Nitrogen dynamics of organic farming in a crop rotation based on red clover (Trifolium pratense) leys

In agricultural systems which rely on organic sources of nitrogen (N), of which the primary source is biological N fixation (BNF), it is extremely important to use N as efficiently as possible with minimal losses to the environment. The amount of N through BNF should be maximised and the availability of the residual N after legumes should be synchronised to the subsequent plant needs in the crop rotation. Six field experiments in three locations in Finland were conducted in 1994-2006 to determine the productivity and amount of BNF in red clover-grass leys of different ages. The residual effects of the leys for subsequent cereals as well as the N leaching risk were studied by field measurements and by simulation using the CoupModel. N use efficiency (NUE) and N balances were also calculated. The yields of red clover-grass leys were highest in the two-year-old leys (6 700 kg ha-1) under study, but the differences between 2- and 3-year old leys were not high in most cases. BNF (90 kg ha-1 in harvested biomass) correlated strongly with red clover dry matter yield, as the proportion of red clover N derived from the atmosphere (> 85%) was high in our conditions of organically farmed field with low soil mineral N. A red clover content of over 40% in dry matter is targeted to avoid negative N-balances and to gain N for the subsequent crop. Surprisingly, the leys had no significant effect on the yields and N uptake of the two subsequent cereals (winter rye or spring wheat, followed by spring oats). On the other hand, yield and C:N of leys, as well as BNF-N and total-N incorporated into the soil influenced on subsequent cereal yields. NUE of cereals from incorporated ley crop residues was rather high, varying from 30% to 80% (mean 48%). The mineral N content of soil in the profile of 0-90 cm was low, mainly 15-30 kg ha-1. Simulation of N dynamics by CoupModel functioned satisfactorily and is considered a useful tool to estimate N flows in cropping systems relying on organic N sources. Understanding the long-term influence of cultivation history and soil properties on N dynamics remains to be a challenge to further research.

Luonnonmukaisessa viljelyssä, jossa typen (N) lähteenä käytetään vain biologisen typensidonnan (BNF) kautta saatua orgaaniseen ainekseen sitoutunutta typpeä, on erityisen tärkeää käyttää typpi mahdollisimman tehokkaasti minimoiden hävikit ympäristöön. Tällaisissa viljelytavoissa BNF tulisi maksimoida ja palkokasvien jälkeen maahan jäävän typen saatavuus tulisi sovittaa viljelykierron seuraavien kasvien tarpeisiin sekä ajallisesti että määrällisesti. Tutkimuksessa tehtiin yhteensä kuusi kenttäkoetta kolmella paikkakunnalla Suomessa vuosina 1994 2006. Tavoitteena oli selvittää luonnonmukaisesti viljeltyjen eri-ikäisten säilörehuksi korjattujen puna-apila-heinänurmien sadontuotto ja BNF. Nurmien jälkivaikutusta seuraaville kahdelle viljalle kuten myös typen huuhtoutumisriskiä selvitettiin kenttäkoemittauksilla sekä CoupModel tietokonesimuloinnin avulla. Typenkäytön tehokkuutta (NUE) ja typpitaseita laskettiin myös. Tutkitut puna-apila-heinänurmet tuottivat keskimäärin korkeimmat sadot 2-vuotisina (6 700 kg ha-1), mutta ero 3-vuotisiin nurmiin oli pieni. BNF (90 kg ha-1) korreloi voimakkaasti apilan kuiva-ainesadon kanssa, kun apilan typestä suurin osa (> 85 %) oli peräisin ilmakehästä ja maan liukoisen typen määrä oli alhainen. Nurmiviljelyssä, jossa nurmisato korjataan pois, pitäisi nurmen apilapitoisuuden olla yli 40 % kuiva-aineesta, jotta nurmen typpitase olisi positiivinen ja typpeä jäisi seuraavan kasvin käyttöön. Tutkittujen nurmien peltoon jättämä typen ylijäämä oli pieni, mikä selittänee nurmen alhaista jälkivaikutusta seuraavien viljojen satoon ja typen ottoon. Toisaalta nurmisadot ja niiden C:N, kuten myös nurmesta maahan muokattu typpi- ja BNF -määrä vaikuttivat viljasatoihin. Viljojen NUE oli kohtalaisen korkea, 30 % - 80 % (keskimäärin 48 %), kun se laskettiin nurmien maahan muokatun typen perusteella. Maan liukoisen typen pitoisuus koko maaprofiilissa (0 - 90 cm) oli matala, pääosin 15 - 30 kg ha-1. Tietokonesimulointi CoupModel -ohjelmalla onnistui kohtalaisen hyvin ja se vaikuttaakin lupaavalta jatkokehittelyyn käytettäväksi luomuviljelyssä. Lisätutkimusta tarvitaan selvittämään viljelyhistorian ja maaperätekijöiden vaikutusta luomutuotannon typpitalouteen koko viljelykierrossa.