Back to report · Publisher record

Kätterer & Bolinder (2024). Response of maize yield to changes in soil organic matter in a Swedish long‐term experiment

Page 1

Figures and page graphics, page 1

R E S E A R C H A R T I C L E

Response of maize yield to changes in soil organic matter
in a Swedish long-term experiment

Thomas Kätterer

|

Martin A. Bolinder

Department of Ecology, Swedish
University of Agricultural Sciences (SLU),
Uppsala, Sweden

Correspondence

Thomas Kätterer, Swedish University
of Agricultural Sciences (SLU),
Department of Ecology, Box 7044,
75007 Uppsala, Sweden.
Email:

thomas.katterer@slu.se

Funding information

Stiftelsen Lantbruksforskning,
Grant/Award Number: O-22-23-734;
Horizon 2020 Framework Programme,
Grant/Award Number: 862695; Svenska
Forskningsrådet Formas, Grant/Award
Number: 2022-00214

Abstract

Agricultural practices that lead to soil carbon sequestration may be a win

–

win

strategy for mitigating global warming and improving soil fertility and

resource use efficiency. The mechanisms through which soil organic carbon

(SOC) concentration affects crop yields are numerous but difficult to separate.

The objective of this study was to disentangle these processes and estimate to

what extent the yield response to SOC is mainly driven by changes in physical

or biochemical properties and processes. This was achieved by analysing the

response of yields in continuous maize to SOC concentrations during 20 years

(2000

–

2019), which had evolved in 14 experimental treatments in a Swedish

long-term field experiment at Ultuna since 1956, ranging from 0.94% to 3.65%

in the topsoil (0

–

20 cm). Average maize yields during this period varied

between 1.9 and 8.4 Mg dry mass per hectare in the different treatments. The

treatments comprise applications of different mineral nitrogen (N) fertilizers

and organic amendments and combinations thereof. Our analysis showed that

maize yield in the treatments that were not severely limited by nitrogen supply

or soil acidity increased by 16% for each percentage unit increase in SOC. We

applied the widely used concept of critical N concentration in plant biomass to

diagnose the N status in maize in the different treatments (N nutrition index

[NNI]) and parameterized a response function between yield and pH (

R

pH

).

Dry soil bulk density (BD) was used as a proxy for soil physical properties.

These three variables NNI,

R

pH

and BD explained 95% of the variation in

maize yields among treatments. Further analysis of the relationship between

BD, SOC and plant available water capacity revealed that about two thirds of

the yield increases in response to SOC change could be ascribed to associated

changes in soil physical properties. Our analysis suggests that the extra storage

capacity of water, which increased by up to 15 mm in the topsoil for each unit

percentage increase in SOC, was the main driver for the observed yield

responses. We conclude that measures for increasing SOC in soils most likely

are an effective adaptation strategy for reducing the risk of crop damage during

dry spells, which probably are becoming more frequent in the future due to cli-

mate change, even in relatively humid climates as in Sweden.

Received: 19 December 2023

Revised: 19 March 2024

Accepted: 21 March 2024

DOI: 10.1111/ejss.13482

This is an open access article under the terms of the

Creative Commons Attribution-NonCommercial

License, which permits use, distribution and reproduction in any

medium, provided the original work is properly cited and is not used for commercial purposes.

© 2024 The Authors.

European Journal of Soil Science

published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of British Society of Soil Science.

Eur J Soil Sci.

2024;75:e13482.

wileyonlinelibrary.com/journal/ejss

1 of 18

https://doi.org/10.1111/ejss.13482

Page 2

Figures and page graphics, page 2

K E Y W O R D S

crop productivity, maize, nitrogen nutrition index, nitrogen use efficiency, plant available
water capacity, soil carbon, soil carbon sequestration, soil physical properties

1

|

I N T R O D U C T I O N

Humanity is facing significant challenges such as climate
change, food security, loss of biodiversity and depletion
of natural resources. These challenges are interconnected
and involve multiple trade-offs and synergies. Due to direct
and indirect links to all these challenges, soils, land use and
agricultural practices have come into focus in society. Vari-
ous policies, programmes (such as the 4 per 1000 initiative;
Minasny et al.,

2017

) and carbon farming schemes are

currently being developed and implemented to promote
soil health and climate change mitigation (European
Commission,

2021

). Soil carbon sequestration (SCS) has

gained recognition as a win

–

win strategy and remedy for cli-

mate change adaption and mitigation as well as for restoring
soil health, crop productivity and more efficient use of natu-
ral resources (IPCC WG1,

2021

).

Agricultural practices that diversify crop rotations by

including cover crops, and perennial plants or promote C
inputs to the soil in other ways have been found to
increase soil organic carbon (SOC) and soil organic mat-
ter stocks (Kätterer & Bolinder,

2022

). This can lead to

SCS, that is, the net transfer of carbon from the atmo-
sphere to the soil (Don et al.,

2023

), which, in turn, may

increase yield potentials, improve food security, the effi-
ciency of agricultural inputs and promote the efficient
use of soil, one of our primary natural resources (Rumpel
et al.,

2020

). It was estimated that 0.08

–

0.4 Pg C year

1

or

even more if further technical development in plant breed-
ing is considered, can be globally sequestered in upland
agricultural soils (Paustian et al.,

2016

). On considering only

low-cost measures, Bossio et al. (

2020

) estimated potential

SCS to be 0.14 Pg C, which corresponds to about 0.1 Mg C
ha

1

year

1

(Kätterer & Bolinder,

2022

). Although the mag-

nitude of potential SCS is highly uncertain and disputed
due to methodological inaccuracies, nutrient limitations or
socioeconomic barriers (Moinet et al.,

2024

; Poulton

et al.,

2018

; Van Groenigen et al.,

2017

), the implementation

of practices that increase soil carbon storage can contribute
to achieving several Sustainable Development Goals related
to climate change, reduced hunger, poverty and increased
environmental protection (Soussana et al.,

2019

).

The positive relationship between SOC and crop pro-

ductivity has been acknowledged for a long time (Manlay
et al.,

2007

). This is not surprising since SOC is a master

indicator for soil quality and soil functioning (Bünemann
et al.,

2018

) contributing to at least 12 of the 17 Sustainable

Development Goals of the United Nations (Kopittke et al.,

2022

). Already small increases in SOC at a global scale

have been estimated to enhance farmers' output during
drought years while reducing global temperature warming
(Iizumi & Wagai,

2019

). The mechanisms through which

SOC affects crop biomass production are numerous (Jha
et al.,

2023

; Johnston et al.,

2009

; Meurer, Barron, et al.,

2020

; Rubio et al.,

2021

; Schjønning et al.,

2012

). They

include biogeochemical processes such as increased turn-
over and supply of nutrients to plants from the mineraliza-
tion of soil organic matter, and enhanced retention of
nutrients through increased cation exchange capacity, as
well as physical processes such as better water infiltration,
soil structure and structural stability due to stronger aggre-
gation leading to less soil erosion, alleviation of compac-
tion, facilitation of root growth, increased water storage
and diffusivity of gases. Although SOC accumulation in
agricultural soils is predominantly beneficial, potential
trade-offs have to be accounted for. For example, higher
SOC stocks may result in increased nitrate leaching
(Powlson et al.,

1989

) and N

2

O emissions (Guenet et al.,

2021

). Thus, certain SCS-supporting management prac-

tices may offset some of the benefits of SCS.

Several meta-analyses assessing the relationship

between SOC and crop yields have been published in
recent years. Oldfield et al. (

2019

) presented global-level

predictions for crop yields in response to changes in SOC.
Based on their meta-analysis, they estimated potential
yield increases of 10 ± 11% for maize and 23 ± 37% for
wheat amounting to 32% of the projected yield gap for
maize and 60% of that for wheat. Moinet et al. (

2023

) pre-

sented an insightful review on this topic in which they
analysed 21 publications including 36 meta-analyses
based on global, continental (four continents) or national
datasets. The majority (17) of these reported positive rela-
tionships between SOC and crop yield, 12 reported no

Highlights

•

Maize yield responses to SOC were studied in a
field trial with clay soil in a hemiboreal climate

•

Yields increased by 14%

–

16% for each unit per-

centage of SOC increase

•

About two thirds of the yield response was
likely due to improved soil physical properties

2 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 3

Figures and page graphics, page 3

effect and 7 reported negative relationships. Although the
response was positive in most cases, Moinet et al. (

2023

)

concluded that the outcomes are context-specific and
vary with space, time and methods used. They also elabo-
rated on the validity and limitations of these meta-
analyses, addressing problems regarding the causality
between SOC and crop yields and highlighting differ-
ences in the choice of response variables, for example,
actual or potential yields. Indeed, confounding factors
and potential biases make this kind of analysis difficult,
even under similar climatic conditions.

This is illustrated in two Scandinavian studies, where

negative correlations between SOC and crop yields were
found at the national scale in Denmark (Oelofse et al.,

2015

;

Schjønning et al.,

2018

) and Sweden (Kirchmann et al.,

2020

), and potential confounding factors were discussed.

For example, perennial ley is a major crop on dairy and
these farms have higher SOC compared to farms growing
annual cash crops only (Henryson et al.,

2022

). Since their

focus is on milk production, dairy farmers may be less
focused on optimizing yields of their grain crops which also
are part of their rotations. Consequently, grain crop yields
on dairy farms may be lower than on farms with only
annual crops, which results in a negative correlation
between SOC and yields (Schjønning et al.,

2018

). More-

over, leys take up far more cations than anions, leading to
stronger acidification in leys compared with cereals
(Haynes,

1983

). Liming, to compensate for this loss of cat-

ions, may be less frequent on dairy than on cash crop
farms, which would enforce a negative correlation
between SOC and crop yield. Systematic differences in soil
conditions between farming systems may also affect this
relationship since dairy farms are generally located in
areas with poorer, more acidic soils than cash crop farms.
In fact, a significant negative correlation between SOC
and soil pH was found in a Swedish national dataset
(Kirchmann et al.,

2020

). Kirchmann et al. (

2020

) concluded

that low soil pH rather than high SOC was the most proba-
ble reason for the observed yield decline with increasing
SOC. Thus, a proper analysis of the relationship between
SOC and crop yields needs to account for this potential
interaction with other yield-determining variables.

Although the cycling of nutrients increases with SOC,

since nutrient limitations and acidity can be controlled by
fertilizer and lime, the huge interest in the relationship
between SOC and soil fertility is mainly driven by non-
nutrient-constrained yield effects (Hijbeek et al.,

2017

).

These effects relate to soil physical properties and associ-
ated processes. For instance, the effect of SOC on plant-
available water capacity (PAWC) has been investigated in
many studies as reviewed by Lal (

2020

). Whereas most of

the studies he reviewed reported a positive relationship
between SOC and PAWC, several studies reported no or

even negative correlations. He concluded that further
research is needed to understand the mechanisms behind
this relationship that can explain the huge variation
among studies.

Our objective was to analyse the response of biomass

production during the recent 20 years (2000

–

2019) to

changes in SOC content that had evolved in 14 treatments
in the

‘

Ultuna long-term soil organic matter experiment

’

in Sweden for more than five decades. In particular, we
wanted to disentangle the processes behind this response,
that is, to which extent the yield response due to SOC
changes was mainly driven by changes in physical or bio-
chemical properties and processes. We also analysed
changes in soil acidity and crop N supply resulting from
the long-term addition of mineral N fertilizers and
organic amendments. We present new primary data from
the experiment and studied yields of silage maize that
was grown as monoculture since 2000 in response to
changes in soil properties. After about five decades, SOC
concentrations differed by almost a factor of four between
the extreme treatments (Kätterer et al.,

2011

). This wide

range of SOC concentrations established at the same site,
is, except for a few other studies (Kauer et al.,

2019

;

Lal,

2013

), unique and suitable for this kind of analysis

since it minimizes the potential interference with con-
founding factors related to different sites (Moinet
et al.,

2023

). By considering N limitation and soil acidity

in our analysis, we estimated the yield response to a
change in SOC that is governed by soil structure and
plant-accessible water and that cannot be compensated
for by applying more mineral fertilizer.

We hypothesized that biomass production increases

with SOC concentration due to higher N delivery from
the soil and crop N use efficiency, as well as changes in
soil physical properties affecting plant available soil water
capacity. The positive response of crop productivity to
increasing pH in acid soils is not new, but we intended
to quantify this relationship along the range of pH-values
in the treatments (4.18

–

7.27). Such high differences in

soil pH are unique in studies on agricultural practices at
the same site, and we hypothesized that productivity con-
tinues to increase with soil pH at pH-values above 6.5,
which is the target value for clayey arable soils according
to Swedish recommendations (Kirchmann et al.,

2020

).

2

|

M A T E R I A L S A N D M E T H O D S

2.1

|

Site description and treatments

The Ultuna long-term

‘

soil organic matter experiment

’

(FRAME-56) was initiated in 1956 at the Swedish Univer-
sity of Agricultural Sciences (SLU) close to Uppsala

KÄTTERER and BOLINDER

3 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 4

Figures and page graphics, page 4

(59.82

o

N, 17.65

E). The major objective of the experi-

ment is to investigate the long-term effect of different
mineral N fertilizers and organic amendments on crop
productivity and soil properties. The site lies within a Dfb
climate (warm summer hemiboreal) according to the
Köppen classification (Peel et al.,

2007

), with a mean

annual (1956

–

2009) air temperature of 5.8

C and an

annual mean total precipitation of 542 mm (Kätterer
et al.,

2011

). The soil is classified as Eutric Cambisol

(IUSS Working Group,

2006

). The parent material con-

sists of post-glacial sediments and illite is the main clay
mineral (Gerzabek et al.,

1997

). In 1956, the topsoil

(0

–

20 cm) had an organic C content of 1.50%, an N

content of 0.17%, a pH (water) of 6.54 and dry soil bulk
density (BD) of 1.44 Mg m

3

. The texture of the topsoil is

clay loam with 36.5% clay, 41.0% silt (0.002

–

0.06 mm)

and 22.5% sand (0.06

–

2 mm).

The experimental design consists of 15 treatments

with four replicate plots in a randomized block design
(Table

1

). Each plot is 2

2 m, separated by 40 cm high

steel frames extending to a depth of about 30 cm. Soil
dry BD differs widely across treatments, which is
reflected in elevation differences between the plots
which varied by up to 5.7

–

7.5 cm between treatments

(due to soil volume expansion with decreasing BD),
depending on the two estimation methods used
(Kätterer et al.,

2011

). Three of the treatments receive

different

types

of

inorganic

N

fertilizers

only

(80 kg N ha

1

year

1

), six receive organic amendments

only, four receive both N fertilizer and organic amend-
ments, and one receives neither N fertilizer nor organic
amendments. A bare fallow, without any crop, is also
included (Table

1

). All plots are regularly weeded by

hand or, during a few years with heavy weed invasion,
treated with an herbicide. Weed biomass production has
not been measured, but was estimated to be less than
50 kg dry matter ha

1

year

1

(Kätterer et al.,

2011

).

In 10 of the treatments receiving different organic

amendments, such as straw, green manure, farmyard
manure, sawdust, peat and sewage sludge (SS), approx-
imately the same amount of C (4 Mg ha

1

) was added

in 1956, 1960, and biannually since 1963 after crop har-
vest before autumn tillage (Table

1

). All organic

amendments were produced ex situ, including straw
and green manure. From 1956 to 1999, annual C3 crops
were cultivated, whereof spring barley and oats were
most frequent (see Kätterer et al.,

2011

for details).

Since 2000, silage maize, a plant with a C4 photosyn-
thetic cycle, is grown every year. The rationale for this
shift in crop type was to change the

13

C signature of

SOC, which can be used to track the fate of maize-
derived C in SOC (Menichetti et al.,

2013

,

2015

) and in

different soil fractions (Ghafoor et al.,

2017

), as

respired CO

2

(Shahbaz et al.,

2019

) or in microbial

biomass (Börjesson et al.,

2016

; Shahbaz et al.,

2020

).

At harvest, all above-ground crop residues are removed
after cutting the crops at the soil surface. Thus, crop
residue inputs are solely from below-ground, including
below-ground stem bases, root tissues and rhizodeposits.
Thereafter, usually in October, the soil is tilled by hand
with a spade to a depth of 20 cm. The effect on topsoil
mixing is similar to that of mouldboard ploughing but
soil compaction by heavy machinery is avoided. In
spring, all plots are fertilized with the same amount of
P and K, that is, 20 kg P ha

1

year

1

as superphosphate

and 35

–

38 kg K ha

1

as KCl with the intention that

P and K should not limit plant growth. This was
followed up with bi-annual soil tests showing very good
P- and K-status in all treatments (data not shown). A
more detailed description of the experiment and results
for the first 35 years was presented by Kirchmann et al.
(

1994

) and Persson and Kirchmann (

1994

) and for the

first 53 years by Kätterer et al. (

2011

).

2.2

|

Biomass and soil sampling and

analysis

In this work, we focus on the period 2000

–

2019 when

maize was grown, which has been sown in rows with a
40 cm distance. For estimating the dry mass of above-
ground biomass, an area of 1.6 m

2

(0.8

2.0 m) in the

centre of each plot was harvested, dried and weighed.
Subsamples were analysed for N and other nutrients
using standard methods and thereafter stored in our sam-
ple archive at SLU.

The soil was sampled at five random locations in each

plot to a depth of 20 cm using a soil corer. Soil sampling
was conducted after crop harvest but before tillage in
autumn. The soil was sampled intermittently between
1956 and 1983, and biannually thereafter. The most
recent sampling was done in 2019. The five samples per
plot were then combined into one composite sample
per plot before drying at 105

C and sieving at 2 mm. Soil

C and N concentrations were measured with dry combus-
tion (LECO instruments) and soil pH was measured in
water. After analysis for plant nutrients, soil samples
were then stored in our sample archive at SLU. The
development of SOC concentrations in the treatments
over time is presented in Figure

1

, and average soil pH

values over the period 1999

–

2019 per treatment are pre-

sented in Table

1

. The BD was measured only occasion-

ally in this experiment. Here, we use the measurements
from 2009 that have been published by Kätterer et al.
(

2011

) that were assumed to be representative of the

period 2000

–

2019.

4 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 5

Figures and page graphics, page 5

TABLE

1

Treatments

in

the

Ultuna

long-term

soil

organic

matt

er

experiment.

ID

Ref

§

Treatment

Fertilizer

§§

(80

kg

N

h

a

1

year

1

)

Amendment

(C/N

ratio)

Yield

(Mg

ha

1

)

SOC

(%)

SON

(%)

SOC/SON

BD

(Mg

m

3

)

pH(H

2

O)

R

pH

NNI

BF

A

Bare

fallow

0.94

L

0.094

10.0

de

1.43

6.21

de

Unf

B

Control

2.61

fg

1.09

k

0.106

g

10.3

de

1.40

6.30

d

0.99

0.52

ef

CaN

C

Calcium

nitrate

Ca(NO

3

)

2

6.07

cd

1.33

i

0.127

f

10.4

d

1.28

6.67

b

1.01

0.84

abc

AS

D

Ammonium

sulphate

(NH

4

)

2

SO

4

1.92

g

1.20

j

0.136

e

8.85

f

1.21

4.18

h

0.30

0.65

de

CN

E

Calcium

cyanamide

CaCN

2

6.26

cd

1.40

h

0.135

e

10.4

d

1.25

7.28

a

1.03

0.82

abc

GM

H

Green

manure

Grass

(33)

5.35

de

1.56

f

0.150

d

10.4

d

1.34

6.09

de

0.98

0.74

cd

SS

O

Sewage

sludge

Sew.

Sludge

(8)

7.62

ab

2.66

c

0.274

a

9.71

e

1.02

4.90

g

0.82

0.94

a

FYM

J

Farmyard

manure

Manure

(14)

7.20

bc

2.12

d

0.202

b

10.5

cd

1.24

6.55

bc

1.00

0.79

bc

FYM

+

P

§§§

K

Farmyard

manure

Extra

P

Manure

(14)

7.12

bc

2.16

d

0.203

b

10.6

cd

1.20

6.35

d

0.99

0.80

bc

Peat

I

Peat

Peat

(45)

4.52

e

3.10

b

0.170

c

18.2

a

1.12

5.62

f

0.94

0.55

ef

Peat

+

N

M

Peat

+

N

Ca(NO

3

)

2

Peat

(45)

8.38

a

3.65

a

0.204

b

17.9

a

1.05

5.99

e

0.97

0.89

ab

SD

L

Sawdust

Sawdust

(1865)

2.58

fg

1.82

e

0.129

ef

14.1

b

1.28

6.37

cd

0.99

0.50

f

SD

+

N

N

Sawdust

+

N

Ca(NO

3

)

2

Sawdust

(1865)

6.98

bc

2.15

d

0.158

d

13.6

b

1.23

6.70

b

1.01

0.79

bcd

Str

F

Straw

Straw

(74)

3.49

ef

1.48

g

0.134

e

11.1

c

1.38

6.39

cd

0.99

0.58

ef

Str

+

N

G

Straw

+

N

Ca(NO

3

)

2

Straw

(74)

7.09

bc

1.88

e

0.170

c

11.1

c

1.21

6.60

b

1.00

0.86

abc

Note

:

Type

of

N

fertilizer

and

organic

amendments

(with

C/N

ratio

in

parenthesis),

measured

dry

matter

yields

of

silage

maize,

soil

organic

carbon

(SOC)

an

d

nitrogen

(SON)

concentrations,

soil

C/N

ratios,

dry

soil

bulk

density

(BD),

pH

in

water,

and

estimated

relative

growth

response

to

pH

(

R

pH

),

and

nitrogen

nutrition

index

(

NNI

).

Values

represent

average

values

for

the

period

2000

–

2019

calculated

from

annual

yields

and

biannual

soil

sampling

conducted

in

autumn

after

harvest,

except

for

BD

which

was

measured

only

once,

in

2009,

during

this

period

and

for

which

average

values

were

taken

from

Kätterer

et

al.

(

2011

).

Means

suffixed

by

different

letters

are

significantly

different

at

p

<

0.05

according

to

Tukey's

Studentized

range

test.

§

Reference

to

treatment

IDs

used

in

previous

publications

from

the

Ultuna

trial.

§§

All

treatments

including

the

bare

fallow

receive

20

kg

P

and

35

–

38

kg

K

h

a

1

year

1

.

§§§

Calcium

cyanamide

was

applied

in

FYM

+

P

only

in

1956.

Manures

applied

in

1956

and

1960

derived

from

different

batches

in

FYM

and

FYM

+

P.

Total

applications

of

N

a

s

manure

were

about

60

kg

higher

in

FYM

+

P

than

FYM

during

that

period.

Thereafter,

the

only

differences

between

FYM

and

FYM

+

P

were

double

P-application

(superphosphate)

in

FYM

+

P

compared

to

FYM

and

all

other

treatments.

KÄTTERER and BOLINDER

5 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 6

Figures and page graphics, page 6

2.3

|

Yield response to changes in SOC

As N supply differed among experimental treatments,
which also altered soil pH over time (Table

1

), we

grouped the treatments into five classes:

i.

High N treatments

, being those eight treatments receiving

80 kg N ha

1

year

1

from mineral fertilizer (CaN, CN,

Peat

+

N, SD

+

N and Str

+

N) as well as those receiving

more than 80 kg N ha

1

year

1

from organic N inputs

(FYM, FYM

+

P and SS), 140 or 250 kg N ha

1

year

1

from manure or SS, respectively,

ii.

Low pH treatment

AS with an average soil pH value

of 4.18, where toxic effects of Al

3

+

are likely severe

(Rahman & Upadhyaya,

2021

),

iii.

Medium N treatment

, that is, treatment GM that

receives 61 kg N ha

1

year

1

from green manure

and is, therefore, moderately N limited,

iv.

Low N treatments

, that is, the unfertilized control

treatment (Unf) and those receiving organic inputs
with low N content, such as cereal straw (Str) and peat
(Peat) corresponding to 27 and 44 kg N ha

1

year

1

,

respectively, and

v.

Very low N treatment

, that is, treatment SD, where

sawdust is added with a C/N ratio as high as 1865,
which

likely

causes

N

immobilization

during

decomposition.

2.4

|

Yield response to soil pH

For evaluating the effect of soil pH on crop yield, we con-
sidered the three treatments CaN, AS and CN that
received the same amounts (80 kg N ha

1

year

1

) but dif-

ferent types of mineral fertilizers, which over time resulted
in the evolution of significantly different soil pH values

(Table

1

). We used the whole time series (1956

–

2019) to

cover the entire range of soil pH differences between treat-
ments. Since soil pH measurements were scarce during
the first three decades of the time series, we fitted trend
lines to the data series to obtain annual soil pH estimates.
They described the data well, especially for the recent two
decades which are in focus in this paper (Figure

2

). In

treatment CaN, soil pH was quite stable over time. There-
after, we normalized annual yield records in AS and CN
relative to those in CaN by calculating yield ratios, that is,
AS/CaN and CN/CaN. This allowed us to construct
response functions describing the relationship between
annual yield measurements as a function of soil pH
(Figure

3

). The response of these yield ratios to soil pH

(

R

pH

) was then plotted and a Michaelis Menton-type

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1950

1970

1990

2010

2030

Soil pH

CN

CaN

AS

F I G U R E 2

Evolution of soil pH(H

2

O) over time in treatments

CaN, AS and CN. The fitted trend lines are for treatments CaN:

y

=

6.54, AS:

y

=

0.000599x

2

–

0.0769x

+

6.54, CN:

y

=

Min(6.54

+

0.051x; 7.26) for

x

=

(year-1956).

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

3

4

5

6

7

8

Relave crop yield

Soil pH 

AS

CN

RpH

F I G U R E 3

Yields in treatments AS and CN relative to those in

treatment CaN, which had a relatively stable pH of 6.54. The

estimated parameter values are

R

max

=

1.12,

R

0

=

4.07,

K

=

0.31,

and the calibrated response function is:

R

pH

=

1.12(pH -4.07)/[0.31

+

(pH -4.07)].

0

1

2

3

4

5

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

SOC %  (0-20 cm)

Peat+N

Peat

SS

SD+N

FYM+P

FYM

Str+N

SD

GM

Str

CN

CaN

AS

Unf

BF

F I G U R E 1

Topsoil (0

–

20 cm) carbon concentrations over time

(1956

–

2019) for the 15 treatments in the Ultuna frame trial

(see Table

1

for the description of treatments).

6 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 7

Figures and page graphics, page 7

function was fitted to the data by estimating the value of
its three parameters by minimizing root mean square error
using the generalized reduced gradient function imple-
mented in the solver package in MS Excel:

R

pH

¼

R

max

pH

R

0

ð

Þ

K

þ

pH

R

0

ð

Þ

, for

R

0

≤

pH

≤

7

:

26,

ð

1

Þ

where

R

max

defines the asymptote of the function,

R

0

is

the intercept on the

x

-axis corresponding to the soil pH

below which crop growth will vanish and

K

is a fitting

parameter. The sum of

K

+

R

0

corresponds to the soil

pH at which biomass production is expected to be 50%
compared with the reference pH, which here corre-
sponds to the initial soil pH (6.54). The function is
probably only valid in the range of soil pH values con-
sidered here, that is, from

R

0

to pH 7.26, representing

the average value in treatment CN during the period
1999

–

2019.

2.5

|

Nitrogen nutrition index

We applied the widely used concept of critical N con-
centration (

N

c

) to diagnose the N status in maize in the

different treatments (Liu et al.,

2023

). This concept

builds on the principle that plant N concentration
decreases monotonically as the crop grows (Greenwood
et al.,

1986

), and

N

c

is defined as the minimum N con-

centration required for maximum crop growth rate
under given conditions (Ulrich,

1952

). A lot of work has

been done to develop empirical functions describing

N

c

for different crops during the vegetative growth of agri-
cultural crops (Greenwood et al.,

1986

; Lemaire

et al.,

2008

). We adapted here the empirical power func-

tion developed for a German dataset that was shown to
be valid even until silage maturity (Herrmann &
Taube,

2004

):

N

c

¼

3

:

41

DM

0

:

391

,

ð

2

Þ

for maize dry mass (DM)

≥

1 Mg ha

1

and

N

c

=

3.41 for

DM <1 Mg ha

1

. The rationale for a constant

N

c

at low

biomass is that light competition for isolated young
plants is limited during early growth stages (Plénet &
Lemaire,

1999

). Under these conditions, internal nitrogen

concentration is linearly related to the relative growth
rate and exponential growth occurs if the internal con-
centration is constant (Ågren,

1985

; Ingestad,

1982

). To

quantify the degree of N limitation, we calculated the N
nutrition index (

NNI

) according to Lemaire et al. (

2008

)

from the ratio of actual N concentration in maize
biomass (

N

a

) relative to

N

c

,

NNI

¼

N

a

=

N

c

:

ð

3

Þ

NNI

reflects the degree of N limitation that is propor-

tional to plant growth or yield, it varies between 0 and an
upper limit of 1.0, that is, when

N

a

>

N

c

, the nitrogen

supply has been in excess and will not result in further
plant growth.

2.6

|

Nitrogen balances

Nitrogen balance components were compiled to gain
knowledge about the use efficiency of N in fertilizers and
organic amendments in the different treatments and their
potential impact on the environment. Nitrogen in harvested
biomass was calculated from annual records of DM yield
and N concentrations. Nitrogen added in the organic
amendments was calculated from bi-annual measurements
for the period from 1999 to 2019. Air deposition estimates
were adapted from Pihl Karlsson et al. (

2012

). Changes in

soil organic N (SON) stock to a depth of 20 cm were calcu-
lated from the slope of linear regression lines fitted to
bi-annual SON concentrations (1999

–

2019), multiplied by

BD measured in 2009 (Kätterer et al.,

2011

). The changes in

SON stocks were included in our analysis because they con-
stitute important sinks or sources in N balances (Karlsson
et al.,

2003

). The N surplus, a widely used indicator for

potential N losses to the environment, was calculated as the
difference between measured N inputs from fertilizer, seeds
and air deposition, and outputs in the harvested DM. As
indicators of resource use efficiency (outputs/inputs), we
calculated several commonly used indicators (Lahda
et al.,

2005

) of nitrogen use efficiency (NUE) by excluding

(NUE) or including (NUE*) net annual changes in SON
(i.e., N mining). We also calculated fertilizer agronomic effi-
ciency (AE), which is the difference in harvested N in treat-
ment and unfertilized control over inputs (excluding
changes in SON). In addition, we calculated fertilizer use
efficiency (FUE) accounting for differences in harvested N
(

h

) and soil N mining (

m

) between the fertilized treatment

(subscript

t

) and the corresponding unfertilized control

treatment (subscript c): [(

h

t

–

h

c

)

–

(

m

t

–

m

c

)] divided by annual

fertilizer input (80 kg N ha

1

). Control treatments were

those with corresponding amendments, that is, CaN for
treatments AS and CN, Str for Str

+

N, Peat for Peat

+

N

and SD for treatment SD

+

N. For the treatments receiving

amendments but no mineral N, we calculated amendment
N use efficiency (AUE) in the same way as FUE but with
annual N input from organic amendments in the denomi-
nator. The control treatment here was always the unferti-
lized control (Unf). By comparing FUE and AUE, the
equivalent N fertilizer value of organic amendments can be
calculated (Delin et al.,

2012

).

KÄTTERER and BOLINDER

7 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 8

Figures and page graphics, page 8

2.7

|

Calculation of plant available water

capacity

Soil water retention characteristics were measured in
1997 in the topsoil (0

–

20 cm) in nine treatments (BF,

Unf, CaN, Str, GM, Peat, FYM, SD and SS) in the wetter
range up to a tension of pF 3.5, corresponding to the
pressure of a 30 m water column (Kirchmann &
Gerzabek,

1999

). Assuming that water content at wilting

point (pF 4.2) was not responsive to experimental treat-
ments, we used the measurement of wilting point from a
soil profile in 1969 adjacent to the experimental plots
(17.2%; Wiklert et al.,

1983

) to calculate PAWC, that is,

the difference in volumetric soil water content between
field capacity (pF 2) and wilting point (pF 4.2).

2.8

|

Data analysis

The variance of target variables such as yield, SOC, SON,
soil pH and

NNI

measured during the two decades was

analysed using mixed models in the SAS software (SAS
Institute Inc., Cary, NC, USA). For yields, plot-wise
annual records for the period 2000

–

2019 were available.

Treatment was included in the statistical model as a fixed
categorical variable, replicate block as a random factor
and year as a repeated measure.

NNI

was calculated per

treatment and year since plot-wise N concentrations in
maize biomass were not available for all years. For the
soil variables, bi-annual measurements of SOC, SON and
soil pH were available (except for 2003) at the plot scale.
The same statistical model as for yields was applied to
these soil variables, but the sampling year was defined as
a numerical variable instead of a repeated measure to
cover potential trends over time. Interactions between
sampling year and treatment were significant for SOC
and SON and were further studied with linear regressions
fitted to the times series of SOC and SON for each treat-
ment. For soil pH, this interaction was not significant
and therefore excluded from the model. Tukey's Studen-
tized range test was used to analyse treatment effects.
Multiple linear regression analysis was used for stepwise
testing the impact of BD,

R

pH

and

NNI

on average maize

yield (2000

–

2019) in the treatments.

3

|

R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N

3.1

|

Yield response to changes in SOC

Maize DM yields varied between 1.85 and 8.39 Mg ha

1

across years in the different treatments. Treatment effects
on yield were significant and differences between several

treatments were significant according to Tukey's post hoc
test (Table

1

). Replicate block and interactions with treat-

ment and sampling year had no significant effect on the
variance in crop yield according to the mixed model.
Maize yield increased with SOC in both the

‘

High N

treatments

’

and

‘

Low N treatments

’

(Figure

4

). Yields in

treatment Peat

+

N with the highest SOC concentration

(3.67%; Table

1

) were 39% higher than those in treatment

CaN (with 1.33% SOC) receiving only nitrate fertilizer.
The yield response to SOC was about 1 Mg ha

1

for each

percentage unit increase in SOC in the

‘

High N treat-

ments

’

and about 0.9 Mg ha

1

in the

‘

Low N treatments

’

according to linear regression analysis (R

2

=

0.96). In rela-

tive terms, this corresponds to a yield increase of 16% per
unit of SOC% increase. This yield response can probably
not be extrapolated ad infinitum, but surprisingly, the
yield response to SOC in this study was linear up to 3.67%
SOC and did not level off above 2% SOC as suggested by
the meta-analysis presented by Oldfield et al. (

2019

).

3.2

|

Yield response to soil pH

Fertilization with calcium nitrate could maintain soil
pH in treatment C throughout the experiment (Figure

2

).

Values of soil pH during the recent decade (6.60) were
similar to the initial pH in 1956 (6.54). Fertilization with
calcium cyanamide (treatment CN), which is hydrolysed
in the soil to form cyanamide and bicarbonate, increased
soil pH during the first two decades by about 0.7 pH units
to 7.26. On the contrary, fertilization with ammonium
sulphate in treatment AS strongly acidified the soil over
time (Figure

2

), where the soil pH has dropped to values

y = 0.97x + 4.95

R² = 0.96

y = 0.87x + 1.87

R² = 0.91

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

Y

ield (Mg 

ha

-1

)

SOC%

High N

Low N

Medium N

Very low N

Low pH

F I G U R E 4

Maize yield response to SOC concentration

averaged over 20 years (2000

–

2019 for yields and 1999

–

2019 for

SOC) for the experimental treatments grouped into five classes
depending on N supply and soil pH (see text and tables for details).

The lines are response functions fitted to the eight

‘

High N

treatments

’

(CaN, CN, Str

+

N, FYM, FYM

+

P, SD

+

N, Peat

+

N

and SS) and three

‘

Low N treatments

’

(Unf, Str and Peat).

8 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 9

Figures and page graphics, page 9

TABLE

2

Nitrogen

balance

components

(kg

N

h

a

1

year

1

)

and

efficiency

indices

(%)

in

the

experimental

treatments

for

the

period

2000

–

2019.

BF

Unf

CaN

AS

CN

GM

SS

FYM

FYM

+

P

Peat

Peat

+

NS

D

S

D

+

N

Str

Str

+

N

Harvested

biomass

(kg

N

h

a

1

year

1

)

27.9

79.8

29.9

80.5

66.4

116

86.6

88.4

45.4

106

27.3

84.2

39.1

91.3

Mineral

fertilizer

(kg

N

h

a

1

year

1

)8

0

8

0

8

0

8

0

8

0

8

0

Amendments

(kg

N

h

a

1

year

1

)

6

1

250

140

140

44

44

1

1

27

27

Seeds

a

(kg

N

h

a

1

year

1

)

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

Air

deposition

b

(kg

N

h

a

1

year

1

)3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

N

mining

c

(kg

N

h

a

1

year

1

)

2

5

3

2

2

7

1

7

2

24

2

2

8

1

0

1

0

1

4

3

2

3

2

2

8

2

92

9

Total

inputs

d

(kg

N

h

a

1

year

1

)

2

8

3

5

110

100

105

107

281

152

153

62

160

36

112

59

139

N

surplus

e

(kg

N

h

a

1

year

1

)3

25

4

5

3

3

2

137

56

55

2

2

2

23

0

91

9

Total

balance

f

(kg

N

h

a

1

year

1

)

2

8

7

30

70

25

40

165

66

65

16

54

9

2

8

2

0

4

8

NUE

g

(%)

821

96

36

97

103

46

61

62

95

83

611

100

129

83

NUE*

h

(%)

79

72

30

76

62

41

57

58

74

66

75

75

66

66

AE

i

(%)

65

2

6

6

6

3

3

5

4

2

4

3

3

9

6

3

57

69

41

59

FUE

j

(%)

71

22

78

52

76

65

AUE

k

(%)

47

37

58

59

a

Estimated

from

standard

values,

28

kg

ha

1

and

9%

protein,

N%

=

protein/6.25.

b

Estimate

according

to

Pihl

Karlsson

et

al.

(

2012

).

c

Annual

decline

in

N

stocks

in

the

topsoil

(0.20

m)

according

to

the

linear

slope

of

a

regression

line

fitted

to

bi-annual

soil

organic

nitrogen

concentr

ation

measurement

(1999

–

2019),

multiplied

by

bulk

density

(measured

in

2009

by

Kätterer

et

al.,

2011

)

and

soil

depth.

d

All

inputs

including

N

mining.

e

Inputs

(excluding

N

mining)

minus

N

in

harvested

biomass.

f

Inputs

(including

N

mining)

minus

N

in

harvested

biomass.

g

Nutrient

use

efficiency,

that

is,

harvested

N

over

inputs

(excluding

N

mining)

in

percentage.

h

Nutrient

use

efficiency,

that

is,

harvested

N

over

inputs

(including

N

mining)

in

percentage.

i

Agronomic

efficieny,

that

is,

difference

in

harvested

N

in

treatment

and

unfertilized

control

over

inputs

(excluding

N

mining)

in

percentage.

j

Fertilizer

use

efficiency

(percentage)

accounting

for

differences

in

harvest

N

(h)

and

N

mining

(m)

between

the

fertilized

treatment

(subscript

t)

a

nd

the

corresponding

unfertilized

control

treatment

(subscript

c):

[(h

t

–

h

c

)

–

(m

t

–

m

c

)]

divided

by

annual

fertilizer

input

(80

kg

N

h

a

1

).

Control

treatments

were

those

with

corresponding

amendments,

that

is,

CaN

for

treatments

AS

and

CN,

Str

for

Str

+

N,

Peat

for

Peat

+

N

and

SD

for

SC

+

N.

k

Amendment

N

use

efficiency

(percentage)

was

calculated

in

the

same

way

as

FUE

but

with

annual

N

input

from

amendments

in

the

denominator.

The

control

tr

eatment

here

was

always

the

unfertilized

control

(Unf

).

KÄTTERER and BOLINDER

9 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 10

Figures and page graphics, page 10

around 4.1, which has led to very low maize yields during
recent years.

Yields, relative to those in treatment CaN, strongly

responded to an increase in soil pH between values of
4 and 5 (Figure

3

). According to the calibrated response

function, yields increased from zero at

R

0

at pH 4.07 to

50% at pH 4.38 (

R

0

+

K

) and to 85% at pH 5 of the yield

obtained at soil pH 6.54. An increase in pH from 6.54 in
treatment CaN to 7.26 in treatment CN further stimu-
lated biomass production by 2% according to the response
function. In comparison, yield measurements average
over the period 2000

–

2019 were 3% higher in treatment

CN than in treatment CaN (Table

1

). This response func-

tion was used to estimate

R

pH

for all treatments for the

average soil pH during the targeted period (Table

1

). Pre-

dicted yield responses to soil pH were similar across
11 treatments and deviated by a maximum of 3% from
unity (

R

pH

-values between 0.97 and 1.03), but for three of

the treatments (Peat, SS and AS) with severe acidification
(soil pH: 5.62, 4.90 and 4.18, respectively), corresponding
yield reductions were higher: 6, 18 and 70% (

R

pH

-values

0.94, 0.82 and 0.30).

3.3

|

Nitrogen balances, N efficiencies

and N mining

Input

–

output estimates of nitrogen are essential for

improving nitrogen management in agroecosystems. The
nitrogen balances for the treatments disclosed several
interesting insights about N cycling (Table

2

). The N sur-

plus was naturally most negative in the unfertilized treat-
ment without amendments (Unf) and in the unfertilized
treatment receiving sawdust with low N concentration
(SD). The surplus was highly positive in the acidic treat-
ment AS, in the farmyard manure treatments (FYM and
FYM

+

P), and especially in the SS treatment. Negative

N surplus values were closely related to high NUE, which
was close to 100% in the N fertilized treatments without
amendments, or even above 100% in the control (Unf)
and in treatments without N fertilizer but receiving
amendments with low to moderate N content (Str, GM
and Peat). The NUE was lowest in the acidic treatment
AS, the farmyard manure treatments (FYM and FYM

+

P) and the SS treatment. The high values for NUE,

especially in the low-N treatments, were due to decreases
in SON stocks. Surprisingly, all treatments lost SON dur-
ing 1999

–

2019, between 10 and 42 kg N ha

1

year

1

on

average, and SOC was lost in 11 out of 15 treatments dur-
ing the same period. Thus, net N mineralization of SON
(N mining) was a major N source for the maize, espe-
cially in the low-N treatments. Primarily in the treat-
ments with organic amendments, the positive trend over

time in SOC and SON shifted from positive to negative
around the year 2000 with the onset of maize cultivation
(Figures

1

and

7

). Maize is uncommon in central

Sweden, and in our experiment, it has been sown quite
late in spring. The Ultuna experiment is not intended for
optimizing maize productivity, and crop yields were gen-
erally low, reaching only around 8 Mg DM ha

1

on aver-

age in the best treatment (Table

1

). The potential length

of the growing season for maize in the area is about
140 days and has not been fully utilized. Indeed, the
mean growth period for maize at our site was only
95 ± 10 days, which is also 25 days less than the average
growth period of the C3 crops grown during the 1956

–

1999

period. Furthermore, the root/shoot ratio of the C3 crops
grown at this site (mostly small-grain cereals) is about 0.2
under Scandinavian conditions (Palosuo et al.,

2016

),

whereas typical root/shoot ratios for maize for such a short
growth period are usually lower and around 0.1 or less
(Amos & Walters,

2006

; Hirte et al.,

2018

; Xu et al.,

2020

).

Consequently, C input through maize roots was probably
lower than root inputs during the years before 2000, which
partly may explain the decline in SOC and SON during
recent decades.

The N mining was lowest in the farmyard treatments

(FYM and FYM

+

P) and highest in treatment GM

receiving green manure. A potential interpretation for
high N mining in GM could be that priming was stimu-
lated through the input of fresh plant biomass. This is
supported by recent findings from incubations of soils
from a long-term experiment, where priming in a
manure-amended soil was lower than in a soil receiving
only mineral N or NPK fertilizers (Wu et al.,

2023

). The

increase in N mining was associated with increased ratios
of dissolved organic C and N. Although the soluble C
fraction was similar in the added green and farmyard
manure in our experiment, the former decomposed more
than three times as fast as the latter in a 3-day incubation
study (Peltre et al.,

2012

) and had also lower N concen-

trations (Table

1

).

The frequently used NUE index was well above its

global median value (46% according to Zhang et al.,

2021

),

but was not very helpful in our context where NUE
exceeded 100% in several treatments. When including N
mining as a source of N (NUE*), N use was most efficient
(79%) in the unfertilized control (Unf) and lowest in the
SS treatment (O). Even several of the N-fertilized treat-
ments (CaN, CN and SD

+

N) had NUE*-values above

70%. Except for the acidic treatment (AS), the AE was also
relatively high (59%

–

69%) in all N fertilized treatments

(CaN, CN, Str

+

N, Peat

+

N and SD

+

N).

FUE was highest (78%) in treatment CN. Since crop

uptake was similar (about 80 kg N ha

1

in both CaN and

CN), the higher FUE in CN compared with CaN was

10 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 11

Figures and page graphics, page 11

mainly governed by lower N mining in CN, which indi-
cates that the higher soil pH in CN did rather slow down
than accelerate the turnover of soil organic matter. This is
in contrast to Leifeld et al. (

2013

) who observed decreasing

mean residence times of SOC with increasing soil pH
along a natural acidity gradient in alpine grasslands.

The efficiency of N use from N-rich amendments

(AUE) was generally lower than FUE. It varied between
37% in SS and 59% in FYM

+

P. Efficiencies of N use

from treatments receiving low-N amendments are less
relevant to consider since these are representing legacy
effects, where the treatments have resulted in N immobi-
lization rather than N mineralization and the built-up of
soil N stocks.

3.4

|

Nitrogen nutrition index

Nitrogen concentrations in harvested maize biomass var-
ied greatly between years and treatments (Figure

5

). The

calculated

NNI

(Equation

3

) averaged over the period

2000

–

2019 per treatment is presented in Table

1

. It is not

surprising that the unfertilized control treatment (Unf)
was severely N-limited (

NNI

=

0.52) and that the SS

treatment with excessive N input was the least N-limited
treatment (

NNI

=

0.94). The unfertilized treatments (Str,

Peat and SD) that received N-poor organic inputs, such
as straw, peat and sawdust, were also severely N-limited
(

NNI

from 0.50 to 0.58). The treatment with green

manure addition (GM) was moderately N limited
(

NNI

=

0.74). The relatively low

NNI

(0.65) in the acidi-

fied AS treatment may indicate that free aluminium in
the soil solution severely affected root functioning. In the

other treatments receiving mineral fertilizer or farmyard
manure,

NNI

varied between 0.79 and 0.89, indicating a

moderate degree of N limitation.

In this study, the evaluation of efficiency indexes did

not support our hypothesis that nitrogen cycling was
more efficient in high-SOC treatments. Indeed, NUE*,
FUE and AUE correlated negatively with SOC. Correla-
tion coefficients were

0.33,

0.84 and

0.35, respec-

tively. This negative correlation may be related to more
intense N cycling at high SOC, which may result in
increased N leaching and gaseous N losses, especially
during autumn (Guenet et al.,

2021

; Powlson et al.,

1989

).

However,

NNI

was closely related to total N inputs

(Figure

6

; Table

2

). This relationship was well described

by

the

logarithmic

dose/response

relationship

(R

2

=

0.87), which implies that the impact of additional

N input on

NNI

decreased with input rates. However, it

has to be considered that this response includes both
mineral fertilizers and organic amendments, where the N
efficiency of organic amendments (AUE) was generally
lower than that of mineral fertilizers (FUE).

3.5

|

Yield determinants

We used the BD, and the estimated

R

pH

and

NNI

values

(Table

1

) for the 14 treatments in a multiple linear regres-

sion analysis (Figure

7

). The model shows that nitrogen

status in maize was the major determinant of maize
yield, where

NNI

explained 79% of the variation in crop

yield among treatments;

R

pH

and BD explained 12% and

5%, respectively. The impact of all three variables on yield
was significant (

p

< 0.01), and the multiple regression

model explained 95% of the variation in yields. The
model intercept was not significantly different from zero.
This shows that it was possible to separate the positive

0

1

2

3

4

0

5

10

15

Maiz

e

 biomass N % 

Maize biomass (Mg ha

-1

)

Peat+N

Peat

SS

SD+N

FYM+P

FYM

Str+N

SD

GM

Str

CN

CaN

AS

Unf

Nc

F I G U R E 5

Nitrogen concentrations in harvested maize

biomass across treatments and years (2000

–

2019) as a function of

dry matter yield (see Table

1

for the description of treatments).

The black line represents the critical nitrogen concentration

N

c

=

3.41

DM

0.391

according to Equation (

2

) adapted from

Herrmann and Taube (

2004

).

y = 0.24ln(x) - 0.35

R2 = 0.87

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0

50

100

150

200

250

300

NNI

Total N inputs 

F I G U R E 6

Nitrogen nutrition index (NNI) versus total

N inputs from seeds, N deposition, fertilizer, amendments
and N mining for 14 treatments in the Ultuna frame trial

(i.e., bare fallow excluded).

KÄTTERER and BOLINDER

11 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 12

Figures and page graphics, page 12

impact of SOC on maize productivity into an effect
related to N supply or uptake efficiency and a physical
effect related to BD. This model describing maize yield
(

Y

)

normalized

for

the

standard

treatment

CaN

(i.e., yields in CaN are equal to 1) is:

Y

¼

0

:

0714

þ

1

:

653

NNI

þ

0

:

775

R

pH

–

0

:

892

BD

:

ð

4

Þ

This implies that a decrease from 1.4 to 1.0 Mg m

3

(the range of BD values in the experimental treatments)
would increase plant productivity by 29% under non-
limiting N conditions at reference soil pH (6.54). At sub-
optimal N supply and soil pH, the predicted relative
impact of BD increases, for example, to a 35% productiv-
ity increase at a simultaneous 10% decrease in

NNI

and

R

pH

(corresponding to pH 5.3).

It is well known that soil organic matter correlates

negatively with the BD of soil (Jeffrey,

1970

). Therefore,

SOC, a common proxy for soil organic matter, is included
as a predicting variable for hydraulic soil properties in
many pedotransfer functions (Rawls et al.,

2003

). In our

experiment, the negative slope of the regression line BD
versus SOC measured in 2009 was 0.122 (

R

2

=

0.67)

according to Kätterer et al. (

2011

), which means that an

increase in SOC by one unit percentage will lead to a
decrease in BD of 0.122 Mg m

3

. This slope is almost

identical to that derived from a database for agricultural
soils across Sweden (Kätterer et al.,

2006

), which

indicates that our results are representative, a least for
Swedish soils although the intercept of this functional
relationship varies between soil types (Kätterer et al.,

2011

). Substitution of measured BD (which is measured

much less frequently than SOC) in equation 4 with its
estimate derived from SOC (BD

est

=

1.469

–

0.122

SOC)

resulted in a similar model fit, explaining 96% of the
variance (not shown). Substitution of measured BD with
measured SOC in the multiple regression model together
with

NNI

and

R

pH

as independent variables resulted in

the following model that explained 97% of the variation
in Y (Figure

7

):

Y

¼ 

1

:

222

þ

0

:

131

SOC

þ

1

:

841

NNI

þ

0

:

562

R

pH

:

ð

5

Þ

The impact of the three variables on yield was highly

significant (

p

≤

0.0005), and partial

R

2

-values for

NNI

,

R

pH

and SOC were 79%, 11% and 7%, respectively. Inter-

actions between these three variables were not signifi-
cant. This implies that crop yields are predicted to
increase by 0.131 units, or 10% when SOC increases from
1% to 2%, for each unit increase in SOC percentage due
to changes in soil physical properties (i.e., when both

NNI

and

R

pH

=

1). When excluding the treatment with

an extremely low pH value (treatment AS) from the anal-
ysis, the slope of SOC in the regression model slightly
increased from about 10% to 13% yield increase per unit
increase in SOC. Yields (relative to the treatment CaN) in
the high-N treatments in our experiment increased by
16% for each unit change in SOC (Figure

4

). Thus, a

major part, of a least two thirds (10/16

=

63%), of the

SOC effect on crop yield was likely due to processes asso-
ciated with changes in soil physical properties, rather
than nutrient cycling.

3.6

|

Effects of SOC on PAWC

Soil water retention characteristics were measured in
1997 in the topsoil (0

–

20 cm) in nine treatments (BF,

Unf, CaN, Str, GM, SD, FYM, Peat and SS; Kirchmann &
Gerzabek,

1999

). When regressing water content at differ-

ent soil water tensions on SOC concentration, the slopes
of the regressions generally declined with soil water
tension in their study. Thus, water content under dry
conditions was less affected by SOC than under wetter
conditions, which is in accordance with many previous
studies (Hudson,

1994

). At the highest tension measured

by Kirchmann and Gerzabek (

1999

), pF 3.5, correspond-

ing to the pressure of a 30 m water column, the slope of
the regression was insignificant. Assuming that water
content at wilting point (pF 4.2) was not responsive to
SOC, we used the measurement of wilting point from a

y = 1.00x + 0.01

R2 = 0.95

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0

0.5

1

1.5

Measured yield

Predicted yield

y = 1.00x - 0.00

R2 = 0.97

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0

0.5

1

1.5

Measured yield

Predicted yield

F I G U R E 7

Measured versus

predicted average maize yields normalized
for the standard treatment C in 14 of the

treatments in the Ultuna frame trial

during the period 2000

–

2019 according to

two models. Left panel: Y

=

0.0714

+

1.653

NNI

+

0.775

R

pH

–

0.892

BD; right

panel:

1.222

+

0.131

SOC

+

1.841

NNI

+

0.562

R

pH

(see the text for details).

12 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 13

Figures and page graphics, page 13

soil profile in 1969 adjacent to the experimental plots
(17.2%; Wiklert et al.,

1983

) to calculate plant available

water capacity (PAWC), that is, the difference in volu-
metric soil water content between field capacity (pF 2)
and wilting point (pF 4.2). With this assumption, PAWC
in the upper 20 cm layer varied between 20.2 mm in the
bare fallow and 32.8 mm in the farmyard manure treat-
ment (Figure

8

). For the six treatments BF, Unf, CaN,

Str, GM and FYM, reflecting common agricultural prac-
tices, PAWC increased by 11.1 mm per unit percentage
increase of SOC (

R

2

=

0.94). This relationship was less

clear for the treatments SD, Peat and SS that received
sawdust, peat and SS, which are rather uncommon
amendments in agriculture, and were so probably also
during its historic land use. When including those in the
regression, PAWC increased only by 3.6 mm per unit
SOC%, and the coefficient of determination decreased to

R

2

=

0.51 (Figure

8

). Relative to SOC concentration,

these three treatments seemed to have affected soil pore
space and PAWC less than the others. This may relate to
the findings by Gerzabek et al. (

2001

), who found that

the extra SOC accumulating in these treatments in sam-
ples from 1997 was preferentially recovered in silt and
sand fractions rather than in the clay fraction. Another
fractionation study on samples taken in 1998 also showed
that SOC in the clay-sized fraction was most enriched in

13

C and

15

N, indicating the most intense turnover of soil

organic matter in the farmyard manure treatment and
least in the peat treatment (Kirchmann et al.,

2004

).

Treatment differences in SOC quality were also apparent
according to a size and density fractionation study on

samples from 2004 (Magid et al.,

2010

). According to

their study, a much lower proportion (around 40%) of
total SOC was recovered in the smallest fraction
(<0.05 mm) with the highest density (>1.85 Mg m

3

) in

the sawdust and SS treatments compared with, for exam-
ple, the bare fallow and unfertilized control treatments
(where this fraction contributed by almost 70% to total
SOC). The sawdust and peat had also the highest
cellulose-, lignin- and cutin-like fractions among amend-
ments according to the Van Soest fractionation scheme
(Peltre et al.,

2012

). Furthermore, the relatively high C/N

ratios in peat and sawdust treatments (Table

1

) also indi-

cate that these materials may decompose more slowly
than other organic inputs and therefore accumulate in silt
and sand fractions rather than in mineral-associated
organic matter in clay size fractions. Nevertheless, the
organic matter in the SS treatment had a relatively low
C/N ratio (9.6). The slow decomposition of sludge was
probably masked by its low C/N ratio (8.0). The high con-
tent of iron and aluminium in the sludge, which had been
added to wastewater in the treatment plant for precipitat-
ing phosphorus, and high concentrations of heavy metals
during the early decades of the experiments, may also
have decreased its accessibility for decomposers (Börjesson
et al.,

2014

). The low soil pH in the sludge treatment and

high concentrations of free aluminium and iron may also
have affected decomposition (Xiang et al.,

2023

) as well as

soil structure (

ˇ

Simanský & Jonczak,

2020

).

However, the relatively low impact of SOC on PAWC in

the treatments with high SOC does not reflect the overall
effect of the peat and sludge treatments on water storage
because our analysis was limited to the upper 20 cm of the
soil profile. According to Menichetti et al. (

2015

), these two

treatments significantly affected SOC, also in the upper sub-
soil, to a depth of 35 cm. Since topsoil layer thickness
increases proportionally to changes in BD, which in turn is
closely related to SOC, topsoil layer thickness and SOC are
closely correlated (Meurer, Chenu, et al.,

2020

). This was

clearly shown in samples taken in 2009 in our experiment
based on both plot elevation measurements and mass
balances (Kätterer et al.,

2011

). Therefore, when considering

only the topsoil, the effects of SOC on PAWC in these treat-
ments will be underestimated.

Our estimated increase in topsoil PAWC by 11.1 mm

for each unit increase in SOC% for the most common agri-
cultural practices is relatively high compared with several
previous studies (Bagnall et al.,

2022

; Lal,

2013

,

2020

) but

within the range reported by others (Hudson,

1994

). We

see three major reasons for the relatively strong response
in our study. Firstly, the clay content (36.5%) is compara-
tively high, and thus, aggregation may respond stronger to
SOC in our study than in studies based on more coarse-
textured soils. Secondly, all management in the Ultuna

y = 3.62x + 19.59

R2 = 0.51

y = 11.07x + 8.94

R2 = 0.94

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

1

2

3

4

PAWC (m

m

)

SOC%

All practices
Common practices

F I G U R E 8

Response of plant available water capacity (PAWC)

in the topsoil (0

–

20 cm) to SOC in nine selected treatments,

calculated based on data from Kirchmann and Gerzabek (

1999

).

The dataset was split into two categories: only common (BF, Unf,

CaN, Str, GM and FYM, in orange) and all agricultural practices

including less common ones (Peat, SD and SS, in black). The trend
lines concern the former group or the whole dataset (both groups).

KÄTTERER and BOLINDER

13 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 14

Figures and page graphics, page 14

small-plot frame trial is done by hand, and the soil is not
compacted by vehicles, which likely resulted in a stronger
response in structure to changes in SOC compared to
large plots or on-farm experiments using full-scale
machinery. Thirdly, the impact of SOC and topsoil layer
thickness has not been considered in previous reviews
and meta-analyses. The latter argument has implica-
tions for PAWC in the field. According to Kätterer et al.
(

2011

), topsoil layer thickness increased by 2.3 cm for

each unit of SOC% increase, which means that the same
mass of soil is distributed within a greater soil volume.
Thus, the whole volume of plant available water of this
extra 2.3 cm layer has to be added to the effect of
11.1 mm. For the farmyard manure treatment, for exam-
ple, this corresponds to an additional water storage
capacity of 3.8 mm. Consequently, the total increase in
PAWC was almost 15 mm in our experiment per unit of
SOC% increase. Particularly during dry spells, this extra
storage of water may become decisive for crop produc-
tivity (Liu et al.,

2023

).

4

|

C O N C L U S I O N S

Our analysis showed that maize yield in the treatments
that are not severely limited by nitrogen supply
(i.e., treatments receiving at least 80 kg N ha

1

year

1

as inorganic fertilizer or organic amendments) or soil
acidity (pH <5) increased by 16% for each percentage
unit increase in SOC. Three variables were identified as
yield-determining factors, that is, soil pH, the N status
of the crop and BD (as a proxy for soil physical proper-
ties). These variables together explained 95% of the vari-
ation in maize yields between treatments. According to
the resulting multiple regression model, yield responses
were sensitive to BD. Estimated potential yields that
were neither limited by acidity nor nitrogen, according
to this model, increased by about 10% for each percent-
age unit increase in SOC. Since the model accounted for
the biochemical limitations (nitrogen and soil pH), this
yield response to SOC should represent the response to
changes in soil structure associated with the changes in
SOC. We conclude that a major part, likely as much as
two thirds of yield responses to SOC change, could be
ascribed to associated changes in soil physical proper-
ties. Since the use efficiency of nitrogen was not notice-
ably affected by the level of SOC, the extra storage
capacity of plant available water associated with SOC
(i.e., which increased by almost 15 mm in the topsoil
per unit of SOC% increase) was most likely the main
driver for the observed yield responses. It should, how-
ever, be considered that the yield responses to SOC may
not be directly transferable in a quantitative way from

the Ultuna trial to farm-scale conditions. In farmers'
fields, soils are frequently compacted by agricultural
machinery, which impacts negatively on soil porosity
and water storage capacity. Nevertheless, the positive
effect of SOC on water storage capacity suggests that
measures for increasing SOC in cropland are most likely
an effective adaptation strategy for maintaining crop
productivity under future climatic conditions with more
frequent dry spells, even in relatively humid climates
such as in Sweden.

A U T H O R C O N T R I B U T I O N S
Thomas Kätterer:

Conceptualization; methodology;

software; data curation; investigation; validation; formal
analysis;

funding

acquisition;

visualization;

project

administration; writing

–

original draft; resources.

Martin A. Bolinder:

Writing

–

review and editing;

conceptualization.

A C K N O W L E D G E M E N T S

We dedicate this work to the memory of our colleague
and friend, the late Professor Holger Kirchmann, who
was involved in the early discussions about this work.
We remember him for his kindness and generosity and
as a dedicated scientist seeking to understand carbon
and nutrient cycling in agroecosystems. We acknowledge
the late Olle Gunnarsson and late Hans Nömmik for ini-
tiating the experiment and the late Professor Jan Persson
who safeguarded its continuation. We are thankful to our
faculty for providing resources to maintain the Swedish
long-term experiments, to Per Hillström, who carefully
managed the Ultuna frame trial for the three recent
decades, and to Karl-Gunnar Söderdahl, who took over
the management during recent years.

F U N D I N G I N F O R M A T I O N

This work was funded by the Swedish Government
Research

Council

for

Sustainable

Development

(FORMAS, grant 2022-00214), the EJP SOIL project
SIMPLE,

which

has

received

funding

from

the

European Union's Horizon 2020 research and innova-
tion program (grant agreement No. 862695) and by the
Swedish Farmers' Foundation for Agricultural Research
(SLF, grant O-22-23-734).

D A T A A V A I L A B I L I T Y S T A T E M E N T

The data that support the findings of this study are avail-
able from the corresponding author upon reasonable
request.

O R C I D

Thomas Kätterer

https://orcid.org/0000-0002-1751-

007X

14 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 15

Figures and page graphics, page 15

R E F E R E N C E S

Ågren, G. I. (1985). Theory for growth of plants derived from

the nitrogen productivity concept.

Physiologia Plantarum

,

65

,

17

–

28.

https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1985.tb01207.x

Amos, B., & Walters, D. T. (2006). Maize root biomass and net rhi-

zodeposited carbon: An analysis of the literature.

Soil Science

Society of America Journal

,

70

, 1489

–

1503.

https://doi.org/10.

2136/sssaj2005.0216

Bagnall, D. K., Morgan, C. L. S., Cope, M., Bean, G. M.,

Cappellazzi, S., Greub, K., Liptzin, D., Norris, C. L., Rieke, E.,
Tracy, P., Aberle, E., Ashworth, A., Banuelos Tavarez, O.,
Bary, A., Baumhardt, R. L., Borb

on Gracia, A., Brainard, D.,

Brennan, J., Briones Reyes, D.,

…

Honeycutt, C. W. (2022).

Carbon-sensitive pedotransfer functions for plant available
water.

Soil Science Society of America Journal

,

86

, 612

–

629.

https://doi.org/10.1002/saj2.20395

Börjesson, G., Kirchmann, H., & Kätterer, T. (2014). Four Swedish

long-term field experiments with sewage sludge reveal a limited
effect on soil microbes and on metal uptake by crops.

Journal

of Soils and Sediments

,

14

, 164

–

177.

https://doi.org/10.1007/

s11368-013-0800-5

Börjesson, G., Menichetti, L., Thornton, B., Campbell, C., &

Kätterer, T. (2016). Seasonal dynamics of the soil microbial
community: Assimilation of old and young carbon sources in a
long-term field experiment as revealed by natural

13

C abun-

dance.

European Journal of Soil Science

,

67

, 79

–

89.

https://doi.

org/10.1111/ejss.12309

Bossio, D. A., Cook-Patton, S. C., Ellis, P. W., Fargione, J.,

Sanderman, J., Smith, P., Wood, S., Zomer, R. J., von
Unger, M., Emmer, I. M., & Griscom, B. W. (2020). The role of
soil carbon in natural climate solutions.

Nature Sustainability

,

3

, 391

–

398.

https://doi.org/10.1038/s41893-020-0491-z

Bünemann, E. K., Bongiorno, G., Bai, Z., Creamer, R. E., de Deyn, G.,

de Goede, R., Fleskens, L., Geissen, V., Kuyper, T. W., Mäder, P.,
Pulleman, M., Sukkel, W., van Groenigen, J. W., & Brussaard, L.
(2018). Soil quality

—

A critical review.

Soil Biology and Biochemis-

try

,

120

, 105

–

125.

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.01.030

Delin, S., Stenberg, B., Nyberg, A., & Brohede, L. (2012). Potential

methods for estimating nitrogen fertilizer value of organic resi-
dues.

Soil Use and Management

,

28

, 283

–

291.

https://doi.org/

10.1111/j.1475-2743.2012.00417.x

Don, A., Seidel, F., Leifeld, J., Kätterer, T., Martin, M., Pellerin, S.,

Emde, D., Seitz, D., & Chenu, C. (2023). Carbon sequestration
in soils and climate change mitigation

—

Definitions and

pitfalls.

Global Change Biology

,

30

, e16983.

https://doi.org/10.

1111/gcb.16983

European Commission. (2021). Communication from the commis-

sion to the European parliament and the council

—

Sustainable

carbon cycles.

European Commission

, 22.

https://climate.ec.

europa.eu/system/files/2021-12/com_2021_800_en_0.pdf

Gerzabek, M., Pichlmayer, F., Kirchmann, H., & Habernauer, G.

(1997). The response of soil organic matter to manure amend-
ments in a long-term experiment at Ultuna, Sweden.

European

Journal of Soil Science

,

48

, 273

–

282.

https://doi.org/10.1111/j.

1365-2389.1997.tb00547.x

Gerzabek, M. H., Haberhauer, G., & Kirchmann, H. (2001). Soil

organic matter pools and carbon-13 natural abundances in
particle-size fractions of a long-term agricultural field experi-
ment receiving organic amendments.

Soil Science Society of

America

Journal

,

65

,

352

–

358.

https://doi.org/10.2136/

sssaj2001.652352x

Ghafoor, A., Poeplau, C., & Kätterer, T. (2017). Fate of straw- and

root-derived carbon in a Swedish agricultural soil.

Biology

and Fertility of Soils

,

53

, 257

–

267.

https://doi.org/10.1007/

s00374-016-1168-7

Greenwood, D. J., Neeteson, J. J., & Draycott, A. (1986). Quantitative

relationships for the dependence of growth rate of arable crops to
their nitrogen content, dry weight and aerial environment.

Plant

and Soil

,

91

, 281

–

301.

https://doi.org/10.1007/BF02198111

Guenet, B., Gabrielle, B., Chenu, C., Arrouays, D., Balesdent, J.,

Bernoux, M., Bruni, E., Caliman, J.-P., Cardinael, R., Chen, S.,
Ciais, P., Desbois, D., Fouche, J., Frank, S., Henault, C.,
Lugato, E., Naipal, V., Nesme, T., Obersteiner, M.,

…

Zhou, F.

(2021). Can N

2

O emissions offset the benefits from soil organic

carbon storage?

Global Change Biology

,

27

(2), 237

–

256.

https://

doi.org/10.1111/gcb.15342

Haynes, R. J. (1983). Soil acidification induced by leguminous

crops.

Grass and Forage Science

,

38

, 1

–

11.

https://doi.org/10.

1111/j.1365-2494.1983.tb01614.x

Henryson, K., Meurer, K. H. E., Bolinder, M. A., Kätterer, T., &

Tidåker, P. (2022). Higher carbon sequestration on Swedish
dairy farms compared with other farm types as revealed by
national soil inventories.

Carbon Management

,

13

, 266

–

278.

https://doi.org/10.1080/17583004.2022.2074315

Herrmann, A., & Taube, F. (2004). The range of the critical nitrogen

dilution curve for maize (

Zea mays

L.) can be extended until

silage maturity.

Agronomy Journal

,

96

, 1131

–

1138.

https://doi.

org/10.2134/agronj2004.1131

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.

https://doi.org/

10.1007/s11104-016-3031-x

Hirte, J., Leifeld, J., Abiven, S., Oberholzer, H.-R., & Mayer, J.

(2018). Below ground carbon inputs to soil via root biomass
and rhizodeposition of field-grown maize and wheat at harvest
are independent of net primary productivity.

Agriculture,

Ecosystems and Environment

,

265

, 556

–

566.

https://doi.org/10.

1016/j.agee.2018.07.010

Hudson, B. D. (1994). Soil organic matter and available water

capacity.

Journal of Soil and Water Conservation

,

49

(2), 189

–

194.

https://www.jswconline.org/content/49/2/189

Iizumi, T., & Wagai, R. (2019). Leveraging drought risk reduction

for sustainable food, soil and climate via soil organic carbon
sequestration.

Scientific Reports

,

9

, 19744.

https://doi.org/10.

1038/s41598-019-55835-y

Ingestad, T. (1982). Relative addition rate and external concentra-

tion; driving variables used in plant nutrition research.

Plant,

Cell & Environment

,

5

, 443

–

453.

https://doi.org/10.1111/1365-

3040.ep11611714

IPCC. (2021). Climate change 2021: The physical science basis. In V.

Masson-Delmotte, P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S.
Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang,
K. Leitzell, E. Lonnoy, J. B. R. Matthews, T. K. Maycock, T.
Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, & B. Zhou (Eds.),

Contribution of

working group I to the sixth assessment report of the intergovern-
mental panel on climate change

(p. 2391). Cambridge University

Press.

https://doi.org/10.1017/9781009157896

KÄTTERER and BOLINDER

15 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 16

Figures and page graphics, page 16

IUSS Working Group WRB. (2006).

World Reference Base for soil

resources 2006

. FAO.

Jeffrey, D. W. (1970). A note on the use of ignition loss as a means

for the approximate estimation of soil bulk density.

Journal of

Ecology

,

58

, 229

–

297.

https://doi.org/10.2307/2258183

Jha, A., Bonetti, S., Smith, A. P., Souza, R., & Calabrese, S. (2023).

Linking soil structure, hydraulic properties, and organic carbon
dynamics: A holistic framework to study the impact of climate
change and land management.

Biogeosciences

,

128

, e2023JG007389.

https://doi.org/10.1029/2023JG007389

Johnston, A. E., Poulton, P. R., & Coleman, K. (2009). Chapter 1

—

Soil organic matter.

Advances in Agronomy

,

101

, 1

–

57.

https://

doi.org/10.1016/S0065-2113(08)00801-8

Karlsson, L. O. T., Andrén, O., Kätterer, T., & Mattsson, L. (2003).

Management effects on topsoil carbon and nitrogen in Swedish
long-term field experiments - budget calculations with and
without humus pool dynamics.

European Journal of Agronomy

,

20

, 137

–

147.

https://doi.org/10.1016/S1161-0301(03)00083-2

Kätterer, T., Andrén, O., & Jansson, P.-E. (2006). Pedotransfer functions

for estimating plant available water and bulk density in Swedish
agricultural soils.

Acta Agriculturae Scandinavica, Section B

,

56

,

263

–

276.

https://doi.org/10.1080/09064710500310170

Kätterer, T., & Bolinder, M. A. (2022). Agriculture practices to

improve soil carbon storage in upland soil. Chapter 15. In C.
Rumpel (Ed.),

Understanding and fostering soil carbon seques-

tration

(pp. 453

–

488). Burleigh Dodds Scientific Publishing.

https://bdspublishing.com/_webedit/uploaded-files/All%
20Files/Open%20Access/9781801463119.pdf

Kätterer, T., Bolinder, M. A., Andrén, O., Kirchmann, H., &

Menichetti, L. (2011). Roots contribute more to refractory soil
organic matter than above-ground crop residues, as revealed by a
long-term field experiment.

Agriculture, Ecosystems and Environ-

ment

,

141

, 184

–

192.

https://doi.org/10.1016/j.agee.2011.02.029

Kauer, K., Astover, A., Viiralt, R., Raave, H., & Kätterer, T. (2019).

Evolution of soil organic carbon in a carbonaceous glacial till
as an effect of crop and fertility management over 50 years in a
field experiment.

Agriculture, Ecosystems and Environment

,

283

,

106562.

https://doi.org/10.1016/j.agee.2019.06.001

Kirchmann, H., Börjesson, G., Bolinder, M. A., Kätterer, T., &

Djodjik, F. (2020). Soil properties currently limiting crop yields
in Swedish agriculture

–

An analysis of 90 yield survey districts

and 10 long-term field experiments.

European Journal of Agron-

omy

,

120

, 126132.

https://doi.org/10.1016/j.eja.2020.126132

Kirchmann, H., & Gerzabek, M. H. (1999). Relationship between

soil organic matter and micropores in long-term experiment at
Ultuna, Sweden.

Journal of Plant Nutrition and Soil Science

,

162

, 493

–

498.

https://doi.org/10.1002/(SICI)1522-2624(199910)

162:5<493::AID-JPLN493>3.0.CO;2-S

Kirchmann, H., Haberhauer, G., Kandeler, E., Sessitsch, A., &

Gerzabek, M. H. (2004). Effects of level and quality of organic
matter input on carbon storage and biological activity in soil:
Synthesis of a long-term experiment.

Global Biogeochemical

Cycles

,

18

, GB4011.

https://doi.org/10.1029/2003GB002204

Kirchmann, H., Persson, J., & Carlgren, K. (1994). The Ultuna long-

term soil organic matter experiment, 1956

–

1991. Department of

Soil Sciences, Reports and Dissertations 17. Swedish University
of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden.

Kopittke, P. M., Berhe, A. A., Carrillo, Y., Cavagnaro, T. R.,

Chen, D., Chen, Q.-L., Rom

an Dobarco, M., Dijkstra, F. A.,

Field, D. J., Grundy, M. J., He, J.-Z., Hoyle, F. C., Kögel-
Knabner, I., Lam, S. K., Marschner, P., Martinez, C.,
McBratney, A. B., McDonald-Madden, E., Menzies, N. W.,

…

Minasny, B. (2022). Ensuring planetary survival: The centrality
of organic carbon in balancing the multifunctional nature of
soils.

Critical Reviews in Environmental Science and Technology

,

52

, 1

–

17.

https://doi.org/10.1080/10643389.2021.2024484

Lahda, J. K., Pathak, H., Krupnik, T. J., Six, J., & van Kessel, C.

(2005). Efficiency of fertilizer nitrogen in cereal production:
Retrospects and prospects.

Advances in Agronomy

,

87

, 1

–

72.

https://doi.org/10.1016/S0065-2113(05)87003-8

Lal, R. (2013). Intensive agriculture and the soil carbon pool.

Journal of Crop Improvement

,

27

(6), 735

–

751.

https://doi.org/

10.1080/15427528.2013.845053

Lal, R. (2020). Soil organic matter and water retention.

Agronomy

Journal

,

112

, 3265

–

3277.

https://doi.org/10.1002/agj2.20282

Leifeld, J., Bassin, S., Conen, F., Hajdas, I., Egli, M., & Fuher, J.

(2013). Control of soil pH on turnover of belowground organic
matter in subalpine grassland.

Biogeochemistry

,

112

, 59

–

69.

https://doi.org/10.1007/s10533-011-9689-5

Lemaire, G., Jeuffroy, M.-H., & Gastal, F. (2008). Diagnosis tool for

plant and crop N status in vegetative stage: Theory and prac-
tices for crop N management.

European Journal of Agronomy

,

28

, 614

–

624.

https://doi.org/10.1016/j.eja.2008.01.005

Liu, P., Guo, X., Zhou, D., Zhang, Q., Ren, X., Wang, R., Wang, X.,

Chen, X., & Li, J. (2023). Quantify the effect of manure fertilizer
addition and optimal nitrogen input on rainfed wheat yield and
nitrogen requirement using nitrogen nutrition index.

Agricul-

ture, Ecosystems and Environment

,

345

, 108319.

https://doi.org/

10.1016/j.agee.2022.108319

Magid, J., de Nowina, K. R., Lindedam, J., & Andrén, O. (2010).

Organic matter in size-density fractions after 16

–

50 years of

grass ley, cereal cropping and organic amendments.

European

Journal of Soil Science

,

61

, 539

–

550.

https://doi.org/10.1111/j.

1365-2389.2010.01247.x

Manlay, R. J., Feller, C., & Swift, M. J. (2007). Historical evolution

of soil organic matter concepts and their relationships with the
fertility and sustainability of cropping systems.

Agriculture, Eco-

systems and Environment

,

119

, 217

–

233.

https://doi.org/10.

1016/j.agee.2006.07.011

Menichetti, L., Ekblad, A., & Kätterer, T. (2013). Organic amend-

ments affect

δ

13

C signature of soil respiration and soil organic

C accumulation in a long-term field experiment in Sweden.

European Journal of Soil Science

,

64

, 621

–

628.

https://doi.org/

10.1111/ejss.12077

Menichetti, L., Ekblad, A., & Kätterer, T. (2015). Contribution of

roots and amendments to soil carbon accumulation within the
soil profile in a long-term field experiment in Sweden.

Agricul-

ture, Ecosystems and Environment

,

200

, 79

–

87.

https://doi.org/

10.1016/j.agee.2014.11.003

Meurer, K., Barron, J., Chenu, C., Coucheney, E., Fielding, M.,

Hallett, P., Herrmann, A. M., Keller, T., Koestel, J., Larsbo, M.,
Lewan, E., Or, D., Parsons, D., Parvin, N., Taylor, A.,
Vereecken, H., & Jarvis, N. (2020). A framework for modelling
soil structure dynamics induced by biological activity.

Global

Change Biology

,

26

(10), 5382

–

5403.

https://doi.org/10.1111/gcb.

15289

Meurer, K. H. E., Chenu, C., Coucheney, E., Herrmann, A. M.,

Keller, T., Kätterer, T., Nimblad Svensson, D., & Jarvis, N. J.

16 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 17

Figures and page graphics, page 17

(2020). Modelling dynamic interactions between soil structure
and the storage and turnover of soil organic matter.

Biogeos-

ciences

,

17

, 5025

–

5042.

https://doi.org/10.5194/bg-17-5025-2020

Minasny, B., Malone, B. P., McBratney, A. B., Angers, D. A.,

Arrouays, D., Chambers, A., Chaplot, V., Chen, Z.-S.,
Cheng, K., Das, B. S., Field, D. J., Gimona, A., Hedley, C. B.,
Young Hong, S., Mandal, B., Marchant, B. P., Martin, M.,
McConkey, B. G., Leatitia Mulder, V.,

…

Winowiecki, L. (2017).

Soil carbon 4 per mille.

Geoderma

,

292

, 59

–

86.

https://doi.org/

10.1016/j.geoderma.2017.01.002

Moinet, G. Y. K., Amundson, R., Galdos, M. V., Grace, P. R.,

Haefele, S. M., Hijbeek, R., Van Groenigen, J. W., Van
Groenigen, K. J., & Powlson, D. S. (2024). Climate change miti-
gation through soil carbon sequestration in working lands: A
reality check.

Global Change Biology

,

30

, e17010.

https://doi.

org/10.1111/gcb.17010

Moinet, G. Y. K., Hijbeek, R., van Vuuren, D. P., & Giller, K. E.

(2023). Carbon for soils, not soils for carbon.

Global Change

Biology

,

29

, 2384

–

2398.

https://doi.org/10.1111/gcb.16570

Oelofse, M., Markussen, B., Knudsen, L., Schelde, K., Olesen, J. E.,

Jensen, L. S., & 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.

https://doi.org/10.1016/j.eja.2015.

02.009

Oldfield, E. E., Bradford, M. A., & Wood, S. A. (2019). Global

meta-analysis of the relationship between soil organic matter
and crop yields.

The Soil

,

5

, 15

–

32.

https://doi.org/10.5194/soil-

5-15-2019

Palosuo, T., Heikkinen, J., & Regina, K. (2016). Method for estimat-

ing soil carbon stock changes in Finnish mineral cropland and
grassland soils.

Carbon Management

,

6

, 207

–

220.

https://doi.

org/10.1080/17583004.2015.1131383

Paustian, K., Lehmann, J., Ogle, S., Reay, D., Robertson, G. P., &

Smith, P. (2016). Climatesmart soils.

Nature

,

532

(7597), 49

–

57.

https://doi.org/10.1038/nature17174

Peel, M., Finlayson, B., & McMahon, T. (2007). Updated world map

of the Köppen-Geiger climate classification.

Hydrology and

Earth System Sciences

,

11

, 1633

–

1644.

https://doi.org/10.5194/

hess-11-1633-2007

Peltre, C., Christensen, B. T., Dragon, S., Icard, C., Kätterer, T., &

Houot, S. (2012). Carbon accumulation in soil after repeated
applications of different organic amendments evaluated by
applying the RothC model to four long-term field experiments.

Soil Biology and Biochemistry

,

52

, 49

–

60.

https://doi.org/10.

1016/j.soilbio.2012.03.023

Persson, J., & Kirchmann, H. (1994). Carbon and nitrogen in arable

soils as affected by supply of N fertilizers and organic manures.

Agriculture, Ecosystems and Environment

,

51

, 249

–

255.

https://

doi.org/10.1016/0167-8809(94)90048-5

Pihl Karlsson, G., Hellsten, S., Karlsson, P. E., Akselsson, C., &

Ferm, M. (2012). Kvävedepositionen till Sverige

—

Jämförelse av

depositionsdata från Krondroppsnätet, Luft- och nederbördske-
miska nätet samt EMEP. IVL Rapport B2030.

https://ivl.diva-

portal.org/smash/get/diva2:1552054/FULLTEXT01.pdf

Plénet, D., & Lemaire, G. (1999). Relationships between dynamics

of nitrogen uptake and dry matter accumulation in maize
crops. Determination of critical N concentration.

Plant and

Soil

,

216

, 65

–

82.

https://doi.org/10.1023/A:1004783431055

Poulton, P., Johnston, J., Macdonald, A., White, R., & Powlson, D.

(2018). Major limitations to achieving

“

4 per 1000

”

increases in

soil organic carbon stock in temperate regions: Evidence from
long-term experiments at Rothamsted research, United Kingdom.

Global Change Biology

,

24

(6), 2563

–

2584.

https://doi.org/10.1111/

gcb.14066

Powlson, D. S., Poulton, P. R., Addiscott, T. M., & McCann, D. S.

(1989). Leaching of nitrate from soils receiving organic or inorganic
fertilizers continuously for 135 years. In J. A. A. Hansen & K. Hen-
rikson (Eds.),

Nitrogen in Organic Wastes

(pp. 334

–

345). Academic

Press.

https://doi.org/10.1016/B978-0-12-323440-7.50031-7

Rahman, R., & Upadhyaya, H. (2021). Aluminium toxicity and its

tolerance in plant: A review.

Journal of Plant Biology

,

64

, 101

–

121.

https://doi.org/10.1007/s12374-020-09280-4

Rawls, W. J., Pachepsky, Y. A., Ritchie, J. C., Sobecki, T. M., &

Bloodworth, H. (2003). Effect of organic carbon on soil water
retention.

Geoderma

,

116

,

61

–

76.

https://doi.org/10.1016/

S0016-7061(03)00094-6

Rubio, V., Diaz-Rossello, R., Quincke, J. A., & van Es, H. M. (2021).

Quantifying soil organic carbon's critical role in cereal produc-
tivity losses under annualized crop rotations.

Agriculture, Eco-

systems and Environment

,

321

, 107607.

https://doi.org/10.1016/

j.agee.2021.107607

Rumpel, C., Amiraslani, F., Chenu, C., Garcia Cardenas, M.,

Kaonga, M., Koutika, L.-S., Ladha, J., Madari, B., Shirato, Y.,
Smith, P., Soudi, B., Soussana, J.-F., Whitehead, D., &
Wollenberg, E. (2020). The 4p1000 initiative: Opportunities, limi-
tations and challenges for implementing soil organic carbon
sequestration as a sustainable development strategy.

Ambio

,

49

,

350

–

360.

https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2

Schjønning, P., de Jonge, L. W., Munkholm, L. J., Moldrup, P.,

Christensen, B. T., & Olesen, J. E. (2012). Clay dispersibility and
soil friability

—

Testing the soil clay-to-carbon saturation concept.

Vadose Zone Journal

,

11

.

https://doi.org/10.2136/vzj2011.0067

Schjønning,

P.,

Jensen,

J.

L.,

Bruun,

S.,

Jensen,

L.

S.,

Christensen, B. T., Munkholm, L. J., Oelofse, M., Baby, S., &
Knudsen, L. (2018). The role of soil organic matter for main-
taining crop yields: Evidence for a renewed conceptual basis.

Advances in Agronomy

,

150

, 35

–

79.

https://doi.org/10.1016/bs.

agron.2018.03.001

Shahbaz, M., Kätterer, T., Thornton, B., & Börjesson, G. (2020).

Dynamics of fungal and bacterial groups and their carbon
sources during the growing season of maize in a long-term
experiment.

Biology and Fertility of Soils

,

56

, 759

–

770.

https://

doi.org/10.1007/s00374-020-01454-z

Shahbaz, M., Menichetti, L., Kätterer, T., & Börjesson, G. (2019).

Impact of long-term N fertilisation on CO

2

evolution from old

and young SOM pools measured during the maize cropping
season.

Science of the Total Environment

,

658

, 1539

–

1548.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.12.302

ˇ

Simanský, V., & Jonczak, J. (2020). Aluminium and iron oxides

affect the soil structure in a long-term mineral fertilised soil.

Journal of Soils and Sediments

,

20

, 2008

–

2018.

https://doi.org/

10.1007/s11368-019-02556-4

Soussana, J. F., Lutfalla, S., Ehrhardt, F., Rosenstock, T.,

Lamanna, C., Havlík, P., & Lal, R. (2019). Matching policy and
science: Rationale for the

“

4 per 1000

—

Soils for food security

and climate

”

initiative.

Soil and Tillage Research

,

188

, 3

–

15.

https://doi.org/10.1016/j.still.2017.12.002

KÄTTERER and BOLINDER

17 of 18

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License

Page 18

Figures and page graphics, page 18

Ulrich, A. (1952). Physiological bases for assessing the nutritional

requirements of plants.

Annual Review of Plant Physiology

,

3

,

207

–

228.

https://doi.org/10.1146/annurev.pp.03.060152.001231

Van Groenigen, J. W., van Kessel, C., Hungate, B. A., Oenema, O.,

Powlson, D. S., & Van Groenigen, K. J. (2017). Sequestering soil
organic carbon: a nitrogen dilemma.

Environmental Science &

Technology

,

51

(9), 4738

–

4739.

https://doi.org/10.1021/acs.est.

7b01427

Wiklert,

P.,

Andersson,

S.,

Weidow,

B.,

Karlsson,

I.,

&

Håkansson, A. (1983). Studier av markprofiler i svenska
åkerjordar.

Del

I.

Ultunajordar.

Swedish

University

of

Agricultural Sciences, Department of Soil Sciences, Division of
Agricultural Hydrotechnics. Report 132 (in Swedish).

https://

pub.epsilon.slu.se/3711/

Wu, L., Wang, J., Xu, H., Xu, X., Gao, H., Xu, M., & Zhang, W.

(2023). Soil organic carbon priming co-regulated by labile car-
bon input level and long-term fertilization history.

Science of

the Total Environment

,

902

, 166175.

https://doi.org/10.1016/j.

scitotenv.2023.166175

Xiang, D., Wang, G., Tian, J., & Li, W. (2023). Global patterns and

edaphic-climatic controls of soil carbon decomposition kinetics
predicted from incubation experiments.

Nature Communica-

tions

,

14

, 2171.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37900-3

Xu, H., Vandecasteele, B., Maenhout, P., Pannecoucque, J., De

Neve, S., & Sleutel, S. (2020). Maize root biomass and architecture
depend on site but not on variety: Consequences for prediction of
C inputs and spread in topsoil based on root-to-shoot ratios.

European Journal of Agronomy

,

119

, 126121.

https://doi.org/10.

1016/j.eja.2020.126121

Zhang, X., Zou, T., Lassaletta, L., Mueller, N. D., Tubiello, F. N.,

Lisk, M. D., Lu, C., Conant, R. T., Dorich, C. D., Gerber, J.,
Tian, H., Bruulsema, T., McClellan Maaz, T., Nishina, K., Leon
Bodirsky, B., Popp, A., Bouwman, L., Beusen, A., Chang, J.,

…

Davidson, E. A. (2021). Quantification of global and national
nitrogen budgets for crop production.

Nature Food

,

2

, 529

–

540.

https://doi.org/10.1038/s43016-021-00318-5

How to cite this article:

Kätterer, T., & Bolinder,

M. A. (2024). Response of maize yield to changes in
soil organic matter in a Swedish long-term
experiment.

European Journal of Soil Science

,

75

(2), e13482.

https://doi.org/10.1111/ejss.13482

18 of 18

KÄTTERER and BOLINDER

 13652389, 2024, 2, Downloaded from https://bsssjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ejss.13482 by Hayley Peter-Contesse - Oregon State University , Wiley Online Library on [19/10/2026]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License


Document Outline