Nitrogen dynamics and nitrogen use efficiency of spring cereals under Finnish growing conditions

Nitrogen (N) is one of the main inputs in cereal cultivation and as more than half of the arable land in Finland is used for cereal production, N has contributed substantially to agricultural pollution through fertilizer leaching and runoff. Based on this global phenomenon, the European Community has launched several directives to reduce agricultural emissions to the environment. Trough such measures, and by using economic incentives, it is expected that northern European agricultural practices will, in the future, include reduced N fertilizer application rates. Reduced use of N fertilizer is likely to decrease both production costs and pollution, but could also result in reduced yields and quality if crops experience temporary N deficiency. Therefore, more efficient N use in cereal production, to minimize pollution risks and maximize farmer income, represents a current challenge for agronomic research in the northern growing areas. The main objective of this study was to determine the differences in nitrogen use efficiency (NUE) among spring cereals grown in Finland. Additional aims were to characterize the multiple roles of NUE by analysing the extent of variation in NUE and its component traits among different cultivars, and to understand how other physiological traits, especially radiation use efficiency (RUE) and light interception, affect and interact with the main components of NUE and contribute to differences among cultivars. This study included cultivars of barley (Hordeum vulgare L.), oat (Avena sativa L.) and wheat (Triticum aestivum L.). Field experiments were conducted between 2001 and 2004 at Jokioinen, in Finland. To determine differences in NUE among cultivars and gauge the achievements of plant breeding in NUE, 17-18 cultivars of each of the three cereal species released between 1909 and 2002 were studied. Responses to nitrogen of landraces, old cultivars and modern cultivars of each cereal species were evaluated under two N regimes (0 and 90 kg N ha-1). Results of the study revealed that modern wheat, oat and barley cultivars had similar NUE values under Finnish growing conditions and only results from a wider range of cultivars indicated that wheat cultivars could have lower NUE than the other species. There was a clear relationship between nitrogen uptake efficiency (UPE) and NUE in all species whereas nitrogen utilization efficiency (UTE) had a strong positive relationship with NUE only for oat. UTE was clearly lower in wheat than in other species. Other traits related to N translocation indicated that wheat also had a lower harvest index, nitrogen harvest index and nitrogen remobilisation efficiency and therefore its N translocation efficiency was confirmed to be very low. On the basis of these results there appears to be potential and also a need for improvement in NUE. These results may help understand the underlying physiological differences in NUE and could help to identify alternative production options, such as the different roles that species can play in crop rotations designed to meet the demands of modern agricultural practices.

Typellä on kasvintuotannossa ratkaiseva merkitys, sillä sadontuottokyky on kiinteästi sidottu viljan typpiaineenvaihduntaan. Typen puute alentaa huomattavasti satoa. Viljalle käyttökelpoisen typen varastoa maassa pyritään täydentämään lannoituksella. Suomessa yli puolet viljelyalasta on kevätviljoilla, joten typpilannoituksen ympäristövaikutukset ovat nousseet merkittäväksi keskustelun aiheeksi niin Suomessa kuin muuallakin Euroopassa. EU onkin asettanut useita direktiivejä, joilla pyritään rajoittamaan lannoitteiden huuhtoutumista ympäristöön. Näin ollen kasvien typenkäytön tehokkuuden (NUE) parantaminen on ajankohtainen haaste, kun pyritään tuotantomenetelmiä kehitettäessä edistämään ympäristön ekologista kestävyyttä. Tehostamalla kasvien typenottoa ja käyttöä voimme vähentää huuhtoutumiselle alttiin, kasveilta hyödyntämättä jäävän typen määrää maaperässä. Perinnöllisesti tehokkaammin typpeä hyödyntävä lajike parantaa myös viljelyn kannattavuutta. Tutkimuksen päätavoitteena oli määrittää Suomessa viljeltävien kevätviljalajien välisiä eroja typenkäytön tehokkuudessa. Tämän lisäksi pyrittiin määrittämään typenkäytön tehokkuuteen vaikuttavia ominaisuuksia ja niiden vaihtelua lajien välillä ja lajien sisällä. Koe suoritettiin ohra- (Hordeum vulgare L.), kaura- (Avena sativa L.) ja vehnälajikkeilla (Triticum aestivum L.). Kenttäkokeet suoritettiin vuosina 2001-2004, MTT Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen koekentillä, Jokioisilla. Kasvinjalostuksen vaikutusta typenkäytön tehokkuuteen arvioitiin kaikilla kolmella lajilla, 17-18 lajikkeella, jotka olivat ajanjaksolta 1909-2002. Typpilannoituksen vaikutusta typenkäytön tehokkuuteen ja siihen liittyviin muihin ominaisuuksiin arvioitiin maatiaislajikkeiden ja modernien lajikkeiden välillä kahdella lannoitustasolla (0 ja 90 kg N ha-1). Näissä kokeissa saadut tulokset osoittivat, että uusien lajikkeiden typenkäytön tehokkuus on samaa luokkaa kaikilla kolmella kevätviljalajilla. Kuitenkin laajempi materiaalivalikoima osoitti, että vehnälajikkeiden typenkäytön tehokkuus oli muita lajeja alhaisempi. Kaikilla lajeilla oli selvä yhteys typenkäytön tehokkuuden ja typenoton tehokkuuden (UPE) välillä, kun taas typenkäytön tehokkuuden ja typenhyödyksikäytön tehokkuuden (UTE) välinen yhteys oli selkeä ainoastaan kauralla. Muut typenkuljetukseen liittyvät ominaisuudet osoittautuivat vehnällä muita lajeja heikommiksi. Näiden tulosten perusteella typenkäytön tehokkuuden parantamisella Suomen kasvuoloissa erityisesti vehnällä tuntuisi olevan potentiaalia ja tarvetta. Yleisesti nämä tulokset lajien välisistä eroista typenkäytön tehokkuudessa ja typenkäyttöön liittyvissä muissa ominaisuuksissa osaltaan auttavat viljelyteknisissä toimenpiteissä ja päätöksissä, pohdittaessa esim. viljelykiertoa ja siihen valittavia lajeja.