Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... ·...

37
Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn Production A report to the Minnesota Corn Growers Association by Jake Galzki, Leif Olmanson and David Mulla University of Minnesota September 30 th , 2018

Transcript of Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... ·...

Page 1: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

 

HistoricalAssessmentofImprovementsinManagementPracticesAssociatedwithCornProductionAreporttotheMinnesotaCornGrowersAssociation

byJakeGalzki,LeifOlmansonandDavidMulla

UniversityofMinnesota

September30th,2018

Page 2: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

ContentsIntroduction .................................................................................................................................................. 3 

Corn Production Summary ............................................................................................................................ 4 

Fertilizer Use ............................................................................................................................................... 10 

Nitrogen .................................................................................................................................................. 10 

Phosphorus ............................................................................................................................................. 13 

Manure ........................................................................................................................................................ 14 

Crop Nutrient Balances ............................................................................................................................... 17 

Pesticides .................................................................................................................................................... 18 

Herbicides ............................................................................................................................................... 18 

Insecticides .............................................................................................................................................. 19 

Conservation Practices ................................................................................................................................ 20 

Cover Crops ................................................................................................................................................. 23 

Crop Residue ............................................................................................................................................... 23 

Ethanol Production ..................................................................................................................................... 25 

Precision Agriculture ................................................................................................................................... 26 

Climate Change ........................................................................................................................................... 28 

Management History Trends ...................................................................................................................... 31 

Recommendations for Improved Sustainability of Corn Production .......................................................... 32 

References .................................................................................................................................................. 34 

 

   

Page 3: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

IntroductionTraditional farming practices of early Midwestern settlers consisted of a mixed system where a 

basic rotation of corn, a small grain, and hay was used.  This system was employed for a century and a 

half following the revolutionary war.  The green revolution popularized hybrid seed corn along with 

commercial fertilizer applications, which both saw a dramatic increase in use following World War II.  

The cultivated landscape of Minnesota has since changed from a mixed rotational use to predominantly 

one for commodity grain production (Hart, 1986).   

The production of corn (Zea mays L.) in Minnesota has dominated the agricultural landscape of 

the state for almost a century.  The same time period has seen a dramatic shift in the way agricultural 

inputs and outputs are utilized and managed.  Enhancing the sustainability of this vast agricultural 

industry is in the best interest of both producers and consumers alike for this important commodity 

crop.  This report will attempt to summarize management changes associated with Minnesota corn 

production over the last several decades.  Improvements in management will be highlighted as well as 

recommendations for further improvement.  Trends in management will also be assessed in the context 

of a changing climate.   

Minnesota’s landscape transitions from the heavily forested Northeast to a prairie pothole 

landscape in the Southwest.  The latter covers almost two‐thirds of the state and is where a majority of 

Minnesota’s row crop cultivation occurs.  Cultivated land covers 20 million acres in Minnesota, which 

represents over one‐third of the total state area (Fig. 1).  Proper management of this cultivated land is 

essential to protect Minnesota’s abundant groundwater, 10,000+ lakes, and 6,000+ rivers and streams, 

which comprise the headwaters of the Mississippi River Basin and eventually drain into the Gulf of 

Mexico. 

Page 4: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 1. Recent landuse in Minnesota (MRLC, 2018). 

CornProductionSummaryIn 1970, approximately 5 million acres were dedicated to both corn and small grain production, 

with another 3 million acres growing soybeans.  Small grains have gradually been reduced, while 

soybean production has increased.  Corn and soybean crops were planted on just over 8 million acres in 

Minnesota’s 2017 growing season.  For the first time ever that year, soybean acres slightly outnumbered 

the amount of corn acres in the state (Fig. 2) 

Page 5: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 2. Statewide coverage of major crops in Minnesota from 1970‐2018 (USDA NASS, 2018). 

 

The productivity of corn is at an all‐time high in Minnesota; the state has seen record yields and 

maximum land dedication to the crop within the last 5 years.  Statewide average yields have advanced 

from around 30 bushels per acre in the 1930s (Cardwell, 1982) to a six‐fold increase of over 180 bushels 

per acre today (USDA NASS, 2018).  Moreover, yields have nearly doubled in the past two decades; 100 

bushel per acre yields seen in the 1990s are dwarfed by current production rates of over 200 bushels per 

acre on the most fertile farmland.   

Yield increases are closely related to genetic improvements, as well as decreases in row spacing 

and increases in planting density (Fig. 3).  The distance between rows of planted corn is more than a foot 

narrower today than it was in the early 20th century (Cardwell, 1982).  This has allowed for a large 

increase in the density of corn plants on the landscape.  Planting densities were approximately 12,000 

plants per acre in the 1930s, which has almost tripled to over 30,000 plants per acre today (USDA, 

2017). Cardwell found that 21% of the yield increases seen in Minnesota corn were attributed to row 

spacing, which was one of the leading factors contributing to yield increases in the 20th century. 

 

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

Statewide coverage of MN major crops (% of Land area)

Small Grains

Soybeans

Corn

Page 6: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 3.  Corn row spacing (in) and plant density per acre from 1930‐2010 (Cardwell,  1982; USDA, 2017). 

The state is divided into nine agricultural districts (Fig. 4), which will be utilized to display and 

analyze corn production data trends.  Yields generally increase as one travels south in the state; the 

southern agricultural districts in Minnesota average nearly 200 bushels per acre.   Corn yields drop to 

around 170 bushels per acre in the central districts and around 150 bushels per acre in the northern 

districts (USDA NASS, 2018).  

 

Figure 4. Agricultural Districts in Minnesota (USDA NASS, 2018). 

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

051015202530354045

1930s 1940s 1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s 2010s

Plant Density (plants/acre)

Row Spacing (inches)

Corn Plant Density and Row Spacing

Row Spacing

Plant Density

Page 7: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

The majority of corn is harvested in Minnesota’s southern districts as well as the Central and 

West Central districts(Fig. 5), where each district grows between 1 and 1.5 million acres of corn.  The 

largest increase in corn acres over the last 50 years has occurred in the West Central and Northwest 

districts, which added 728,000 acres (+84%) and 464,000 acres (+1,100%) respectively.  These increases 

are followed by the Central district, with an increase of 355,000 acres (+35%), the South Central district, 

up 337,000 acres (+27%), the Southeast district, up 312,000 acres (+44%), and the Southwest district, 

which added 208,000 acres (+16%) (USDA NASS, 2018). 

Record yields (Fig. 5) and harvested acres (Fig. 6) have combined to create significant increases 

in total corn production.  The 1970 harvest of 400 million bushels has nearly quadrupled to 1.5 billion 

bushels in 2017 (USDA NASS, 2018). This represents approximately 10 % of total US corn production and 

puts Minnesota behind only Iowa, Illinois, and Nebraska as leading producers of corn grain (NGCA, 

2018).  Although corn production has steadily increased over the last 50 years, a small number of years 

saw dramatic decreases in corn production.  These are largely based on climatic factors; warm and dry 

growing seasons of 1976 and 1988 corresponded to 10 year minimums in corn production, as did the 

short and wet growing season of 1993.  Economic factors also influenced the final downward spike in 

production; a large surplus of corn grain in the early 1980s resulted in the USDA instituting a payment‐

in‐kind program to reduce corn acres by compensating farmers not to plant corn grain (McMinimy, 

1983). 

 

 

Figure 5. Average corn yield (bu/acre) by agricultural district in Minnesota from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

 

0

50

100

150

200

250

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Bushels/acre

Average Corn Yield by Ag District in MN

NORTHWEST

NORTH CENTRAL

WEST CENTRAL

CENTRAL

EAST CENTRAL

SOUTHWEST

SOUTH CENTRAL

SOUTHEAST

Page 8: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 6. Acres of corn harvested by agricultural district in Minnesota from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

 

Figure 7. Total corn production (billions of bushels) per agricultural district in Minnesota from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

Corn silage and sweet corn represent a portion of corn production that is not included in grain 

production (Fig. 8).  Silage involves harvesting and fermenting the entire corn plant and is used as feed 

for livestock, while sweet corn is harvested as a vegetable for human consumption.  Silage reached a 

peak in the mid‐1970s when 1.5 million acres were harvested for livestock feed.  It has since declined to 

less than 500,000 acres harvested in 2017.  The amount of sweet corn harvested has been relatively 

stable during the 20 year record; average acres harvested has been just over 100,000 per year.  

0

1,000,000

2,000,000

3,000,000

4,000,000

5,000,000

6,000,000

7,000,000

8,000,000

9,000,000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Acres Harvested by Ag District5 year average

Northwest

North Central

Northeast

West Central

Central

East Central

Southwest

South Central

Southeast

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

2016

Billions of Bushels

Total Corn ProductionNORTHWEST

NORTH CENTRAL

NORTHEAST

WEST CENTRAL

CENTRAL

EAST CENTRAL

SOUTHWEST

SOUTH CENTRAL

SOUTHEAST

Page 9: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017 (USDA NASS, 2018). 

Nominal price received for corn remained relatively stable from the 1970s to the early 2000s when price 

was generally around $2.00 per bushel. It steadily climbed to a maximum of $7.25 per bushel in 2012 

and has quickly fallen back to around $3.00 per bushel in 2017. 

 

Figure 9. Average nominal and inflation adjusted price of corn in Minnesota ($/bushel) from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

When corn production is added to the analysis, the nominal value of Minnesota’s total corn crop can be 

determined (Fig. 10).  The period between 1970 through 2000 again saw stability in the total corn crop 

value, which hovered between 1 and 2 billion dollars.  Total crop value began to increase greatly in the 

early 2000s, and reached a maximum of almost 10 billion dollars in 2012.  The previous 5 years saw an 

abrupt decline to the current value of around 5 billion dollars. 

 

0

500,000

1,000,000

1,500,000

2,000,000

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

2016

Silage and Sweet Corn Acres Harvested

Silage Acres Sweet Corn Acres

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

$/Bushel

Average Price of Corn in Minnesota

Nominal CornPrice Received

2017 $US

Page 10: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 10. Total nominal and inflation adjusted value (billions of US$) of Minnesota’s corn crop from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

FertilizerUse

NitrogenNitrogen is by far the most applied fertilizer on corn acres in Minnesota followed by potassium 

and phosphorus.  Over 1.5 billion pounds of nitrogen fertilizers were sold in Minnesota during 2017, and 

more than 70% of that fertilizer was applied to corn acres (USDA NASS, 2018).  Nitrogen fertilizer use on 

corn has doubled in the last 50 years from 500 million to over 1.1 billion pounds of N. 

While nitrogen fertilizer use is steadily on the rise (Fig. 11), the form of nitrogen source has 

shifted in the last few decades (Fig. 12).  The two most prevalent forms of nitrogen used in Minnesota 

are Urea (U) and Anhydrous Ammonia (AA).  AA was the dominant form in 1990s, but has since 

decreased in use by about 50%, while U use has more than doubled.  The shift is caused by several 

advantages of U, including its increased storage safety, versatility of timing and form of application, and 

stability and cost effectiveness in transport (Gilbert et al., 2006).   Results of a 2010 survey of over 3,000 

Minnesota farmers growing corn concluded that 63% of AA applications occurred in the fall, whereas 

only 4% of U was fall applied (Bierman et al., 2012).  A dramatic increase in the application of U and 

decrease in AA is likely associated with a trend preferring spring application, which has been shown to 

reduce nitrate‐N losses to surface water (Randall and Vetsch, 2005).  This shift from AA to U also has the 

potential to reduce greenhouse gas emissions; in continuous corn or corn‐soybean rotations, U 

fertilization produced half of the amount of N2O emissions compared to using AA (Venterea et al., 2010). 

 

0

2

4

6

8

10

12

$ Billions

Corn Crop Value in MN

Nominal Value

2017 $US

Page 11: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 11. Fertilizer use (elemental pounds) on Minnesota corn from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

  

 

Figure 12.  Nitrogen sales by form in Minnesota from 1989‐2017 (Montgomery and Bruening, 2018). 

Recent use of nitrification inhibitors has increased (Fig. 13), which will also yield environmental 

benefits.  These additives delay the conversion of ammonium‐N to nitrate‐N and can reduce N losses 

from leaching or denitrification (Randall and Vetsch, 2005).  Fall application of nitrogen fertilizer 

provides the highest risk for N loss, but may be the most convenient choice for farmers because they 

usually have more available time and field conditions are more suitable (Randall and Sawyer, 2008). In 

 ‐

 200

 400

 600

 800

 1,000

 1,200

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2011

2013

2015

Millions   of  Elemen

tal   Pounds

MN Fertilizer Use on Corn (lbs)

NITROGEN

P2O5

K2O

0

100,000,000

200,000,000

300,000,000

400,000,000

500,000,000

600,000,000

700,000,000

800,000,000

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

2009

2011

2013

2015

Pounds of N

Nitrogen sales by form in Minnesota

Urea

AnhydrousAmmonia

Remaining N

N Solutions

Page 12: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

the 2010 farmer survey, a common nitrification inhibitor, N‐serve®, was used on 29% of fall applications 

of AA statewide (Bierman et al., 2012).  Sale of N‐serve® would equate to the treatment of 

approximately 500,000 corn acres in that year.  In just the last 5 years, sales of N inhibitors have 

doubled, and are estimated to be applied on over 1,000,000 acres of corn. 

 

Figure 13.  Estimated corn acres with Nitrogen Inhibitors applied from 1996‐2017 (Montgomery and Bruening, 2018). 

Although use of nitrogen fertilizers has doubled in the last half century, this increase has been 

outpaced by improvements in corn yield.  In other words, nitrogen use on corn is more efficient today 

than ever (Fig. 14).  For every pound of nitrogen used in the 1970s, approximately 0.8 bushels of corn 

were produced.  This use efficiency has nearly doubled in recent years, and today nearly 1.4 bushels of 

corn are produced for every pound of N used as fertilizer. 

 

Figure 14. Nitrogen use efficiency (bushels of corn/lb. of N) from 1970‐2017 (USDA NASS, 2018). 

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

1,200,000

1,400,000

Estimated Corn Acres with either N‐Serve® or Instinct® Applied(Acres Treated based on 1/2 lb per Acre Label Rate)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

2016

N Use Efficiency (Bushels of Corn/lb of N)

Page 13: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

PhosphorusPhosphorus fertilizers are also widely used on corn.  Nearly 300 million pounds of elemental 

phosphorus fertilizers were sold in Minnesota in 2016, of which nearly 70% were applied on corn acres.  

Diammonium phosphate (DAP) is the most widely used form of phosphorus, although its use has 

declined in the past 2 decades, while monoammonium phosphate (MAP) use has increased.  The 

preference for use of MAP or DAP is largely based on antecedent soil pH, the former being preferred 

when soil pH is higher.  DAP contains approximately 60% more N than MAP fertilizers, which should be 

considered during fertilizer placement.  Agronomic studies have not found crop yield differences 

between the use of MAP or DAP fertilizers (Kaiser and Pagliari, 2018), thus management of the rate of 

phosphorus applied is more important than the form chosen. 

 

Figure 15. Phosphorus sales by form in Minnesota (millions of lbs. P) from 1989‐2017 (Montgomery and Bruening, 2018). 

Phosphorus found in agricultural runoff can contaminate surface waters and promote 

freshwater eutrophication (Sharpley et al., 1994).  Soil test phosphorus (STP) indicates the amount of 

plant available phosphorus in agricultural soils. Increases in STP are correlated with increased amounts 

of phosphorus in overland runoff (Sharpley et al., 1996).  Corn yields increase with the addition of 

phosphorus fertilizers when STP levels are less than optimum (<20 Bray ppm); however, no yield 

increase has been measured when STP levels are high (>21 Bray ppm) (Sawyer et al., 2002; Dodd and 

Mallarino, 2005).  The International Plant Nutrition Institute (IPNI, 2012) surveys STP values across the 

United States and Canada.  Their data indicate that Minnesota STP values in the low range (6‐10 Bray 

ppm) have decreased from about 22% of samples in 2001 to 12% of samples in 2015 (Fig. 16). Categories 

of very low (<5 ppm), medium (11‐15 ppm), and high (16‐20 ppm) have been relatively stable over the 

past two decades.  The largest change has been in the very high category (>21 ppm); samples in this 

category made up 40% of data from 2001 but nearly 55% of samples from 2015.  This indicates an 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Millions of Pounds of P

Phosphorus sales by form in Minnesota

DAP (18‐46‐0)

MAP (11‐53‐0)

10‐34‐0

12‐40‐0

Others

Page 14: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

increased surplus of phosphorus in Minnesota soils over the past 20 years.  Better management of 

phosphorus fertilizer is recommended in the future and could produce both environmental and 

economic benefits. 

 

Figure 16. Soil test phosphorus frequency distribution from 2001‐2015 (IPNI, 2018). 

ManureLivestock manure is a significant byproduct of animal agriculture in Minnesota.  Proper 

management of manure can supply important nutrient inputs for cultivated crops, while 

mismanagement can threaten contamination of surface waters and pose public safety risks.  Census of 

Agriculture records (Fig. 17) indicate that Minnesota cattle numbers have remained fairly stable over the 

last few decades, laying chickens have declined, while turkeys, broilers, and swine numbers have all 

doubled in recent decades (USDA NASS, 2018). 

The Nutrient Use Geographic Information System (NuGIS) estimates the amount of excreted 

manure and manured recovered as agricultural nutrient inputs using these inventory numbers coupled 

with methods from Kellogg et al. (2000).  Increases in N, P, and K were seen in the early 2000s, and have 

declined slightly in the 2012 analysis (Fig. 17).  Average nutrient recovery rates for N, P, and K were 29%, 

63%, and 64% respectively (Fig. 18). 

 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0‐5 6‐10 11‐15 16‐20 21+

very low low medium high very high

Relative Freq

uen

cy %

Bray and Kurtz P1 equivalent soil test level (ppm)

Soil Test Phosphorus sample distribution2001‐2015

2001

2005

2010

2015

Page 15: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 17. Minnesota livestock and poultry inventory from 1987‐2012 (USDA NASS, 2018). 

 

Figure 18.  Estimated tons of manure nutrients excreted and recovered from 1987‐2012 (IPNI, 2012). 

The NuGIS estimates for recovered manure nutrients were compared to sales of inorganic 

fertilizers over the last 30 years (Fig. 19).  On average, recovered manure nutrients make up 9% of the 

total N applied to crops.  This proportion is much larger for P (25%) and K (22%). 

 ‐

 5,000,000

 10,000,000

 15,000,000

 20,000,000

 25,000,000

1987 1992 1997 2002 2007 2012

Minnesota Livestock and Poultry Inventory (1987‐2012)

Turkeys

Layers

Broilers

Cattle and calves

Hogs and Pigs

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

1987 1992 1997 2002 2007 2012

Manure Nutrients Excreted and Recovered (tons)

N Excreted

N Recovered

P2O5 Excreted

P2O5 Recovered

K2O Excreted

K2O Recovered

Page 16: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 19. Estimated recovered manure nutrients compared to statewide sales of inorganic fertilizer (millions of lbs) (IPNI, 2012; USDA NASS, 2018). 

Although the NuGIS estimates consider a general confinement factor in their calculation, which 

reflect higher recovery rates due to larger animal operations in recent years, there are significant 

livestock feeding changes that are not reflected in the analysis.  Animal producers have recently adopted 

more rigorous nutrient management plans; precision feeding of dairy cows has been shown to decrease 

P excreted in manure from 62 to 40 pounds per animal (Swink et al., 2008).  Phytase in monogastrics has 

also greatly reduced the amount of P excreted in manure.  Fixen et al. (2012) illustrates this shift with 

feed grade phosphate sales, which peaked in the mid‐1990s.  These sales steadily declined since the 

introduction of phytase in feed, and have since bottomed out at nearly one‐third of the mid‐1990s peak.  

Although a considerable portion of this decline may have been offset by the use of dry distiller’s grains 

(DDG) from the ethanol industry, Nahm (2002) found the use of phytase supplements resulted in 

manure P reductions of 25 to 35% in chickens and 25 to 60% in pigs. According to David Preisler, CEO of 

the Minnesota Pork Producers Association, there is a high adoption rate of phytase in pork production.  

He estimates 80% of pork producers have been utilizing phytase in the last decade, which would 

translate to a reduction of approximately 25 million pounds of swine manure P excretion. 

  Changes in manure management over the last 50 years are difficult to quantify, although several 

improvements have been made during this time period.  In an interview with David Wall, Minnesota 

Pollution Control Agency’s Watershed Division, qualitative improvements of manure management were 

discussed.  These include a shift from small scrape and haul operations where manure was surface 

applied, to larger operations with better storage and application techniques, such as injection or 

incorporation, better accounting for manure nutrient credits due to increased manure content testing, 

consolidation of swine operations, with a shift toward liquid manure that is injected, as opposed to solid 

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

1987 1992 1997 2002 2007 2012

Millions of  Elemen

tal Pounds

Statewide Fertilizer Sales and Estimated Recovered Manure Nutrients

N Manure

N Fertilizer

P Manure

P Fertilizer

K Manure

K Fertilizer

Page 17: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

manure that is surface applied, and better management of poultry manure due to consolidation with 

more stockpiling, less intensive applications near barns, and better utilization of the litter resource. 

CropNutrientBalancesEstimates of agricultural nutrient balances for nitrogen, phosphorus, and potassium are tracked 

geographically with the NuGIS database (IPNI 2012).  The balance represents the annual difference 

between fertilizer and manure nutrients and the nutrient removal (or fixation) of 21 major crops.  NuGIS 

data indicate that there is a net surplus of nitrogen on Minnesota’s agricultural lands (Fig. 20).  Recent 

estimates of approximately 200,000 tons of N are supplied to Minnesota soils in surplus; however this 

figure has been reduced from nearly 300,000 tons in the 1990s.  Phosphorus has historically been in 

surplus according to this model; however, the net balance was nearly zero in the 2012 analysis.  This 

implies that all phosphorus being applied to agricultural lands is nearly equal to crop removal.  However, 

since over 50% of acres with a soil test are in the very high category (Fig. 16), a significant number of 

acres are being over‐fertilized.  Finally according to this analysis, there is a net deficiency of potassium 

from the crop nutrient balance. 

 

Figure 20. Minnesota crop nutrient balance (tons) from 1987‐2012 (IPNI, 2012). 

Removal to use efficiency ratios have been calculated as crop nutrient removal divided by 

nutrient inputs (Fig. 21).  There is a positive trend for all nutrients ratios in the analysis since 1987.  This 

implies that fertilizer and manure inputs have been utilized with more efficiency over the last 30 years of 

Minnesota crop production. 

‐200,000

‐150,000

‐100,000

‐50,000

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

1987 1992 1997 2002 2007 2012

Minnesota Crop Nutrient Balance (Tons)(Fertilizer+Manure Recovered+Fixation ‐ Crop Removal)

Nitrogen

P2O5

K2O

Page 18: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 21. Nutrient removal to use ratios from 1987‐2012 (IPNI, 2012). 

Pesticides

HerbicidesTotal herbicide use on Minnesota corn has been tracked for the last 30 years (USDA NASS, 

2018).  Peak use was in the early 1990s, when 22 million pounds of herbicides were applied to corn (Fig. 

22).  Total herbicide use declined to more than half of that figure in the early 2000s, and has slightly 

risen in previous years to approximately 17 million pounds.  There has been a decrease in use of 

metolachlor and atrazine in the 30 year record, and alachlor has been completely phased out.  Although 

no single herbicide has been proven to be harmless in the environment, these three latter chemicals 

have specific human health risks, pose high toxicity risk to aquatic plants, and have been shown to leach 

into groundwater (Potter and Carpenter, 1995; Fairchild et al., 1998; Boyd, 2000).  Glyphosate and 

acetochlor are the only two forms of herbicides that show an increasing trend in use.  Benbrook (2012) 

notes that glyphosate resistant (GR) crops have had commercial success in the United States since their 

introduction in the 1990s; this has been associated with a decrease in use of more toxic herbicides such 

as atrazine, metolachlor and alachlor.  Due to an increase in weed resistance to glyphosate, it is 

suggested that precision and/or integrated weed management systems should be incorporated with a 

reduced reliance on GR corn to extend the useful lifespan of herbicide resistant technologies. 

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1987 1992 1997 2002 2007 2012

Nutrient Removal to Use Ratio

Nitrogen

Phosphorus

Potassium

Page 19: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 22. Major forms of herbicides used (lbs.) on Minnesota corn from 1990‐2017 (USDA NASS, 2018). 

InsecticidesInsecticide use on corn in Minnesota has decreased dramatically since the 1990s (Fig. 23).  A 

maximum of nearly 800,000 pounds of insecticides were used in the early 1990s, but usage has since 

dropped by 95% to only 43,000 pounds in 2016.  A large portion of the decline in use is likely related to 

genetic engineering advances in the corn industry. Insect‐resistant crops have been linked to reductions 

in insecticide application rates of 25 to 50% over the past 20 years (Benbrook, 2012). Bacillus 

thuringiensis (BT) has been introduced to genetically modified corn and has proven an effective way to 

suppress the primary pest Ostrinia nubilalis (European corn borer) (Hutchinson et al., 2010).  BT corn is 

generally considered safe for non‐target species (Saxena and Stotzky, 2001) and is actively managed 

with non‐BT corn to prevent resistance in affected insects (Hutchinson et al., 2010).  Continued 

management of BT corn and responsible insecticide use in general should lead to effective pest 

suppression for years to come. 

0

5,000,000

10,000,000

15,000,000

20,000,000

25,000,000

Herbicide Use on Corn (lbs)

Total Herbicide Use

ACETOCHLOR

METOLACHLOR

ATRAZINE

GLYPHOSATE

ALACHLOR

DICAMBA

Page 20: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 23. Major forms of insecticides used (lbs.) on Minnesota corn from 1990‐2017 (USDA NASS, 2018). 

  Declining use of organophosphate and carbamate insecticides has been offset by increased 

usage of seed treatments involving neonicotinoid insecticides (Hladik et al., 2014).  In corn, the most 

commonly used neonicotinoid seed treatments include clothianidan, imidacloprid and thiamethoxam. 

Clothianidan, the most commonly used seed treatment in corn, degrades slowly in soil (half life 545 

days), and is moderately mobile (Koc  126 mL/g), leading to enhanced risk for neonicotinoid pollution of 

tile drainage discharge and surface runoff.  Neonicotinoids have also been implicated as one of the 

causes for colony collapse in bees and harmful effects on other pollinators (Spivak et al., 2011).  In 

Minnesota, neonicotinoid seed coatings are widely used in corn and soybean, and are thought to control 

aphids in soybeans, but research has shown that there are few benefits to this practice (Krupke et al., 

2017). 

ConservationPracticesThe Conservation Reserve Program (CRP) removes environmentally sensitive lands from 

agricultural production and represents the largest conservation effort on private lands in the United 

States (USDA, 2018).  Implemented in the mid‐1980s, the program is intended to provide soil and water 

quality benefits as well as important wildlife habitat.  At peak enrollment (1994 and 2007), nearly 1.8 

million acres in Minnesota were enrolled in CRP (Fig. 24), which represents almost 10% of all cultivated 

lands in the state.  The amount of enrolled acres has recently declined to around 1.1 million acres.  

Easement contracts are generally 10 to 15 years in length, and expiration of contracts are associated 

with low enrollment years.  As enrollment is currently on a downward trend, new CRP land acquisitions 

are recommended on marginal lands to continue the success of the program. 

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

800,000

900,000

Insecticide Use on Corn (lbs)

Total Insecticide Use

CHLORPYRIFOS

PHORATE

TERBUFOS

VERNOLATE

TEFLUTHRIN

TEBUPIRIMPHOS

Page 21: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

 

Figure 24. Statewide enrollment of conservation reserve program acres from 1986‐2016 (USDA FSA, 2018). 

The Minnesota Board of Water and Soil Resources (BWSR) has tracked conservation efforts 

online with their eLINK database since 2003.  Nearly 40,000 conservation practices have been recorded 

since that year (BWSR, 2017).  Examples of practices include filter strips, terraces, grassed waterways, 

critical area plantings, and cover crops to name a few.  More detailed records have been kept since the 

Clean Water Fund was established in 2010.  From 2010 to 2017, nearly 7,000 best management 

practices have been installed, which have been estimated to reduce 117,000 pounds of phosphorus and 

121,000 tons of sediment runoff statewide (Fig. 25). 

The Minnesota Nutrient Reduction Strategy (MPCA, 2014) established long‐term goals for a 45% 

reduction in nitrogen (N) and phosphorus (P) export to Minnesota’s surface waters.  The strategy for 

reaching these goals includes recommendations for reducing nonpoint source N and P losses to surface 

waters.  This strategy includes recommendations for better management of nutrient inputs on cropland 

(e.g. timing and rate of N application and precision management of phosphorus), for increased control 

of field erosion (e.g. increased crop residue cover), for increases in living vegetative cover (e.g. cover 

cropping and perennial crops), and for increases in treatment and storage of tile drainage discharge 

through structural management practices (e.g. controlled drainage and bioreactors).  Many of the 

recommendations for better nutrient management have already been or are in the process of being 

adopted by Minnesota corn growers (e.g. nitrification inhibitors and a gradual transition to spring 

application of N fertilizer).  However, many other recommendations are not widely adopted, partially 

because of a pressing need for more research to enhance the effectiveness and economics of 

management alternatives (e.g. VRT N and P management, cover cropping, perennial crops, and 

bioreactors for simultaneous N and P removal in ditches).   

0

200,000

400,000

600,000

800,000

1,000,000

1,200,000

1,400,000

1,600,000

1,800,000

2,000,000

Statewide CRP Enrollment (acres)

Page 22: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 25.  Clean water fund projects and estimated pollution reductions by Minnesota major river basin (BWSR et al., 2017). 

Page 23: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

CoverCropsCover crops generally refer to crops grown to cover the ground to protect the soil from erosion 

and from loss of plant nutrients through leaching and runoff (Reeves, 1994).  An extensive literature 

review provided by Dabney et al. (2001) concludes that cover crops have the potential for numerous soil 

and water quality benefits including reduction of overland wind and water erosion, improvements in soil 

quality, reduction in nitrate leaching losses and increases in available N to following crop, sequestration 

of atmospheric carbon, and the ability to compete with and control weeds.  When managed correctly, 

the utilization of cover crops has been found to have little to no effect on corn yields (Tonitto et al., 

2006; Olson et al, 2014).  Despite the abundance of benefits, cover crops are not widely used in the 

Midwestern corn belt; a farmer survey found approximately 10% of Minnesota farmers implemented 

cover crops in at least one year from 2000‐2005, which was about the average for Midwestern corn belt 

states (Singer et al. 2007).  The study found that when implemented, cover crops were only used on 6% 

of the land area of a farm.   

Recent remote sensing data indicate that cover crops are becoming more prevalent in the 

Midwestern corn belt; one study reports that cover crops planted on corn or soybean acres has nearly 

doubled from 5.1% in 2010 to 9.4% in 2016 (Seifert et al., 2018). Remote sensing estimates of cover crop 

acreage in Minnesota for 2016 were about 1.5% of cultivated cropland area (Mulla et al., 2018).  The 

greatest barriers to planting cover crops include unfavorable fall weather conditions that lead to poor 

germination, short window of opportunity for killing or tilling cover crops in spring, and extra costs of 

planting cover crops.  The first barrier can be overcome by seeding cover crops into short season crops 

that include sweet corn and corn silage.  Another option is aerial seeding of cover crops into a standing 

corn crop.  

CropResidueHistorical estimates of crop residue cover in Minnesota were traditionally obtained using tillage 

transect surveys.  This method is time consuming and only assesses a small fraction of agricultural fields 

within a given county.  Traditionally, staff in the local Soil and Water Conservation Districts carried out 

windshield crop residue surveys.  Because so many staff were involved across the state, there were 

differences in crop residue measurements from one county to another due to subjectivity of the 

methods used. 

Recently, the Board of Water and Soil Resources (BWSR) funded a project at the University of 

Minnesota to estimate crop residue cover using satellite imagery.  Using two years of satellite imagery 

and crop residue field measurements in eight counties (2016 and 2017), we have developed an 

algorithm using atmospherically corrected satellite imagery for crop residue mapping. We used the 

surface reflectance product based on Landsat imagery from the EROS data center to estimate historical 

crop residue cover across Minnesota for four selected time periods (1988, 1996‐1997, 2007‐2008 and 

2017).  Satellite images used for this analysis were taken one to two weeks after half the corn acres had 

been planted in each time period. 

Page 24: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 26. Satellite remote sensing estimates of crop residue by county for 1988, 1996/97, 2007/08 and 2017 (Olmanson et al., 2018) 

  Estimates of historical crop residue cover in Minnesota (Fig. 26) show that county averages are 

generally above 21% residue cover for all four time periods.  Crop residue cover peaked in 1996‐1997, 

with many counties having greater than 41% residue cover and many others having greater than 61% 

cover.  Crop residue cover in 2017 (as well as other recent years not shown) appears to be lower than in 

all three other time periods, with widespread areas in the 21‐40% residue cover range (most of these 

are actually 21‐30% residue cover).  Cooler, wetter spring climatic conditions generally are associated 

with crop residue cover levels at planting that are less than 30%.  To some extent, the downward trend 

in crop residue cover may have also resulted from an increased acreage of soybeans. 

Page 25: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

EthanolProduction  Minnesota’s 20 ethanol plants have a capacity of 1,176 million gallons (28 million barrels – Fig. 

27) per year (US EIA). In 2007, the Minnesota legislature created a four‐year grant program that offered 

incentives to encourage the adoption of E85. By the end of the program in 2011, Minnesota had 78 

public E85 stations. Minnesota now leads the nation with almost 400 public E85 refueling stations, more 

than one‐tenth of the U.S. total.  Use of corn grain for ethanol increased rapidly after adoption of the 

Federal Renewable Fuel Standard in from 2005‐2007 (Fig. 27).  The increased use of corn grain for 

ethanol was initially accompanied by an increased shift from a two year corn‐soybean rotation to a 

three year corn‐corn‐soybean rotation, particularly in western Minnesota.  In Minnesota today, roughly 

28% of the corn crop is used to produce ethanol.   

 

Figure 27. Ethanol production (millions of barrels) by state (1990‐2016). One barrel equals 42 gallons. (US EIA, 2018) 

  In late 2017, the US EPA maintained the existing goal for nationwide production of 15 billion 

gallons of ethanol from conventional sources that include corn ethanol.  The goal for cellulosic ethanol 

for 2018 was reduced slightly to 288 million gallons, but the national production of cellulosic ethanol is 

presently far lower than this goal.  Cellulosic ethanol can be produced using corn stalks, leaves and cobs, 

as is already being done at Emmetsburg, Iowa, where POET is gearing up to finally produce cellulosic 

ethanol after many years of delay caused by technical problems.  Collecting corn stover from farms for 

cellulosic ethanol production has the potential to be unsustainable with regards to maintenance of soil 

organic carbon, wind and water erosion, and nutrient loss to subsurface and surface waters.  Wilhelm et 

al. (2007) estimated the mass of corn stover needed to maintain soil organic carbon for continuous corn 

versus corn‐soybean rotations, and for moldboard plow, chisel plow and no‐till systems. In general, 

more stover can be removed from continuous corn rotations than from corn‐soybean rotations, and 

from no‐till systems than chisel plow or moldboard plow systems.  Mass of stover to retain is also a 

function of expected crop yield, with higher crop yields allowing greater stover removal.   

 

Page 26: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

PrecisionAgriculture  Minnesota has been a global leader in the development and adoption of precision agriculture.  

Precision agriculture involves customized subfield management of farm inputs, which are matched to 

spatial and temporal patterns in crop growth, soil properties, landscape characteristics, prevalence of 

nutrient deficiencies, and infestations of insects, weeds and disease.  With regards to nutrient 

management, precision agriculture is embodied by subfield implementation of the four R’s:  Right rate, 

right place, right time and right source.  Other examples for specialized applications of precision 

agriculture include variable rate technology (VRT for nitrogen, phosphorus or seeding rate), grid soil 

sampling and mapping, yield monitoring or yield mapping and autosteer guidance technology.   

  A recent study by the Economic Research Service (Schimmelpfenning, 2016) summarized 

adoption of precision agriculture technology on U.S. corn acres.  Results (Fig. 28) showed highest rates 

of adoption on U.S. corn acre (based on 2010 survey data) for yield monitoring (70% of corn acres), 

followed by autosteer guidance (54%), yield mapping (44%), soil mapping (31%) and VRT (28%).  Specific 

adoption rates for Minnesota corn acres are not known, but trends in Minnesota likely track trends in 

the nation and Midwestern region.   

 

Figure 28. Adoption of precision agriculture technologies on U.S. corn farms based on Agricultural Resource Management 

Survey data from 2010. (US ERS, 2017) 

  An alternative approach to estimating the adoption of precision agriculture technologies was 

taken by Holland et al. (2013), who summarized annual surveys of agribusiness service providers 

administered by Purdue University and CropLife from 2002‐2013.  Dealers were asked questions about 

the types of precision farming services offered to their clients, including precision application of 

fertilizer.  In the Midwestern region, dealers responding represented either Cooperatives or locally 

Independent companies.  Of Cooperatives, 65% offered precision application services (e.g. VRT) for a 

single type of fertilizer, whereas only 36% of locally Independent companies offered these services to 

their clients.  VRT services for a single fertilizer were profitable for 64% of Midwestern dealers, whereas 

VRT services for multiple fertilizer types were profitable for 67% of dealers. 

Page 27: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 29. Profitability of precision farming services in the Midwestern US. (Source from Holland et al., 2013) 

  Implementation of precision agricultural management practices has the potential to improve 

the sustainability of corn production.  Using autosteer guidance can reduce overlap in application of 

fertilizer and herbicides on successive passes of an applicator.  Using grid soil sampling for soil available 

phosphorus can be used to guide VRT applications of phosphorus fertilizer or liquid manure.  Variable 

rate nitrogen (VRN) based on in‐season remote sensing of crop nitrogen deficiency (supplemented by 

use of crop models such as those offered by Adapt‐N, Climate or Farmer’s Edge) can guide variable rate 

sidedress N applications.  Wilson et al. (2018) showed that in the best case scenario (25 inches of 

growing season precipitation), a sidedress‐VRN application rate in southern Minnesota could reduce 

nitrate‐N losses in tile drainage by 12 lb N/ac compared with losses from  a relatively high uniform fall 

application rate of nitrogen fertilizer (a 58% reduction in nitrate‐N losses). 

  In practice, the implementation of precision agricultural management practices in Minnesota 

has not been optimum for sustainability.  Grid soil sampling for soil available phosphorus is often used 

to identify areas which need additional phosphorus fertilizer that is added on top of a uniform basal rate 

of phosphorus fertilizer.  This practice over fertilizes areas in which a crop response to P fertilizer is not 

expected.  More sustainable VRT fertilizer practices would involve avoiding application of P fertilizer in 

areas where the soil test Bray‐P exceeds 21 ppm, and only applying P fertilizer to areas where STP is less 

than 21 ppm.  Greenseeker® technology to identify in‐season crop N deficiencies is often used in 

Minnesota to apply additional N fertilizer on top of a uniform basal rate of N fertilizer that was applied 

in fall.  More sustainable VRT fertilizer practices would involve applying a small amount of N fertilizer in 

spring pre‐plant (e.g. 60 lb/ac), followed by use of remote sensing to identify areas of the field which 

require additional sidedress N applications.   

Page 28: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

ClimateChangeMinnesota experiences large fluctuations in mean annual temperatures and precipitation, 

although both display an increasing trend when looking at long term data.  Over the last century, mean 

annual temperature in Minnesota has increased by 2.4°F and mean annual precipitation has increased 

by 2.8 inches (Figs. 30 and 31).  Novotny and Stefan (2007) have observed increases in several hydrologic 

metrics including increased peak flows due to rainfall events, increased number of days with higher 

flows, increased base flows in both summer and winter, a larger number of intense rainfall events, more 

days with precipitation, and earlier and more frequent snow melt events.  Increases in stream flow have  

been attributed to increases in precipitation (Nangia et al., 2010; Gupta et al., 2015), increases in 

agricultural drainage (Schottler et al., 2014) and increased acreage of soybeans (Zhang and Schilling, 

2006). 

   

 

Figure 27. Annual fluctuations and long‐term trend in average annual Minnesota temperature from 1895‐2016 (BWSR et al., 2017). 

Page 29: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 28. Annual fluctuations and long‐term trend in average annual Minnesota precipitation from 1895‐2016 (BWSR et al., 2017). 

As a consequence of earlier snow melts and warmer and milder winters, the average planting 

date for corn in Minnesota is becoming earlier in the calendar year (Fig. 32).  In the 1980s, the average 

planting date was around May 12th.  Recent data on average planting dates places this figure more than 

a week earlier on May 4th.  Although planting date is trending earlier in the season , there does not 

appear to be a significant change in corn growing degree days (GDD – Fig. 33).  Corn GDDs refer to to a 

formula that accounts for the accumulation of heat during the growning season; higher values imply 

longer and warmer growing seasons. Data from a station in Lamberton, Minnesota (SWROC, 2018), 

show fluctuation in GDDs, but the overall trend is level.  

 

Figure 29.  Change in average planting date 1984‐2016.  (USDA NASS, 2018). 

Page 30: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

Corn production can be adversely affected by temperature and precipitation extremes (Fig. 33).  

The three most notable departures from an upward trend in corn yield coincide with either warm and 

dry years (1976, 1988) or cold and wet years (1993). 

 

Figure 30.  Corn Growing Degree Days, Palmer Drought Severity Index, and Average Corn Yields (bu/ac) from 1970 to 2017.  (SWROC, 2018; NOAA, 2018; USDA NASS, 2018). 

Increases in precipitation may have the most pressing implications with regard to the future of 

corn management.  Two‐thirds of the last 50 years on record have experienced wetter than average 

summers.  When looking at the previous 30 years, only two summers were relatively dry.  Wetter 

springs will affect how and when farmers can perform field work, but soil erosion and export of N and P 

to surface waters will also increase with a wetter climate.  Nangia et al. (2010) modeled agricultural 

management and climate changes for a period lasting 50 years (Fig. 34). They found that when climatic 

factors are held constant at 1999‐2003 (regardless of management year), management improvements 

between 1978 and 2001 would have decreased stream discharge by 21.1% and nitrate losses by 13.5%.  

However, when using actual climatic records (that include an increasingly wetter climate), discharge 

increased by 19%, while nitrate losses increased drastically by about 100%.  Even though agricultural 

management is improving, the expected benefits are being masked by an increasingly wetter climate.   

 

Page 31: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

 

Figure 31. Changes in discharge (left) and nitrate losses (right) for a 10,000 acre Minnesota watershed with actual and recent climatic patterns (1999‐2001) for three time periods (Nangia, et al., 2010). 

ManagementHistoryTrends  This report summarizes relatively long‐term trends in management practices on Minnesota’s 

corn production acres.  Many of the trends are positive from the point of view of increased 

sustainability.  From 1970‐2017 production of corn tripled, while N use efficiency doubled.  Since the 

mid‐1990’s, use of nitrification inhibitors increased five‐fold.  Since 1990, application of spring applied 

urea nearly doubled, while application of fall applied anhydrous ammonia was halved.  In the last 

decade, use of phytase supplements in hog feed have been widely adopted, leading to a reduction of 

approximately 25 million pounds of swine manure P excretion. Use of metolachlor, atrazine, dicamba 

and alachlor herbicides, as well as organochlorine and carbamate insecticides have all declined 

dramatically since 1990.  Since 2003, there has been significant adoption of vegetative filter strips, 

terraces, grassed waterways, critical area plantings, and cover crops on Minnesota cropland.  From 2010 

to 2017, nearly 7,000 best management practices have been installed, which have been estimated to 

reduce 117,000 pounds of phosphorus and 121,000 tons of sediment in runoff statewide.  Over the last 

two decades, Minnesota corn producers have increasingly adopted precision agriculture technology.  

These technologies include yield monitoring, autosteer guidance, yield mapping, soil mapping and 

Variable Rate Technology (VRT) for N and P application. 

  This report also documents long‐term trends that have negative implications for sustainability.   

From 1970 to 2017, application of N fertilizer to Minnesota corn acres more than doubled.  Minnesota 

soil test P (STP) in the very high category (>21 ppm) increased from 40% of acres tested in 2001 to nearly 

55% of acres tested in 2015.  This indicates an increased surplus of phosphorus in Minnesota soils over 

the past 20 years. This trend suggests that precision agriculture technology such as grid soil sampling 

and VRT phosphorus applications have been misused in many cases (build and maintain philosophy).  

Over the last two decades adoption of conservation tillage and area planted to corn silage have both 

declined.  Since 2003, use of neonicotinoid seed treatments has increased dramatically on corn and 

soybean acreage, despite evidence that these seed treatments have little value for soybeans grown in 

the northern portion of the Midwest and may have adverse impacts on pollinators.   

Page 32: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

RecommendationsforImprovedSustainabilityofCornProduction  An increased emphasis on sustainable production of corn is a worthwhile goal for the Minnesota 

Corn Growers Association.   There is increasing pressure from consumers and government agencies for 

increased sustainability.  Evidence for this includes recent efforts by multinational agribusiness 

corporations and state governments to track farm management practices and develop certification 

programs based on these data (e.g. Fieldprint Calculator and the Minnesota Agricultural Water Quality 

Certification Program).  In addition, the Minnesota Department of Agriculture recently updated the 

Nitrogen Fertilizer Management Plan and is in the process of developing a Groundwater Protection Rule 

that applies largely to nitrogen fertilizer and cropping systems management in Drinking Water Supply 

Management Areas.  An increased focus on sustainable agricultural production also features 

prominently in the Minnesota Pollution Control Agency’s Nutrient Reduction Strategy.  

 Some general principles relating to sustainability are outlined below: 

Recognize that there are constraints to achieving sustainability. The corn‐soybean 

rotation is leaky and involves living vegetative cover for relatively few months in the 

year.  Minnesota’s climate is challenging, with increasing amounts of precipitation and a 

short growing season.  Low prices for commodity crops limit the flexibility that 

producers have in adopting more sustainable alternatives to existing practices. 

A watershed or groundwater management area approach to sustainability is needed.  

Sustainable management practices should be targeted to the most vulnerable soils and 

landscapes.   

Education is important for reducing the barriers to adoption of alternative management 

practices, as exemplified by the success of Dr. Brad Carlson’s Nitrogen Smart workshops. 

Existing best management practices for corn production may not be sufficient for 

attaining the goals outlined in the Groundwater Protection Rule or the Nutrient 

Reduction Strategy.  No single management practice is going to be effective at attaining 

sustainable production of corn.  A customized combination of nutrient management, 

erosion control, vegetative practices and structural practices is often warranted, and the 

appropriate combination depends on site characteristics, existing management and 

economic profitability.   

There is a pressing need for research to enhance the effectiveness of existing 

management alternatives, particularly precision agriculture technologies and structural 

management practices such as bioreactors. 

Some specific recommendations for enhancing sustainability are outlined below. 

Fertilizer and manure application should follow University of Minnesota guidelines, as 

well and guidelines in the Minnesota Nitrogen Fertilizer Management Plan and the 

Groundwater Protection Rule (when finalized).  An increasing emphasis on shifting away 

from fall uniform N applications in vulnerable areas is warranted.  An increasing 

emphasis on relatively  low spring pre‐plant N applications followed by sidedress N 

applications in June is also warranted. 

Page 33: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

Variable rate technology (VRT) for N and P applications should be increasingly 

emphasized in corn production.  For VRT N applications, this could be based on a 

combination of remote sensing and crop modeling, with an initial spring pre‐plant 

application of about 60 lb N/ac followed by a variable rate sidedress N application at 

growth stages V6‐V10.  For VRT P applications, this could be based on grid soil sampling, 

avoiding any application of phosphorus from manure or fertilizer in areas that have STP 

levels in the very high category (>21 ppm). 

Research on removal of N and P from agricultural ditches using engineering approaches 

such as bioreactors should be supported, with a goal of treating a majority of ditch 

discharge within a decade.  Field testing of a dual N and P bioreactor at a Lamberton 

ditch showed removal of greater than 60% of the N and P in drainage ditch discharge. 

Cover cropping should be promoted through greater emphasis on highboy or aerial 

seeding of cover crops in feed corn and soybeans, and cover crop plantings after harvest 

of corn silage.   

Conservation tillage that leaves greater than 30% of the soil covered by crop residue 

should be promoted on all soil types except heavy clays that developed from lacustrine 

deposits.  There are a number of different approaches for achieving conservation tillage, 

including strip tillage, avoiding fall tillage of soybean residue, reducing speed and depth 

of tillage passes, etc. 

Neonicotinoid seed treatments on soybean should be phased out, given their lack of 

effectiveness against soybean aphids.  Greater emphasis should be placed on variable 

rate herbicide spray application in corn, given the increasing frequency of weed 

resistance to glyphosate. 

In the event that production of cellulosic ethanol from corn stover becomes 

commercially viable, corn producers should be cautious to either leave enough stover to 

ensure that soil organic carbon levels are sustained, or plant cover crops to achieve the 

same goal. 

 

Page 34: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

ReferencesBenbrook, C.M. 2012. Impacts of genetically engineered crops on pesticide use in the U.S. – the first 

sixteen years.  Environ. Sci. Eur. 24:24. 

Bierman, P., Rosen, C., Venterea, R., and J. Lamb. 2012.  Survey of nitrogen fertilizer use on corn in 

Minnesota.  Agricultural Systems 109:43‐52. 

Boyd, R.A. 2000. Herbicides and herbicide degradates in shallow groundwater and the Cedar River near 

a municipal well field, Cedar Rapids, Iowa. Science of the Total Environment. 248(2‐3): 241‐253. 

Dabney, S.M., J. A. Delgado & D. W. Reeves. 2001. Using winter cover crops to improve soil and water 

quality. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 32:7‐8, 1221‐1250. 

Dodd, J.R. and A.P. Mallarino.  2005. Soil‐test phosphorus and crop grain yield responses to long‐term 

phosphorus fertilization for corn‐soybean rotations. Soil Sci. Soc. of Am. J. 69(4): 1118‐1128. 

Fairchild, J.F., D.S. Ruessler, and A.R. Carlson.  1998. Comparative sensitivity of five species of 

macrophytes and six species of algae to Atrazine, Metribuzin, Alachlor, and Metolachlor.  

Environmental Toxicology and Chemistry. 17(9):1830‐1834. 

Fixen, P.E., R. Williams, and Q.B. Rund. 2012.  NuGIS: A nutrient use geographic information system for 

the U.S. International Plant Nutrition Institute 

http://www.gob.ipni.info/ipniweb/portal.nsf/0/5D3B7DFAFC8C276885257743005AA07A/$FILE/120

3%20FIXEN%20GPSFC%20NuGIS%20FINAL.pdf. 

Gilbert, P.M., J. Harrison, C. Heil, and S. Seitzinger. 2006.  Escalating worldwide use of urea – a global 

change contributing to coastal eutrophication.  Biogeochemistry. 77: 441‐463.  

Gupta, S.C., A. C. Kessler, M. K. Brown, and F. Zvomuya. 2015. Climate and agricultural land use change 

impacts on streamflow in the upper midwestern United States. Water Resour. Res. 51:5301‐5317. 

Hart, J.F. 1986. Change in the corn belt. Geogr. Rev. 76(1): 51‐72. 

Hladik, M.L., D. W. Kolpin, and K. M. Kuivila. 2014. Widespread occurrence of neonicotinoid insecticides 

in streams in a high corn and soybean producing region, USA. Environmental pollution  193:189‐196. 

Holland, J., B. Erickson, and D. Widmar. 2013.  Precision agricultural services dealership survey results. 

CropLife, Center for Food and Agricultural Business.  Purdue University, W. Lafayette, IN.  

https://www.agecon.purdue.edu/cab/ArticlesDatabase/articles/2013PrecisionAgSurvey.pdf 

Hutchinson, W.D., E.C. Burkness, P.D. Mitchell, R.D. Moon, T.W. Leslie, S.J. Fleischer, M. Abrahamson, 

K.L. Hamilton, K.L Steffey, M.E. Gray, R.L. Hellmich, L.V. Kaster, T.E. Hunt, R.J. Wright, K. Pecinovsky, 

T.L. Rabaey, B.R. Flood, and E.S. Raun. 2010.  Areawide suppression of European corn borer with Bt 

Maize reaps savings to non‐Bt Maize growers. Science. 330(6001):222‐225. 

IPNI (International Plant Nutrition Institute). 2012. A Nutrient Use Information System (NuGIS) for the 

U.S. Norcross, GA. January 12, 2012. www.ipni.net/nugis. 

IPNI. 2018.  Soil Test Levels in North America.  http://soiltest.ipni.net/. 

Kaiser, D.E. and P. Pagliari. 2018. Understanding phosphorus fertilizers.  University of Minnesota 

Extension. https://extension.umn.edu/phosphorus‐and‐potassium/understanding‐phosphorus‐

fertilizers#should‐soil‐ph‐influence‐fertilizer‐p‐source‐selection%3F‐‐624612. 

Kellogg, R.L., C.H. Lander, D.C. Moffitt, and N.Gollehon. 2000. Manure nutrients relative to the capacity 

of cropland and pastureland to assimilate nutrients: Spatial and temporal trends for the United 

States. USDA‐NRCS‐ERS Publication No. nps00‐0579. 

Page 35: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

Krupke, C.H., A. M. Alford, E. M. Cullen, E. W. Hodgson, J. J. Knodel, B. McCornack, B. D. Potter, M. I. 

Spigler, K. Tilmon, and K. Welch. 2017. Assessing the value and pest management window provided 

by neonicotinoid seed treatments for management of soybean aphid (Aphis glycines Matsumura) in 

the Upper Midwestern United States. Pest Management Scie. 73:2184‐2193. 

McMinimy, M. 1983.  The payment‐in‐kind (PIK) program issue brief number IB83021.  Environment and 

Natural Resources Policy Division, Congressional Research Service.  

https://www.everycrsreport.com/files/19831109_IB83021_eff055eecce8679a92a263b5af9f8cdb98

907f20.pdf. 

Minnesota Board of Water and Soil Resources (BWSR). 2017.  Web‐based conservation tracking system 

development (eLINK).  http://www.bwsr.state.mn.us/outreach/eLINK/. 

MN BWSR, MN Pollution Control Agency, MN Department of Natural Resources, MN Department of 

Agriculture, Minnesota Department of Health, and MN Public Facilities Authority. 2017.  Clean water 

fund performance report. https://www.pca.state.mn.us/sites/default/files/lrp‐f‐3sy18.pdf. 

Minnesota Environmental Quality Board (MN EQB). 2002. Final Animal Agriculture Generic 

Environmental Impact Statement.  https://www.leg.state.mn.us/docs/2009/other/090952.pdf. 

MPCA.  2014.  The Minnesota Nutrient Reduction Strategy.  

https://www.pca.state.mn.us/sites/default/files/wq‐s1‐80.pdf. 

Mulla, D., L. Olmanson, and D. Wheeler. 2018.  Estimating cover crop adoption using satellite imagery.  

Report to BWSR. 

Multi‐Resolution Land Characteristics Consortium (MRLC). 2018.  National Land Cover Database.  

https://www.mrlc.gov/finddata.php. 

Nahm, K.H. 2002.  Efficient feed nutrient utilization to reduce pollutants in poultry and swine manure.  

Critical Reviews in Environ. Sci. and Tech. 32(1): 1‐16. 

Nangia, V., D.J. Mulla, and P.H. Gowda. 2010.  Precipitation changes impact stream discharge, nitrate‐

nitrogen load more than agricultural management changes.  J. Environ. Qual. 39:2063‐2071. 

National Corn Growers Association (NCGA). 2018.  World of Corn. http://www.worldofcorn.com/#/. 

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). 2018. Climate at a Glance. 

https://www.ncdc.noaa.gov/cag/. 

Novotny, E.V. and H.G. Stefan. 2007.  Stream flow in Minnesota: indicator of climate change. J. of 

Hydrology. 334(3‐4):319‐333. 

Olmanson, L., D. Wheeler, J. Galzki and D. Mulla.  2018. Estimating crop residue cover using satellite 

imagery.  Report to BWSR. 

Olson, K., S. Ebelhar, and J. Lang. 2014. Long‐term effects of cover crops on crop yields, soil organic 

carbon stocks and sequestration. Open Journal of Soil Science 4: 284‐292. 

Potter, T.L. and T.L. Carpenter. 1995. Occurrence of Alachlor environmental degradation products in 

groundwater. Environ. Sci. Technol. 29:1557‐1563. 

Preisler, D. March 19, 2018. Phone Interview. 

Randall, G.W., and J.E. Sawyer. 2008. Nitrogen Application Timing, Forms, and Additives. Agronomy 

Conference Proceedings and Presentations. 33. https://lib.dr.iastate.edu/agron_conf/33. 

Randall, G.W. and J.A. Vetsch. 2005.  Nitrate Losses in Subsurface Drainage from a Corn–Soybean 

Rotation as Affected by Fall and Spring Application of Nitrogen and Nitrapyrin.  J. Environ. Qual. 

34:590‐597. 

Page 36: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

Reeves, D.W. 1994. Cover Crops and Rotations. In: Hatfield, J.L. and Stewart, B.A., Eds., Crops Residue 

Management. Advances in Soil Science, Lewis Publishers, Boca Raton, 125‐172. 

Saxena, D. and G. Stotzky. 2001.  Bacillus thuringiensis (BT) toxin released from root exudates and biomass of BT corn has no apparent effect on earthworms, nematodes, protozoa, bacteria, and fungi in soil.  Soil Biology and Biochemistry.  33(9): 1225‐1230. 

Sawyer, J.E., A.P. Mallarino, R. Killorn, and S.K. Barnhart. 2002. General guide for crop nutrient recommendations in Iowa Publ. Pm‐1688 (Rev.). Iowa State University Extension, Ames. 

Schimmelpfennig, D. 2016.  Farm Profits and Adoption of Precision Agriculture.  ERR‐217, U.S. 

Department of Agriculture, Economic Research Service.  

https://www.ers.usda.gov/publications/pub‐details/?pubid=80325. 

Schottler, S.P., J. Ulrich, P. Belmont, R. Moore, J.W. Lauer, D.R. Engstrom, and J.E. Almendinger.  2014.  

Twentieth century agricultural drainage creates more erosive rivers.  Hydrol. Process. 28:1951‐1961. 

Seifert, C.A., G. Azzari, and D.B. Lobell.  2018.  Satellite detection of cover crops and their effects on crop 

yield in the Midwestern united states. Environ. Res. Lett. 13:064033. 

Sharpley, A.N., S.C. Chapra, R. Wedepohl, J.T. Sims, T.C. Daniel, and K.R. Reddy. 1994. Managing 

agricultural phosphorus for protection of surface waters: Issues and options. J. Environ. Qual. 

23(3):437‐451. 

Sharpley, A.N., T.C. Daniel, J.T. Sims, and D.H. Pote.  1996.  Determining environmentally sound soil 

phosphorus levels. J. Soil Water Conserv. 51(2): 160‐166. 

Singer, J.W., S.M. Nusser, and C.J. Alf. 2007. Are cover crops being used in the US corn belt? J. Soil Water 

Conserv. 62(5): 353‐358. 

Spivak, M., E. Mader, M. Vaughan, and N.H. Euliss.  2011. The plight of the bees.  Environ. Sci. Technol. 

45:34‐38. 

Swink, S., Q.M. Ketterings, K. Czymmek, and L. Chase. 2008. Proactive agricultural and environmental 

management by New York dairy farmers greatly reduces cropland P balances. What's Cropping Up? 

Cornell University Newsletter Vol 18, No 5, Sept.‐Oct. 

Tonitto, C., M.B. David, and L.E. Drinkwater. 2006.  Replacing bare fallows with cover crops in fertilizer‐

intensive cropping systems: A meta‐analysis of crop yield and N dynamics. J. Agr. Ecosyst. Environ. 

112:58‐72. 

University of Minnesota Southwest Research and Outreach Center (SWROC). 2018.  Corn Growing 

Degree Days Graphs. https://swroc.cfans.umn.edu/weather/gdd‐graphs. 

USDA (United States Department of Agriculture). Crop Production 2017 Summary: 

http://usda.mannlib.cornell.edu/usda/nass/CropProdSu//2010s/2018/CropProdSu‐01‐12‐2018.pdf. 

USDA Farm Service Agency (FSA). 2018.  Conservation Reserve Program.  

https://www.fsa.usda.gov/programs‐and‐services/conservation‐programs/conservation‐reserve‐

program/. 

USDA National Agricultural Statistics Service (NASS). 2018. Quick Stats Tools. 

https://www.nass.usda.gov/Quick_Stats/index.php. 

USDA Risk Management Agency (RMA). 2018. Summary of business reports and data.  

https://www.rma.usda.gov/data/sob.html. 

US Energy Information Administration (EIA).  2018.  Six states account for more than 70% of US fuel 

ethanol production.  https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=36892. 

Page 37: Historical Assessment of Improvements in Management Practices Associated with Corn ... · 2018-10-09 · Figure 8. Acres of corn for silage and sweet corn harvested from 1972‐2017

Venterea, R.T., M.S. Dolan, and T.E. Ochsner.  2010. Urea decreases nitrous oxide emissions compared 

with anhydrous ammonia in a Minnesota corn cropping system. Soil Sci. Soc. Of Am. J. 74(2): 407‐

418. 

Wall, D.  March 27, 2018.  Email interview. 

Wilhelm, W.W., J. M. Johnson, D. L. Karlen, and D.T. Lightle. 2007. Corn stover to sustain soil organic 

carbon further constrains biomass supply. Agronomy J. 99:1665‐1667. 

Wilson, G. L., J. Galzki, A. Laacouri, J. Vetsch, and D. J. Mulla.  2018.  Predicted nitrate‐N loads for fall, 

spring, and VRN fertilizer application in southern Minnesota.  14th Intl. Conf. Prec. Ag. Montreal, 

Canada. 

Zhang, Y.K. and K.E.Schilling. 2006. Increasing streamflow and baseflow in Mississippi River since the 

1940’s: Effect of land use change. J. Hydrology 324:412‐422.