors (such as 
crop types cultivated, tillage management or irrigation) are more important. 

Clusters of farmers along gradients of environmental factors and land use 

The maximum SOM content of farmers with a very high perceived deficiency of SOM 
is 3.4% SOM (U

vh

 for sandy soils, see Fig. 6.7a). No farmers with more than 3.4% SOM 

perceived a very high SOM deficiency, in any texture  class.  Below this value, SOM 
content  might  be  similar  among  farmers,  but  farmers  can  have  a  very  different 
perception of SOM deficiency, ranging from very low to very high (Fig. 6.7).  

Soil texture seems to explain some but not all of the differences in perceived deficiency 
of SOM. To gain more insight on the difference in perceived SOM deficiency of farmers 
with a low SOM content, only farmers with less than 3.4% SOM were selected for a 
principal component analysis. 

The  principal  component  analysis  (Fig.  6.9)  shows  that  farmers  with  a  very  low 
perceived  deficiency  of  SOM  on  their  farm  (blue  dots)  can  be  found  pretty  much 
anywhere along the axes of soils, slopes and crops. Farmers with very high perceived 
deficiency of SOM (red dots) however, are mainly found at the extreme ends of the axes.  

 

 

Fig 6. 9: Clusters of farmers (with < 3.4% SOM) perceiving a very high or a very low SOM  deficiency. Axes 
(principal component 1 and 2) are combinations of percentage of farm land with sandy soil, moderate or steep 
slopes and shares of specialized and/or horticultural crops.

 

Page 156

Figures and page graphics, page 156

Chapter 6 

 

148 

 

At the extreme end of an axis, farmers score very strongly on only one environmental 
factor (slope, texture, land use). They either have a high percentage of steep slopes, a 
high percentage of sandy soil or a high percentage of specialized and/or horticultural 
crops. This would indicate that not so much the combination of environmental factors 
and land use determines a very high perceived deficiency of SOM, but rather an extreme 
value for one of these factors. 

6.4.

 

Discussion 

6.4.1

 

Putting forward a risk indicator on SOM deficiency 

Up  to  date,  a  number  of  European  risk  maps  have  been  developed  on  different  soil 
degradation  themes,  such  as  soil  erosion  (Kirkby  et  al.  2004),  soil  compaction 

(Houšková & Montanarella 2008)

 and landslides (Günther et al. 2014). Until now no 

European risk map on SOM deficiency has been made, although three European maps 
show  actual  soil  organic  carbon,  minimum  soil  organic  carbon  and  maximum  soil 
organic carbon (Stolbovoy & Montanarella 2008). Our maps represent a first attempt to 
highlight  areas  where  farmers  have  a  higher  risk  of  SOM  deficiency  to  maintain 
productive capacity. Fig. 6.4 shows a high to very high risk of SOM deficiency for 7 to 
37% of European agricultural land (depending on the option to combine factors), mainly 
located in Southern and Eastern Europe. The maps also show that most of the European 

agricultural  land  falls  within  the  class  “very  low”,  “low”  or  “middle”  ris

k  of  SOM 

deficiency.  The  farm  survey  gave  similar  results  with  18%  of  the  interviewees 
perceiving a high to very high SOM deficiency. Ca. 53% of the interviewees perceived 

a “very low” or “low” SOM 

deficiency and of the remaining farmers 29% giving an 

indication in the middle. This could be regarded an encouraging result, showing that for 
most of the European farmers we have contacted, covering a wide range of cropping, 
climatic and soil types, a too low SOM content is not an issue. 

6.4.2

 

Testing the risk indicat

or using farmers’ perceptions

 

Relating the risk indicator on SOM deficiency to perceived SOM deficiency by farmers, 
there is a significant positive correlation (

p

 < 0.001). The correlation is however very 

weak (Spearman’s rank correlation coefficient of 0.

15 to 0.18) and with large samples 

significance  of  a  correlation  can  be  misleading  (Lantz  2013).  Nonetheless,  the 
correlation indicates that farmers in areas with a higher risk indication are more likely 
to experience a deficiency of SOM, but not unambiguously so. Stronger relations seem 

Page 157

Figures and page graphics, page 157

Perceived deficiency of SOM 

 

149 

 

to exist between the individual factors and perceived SOM deficiency (Fig. 6.6). These 
relations resemble the findings from the literature (Fig 6.2) on which the risk indicator 
is based.  

Why does combining the factors into one indicator not increase predictive capacity? A 
preliminary answer can be found in the results of the Principal Component Analysis (Fig 
6.9). Apparently, having a more extreme environmental condition for only one factor 
(for example, a very sandy soil or land with a very steep slope) gives a higher chance of 
perceiving a deficiency of SOM, rather than a certain combination of moderate factors 
(in this case, a slightly sandy soil combined with a gentle slope). One explanation could 
be that it might be easier for farmers to adapt their management in a situation with a 
combination  of  moderate  environmental  factors  than  to  adapt  to  one  extreme 
environmental condition. 

We now consider which is the best measure

: the risk indicator or farmers’ perceptions? 

The  answer  is  probably  that  both  have  their  value.  While  the  risk  indicator  is  more 
objective as it uses a standardized approach, it is also more reductionist, disregarding 
specific management practices (tillage type, use of organic inputs or irrigation), land use 

history,  farmers’  expertise  and  the  actual  SOM  content  that  influence  farmers’ 

perceptions. Perceptions of farmers are more holistic, but also subjective, depending on 
personal preferences and factors other than those included in the risk indicator, which 
probably explains the large variation. In addition, defining the risk indicator included a 
number of arbitrary choices, not unseen in soil quality targeting, as working within a 
continuum  sometimes  requires  human  value  judgement  when  grouping  variables 
(Sparling et al. 2003).  

6.4.3

 

Using  farmers’  perceptions  to  define  threshold  values  for  SOM 

content 

Based on farmers’ perceptions, threshold intervals for SOM were determined for soil 

texture (sand: 1.2

–

4.7%, loam: 0.6

–

2.6% and clay: 1.0-2.4%). When SOM content falls 

below a threshold interval, a farmer will perceive benefit from more SOM, irrespective 
of  other  factors.  When  SOM  content  is  above  a  threshold  interval,  farmers  will  not 
perceive benefit from more SOM. Within each threshold interval, farmers can perceive 
any level of SOM deficiency (from very low to very high), indicating that other factors 
(such as management) are more relevant.  

Page 158

Figures and page graphics, page 158

Chapter 6 

 

150 

 

Setting threshold intervals instead of specific threshold values is a better representation 
of both the fluidity of the data, the variation in contextual factors, and the large variation 

in  farmers’  perceptions  at  equal  SOM  contents,  revealed  by  our  farm  survey.  These 

intervals should therefore be taken as indications of where low soil productive capacity 
might occur because of low SOM contents. Compared to previously suggested threshold 
values  for  SOM  content  (Table  6.1,  values  ranging  between  1  and  5.1%  SOM),  our 
intervals fall in the middle of the range for sandy soils and are at the lower end for loam 
and clay soils.   

6.4.4

 

Limitations of the study and suggestions for further research 

Correctly  combining  environmental  factors  and  land  use  seems  to  be  challenging, 
especially  for  more  extreme  conditions.  As  a  consequence,  this  indicator  could  be 
improved  when  more  precise  knowledge  becomes  available  on  how  SOM  content 
affects  productive  capacity  under  different  environmental  conditions.  If  more  spatial 
data on farm management (such as tillage practices) comes available in the future, the 
effect  on  risk  of  SOM  deficiency  can  also  be  included,  thereby  improving  the  risk 
indicator. Alternatively, a similar approach could be used at regional scale with country 
specific datasets at a finer spatial resolution (soil maps, digital elevation models and 
land use databases). In that case, a higher spatial accuracy could be achieved. 

Part of this study depended on information provided by farmers. This was considered 
an excellent method to capitalize on practical know-how and tacit knowledge (Corbeels 
et al.  2000; Musinguzi et al. 2015). There  are  however uncertainties associated with 
analysing data from a farm survey, of which we discuss the most important ones. First, 
farmers were asked which percentage of their farmland had a certain class of slope and 
soil texture. Wherever possible we used common terms and indicated percentages, but 
national  and  cultural  values  might  have  had  some  influence.  Following,  farms  were 
classified  according  to  their  dominant  slope  or  soil  texture,  which  meant  loss  of 
information, especially in areas with very heterogeneous environments. Finally, SOM 
contents were reported by farmers and not measured in the fields, which would have 
given  a  more  accurate  comparison.  It  is  likely  that  these  uncertainties  increased  the 
variation in our data. Further studies could expand our approach by including on-farm 
soil analyses. 

Our study shows that farmers can perceive a certain level of SOM deficiency (very low, 
low, neutral, high or very high) along a wide range of SOM contents. In other words, 

Page 159

Figures and page graphics, page 159

Perceived deficiency of SOM 

 

151 

 

farmers with a similar SOM content do not necessarily perceive the same degree of SOM 
deficiency, even under the same soil texture. It would be interesting to differentiate these 
intervals further for different slopes, climates and land uses. Unfortunately, the sample 
size of our farm survey was too small to allow for such an exercise. 

Another  explanation  for  the  wide  interval  ranges  of  SOM  content  could  perhaps  be 
found in the roles different fractions of SOM play. There is recent evidence that specific 
SOM fractions play specific roles in improving aggregate stability of soils (Dexter et al. 
2008). Organic inputs from straw, stubble or roots might have a proportionally large 
impact on stable aggregates compared to organic inputs from animal manures (Powlson 
et al. 2011; Watts et al. 2006). Evaluating total SOM content 

–

 the only information 

farmers have from ordinary soil analyses - lacks this type of detail. Future studies could 
explore the contributions from different SOM fractions further.   

Last, in this study we only looked at benefits of SOM for productive capacity. Economic 
benefits are expected to follow from a higher productive capacity either direct through 
increased yields or indirect through improved workability of the soil which gives more 
flexibility  in  field  operations.  Besides  economic  benefits,  SOM  content  also  has 
environmental  benefits  such  as  supporting  soil  biodiversity  or  sequestering  carbon 
(Chang  et  al.  2007;  Freibauer  et  al.  2004).  Integrating  these  different  aspects  fell 
however outside the scope of the current study objectives. Our findings could be used 
in a more broader analysis in which economic and environmental benefits are integrated. 
Besides a spatial, this could also include a temporal dimension. 

6.5.

 

Conclusion 

This study used two very different approaches (developing a risk indicator and a farm 
survey) to assess SOM deficiency  and  has tried to link them. The risk indicator was 
based on increasing or decreasing risk of SOM deficiency along certain environmental 
(slope,  soil  texture,  aridity)  and  land  use  gradients,  based  on  a  literature  review. 
Remarkably  similar  patterns  were  observed  between  the  findings  from  the  literature 
review  and  perceived  deficiency  of  SOM  by  farmers  in  the  survey.  In  addition,  a 
correlation  was  found  between  the  risk  indicator  and  farmer

s’  perceptions  of  SOM 

deficiency

. Large part of the variance in farmers’ perceptions, however, could not be 

explained by the environmental factors or land use as investigated in this study. This is 
not surprising when one realizes the variation in other factors (nutrient management, 

irrigation, tillage), farmers’ experience and land use history. Nonetheless, our findings 

Page 160

Figures and page graphics, page 160

Chapter 6 

 

152 

 

provide some relevant insights (

e.g. 

threshold intervals based on soil texture) and call 

for  further  investigations  in  which  practical  and  expert  knowledge  are  used 
complementary. 

Currently, worldwide and in Europe specifically, policies are proposed to maintain or 
increase SOM content in agricultural fields (EC 2006, 2011b, 2013; Toth et al. 2008; 
UNFCCC 2012, 2015). Maintaining and in particular increasing SOM content can be a 
very costly effort, requiring many years of additional inputs. Based on differences in 
carbon  sequestration  potential,  van  Groenigen  et  al.  (2017)  argue  for  a  spatially 
differentiated  strategy  for  soil  carbon  sequestration.  Our  study  argues  likewise,  yet 
based  on  spatial  differences  in  contributions  from  SOM  to  productive  capacity.   If 
policies on SOM management want to include benefits for productive capacity, efforts 
should be focussed on areas with a higher risk of SOM deficiency (mainly Southern and 
Eastern Europe), more extreme environmental conditions (very dry or very wet climates, 
steep slopes, very sandy soils), cropping systems with larger shares of specialized or 
horticultural crops or with very low SOM contents (below the given threshold intervals). 

6.6.

 

Acknowledgements 

First and foremost, our gratitude goes to all European farmers who spared some of their 
time to fill in the questionnaire. Setting up a large scale farm survey would have been 
impossible without numerous colleagues across different institutes. In Italy, we received 
support from universities of Ancona, Bari, Milano, Napoli Udine, Pisa, Teramo, Tuscia, 
Ancona  and  Perugia;  provincial  and  regional  officials;  farmers  unions  (Coldiretti, 
Confagricoltura,  Confederazione  Italiana  Agricoltori);  CadirLab  (Quargnento,  AL); 
Consorzio Agrario di Siena; advisors of the Italian Farm Accountancy Data Network; 
Chiara Costamagna; students of the University of Torino and University of Milano. In 
Austria,  main  contacts  were  the  provincial  and  regional  officials  of  the  chamber  of 
agriculture in Lower Austria, Upper Austria and Tyrol. In Spain, data was collected and 
compiled through colleagues of the University of Córdoba, the Andalusian Institute of 
Agricultural  and  Fisheries  Research  and  Training,  the  Institute  for  Sustainable 
Agriculture and farmers associations (ASAJA, AEAC-SV), with support from Ángela 
Portero (UCO). In Belgium, data was collected with the help of Greet Ruysschaert and 
Erwin Wauters (ILVO). In Germany, data was collected with the help of Janine Mallast 
(IGZ) and Isabell Raschke (UGOE). Joost Wolf, Hein ten Berge, Jan Verhagen and Igor 
Staritsky  (WUR)  helped  with  developing  the  initial  farm  typology  on  which  the 
environmental  and  land  use  classifications  are  based,  while  Peter  Verweij  (WUR) 

Page 161

Figures and page graphics, page 161

Perceived deficiency of SOM 

 

153 

 

assisted in constructing the European risk map. We thank all colleagues for their efforts 
and support. 

Page 162

Figures and page graphics, page 162

Supplement Chapter 6 

 

154 

 

Supplement Chapter 6 

 

Supplementary Tables 
6.1 to 6.3 

Three options for combining slope and soil texture 
into a soil risk estimate of SOM deficiency 

155 

Supplementary Tables 
6.4 to 6.6 

Three options for combining soil risk and aridity 
into an environmental risk estimate of SOM 
deficiency 

156 

Supplementary Table 
6.7 

Combining environmental risk and land use into a 
(total) risk estimate of SOM deficiency 

157 

Supplementary Table 
6.8 

Classification of crops cultivated by farmers 
participating in the survey 

157 

Supplementary Table 
6.9 

Characteristics of farmers included in the analysis 

158 

 

 

 

Page 163

Figures and page graphics, page 163

Perceived deficiency of SOM 

155 

 

Three options for combining slope and soil texture into a soil risk estimate of SOM 
deficiency 

Supplementary Table 6.1: Low soil risk estimate (soil texture x slope). 

 

Level 
(0°) 

Nearly 
level (1°) 

Gentle 
(2-3°) 

Moderate 
(4-7°) 

Strong  to 
steep 
(>8°) 

Coarse (> 65% sand , < 18% clay) 

2 

2 

3 

4 

5 

Medium (> 15% sand, 18-35% clay or 15-65% 
sand,  < 18% clay) 

1 

1 

2 

3 

4 

Medium fine (<15% sand, < 35% clay) 

1 

2 

3 

3 

4 

Fine (35-60% clay) 

2 

2 

3 

4 

5 

Very fine (>60% clay) 

2 

2

 

3

 

4 

5 

 

Supplementary Table 6.2: Medium soil risk estimate (soil texture x slope). 

 

Level 
(0°) 

Nearly 
level (1°) 

Gentle 
(2-3°) 

Moderate 
(4-7°) 

Strong  to 
steep 
(>8°) 

Coarse (> 65% sand , < 18% clay) 

2 

3 

4 

5 

5 

Medium (> 15% sand, 18-35% clay or 15-
65% sand,  < 18% clay) 

1 

1 

2 

3 

4 

Medium fine (<15% sand, < 35% clay) 

1 

2 

3 

3 

4 

Fine (35-60% clay) 

2 

2 

3 

4 

5 

Very fine (>60% clay) 

2 

3

 

4 

5 

5 

 

Supplementary Table 6.3: High soil risk estimate (soil texture x slope). 

 

Level 
(0°) 

Nearly 
level (1°) 

Gentle 
(2-3°) 

Moderate 
(4-7°) 

Strong  to 
steep 
(>8°) 

Coarse (> 65% sand , < 18% clay) 

2 

3 

4

 

5 

5 

Medium (> 15% sand, 18-35% clay or 15-
65% sand,  < 18% clay) 

1 

2 

3 

4 

5 

Medium fine (<15% sand, < 35% clay) 

1 

2 

3 

4 

5 

Fine (35-60% clay) 

2 

3 

4

 

5 

5 

Very fine (>60% clay) 

3 

4 

5 

5 

5 

 

 

Page 164

Figures and page graphics, page 164

Supplement Chapter 6 

 

156 

 

Three  options  for  combining  soil  risk  and  aridity  into  an  environmental  risk 
estimate of SOM deficiency 

Supplementary Table 6.4: Low environmental risk estimate (soil risk x aridity). 

 

Very  low 
soil  risk 
(1)  

Low  soil 
risk (2) 

Average 
soil  risk 
(3) 

High  soil 
risk (4) 

Very 
high  soil 
risk (5) 

Very dry (0-0.4) 

2 

3 

4 

5 

5 

Dry (0.4-0.6) 

1 

2 

3 

4 

5 

Intermediate (0.6-0.7) 

1 

1 

2 

3 

4 

Wet (0.7-0.8) 

1 

2 

3 

4 

5 

Very wet (>0.8) 

2 

3 

4 

5 

5 

 

Supplementary Table 6.5: Medium environmental risk estimate (soil risk x aridity). 

 

Very  low 
soil  risk 
(1)  

Low  soil 
risk (2) 

Average 
soil  risk 
(3) 

High  soil 
risk (4) 

Very 
high  soil 
risk (5) 

Very dry (0-0.4) 

2 

3 

4 

5 

5 

Dry (0.4-0.6) 

1 

2 

3 

4 

5 

Intermediate (0.6-0.7) 

1 

2 

3 

4 

5 

Wet (0.7-0.8) 

1 

2 

3 

4 

5 

Very wet (>0.8) 

2 

3 

4 

5 

5 

 

Supplementary Table 6.6: High environmental risk estimate (soil risk x aridity). 

 

Very  low 
soil  risk 
(1)  

Low  soil 
risk (2) 

Average 
soil  risk 
(3) 

High  soil 
risk (4) 

Very 
high  soil 
risk (5) 

Very dry (0-0.4) 

3 

4 

5 

5 

5 

Dry (0.4-0.6) 

2 

3 

4 

5 

5 

Intermediate (0.6-0.7) 

1 

2 

3 

4 

5 

Wet (0.7-0.8) 

2 

3 

4 

5 

5 

Very wet (>0.8) 

3 

4 

5 

5 

5 

 

 

 

Page 165

Figures and page graphics, page 165

Perceived deficiency of SOM 

157 

 

Combining environmental risk and land use into (total) risk of SOM deficiency  

Supplementary Table 6.7: (total) Risk of SOM deficiency estimate (environmental risk x land use). 

 

Very 

low 

environment 
risk (1) 

Low 
environment 
risk (2) 

Average 
environment 
risk (3) 

High 
environment 
risk(4) 

Very 

high 

environment 
risk (5) 

Permanent crops, grass and 
cereals 

1 

1 

2 

3 

4 

Mixed crops: any other 
crops or land independent 
farms 

1 

2 

3 

4 

5 

horticulture and specialized 
crops 

2 

3 

4 

5 

5 

Fallow land 

2 

3 

4 

5 

5 

 

Classification of crops cultivated by farmers participating in the survey 

Supplementary Table 6.8: Classification of crops cultivated by farmers in the survey. 

Cereals and grass 

Horticultural and specialized crops 

Other 

barley 
durum 
grain maize 
oat 
rice 
rye 
sorghum 
spelt 
triticale 
wheat 
other cereals or grass 

aloe vera 
asparagus 
beans 
beetroot 
bitter vetch 
cabbage 
carrots 
Cherries 
chickpeas 
Chicory 
Cichorei 
Cotton 
cucumber 
fave beans 
Flax 
flower seeds 
Flowers 
Garlics 
grass seeds 
green peppers 
Lentils 

melons 
mint 
mustard 
oil flax 
oil seeds 
onion 
parsley 
peas 
potatoes 
pumpkin 
rhubarb 
soy bean 
strawberries 
sugar beet 
tobacco 
tomatoes 
turnip 
vegetable seeds 
other vegetables open air 
other beets 
other legumes 

buckwheat 
energy maize 
forage barley 
forage ley 
forage or silage maize 
Italian rye grass 
mint 
silage rye 
other  forage    or  fodder 
crops 

 

Page 166

Figures and page graphics, page 166

Supplement Chapter 6 

 

158 

 

Farmers’ characteristics

 

 

 

 

 

 

Page 167

Figures and page graphics, page 167

General discussion 

159 

 

Chapter 7. General discussion 

The aim of this thesis was to improve understanding of the role of organic inputs and 
SOM for crop production in contemporary arable farming in Europe. For this purpose, 
long-term experiments were analysed on the additional  yield effect of organic inputs 
and savings in mineral fertiliser. In addition, a farm survey was conducted to find drivers 
and barriers for the use of organic inputs and to assess if farmers perceive a deficiency 
of SOM. In this chapter, the findings of this thesis are discussed along the following 
lines: general findings (Section 7.1); influence of environmental factors (Section 7.2); 
influence of crop types cultivated (Section 7.3); types of organic inputs (Section 7.4); 
synergies and trade-offs with other ecosystem services (Section 7.5); limitations of the 
study (Section 7.6) and implications of the findings (Section 7.7).  A summary of the 
main findings is presented in Fig. 7.1. 

7.1.

 

General findings 

This  thesis  set  out  to  answer  five  main  research  questions  (Section  1.6).  Here  the 
questions are listed together with a short answer based on the findings in each chapter.  

Q 1: What is the additional yield effect of organic inputs for arable crops in Europe? 

Based on 20 long-term experiments, the mean additional yield effect of organic inputs 
for arable crops in Europe is not significantly different from zero (1.4% + 1.6 - 95% 
Confidence Interval [CI]). In specific cases however, especially for root and tuber crops, 
spring sown cereals, or for very sandy soils or wet climates, organic inputs did increase 
attainable yields (between 3 and 7%). Initial SOM contents of the experiments were not 
related  to  the  additional  yield  effect  of  organic  inputs,  but  a  correlation  was  found 
between increases in additional yield and increases in SOM content.  

Q 2: Do mineral fertiliser savings from organic inputs depend on total N supply? 

Based on eight long-term experiments, the use of FYM saves more mineral fertiliser N 
at high total N supply than at low total N supply. The nitrogen fertiliser replacement 
value (NFRV, based on equal yields) of FYM was 2.1 times larger at high than at low 
total N supply (

p

 = 0.04). For the other types of organic inputs investigated (slurry, straw 

or a combination of straw and green manures), NFRV was also higher at high total N 
supply than at low total N supply. In these cases however, sample sizes were too small 
or variations too large to find significant differences. 

Page 168

Figures and page graphics, page 168

Chapter 7 

160 

 

Q 3: What are currently the main drivers and barriers for arable farmers to use organic 
inputs? 

Using a farm survey in six agro-ecological zones in four countries, major drivers to use 
organic inputs (incorporation of straw, cultivation of green manures, FYM and compost) 
were  perceived  effects  on  soil  quality  (such  as  improved  soil  structure  or  reduced 
erosion)  and  the  positive  influence  from  social  referents  (such  as  fellow  farmers  or 
agricultural  advisors).  Major  barriers  to  use  organic  inputs  were  financial  (increased 
costs or foregone income) and perceived increases in pressures from weeds, pest and 
diseases.

 

Q 4: 

How are farmers’ beliefs on SOM related to their use of organic inputs

? 

A case study in the Netherlands shows that arable farmers specifically value the effect 
of SOM content on soil structure, especially where it improves workability on clay soils 
and  water  holding  capacity  on  sandy  soils.  Soil  fungi  were  evaluated  as  a  negative 
outcome  of SOM. Among the different  control factors,  the long-term effect  of SOM 
content  was  perceived  as  very  strong  and  evaluated  very  positively.  Advisors  were 
considered to have the most positive view on SOM and fellow farmers were considered 

to be least positive. Farmers’ beliefs were correlated weakly but significant

ly with their 

intention to increase SOM content. The large majority of Dutch farmers in the survey 
(91%) had a high or very high intention to increase SOM content. A higher intention to 
increase  SOM  content  was  significantly  correlated  with  the  use  of  organic  inputs  as 
expressed in total and effective C inputs (C remaining in the soil after one year). 

Q 5: Do farmers perceive a deficiency of SOM? 

Based on a farm survey in five countries (Austria, Belgium, Germany, Spain and Italy), 
18%  of  1452  farmers  perceived  a  high  to  very  high  SOM  deficiency.  Perceived 
deficiency of SOM content was related to climate (aridity), slope, soil texture and land 

use.  Based  on  farmers’  perceptions  threshold  intervals  for  SOM  content  were 

established (sand: 1.2

–

4.7%, loam: 0.6

–

2.6% and clay: 1.0

–

2.4%). Below a threshold 

interval, a farmer will benefit from more SOM content, irrespective of other factors such 
as  land  use  or  management.  Above  a  threshold  interval,  farmers  do  not  expect 
production benefits from additional SOM. Some indication was found that being at the 
extreme  end  for  one  environmental  factor  gives  a  higher  chance  of  perceiving  a 
deficiency of SOM than having a combination of moderate environmental conditions.  

Page 169

Figures and page graphics, page 169

General discussion 

161 

 

 

Page 170

Figures and page graphics, page 170

Chapter 7 

162 

 

7.2.

 

Influence of environmental factors on the role of SOM for 

crop production 

In Chapters 2, 4, 5 and 6, environmental factors were included in data collection and 
analysis to assess their effects on the role of SOM for crop production (Table 1.3). Here 
findings are discussed per environmental factor.  

Climate 

The  meta-analysis  of  20  long-term  experiments  showed  that  in  wet  climates,  the 
additional yield effect of organic inputs was larger than in more moderate or dry climates 
(Fig.  2.4c).  This  was  probably  related  to  an  improved  drainage  and  aeration  and  the 
prevention of soil compaction in wet climates (Soane 1990). This finding was reflected 
in the farm survey, as farmers in wet climates perceived a higher deficiency of SOM 
than those in dry climates. 

Beforehand, it was rather expected that crops in dry climates would benefit more from 
organic inputs as SOM increases the water holding capacity of soils (Díaz-Zorita et al. 
1999),  but  this  was  not  confirmed  in  the  meta-analysis.  Possibly,  crops  were  well 
irrigated in the experiments and therefore the water holding effect of SOM did not add 
any  benefit  to  crop  yields.  If  and  how  often  experimental  fields  were  irrigated  was 
however not mentioned in the publications on which this analysis was based.  

An alternative explanation is that the increase in SOM content did not increase water 
holding capacity sufficiently to affect crop yields. It has to be borne in mind however 
that  even  though  some  experiments  were  included  with  a  dry  sub-humid  semi-arid 
climates, lower aridity indices are more common outside Europe. One indication that 
crop production benefits more from organic inputs or SOM in drier climates was found 
in the farm survey as farmers in very dry climates perceived a higher deficiency of SOM 
than those in between (Fig. 6.6c). Possibly, farmers operate in less controlled or more 
water limited settings than those found at the experimental sites.  

Land slope 

Land slope was only included as a co-variable in the farm survey. As expected, farmers 
on steeper slopes perceived a higher deficiency of SOM than those on less steep slopes 
(Fig. 6.6a). On steep slopes, SOM content was lower than on less steep slopes (probably 
due to soil erosion). In addition, SOM can promote infiltration rates (Rhoton et al. 2002), 
which is more appreciated on steeper slopes.  

Page 171

Figures and page graphics, page 171

General discussion 

163 

 

When assessing drivers and barriers to use organic inputs, two agro-ecological zones 
were  included  with  steeper  slopes  (AT1  and  IT2-sloping;  Table  4.5).  In  both  agro-
ecological  zones,  reduced  erosion  was  evaluated  as  a  driver  for  cultivating  green 
manures or cover crops (Fig. 4.6a,d). It is however unclear if this is due to the increased 
SOM content or due to the reduction of bare soils when cultivating green manures or 
cover crops.  

Soil texture 

The  meta-analysis  of  20  long-term  experiments  showed  that  on  soils  with  less  clay 
content (

i.e. 

more sandy soils), the additional yield effect of organic inputs was larger 

than on soils containing more clay content (Fig 2.4a). Probably, the organic inputs and 
increased SOM content improved the loose soil structure of the sandy soils (Tisdall & 
Oades 1982).  

The additional yield effect of organic inputs on sandy soils was reflected in the farm 
survey as perceived deficiency of SOM was higher on sandy soils (Fig. 6.6b). A priori, 
it was expected that farmers on very heavy clay soils would also perceive a higher SOM 
deficiency (Table 6.2). This could not be verified in the farm survey as no farmers were 
included with more than 35% clay content in their soils (and these very heavy clay soils 
are rare in Europe, EC & ESBN 2004).  

In the Dutch case study, farmers on sandy soils valued effects of SOM on productivity 
and water holding capacity the most, farmers on loam soils valued effects of SOM on 
soil structure and rooting the most and farmers and clay soils valued effects of SOM on 
soil structure and workability the most (Table 5.2).  

7.3.

 

Influence  of  crop  types  cultivated  on  the  role  of  SOM  for 

crop production 

A  previous  analysis  of  two  field  experiments  in  the  Netherlands  (De  Haan  1977) 
suggested that root and tuber crops will benefit more from organic inputs or SOM than 
cereals,  even  beyond  the  macro-nutrients  supplied.  This  suggestion  is  supported  for 
potatoes in the meta-analysis of 20 long-term experiments (Fig. 2.3b). The additional 
yield effect for potatoes was on average 7.0% (+ 4.9 -95% CI). This might be because 
root and tuber crops depend more on soil structure for their successful cultivation and 
harvesting. Spring sown cereals (including maize) also benefit (3.4 percent + 2.6 - 95% 
CI.). Spring sown crops have a shorter time frame to develop their root system which is 

Page 172

Figures and page graphics, page 172

Chapter 7 

164 

 

needed to acquire sufficient nutrients and water (Johnston et al. 2009). In addition, maize 
has  a  less  developed  root  system  than  wheat  or  barley,  which  might  be  another 
explaining factor. 

In  the  farm  survey,  land  use  classes  were  made  comparing  farmers  cultivating  more 
specialized or horticultural crops with farmers cultivating more grass and cereals or a 
mixture  of  crops.  Among  the  specialized  and  horticultural  crops  cultivated  by  the 
farmers were root and tuber crops such as potatoes or sugar beets, but also beans and 
other vegetables (Supplementary Table 6.8). Farmers who cultivated more specialized 
or horticultural crops  perceived a higher deficiency of SOM than farmers who cultivated 
more cereals (Fig. 6.6d). As crop rotations differed widely between farmers, it was not 
evident if there was a specific selection of specialized or horticultural crops causing this 
increase  in  perceived  SOM  deficiency.  Further  research  would  therefore  be 
recommended looking into more details between specific crop types. 

7.4.

 

Types of organic inputs 

It was found that the type of organic input used (

e.g. 

FYM, compost, slurry) affects the 

relation between SOM and crop production. The additional yield effect of FYM is larger 
than  that  of  slurry,  straw  or  a  combination  of  straw  and  green  manures  (even  when 
compensating for the N immobilization by applying additional mineral fertiliser N, Fig. 
2.3a). 

When assessing the mineral fertiliser N savings from organic inputs, straw has a varying 
effect on N supply, from negative to positive (Table 3.2). This was confirmed in the 
farm survey, in which farmers indicated that incorporation of straw sometimes saves the 
use  of  mineral  fertiliser  N  whilst  in  other  cases  it  needs  mineral  fertiliser  N  for 
decomposition (Fig. 4.5). 

Based on data from eight long-term experiments, NFRV of FYM increases with total N 
supply  (Table  3.2).  This  could  suggest  that  NFRV  of  organic  inputs  is  higher  when 
combined  with  mineral  fertiliser  than  without.  If  validated,  this  would  open  a  new 
perspective  on  the  advantage  of  distributing  available  organic  inputs  among  many 
farmers in a given region: the region would require less fertiliser to produce the same 
yield output, than when organic inputs were concentrated in few farms. 

The  main  drivers  to  use  organic  inputs  were  perceived  effects  on  soil  quality  and 
influence  from  social  referents  (for  all  types  of  organic  inputs).  In  addition,  green 

Page 173

Figures and page graphics, page 173

General discussion 

165 

 

manure was also perceived to have a positive effect on the environment. For all input 
types, perceived pressures from weeds, pests and diseases were evaluated as important 
barriers (Fig. 4.8). In addition, farmers perceived more negative financial consequences 
from FYM and compost than from the cultivation of green manures or incorporation of 
straw.  

7.5.

 

Synergies and trade-offs with other ecosystem services 

SOM  content  in  arable  farms  does  not  only  affect  crop  production,  but  can  also 
contribute to other ecosystem services. Ecosystem services which have been suggested 
positively or negatively affected by the use of organic inputs or SOM content in arable 
soils  include  climate  change  mitigation  (soil  carbon  sequestration,  greenhouse  gas 
emissions), positive effects on crop protection, nutrient leaching and soil biodiversity 
conservation. Here effects of SOM on these ecosystem services will be discussed. 

Climate change mitigation 

Currently, much emphasis is placed on the carbon sequestration potential of SOM in 
agriculture. As SOM is known to improve soil quality, this is argued a win-win situation 
for  climate  change  mitigation  and  food  security  (see  for  example  Lal  2004a  or  the 
4/1000 initiative by the UNFCCC 2015). This thesis has shown that SOM can positively 
affect  crop  production,  but  only  in  specific  situations,  namely  depending  on 
environmental conditions, practices used to maintain or increase SOM content and crop 
types  cultivated.  In  many  other  cases,  no  significant  additional  yield  effect  of  SOM 
could be shown. 

For soil carbon sequestration, there are a number of limitations. First, after some time 
under  a  specific  management,  SOM  will  reach  an  equilibrium  state  in  which  inputs 
balance outputs (Janssen 2002). In such a state, adding organic inputs does not sequester 
more carbon. This means by definition there is only a limited potential for soil carbon 
sequestration. This limited potential also exists due to the limited availability of organic 
resources and competition with other uses (such as feed for livestock, fibre or as fuel). 
Some studies have shown that bioenergy produced from straw might be a more effective 
climate change mitigation measure than storage in soil, especially when assessed over 
longer periods of time (Poeplau et al. 2015; Powlson et al. 2008). In addition, built up 
of organic carbon in soils must always accompanied by other elements such as N. This 
means that increasing SOM might need additional mineral fertiliser production (Kirkby 
et al. 2016; Richardson et al. 2014), with associated costs and environmental impacts. 

Page 174

Figures and page graphics, page 174

Chapter 7 

166 

 

While the use of organic inputs can temporarily  sequester  carbon,  there  is a  risk for 
increased greenhouse gas emissions, potentially offsetting any gains for climate change 
mitigation (Bos et al. 2017). 

While this thesis shows that increasing SOM does not always increase crop production, 
the  reverse  relationship  has  a  more  general  validity  (

i.e. 

  higher  crop  production 

increases SOM). If, through any means, higher crop yields can be reached, this will lead 
to  production  of  more  aboveground  biomass  and  roots  and  potentially  a  higher 
availability  of  crop  residues  which  can  be  returned  to  the  field  (Fig.  2.5b,  Yang  & 
Janssen 1997). 

Nutrient leaching 

In some cases, the use of organic inputs instead of mineral fertilisers has been suggested 
to reduce nutrient leaching (Leclerc et al. 1995). For example, during the 1980s, the 
Synchrony Hypothesis was formulated on nutrient supply from organic inputs  (Swift 
(1985) as cited by Palm et al. 2001). The Synchrony Hypothesis states that the release 
of nutrients (N,P) from organic inputs can be synchronized with plant growth demands. 
In this manner, synchrony reduces leaching of nutrients while enhancing crop growth. 
Based on a multitude of studies, Palm et al. (2001) however conclude that there is no 
single or combination of organic material that releases N in perfect synchrony to crop 
demand. This means that some percentage of nutrients applied with organic inputs will 
always be prone to losses to the environment. Following, a number of studies have tried 
to  compare  nutrient  losses  applied  with  mineral  fertilisers  versus  application  with 
organic inputs. It has been suggested that over the long-term, if nutrients are applied 
attuned to crop requirements, there is no difference in nitrate leaching between using 
either organic inputs or mineral fertilisers (Maeda et al. 2003). 

Crop protection measures 

There is some evidence from field experiments that in certain cases the use of organic 
inputs might reduce the need for chemical crop protection. This is especially the case 
when they are rich in nitrogen (Bailey & Lazarovits 2003) or enriched with specific soil 
microbes  (Mehta  et  al.  2014).  There  are  also  findings  pointing  to  the  contrary. 
Incorporation of straw is for example known to spread diseases to subsequent cereals in 
crop rotations (Maiorano et al. 2008). In our farm survey, farmers consistently evaluated 
the effects of organic inputs on crop protection negatively (Fig. 4.8). There is therefore 
a need for more research on the relation between the use of various organic inputs and 

Page 175

Figures and page graphics, page 175

General discussion 

167 

 

pressures  from  weeds,  pests  and  diseases.  Farmers  need  specific  guidance  on  which 
combination of organic inputs and crops can increase or reduce the pressure of weeds, 
pests and diseases in a given environment.

 

Soil biodiversity 

Soil is one  of the most species-rich  habitats  of terrestrial  ecosystems  (Decaëns  et al. 
2006; Wolters 2001). In agricultural systems, most of the biodiversity resides in soils 
(Brussaard et al. 2007). In part due to these large number of soil species, most of the 
relationships between soil biodiversity and crop production remain unknown. There are 
close  relations  between  SOM  and  soil  life,  but  the  precise  mechanisms  are  not  fully 
understood  (Six  et  al.  2006).  Losses  of  SOM  might  however  lead  to  losses  in  soil 
biodiversity  (Tibbet  2016)  and  agricultural  intensification  is  known  to  affect 
biodiversity in agricultural soils (Tsiafouli et al. 2015). In this case, the 

‘precautionary’ 

principle (Decaëns et al. 2006) could apply as we are not aware of the risks of losing 
soil biodiversity on the long term.  

7.6.

 

Limitations of the study 

Analysis of total SOM content instead of different SOM fractions 

In this thesis, the role of SOM for crop production was based on total C content in the 
soil (Fig. 2.4b, Fig. 2.5, Fig. 6.7 and Fig. 6.8) or total or effective C content of organic 
inputs (Fig. 2.4d, Table 5.6 and Fig. 5.8). These numbers were either reported by farmers 
(Chapter 6), calculated using technical coefficients (Chapters 2 and 5) or based on soil 
analyses in experimental fields (Chapter 2). All these three methods (reports by farmers, 
using technical coefficients or soil analyses in experimental fields) might have caused 
some degree of error or variation in the data. This was however inevitable when relying 
on  published  data  and  farm  surveys.  Nonetheless  some  interesting  relationships  and 
patterns could be observed (as described in the previous sections). 

There is recent evidence that specific SOM fractions play specific roles in improving 
aggregate stability of soils (Dexter et al. 2008). Organic inputs from straw, stubble or 
roots  might  have  a  proportionally  larger  impact  on  aggregate  stability  compared  to 
organic inputs from animal manures (Powlson et al. 2011; Watts et al. 2006). In contrast, 
comparing effects from animal manure and crop residues on soil structure, Bhogal et al. 
(2009)  found  that  animal  manures  increased  topsoil  porosity,  plant  available  water 
capacity and decreased bulk density while crop residues did not. Evaluating total SOM 

Page 176

Figures and page graphics, page 176

Chapter 7 

168 

 

content lacks this type of detail. Ordinary soil analyses (for field experiments or farmers) 
report only total SOC or SOM content. Taking into account specific fractions would 
therefore require introduction and acceptance of new soil analysis methods.  

Which fractions of SOM play a larger role in aggregate stability is also important when 
considering  possible  trade-offs  or  synergies  with  soil  carbon  sequestration.  If  the 
contribution from SOM to soil fertility is mainly from fresh or active fractions, there is 
less synergy with soil carbon sequestration, which by default relies on very stable and 
inactive pools of carbon. If the correlation in Fig. 2.5a is a causal relation (meaning a 
relative increase in SOM content causes a relative increase in additional yield), then this 
thesis would support the first option. In that case the proportion of fresh or active SOM 
is more  important for soil structural benefits to crop  production  than  older  fractions. 
This would explain the observation in Fig. 2.4b, in which there is no relation between 
SOM content at the start of each experiment and the additional yield effect of organic 
inputs. If large parts of these different SOM percentages are older SOM fractions (and 
if older SOM fractions are less beneficial for soil structural benefits to crop growth), 
then fields with both lower and higher SOM contents benefit equally from fresh organic 
inputs.  

Study area 

The objective of this thesis was to cover large parts of Europe. Per chapter however, 
study  areas  differed.  The  meta-analysis  of  Chapter  2  was  based  on  long-term 
experiments  in  nine  countries  (Germany,  Italy,  Romania,  Czech  Republic,  Hungary, 
Spain, Serbia, Estonia and Austria), while a subset of these was taken in Chapter 3 (Italy, 
Romania,  Hungary,  Czech  Republic  and  Germany),  depending  on  data  availability. 
Chapter  4  was  based  on  a  farm  survey  in  four  countries  (the  Netherlands,  Belgium, 
Austria and Italy), whilst Chapter 5 was a case study in the Netherlands. Finally, Chapter 
6  was  based  on  a  farm  survey  in  five  countries,  again  differing  in  composition 
(Germany, Italy, Belgium, Austria and Spain).  

The data used in each chapter depended on available publications (Chapters 2 and 3) or 
inclusion  of  arable  farmers  and  incorporation  of  questions  in  the  farm  survey  of  the 
CATCH-C  project  (Chapters  4,  5  and  6).  Therefore,  study  areas  differed  between 
chapters  and  datasets  were  sometimes  unbalanced  with  regard  to  spread  of  farmers 
across climates and soil textures and practices included. In addition, response rates to 
questionnaires  were  sometimes  low,  which  might  have  given  a  bias  in  the  type  of 

Page 177

Figures and page graphics, page 177

General discussion 

169 

 

farmers  filling in the questionnaire. Nonetheless, ranges  of environmental conditions 
and spread of locations does seem to justify more general conclusions.  

As  this  study  only  focussed  on  Europe,  very  weathered  soils,  mostly  occurring  in 
tropical  regions,  were  not  included.  Weathered  soils  often  have  very  low  cation 
exchange capacity (Palm et al. 1997) and lack a number of micro nutrients necessary for 
crop growth (Gupta et al. 2008). On weathered soils therefore, additional yield effects 
of organic inputs and perceived deficiency of SOM could be larger. In tropical regions 
however, soil analyses by farmers are often less common. In addition, a recent global 
database suggests experimental set-ups as used in our meta-analysis do not exist outside 
temperate regions  (ISCN 2015), establishment of such  long term experiments would 
therefore be recommended. 

Focus on mineral soils only 

This study is limited to mineral soils, organic (peat) soils were excluded (besides a small 
percentage of Dutch farmers in Chapter 4). Peat soils have very high contents of SOM, 
but because of their organic nature, their structure and response to organic inputs is very 
different  from  mineral  soils  (Lucas  1982).  Peat  soils  are  especially  important  when 
considering climate change mitigation as, globally, peat soils contain approximately 455 

Pg of carbon, which is twice the amount found in the world’s forest biomass 

(Dunn & 

Freeman  2011).  Often,  peat  soils  are  drained  to  make  them  suitable  for  cultivation, 
which  causes  substantial  amounts  of  greenhouse  gas  emissions  (Erkens  et  al.  2016). 
These dynamics were however outside the scope of this study.  

7.7.

 

Implications of the findings 

The findings in this thesis indicate that at least on the shorter term, on average, there 
seems to be no immediate threat from a deficiency of SOM to crop production in arable 
farming in Europe. The long-term experiments showed that with sufficient use of only 
mineral  fertilisers,  similar  yields  could  be  attained  over  multiple  years  as  with  the 
combined use of organic inputs and mineral fertiliser. This result was independent from 
SOM content in the experimental fields (Chapter 2). Similarly, the large majority of the 
farmers interviewed (82%) did not perceive a high or very high deficiency of SOM for 
productive  capacity  (Chapter  6).  Likewise,  a  major  barrier  identified  for  the  use  of 
organic inputs are the financial consequences at farm level (either increased costs or 
reduced income, Chapters 4,5). This suggests that at least on the short term, on average, 
European arable farmers do not benefit financially from increasing SOM content. 

Page 178

Figures and page graphics, page 178

Chapter 7 

170 

 

These findings differ when looking in more detail at specific environmental conditions, 
types of crops cultivated and types of organic inputs used (Fig 7.1). SOM and organic 
inputs give more benefits to crop production in wet climates, on very sandy soils and on 
steep slopes. It seems that while the functions of SOM can be replaced with technical 
means to a large extent (

e.g. 

tillage, use of mineral fertilisers), there are limits to this 

technical potential when environmental conditions are more extreme or crops are more 
demanding. 

Specialized crops (such as root and tuber crops) benefit more from organic inputs than 
cereals. Even though additional yield effects of organic inputs were small, they do exist 
for potatoes (Fig. 2.3b). More in general, farmers who cultivate a larger share of their 
land with specialized or horticultural crops (such as sugar beets, onions, carrots or other 
vegetables) perceived a higher deficiency of SOM (Fig. 6.6d). Often, such crops are the 
cash crops on which the income of a farmer relies, more than on cereals. Small changes 
in yields of these crops might therefore have a relatively large impact on the long-term 
viability of a farm. 

This thesis has found that - for the current degree of intensification in European arable 
farming  -  the  contribution  of  SOM  to  crop  production  in  European  arable  farming 
depends on a number of environmental factors, types of organic inputs used and crop 
types  cultivated.  If  policies  on  SOM  management  aim  to  include  benefits  for  crop 
production,  it  would  therefore  be  advisable  to  focus  on  areas  with  more  extreme 
environmental conditions.  

In his thesis on the on-farm benefits of SOM for England and Wales, Verheijen (2005b) 

calls for a paradigm change in which SOM’s importance for crop production shifts fr

om 

a primary function to a secondary, or buffer, function. In this proposed new paradigm: 

“

SOM  still  contributes  to  most  agro-production  sub-functions,  but  its  magnitude  is 

relatively  low  and  in  many  cases  only  (measurably)  occurring  in  ‘extreme’  climatic 
years”

 

(Verheijen 2005b). The findings in this thesis support his suggestion and give 

reason  to  in 

include  besides  ‘more  extreme  climatic  years’  also  ‘more  extreme 

environmental conditions’

 

and possibly ‘more demanding crops’

.  

Page 179

Figures and page graphics, page 179

List of references 

171 

 

List of references 

Ajzen I. 1991. The theory of planned behavior. Organizational Behavior and Human 
Decision Processes 50: 179-211. 
Albert E. and Grunert M. 2013. Wirkung einer langjährig differenzierten mineralisch-
organischen  Düngung  auf  Ertrag,  Humusgehalt,  N-Bilanz  und  Nährstoffgehalte  des 
Bodens. Archives of Agronomy and Soil Science 59: 1073-1098. 
Allison F.E. 1973. Developments in soil science 3; Soil organic matter and its role in 
crop production. Elsevier scientific publishing company, Amsterdam. 
Andersen  E.,  Elbersen  B.,  Godeschalk  F.  and  Verhoog  D.  2007.  Farm  management 
indicators  and  farm  typologies  as  a  basis  for  assessments  in  a  changing  policy 
environment. Journal of Environmental Management 82: 353-362. 
Aune J. and Lal R. 1997. Agricultural productivity in the tropics and critical limits of 
properties of Oxisols, Ultisols, and Alfisols. Tropical Agriculture 74: 96-103. 
Bailey  K.L.  and  Lazarovits  G.  2003.  Suppressing  soil-borne  diseases  with  residue 
management and organic amendments. Soil and Tillage Research 72: 169-180. 
Baker J.M., Ochsner T.E., Venterea R.T. and Griffis T.J. 2007. Tillage and soil carbon 
sequestration

—

What do we really know? Agriculture, Ecosystems & Environment 118: 

1-5. 
Baldock J., Oades J., Waters A., Peng X., Vassallo A. and Wilson M. 1992. Aspects of 
the chemical structure of soil organic materials as revealed by solid-state 13 C NMR 
spectroscopy. Biogeochemistry 16: 1-42. 
Barkusky D. 2009. Müncheberger Nährstoffsteigerungsversuch. Dauerfeldversuche in 
Brandenburg  und  Berlin.  Beiträge  für  eine  nachhaltige  landwirtschaftliche  Nutzung. 
Hrsg.  Ministerium  für  ländliche  Entwicklung,  Umwelt  und  Verbraucherschutz  des 
Landes Brandenburg (MLUV), pp. 103-108. 

Barton K. 2015. Package  ‘MuMIn’. Multi

-model interference  The  Comprehensive R 

Archive Network, p. Software package. 
Barzegar A.R., Yousefi A. and Daryashenas A. 2002. The effect of addition of different 
amounts and types of organic materials on soil physical properties and yield of wheat. 
Plant and Soil 247: 295-301. 
Basso B. and Ritchie J.T. 2005. Impact of compost, manure and inorganic fertilizer on 
nitrate leaching and yield for a 6-year maize

–

alfalfa rotation in Michigan. Agriculture, 

Ecosystems & Environment 108: 329-341. 
Bauder J. 2000. Cereal Crop Residues and Plant Nutrients. Montana State University. 
Beedell J. and Rehman T. 2000. Using social-

psychology models to understand farmers’ 

conservation behaviour. Journal of rural studies 16: 117-127. 

Page 180

Figures and page graphics, page 180

List of references 

172 

 

Benito E. and Diaz-Fierros F. 1992. Effects of cropping on the structural stability of 
soils rich in organic matter. Soil and Tillage Research 23: 153-161. 
Bhogal  A.,  Nicholson  F.A.,  Rollett  A.  and  Chambers  B.J.  2009.  Best  practice  for 
managing  soil  organic  matter  in  agriculture.  Manual  of  methods  for  'lowland' 
agriculture. ADAS Gleadthorpe. 
Birkmose  T.S.  2009.  Nitrogen  recovery  from  organic  manures:  improved  slurry 
application  techniques  and  treatment  -  the  Danish  scenario.  International  Fertiliser 
Society, York, p. 24 pp. 
Bischoff  R.  1995.  Der  Internationale  Organische  Stickstoffdauerdüngungsversuch 
(IOSDV) Speyer. Archives of Agronomy and Soil Science 39: 461-471. 
Blandino M., Haidukowski M., Pascale M., Plizzari L., Scudellari D. and Reyneri A. 
2012. Integrated strategies for the control of Fusarium head blight and deoxynivalenol 
contamination in winter wheat. Field crops research 133: 139-149. 
Bodner G. 2013. Hydrologische Effekte des Zwischenfruchtanbaus im Trockengebiet. 
Innovation Universität für Bodenkultur Wien, Austria. 
Bodner G., Summerer H., Ecker F. and Rosner J. 2011. Zwischenfruchtbau ist auch im 
Trockengebiet 

machbar 

Ländlicher 

Raum.Online-Fachzeitschrift 

des 

Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft. 
Bos J.F.F.P., ten Berge H.F.M., Verhagen J. and van Ittersum M.K. 2017. Trade-offs in 
soil fertility management on arable farms. Agricultural Systems. 
Bozdogan  H.  1987.  Model  selection  and  Akaike's  Information  Criterion  (AIC):  The 
general theory and its analytical extensions. Psychometrika 52: 345-370. 
Brussaard L., de Ruiter P.C. and Brown G.G. 2007. Soil biodiversity for agricultural 
sustainability. Agriculture, Ecosystems & Environment 121: 233-244. 
Burke  I.C., Yonker  C.M., Parton  W.J., Cole  C.V., Schimel D.S. and Flach K. 1989. 
Texture,  Climate,  and  Cultivation  Effects  on  Soil  Organic  Matter  Content  in  U.S. 
Grassland Soils. Soil Science Society of America Journal 53: 800-805. 

Burton  R.J.F.  2004.  Reconceptualising  the  ‘behavioural  approach’  in  agricultural 

studies: a socio-psychological perspective. Journal of rural studies 20: 359-371. 
Capriel P. 2013. Trends in organic carbon and nitrogen contents in agricultural soils in 
Bavaria (south Germany) between 1986 and 2007. European Journal of Soil Science 64: 
445-454. 
Case S.D.C., Oelofse M., Hou Y., Oenema O. and Jensen L.S. 2017. Farmer perceptions 
and use of organic waste products as fertilisers 

–

 A survey study of potential benefits 

and barriers. Agricultural Systems 151: 84-95. 

Page 181

Figures and page graphics, page 181

List of references 

173 

 

CBAV. 2017. Handboek Bodem en Bemesting. Praktijkonderzoek Plant en Omgeving 
(PPO) Wageningen University and Research, p. Dutch web page on soils and nutrients 
run by the committee for fertilization for arable and vegetable crops (CBAV). 
CBS. 2012. Agricultural Census 2012. Statistics Netherlands. 
CBS.  2017.  Statline.  Electronic  databank  of  Statistics  Netherlands.  Statistics 
Netherlands, http://statline.cbs.nl/statweb/. 
Cerrato M. and Blackmer  A. 1990. Comparison of models for describing; corn  yield 
response to nitrogen fertilizer. Agronomy Journal 82: 138-143. 
Chaney K. and Swift R.S. 1986. Studies on aggregate stability. 11. The effect of humic 
substances on the stability of re-formed soil aggregates. Journal of Soil Science 37: 337-
343. 
Chang E.-H., Chung R.-S. and Tsai Y.-H. 2007. Effect of different application rates of 
organic  fertilizer  on soil enzyme activity and microbial population.  Soil Science  and 
Plant Nutrition 53: 132-140. 
Chapman S.J., Bell J.S., Campbell C.D., Hudson G., Lilly A., Nolan A.J., Robertson 
A.H.J., Potts J.M. and Towers W. 2013. Comparison of soil carbon stocks in Scottish 
soils between 1978 and 2009. European Journal of Soil Science 64: 455-465. 
Chivenge  P.P.,  Murwira  H.K.,  Giller  K.E.,  Mapfumo  P.  and  Six  J.  2007.  Long-term 
impact  of  reduced  tillage  and  residue  management  on  soil  carbon  stabilization: 
Implications for conservation agriculture on contrasting soils. Soil and Tillage Research 
94: 328-337. 
Christensen  B.T.  and  Johnston  A.E.  1997.  Chapter  18  Soil  organic  matter  and  soil 
quality

—

Lessons  learned  from  long-term  experiments  at  Askov  and  Rothamsted. 

Developments in Soil Science 25: 399-430. 
Ciais P., Sabine C., Bala G., Bopp L., Brovkin V., Canadell J., Chhabra A., DeFries R., 
Galloway J., Heimann M., Jones C., Le Quéré C., Myneni R.B., Piao S. and Thornton 
P. 2013. Carbon and other biogeochemical cycles. In: Stocker T. F., Qin D., Plattner G.-
K., Tignor M., Allen S. K., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V. and Midgley P. M. 
(eds), Climate change 2013: the physical science basis. Contribution of Working Group 
I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 
Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 
pp. 465-570. 
Conover W.J. 1971. Practical nonparametric statistics. John Wiley & Sons. 
Corbeels M., Shiferaw A. and Haile M. 2000. Farmers' knowledge of soil fertility and 
local management strategies in Tigray, Ethiopia. IIED-Drylands Programme. 
Dalgaard T., Hansen B., Hasler B., Hertel O., Hutchings N.J., Jacobsen B.H., Jensen 
L.S.,  Kronvang  B.,  Olesen  J.E.  and  Schjørring  J.K.  2014.  Policies  for  agricultural 

Page 182

Figures and page graphics, page 182

List of references 

174 

 

nitrogen  management

—

trends,  challenges  and  prospects  for  improved  efficiency  in 

Denmark. Environmental Research Letters 9: 115002. 
Dawe D., Dobermann A., Ladha J., Yadav R., Bao L., Gupta R., Lal P., Panaullah G., 
Sariam  O.  and  Singh  Y.  2003.  Do  organic  amendments  improve  yield  trends  and 
profitability in intensive rice systems? Field crops research 83: 191-213. 
De Haan S. 1977. Humus, its formation, its relation with the mineral part of the soil, and 
its  significance  for  soil  productivity.  Soil  Organic  Matter  Studies;  Proceedings  of  a 
Symposium. 
de Vries J. 2014. From animals to crops: environmental consequences of current and 
future  strategies  for  manure  management.  Wageningen  Universiteit  (Wageningen 
University). 
De  Vries  J., Vinken  T., Hamelin  L. and  De  Boer  I. 2012.  Comparing environmental 
consequences  of  anaerobic  mono-and  co-digestion  of  pig  manure  to  produce  bio-
energy

–

a life cycle perspective. Bioresource technology 125: 239-248. 

Decaëns T., Jiménez J.J., Gioia C., Measey G.J. and Lavelle P. 2006. The values of soil 
animals for conservation biology. European Journal of Soil Biology 42: S23-S38. 
Dekker  P.,  van  Dam  A.-M.  and  Pronk  A.  2004.  Data  supplement  to  "Rapportage 
bemesting 2004. Telen met toekomst". 
Delin S., Stenberg B., Nyberg A. and Brohede L. 2012. Potential methods for estimating 
nitrogen fertilizer value of organic residues. Soil Use and Management 28: 283-291. 
Dersch  G.  2015.  Die  Humusgehalte  der  heimischen  Ackerböden  haben  sich  positiv 
entwickelt. BauernZeitung, p. 6. 

Dexter  A.R.,  Richard  G.,  Arrouays  D.,  Czyż  E.A.,  Jolivet  C.  and  Duval  O.  2008. 

Complexed organic matter controls soil physical properties. Geoderma 144: 620-627. 
Díaz-Zorita  M.,  Buschiazzo  D.E.  and  Peinemann  N.  1999.  Soil  Organic  Matter  and 
Wheat Productivity in the Semiarid Argentine Pampas. Agronomy Journal 91: 276-279. 
Diekmann K.H., De Datta S.K. and Ottow J.C.G. 1993. Nitrogen uptake and recovery 
from  urea  and  green  manure  in  lowland  rice  measured  by15N  and  non-isotope 
techniques. Plant and Soil 148: 91-99. 
Dlugokencky  E.  and  Tans  P.  2017.  Trends  in  Atmospheric  Carbon  Dioxide.  Recent 
Global  CO2.  NOAA/ESRL  Global  Monitoring  Division.  Earth  System  Research 
Laboratory. 
Dungait  J.A.J.,  Hopkins  D.W.,  Gregory  A.S.  and  Whitmore  A.P.  2012.  Soil  organic 
matter turnover is governed by accessibility not recalcitrance. Global Change Biology 
18: 1781-1796. 
Dunn C. and Freeman C. 2011. Peatlands: our greatest source of carbon credits? Carbon 
Management 2: 289-301. 

Page 183

Figures and page graphics, page 183

List of references 

175 

 

EC.  2006.  Proposal  for  a  Directive  of  the  European  Parliament  and  of  the  Council 
establishing a framework for the protection of soil and amending Directive 2004/35/EC. 
COM (2006) 232 final. Brussels. 
EC. 2011a. Commission staff working paper. Analysis associated with the Roadmap to 
a Resource Efficient Europe. Part II. Brussels. 
EC. 2011b. Roadmap to a resource efficient Europe. COM(2011) 571 final. EUR-Lex, 
Brussels, p. 25. 
EC. 2013. Annex II, rules on cross-compliance pursuant to article 93. Regulation (EU) 
No  1306/2013  of  the  European  parliament  and  of  the  council  on  the  financing, 
management and monitoring of the common agricultural policy. Official Journal of the 
Europan Union, Brussels. 
EC and ESBN. 2004. The European Soil Database distribution version 2.0, CD-ROM, 
EUR 19945 EN. European Commission and the European Soil Bureau Network. 
EEC.  1991.  Council  Directive  91/676/EEC  of  12  December  1991  concerning  the 
protection  of  waters  against  pollution  caused  by  nitrates  from  agricultural  sources. 
official Journal l 375: 12. 
Eggleton T. 2013. A short introduction to climate change. Cambridge University Press, 
New York. 
Eich D., Körschens M. and Pfefferkorn A. 2013. 100 Jahre Agrar-und Umweltforschung 
Bad Lauchstädt: Geschichte der Forschungsstätte von 1895 bis 1995. Springer-Verlag. 
Eriksen  J.  2009.  Chapter  2  Soil  Sulfur  Cycling  in  Temperate  Agricultural  Systems. 
Advances in agronomy. Academic Press, pp. 55-89. 
Erkens G., van der Meulen M.J. and Middelkoop H. 2016. Double trouble: subsidence 
and  CO2  respiration  due  to  1,000 years  of  Dutch  coastal  peatlands  cultivation. 
Hydrogeology Journal 24: 551-568. 
Eurostat. 2012. Agri-environmental indicator - mineral fertiliser consumption. European 
Commission, Statistical office of the European Union  
Eurostat. 2013. Standard output coefficients. European Commission, Statistical office 
of the European Union  
Falkowski  P.,  Scholes  R.,  Boyle  E.,  Canadell  J.,  Canfield  D.,  Elser  J.,  Gruber  N., 
Hibbard  K.,  Högberg  P.  and  Linder  S.  2000.  The  global  carbon  cycle:  a  test  of  our 
knowledge of earth as a system. Science 290: 291-296. 
Fantappiè M., L'Abate G. and Costantini E.A.C. 2011. The influence of climate change 
on the soil organic carbon content in Italy from 1961 to 2008. Geomorphology 135: 343-
352. 

Page 184

Figures and page graphics, page 184

List of references 

176 

 

Feller C. 1995. La matière organique du sol et la recherche d'indicateurs de la durabilité 
des systèmes de culture dans les régions tropicales semi-arides et subhumides d'Afrique 
de l'Ouest. 
Feller C. and Beare M.H. 1997. Physical control of soil organic matter dynamics in the 
tropics. Geoderma 79: 69-116. 
Flavel T.C. and Murphy D.V.  2006. Carbon and Nitrogen Mineralization Rates after 
Application of Organic Amendments to Soil. Journal of Environmental Quality 35: 183-
193. 
Fleischer J., Barnes A., Awumbila B., Amaning-Kwarteng K. and Tieku C. 1989. Grain 
Yield and nutritive value of crop residues from three varieties of maize (Zea Mays L) 
crop. Overcoming Constraints to Efficient Utilization of Agricultural By-Products as 
Animal Feed (eds. Said, AN and Dzowela, BH). Proceedings of the African Research 
Network for Agricultural By-products (ARNAB). Bamenda, Cameroun, Addis Ababa, 
Ethiopia: 239-255. 
Florentín  M.A.  2011.  Green  manure/cover  crops  and  crop  rotation  in  conservation 
agriculture  on  small  farms.  Plant  Production  and  Protection  Division,  Food  and 
Agriculture Organization of the United Nations. 
Fox D.M. and Bryan R.B. 2000. The relationship of soil loss by interrill erosion to slope 
gradient. Catena 38: 211-222. 
Freibauer A., Rounsevell M.D., Smith P. and Verhagen J. 2004. Carbon sequestration 
in the agricultural soils of Europe. Geoderma 122: 1-23. 
Frelih-Larsen  A.,  Bowyer  C.,  Albrecht  S.,  Keenleyside  C.,  Kemper  M.,  Nanni  S., 
Naumann S., Mottershead D., Landgrebe R., Andersen E., Banfi P., Bell S., Brémere I., 
Cools  J.,  Herbert  S.,  Iles  A.,  Kampa  E.,  Kettunen  M.,  Lukacova  Z.,  Moreira  G., 
Kiresiewa Z.,  Rouillard J., Okx J., Pantzar  M., Paquel K., Pederson R.,  Peepson A., 

Pelsy  F., Petrovic D., Psaila E., Šarapatka  B., Sobocka  J., Stan A.

-C., Tarpey J. and 

Vidaurre  R.  2016.  Updated  Inventory  and  Assessment  of  Soil  Protection  Policy 
Instruments in EU Member States. Ecologic Institute, Berlin. 
Frigge M., Hoaglin D.C. and Iglewicz B. 1989. Some implementations of the boxplot. 
The American Statistician 43: 50-54. 
Gardner K. and Barrows R. 1985. The Impact of Soil Conservation Investments on Land 
Prices. American Journal of Agricultural Economics 67: 943-947. 
Gent  U.  2010.  Ontwikkelen  van  een  expertsysteem  voor  het  adviseren  van  het 
koolstofbeheer in de landbouwbodems. Universiteit Gent, Vakgroep Bodembeheer en 
bodemhygiëne. 
George B. 1984. Design and interpretation of nitrogen response experiments. Nitrogen 
requirement  of  cereals:  proceedings  of  a  conference  organised  by  the  Agricultural 
Development and Advisory Service, September 1982. London: HMSO, 1984. 

Page 185

Figures and page graphics, page 185

List of references 

177 

 

Giordani  G.,  Comellini  F.,  Triberti  L.  and  Nastri  A.  2010.  Dopo  15  anni  di  residui 

interrati  al  grano  non  serve  più  l’azoto.  l'informatore  agrario.  Edizioni  l'informatore 

agrario S.p.A. 
Glendining  M.  and  Powlson  D.  1995.  The  effects  of  long  continued  applications  of 
inorganic  nitrogen  fertilizer  on  soil  organic  nitrogen

—

a  review.  Soil  Management. 

Experimental  Basis  for  Sustainability  and  Environmental  Quality,  Lewis  Publishers, 
Boca Raton-London-Tokyo: 385-446. 
Glenk K., Shrestha S., Topp C.F., Sánchez B., Iglesias A., Dibari C. and Merante P. 
2017. A farm level approach to explore farm gross margin effects of soil organic carbon 
management. Agricultural Systems 151: 33-46. 
Goidts  E.  and  van  Wesemael  B.  2007.  Regional  assessment  of  soil  organic  carbon 
changes under agriculture in Southern Belgium (1955

–

2005). Geoderma 141: 341-354. 

Gonçalves  J.L.M.  and  Carlyle  J.C.  1994.  Modelling  the  influence  of  moisture  and 
temperature on net nitrogen mineralization in a forested sandy soil. Soil Biology and 
Biochemistry 26: 1557-1564. 
Govaerts

∗

  B.,  Verhulst

∗

  N.,  Castellanos-Navarrete  A.,  Sayre  K.,  Dixon  J.  and 

Dendooven L. 2009. Conservation agriculture and soil carbon sequestration: between 
myth and farmer reality. Critical Reviews in Plant Science 28: 97-122. 
Greenland D., Rimmer D. and Payne D. 1975. Determination of the structural stability 
class of English and Welsh soils, using a water coherence test. Journal of Soil Science 
26: 294-303. 
Gregorich E.G., Greer K.J., Anderson D.W. and Liang B.C. 1998. Carbon distribution 
and losses: erosion and deposition effects. Soil and Tillage Research 47: 291-302. 
Gregorich  E.G.,  Monreal  C.M.,  Carter  M.R.,  Angers  D.A.  and  Ellert  B.H.  1994. 
Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils. 
Canadian Journal of Soil Science 74: 367-385. 
Günther A., Van Den Eeckhaut M., Malet J.-P., Reichenbach P. and Hervás J. 2014. 
Climate-physiographically  differentiated  Pan-European  landslide  susceptibility 
assessment  using  spatial  multi-criteria  evaluation  and  transnational  landslide 
information. Geomorphology 224: 69-85. 
Gupta U.C., Wu K. and Liang S. 2008. Micronutrients in Soils, Crops, and Livestock. 
Earth Science Frontiers 15: 110-125. 
Gurevitch  J.  and  Hedges  L.V.  1999.  Statistical  issues  in  ecological  meta-analyses. 
Ecology 80: 1142-1149. 
Gutser R., Ebertseder T., Weber A., Schraml M. and Schmidhalter U. 2005. Short

‐

term 

and residual availability of nitrogen after long

‐

term application of organic fertilizers on 

arable land. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 168: 439-446. 

Page 186

Figures and page graphics, page 186

List of references 

178 

 

Hamza M.A. and Anderson W.K. 2005. Soil compaction in cropping systems: A review 
of the nature, causes and possible solutions. Soil and Tillage Research 82: 121-145. 
Haynes R.J. and Naidu R. 1998. Influence of lime, fertilizer and manure applications on 
soil organic matter content and soil physical conditions: a review. Nutrient Cycling in 
Agroecosystems 51: 123-137. 
Hedges  J.I.,  Eglinton  G.,  Hatcher  P.G.,  Kirchman  D.L.,  Arnosti  C.,  Derenne  S., 
Evershed R.P., Kögel-Knabner I., De Leeuw J. and Littke R. 2000. The molecularly-
uncharacterized  component  of  nonliving  organic  matter  in  natural  environments. 
Organic geochemistry 31: 945-958. 
Hege  U.  and  Offenberger  K.  2006.  Effect  of  differentiated  mineral  fertilization  and 
organic  manuring  on  yield,  product  quality  and  N  balances  in  the  international 
permanent organic nitrogen experiment (IOSDV) Puch. Archives of Agronomy and Soil 
Science 52: 535-550. 
Heikkinen J., Ketoja E., Nuutinen V. and Regina K. 2013. Declining trend of carbon in 
Finnish cropland soils in 1974

–

2009. Global Change Biology 19: 1456-1469. 

Hendrickx G., Boon W. and Bries J. 1992. De chemische bodemvruchtbaarheid van het 
Vlaamse akkerbouw-en weilandareaal, 1989-1991. Bodemkundige Dienst van Belgie. 
Hernández D., Polo A. and Plaza C. 2013.  Long-term effects of pig slurry on barley 
yield and N use efficiency under semiarid Mediterranean conditions. European Journal 
of Agronomy 44: 78-86. 
Herron G. and Erhart A. 1965. Value of manure on an irrigated calcareous soil. Soil 
Science Society of America Journal 29: 278-281. 
Hideborn  Alm  K.  and  Dahlin  S.  2007.  Success  Stories  of  Agricultural  Long-term 
Experiments.  Ake  Barklund,  KSLA,  Royal  Swedish  Academy  of  Agriculture  and 
Forestry. 
Hijbeek R., van Ittersum M.K., ten Berge H.F.M., Gort G., Spiegel H. and Whitmore 
A.P. 2017. Do organic inputs matter 

–

 a  meta-analysis of additional yield effects for 

arable crops in Europe. Plant and Soil 411: 293-303. 
Hijbeek R., Wolf J. and Van ittersum M.K. 2013. A typology of farming systems, related 
soil management and soil degradation in eight European countries. D2.242. CATCH-C 
report. Wageningen University and Research Centre, Wageningen, p. 226. 
Hoffmann  S.,  Kismányoky  T.  and  Balázs  J.  1997.  Der  Internationale  Organische 
Stickstoffdauerdüngungsversuch  (IOSDV)  Keszthely  nach  12  Versuchsjahren. 
Archives of Agronomy and Soil Science 41: 123-132. 
Hoogsteen  M.J.J.,  Lantinga  E.A.,  Bakker  E.J.,  Groot  J.C.J.  and  Tittonell  P.A.  2015. 
Estimating soil organic carbon through loss on ignition: effects of ignition conditions 
and structural water loss. European Journal of Soil Science 66: 320-328. 

Page 187

Figures and page graphics, page 187

List of references 

179 

 

Hösch  J.  and  Dersch  G.  2002.  The  International  Organic  Nitrogen  Long-term 
Fertilization Experiment (IOSDV) at Vienna. Archives of Agronomy and Soil Science 
48: 471-484. 

Houšková B. and 

Montanarella L. 2008. The natural susceptibility of european soils to 

compaction. Threats to Soil Quality in Europe: 23. 
Hudson B.D. 1994. Soil organic matter and available water capacity. Journal of Soil and 
Water Conservation 49: 189-194. 
IGBP  T.C.W.G.  1998.  The  Terrestrial  Carbon  Cycle:  Implications  for  the  Kyoto 
Protocol. Science 280: 1393-1394. 
Ingram J.S.I. and Fernandes E. 2001. Managing carbon sequestration in soils: concepts 
and terminology. Agriculture, Ecosystems & Environment 87: 111-117. 
Ingram J., Mills, J., Frelih-Larsen, A., Davis, M., Merante, P., Ringrose, S., Molnar, A., 
Sanchez,  B.,  Ghaley,  B.B.  and  Karaczub,  Z.  2014.  Managing  Soil  Carbon:  A  Farm 
perspective. Eurochoices, 13:12-19. 
ISCN.  2015.  ISCN  Database,  International  Soil  Carbon  Network,  available  at 
http://iscn.fluxdata.org/Data/Pages/AccessData.aspx. 
Janssen  B.H.  2002.  Organic  matter  and  soil  fertility.  Wageningen  Agricultural 
University.  Department  of  Environmental  Sciences.  Sub-department  of  Soil  quality, 
Wageningen, p. 248. 
Janssen B.H. and De Willigen P. 2006. Ideal and saturated soil fertility as bench marks 
in  nutrient  management:  1.  Outline  of  the  framework.  Agriculture,  Ecosystems  & 
Environment 116: 132-146. 
Janssen B.H. and van der Weert R. 1977. The influence of fertilizers, soil organic matter 

and soil compaction on maize yields on the Surinam ‘Zanderij’soils. Plant and Soil 46: 

445-458. 
Janssen S., Andersen E., Athanasiadis I.N. and van Ittersum M.K. 2009. A database for 
integrated  assessment  of  European  agricultural  systems.  Environmental  Science  & 
Policy 12: 573-587. 
Janzen  H.  2004.  Carbon  cycling  in  earth  systems

—

a  soil  science  perspective. 

Agriculture, Ecosystems & Environment 104: 399-417. 
Janzen H.H., Bole J.B., Biederbeck V.O. and Slinkard A.E. 1990. Fate of N applied as 
green manure or ammonium fertilizer to soil subsequently cropped with spring wheat at 
three sites in Western Canada. Canadian Journal of Soil Science 70: 313-323. 
Jensen  L.S.  2013.  Animal  manure  fertiliser  value,  crop  utilisation  and  soil  quality 
impacts. Animal Manure Recycling: Treatment and Management: 295-328. 
Johnston A.E., Poulton P.R. and Coleman K. 2009. Soil organic matter: its importance 
in sustainable agriculture and carbon dioxide fluxes. Advances in agronomy 101: 1-57. 

Page 188

Figures and page graphics, page 188

List of references 

180 

 

Jonckheere A.R. 1954. A distribution-free  k-sample test against ordered  alternatives. 
Biometrika 41: 133-145. 
Kanal A., Kautz T., Ellmer F. and Rühlmann J. 2003. Einfluss langjährig differenzierter 
Düngungsmassnahmen auf die Schwefel-und Stickstoffversorgung von Sommergerste 
in Berlin-Dahlem (D) und Tartu (Est). Archives of Agronomy and Soil Science 49: 543-
553. 
Karlen  D.,  Andrews  S.  and  Doran  J.  2001.  Soil  quality:  current  concepts  and 
applications. Advances in agronomy 74: 1-40. 

Káš M., Haberle J. and Matějková S. 2010. Crop

 productivity under increasing nitrogen 

rates and different organic fertilization systems in a long-term IOSDV experiment in the 
Czech Republic. Archives of Agronomy and Soil Science 56: 451-461. 
Kätterer T., Reichstein M., Andrén O. and Lomander A. 1998. Temperature dependence 
of organic matter decomposition: a critical review using literature data analyzed with 
different models. Biology and fertility of soils 27: 258-262. 
Katyal J. 1993. Integrated nitrogen management and supply: an overview. Proceedings 
-Indian National Science Academy Part B 59: 161-161. 
Kemper W.D. and Koch E. 1966. Aggregate stability of soils from western United States 
and  Canada.  Measurement  procedure,  correlation  with  soil  constituents.  Technical 
Bulletin. United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service. 
Kendall M.G. 1948. Rank correlation methods. C. Griffin. 
Kimetu J.M., Lehmann J., Ngoze S.O., Mugendi D.N., Kinyangi J.M., Riha S., Verchot 
L.,  Recha  J.W.  and  Pell  A.N.  2008.  Reversibility  of  Soil  Productivity  Decline  with 
Organic  Matter  of  Differing  Quality  Along  a  Degradation  Gradient.  Ecosystems  11: 
726-739. 
Kirkby  C.A.,  Richardson  A.E.,  Wade  L.J.,  Conyers  M.  and  Kirkegaard  J.A.  2016. 
Inorganic  Nutrients  Increase  Humification  Efficiency  and  C-Sequestration  in  an 
Annually Cropped Soil. PLoS ONE 11: e0153698. 
Kirkby M.J., Jones R.J.A., Irvine B., Gobin A., Govers G., Cerdan O., Van Rompaey 
A.J.J., Le Bissonnais Y., Daroussin J., King D., Montanarella L., Grimm M., Vieillefont 
V., Puigdefabregas J., Boer M., Kosmas C., Yassoglou N., Tsara M., Mantel S., Van 
Lynden  G.J.  and  Huting  J.  2004.  Pan-European  Soil  Erosion  Risk  Assessment:  The 
PESERA Map, Version 1 October 2003. Explanation of Special Publication Ispra 2004 
No.73 (S.P.I.04.73). European Soil Bureau Research Report Luxembourg, p. 18 pp. 
Kismányoky T. and Tóth Z. 2012. Effect of mineral and organic fertilization on soil 
organic carbon content as well as on grain production of cereals in the IOSDV (ILTE) 
long-term  field  experiment,  Keszthely,  Hungary.  Archives  of  Agronomy  and  Soil 
Science 59: 1121-1131. 

Page 189

Figures and page graphics, page 189

List of references 

181 

 

Klasink 

A. 

and 

Steffens 

G. 

1995. 

Der 

Internationale 

Organische 

Stickstoffdauerdüngungsversuch  (IOSDV)  Oldenburg  nach  Neun  Versuchs-jahren. 
Archives of Agronomy and Soil Science 39: 449-460. 
Knapp  E.B.,  Elliott  L.F.  and  Campbell  G.S.  1983.  Carbon,  nitrogen  and  microbial 
biomass  interrelationships  during  the  decomposition  of  wheat  straw:  A  mechanistic 
simulation model. Soil Biology and Biochemistry 15: 455-461. 
Konstantopoulos S. 2011. Fixed effects and variance components estimation in three-
level meta-analysis. Research Synthesis Methods 2: 61-76. 
Körschens M., Albert E., Armbruster M., Barkusky D., Baumecker M., Behle-Schalk 

L., Bischoff R., Čergan Z., Ellmer F. and Herbst F. 2013. Effect of mineral and organic 

fertilization on crop yield, nitrogen uptake, carbon and nitrogen balances, as well as soil 
organic  carbon  content  and  dynamics:  results  from  20  European  long-term  field 
experiments of the twenty-first century. Archives of Agronomy and Soil Science 59: 
1017-1040. 
Körschens  M.,  Albert  E.,  Baumecker  M.,  Ellmer  F.,  Grunert  M.,  Hoffmann  S., 
Kismanyoky T., Kubat J., Kunzova E., Marx M., Rogasik J., Rinklebe J., Rühlmann J., 
Schilli C., Schröter H., Schroetter S., Schweizer K., Toth Z., Zimmer J. and Zorn W. 
2014. Humus and climate change  - results of 15 long-term experiments. Archives of 
Agronomy and Soil Science 60: 1485-1517. 
Körschens M., Weigel A. and Schulz E. 1998. Turnover of soil organic matter (SOM) 
and  long-term  balances 

—

  tools  for  evaluating  sustainable  productivity  of  soils. 

Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde 161: 409-424. 
Krull E., Baldock J. and Skjemstad J. 2001. Soil texture effects on decomposition and 
soil carbon storage. Net Ecosystem Exchange CRC Workshop Proceedings. Citeseer, 
pp. 103-110. 
Kuldkepp P., Teesalu T. and Liiva I. 1996. Einfluss mineralischer und organischer N

‐

düngung auf Ertrag, Qualitätsmerkmale und auf die N

‐

Bilanz im IOSDV Tartu/Estland. 

Archives of Agronomy and Soil Science 40: 97-105. 
Kundler  P.,  Steinbrenner  K.,  Smukalski  M.,  Kunze  A.,  Quast  J.  and  Roth  D.  1989. 
Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit. VEB Deutscher Landwirtschaftsverlag. 
KWIN A. 2015. Kwantitatieve Informatie Akkerbouw en Vollegrondsgroenteteelt 2015. 
Praktijkonderzoek Plant en Omgeving (PPO) Wageningen University and Research. 
Lal  R.  1995.  The  role  of  residues  management  in  sustainable  agricultural  systems. 
Journal of Sustainable Agriculture 5: 51-78. 
Lal R. 2004a. Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food 
Security. Science 304: 1623-1627. 
Lal R. 2004b. Soil carbon sequestration to mitigate climate change. Geoderma 123: 1-
22. 

Page 190

Figures and page graphics, page 190

List of references 

182 

 

Lang  H., Dressel J. and Bleiholder H. 1995.  Langzeitwirkung der  Stickstoffdüngung 
IOSDV

—Standort Limburgerhof (Deutschland) in der Reihe ‘Internationale

 Organische 

Stickstoffdauerdüngungsversuche’. 

Archives of Agronomy and Soil Science 39: 429-

448. 
Langmeier M., Frossard E., Kreuzer M., Mäder P., Dubois D. and Oberson A. 2002. 
Nitrogen fertilizer value of cattle manure applied on soils originating from organic and 
conventional farming systems. Agronomie 22: 789-800. 
Lantz B. 2013. The large sample size fallacy. Scandinavian Journal of Caring Sciences 
27: 487-492. 
Le Quéré C., Andres R.J., Boden T., Conway T., Houghton R.A., House J.I., Marland 
G., Peters G.P., van der Werf G., Ahlström A., Andrew R.M., Bopp L., Canadell J.G., 
Ciais P., Doney S.C., Enright C., Friedlingstein P., Huntingford C., Jain A.K., Jourdain 
C., Kato E., Keeling R.F., Klein Goldewijk K., Levis S., Levy P., Lomas M., Poulter B., 
Raupach M.R., Schwinger J., Sitch S., Stocker B.D., Viovy N., Zaehle S. and Zeng N. 
2012. The global carbon budget 1959

–

2011. Earth System Science Data 5: 1107-1157. 

Leclerc B., Georges P., Cauwel B. and Lairon D. 1995. A Five Year Study on Nitrate 
Leaching under  Crops Fertilised  with  Mineral and Organic Fertilisers  in Lysimeters. 
Biological Agriculture & Horticulture 11: 301-308. 
Lehmann J. and Kleber M. 2015. The contentious nature of soil organic matter. Nature 
528: 60-68. 
Leiros  M.,  Trasar-Cepeda  C.,  Seoane  S.  and  Gil-Sotres  F.  1999.  Dependence  of 
mineralization  of  soil  organic  matter  on  temperature  and  moisture.  Soil  Biology  and 
Biochemistry 31: 327-335. 
Lenth R.V. 2015. Using lsmeans. The Comprehensive R Archive Network. University 
of Iowa, p. Software package. 
LNE. 2009. Organische stof in de bodem: sleutel tot bodemvruchtbaarheid. Brussel. 
López-Fando  C.  and  Pardo  Fernández  M.T.  2008.  Long-term  effect  of  organic  and 
inorganic nitrogen Fertilizers on soil N balance and crop productivity. 
López

‐

Fando C., Fernandez M.T.P. and Wegener H.R. 1999. Erträge und N

‐

Bilanzen 

im  IOSDV  Madrid  im  Laufe  von  vier  Rotationen.  Archives  of  Agronomy  and  Soil 
Science 44: 489-505. 
Lory J.A., Russelle M.P. and Peterson T.A. 1995. A comparison of two nitrogen credit 
methods: traditional vs. difference. Agronomy Journal 87: 648-651. 
Loveland  P.  and  Webb  J.  2003.  Is  there  a  critical  level  of  organic  matter  in  the 
agricultural soils of temperate regions: a review. Soil and Tillage Research 70: 1-18. 
Lucas  R.E.  1982.  Organic  soils  (Histosols)  :  formation,  distribution,  physical  and 
chemical properties and management for crop production. Michigan State University, 
East Lansing. 

Page 191

Figures and page graphics, page 191

List of references 

183 

 

Luo Z., Wang E. and Sun O.J. 2010. Can no-tillage stimulate carbon sequestration in 
agricultural soils? A meta-analysis of paired experiments. Agriculture, Ecosystems & 
Environment 139: 224-231. 
Lynne G.D., Shonkwiler J.S. and Rola L.R. 1988. Attitudes and farmer conservation 
behavior. American Journal of Agricultural Economics 70: 12-19. 
MacCarthy P. 2001. The principles of humic substances: An introduction to the first 
principle. Special publication 

–

 Royal Society of Chemistry 273: 19-30. 

Maeda M., Zhao B., Ozaki Y. and Yoneyama T. 2003. Nitrate leaching in an Andisol 
treated with different types of fertilizers. Environmental Pollution 121: 477-487. 
Magdoff  F.  and  Weil  R.R.  2004.  Soil  organic  matter  management  strategies.  Soil 
organic matter in sustainable agriculture. CRC Press. 
Maiorano A., Blandino M., Reyneri A. and Vanara F. 2008. Effects of maize residues 
on  the  Fusarium  spp.  infection  and  deoxynivalenol  (DON)  contamination  of  wheat 
grain. Crop Protection 27: 182-188. 
Malinda  D.  1995.  Factors  in  conservation  farming  that  reduce  erosion.  Australian 
Journal of Experimental Agriculture 35: 969-978. 
Mandryk M. 2016. Integrated assessment of farm level adaptation to climate change in 
agriculture. Wageningen University. 
Mandryk M., Reidsma P., Kanellopoulos A., Groot J.C. and van Ittersum M.K. 2014. 

The role of farmers’ objectives in curren

t farm practices and adaptation preferences: a 

case  study  in  Flevoland,  the  Netherlands.  Regional  environmental  change  14:  1463-
1478. 
McDonald  J.H.  2009.  Handbook  of  biological  statistics.  Sparky  House  Publishing 
Baltimore, MD. 
McGill R., Tukey J.W. and Larsen W.A. 1978. Variations of box plots. The American 
Statistician 32: 12-16. 
Mehta C.M., Palni U., Franke-Whittle I.H. and Sharma A.K. 2014. Compost: Its role, 
mechanism and impact on reducing soil-borne plant diseases. Waste management 34: 
607-622. 
Meiyappan P. and Jain A.K. 2012. Three distinct global estimates of historical land-
cover change and land-use conversions for over 200 years. Frontiers of Earth Science 6: 
122-139. 
Metzger M.J., Bunce R.G.H., Jongman R.H.G., Mücher C.A. and Watkins J.W. 2005. 
A  climatic  stratification  of  the  environment  of  Europe.  Global  Ecology  and 
Biogeography 14: 549-563. 
Meyer-Kohlstock D., Schmitz T. and Kraft E. 2015. Organic Waste for Compost and 
Biochar in the EU: Mobilizing the Potential. Resources 4: 457. 

Page 192

Figures and page graphics, page 192

List of references 

184 

 

Miller  A.J.,  Amundson  R.,  Burke  I.  and  Yonker  C.  2004.  The  effect  of  climate  and 
cultivation on soil organic C and N. Biogeochemistry 67: 57-72. 
Mogârzan  A.,  Vasilica  C.,  Axinte  M.,  Zaharia  M.,  Slabu  C.  and  Robu  T.  2007.  The 
effect of organic-mineral fertilization on the yield and quality of sugar beet in a long 

term experiment at Ezăreni–Iasi. Lucrări Ştiinţifice 50.

 

Monreal C.M., Zentner R.P. and Robertson J.A. 1997. An analysis of soil organic matter 
dynamics  in  relation  to  management,  erosion  and  yield  of  wheat  in  long-term  crop 
rotation plots. Canadian Journal of Soil Science 77: 553-563. 
Morari F., Panagos P. and Bampa F. 2016. Decline in organic matter in mineral soils. 
In: Stolte J., Tesfai M., Øygarden L., Kværnø S., Keizer J., Verheijen F., Panagos P., 
Ballabio C. and Hessel R. (eds), Soil threats in Europe. JRC, Luxembourg, pp. 39-52. 
Motavalli P., Palm C., Parton W., Elliott E. and Frey S. 1995. Soil pH and organic C 
dynamics in tropical forest soils: evidence from laboratory and simulation studies. Soil 
Biology and Biochemistry 27: 1589-1599. 
Murphy  B.  2014.  Soil  organic  matter  and  soil  function

–

review  of  the  literature  and 

underlying data. Department of the Environment, Canberra, Australia. 
Musinguzi P., Ebanyat P., Tenywa J., Basamba T., Tenywa M. and Mubiru D. 2015. 
Precision of farmer-based fertility ratings and soil organic carbon for crop production 
on a Ferralsol. Solid Earth 6: 1063. 
Musinguzi P., Ebanyat P., Tenywa J.S., Basamba T.A., Tenywa M.M. and Mubiru D.N. 
2016. Critical Soil Organic carbon range for optimal crop response to mineral fertiliser 
nitrogen on a Ferralsol. Experimental Agriculture: 1-19. 
Nicholson F., Bhogal A., Chadwick D., Gill E., Gooday R., Lord E., Misselbrook T., 
Rollett A., Sagoo E. and Smith K. 2013. An enhanced software tool to support better 
use of manure nutrients: MANNER

‐

NPK. Soil Use and Management 29: 473-484. 

Nicholson F., Kindred D., Bhogal A., Roques S., Kerley J., Twining S., Brassington T., 
Gladders  P.,  Balshaw  H.  and  Cook  S.  2014.  Research  Review  No.  81.  Straw 
incorporation review. 
Oades J. 1988. The retention of organic matter in soils. Biogeochemistry 5: 35-70. 
Oades  J.M.  1984.  Soil  organic  matter  and  structural  stability:  mechanisms  and 
implications for management. Plant and Soil 76: 319-337. 
Oehlert G.W. 1992. A note on the delta method. The American Statistician 46: 27-29. 
Oelofse M., Markussen B., Knudsen L., Schelde K., Olesen J.E., Jensen L.S. and Bruun 
S.  2015.  Do  soil  organic  carbon  levels  affect  potential  yields  and  nitrogen  use 
efficiency? An analysis of winter wheat and spring barley field trials. European Journal 
of Agronomy 66: 62-73. 

Page 193

Figures and page graphics, page 193

List of references 

185 

 

Oenema O. and Berentsen P. 2004. Manure policy and MINAS: regulating nitrogen and 
phosphorus surpluses in agriculture of the Netherlands. OECD. 
Palm C.A., Giller K.E., Mafongoya P.L. and Swift M. 2001. Management of organic 
matter  in  the  tropics:  translating  theory  into  practice.  Managing  Organic  Matter  in 
Tropical Soils: Scope and Limitations. Springer, pp. 63-75. 
Palm C.A., Myers R.J. and Nandwa S.M. 1997. Combined use of organic and inorganic 
nutrient  sources  for  soil  fertility  maintenance  and  replenishment.  Replenishing  soil 
fertility in Africa: 193-217. 
Pan G., Smith P. and Pan W. 2009. The role of soil organic matter in maintaining the 
productivity  and  yield  stability  of  cereals  in  China.  Agriculture,  Ecosystems  &amp; 
Environment 129: 344-348. 
Panagos  P.,  Borrelli  P.,  Meusburger  K.,  Alewell  C.,  Lugato  E.  and  Montanarella  L. 
2015. Estimating the soil erosion cover-management factor at the European scale. Land 
Use Policy 48: 38-50. 
Pfefferkorn  A.  and  Körschens  M.  1995.  Der  Internationale  Organische 
Stickstoffdauerdüngungsversuch (IOSDV) Bad Lauchstädt nach 16 Jahren. Archives of 
Agronomy and Soil Science 39: 413-427. 
Pikula  D.,  Berge  H.,  Goedhart  P.  and  Schröder  J.  2016.  Apparent  nitrogen  fertilizer 
replacement value of grass

–

clover leys and of farmyard manure in an arable rotation. 

Part II: farmyard manure. Soil Use and Management 32: 20-31. 
Pinheiro J., Bates D., DebRoy S., Sarkar D. and Team R.C. 2015. Nlme: Linear and 
Nonlinear Mixed Effects Models. The Comprehensive R Archive Network, p. Software 
package. 
Poeplau C. and Don A. 2015. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation 
of cover crops 

–

 A meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment 200: 33-41. 

Poeplau C., Kätterer T., Bolinder M.A., Börjesson G., Berti A. and Lugato E. 2015. Low 
stabilization of aboveground crop residue carbon in sandy soils of Swedish long-term 
experiments. Geoderma 237: 246-255. 
Pohlert T. 2014. The pairwise multiple comparison of mean ranks package (PMCMR). 
The Comprehensive R Archive Network, Software package. 
Potter  P.,  Ramankutty  N.,  Bennett  E.M.  and  Donner  S.D.  2010.  Characterizing  the 
Spatial  Patterns  of  Global  Fertilizer  Application  and  Manure  Production.  Earth 
Interactions 14: 1-22. 
Powlson D.S., Glendining M.J., Coleman K. and Whitmore A.P. 2011. Implications for 
Soil Properties of Removing Cereal Straw: Results from Long-Term Studies. Agronomy 
Journal 103: 279-287. 

Page 194

Figures and page graphics, page 194

List of references 

186 

 

Powlson  D.S.,  Riche  A.B.,  Coleman  K.,  Glendining  M.J.  and  Whitmore  A.P.  2008. 
Carbon  sequestration in European  soils through straw  incorporation: Limitations and 
alternatives. Waste management 28: 741-746. 
Pribyl D.W. 2010. A critical review of the conventional SOC to SOM conversion factor. 
Geoderma 156: 75-83. 
Pronk  A.A.  and  Korevaar  H.  2008.  Possibilities  to  increase  organic  matter  in  arable 
production systems. Plant Research International, Wageningen. 
Pronk A.A., Rijk B. and Hijbeek R. 2014. Compatibility of agricultural management 
practices and types of farming in the EU to enhance climate change mitigation and soil 
health.  Task  4.2  Farm  survey  country  report:  The  Netherlands.,  CATCH-C  report. 
Wageningen University and Research Centre, Wageningen, p. 262. 
Rawls  W.J.,  Pachepsky  Y.A.,  Ritchie  J.C.,  Sobecki  T.M.  and  Bloodworth  H.  2003. 
Effect of soil organic carbon on soil water retention. Geoderma 116: 61-76. 
RB  I.W.G.  1998.  World  reference  base  for  soil  resources.  Atlas.  ISRIC-FAO-ISSS-
Acco, Leuven. 
Reeves D. 1997. The role of soil organic matter in maintaining soil quality in continuous 
cropping systems. Soil and Tillage Research 43: 131-167. 
Reijneveld A., van Wensem J. and Oenema O. 2009. Soil organic carbon contents of 
agricultural land in the Netherlands between 1984 and 2004. Geoderma 152: 231-238. 
Reijneveld J. A. 2013. Unravelling changes in soil fertility of agricultural land in the 
Netherlands. Wageningen University, Wageningen, p. 240. 
Reynolds  B.,  Chamberlain  P.M.,  Poskitt  J.,  Woods  C.,  Scott  W.A.,  Rowe  E.C., 
Robinson  D.A.,  Frogbrook  Z.L.,  Keith  A.M.,  Henrys  P.A.,  Black  H.I.J.  and  Emmett 

B.A.  2013.  Countryside  Survey:  National  “Soil  Change”  1978–

2007  for  Topsoils  in 

Great Britain

—

Acidity, Carbon, and Total Nitrogen Status. Vadose Zone Journal 12. 

Rhoton  F.E.,  Shipitalo  M.J.  and  Lindbo  D.L.  2002.  Runoff  and  soil  loss  from 
midwestern and southeastern US silt loam soils as affected by tillage practice and soil 
organic matter content. Soil and Tillage Research 66: 1-11. 
Rice J.A. and MacCarthy P. 1991. Statistical evaluation of the elemental composition 
of humic substances. Organic geochemistry 17: 635-648. 
Richards M., van Ittersum M., Mamo T., Stirling C., Vanlauwe B. and Zougmoré R. 
2016. Fertilizers and low emission development in sub-Saharan Africa. CCAFS Policy 
Brief no. 11. . CGIAR Research  Program on Climate Change,  Agriculture  and  Food 
Security (CCAFS), Copenhagen, Denmark. 
Richardson A.E., Kirkby C.A., Banerjee S. and Kirkegaard J.A. 2014. The inorganic 
nutrient cost of building soil carbon. Carbon Management 5: 265-268. 

Page 195

Figures and page graphics, page 195

List of references 

187 

 

RVO.  2014.  Tabel  3  Werkingscoëfficiënt  dierlijke  en  andere  organische  meststoffen 
2014-2017.

 

Mestbeleid 2014 

–

 2017 Tabellen.

 

Netherlands Enterprise Agency (RVO.nl) 

Sachs L. 1997. Angewandte Statistik, 1997. Springer, Berlin, Heidelberg. 
Scharlemann J.P., Tanner E.V., Hiederer R. and Kapos V. 2014. Global soil carbon: 
understanding and managing the largest terrestrial carbon pool. Carbon Management 5: 
81-91. 
Schilling G. 1987. Pflanzenernährung und Düngung. Teil 2 Düngung. 
Schröder J. 2005a. Revisiting the agronomic benefits of manure: a correct assessment 
and exploitation of its fertilizer value spares the environment. Bioresource technology 
96: 253-261. 
Schröder J. and Neeteson J. 2008. Nutrient management regulations in The Netherlands. 
Geoderma 144: 418-425. 
Schröder J.J. 2005b. Manure as a suitable component of precise nitrogen nutrition. 
Schulten  H.-R.,  Plage  B.  and  Schnitzer  M.  1991.  A  chemical  structure  for  humic 
substances. The Science of Nature 78: 311-312. 
Scrimgeour F.G. and Shepherd T.G. 1998. The economics of soil structural degradation 
under cropping: some empirical estimates from New Zealand. Soil Research 36: 831-
840. 
Seshan V. 2012. clinfun: Clinical Trial Design and Data Analysis Functions. R package 
version 1.0.3. 
Shibu M., Leffelaar P., Van Keulen H. and Aggarwal P. 2006. Quantitative description 
of soil organic matter dynamics

—

a review of approaches with reference to rice-based 

cropping systems. Geoderma 137: 1-18. 
Silgram  M.  and  Chambers  B.J.  2002.  Effects  of  long-term  straw  management  and 
fertilizer nitrogen additions on soil nitrogen supply and crop yields at two sites in eastern 
England. The Journal of Agricultural Science 139: 115-127. 
Six J., Conant R.T., Paul E.A. and Paustian K. 2002. Stabilization mechanisms of soil 
organic matter: Implications for C-saturation of soils. Plant and Soil 241: 155-176. 
Six J., Frey S., Thiet R. and Batten K. 2006. Bacterial and fungal contributions to carbon 
sequestration in agroecosystems. Soil Science Society of America Journal 70: 555-569. 
Smith P. 2004. Soils as carbon sinks: the global context. Soil Use and Management 20: 
212-218. 
Smith P. 2016. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. 
Global Change Biology 22: 1315-1324. 
Smith P., Smith J.U., Powlson D.S., McGill W.B., Arah J.R.M., Chertov O.G., Coleman 
K., Franko U., Frolking S., Jenkinson D.S., Jensen L.S., Kelly R.H., Klein-Gunnewiek 
H., Komarov A.S., Li C., Molina J.A.E., Mueller T., Parton W.J., Thornley J.H.M. and 

Page 196

Figures and page graphics, page 196

List of references 

188 

 

Whitmore  A.P.  1997.  A  comparison  of  the  performance  of  nine  soil  organic  matter 
models using datasets from seven long-term experiments. Geoderma 81: 153-225. 
Soane B.D. 1990. The role of organic matter in soil compactibility: A review of some 
practical aspects. Soil and Tillage Research 16: 179-201. 
Sparling  G., Parfitt R., Hewitt A. and  Schipper  L. 2003. Three  approaches  to  define 
desired soil organic matter contents. Journal of Environmental Quality 32: 760-766. 
Spiegel H., Dersch G., Baumgarten  A. and Hösch J. 2010. The International organic 
nitrogen long-term fertilisation experiment (IOSDV) at Vienna after 21 years. Archives 
of Agronomy and Soil Science 56: 405-420. 
Spink J., Hackett R., Forristal D. and Creamer R. 2010. Soil Organic Carbon: A review 

of ‘critical’levels and practices to increase levels in tillag

e land in Ireland. Teagasc, Oak 

Park Crops Research Centre, Co. Carlow. 

Starčević L., Latković D. and Malešević M. 2005. Dependence of corn yield on weather 

conditions and nitrogen fertilization in IOSDV Novi Sad. Archives of Agronomy and 
Soil Science 51: 513-522. 

Starčević L., Malesević M., Marinković B. and Crnobarać J. 1997. Der Internationale 

Organische  Stickstoffdauerdüngungsversuch  (IOSDV)  Novi  Sad  nach  12  Jahren. 
Archives of Agronomy and Soil Science 41: 155-166. 
Stevenson F.J. 1994. Humus chemistry: genesis, composition, reactions. John Wiley & 
Sons. 
Stockmann U., Adams M.A., Crawford J.W., Field D.J., Henakaarchchi N., Jenkins M., 
Minasny  B.,  McBratney  A.B., Courcelles  V.d.R.d.,  Singh K.,  Wheeler  I.,  Abbott L., 
Angers  D.A.,  Baldock  J.,  Bird  M.,  Brookes  P.C.,  Chenu  C.,  Jastrow  J.D.,  Lal  R., 

Lehmann J., O’Donnell A.G., Parton W.J., Whitehead D. and Zimmermann M. 2013. 

The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon. 
Agriculture, Ecosystems & Environment 164: 80-99. 
Stolbovoy  V.  and  Montanarella  L.  2008.  Application  of  Soil  Oganic  Carbon  Status 
Indicators for policy-decision making in the EU. In: Toth G., Montanarella L. and Rusco 
E.  (eds),  Threats  to  Soil  Quality  in  Europe.  Office  for  Official  Publication  of  the 
European Communities, Luxembourg. 
Stolte  J.,  Tesfai  M.,  Øygarden  L.,  Kværnø  S.,  Keizer  J.,  Verheijen  F.,  Panagos  P., 
Ballabio C. and Hessel R. 2015. Soil threats in Europe. Status, methods, drivers and 
effects on ecosystem services. deliverable 2.1 of the RECARE project. EUR 27607 EN. 
JRC Technical Reports. JRC, Luxembourg, p. 207. 
Taghizadeh-Toosi  A.,  Olesen  J.E.,  Kristensen  K.,  Elsgaard  L.,  Østergaard  H.S., 
Lægdsmand M., Greve M.H. and Christensen B.T. 2014. Changes in carbon stocks of 
Danish  agricultural  mineral  soils  between  1986  and  2009.  European  Journal  of  Soil 
Science 65: 730-740. 

Page 197

Figures and page graphics, page 197

List of references 

189 

 

ten Berge H.F.M., Schröder J.J., Olesen J.E. and Giráldez Cervera J.V. 2017. Preserving 
agricultural soils in the EU. Research for AGRI Committee European Parliament, Policy 
Department for Structural and Cohesion Policies, Brussels. 
Tibbet.  2016.  Decline  in  soil  biodiversity.  In:  Jannes  S.,  Tesfai  M.,  Øygarden  L., 
Kværnø S., Keizer J., Verheijen F., Panagos P., Ballabio C. and Hessel R. (eds), Soil 
threats in Europe: status, methods, drivers and effects on ecosystem services. European 
Union, Luxembourg. 
Timmer  R.D.,  Korthals  G.W.  and  Molendijk  L.P.G.  2004.  Teelthandleiding 
groenbemesters. Kennisakker.nl. Productschap Akkerbouw, PPO-AGV. 
Tisdall J.M. and Oades J.M. 1982. Organic matter and water-stable aggregates in soils. 
Journal of Soil Science 33: 141-163. 
Toth G., Montanarella L. and Rusco E. 2008. Threats to soil quality in Europe. EUR 
23438 EN - 2008. JRC Scientific and Technical Reports. JRC, Luxembourg. 
Trabucco A. and Zomer R.J. 2009. Global Potential Evapo-Transpiration (Global-PET) 
and Global Aridity Index (Global-Aridity). available from the CGIAR-CSI GeoPortal 
at: http://www.csi.cgiar.org. 
Triberti L., Nastri A., Giordani G., Comellini F., Baldoni G. and Toderi G. 2008. Can 
mineral and organic fertilization help sequestrate carbon dioxide in cropland? European 
Journal of Agronomy 29: 13-20. 
Tsiafouli  M.A.,  Thébault  E.,  Sgardelis  S.P.,  Ruiter  P.C.,  Putten  W.H.,  Birkhofer  K., 
Hemerik  L.,  Vries  F.T.,  Bardgett  R.D.  and  Brady  M.V.  2015.  Intensive  agriculture 
reduces soil biodiversity across Europe. Global Change Biology 21: 973-985. 
UK. 2015. The Nitrate Pollution Prevention Regulations 2015. The National Archives. 
UNFCCC. 2012. Report of the Conference of the Parties on its seventeenth session, held 
in Durban from 28 November to 11 December 2011. Part Two: Action taken by the 
Conference  of  the  Parties  at  its  seventeenth  session.  Decisions  adopted  by  the 
Conference of the Parties. 
UNFCCC. 2015. Join the 4/1000 Initiative. Soils for Food  Security and Climate. Lima- 
Paris Action Agenda  
USGS. 1996. Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO30). 
Van den Putte A., Govers G., Diels J., Gillijns K. and Demuzere M. 2010. Assessing the 
effect of soil tillage on crop growth: A meta-regression analysis on European crop yields 
under conservation agriculture. European Journal of Agronomy 33: 231-241. 
van der Kolk J. and Zwart K. 2013. Pyrolysis in the Countries of the North Sea Region: 
Potentially available quantities of biomass waste for biochar production. Interreg IVB 
project Biochar. 

Page 198

Figures and page graphics, page 198

List of references 

190 

 

van Groenigen J.W., van Kessel C., Hungate B.A., Oenema O., Powlson D.S. and van 
Groenigen  K.J.  2017.  Sequestering  Soil  Organic  Carbon:  A  Nitrogen  Dilemma. 
Environmental science & technology. 
van Ittersum M.K. and Rabbinge R. 1997. Concepts in production ecology for analysis 
and quantification of agricultural input-output combinations. Field crops research 52: 
197-208. 
van  Noordwijk M., Cerri  C.,  Woomer  P.L.,  Nugroho  K. and Bernoux M. 1997.  Soil 
carbon dynamics in the humid tropical forest zone. Geoderma 79: 187-225. 
Vanlauwe B., Bationo A., Chianu J., Giller K.E., Merckx R., Mokwunye U., Ohiokpehai 
O., Pypers P., Tabo R. and Shepherd K.D. 2010. Integrated soil fertility management 
operational definition and consequences for implementation and dissemination. Outlook 
on agriculture 39: 17-24. 
Vasilica  C.,  Mogârzan  A.,  Axinte  M.  and  Chetrone  M.  1997.  Einfluss  veschiedener 
Formen der organischen Düngung in Kombination mit mineralischem Stickstoff auf die 
Ertragsleistung  von  Zuckerrüben,  Winterweizen  und  Mais  und  auf  die 
Nährstoffbilanzen im Boden. Archives of Agronomy and Soil Science 41: 133-142. 
Verheijen F.G.A., Bellamy P., Kibblewhite M.G. and Gaunt J. 2005. Organic carbon 
ranges in arable soils of England and Wales. Soil Use and Management 21: 2-9. 
Verheijen F.G.A. 2005a. Chapter 6. Arable field performance for different soil organic 
levels, measures, and management. On-farm benefits for SOM. Cranfield University. 
Verheijen  F.G.A.  2005b.  On-farm  benefits  from  soil  organic  matter  in  England  and 
Wales. Faculty of Environment. Cranfield University, p. 238. 
Verweij P., Janssen S., Braat L., van Eupen M., Soba M.P., Winograd M., de Winter W. 
and  Cormont  A.  2016.  QUICKScan  as  a  quick  and  participatory  methodology  for 
problem identification and scoping in policy processes. Environmental Science & Policy 
66: 47-61. 
Von  Boguslawski  E.  1995.  Das  Zusammenwirken  der  mineralischen  Düngung  mit 
verschiedenen  Formen  der  organischen  Düngung  im  IOSDV  Rauischholzhausen. 
Archives of Agronomy and Soil Science 39: 403-411. 
Voskuilen M., Berkhout P., van Everdingen W., Jukema G., Luijt J., Van der Meulen 
H., Silvis H. and Wisman A. 2013. Structuur land- en tuinbouw. Landbouw Economisch 
Bericht 2013. 
Vrkoc  F.,  Skala  J.  and  Suskevic  M.  1996.  Neunjährige  Ertragsergebnisse  der 
Internationalen  Organischen  Stickstoffdauerdüngungsversuche  in  der  Tschechischen 
Republik. Archives of Agronomy and Soil Science 40: 115-132. 

Vrkoč F., Vach M., Veleta V. and Košner J. 2002. Influence of different organic minera

l 

fertilization on the yield structure and on changes of soil properties. Rostlinná Výroba 
48: 216-221. 

Page 199

Figures and page graphics, page 199

List of references 

191 

 

Wadman  W.,  Sluijsmans  C.  and  Cremer  L.D.L.L.  1987.  Value  of  animal  manures: 
changes in perception. Animal Manure on Grassland and Fodder Crops. Fertilizer  or 
Waste? Springer, pp. 1-16. 
Waksman S.A. and Stevens K.R. 1930. A critical study of the methods for determining 
the nature and abundance of soil organic matter. Soil Science 30: 97-116. 
Wander M. 2004. Soil organic matter fractions and their relevance to soil function. Soil 
organic matter in sustainable agriculture. CRC Press. 
Watts C.W., Clark L.J., Poulton P.R., Powlson D.S. and Whitmore A.P. 2006. The role 
of  clay,  organic  carbon  and  long-term  management  on  mouldboard  plough  draught 
measured on the Broadbalk wheat experiment at Rothamsted. Soil Use and Management 
22: 334-341. 
Watts  C.W.  and  Dexter  A.R.  1997.  The  influence  of  organic  matter  in  reducing  the 
destabilization of soil by simulated tillage. Soil and Tillage Research 42: 253-275. 
Wauters E. and Mathijs E. 2014. The adoption of farm level soil conservation practices 
in  developed  countries:  a  meta-analytic  review.  International  Journal  of  Agricultural 
Resources, Governance and Ecology 10: 78-102. 
Webb J., Sørensen P., Velthof G., Amon B., Pinto M., Rodhe L., Salomon E., Hutchings 
N., Burczyk P. and Reid J. 2013. An assessment of the variation of manure nitrogen 
efficiency  throughout  Europe  and  an  appraisal  of  means  to  increase  manure-N 
efficiency. Advances in agronomy 119: 371-442. 
Wei W., Yan Y., Cao J., Christie P., Zhang F. and Fan M. 2016. Effects of combined 
application of organic amendments and fertilizers on crop yield and soil organic matter: 
An  integrated  analysis  of  long-term  experiments.  Agriculture,  Ecosystems  & 
Environment 225: 86-92. 
Werner M., Wauters E., Bijttebier J., Steinmann H.-H., Ruysschaert G. and Knierim A. 

2017. Farm level implementation of soil conservation measures: farmers’ beliefs and 

intentions. Renewable Agriculture and Food Systems: 1-14. 
Wiersum L. 1957. The relationship of the size and structural rigidity of pores to their 
penetration by roots. Plant and Soil 9: 75-85. 
Wolf J. and Janssen L. 1991. Effects of changing land use in The Netherlands on net 
carbon fixation. Netherlands Journal of Agricultural Science 39: 237-246. 
Wolters V. 2001. Biodiversity of soil animals and its function. European Journal of Soil 
Biology 37: 221-227. 
Wood S. and Cowie A. 2004. A review of greenhouse gas emission factors for fertiliser 
production. IEA bioenergy task, pp. 1-20. 
Yang H. and Janssen B. 1997. Analysis of impact of farming practices on dynamics of 
soil organic matter in northern China. European Journal of Agronomy 7: 211-219. 

Page 200

Figures and page graphics, page 200

List of references 

192 

 

Zimmermann M., Leifeld J., Schmidt M.W.I., Smith P. and Fuhrer J. 2007. Measured 
soil  organic  matter  fractions  can  be  related  to  pools  in  the  RothC  model.  European 
Journal of Soil Science 58: 658-667. 
Zwart K., Kikkert A., Wolfs A., Termorshuizen A. and Van der Burgt G.J. 2013. De 
organische stof balans met de te verwachten stikstoflevering per teeltrotatie. Opzet en 
gebruikswijze van een rekenmodule. HLB, Wijster. the Netherlands, p. 17. 

Page 201

Figures and page graphics, page 201

Summary 

 

193 

 

Summary 

Soil  organic  matter  (SOM)  is  often  considered  the  most  important  indicator  of  soil 
fertility. It 

contributes  to each  of fertility’s three  dimensions: the physical  (structure, 

aeration, water retention), the biological (biomass, biodiversity, nutrient mineralisation, 
disease suppression) and the chemical (nutrient supply) dimension. Yet there is currently 
little scientific consensus on the precise relation between SOM and crop production.  

Recently, concerns have been raised that SOM is declining in European soils and that 
SOM content should be maintained above a certain threshold to (among others) protect 
productive capacity of soils. It is currently unclear whether these concerns are justified. 
The aim of this thesis was to improve understanding of the role of organic inputs and 
SOM for crop production in contemporary arable farming in Europe. On a given arable 
field, a farmer can increase SOM content by increasing organic inputs, reducing tillage 
or reducing drainage. In this thesis, the research focus was on using organic inputs to 
increase  SOM  contents.  Types  of  organic  inputs  investigated  were  application  of 
farmyard manure (FYM), slurry or compost, incorporation of straw and the cultivation 
of green manures. The hypothesis was that the contribution of SOM to crop production 
on arable farms depends on environmental conditions and crop types cultivated.  

The following research questions were addressed: (1) What is the additional yield effect 
of  organic  inputs  for  arable  crops  in  Europe?  (2)  Do  mineral  fertiliser  savings  from 
organic inputs depend on total N supply? (3) What are currently the main drivers and 
barriers for arable farmers to use organic inputs? (4) 

How are farmers’ beliefs on SOM 

related to their use of organic inputs?  (5) Do farmers perceive a deficiency of SOM? 
Data from field and farm level were used to answer the research questions. To answer 
the first two research  questions, data  from long-term experiments were  analysed. To 
answer  the  last  three  research  questions,  a  large  farm  survey  was  conducted  in  six 
European countries (the Netherlands, Belgium, Austria, Spain, Italy and Germany). 

Previous studies assessing the effects of organic inputs and SOM on crop yields have 
shown mixed results. Some studies have found positive effects while others found none. 
One cause for this variation may be found in mixing the effects of nutrient supply from 
organic inputs or SOM and other effects such as improved soil structure or soil life. To 
circumvent this limitation, in this thesis effects of organic inputs on crop yields were 
assessed in a system without macro-nutrient limitation. Any effect found on crop yields 

was called the ‘additional yield effect’. 

 

Page 202

Figures and page graphics, page 202

Summary 

194 

 

To find the additional yield effect of organic inputs, a meta-analysis was performed of 
20  long-term  experiments  (

Chapter  2

).Yield  response  curves  to  mineral  fertiliser-N 

were calculated, with and without organic inputs (with sufficient P and K supply). The 
additional yield effect of organic inputs was calculated by taking the difference between 
the maxima 

(‘attainable yield’)

 of the yield response curves. Across all experiments, the 

mean additional yield effect of organic inputs was not significant (+ 1.4 percent + 1.6 - 
95% Confidence Interval). In specific cases however (

i.e.

 for root and tuber crops, spring 

sown  cereals,  or  for  very  sandy  soils  or  wet  climates),  organic  inputs  did  increase 
attainable yields (depending on the co-variable, additional yield effects varied mostly 
between  3-7%).  A  significant  correlation  was  found  between  increase  in  attainable 
yields and increase in SOM content. 

The use of organic inputs can save mineral fertiliser N. Factors known to affect savings 
of mineral fertiliser include the form of N in the organic input, crop type cultivated, soil 
type, method of application, time of application and the manuring history which may 
govern N retention and losses. In this thesis, an additional factor on mineral fertiliser N 
savings was assessed which is currently not taken into account: the total N supply itself.  

In 

Chapter  3

,

 

a  subset  of  eight  experiments  was  taken  from  Chapter  2  in  which  N 

contents of organic inputs were reported. Mineral fertiliser savings were compared at 
low and high total N supply. Results show that FYM saves significantly more mineral 
fertiliser  N  at  high  total  N  supply  than  at  low  total  N  supply  (Nitrogen  Fertiliser 
Replacement Value (NFRV) of 1.12 vs 0.53, 

p

 = 0.04). The other organic input types 

investigated also saved more mineral fertiliser N at high total N supply than at low total 
N  supply,  but  sample  sizes  were  too  small  or  variations  too  large  to  find  significant 
differences.  

Besides effects on yield or savings of mineral fertilisers, farmers can have a wide array 
of drivers  and  barriers to use organic  inputs  or increase  SOM content on their farm. 
According to the theory of planned behaviour, people base their behaviour on three main 
constructs: (1) their attitude (based on outcomes), 2) their subjective norm (based on 
social referents) and 3) the degree of perceived behavioural control (based on control 
factors). These three constructs are based on underlying beliefs of farmers and together 
lead to an intention, which might lead to a certain behaviour. 

To find drivers and barriers for the use of organic inputs (

Chapter 4

), semi-structured 

interviews were held with arable farmers in six agro-ecological zones in four European 
countries  (the  Netherlands,  Belgium,  Austria  and  Italy).  These  semi-structured 

Page 203

Figures and page graphics, page 203

Summary 

 

195 

 

interviews were used to identify outcomes, referents and control factors relevant to the 
use of four types of organic inputs (incorporation of straw, cultivation of green manures, 
application of FYM and application of compost). Following, a large farm survey was 
held among 1180 arable farmers to quantify the outcomes, referents and control factors 
as  either  drivers  or  barriers.  Drivers  and  barriers  were  classified  into  nine  main 
categories  (soil  type  &  climate,  soil  quality,  crop  protection,  land  use,  technical, 
financial, environmental impact, legal and social).  

Major  drivers  to  use  organic  inputs  were  perceived  effects  on  soil  quality  (such  as 
improved  soil  structure  or  reduced  erosion)  and  the  positive  influence  from  social 
referents (such as fellow farmers or agricultural advisors). Major barriers to use organic 
inputs were financial (increased costs or foregone income) and perceived effects on crop 
protection (such as increased weeds, pest and diseases or increased pesticide use). These 
findings show that farmers perceive a trade-off between improved soil quality on the 
one  hand  and  increased  pressures  from  weeds,  pests  and  diseases  and  financial 
consequences on the other hand when using organic inputs. 

 

A case study among 435 arable farmers in the Netherlands (

Chapter 5

), showed that 

farmers specifically value the effect of SOM content on soil structure, especially where 
it improves workability on clay soils and water holding capacity on sandy soils. Soil 
fungi  were  evaluated  as  a  negative  outcome  of  SOM.  Among  the  different  control 
factors, the long-term effect of SOM content was perceived as very strong and evaluated 
very positively. Advisors were considered to have the most positive view on SOM and 

fellow farmers were considered to be least positive. Farmers’ beliefs were correlated 

weakly  but  significantly  with  their  intention  to  increase  SOM  content.  The  large 
majority (91%) of the farmers in the survey had a high or very high intention to increase 
SOM content. A higher intention to increase SOM content was significantly correlated 
with the use of organic inputs as expressed in total and effective C inputs. 

In total 1452 farmers in five European countries (Belgium, Germany, Austria, Spain and 
Italy) were asked if they perceive a deficiency of SOM (

Chapter 6

). Results show that 

18% perceived a high or very high SOM deficiency, 53% perceived a very low or low 
SOM deficiency and 29% giving an indication in the middle. Perceived deficiency of 
SOM content was related to climate (aridity), slope, soil texture and land use. Based on 

farmers’ perceptions threshold intervals for SOM con

tent were established (sand: 1.2

–

4.7%, loam: 0.6

–

2.6% and clay: 1.0

–

2.4%). Below a threshold interval, a farmer will 

benefit  from  more  SOM  content,  irrespective  of  other  factors  such  as  land  use  or 

Page 204

Figures and page graphics, page 204

Summary 

196 

 

management. Above a threshold interval, more SOM content will not be beneficial for 

productive capacity from a farmers’ point of view.

 Some indication was found that being 

at the extreme end for one environmental factor gives a higher chance of perceiving a 
deficiency of SOM than having a combination of moderate environmental conditions.  

The findings in this thesis indicate that at least on the shorter term, on average, there 
seems to be no immediate threat from a deficiency of SOM to crop production in arable 
farming in Europe. The long-term experiments showed that with sufficient use of only 
mineral fertilisers, on average, similar yields could be attained over multiple years as 
with  the  combined  use  of  organic  inputs  and  mineral  fertiliser.  This  result  was 
independent from SOM content in the experimental fields.  

Effect  of  organic  inputs  and  SOM  differ  when  taking  into  account  specific 
environmental conditions, types of crops cultivated and types of organic inputs used. 
Long-term experiments show that organic inputs give more benefits to crop production 
in wet climates and on sandy soils. In addition, farmers perceive more benefits from 
SOM on steep slopes, sandy soils, wet or very dry climates. The additional yield effect 
of organic inputs is larger for potatoes than for cereals and more in general, farmers who 
cultivate larger shares  of their land with specialized crops (including potatoes, sugar 
beets, onions and other vegetables) perceive more benefit from SOM. Using FYM has 
more benefits to crop production than using straw (even when compensating for the N 
immobilization  by  applying  additional  mineral  fertiliser  N).  It  seems  that  while  the 
functions of SOM can be replaced with technical means to a large extent (tillage, use of 
mineral  fertilisers),  there  are  limits  to  this  technical  potential  when  environmental 
conditions are more extreme and crops are more demanding. 

Indications were found that more mineral fertiliser N can be saved when using farmyard 
manure at high N rates (with mineral fertiliser application) than at low N rates (without 
mineral  fertiliser 

application),  based  on  comparisons  at  ‘equal  yield’.  If  further 

validated, this could imply an advantage of distributing available farmyard manure (and 
possibly other types of organic input) among many farmers in a given region: the region 
would require less mineral fertiliser to produce the same yield output, than when organic 
inputs were concentrated in few farms. Main drivers for farmers to use organic inputs 
are  the  perceived  effects  on  soil  quality,  while  the  main  barriers  are  the  perceived 
financial consequences and increased pressures from weeds, pests and diseases.  

If policies aim to stimulate the maintenance or increase of SOM, more insight is needed 
under  which  conditions  the  use  of  organic  inputs  increases  or  reduces  pressures  of 

Page 205

Figures and page graphics, page 205

Summary 

 

197 

 

weeds, pests and diseases. Financial consequences (at least on the short term) should 
also  be  accounted  for.  More  importantly  however,  benefits  from  SOM  for  crop 
production cannot be taken for granted. Only in specific situations does this assumption 
hold. If European policies on SOM want to align benefits for the larger society (such as 
soil carbon sequestration, biodiversity conservation) with benefits for crop production, 
focus should be on areas with more extreme environmental conditions (very dry or very 
wet climates, steep slopes, very sandy soils), or cropping systems with more specialized 
or horticultural crops and less cereals.  

 

Page 206

Figures and page graphics, page 206

Samenvatting 

198 

 

Samenvatting 

Organische stof (OS) in de bodem wordt vaak gezien als de belangrijkste indicator voor 
bodemvruchtbaarheid.  OS  draagt  namelijk  bij  aan  elk  van  de  drie  dimensies  van 
bodemvruchtbaarheid: de fysische (structuur, beluchting, infiltratie, watervasthoudend 
vermogen),  de  biologische  (biomassa,  biodiversiteit,  mineralisatie  van  nutriënten, 
ziektewering)  en  de  chemische  (retentie  en  levering  van  nutriënten)  dimensie. 
Desalniettemin is er momenteel weinig wetenschappelijke consensus over de precieze 
relatie tussen OS en gewasproductie. 

De  afgelopen  jaren  zijn meerdere  zorgen  geuit over  een  mogelijke daling van  OS in 
Europese bodems. Dit heeft geleid tot verschillende voorstellen om te streven naar een 
bepaald  percentage  OS  om  (onder  andere)  de  productiecapaciteit  van  bodems  te 
waarborgen. Het is momenteel onduidelijk of deze zorgen gerechtvaardigd zijn. Het doel 
van  dit  proefschrift  was  om  de  rol  van  organische  meststoffen  en  OS  voor 
gewasproductie in hedendaagse Europese akkerbouw beter te begrijpen. Op een bepaald 
perceel  akkerbouwgrond  kan  een  boer  het  percentage  OS  verhogen  door  meer 
organische meststoffen aan te voeren, het ploegen te verminderen of door drainage te 
verminderen. In dit proefschrift ligt de nadruk op het toedienen van meer organische 
meststoffen  om  OS  te  verhogen  of  te  behouden.  De  volgende  soorten  organische 
meststoffen

1

 zijn daarbij in acht genomen: vaste mest, drijfmest, compost, het inwerken 

van stro en het telen van groenbemesters. De hypothese van dit onderzoek was dat de 
bijdrage van OS aan gewasproductie in de akkerbouw afhangt van milieufactoren en de 
gewassen die geteeld worden. 

De  volgende  onderzoeksvragen  zijn  gesteld:  (1)  Wat  is  het  specifieke  effect  van 
organische meststoffen op de gewasopbrengst van akkerbouwgewassen in Europa? (2) 
Is  de  besparing  van  kunstmest  door  gebruik  te  maken  van  organische  meststoffen 
afhankelijk  van  de  totale  stikstof  (N)  gift?  (3)  Wat  zijn  momenteel  de  belangrijkste 
motivaties en belemmeringen voor boeren om organische meststoffen te gebruiken? (4) 
Hoe zijn overtuigingen van boeren over OS gerelateerd aan hun daadwerkelijk gebruik 
van organische meststoffen? (5) Ervaren boeren een tekort aan OS? Analyse van data 
vond plaats op zowel  veld- als bedrijfsniveau. De eerste twee onderzoeksvragen zijn 
beantwoord  met  behulp  van  lange-termijn  experimenten.  De  laatste  drie 

                                              

1

 Bij gebrek aan een eenduidige alomvattende Nederlandse term wordt het woord organische meststof hier gebruikt 

voor zowel dierlijke mest als plantaardig materiaal (zoals compost of gewasresten).  

Page 207

Figures and page graphics, page 207

Samenvatting 

 

199 

 

onderzoeksvragen zijn beantwoord met behulp van een grootschalige enquête, gehouden 
in zes Europese landen (Nederland, België, Oostenrijk, Spanje, Italië en Duitsland).  

Eerdere studies naar het effect van organische meststoffen en OS op gewasopbrengsten 
lieten  wisselende  resultaten  zien.  Sommige  studies  vonden  positieve  effecten  op  de 
gewasopbrengst,  terwijl  andere  studies  geen  effect  aantoonden.  Het  verschil  in 
bevindingen  kan  mogelijk  verklaard  worden  doordat  in  sommige  studies  bepaalde 
effecten van OS, zoals een verbeterde bodemstructuur of een gewijzigd bodemleven, 
verward worden met een verhoogde beschikbaarheid van nutriënten. Om deze koppeling 
uit te sluiten, is in dit proefschrift het effect van organische meststoffen en OS op de 
gewasopbrengst  geanalyseerd  in  een  situatie  waarbij  macronutriënten  niet  limiterend 
zijn voor de gewasgroei. In deze situatie wordt een effect van OS op gewasopbrengst 

het ‘specifieke effect’ van OS genoemd, ook wel eerder het ‘rest

-

effect’ genoemd, maar 

niet te verwarren met de Engelse term 

‘

residual effect

’

 

wat in deze context een andere 

betekenis heeft.  

Om het specifieke effect van organische meststoffen te achterhalen is een meta-analyse 
gedaan van 20 lange termijn experimenten (

Hoofdstuk.2

). Curves van gewasopbrengst 

in relatie tot de toediening van kunstmest-N zijn berekend, met en zonder toevoeging 
van organische meststoffen (en met toediening van voldoende fosfor (P) en kalium (K)). 
Het specifieke effect van organische meststoffen is uitgedrukt als het verschil tussen de 
maxima (de haalbare gewasopbrengsten) van de beide curves. Gemiddeld over de 20 
lange termijn experimenten was het specifieke effect van organische meststoffen niet 
significant verschillend van nul (+ 1.4 procent + 1.6 - 95% betrouwbaarheidsinterval). 
Echter, onder bepaalde omstandigheden (bij het telen van wortel- en knolgewassen of 
zomergranen, of op erg zandige gronden of in een nat klimaat), verhoogde het gebruik 
van organische meststoffen de haalbare opbrengst wel. Het positieve effect varieerde 
hierbij,  afhankelijk  van  de  situatie,  tussen  de  3  en  7%.    Daarnaast  werd  er  een 
significante correlatie vastgesteld tussen een verhoging van de haalbare gewasopbrengst 
en de toename van het percentage OS in de bodem.  

Het gebruik van organische meststoffen kan een besparing opleveren in het gebruik van 
kunstmest-N.  Hoeveel  kunstmest  er  precies  bespaard  wordt  hangt  af  van  de 
samenstelling  van  de  organische  meststof,  het  gewas  dat  geteeld  wordt,  bodemtype, 
moment en manier van toediening en de voorgeschiedenis van een perceel dat zorgt voor 
behoud  of  verlies  van  N  in  de  bodem.  In  dit  proefschrift  is  een  bijkomende  factor 

Page 208

Figures and page graphics, page 208

Samenvatting 

200 

 

onderzocht, die tot heden niet is meegenomen in eerdere studies: de totale hoeveelheid 
N die toegediend wordt. 

In 

Hoofdstuk 3

 is een deelverzameling genomen van de experimenten uit Hoofdstuk 2. 

In deze deelverzameling van acht experimenten was bekend hoeveel N toegediend is 
met  organische  meststoffen.  Besparingen  van kunstmest (door gebruik te  maken  van 
organische meststoffen) zijn vergeleken bij een lage en hoge N gift. Resultaten laten 
zien  dat  om  een  bepaalde  gewasopbrengst  te  halen,  het  gebruik  van  vaste  mest 
significant  meer  kunstmest  bespaart  bij  een  hoge  dan  bij  een  lage  N  gift 
(stikstofwerkingscoefficiënt  van  1.12  ipv  0.53, 

p

  =0.04).  Ook  de  andere  soorten 

organische meststoffen bespaarden meer kunstmest-N bij een hoge dan een lage N gift, 
maar de steekproefomvang was daar te klein of de variatie in de uitkomsten te groot om 
een significant verschil te kunnen aantonen. 

Naast effecten op gewasopbrengst of het besparen van kunstmest kunnen boeren een 
breed  scala  hebben  van  motivaties  en  belemmeringen  om  organische  meststoffen  te 

gebruiken of OS te verhogen in hun bodem. Volgens de ‘Theorie van Gepland Gedrag’ 

baseren mensen hun gedrag op drie belangrijke factoren: (1) hun attitude (gebaseerd op 
overtuigingen  over 

‘gevolgen’

  van  gedrag),  (2)  hun  sociale  norm  (gebaseerd  op 

overtuigingen  met betrekking tot 

‘

sociale referenten

’

) en (3) ervaren gedragscontrole 

(gebaseerd op overtuig

ingen over ‘controle factoren’

). Gezamenlijk leiden ze tot een 

intentie, die kan leiden tot een bepaald gedrag of keuzes in management. 

Om  de  motivaties  en  belemmeringen  te  vinden  voor  het  gebruiken  van  organische 
meststoffen  (

Hoofdstuk  4

),  zijn  semi-gestructureerde  interviews  gehouden  met 

akkerbouwers  in  zes  agro-ecologische  zones  in  vier  Europese  landen  (Nederland, 
België, Oostenrijk en Italië). Door middel van deze interviews zijn relevante gevolgen, 
sociale  referenten  en  controle  factoren  voor  het  gebruik  van  vier  soorten  organische 
meststoffen (stro, groenbemesters, vaste mest en compost) in kaart gebracht. Vervolgens 
is  een  grootschalige  enquête  gehouden  onder  1180  boeren  om  de  attitudes,  sociale 
normen  en  gedragscontrole  te  kwantificeren  als  motiverende  factoren  of 
belemmeringen.  Motiverende  factoren  en  belemmeringen  zijn  vervolgens 
geclassificeerd  in  negen  categorieën  (bodemtype  &  klimaat,  bodemkwaliteit, 
gewasbescherming,  landgebruik,  technisch,  financieel,  milieu-impact,  juridisch  en 
sociaal).  

Belangrijke motiverende factoren voor boeren om organische meststoffen te gebruiken 
bleken waargenomen effecten op bodemkwaliteit (zoals een verbeterde bodemstructuur 

Page 209

Figures and page graphics, page 209

Samenvatting 

 

201 

 

of  verminderde  erosie)  en  de  positieve  invloed  van  sociale  referenten  (zoals  andere 
boeren  of adviseurs).  Belangrijke  belemmeringen  waren  financieel  gerelateerd  (zoals 
hogere  kosten  of  lagere  inkomsten)  en  te  verwachten  effecten  op  gewasbescherming 
(zoals verhoogde onkruid- of ziektedruk, meer plagen of meer noodzaak om pesticiden 
te gebruiken). Deze bevindingen laten zien dat boeren een dilemma ervaren tussen een 
verbeterde  bodemkwaliteit  aan  de  ene  kant  en  een  hogere  druk  van  onkruid,  ziekten 
en/of  plagen  en  financiële  consequenties  aan  de  andere  kant  bij  het  gebruiken  van 
organische meststoffen.

 

Meer gedetailleerd onderzoek onder 435 akkerbouwers in Nederland (

Hoofdstuk 5)

 laat 

zien  dat  boeren  OS  vooral  waarderen  vanwege  het  positieve  effect  op  de 
bodemstructuur. Op kleigronden heeft dit voornamelijk te maken met een verbetering 
in  de  bewerkbaarheid  van  de  bodem,  terwijl  op  zandgronden  de  bijdrage  aan  het 
watervasthoudend vermogen gewaardeerd wordt. De Nederlandse boeren evalueerden 
het effect van OS op bodemschimmels als een negatieve uitkomst.  

Het lange-termijn effect van OS werd erg sterk geacht en positief gewaardeerd door de 
Nederlandse akkerbouwers. Van de verschillende sociale referenten werden adviseurs 
gezien als degenen met de meest waardering voor OS en andere boeren als degenen met 
de  minst  positieve  waardering  van  OS.  Overtuigingen  van  boeren  waren  zwak  maar 
significant  gerelateerd  met  hun  intentie  om  OS  te  verhogen.  Het  merendeel  van  de 
Nederlandse boeren (91%) had een sterke of erg sterke intentie om OS te verhogen. Een 
sterkere  intentie  om  OS  te  verhogen  was  significant  gerelateerd  met  een  hoger 
daadwerkelijk gebruik van organische meststoffen (uitgedrukt in totale of effectieve C 
die jaarlijks werd toegediend) door de respondenten. 

In 

Hoofdstuk 6

 is ingegaan op de vraag of akkerbouwers in vijf Europese landen (België, 

Duitsland,  Oostenrijk,  Spanje  en  Italië)  een  tekort  ervaren  aan  OS.  Van  de  1452 
geïnterviewden ervaarde 18% een groot of erg groot tekort aan OS, 53% een klein of 
erg klein tekort en 29% van de akkerbouwers gaf een neutrale indicatie. Ervaren tekort 
aan  OS  was  gerelateerd  aan  klimaat  (droog  of  nat),  helling,  bodemtextuur  en 
landgebruik. Gebaseerd op de percepties van de boeren zijn ranges van grenswaarden 
voor OS vastgesteld (zand: 1.2-4.7%, zavel 0.6-2.6% en klei: 1.0-2.4%). Beneden de 
gegeven ranges ervoeren de boeren een voordeel van OS, ongeacht andere factoren zoals 
landgebruik of management. Boven de gegeven ranges ervoeren boeren een toename in 
OS  niet  als  een  voordeel  voor  de  productie  capaciteit  van  de  bodem.  Er  was  enige 
indicatie  dat  een  extreme  waarde  van  één  factor  (zoals  helling,  bodemtextuur,  of 

Page 210

Figures and page graphics, page 210

Samenvatting 

202 

 

landgebruik)  een  grotere  kans  geeft  op  een  tekort  aan  OS  dan  een  combinatie  van 
gemiddelde factoren.  

De resultaten in dit proefschrift laten zien dat op de korte termijn, gemiddeld genomen, 
er geen sprake is van een onmiddellijk risico van een tekort aan OS voor gewasproductie 
op  akkerbouwgrond  in  Europa.  De  lange-termijn  experimenten  laten  zien  dat  met 
voldoende gebruik van alleen kunstmest er, gemiddeld genomen over meerdere jaren, 
dezelfde  gewasopbrengsten  kunnen  worden  behaald  als  met  een  combinatie  van 
kunstmest  en  organische  meststoffen.  Dit  resultaat  was  onafhankelijk  van  het  OS-
gehalte in de betreffende experimenten.  

Effecten  van  organische  meststoffen  op  gewasopbrengsten  verschillen  echter 
afhankelijk  van  omgevingsfactoren,  type  gewassen  die  geteeld  worden  en  het  soort 
organisch  meststof  dat  gebruikt  wordt.  Lange-termijn  experimenten  laten  zien  dat 
organische  meststoffen  meer  voordeel  opleveren  voor  gewasproductie  in  nattere 
klimaten en op zandige gronden. Daarnaast ervaren boeren meer voordeel van OS op 
steilere hellingen, op zandige gronden en in natte of erg droge klimaten. Het specifieke 
effect van organische  meststoffen is groter voor aardappels en meer in het algemeen 
ervaren  boeren  die  meer  gespecialiseerde  gewassen  telen  (zoals  aardappels, 
suikerbieten, uien en andere groentegewassen) meer voordeel van OS. Het gebruik van 
vaste  mest  heeft  meer  voordelen  voor  de  gewasproductie  dan  het  inwerken  van  stro 
(zelfs als er gecompenseerd wordt voor N-immobilisatie door meer kunstmest-N toe te 
dienen). Het lijkt erop dat alhoewel de functies van OS merendeels vervangen kunnen 
worden door technische middelen (zoals door te ploegen of door gebruik te maken van 
kunstmest), dit vervangingspotentieel beperkter is wanneer milieufactoren extremer zijn 
en er meer veeleisende gewassen geteeld worden.  

Het gebruik van vaste mest bespaart (per eenheid vaste mest) meer kunstmest als het 
toegediend  wordt  in  combinatie  met  een  relatief  hoge  kunstmest-N  gift  dan  in 
combinatie  met  een  relatief  lage  kunstmest-N  gift  of  zonder  kunstmest-N.  Dit  zou 
kunnen impliceren dat met de beschikbare hoeveelheid  vaste  mest in een regio meer 
kunstmest bespaard wordt indien deze verdeeld wordt over meerdere bedrijven, in plaats 
van geconcentreerd wordt toegediend op enkele bedrijven. Dit zou mogelijk ook kunnen 
gelden voor andere soorten organische meststoffen.  

Belangrijke  motivaties  voor  boeren  om  organische  meststoffen  te  gebruiken  zijn 
positieve effecten op bodemkwaliteit, terwijl de belangrijkste belemmeringen liggen in 
de financiële consequenties en een verhoogde druk van onkruiden, ziekten en plagen. 

Page 211

Figures and page graphics, page 211

Samenvatting 

 

203 

 

Als beleidsmakers een stimulans wil geven om OS in akkerbouwgronden te behouden 
of  te  verhogen,  dan  zal  er  meer  inzicht  nodig  zijn  waarom  en  onder  welke 
omstandigheden het gebruik van organische meststoffen leidt tot een verhoogde druk 
van onkruiden, ziekten en plagen. Financiële consequenties (ten minste die op de korte 
termijn spelen) zouden hierbij ook betrokken kunnen worden. Belangrijker nog is het 
om te beseffen dat voordelen van OS voor de gewasopbrengst zich niet altijd voordoen. 
Alleen in specifieke situaties treedt dit voordeel op. Als Europees beleid omtrent OS in 
landbouwgronden  maatschappelijke  voordelen  (zoals  koolstofopslag  of  behoud  van 
biodiversiteit) wil afstemmen met voordelen voor gewasproductie, dan zal de nadruk 
moeten liggen op gebieden met extremere milieus (erg droge of natte klimaten, steilere 

hellingen, zandige gronden), of op regio’s met meer

 gespecialiseerde gewassen en een 

laag aandeel granen. 

 

Page 212

Figures and page graphics, page 212

Acknowledgements 

 

204 

 

Acknowledgements 

Like any other scientific work, this work would not have been possible without support 
of numerous colleagues, friends and family. First and foremost, I would like to thank 
my  promotor  Martin  van  Ittersum,  whose  patience  almost  seemed  endless.  Thanks, 
Martin!! I also want to thank Hein ten Berge, project leader of CATCH-C and my co-
promotor. Thanks for your enthusiasm, Hein and - when in Wageningen 

–

 for creating 

time for discussions and the occasional coffee.  

One of the most cherished parts of my PhD journey was spending time at Rothamsted 
Research. I still vividly remember the lunch sessions and Friday tea with cookies. Right 
in a very difficult time of my PhD I found a great inspiration in my supervisor abroad 
Andy Whitmore. Thanks for hosting me, Andy. I wish I could have stayed longer. 

In Wageningen, on the very first day of my PhD journey, I met Anouk Cormont whom 
proved to be a very strong ally in sharing both work and the latest baby pictures :-). Not 
much later I met her colleague Gerard Hazeu who brought up the idea of soil organic 
matter deficiency as a concept. Thanks to both of you for the pleasant collaboration. I 
also cherish the collaboration with Annette Pronk who shared her wealth of practical 
knowledge and 

–

 together with Bert Rijk - kept the Dutch farm survey running when I 

was on leave. In addition, both Jan Verhagen and Peter Leffelaar were very helpful in 
sharing their old boxes of literature on soil organic matter with me. This was an old-
fashioned but handy manner to get started. At the end of my PhD, Jaap Schröder proved 
to be a useful sparring partner. 

Within  the  CATCH-C  project,  I  found  many  many  nice  collaborations  with  Carlo 
Grignani,  Laura  Zavattaro,  Luca  Bechini,  Chiara  Costamagna,  Magdalena  Werner, 
Janine  Krüger,  Juan  Vicente  Giráldez,  Gema  Guzmán,  Tom  Vanwalleghem,  Karl 

Vanderlinden,  Greet  Ruysschaert,  Jo  Bijttebier,  Tommy  D’Hose,  Heide  Spiegel,

 

Norman Schlatter, Taru Lehtinen, Nadine Turpin, Alina Syp and many others. Thanks 
to all of you for making the project not only successful but also fun! 

The  fun  part  in  my  PhD  also  benefitted  from  numerous  office  mates  at  the  Plant 
Production  Systems  group  to  share  lunch,  coffee  or  a  Friday  afternoon  drink  with. 
Charles Bagura, Guillaume Ezui, Edouard Rurangwa, Jairos Rurinda, Godfrey Taulya, 
Wilson  Leonardo,  Gatien  Falconnier,  Lotte  Klapwijk,  Esther  Ronner,  Greta  van  den 
Brand, Ilse de Jager, Wytze Marinus, Lenny van Bussel, Argyris Kanellopoulos, Sheida 
Sattari,  Jiska  van  Vliet,  Jannicke  Wichern,  Pytrick  Reidsma,  Tom  Schut,  Katrien 

Page 213

Figures and page graphics, page 213

Acknowledgements 

 

205 

 

Deschaemaker, Juliana Gil, Gerrie van de Ven, Maja Slingerland, Beyene Melisse, Anne 
de Valen

ҫ

a, Marieke Sassen, Madeleine Florin, Sander de Vries, Christiaan Biemond, 

Bob Douma, Joost van Heerwaarden, Petra Rietberg and many many others: thanks a 
lot! With a special thanks to Ria van Dijk, Linda Kaster, Charlotte Schilt and Alex-Jan 
de Leeuw for keeping the office running! When times became less fun and more difficult 
I also found support from many colleagues, especially Esther was often willing to share 
some PhD-sorrow, thanks for the friendship offered. 

At Rothamsted I was lucky to find Shibu Muhammed, Lindsay Todman, Gordon Dailey, 
Kevin Coleman, Margaret Glendining and Tom Sizmur as my temporary colleagues: 
Thanks for making me feel welcome. The last few months of my PhD I spent 

–

 together 

with  colleagues  in  crime  Joao  da  Silva  and  Lotte  Woittiez  -  writing  at  the  temporal 
housing of Agrosystems Research. Thanks for hosting us, Raymond! And thanks to all 
the other AGRO-colleagues for sharing much-appreciated coffee breaks in the B-Bar or 
outside in the sun.  

Almost coming to the end, I would like show my gratitude to Ken Giller for introducing 
me  to  Martin  and  sharing  his  views  on  soils  and  farming  systems.  Another  major 
influence has been Bert Janssen. Thanks, Bert, for sharing your piles of knowledge and 
critical mind. 

Finally,  in  retrospect,  my  life  choices  benefitted  much  from  my  (grand)  parental 
influences. I want to thank my mother Ineke Ginjaar, who taught me the essential lesson 
that there is no better man for a job than a woman. Thanks to my father Gerrit Hijbeek 
for sharing his love for nature with his children. I want to thank my grandmother Nell 
Ginjaar-Maas for motivating young Dutch girls to choose a technical study and take the 
future in their own hands, I surely benefitted from her efforts. I thank my grandfather 
Leendert Ginjaar for teaching me that solid arguments matter more than authority does. 
I thank my grandparents Roel and Maartje Hijbeek for brightening up the day with jokes 
and  laughter.  I  want  to  thank  my  brother  and  sister  for  being  there.  I  thank  Eric  for 
sharing the journey with me. Finally, I want to thank Jason for being such a beautiful 
shining light. May all your dreams be bright and passionate.   

Page 214

Figures and page graphics, page 214

About the author 

 

206 

 

About the author 

Renske Hijbeek was born on the 14

th

 of July 1983 in Rotterdam, the Netherlands. After 

secondary school she travelled for some time through North America and studied for 
one year Physics at the 

Rijksuniversiteit Groningen

 before landing in Wageningen. In 

Wageningen she obtained a BSc degree in Environmental Science. She conducted an 
internship in Sierra Leone with a local youth organisation and wrote her BSc thesis on 
the relation between environmental degradation and violent conflict. During this time 
she was board member of the study association for environmental students and student 
assistant at the department for Environmental Science.  

Following her BSc degree, she completed an MSc degree in Human Ecology at the 

Vrije 

Universiteit Brussel

. She conducted her MSc thesis at the Laboratory of Plant Biology 

and Nature Management. The subject of her thesis was the use of plotless vegetation 
sampling methods in mangrove forests. This included a period of field work in Kenya 
and  resulted  in  a  scientific  publication.  After  graduation  she  worked  at  the  Dutch 
ministry  of  Agriculture  and  Economic  Affairs  on  topics  related  to  sustainable 
agriculture.  During  this  time,  she  was  seconded  for  half  a  year  to  the  taskforce  on 
resource use efficiency of DG Environment at the European Commission in Brussels.  

Between  2012  and  2017,  Renske  worked  at  the  Plant  Production  Systems  Group  of 
Wageningen University, mainly in the European FP7 project CATCH-C. In this project 
she  collaborated  with  researchers  from  different  institutes  across  eight  European 
countries, developed a farm typology and helped to set up a farm survey among more 
than 3000 farmers. This PhD thesis is in part based on data collected in this project. 
During her PhD, she went for an exchange period of six months to Rothamsted Research 
in the UK.   

Page 215

Figures and page graphics, page 215

Publications 

 

207 

 

Publications 

Refereed scientific journals 

Hijbeek, R., van Ittersum, M. K., ten Berge, H. F. M., Gort, G., Spiegel, H. & Whitmore, A. P. 

2017. Do organic inputs matter 

–

 a meta-analysis of additional yield effects for arable 

crops in Europe. 

Plant and Soil 

411: 293-303 

Hijbeek  R.,  Cormont  A.,  Hazeu  G.W.,  Bechini  L.,  Zavattaro  L.,  Janssen  B.H.,  Werner  M., 

Schlatter N., Guzmán G., Bijttebier J., Pronk A.A., van Eupen M. & van Ittersum, M.K. 
2017. Do farmers perceive a deficiency of soil organic matter? A European and farm 
level analysis

. Ecological Indicators 

83: 390

–

403 

Hijbeek R., ten Berge H.F.M., Whitmore A.P.,  Barkusky D., Schr

ӧ

der, J.J. & van  Ittersum, 

M.K. 2017. Apparent Nitrogen fertiliser replacement values for organic amendments 
appear to increase with N application rates. 

Nutrient Cycling in Agroecosystems

 DOI 

10.1007/s10705-017-9875-5 

Hijbeek, R.,Pronk, A.A., van Ittersum, M.K., ten Berge, H.F.M., Bijttebier, J. & Verhagen, A. 

2017 (in press) What drives farmers to increase soil organic matter? A case study in The 
Netherlands. 

Soil Use and Management

 

Khan, M. N. I., Hijbeek, R., Berger, U., Koedam, N., Grueters, U., Islam, S. Z., Hasan, M. A. 

& Dahdouh-Guebas, F. 2016. An Evaluation of the Plant Density Estimator the Point-
Centred Quarter Method (PCQM) Using Monte Carlo Simulation. 

PLoS ONE

 11(6): 

e0157985.

 

Hijbeek, R., Koedam, N., Khan, M. N. I., Kairo, J. G., Schoukens, J. & Dahdouh-Guebas, F. 

2013. An Evaluation of Plotless Sampling Using Vegetation Simulations and Field Data 
from a Mangrove Forest. 

PLoS ONE,

 8 (6): e67201

. 

Conference proceedings 

Ruysschaert, G., Bijttebier, J. Bechini, L., Zavattaro, L., Werner, M., Hijbeek, R, Pronk, A., 

Ten Berge, H. 2017. Barriers and drivers for adoption of non-inversion tillage in four 
European countries. 1st World conference Soil and Water Conservation under Global 
change. Lleida, Spain 12-16 June 2017

 

ten Berge, H., Hijbeek, R., van Ittersum, M., Gort, G. & Whitmore, A. 2016. Apparent long-

term fertilizer replacement value of arganic amendments depends on mineral fertilizer 
N range itself. 

Efficient use of different sources of nitrogen in agriculture

–

from theory 

to practice Skara, Sweden 27 June

–

29 June 2016

, 438. 

Hijbeek, R., Ten Berge, H., Van Ittersum, M. & Whitmore, A. 2015. Effects of organic matter 

on attainable yields across Europe. In:  

Book of Abstracts Wageningen Soil Conference 

2015 ‘Soil Science in a Changing World’.

 Wageningen. 

Page 216

Figures and page graphics, page 216

Publications   

208 

 

Bijttebier, J., Ruysschaert, G., Marchand, F., Hijbeek, R., Pronk, A., Schlatter, N., Guzmán, G., 

Syp, A., Werner, M., Bechini, L., Guiffant, N. & Wauters, E. 2014. Assessing farmers' 
intention to adopt soil conservation practices across Europe. In:  

11th European IFSA 

Symposium, Farming Systems Facing  Global  Challenges: Capacities and Strategies, 
Proceedings,  Berlin,  Germany,  1-4  April  2014.

  International  Farming  Systems 

Association (IFSA) Europe, pp. 1903-1910. 

Hijbeek, R., Pronk, A., ten Berge, H., van Ittersum, M., Ruysschaert, G. & Verhagen, A. 2014. 

Barriers  to  adopting  best  management  practices  aiming  at  soil  fertility  and  GHG 
mitigation  across  dairy  farmers  in  The  Netherlands.  In: 

11th  European  IFSA 

Symposium, Farming Systems Facing  Global  Challenges: Capacities and Strategies, 
Proceedings,  Berlin,  Germany,  1-4  April  2014.

  International  Farming  Systems 

Association (IFSA) Europe, pp. 1903-1910. 

Scientific reports 

Bijttebier, J., Ruysschaert, G., Hijbeek, R., Rijk, B., Werner, M., Raschke, I., Steinmann, H., 

Zylowska, K., Pronk, A., Schlatter, N., Guzmán, G., Syp, A., Bechini, L., Turpin, N., 
Guiffant, N., Perret, E., Mauhe, N., Toque, C., Zavattaro, L., Costamagna, C., Grignani, 
C.,  Lehninen,  A.  B.,  A.,  Spiegel,  H.,  Portero,  A.,  Van  Walleghem,  T.,  Pedrera,  A., 
Lahguna,  A.,  Vanderlinden,  K.  &  Giraldez,  V.  2015.  Farmers  review  of  Best 
Management  Practices:  drivers  and  barriers  as  seen  by  adopters  and  non-adopters. 
D4.422. CATCH-C report. p. 171  

Pronk,  A.,  Bijttebier,  J.,  ten  Berge,  H.,  Ruysschaert,  G.,  Hijbeek,  R.,  Rijk,  B.,  Werner,  J., 

Raschke, I., Steinmann, H. & Zylowska, K. 2015. List of drivers and barriers governing 
soil management by farmers, including cost aspects: D4.434. CATCH-C report. p. 180  

Pronk  A.A.,  Rijk  B.  and  Hijbeek  R.  2014.  Task  4.2  Farm  survey  country  report:  The 

Netherlands.,  CATCH-C  report.  Wageningen  University  and  Research  Centre, 
Wageningen, p. 262. 

Hijbeek R., Wolf J. and Van ittersum M.K. 2013. A typology of farming systems, related soil 

management  and  soil  degradation  in  eight  European  countries.  D2.242.  CATCH-C 
report. Wageningen University and Research Centre, Wageningen, p. 226.

 

Other 

Hijbeek, R. 2017. Relatie organische stof en gewasopbrengsten is niet zo simpel. 

Boerderij, 

http://www.boerderij.nl/Home/Blogs/2017/2/Relatie-organische-stof-en-
gewasopbrengsten-is-niet-zo-simpel-96207E/

 

Hijbeek, R. 2016 Organic matter in European soils: Solution for food security and climate 

change mitigation? 

Website of the Global Research Alliance on agricultural 

greenhouse gas emissions.

 

Pronk, A. & Hijbeek, R. 2015. Bodemverbetering: vooral traditioneel. 

Boerderij,

 100, A14-

A15. 

Page 217

Figures and page graphics, page 217

PE&RC Training and Education Statement 

209 

 

PE&RC Training and Education Statement 

With the training and education activities listed below the 
PhD candidate has complied  with the requirements  set  by 
the C.T. de Wit Graduate School for Production Ecology and 
Resource  Conservation  (PE&RC)  which  comprises  of  a 
minimum total of 32 ECTS (= 22 weeks of activities)  

Review of literature (4.5 ECTS) 

The role of soil organic matter for arable farming in Europe 

 
Writing of project proposal (4.5 ECTS) 

Raising soil organic matter content in European arable lands: a viable option at field, 
farm or regional level? 

 
Post-graduate courses (4.2 ECTS) 

Theoretical ecology; Rijksuniversiteit Groningen (2012) 
Linear models, generalized linear models and mixed linear models; PE&RC (2014) 
Introduction to R for statistical analysis; PE&RC (2014) 

 
Laboratory training and working visits (0.6 ECTS) 

Workshop on the theory of planned behaviour and on how to conduct semi-structured 
interviews with farmers; ILVO, BE (2013) 

 
Invited review of (unpublished) journal manuscript (5 ECTS) 

European journal of agronomy: crop residue management and wheat productivity (2016) 
Agronomy journal: straw management, tillage options and maize yields (2016) 
Nutrient cycling in agroecosystems: comparison of nitrogen flow indicators for dairy 
farms (2017) 
Ecological Indicators: effects of organic and mineral fertilisers on soil indicators and 
crop production (2017)   
Soil Use and Management: effect of different organic inputs in conventional and organic 
cropping systems (2017) 
 

 

 

Page 218

Figures and page graphics, page 218

PE&RC Training and Education Statement 

 

210 

 

Deficiency, refresh, brush-up courses (4.5 ECTS)

 

Geo-information tools; WUR (2012) 
Basic statistics; PE&RC (2014) 

 
Competence strengthening / skills courses (2.7 ECTS) 

Project and time management; WGS (2013) 
Techniques for writing and presenting a scientific paper; WGS (2013) 
 

PE&RC Annual meetings, seminars and the PE&RC weekend (2.1 ECTS) 

PE&RC Weekend (2012, 2016) 
PE&RC Carousel (2016) 
Wageningen PhD symposium (2017) 
 

Discussion groups / local seminars / other scientific meetings (8 ECTS) 

PhD  Discussion  group  Sustainable  Intensification  of  Agricultural  Systems  (SIAS) 
(2013-2016) 
Annual meetings of the European research project CATCH-C; in the Netherlands, Italy 
and Poland (2012-2015) 
Presentation of PhD research at a lunch meeting of the  Conservation Science group of 
Cambridge University, UK (2016) 
Presentation of PhD research at a foodFirst Vijverberg session on the precarious balance 
between science and policy making (2016)   
 

International symposia, workshops and conferences (6.6 ECTS) 

International conference Soil Carbon Sequestration; Reykjavik, Iceland (2013) 
Wageningen Soil Conference; Wageningen, the Netherlands (2015) 
Ecosummit; Montpellier, France (2016) 
 

Lecturing / supervision of practicals / tutorials (4.2 ECTS) 

Modelling Biological Systems 
Analysing Sustainability of Farming Systems 
 

Supervision of a MSc student (3 ECT) 

Organic matter inputs and nitrate leaching  

 

Page 219

Figures and page graphics, page 219

Acknowledgement of financial support 

211 

 

Renske Hijbeek was financially supported by  the European Commission, Directorate 
General  for  Research  &  Innovation,  within  the  7th  Framework  Programme  of  RTD, 
Theme 2 

–

 Biotechnologies, Agriculture & Food (Grant Agreement N° 289782). The 

views and opinions expressed in this thesis are purely those of the writers and may not 
in  any  circumstances  be  regarded  as  stating  an  official  position  of  the  European 
Commission. 

Financial  support  from  Wageningen  university  for  printing  this  thesis  is  gratefully 
acknowledged 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cover design by Arjan Hijbeek (

www.arjanhijbeek.com

) 

Printed by Gildeprint Drukkerijen 

Page 220

Figures and page graphics, page 220

Page 221

Figures and page graphics, page 221

Propositions 
 

1.

 

More soil organic matter does not necessarily imply more soil fertility. 
(this thesis) 

 
2.

 

The potential to replace functions of soil organic matter for arable crop 
production by technical means is more limited under extreme environmental 
conditions. 
(this thesis) 

 
3.

 

Sequestering carbon in agricultural soils is at best a short-term, not a 
sustainable solution to mitigate climate change. 

 
4.

 

The need for economic quantification of ecosystem services is a defeat of the 
rule of law by the rule of the market. 

 
5.

 

The large volume of literature available on any given topic makes it easy to 
transform opinions into facts and facts into opinions.  

 
6.

 

It is better to evaluate research proposals on questions asked and 
methodologies proposed, rather than on promised impacts and innovations. 

 
7.

 

Societal valorisation of life science research does not only need clear policy 
recommendations from scientists, it also requires expert policy makers to 
capture underlying scientific principles. 

 
8.

 

Without an obligatory and state-paid paternity leave equal in length to the 
current obligatory and state paid maternity leave, all attempts to achieve 
professional gender equality will be futile.  

 
 
 
Propositions belonging to the thesis, entitled 
On the role of soil organic matter for crop production in European arable farming 
Renske Hijbeek 
Wageningen, 4

 

October 2017  

Page 222

Figures and page graphics, page 222

Document Outline