Effects of primary tillage, crop rotation and pests on spring cereal yield and nutrient balance in longterm field experiments on clay soils in Nordic conditions

In the future, agriculture will need to produce more food with a reduced impact on the environment. One option is to move crop cultivation more towards conservation agriculture where the target is that no-tillage/minimum soil disturbance, soil crop cover, and crop rotation together improve soil properties and enhance crop growth.

The aim of the current research was to study the separate and interacted effects of longterm primary tillage practices and crop rotation on the spring wheat (Triticum aestivum) and spring barley (Hordeum vulgare) grain yield and nutrient uptake and the incidence of pests (weeds, plant diseases and insect pests) in the Nordic conditions. Long-term field trials on tillage practices and crop rotation were conducted in 2000–2019 on clay soils while pest experiments were gathered in 1965–2017 on mineral soils.

With ploughing there was 12% higher spring wheat grain yield compared to no-tillage in spring wheat monoculture. Spring barley grain yield was 12−13% higher with ploughing and reduced tillage (non-inversion tillage) compared to no-tillage with spring barley monoculture. Precipitation at early growing season influences strongly on cereal yield andits effect differed between primary tillage practices. When estimating spring wheat nutrient uptake in spring wheat monoculture, with ploughing there were 14% highernitrogen (N), and phosphorus (P) uptake compared to no-tillage. For spring barley monoculture, there were 18 and 21% higher N uptake and 12% higher P uptake with ploughing and reduced tillage practices compared to no-tillage.

Seldom reported long-term effects of cultivation measures on N and P balances were also included in the current research. The lowest N and P balances in spring barley monoculture cultivation were achieved with ploughing and reduced tillage. N balance was 44, 42 and 53 kg/ha with ploughing, reduced tillage and no-tillage, respectively. P balance was − 6 kg/ha with ploughing and reduced tillage and − 5 kg/ha with no-tillage, respectively. Higher nutrient balance indicates lower crop nutrient uptake and higher potential risk of nutrient leaching.

Crop rotation with field pea (Pisum sativum) and spring turnip rape (Brassica rapa) had positive effects on spring wheat yield. In average, 21% higher spring wheat yield was achieved with four-year crop rotation compared to spring wheat monoculture. The positive effect of crop rotation on spring wheat yield was greater in no-tillage than in ploughed practices. When estimating spring wheat nutrient uptake, with diverse crop rotation there were 21 and 17% higher N and P uptake, respectively, compared to spring wheat monoculture. For spring barley, diverse crop rotation with faba bean (Vicia faba L.) and spring turnip rape enhance spring barley grain yield and nutrient uptake. However, longer experimental period for spring barley should have been needed.

Based on the long-term pesticide efficacy trials, fungal diseases and weeds decreased the annual yield of spring wheat and spring barley 500 and 200 kg/ha, respectively, if no plant protection was made. When converting yield reductions to nutrient uptakereductions, the estimated amount of unutilized nutrient caused by weeds and fungal diseases varied between 3–9 kg/ha for N and 1–2 kg/ha for P. Besides chemical control, soil ploughing was effective tool to control weeds while diverse crop rotation was effective to decrease the severity of plant diseases.

Long-term field studies revealed that ploughing resulted in greater grain yield and nutrient uptake compared to no-tillage in cereal monoculture. With reduced tillage, the influence on spring barley grain yield and nutrient balance were similar to ploughing. Diverse crop rotation reduced the difference in spring wheat grain yield and nutrient uptake between ploughed and no-tilled treatment. Also, good plant health can secure cereal grain yield and nutrient uptake. In the future, more long-term field studies with different soil types and crop rotations are needed to provide research-based information
for future farming.

———————————-

Tulevaisuudessa maatalouden tulee tuottaa enemmän ruokaa pienemmillä ympäristövaikutuksilla. Yksi keino lisätä kasvintuotannon kestävyyttä on siirtyä kohti CAviljelyä
(conservation agriculture), jossa tavoitteena on käyttää suorakylvöä/kevytmuokkausta, maan kasvipeitteisyyttä sekä viljelykiertoa parantamaan
maan kasvukuntoa ja viljelykasvien kasvua.

Tutkimuksessa tutkittiin perusmuokkausmenetelmien, viljelykierron ja kasvintuhoojien (rikkakasvit, kasvitaudit, tuhohyönteiset) vaikutuksia kevätvehnän (Triticum aestivum L.) ja -ohran (Hordeum vulgare L.) satoon ja ravinteiden ottoon pohjoisissa olosuhteissa. Pitkäaikaiset muokkauksen ja viljelykierron kenttäkokeet toteutettiin vuosina 2000–2019 savimailla, ja kasvinsuojelukokeet vuosina 1965–2017 kivennäismailla. Kynnettäessä kevätvehnän jyväsato monokulttuurissa oli 12 % suurempi suorakylvöön verrattuna. Ohran monokulttuurissa jyväsato oli 12–13 % suurempi kynnettäessä ja kevytmuokattaessa suorakylvöön verrattuna. Alkukasvukauden sateet vaikuttivat voimakkaasti kasvien satoon ja vaikutukset vaihtelivat eri perusmuokkausmenetelmillä. Kevätvehnän monokulttuurissa typpi- ja fosforisato olivat 14 % korkeampia kynnettäessä kuin suorakylvössä. Ohran monokulttuurissa kynnön ja kevytmuokkauksen ohran typpisato oli 18 ja 21 % suurempi ja fosforisato 12 % suurempi verrattuna suorakylvöön.

Kyntö ja kevytmuokkaus alensivat ohran monokulttuurissa typpi- ja fosforitasetta verrattuna suorakylvöön. Typpitase oli kynnössä 44 kg/ha, kevytmuokkauksessa 42 kg/ha ja suorakylvössä 53 kg/ha. Fosforitase oli − 6 kg/ha kynnössä ja kevytmuokkauksessa ja− 5 kg/ha suorakylvössä. Kun ravinnetase on suuri, voidaan olettaa, että riski ravinteiden huuhtoutumiselle kasvaa.

Viljelykierto, jossa olivat mukana herne (Pisum sativum) ja kevätrypsi (Brassica rapa), vaikutti positiivisesti kevätvehnän jyväsatoon. Neljän vuoden viljelykierrolla kevätvehnän sato oli 21 % suurempi kuin monokulttuurissa. Viljelykierron positiivinen vaikutus kevätvehnän satoon oli suurempi suorakylvössä kuin kynnettäessä. Monipuolinen viljelykierto vaikutti myös kevätvehnän ravinteiden ottoon. Typpi- ja fosforisadot olivat viljelykierrossa 21 ja 17 % suurempia kuin kevätvehnän monokulttuurissa. Kevätohran jyvä- ja ravinnesato olivat viljelykierrossa, jossa olivat mukana härkäpapu (Vicia faba L.) ja kevätrypsi, suurempia ohran monokulttuuriin verrattuna. Koevuosia olisi kuitenkin pitänyt olla enemmän, jotta viljelykierron vaikutukset ohran jyväsatoon ja ravinteiden ottoon olisi todennettu tätä paremmin.

Pitkäaikaisissa kasvinsuojelukokeissa kasvitaudit alensivat kevätvehnän ja -ohran satoa 500 kg/ha ja rikkakasvit 200 kg/ha, jos kasvinsuojelua ei tehty. Ravinteiden kannalta pienempiä fosforisatoja. Kemiallisen kasvinsuojelun lisäksi kyntö torjui tehokkaasti rikkakasveja, kun taas monipuolinen viljelykierto hillitsi kasvitauteja kevätvehnällä.

Pitkäaikaiset kenttäkokeet osoittivat, että monokulttuurissa viljojen jyväsato ja ravinteiden otto oli suurempaa kynnössä kuin suorakylvössä. Kevytmuokkauksen vaikutus ohran satoon ja ravinnetaseeseen oli samalla tasolla kynnön kanssa. Monipuolinen viljelykierto vähensi selvästi eroja kevätvehnän sadossa ja ravinteiden otossa kynnön ja suorakylvön välillä. Myös kasvinterveys turvaa viljan satoa ja ravinteiden ottoa. Tulevaisuudessa tarvitaan lisää tutkimusta eri maalajeilla ja viljelykierroilla, jotta saadaan kattavampaa tietoa eri viljelymenetelmien valinnan tueksi.