Sustainable intensification of Norwegian cereal production by means of technology-driven adjustments of applied nitrogen and fungicides

Bakgrunn I tråd med det nasjonale mål om en bærekraftig intensivering av produksjonen er det behov for å øke kornavlinger samt utnyttingsgraden av både N-gjødsel og soppmidler. Innenfor samme skifte (jordstykke) er det ofte stor variasjon i topografi, jordkvalitet og tilgjengelighet av vann. Dette gjør det både økonomisk og miljømessig fordelaktig å gå over fra å behandle hele skiftet likt (med f.eks. gjødsling og plantevern) til å behandle veksten stedsspesifikt. Det overordnede målet med STRESSLESS-prosjektet er å utvikle anbefalingssystemer for stedsspesifikk N-gjødsling og plantevern (soppsprøyting) i korn ved hjelp av sensormåling av reflektert lys fra plantene. Om prosjektet Dette prosjektet adresserer et svakt punkt i eksisterende systemer for stedsspesifikk N-gjødsling; den manglende evnen slike systemer har til å skille mellom signaler fra plantene som indikerer N-behov på den ene siden, og signaler som er påvirket av andre stressfaktorer (f.eks. for mye/lite vann og sjukdommer) på den andre. Videre tar vi tak i den utfordrende oppgaven det er å oppdage sjukdomsangrep i korn før symptomene kan ses med det blotte øyet. Prosjektet inkluderer også et arbeid med å omsette mosaikken av informasjon som kommer fra mange ulike tekniske instrumenter til agronomisk sett meningsfulle beslutninger. Fremgang I løpet av de tre første sesongene (2015-2017) har vi gjennomført omfattende arbeid i feltforsøk på Apelsvoll på Toten hvor vi har fokusert på effekter av redusert vårgjødsling, vannstress, og plantevern på plantenes spektrale egenskaper og avlingsrespons. Vi har utviklet et fastliggende vanningssystem (dryppvanning) og et system med plasttelt for å stenge nedbør ute der tørkestress er ønsket. Vi har gjennomført sensormålinger med mange ulike optiske sensorer for å fange opp plantes spektrale egenskaper og vi tok planteprøver for å bestemme biomasse, nitrogen og vanninnhold. Registrering av sykdom har også blitt utført på ulike vekststadier. Kornavling og -kvalitet ble bestemt med standard analysemetoder. Resultatene viste at plantereflektansmålinger og multivariate analyser kan gi gode estimat på både N-innhold og vanninnhold i kornplanter. Spektralsignalene som kreves for modellering av begge parametere finnes i separate deler av det elektromagnetiske spekteret. Vi har dessuten identifisert en spektral-indeks basert på utvalgte bølgelengder som gjør at vi kan skille mellom forskjellig vannstatus i plantene. Denne indeksen har vi kalt en «tørkeindeks», og en slik indeks er ikke tidligere påvist. Tørkeindeksen kan brukes til å korrigere estimerte verdier for N-status og dermed forbedre beregningen av optimalt N-gjødslingsnivå. Vi validerte modellene med data fra feltforsøkene utført på Apelsvoll i 2018. Dessuten brukte vi data innsamlet fra kornåkre på ulike gårdsbruk med gode resultater. Vi gjennomførte målekampanjer flere steder i Østfold og på Romerike, med korn dyrket på ulike jordtyper og med ulike vekstforhold. De tørre værforholdene på Østlandet i 2018 induserte tørkestress i avlingene, noe som var positivt for prosjektet. Vi gjennomførte både veksthus- og feltforsøk for å undersøke om det var mulig å identifisere tidlig sykdomssmitte av plantesoppene septoria og meldugg hos kornplanter ved hjelp av spektrale målinger. Til tross for at datasettet omfattet stor variasjon i biomasse og at plantene ble påvirket av mange stressfaktorer, var det mulig å identifisere svake spektrale signaler av meldugg. Basert på dette har vi utviklet en klassifiseringsmodell for meldugg, noe som vi betrakter som et viktig bidrag til den pågående, internasjonale debatten i forskningskretser om gjennomførbarheten av tidlig soppdeteksjon med bruk av spektrale verktøy. Allerede i søknadsprosessen var vi klar over kompleksiteten som lå i målet om å utvikle et overordnet agronomisk beslutningsstøttesystem som skulle takle mange slags variasjoner i felt. Vi avgrenset vår tilnærming til å gjennomføre årlige, separate feltforsøk for å undersøke avlingsrespons på de tre undersøkte stressfaktorene (nitrogen, vann og soppsmitte). Resultater fra fire sesonger viste at avlingene er mest påvirket av åkerens generelle vanntilgang det enkelte år. Nest viktigst for avlingsdannelsen er hvordan tilgjengeligheten av både vann og nitrogen utvikler seg i løpet av samme vekstsesong. Vår konklusjon er at et robust beslutningsstøttesystem krever mer input enn plantevekstdata som kan skaffes ved hjelp av ulike sensorer. Det må dessuten kobles opp mot både værdata og jordegenskaper. Videre formidling Utviklingen av tørkeindeksen som kan brukes til å skille mellom forskjellig vannstatus i plantene, og meldugg-modellen for tidlig deteksjon av angrep ble formidlet både nasjonalt (YARA N-sensor møte, Kornmøte) og internasjonalt (NJF-seminar på Agromek i Herning, DK). Begge disse hovedfunnene fra prosjektet skal nå publiseres i internasjonale, vitenskapelig tidsskrift.

Vi har stor tro på at resultatene som er oppnådd i prosjektet vil bli tatt i bruk både nasjonalt og internasjonalt av forskere og praktikere for kartlegging av kornåker. Våre metodiske tilnærminger kan også være til nytte i andre forskningsfelt relatert til fjernmåling. Indeksen relatert til vannstatus i planter som vi har identifisert er et svært viktig funn som har et klart potensial til å kunne forbedre dagens sensorbaserte gjødslingssystemer til korn. Kornbønder utstyrt med et optimalisert verktøy kan effektivisere produksjonen. Dette vil også være positivt for miljøet, med redusert avrenning og forurensing på grunn av mer effektiv bruk av gjødsel og plantevernmidler. Nytteverdien av prosjektet blir tydelig ved formidling på fagmøter for norske brukere av optiske sensorer, der interessen er meget stor. Økt forståelse av kompleksitet av plantenes egenskaper bidrar til kompetanseutvikling av hver enkelt bruker av denne teknologien.

The overall goal of the proposed project is to build a system for site-specific fertilization and fungal disease control in cereals, designed especially to handle combinations of crop-stressing factors. The project represents the second step in a three-step approach towards a market-ready product. The first step is a research project focused on concept development at high academic level (MULTISENS, to be finished in March 2015). This project (step two) aims at bringing research a step further towards the market, by utilizing the knowledge platform established in MULTISENS and the best and the most relevant sensors available today. Step three will be to complete the work by developing a prototype of a sensor-system, in close cooperation with an industry partner. The interface between technology and agriculture is currently sub-optimal, thus representing a bottleneck of innovations in agricultural production systems. This project addresses a week point of existing systems for site-specific N fertilization - the inability to distinguish between plant N demand and other stressors (e.g. water and diseases). Moreover, we also face the challenge of detecting fungal diseases in cereals at pre-symptomatic stage. The most critical R&D challenge faced in this project, is to transform a mosaic of information from a range of technical devices into agronomical meaningful decisions. The project will contribute to national competence building on the utilization of cutting-edge technology for agricultural purposes. The anticipated advances in N deficiency and disease sensing in cereals will take the research front a step forward. Moreover, the project is expected to contribute to the general goal of sustainable intensification, primarily by providing a system, which potentially may increase use efficiencies of N-fertilizers and fungicides, and which may detect diseases in their pre-symptomatic stages.