En sammenligning av ulike gjødslingsstrategier

Transkript

1 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) 137 En sammenligning av ulike gjødslingsstrategier for dyrking av bygg (Hordeum vulgare L.) på morenejord Audun Korsæth 1) & Hugh Riley 2) / audun.korsaeth@planteforsk.no 1) Planteforsk Apelsvoll forskingssenter, 2) Planteforsk Apelsvoll forskingssenter avd. Kise Sammendrag Bygg ble dyrket over fire år ( ) i to feltforsøk på morenejord. Feltene var 160 m lange, hadde 20 gjentak, og ble plassert slik at jordvariasjonen ble størst mulig på langs av forsøksblokkene. Innenfor hvert gjentak var det fem ulike nitrogennivå: 0, 6, 9, 12 og 15 kg N/daa. Regresjonsanalyse viste at et utvalg jordegenskaper kunne forklare % av avlingsvariasjonen og % av variasjonen i avlingsutslag for N-gjødsel innenfor feltene (romlig variasjon). En strategi med varierende gjødslingsmengde, som tar hensyn til både romlig variasjon og variasjon mellom år ( ), ble sammenlignet med en strategi som bare tar hensyn til årsvariasjonen, og en strategi med lik gjødsling (12 kg N/daa) over hele arealet hvert år. Strategien hadde høyest avlingspotensial, N-utnyttingsgrad og dekningsbidrag (avlingsverdi minus N-kostnad). Når kostnaden forbundet med varierende N-tildeling også tas med i kalkylen, ville en i praksis måtte oppnå minst 24 og 42 % av det estimerte økonomiske potensialet for å få økt lønnsomhet. Innledning Den grunnleggende hypotesen for presisjonsjordbruk er at den mengden av en produksjonsfaktor (f.eks. gjødsel, plantevernmidler) som er optimal for en gitt vekst varierer innenfor et jordstykke. Variabel nitrogengjødsling er ofte hevdet å være positiv både for bondens økonomi og for miljøet. Hvorvidt dette er en suksess eller ikke, er imidlertid avhengig av mange faktorer, slik som jordegenskaper og vekst. Bygg er den mest utbredte kornarten som dyrkes i Norge. Målet med denne undersøkelsen var 1) å måle variasjonen i byggavling og avlingsutslag for nitrogen (N) innenfor et

2 138 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) jordstykke, 2) å undersøke om slik variasjon følger det samme mønsteret fra år til år, 3) å relatere eventuell variasjon i avling og avlingsutslag til målte jordegenskaper og 4) å teste om variabel N gjødsling til bygg kan være bedre, både økonomisk og miljømessig, enn gjødsling med den samme N mengden over hele jordet. Materiale og metoder To forsøksfelt ble etablert våren 2001 på skifter med kjent eller antatt jordvariasjon på henholdsvis Apelsvoll og Kise. Det var en viss variasjon i mikrotopografi begge steder. Feltene var 160 m lange, 12 m brede og inneholdt 20 gjentak med fire N-gjødselnivå: 0, 6, 9, 12 og 15 kg N/daa (heretter kalt henholdsvis N0, N6, N9, N12 og N15), gitt som kalkammonsalpeter, i tillegg til grunngjødsling med PK Mengden med 12 kg N ble gitt på tre ruter pr. gjentak, for å kunne beregne variasjonen innen gjentak. På Apelsvoll-feltet varierte jordas moldinnhold mellom moldholdig og moldrik, mens det på Kise-feltet var betydelig variasjon i moldinnholdet. Jordas kornfordeling varierte relativt lite på Apelsvoll, men noe mer på Kise. Begge steder klassifiseres jorda som lettleire i både matjord og undergrunn, men det var noe høyere silt og leirinnhold på Kise enn på Apelsvoll. Jordas dreneringstilstand antas å være noe dårligere på Kise-feltet enn på Apelsvoll-feltet. Ved anleggelsen av forsøkene ble det tatt ut jordprøver i to dyp (0-25 cm og cm) fra hvert gjentak, som ble analysert for tekstur, glødetap og mineral-n innhold. Samtidig ble jordas elektriske ledningsevne målt med EM38. Instrumentet ble benyttet manuelt ved å plassere det direkte på bakken, både i horisontal (EM H ) og vertikal posisjon (EM V ). På Apelsvoll ble matjordprøvene i tillegg analysert for total-n, organisk C, ph, P-AL, Mg-AL, Ca-AL, Na-AL, K-AL, K-HNO 3 og jordtetthet. Like før såing i 2003, ble det tatt ut et nytt sett av matjordprøver (0-15 cm) på Apelsvoll, som ble analysert for de utbyttbare kationene Ca 2+, K +, Mg 2+, Na + og H +. Kornet ble høstet med forsøkstresker og kornprøvene analysert rutevis for vann- og proteininnhold. Ved omregning fra protein- til N-avling, ble det antatt at byggproteinet inneholdt 16 % N. Feltene ble drevet på samme sted i årene På grunn av en feil med såmaskinen i 2002, er data fra dette året utelatt. For å evaluere ulike gjødslingsstrategier, var det nødvendig å finne funksjoner som beskriver avlingsutslagene for N-gjødsling; avlingsresponsfunksjoner. Tre slike funksjoner ble testet; en kvadratisk funksjon (Q), en Mitscherlich funksjon (M) og en lineær-platå funksjon (LP):

3 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) 139 A = a + bn + cn 2 (Q) A = d (d a) (M) A = a + bn hvis N < N 1 (LP) a + bd hvis N > N 1 hvor A er avling, N er mengden N-gjødsel, a representerer avlingsresponsen uten gjødsling, b er stigningen ved lave N-nivå, c er den kvadratiske komponenten (gjelder Q, kun negative verdier av c ble tillatt) d er avlingsresponsen når N går mot uendelig (gjelder M og LP) og N l er gjødselnivået der lineær-platå funksjonen går over fra en lineært økende fase til en platåfase. Parametrene ble tilpasset samtidig (hver funksjon for seg) til data ved å minimere kvadratsummen av residualene mellom målt og estimert avling for hvert gjentak og år, ved hjelp av Nelder-Means algoritmen i MatLab (MathWorks inc., www. mathworks.com). Etter optimalisering ble den funksjonen som ga minst avvik mellom estimater og målinger valgt for hvert datasett. Data som ikke ble tilfredsstillende estimert (her definert som RMSE>10) med en av de tre funksjonene, ble fjernet. Dette var tilfellet for ett datasett på Apelsvoll og fire på Kise, av totalt 120 datasett (20 gjentak x tre år x to steder). Det økonomisk optimale gjødslingsnivået (N opt ) ble kalkulert som den gjødselmengden der økningen i avlingsverdi er lik økningen i gjødselkostnad: N opt (Q) = N opt (MI) = N opt (LP) = N 1 hvis P N < bp K, ellers N opt (LP) = 0 hvor P N er prisen for N og P K er kornprisen. I kalkylen ble prisen for N-gjødsel satt til 8,62 kr/kg N (forutsetninger: N som fullgjødsel levert i storsekk uke 31), mens kornprisen ble satt til 1,75 kr/kg korn (forutsetninger: målpris ved Oslofjorden: 1,79 og omsetningsavgift: 4 øre). En øvre grense for N opt ble satt til 18 kg N/daa.

4 140 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) Basert på de kalkulerte N-optima, ble de korresponderende avlingene for hver blokk og år estimert med de respektive, valgte funksjonene. De resulterende par av optimum N-gjødselmengde og avling er å betrakte som det teoretiske potensialet for en gjødslingsstrategi der en varierer N-mengden både innenfor jordstykket (variasjon i rom) og mellom år ( ). Strategien ble sammenlignet med en strategi med 12 kg N/daa gjødslet likt over hele jordstykket (L N12 ). Denne strategien representerer normal praksis i denne regionen. En tredje strategi, som også ble evaluert, tar kun hensyn til variasjon mellom år ( ). Her ble avlingsresponsfunksjonene tilpasset middelavlingene for hvert år, og økonomisk optimale gjødslingsnivå med tilhørende avlingsestimat beregnet, som beskrevet for strategien. Utnyttingsgraden av N i gjødsla (U) ble kalkulert som: U = 100 [(N korn + N halm ) Nx (N korn + N halm ) N0 ] / N hvor Nx indikerer gjødslingsnivå (estimert for og ), og N korn og N halm er N fjernet med henholdsvis korn og halm. Siden N i halmen ikke ble målt, ble den samlede N eksporten estimert med en funksjon laget av Riley et al. (1996) for lignende jord: (N korn + N halm )= 1,336 N korn + 0,019 N 0,381 Resultater Variasjon innenfor jordstykker (romlig variasjon) For det ugjødslede leddet (N0) var det signifikant avlingsvariasjon, både på Apelsvoll og Kise, med gjennomsnittsverdier på 227 (intervall: ) og 255 kg/daa (intervall: ). Der det ble gjødslet (gjennomsnitt av gjødsla ledd, N>0) var det signifikante forskjeller mellom gjentak på Apelsvoll, men ikke på Kise. Tilsvarende gjennomsnittsverdier her var 570 (intervall: ) og 491 kg/daa (intervall: ). I middel over år var det et positivt avlingsutslag for N-gjødsel opp til 12 kg N/daa på alle gjentakene begge steder. Det gjennomsnittlige avlingsutslaget på en økning fra 12 til 15 kg N/daa var negativ på åtte av de 20 gjentakene på Apelsvoll og fem på Kise. Variasjon mellom år På Apelsvoll varierte avlingene mellom år for gjødsla ledd, og avlingene var generelt høyere i 2001 enn i 2003 og 2004 (Fig. 1, øverst). Det var ingen sikker variasjon mellom år for N0-leddet. På Kise varierte avlingene mellom år for både gjødsla og ugjødsla ledd. Som på Apelsvoll, var det høyest avlinger for gjødsla ledd i 2001 (Fig. 1, nederst). For det ugjødsla leddet var 2003 imidlertid det beste året på Kise, med en gjennomsnittsavling på nesten 300 kg/daa.

5 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) 141 Kornavling (kg/daa) Apelsvoll Kise Kornavling (kg/daa) N0 N6 N9 N12 N15 Ledd Figur 1. Middelavlinger på Apelsvoll (øverst) og Kise (nederst) i 2001, 2003 og 2004 Det var signifikant effekt av år på avlingsutslaget forbundet med en økning fra 0 til 6 kg N/daa og fra 12 til 15 kg N/daa på Apelsvoll. På Kise var det signifikant effekt av år på avlingsutslaget for alle gjødseltrinnene. På Apelsvoll var det i 2001 en tendens til avlingsreduksjon ved høyeste N-nivå, og den kvadratiske funksjonen var best egnet til å beskrive avlingsresponsen på halvparten av gjentakene dette året. En slik reduksjon var ikke så utpreget i 2003 og 2004, og Mitscherlich og lineær-platå funksjonene dominerte. Dette er funksjoner som ikke kan tilpasses en fase med avlingsreduksjon. På Kise var de sistnevnte funksjonene dominerende alle tre åra, spesielt i 2001, da den kvadratiske funksjonen ble valgt for bare to av gjentakene. Effekt av jordvariasjon På Apelsvoll korrelerte middelavlingene (tre-års-middel for gjødsla behandlinger) med 11 av de 33 målte jordegenskapene. Sterkest var korrelasjonen med organisk C,

6 142 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) som forklarte mer enn 80 % av avlingsvariasjonen. Når glødetapet, jordtettheten og innholdet av finsand og Mg-AL i matjordlaget ble tatt med som prediktorer i en regresjonsmodell, i tillegg til organisk C, økte forklaringsgraden til 96 % (alle prediktorene bidro signifikant). N0-avlingene var på den annen side ikke korrelert med noen av de målte jordegenskapene. På Kise var det bare grusinnholdet i matjordlaget og i undergrunnsjorda som var korrelert med middelavlingene (N>0). Grusinnholdet i matjordlaget forklarte alene 55 % av avlingsvariasjonen. N0-avlingene korrelerte med alle jordegenskapene, unntatt siltinnholdet i undergrunnsjorda. EM H, sandinnholdet og N innholdet i matjordlaget ved oppstarten av forsøket forklarte sammen 89 % av variasjonen i avling mellom gjentak. En gjødslingsøkning på 0-6, 6-9, 9-12 og kg ga varierende avlingsutslag. På Apelsvoll kunne henholdsvis 91, 23, 18 og 67 % av denne variasjonen forklares, når alle de målte jordegenskapene ble inkludert som potensielle prediktorer i en multippel, stegvis regresjonsanalyse. Tilsvarende forklaringsgrader på Kise var 64, 59, 21 og 27 %. Sammenligning av gjødslingsstrategier Avlingsresponsfunksjonene som ble valgt passet generelt meget godt til data (RMSE middel =2,8; R 2 =98 %). På Apelsvoll ble den kvadratiske funksjonen valgt middel i 22 tilfeller, Mitscherlich-funksjonen i 17 og lineær-platå-funksjonen i 20 tilfeller. Tilsvarende tall for Kise var 14, 27 og 15. I gjennomsnitt over år så det ut til at tilnærmingen med variabel gjødsling ( ) ga økt avling på begge steder (Tabell 1), sammenlignet med L N12 og. Det estimerte forbruket av N var litt høyere enn det til L N12, men mindre enn det til. Dekningsbidraget (kornverdi minus N kostnader) var størst for alle tre årene begge steder, unntatt på Apelsvoll i Sammenlignet med L N12 økte dekningsbidraget i gjennomsnitt med 23 kr/daa på Apelsvoll og 41 kr/daa på Kise. En sammenligning av strategiene og viste at den økonomiske gevinsten var omtrent den samme (21 kr/daa på Apelsvoll og 41 kr/daa på Kise). Utnyttingsgraden av N-gjødsla (U) var generelt større på Apelsvoll enn på Kise og ga høyest utnyttingsgrad begge steder. En sammenligning mellom og L N12, som var den nest beste strategien med hensyn til U, viste at økte U med i gjennomsnitt 3 og 1 % på henholdsvis Apelsvoll og Kise.

7 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) 143 Tabell 1. Estimerte effekter av ulike gjødslingsstrategier på avling, forbruk av N-gjødsel, dekningsbidrag og N-utnyttingsgrad. Strategiene testet er 1) gjødsling med varierende N-mengde, der variasjon både innenfor jordstykket og mellom år tas hensyn til ( ), 2) lik gjødsling med 12 kg N/daa ( ) og 3) gjødsling med varierende N-mengde, der det kun tas hensyn til variasjon mellom år a ( ) Apelsvoll Avling (kg/daa) Middel N forbruk (kg N/daa) ,4 12,0 18,0 3,4 2,6 6, ,5 12,0 12,8 0,5 1,3 0, ,8 12,0 12,6 0,2 0,8 0,6 Middel 12,9 12,0 14,5 0,9 1,5 2,5 Dekningsbidrag b (kr/daa) Middel Utnyttingsgrad av N i gjødsla c (%) Middel

8 144 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) Tabell 1. forts. Kise Avling (kg/daa) Middel N forbruk (kg N/daa) ,3 12,0 17,9 1,3 4,6 5, ,8 12,0 12,1 1,2 1,3 0, ,7 12,0 13,7 0,7 1,1 1,7 Middel 12,2 12,0 14,6 0,2 2,3 2,6 Dekningsbidrag b (kr/daa) Middel Utnyttingsgrad av N i gjødsla c (%) Middel a Se Materiale og metode kapittel for detaljer. b Dekningsbidraget er her definert som avlingsverdi minus kostnader til N-gjødsel. c Utnyttingsgrad av N i gjødsla er kalkulert som forskjellen på ledd med og uten N-gjødsel med hensyn til mengden N fjernet med korn og halm, dividert med mengden N-gjødsel på det gjødsla leddet. Diskusjon Regresjonsanalysene viste at jordvariasjonen kunne forklare mye av den romlige variasjonen i avlinger (55-96%), og en god del av den romlige variasjonen i avlingsutslag for N gjødsling (18-91%). Klare avlingsforskjeller innenfor jordstykker er en forutsetning for at en strategi med varierende gjødslingsmengde skal lønne seg. Jordvariasjonen på de to forsøksfeltene er nokså typisk for store deler av morenejorda i Mjøsområdet. Variasjonen i avlingsutslag for N var større mellom år enn mellom gjentak. Det viste seg også at det var en større avlingsøkning når det ble tatt hensyn til årsvariasjonen ( L N12 ), enn når det ble tatt hensyn til den romlige variasjonen ( V t ). For N- utnyttingsgraden var det imidlertid motsatt. Flowers et al. (2004) kom til en lignende konklusjon da de sammenlignet N-gjødslingsstrategier for vinterhvete. Strategien som tar hensyn både til romlig variasjon og variasjon mellom år,, hadde høyest avlingspotensial, dekningsbidrag og N-utnyttingsgrad. For at metoden

9 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) 145 skal være av praktisk interesse, må dekningsbidraget, slik det er beregnet her, imidlertid også dekke den økte kostnaden forbundet med en varierende N-gjødsling. I Sverige er det mulig å kjøpe denne tjenesten av entreprenører som bruker Yaras N- sensor i kombinasjon med en gjødselspreder som kan variere spredningsmengden fortløpende. I Norge har imidlertid etterspørselen foreløpig vært for lav til at et slikt system har blitt bygd ut. Kostnaden i Sverige var i 2002 ca. 10 kr/daa (110 SEK/ha, Nissen et al., 2003). Hvis vi bruker denne kostnaden i våre kalkyler, betyr det at det var en potensiell profitt på kr/daa, hvis nitrogenet ble fordelt variert ( ), sammenlignet med en lik fordeling over det hele (L N12 ). Til sammenligning fant Friis og Knudsen (1999) i Danmark en potensiell økonomisk gevinst på 4-17 kr/daa ( DKK/ha) for varierende N-gjødsling av vårbygg. De optimale gjødslingsmengdene for og ble kalkulert i ettertid, det vil si at de faktiske avlingsutslagene for N var kjent på forhånd, noe som aldri er tilfellet i praksis naturligvis. Resultatene for disse strategiene viser dermed deres potensial, mens en i praksis sjelden kan forvente å oppnå like god uttelling. Strategien ville imidlertid ha bedret økonomien i byggdyrkinga, selv med underoptimal gjødsling. Henholdsvis 42 og 24 % av det kalkulerte potensialet på Kise og Apelsvoll måtte i praksis oppnås, for å gi en økonomisk gevinst i forhold til vanlig praksis. Det miljømessige aspektet er ikke tatt med i den økonomiske kalkylen, men det bør likevel diskuteres, siden det er av stor interesse å redusere de negative miljøeffektene forbundet med jordbruk. Hvis vi tar utgangspunkt i strategien med normal gjødslingspraksis (L N12 ), vil hver prosent økning av N-utnyttingsgraden bety at 0,12 kg mindre N per daa er eksponert for utvasking utover høsten og vinteren. På Apelsvoll ville strategien dermed ha redusert det potensielle N-tapet med 0,36 kg N/daa. Dette tilsvarer omtrent 10 % av det totale N-utvaskingstapet fra et dyrkingssystem med hovedsaklig kornproduksjon, målt i dyrkingssystemforsøket på Apelsvoll (Korsæth og Eltun, 2000). Vi ser altså at varierende N tildeling kan ha en positiv miljøeffekt, selv om N-mengden totalt sett kan øke. Dette illustrerer godt at utnyttingsgraden av nitrogenet er mer avgjørende for det potensielle N-tapet fra et jordbrukssystem enn mengden N som tilføres systemet. Denne undersøkelsen viser, som allerede understreket, potensialet ved varierende N-gjødsling. For å kunne utnytte dette potensialet, er det avgjørende å finne robuste metoder for å måle variasjon i plantebestand og vekstforhold, og å benytte denne informasjonen til å optimalisere gjødselmengdene. Dette forskningsområdet får mye fokus for tiden, og spesielt multi- og hyperspektral refleksjonsanalyse ser ut til å være en lovende tilnærming (Lukina et al., 2001). Multispektral refleksjonsanalyse er forøvrig det underliggende måleprinsippet i Yaras N-sensor, som har hatt et kraftig voksende marked i flere land, spesielt i Sverige.

10 146 A. Korsæth & H. Riley / Grønn kunnskap 9 (1) For å kunne ta hensyn til års-spesifikke forhold, må tildelingen av N nødvendigvis skje etter at slike forhold kan observeres. Dette forutsetter i praksis at en del av gjødsla må tildeles i vekstsesongen. Delgjødsling til bygg er foreløpig lite praktisert her til lands, men det er igangsatt forskning for å skaffe mer kunnskap på dette området. Konklusjon Variabel N gjødsling til bygg kan bedre både bondens økonomi og miljøet. Utfordringene ligger i å bestemme nøkkelindikatorer for N- behov, å finne robuste metoder for å registrere disse på en effektiv måte, og å skaffe kunnskap som gjør oss i stand til å omsette slik informasjon til å beregne optimale N-mengder ved gjødslingstidspunktet. Det eksisterer allerede kommersielle løsninger på dette, som sikkert kan forbedres, men som utgjør et interessant startsted. Referanser Flowers, M., Weisz, R., Heiniger, R., Osmond, D. & Croizer, C In-season optimization and sitespecific nitrogen management for soft red winter wheat. Agronomy Journal 96: Friis, E. & Knudsen, L N-fertilisation strategies in precision agriculture. Nordisk Jordbruksforening 81: Korsaeth, A. & Eltun, R Nitrogen mass balances in conventional, integrated and ecological cropping systems and the relationship between balance calculations and nitrogen runoff in an 8-year field experiment. Agriculture, Ecosystem and Environment 79: Lukina, E.V., Freeman, K.W., Wynn, K.J., Thomason, W.E., Mullen, R.W., Stone, M.L., Solie, J.B., Klatt, A.R., Johnson, G.V., Elliot, R.L. & Raun W.R Nitrogen fertilization optimization algorithm based on in-season estimates of yield and plant nitrogen uptake. Journal of Plant Nutrition 24: Nissen, K., Gustafsson, K. & Söderström M Assessment of economical benefit of variable rate application of nitrogen, phosphorus, potassium and lime. DIAS report 100: Riley, H., Laubo, K. & Abrahamsen U Optimal N-gjødsling til vårkorn sett i forhold til bondens nåværende praksis. Norsk Landbruksforskning 10: