Undersowing in a northern climate: effects on spring cereal yield and risk of nitrate leaching

Abstract

Viime vuosikymmenten aikana yksipuolinen viljanviljely on lisääntynyt, huoli ravinteiden huuhtoutumisesta kasvanut ja typen hinta noussut. Aluskasvi, viljelykasvin kanssa yhdessä ja sen korjuun jälkeen kasvava kasvi, voi lievittää kyseisiä ongelmia. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää aluskasvien käyttö hyvin kevätviljan viljelyn yhteyteen sopivaksi, pellon kasvukuntoa ja ympäristöä hyödyttäväksi menetelmäksi. Satovasteen lisäksi typen hallinta oli tärkeässä asemassa menetelmän toimivuutta arvioitaessa. Kaikkiaan 17 kasvilajia kylvettiin kevätviljojen aluskasveiksi vuosina 1991 - 1999 neljällä koepaikalla Etelä- ja Keski-Suomessa. Kahdeksan lajia valittiin tarkemman tutkimisen kohteeksi. Vuosittain toistettua aluskasvien käyttöä tutkittiin kahdella apila- ja yhdellä heinäkasvilla sekä yhdellä apilan ja heinän seoksella. Myös erillisen aluskasvin kylvön korvaavia hajakylvöratkaisuja tutkittiin. Lisäksi tutkittiin typpilannoituksen määrää vuosittain käytetyn aluskasvin yhteydessä sekä aluskasvien siemenmääriä. Viljan jyväsato, aluskasvin kuiva-aine- ja typpisato sekä maan nitraattitypen määrä olivat erityisesti kiinnostuksen kohteena. Tutkimus osoitti aluskasviksi kylvetyillä palkokasveilla olevan hyvät edellytykset sitoa ilmakehän typpeä ja vapauttaa sitä seuraavan kevätviljan käyttöön. Vastaavasti heinäkasveilla on edellytykset estää typen huuhtoutumista keräämällä nitraattityppeä (NO3-N) maasta. Soveltuvuus aluskasviksi sekä vaikutukset pääkasvin kasvuun ja typen kiertoon olivat kuitenkin suuresti lajista riippuvaisia. Westerwoldin raiheinä (Lolium multiflorum Lam. var westerwoldicum) ja syysvehnä (Triticum aestivum L.) vähensivät huomattavasti viljojen jyväsatoa mutta keräsivät silti huonosti typpeä syksyn aikana. Italianraiheinäkin (Lolium multiflorum Lam.) alensi pääkasvin satoa mutta vähensi tehokkaasti nitraattitypen määrää maassa. Monivuotiset heinälajit haittasivat yksivuotisia vähemmän pääkasvia, mutta keräsivät heikohkosti typpeä syksyllä. Luotettavimmin kasvanut timotei (Phleum pratense L.) keräsi typpeä tehokkaasti seuraavana keväänä. Puna-apila (Trifolium pratense L.) ja valkoapila (Trifolium repens L.) sopivat toistuvaan käyttöön ja luovuttivat typpeä viljalle lisäämättä olennaisesti typen huuhtoutumisen riskiä. Apiloiden myönteinen vaste viljan jyväsatoon oli suurempi kuin kilpailun aiheuttama kielteinen vaikutus. Näyttää siltä, että valkoapila ja nurmimailanen (Medicago lupulina L.) jonkin verran lisäävät typen huuhtoutumisen mahdollisuutta seuraavana keväänä, mutta puna-apilan aiheuttama riski on pieni. Palkokasvien syksyyn painottuva kasvu oli eduksi aluskasvikäytössä. Heinäkasvien kasvurytmi sopi menetelmään huonommin, mutta lajien välillä oli eroja. Westerwoldin raiheinä ei luovuttanut toistuvastikaan viljeltynä oleellisia määriä typpeä viljakasvin käyttöön. Syy saattoi alhaisen typpipitoisuuden lisäksi olla se, että kuuden vuoden aluskasvijakso oli liian lyhyt kumuloituvan vasteen syntymiseen. Ulkomaisissa tutkimuksissa havaittu ajan mittaan lisääntynyt typen vapautuminen on kuitenkin syytä ottaa huomioon vuosittain toistuvassa heinäkasvien aluskasvikäytössä, etenkin kun heinien typpipitoisuus vaihtelee suuresti lajeista ja kasvuoloista riippuen. Viljelytoimet voivat ratkaista aluskasveista saatavat hyödyt. Heinien kylvötiheys ei saa olla suuri, jotta viljan jyväsato ei pienene liikaa. Sen sijaan apiloiden siemenmäärät voivat olla suurehkoja suurten typpisatojen varmistamiseksi. Hajakylvö multaavien laitteiden avustamana toimii hyvin. Lannoitetypen lisääminen vähentää palkokasvien biomassaa, pienentäen typpivastetta seuraavalle kasville. Typpirikkaille kasvintähteille suositeltu myöhäinen syysmuokkaus sopii menetelmään, mutta timotein kasvu yli talven tehostaa jäännöstypen keräämistä. Keväisen maahan muokkaamisen merkitystä typen kierrolle ei kuitenkaan selvitetty, vaan se edellyttäisi uusia tutkimuksia. Aluskasvien käyttö ja hyöty riippuvat monesta tekijästä. Ensin on päätettävä, halutaanko sitoa typpeä ilmasta vai kerätä sitä maasta, vai onko monimuotoisempi viljely ja ajan mittaan paraneva maan kasvukunto päätavoite. Italianraiheinän ja talvehtivan timotein seosta voidaan käyttää, kun suuret typen huuhtoutumisesta aiheutuvat haitat ovat pelättävissä. Lannoitekuluja pienennetään apiloiden avulla. Esimerkiksi puna-apilan ja timotein seos on hyvä valinta, kun tavoitellaan samaan aikaan monimuotoisuutta, typpihyötyä ja pientä huuhtoutumisen riskiä. Typpivasteita ja viljaan kohdistuvaa kilpailua voidaan säädellä siemenmäärien avulla. Mukautuva aluskasvimenetelmä perustuu systeemin toteuttamiseen alkutilanteen ja tavoitteen pohjalta. Käytännön toteutus edellyttää toistuvaa harkintaa olosuhteiden ja toteutuneen kasvun perusteella sekä ajan mittaan myös maan paranevan kasvukunnon huomioimista. Kuten aluskasvimenetelmä vaatii jatkuvaa säätöä maatiloilla, voidaan väitöskirjaan luotua mukautuvan aluskasvimenetelmän teoreettista mallia kehittää tutkimuksen ja kokemuksen avulla.

The disadvantages associated with invariable cereal cropping, concern about nutrient leaching and the price of nitrogen (N) fertilizer have increasingly become the subjects of discussion during recent decades. An undersown crop, which grows together with a main crop and post-harvest, could address such disadvantages. The aim of this study was to gain knowledge needed to develop undersowing for Finnish conditions in the interests of optimizing cereal production and meeting environmental goals. Studies were made on the effects of undersown species and management practices on biomass and N yield of undersown crops, grain yield of spring cereals and soil nitrate levels. In total, 17 plant species were undersown in spring cereals during the field experiments carried out between 1991 and 1999 at four sites in south and central Finland. After analysis of preliminary results, eight species were studied more thoroughly. Two legumes, one grass species and one grass-legume mixture were included in long-term trials in order to study annually repeated undersowing. Simultaneous broadcasting of seeds instead of specific undersowing was also studied. Moreover, seeding rates of undersown crops and N fertilization application rates during annually repeated undersowing were researched. Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam., IR) absorbed soil nitrate N (NO3-N) most efficiently in autumn and timothy (Phleum pratense L.) in spring. The capacity of other grass species to take-up N was low, or it was insufficient considering its negative effect on grain yield. Red clover (Trifolium pratense L.) and white clover (Trifolium repens L.) were well suited to annually repeated undersowing, supplying fixed N for cereals without markedly increasing the risk of N leaching. Autumn oriented growth rhythms of the studied legumes were optimal for undersowing, whereas those of grasses were less well suited despite variation in the trait among species. All species were compared according several critical features required of an undersowing system. A model of an adaptive undersowing system was outlined in order to emphasize allocation of measures according to needs. After defining the goal of undersowing, many decisions need to be made. When the primary consideration is reduction in N leaching, a mixture of IR and timothy is advantageous. Clovers represent suitable replacements for N fertilization because their positive residual effect is greater than the negative effect of increased competition. A mixture of legume and nonlegume is a good choice when increased plant diversity is the main target. Seeding rate is an efficient means for adjusting the levels of competition and N effects. Broadcasting with soil covering equipment can be used to establish an undersown crop. In addition, timing and method of cover crop termination play an important role in the outcome. Continuous observation of the system is needed as, for instance, ambient conditions significantly affect theplant diversity is the main target. Seeding rate is an efficient means for adjusting the levels of competition and N effects. Broadcasting with soil covering equipment can be used to establish an undersown crop. In addition, timing and method of cover crop termination play an important role in the outcome. Continuous observation of the system is needed as, for instance, ambient conditions significantly affect the growth of an undersown crop and N release from crop residues can increase over the long term.