Adaptation strategies for increased cereal production under a wetter future climate

Mer nedbør og en stadig tyngre maskinpark, kombinert med utilfredsstillende drenering, vil kunne føre til alvorlige avlingsbegrensninger i kornproduksjonen. OPTIKORN prosjektet har bidratt med kunnskap for å utvikle strategier som reduserer risikoen for jordpakking og vannmetning, og som minimerer tapet av næringsstoffer til luft og vann. God jordstruktur med høy infiltrasjonsevne, er nødvendig for å unngå perioder med vannmetting og anaerobe forhold i rotsonen. Mekanisk jordløsning under pløyedypet har vært prøvd for å løsne pakket jord, men med varierende resultater. I prosjektet ble mekanisk jordløsning kombinert med biologisk jordløsning. Biologisk jordløsning ble undersøkt hos noen vekster med kraftig rotsystem for å se i hvilken grad de er i stand til å armere jorda og stabilisere strukturen. I andre forsøk ble mekanisk jordløsning kombinert med enten biologisk jordløsning eller strukturkalking. Resultatene bekrefter at effektene av mekanisk jordløsning er kortvarige, mest på grunn av rekomprimering av det løsnete arealet. Kalking var effektiv til å stabilisere jordstrukturen i plogsjiktet, men ga ikke noe sikker økning i stabiliteten i dypere jordlag. Resultatene antyder at kalking kan ha en positiv langtidseffekt på jordstrukturen som ikke var mulig å påvise i løpet av forsøksperioden. Planterøttene alene var ikke effektive til å løsne undergrunnsjorda. Det ble funnet en tendens til at kombinasjonen av mekanisk løsning og planter med dyptvoksende røtter kunne forbedre jordstrukturen, redusere rekomprimering og dermed bevare løsneeffekten. Samlet sett har ingen av tiltakene for å løsne undergrunnsjorda hatt positiv effekt i prosjektperioden. Beregninger viser at det i de fleste tilfeller ikke er lønnsomt å løsne jorda hverken mekanisk eller biologisk. Dersom det likevel er behov for å løsne pakket areal, vil det mest lønnsomme alternativet være plog med sålebryter. Det er enklere og billigere å unngå jordpakking enn å prøve å rette opp pakkingsskader i etterkant. Mesteparten av dagens grøftesystem ble anlagt mellom 1960-85, og mange av systemene har stort behov for vedlikehold. Likevel er investeringer i nye drenssystem lavt. Spørreundersøkelser blant bønder viste en betydelig økning i avlingene på drenerte områder. Effekten var også tydelig på nygrøftede arealer. Data fra flere dreneringsforsøk og overvåkningen gjennom JOVA programmet sammen med modellbaserte analyser tyder på at dårlig drenering fører til økt overflateavrenning og hyppigere avrenningsepisoder med tap av jord og næringsstoffer, redusert kjørbarhet på jorda og reduserte avlinger. Uten avbøtende tiltak vil endringer i klimaet etter all sannsynlighet øke disse negative trendene. Det eneste unntaket kan være at jorda kan bli lagelig for kjøring tidligere på våren. Målingene viste at dreneringssystemene er en transportkanal for nitrogen, jordpartikler og fosfor. Modellering av vanntransport i framtidige klimascenarioer, som tar hensyn til jordpakking, endringer i grøftedybde og -avstand og valg av vekster, predikerer at jordpakking vil føre til økt overflateavrenning, og at de uheldige virkningene av jordpakking vil øke. Grøftesystemenes utforming vil ha større effekt på vanntransporten i jorda enn jordpakking og redusert grøfteavstand kan delvis redusere skaden av jordpakking, men kan føre til økt utvasking av næringsstoffer. Høstsådde vekster kan gjennom et høyere vannforbruk bedre vannregimet i jorda og jorda kan bli lagelig for kjøring om våren tidligere enn i dag. For å ta ut avlingspotensialet må gjødsla tilføres i mengder og til tidspunkt der utnyttelsen er høyest. Mer nedbør og hyppigere kraftige nedbørsepisoder øker risikoen for å tape gjødsel til omgivelsene. Delt gjødsling har i lang tid vært vanlig i hvete. Til bygg har vært vanlig å gi all gjødsel på våren. Etter intense nedbørsperioder har det vært anbefalt å tilleggsgjødsle med nitrogen for å dekke opp det som har gått tapt. I feltforsøk har vi undersøkt delt gjødsling til bygg, sammenlignet med å gi all gjødsel på våren. Resultatene viser at avlingsnivået blir det samme om all gjødsla gis på våren eller deles mellom våren og i vekstsesongen. Ved å holde igjen noe på gjødsling på våren reduseres gjødselkonsentrasjonen i jorda, og dermed risikoen for å tape gjødsel til omgivelsene. Praksisen med tilleggsgjødsling etter mye nedbør kan da erstattes med en planlagt delgjødsling som kan justeres etter forholdene den aktuelle sesongen. Økonomiske beregninger har vist at det er mer lønnsomt å delgjødsle sammenlignet med å gi alt på våren. En planlagt delgjødsling er derfor den mest optimale strategien både økonomisk og for miljøet. Etter intense nedbørsperioder stilles det spørsmål om nitrogen har gått tapt fra jordprofilet. I prosjektet er det utarbeidet en ny kalkulator som ser på N-dynamikken i jord. Kalkulatoren baseres seg på den danske modellen Daisy. En testversjon er ferdigstillet, og det gjenstår testarbeid før modellen kan gjøres allmenn tilgjengelig.

The results emphasize that soil structure is easily damaged, but more difficult to repair. As such, the results underline the need for strategies to (a) increase soil stability and (b) avoid (sub-) soil compaction. Furthermore, the results show the challenges in using lime to stabilize subsoil. Plant roots may a have a potential to (I) loosen compacted subsoil over time, and (II) stabilize subsoil loosening effect, but more research is needed on (a) establishment strategies for different types of soil loosening plants, (b) how these could be integrated into a crop rotation that generates income and (c) long term effect. The results from OPTIKORN will help farmers decision making process in terms of avoiding of soil compaction, soil structure improvement and subsoil loosening. For society and decision makers these results illustrate (a) the need for better strategies to improve soil structure and stability, (b) necessity to avoid soil compaction. The information gathered on drainage activity and profitability analyses will be useful for government with respect to developing effective grant programs. This knowledge will also be beneficial for farmers and advisors. Results of the economic analysis can result in increased drainage activity, which is positive for production, farmer’s economy, the environment and the climate. The model-based scenario analysis applied in the project is a complex approach that can account for the – sometimes contradictory- effect of various management practices and mitigation measures in an integrated way. The key message to the society, farmers and decision-makers is that complex strategies are needed to maintain cereal production without increasing the pressure on the environment under changing climatic conditions. These would include i) site-specific soil conserving practices to avoid soil compaction; ii) split and precision fertilization for reducing nutrient losses that might occur due to increased surface runoff and drainage outflow in the future and iii) new crop rotation schemes. As changing the drainage system is an expensive measure, further studies are needed for optimizing and adapting i) soil management, ii) crop rotation, including winter crops and iii) fertilizer strategies to future climate conditions. The presented method could also be used in decision making, to decide, i) whether drainage pipes should be established in a certain area; ii) how the drainage system should be designed to maintain future hydrological conditions; iii) what would be the benefit from reduced soil compaction and optimized fertilizer strategy, etc. Results from the study of fertilization strategies will be very useful for Norwegian agriculture as well as for the environment. A planned split fertilization is more profitable than applying all fertilizer at sowing. Split application reduces the loss of nutrients to the air and water as it is possible to adjust fertilizer application more precisely to the needs of the plants.

Increasing precipitation, combined with ever-increasing farm machinery size and poor drainage conditions in many locations challenge our stewardship of the soil and will have serious implications for Norwegian cereal production. These challenges must be mitigated if the anticipated future increase in production potential due to a warmer climate is to be realized. Strategies that reduce the risk of soil compaction and waterlogging, thereby reducing the loss of nutrients to water and air, are essential. A good soil structure with a high infiltration rate is necessary in order to avoid the accumulation of excess water and oxygen depletion in the root zone over prolonged periods. Mechanical subsoiling has been used for many years to alleviate compaction, however positive results are far from guaranteed. The impact of combining mechanical subsoiling with biological soil loosening species or structure liming on soil loosening effect and longevity will be explored. The majority of drainage systems in Norway were constructed between 1960-85, and although many of these systems now suffer from deterioration, the investment in new drainage systems is low. A better documentation of drainage profitability is required in order to stimulate drainage investments and new guidelines must be developed. More knowledge on plant responses to waterlogging, ability to recover, and the impact of N fertilization for plant recovery, is also needed. Adapted fertilization strategies that minimize loss of nutrients to air and water and reduce yield loss under conditions with excessive precipitation will be developed. The economic impact of management options drives the rate of adoption at farm level, and hence an overall evaluation of the profitability, agronomy and environmental impact of adaptation strategies is necessary. This will be a key step in interpreting the results, to ensure practical and effective strategies that reduce the risk of yield loss under increasingly wetter conditions.