Ravinteiden käytön tehokkuuden rooli vastuullisessa kasvien ravitsemuksessa

Ravinteiden käyttötehokkuus (NUE) on kriittinen käsite nykyaikaisessa maataloudessa, ja sillä on keskeinen rooli kasvien kasvun edistämisessä ja kokonaissadon optimoinnissa. Maailman väestön kasvaessa ruoantuotannon kysyntä kasvaa, minkä vuoksi viljelijöiden on välttämätöntä omaksua kestäviä ja tehokkaita viljelykäytäntöjä.

Ravinteet ovat välttämättömiä kasvien kasvulle, kehitykselle ja aineenvaihdunnalle. Niillä on tärkeä rooli useissa fysiologisissa prosesseissa, kuten fotosynteesissä, hengityksessä, entsyymiaktiivisuudessa, solujen jakautumisessa, signaalinsiirrossa ja stressivasteessa.

Kasvit tarvitsevat erilaisia määriä ja tyyppejä ravinteita lajistaan, kasvuvaiheestaan ja ympäristöolosuhteistaan riippuen. Joitakin ravinteita tarvitaan suuria määriä (makroravinteita), kuten typpeä (N), fosforia (P) ja kaliumia (K) jne. Toisia tarvitaan pieniä määriä (mikroravinteita), kuten rautaa (Fe), sinkkiä (Zn) ja kuparia (Cu) jne.

Mikä on ravinteiden hyväksikäyttötehokkuus?

Se viittaa kasvin kykyyn hyödyntää ravinteita tehokkaasti kasvunsa ja kehityksensä kannalta. Yksinkertaisemmin sanottuna se mittaa sitä, kuinka tehokkaasti kasvit imevät ja hyödyntävät maaperän, veden ja ilman välttämättömiä alkuaineita.

Sen käyttöön kuuluu hävikkien minimointi ja kasvien ravinteiden otto ja hyödyntäminen maksimointi, mikä lopulta parantaa sadon tuottoa. Se voidaan ilmaista kasvien biomassan tai sadon ja ravinteiden oton tai syötön suhteena.

Korkea NUE tarkoittaa, että kasvit tuottavat enemmän biomassaa tai satoa vähemmällä ravinteiden otolla tai syötöllä, kun taas matala NUE tarkoittaa, että kasvit tarvitsevat enemmän ravinteita saman kasvu- tai tuotantotason saavuttamiseksi.

Lisäksi NUE voidaan määritellä eri tavoin riippuen esitetystä kysymyksestä ja saatavilla olevista tiedoista. Joitakin yleisiä NUE:n ilmaisemiseen käytettyjä termejä ovat:

• Osittaistuottavuus (PFP): sadon määrä käytettyä ravinneyksikköä kohden
• Agronominen tehokkuus (AE): sadon kasvu käytettyä ravinneyksikköä kohden
• Osittainen ravinnetasapaino (PNB): ravinteiden ottomäärä käytettyä ravinneyksikköä kohden
• Näennäinen talteenottotehokkuus (RE): lannoitettujen ja lannoittamattomien viljelykasvien ravinteiden oton ero käytettyä ravinneyksikköä kohden
• Sisäinen käyttöaste (IE): sadon määrä ravinteiden ottoyksikköä kohden
• Fysiologinen tehokkuus (PE): sadon kasvu yksikköä kohden, joka on lannoitettujen ja lannoittamattomien viljelykasvien ravinteiden ottokyvyn ero

Globaali vastaus sen merkitykseen

YK:n elintarvike- ja maatalousjärjestön (FAO) mukaan maailmanlaajuinen lannoitteiden kulutus on kasvanut yli 5 001 TP3 tonnilla vuodesta 1961 ja nousi yli 200 miljoonaan tonniin ravinteita vuonna 2023. Tämä on osaltaan lisännyt merkittävästi sadontuotantoa ja ruoan saatavuutta, mutta myös aiheuttanut suurta ravinnehävikkiä ympäristöön.

Lisäksi FAO arvioi, että maailmanlaajuisesti lannoitteina käytetystä typestä (N) vain 42% ja fosforista (P) 15% siirtyy viljelykasveihin, kun taas loput menetetään huuhtoutumisen, valunnan, eroosion, haihtumisen, denitrifikaation tai liikkumattomuuteen sitoutumisen kautta.

Siksi FAO on asettanut tavoitteeksi nostaa maailmanlaajuista keskimääräistä NUE-arvoa 42%:sta 52%:aan vuoteen 2030 mennessä. Tämä edellyttäisi typpilannoitteiden käytön vähentämistä 20%:lla samalla kun kasvien typenottoa lisätään 10%:lla. Vastaavasti vastuullista kasvien ravitsemusta käsittelevä tiedepaneeli on esittänyt vision luontomyönteisen kasvien ravitsemuksen saavuttamiseksi vuoteen 2050 mennessä. Tämä visio sisältää viisi tavoitetta:

1. Ravinnehävikin puolittaminen ruokajärjestelmässä vastuullisen kulutuksen, kierrätyksen lisäämisen ja parempien hallintakäytäntöjen avulla.
2. Maaperän ravinteiden ehtyminen ja hiilen häviäminen pysähtyivät, mikä johti maaperän terveyden ja orgaanisen aineksen parantumiseen.
3. Ravinnehävikit vesistöihin vähenivät 75%:llä, mikä esti rehevöitymisen ja leväkukinnat.
4. Maatalouden typpioksiduulipäästöt vähenivät 50%:llä, mikä osaltaan hillitsee kasvihuonekaasupäästöjä ja ilmastonmuutosta.
5. Satomäärät ja laatu paranivat 50%:llä, mikä paransi ruokaturvaa ja ravitsemusta.

Viljojen maailmanlaajuinen keskimääräinen NUE oli 33%, öljysiementen 48%, juuri- ja mukulakasvien 62%, palkokasvien 64%, hedelmien 66%, vihannesten 68% ja sokerikasvien 69% vuonna 2018/19.

Kiinassa laajamittainen osallistava koe, johon osallistui yli 20 miljoonaa viljelijää, osoitti, että typpilannoitteiden käytön vähentäminen keskimäärin 14%:lla lisäsi vehnän satoa keskimäärin 10%:lla, mikä johti osittaistuottavuuden kasvuun keskimäärin 29%:lla.

Intiassa eri riisilajikkeilla tehty kenttäkoe osoitti, että maaperätesteihin perustuvan paikkakohtaisen ravinteiden hallinnan soveltaminen lisäsi jyväsatoa keskimäärin 171 TP3T, resurssitehokkuutta keskimäärin 221 TP3T ja kannattavuutta ravinnetaseeseen suhteutettuna keskimäärin 281 TP3T verrattuna viljelijöiden käytäntöön. .

Vastaavasti Keniassa tehty kenttäkoe, jossa käytettiin erilaisia maissi-palkokasvien sekaviljelyjärjestelmiä, osoitti, että mikroannosten lannoitteiden käyttö yhdessä orgaanisen lannan kanssa lisäsi viljasatoa keskimäärin 791 TP3T, agronomista tehokkuutta keskimäärin 861 TP3T, resurssitehokkuutta keskimäärin 511 TP3T ja kannattavuutta ravinnetaseeseen suhteutettuna keskimäärin 501 TP3T verrattuna lannoittamattomaan merianturaviljelyyn.

Nämä esimerkit osoittavat, että ravinnekuormituksen (NUE) parantamispotentiaalia voidaan saavuttaa erilaisilla strategioilla ja käytännöillä, jotka voivat parantaa satoa ja samalla vähentää ravinnehävikkiä ja -päästöjä.

Miten se on tärkeää kasvien kasvussa?

NUE on tärkeää sekä taloudellisista että ympäristöllisistä syistä, koska se voi vähentää viljelykustannuksia ja ravinnehäviöiden riskiä ympäristölle. Tässä on kuitenkin joitakin kasvien kasvun tärkeitä näkökohtia, jotka ovat vahvasti yhteydessä siihen.

1. Tehostettu fotosynteesi

Yksi tärkeimmistä tekijöistä, joihin NUE vaikuttaa, on fotosynteesi, prosessi, jossa kasvit muuntavat valoenergian kemialliseksi energiaksi. Fotosynteesi riippuu ravinteiden saatavuudesta, erityisesti typestä (N), joka on klorofyllin, valoa absorboivan pigmentin, keskeinen osa.

Typpi osallistuu myös aminohappojen, nukleotidien ja muiden kasvien kasvulle ja kehitykselle välttämättömien molekyylien synteesiin. Fosfori on myös välttämätön energiansiirrolle, kun taas kalium säätelee ilmarakojen avautumista ja sulkeutumista, mikä vaikuttaa hiilidioksidin ottokykyyn.

Siksi tehokas ravinteiden hyödyntäminen vaikuttaa suoraan fotosynteesin nopeuteen, mikä johtaa lisääntyneeseen energiantuotantoon kasvien kasvua varten.

2. Solurakenne ja toiminta

Toinen tekijä, johon se vaikuttaa, on solurakenne ja -toiminta, jotka määräävät, miten ravinteet otetaan vastaan, kuljetetaan, varastoidaan ja hyödynnetään kasvisoluissa. Solurakenne ja -toiminta riippuvat ravinteiden, erityisesti fosforin (P), kaliumin (K), kalsiumin (Ca) ja magnesiumin (Mg) jne., saatavuudesta.

Esimerkiksi kalsium osallistuu soluseinän kehitykseen varmistaen solujen eheyden ja lujuuden. Magnesium on klorofyllimolekyylien keskeinen osa, joka tukee fotosynteesiä. Näin ollen tehokas ravinteiden käyttö varmistaa solujen ja kudosten moitteettoman toiminnan ja edistää kasvien yleistä terveyttä.

3. Stressin ja sairauksien vastustuskyky

Kolmas tekijä, johon se vaikuttaa, on stressin ja tautien vastustuskyky, joka voi heikentää kasvien kasvua ja satoa vaikuttamalla erilaisiin fysiologisiin ja biokemiallisiin prosesseihin. Stressi ja sairaudet voivat johtua useista tekijöistä, kuten kuivuudesta, suolapitoisuudesta, äärimmäisistä lämpötiloista, ravinteiden puutteesta tai myrkyllisyydestä, tuholaisista, taudinaiheuttajista, rikkaruohoista jne.

Siksi riittävä ravinteiden saanti vahvistaa kasveja ja tekee niistä kestävämpiä ympäristön rasituksille ja taudeille. Hyvin ravitut kasvit kestävät paremmin haitallisia olosuhteita, kuten kuivuutta tai tuholaisten hyökkäyksiä. Lisäksi ravinnetehokkaat kasvit kestävät paremmin stressiä, mikä edistää kestävää kasvua ja suurempia satoja haastavissa olosuhteissa.

Mitkä tekijät vaikuttavat siihen ja miten niitä voidaan hallita?

Maatalouden NUE ei ole universaali käsite, vaan siihen vaikuttavat useat tekijät, jotka muokkaavat monimutkaisesti tapaa, jolla kasvit imevät, hyödyntävät ja reagoivat välttämättömiin ravinteisiin. Vaikuttavia tekijöitä ovat maaperän ominaisuudet, ilmasto-olosuhteet, viljelykasvilajikkeet ja -lajikkeet, hoitokäytännöt sekä näiden tekijöiden välinen vuorovaikutus.

1. Maaperän ominaisuudet

Maaperän ominaisuuksilla, kuten koostumuksella, rakenteella, pH:lla, orgaanisella aineksella ja mikrobien aktiivisuudella, on merkittävä vaikutus NUE:hen. Maaperän koostumus ja rakenne vaikuttavat vedenpidätyskykyyn, ilmastukseen, salaojitukseen ja juurien tunkeutumiseen.

Nämä tekijät vaikuttavat ravinteiden saatavuuteen ja liikkuvuuteen maaliuoksessa sekä kasvien juurien ottoon. Esimerkiksi hiekkamailla on alhainen vedenpidätyskyky ja korkea huuhtoutumispotentiaali, mikä voi vähentää typen (N) ja kaliumin (K) NUE-arvoa.

Savimailla on korkea vedenpidätyskyky ja alhainen ilmavuus, mikä voi rajoittaa fosforin (P) ja hivenaineiden NUE-arvoa.

Lisäksi maaperän pH vaikuttaa ravinteiden liukoisuuteen ja saatavuuteen maaperässä. Useimmat ravinteet ovat paremmin saatavilla hieman happamassa tai neutraalissa maaperässä (pH 6–7), kun taas jotkin hivenaineet, kuten rauta (Fe), mangaani (Mn), sinkki (Zn) ja kupari (Cu), ovat paremmin saatavilla happamassa maaperässä (pH < 6).

Maaperän orgaaninen aines ja mikrobitoiminta vaikuttavat ravinteiden kiertoon ja muuntumiseen maaperässä. Orgaaninen aines tarjoaa hiilen (C) ja energian lähteen maaperän mikro-organismeille, jotka voivat mineralisoida orgaanisia ravinteita epäorgaanisiksi muodoiksi, jotka ovat kasvien käytettävissä.

Mikro-organismit voivat myös immobilisoida ravinteita liittämällä niitä biomassaansa tai muodostamalla komplekseja orgaanisten molekyylien kanssa.

2. Ilmasto-olosuhteet

Ilmasto-olosuhteet, kuten lämpötila, sademäärä, auringonsäteily ja tuuli, vaikuttavat NUE:hen maaperän prosesseihin, kasvien kasvuun ja ravinnehävikkiin kohdistuvien vaikutustensa kautta. Lämpötila vaikuttaa maaperän kemiallisten ja biologisten reaktioiden nopeuteen sekä kasvien aineenvaihduntaan ja kehitykseen.

Korkeammat lämpötilat yleensä lisäävät orgaanisen aineksen mineralisaatiota ja ravinteiden saatavuutta maaperässä, mutta ne voivat myös lisätä ammoniakin (NH3) haihtumista urean tai lannan levityksestä tai nitraatin (NO3-) denitrifikaatiota typpioksiduuliksi (N2O) tai dityppikaasuiksi (N2).

Korkeammat lämpötilat voivat myös kiihdyttää kasvien kasvua ja ravinteiden kysyntää, mutta ne voivat myös vähentää kasvien vedenottoa ja haihtumista, mikä voi vaikuttaa ravinteiden kulkeutumiseen kasvin sisällä.

Samoin sademäärä vaikuttaa veden tasapainoon ja ravinteiden dynamiikkaan maaperä-kasvi-järjestelmässä. Riittävä sademäärä on välttämätöntä maaperän kosteuden ja ravinteiden saatavuuden ylläpitämiseksi kasvien ottoa varten, mutta liiallinen sademäärä voi aiheuttaa ravinteiden huuhtoutumista tai valumista maaperän pinta- tai alakerroksista.

Sademäärä voi myös vaikuttaa kastelun ja lannoitteiden ajoitukseen ja tiheyteen, mikä voi puolestaan vaikuttaa NUE-arvoon. Auringonsäteily vaikuttaa kasvien fotosynteettiseen aktiivisuuteen ja biomassan tuotantoon, mikä puolestaan määrää niiden ravinteiden tarpeen ja oton.

Lisäksi tuuli vaikuttaa NUE:hen vaikuttamalla maaperän eroosioon, haihtumiseen ja höyrystymisprosesseihin. Tuuli voi aiheuttaa maaperän eroosiota irrottamalla ja kuljettamalla ravinteita sisältäviä maaperän hiukkasia paikasta toiseen.

Tuuli voi myös lisätä haihtumista maan pinnalta tai kasvien latvustosta, mikä voi vähentää maaperän kosteutta ja ravinteiden saatavuutta kasvien ottamaksi.

3. Kasvien ominaisuudet ja lajikkeet

Kasvilajikkeet ja -lajikkeet eroavat toisistaan geneettisen potentiaalinsa suhteen NUE:n suhteen sekä niiden reagoinnin suhteen ympäristö- ja hoitotekijöihin. Joillakin viljelykasveilla on korkeampi luontainen NUE kuin toisilla fysiologisten ominaisuuksiensa, kuten juuriston morfologian, ravinteiden ottokinetiikan, translokaatiotehokkuuden, assimilaatiokyvyn, remobilisaatiotehokkuuden, satoindeksin jne., vuoksi.

Esimerkiksi viljoilla on yleensä korkeampi NUE kuin palkokasveilla johtuen niiden korkeammasta satoindeksistä (jyväsadon suhde kokonaisbiomassaan) ja jyvien alhaisemmasta ravinnepitoisuudesta.

Lisäksi saman lajin eri viljelykasvien lajikkeiden NUE-arvot voivat vaihdella geneettisten ominaisuuksien erojen tai jalostusponnistelujen vuoksi. Esimerkiksi joillakin riisilajikkeilla on korkeampi NUE kuin toisilla, koska ne pystyvät käyttämään vaihtoehtoisia typen (N) lähteitä, kuten ammoniumia (NH4+) tai symbioottisten bakteerien ilmakehän N2-sidontaa.

Joillakin vehnälajikkeilla on korkeampi NUE kuin toisilla, koska ne pystyvät käyttämään fosforia (P) tehokkaammin erittämällä orgaanisia happoja tai fosfataaseja, jotka liuottavat fosforia maaperästä. Joillakin maissilajikkeilla on korkeampi NUE kuin toisilla, koska ne pystyvät käyttämään kaliumia (K) tehokkaammin vähentämällä kaliumin vuotoa juurista tai lisäämällä kaliumin ottoa, kun kaliumin saatavuus on alhainen.

4. Johtamiskäytännöt

Hoitokäytännöt, kuten maanmuokkaus, viljelykierto, sekaviljely, maanpeiteviljely, kastelu, lannoitus, rikkakasvien torjunta, tuholaistorjunta ja sadonkorjuun hallinta, voivat vaikuttaa NUE:hen muuttamalla maaperän ympäristöä, kasvien kasvua ja ravinnehävikkiä.

Maanmuokkaus

Maanmuokkaus vaikuttaa maaperän fysikaalisiin ja biologisiin ominaisuuksiin, kuten maaperän rakenteeseen, orgaaniseen ainekseen, mikrobitoimintaan ja ravinteiden jakautumiseen. Se voi parantaa NUE:ta lisäämällä maaperän ilmastusta ja salaojitusta, mikä voi parantaa ravinteiden saatavuutta ja kasvien juurien ottoa.

Se voi kuitenkin myös vähentää NUE:ta lisäämällä maaperän eroosiota ja ravinnehävikkiä tai vähentämällä maaperän orgaanista ainesta ja mikrobitoimintaa, mikä voi heikentää ravinteiden kiertoa ja niiden saatavuutta.

Viljelykierto

Viljelykierto nousee esiin strategiana parantaa NUE:ta monipuolistamalla ravinteiden kysyntää ja tarjontaa eri viljelykasvien välillä. Ravinnenäkökohtien lisäksi se osoittautuu tehokkaaksi myös tuholaisten ja tautien kierron katkaisemisessa, mikä osaltaan parantaa NUE:ta.

Esimerkiksi viljojen ja palkokasvien viljelykierto voi parantaa typen käyttöastetta lisäämällä palkokasvien biologisesta typpisidonnasta saatavaa typen saantia tai vähentämällä viljojen typen tarvetta niiden alhaisemman typen tarpeen vuoksi.

Sekasorto

Sekaviljely, jossa kahta tai useampaa viljelykasvia viljellään samanaikaisesti samalla maa-alueella, on ylistetty sen myönteisestä vaikutuksesta NUE:hen. Se saavuttaa tämän edistämällä viljelykasvien täydentävyyttä ja synergiaa ravinteiden hyödyntämisessä. Esimerkiksi viljojen ja palkokasvien sekaviljely muuttaa typen saantimalleja ja vaikuttaa positiivisesti NUE:hen.

Peitteen rajaus

Peiteviljely, jossa kahden pääkasvin välissä kasvatetaan yksi viljelykasvi maanpinnan peittämiseksi ja eroosion estämiseksi, vaikuttaa NUE:hen kahdella tavalla. Toisaalta se edistää NUE:ta lisäämällä orgaanisen aineksen määrää, mikrobitoimintaa ja ravinteiden kiertoa.

Toisaalta haasteita syntyy, kun peitekasvit voivat kilpailla ravinteista, vedestä ja valosta, mikä voi vaikuttaa NUE-arvoon.

Kastelu

Harkomaisesti käytettynä kastelu parantaa NUE:ta ylläpitämällä optimaalista maaperän kosteutta ja ravinteiden saatavuutta. Huonosti toteutettu kastelu voi kuitenkin vähentää NUE:ta ravinteiden huuhtoutumisen tai valumisen kautta.

Hedelmöitys

Oikein ajoitettu ja käytetty lannoitus parantaa NUE-arvoa lisäämällä kasvien juurien ravinteiden saatavuutta. Liiallinen käyttö voi kuitenkin johtaa ravinnehävikkiin, mikä korostaa lannoituskäytäntöjen herkkää tasapainoa.

Rikkakasvien torjunta

Rikkakasvien torjunta parantaa NUE-arvoa vähentämällä ravinnekilpailua ja rikkakasvien aiheuttamaa ravinnehävikkiä. Sen vaikutusta maaperän ominaisuuksiin on kuitenkin harkittava huolellisesti, koska se voi vaikuttaa typen saatavuuteen ja ottokykyyn.

Tuholaistorjunta

Tuholaistorjunta vaikuttaa positiivisesti NUE:hen vähentämällä tuholaisten aiheuttamia ravinnehävikkiä. Rikkakasvien torjunnan tavoin sen vaikutus maaperän ominaisuuksiin voi kuitenkin vaikuttaa ravinteiden saatavuuteen ja kiertokulkuun.

Sadonkorjuun hallinta

Sadonkorjuun hallinta, johon liittyy päätöksiä sadonkorjuun ajankohdasta ja -tavasta, on ratkaisevassa roolissa NUE:n kannalta. Se parantaa NUE:ta positiivisella tavalla optimoimalla satoa ja vähentämällä ravinnepitoisuutta korjatuissa osissa. Riittämätön sadonkorjuun hallinta voi kuitenkin jättää ravinteita jäljelle jääviin osiin, mikä vaikuttaa NUE:hen.

Mitkä ovat NUE:n tärkeimmät indikaattorit eri järjestelmissä?

Se mittaa, kuinka hyvin viljelyjärjestelmä hyödyntää käytettävissä olevia ravinteita satojen tuottamiseen. NUE ei kuitenkaan ole yksinkertainen tai yhdenmukainen indikaattori. Se voi vaihdella tarkasteltujen panosten ja tuotosten, järjestelmän laajuuden ja rajojen sekä arvioinnin tarkoituksen mukaan. Siksi on tärkeää käyttää asianmukaisia indikaattoreita, jotka heijastavat vastuullisen kasvinravitsemuksen tavoitteita.

Lannoitteiden indikaattorit

Nämä indikaattorit keskittyvät lannoitteiden ravinteiden hyödyntämisen tehokkuuteen. Ne osoittavat, kuinka tehokkaasti käytetyt ravinteet muunnetaan sadoksi, mikä voi auttaa tekemään päätöksiä optimaalisesta ravinteiden hallinnasta ja resurssien kohdentamisesta. Joitakin yleisiä lannoiteindikaattoreita ovat:

1. Osittaistuottavuus (PFP): Tämä on sadon ja käytetyn lannoitteen ravinteiden suhde. Se osoittaa tuottavuuden lannoiteyksikköä kohden. Korkea PFP tarkoittaa korkeaa satoa pienellä lannoitteen määrällä. Se ei kuitenkaan ota huomioon muita ravinnelähteitä tai ympäristöön kohdistuvia hävikkejä.

Esimerkiksi hyvin hoidetuilla viljakasveilla PFP:n tavanomainen jyväsato typpikiloa kohden on 50–100 kilogrammaa.

2. Maataloustehokkuus (AE): Tämä on sadon kasvu käytettyä lannoiteravinneyksikköä kohden. Se osoittaa lannoitepanoksen marginaalista palautumista. Korkea AE tarkoittaa suurta sadon kasvua pienellä lannoitepanoksella. Se ei kuitenkaan ota huomioon maaperän alkuperäistä hedelmällisyyttä tai ympäristölle aiheutuvia tappioita.

Esimerkkinä typpi: hyvin hoidetuissa viljakasvijärjestelmissä AE on tyypillisesti noin 20–30 kilogrammaa jyviä käytettyä typpikiloa kohden. Se voi kuitenkin joskus olla jopa tätä korkeampi.

3. Talteenottotehokkuus (RE)Tämä on se osuus lannoitteen ravinteista, jonka sato ottaa itseensä. Se osoittaa lannoitteiden ravinteiden oton tehokkuutta. Korkea RE tarkoittaa vähäistä lannoitteen hävikkiä ympäristöön. Se ei kuitenkaan kerro sadon sadosta tai laadusta.

Esimerkiksi Zhangin ym. (2015) globaalin analyysin mukaan typpilannoitteiden keskimääräinen PFP, AE ja RE viljakasveilla olivat 42 kg jyvää/kg N, 15 kg jyvää/kg N ja 0,33 kg N:n otto/kg käytettyä N:ää. Nämä arvot vaihtelivat suuresti alueiden ja viljelykasvien välillä, mikä heijastaa maaperän, ilmaston, viljelyjärjestelmien ja hoitokäytäntöjen eroja.

Sadon ilmaisimet

Nämä indikaattorit määrittelevät ravinteiden jakautumisen kasvissa ja sen vaikutuksen satoon ja laatuun. Ne osoittavat, kuinka tehokkaasti kasvi käyttää imeytyneitä ravinteita biomassan tai taloudellisten tuotteiden tuottamiseen. Joitakin yleisiä satoindikaattoreita ovat:

1. Ravinnesadon indeksi (NHI)Tämä on korjatun sadon ravinnepitoisuuden suhde maanpäällisten ravinteiden kokonaisottokykyyn. Se osoittaa imeytyneiden ravinteiden osuuden, joka on kohdentunut taloudellisiin tuotteisiin. Korkea NHI tarkoittaa korkeaa ravinteiden poistumista sadonkorjuun yhteydessä ja matalaa ravinteiden palautumista maaperään.

Maissin tyypillisiksi NHI-arvoiksi on dokumentoitu typen (N) osalta 59–70%, fosforin (P) osalta 79–91% ja kaliumin (K) osalta 13–19% (13). Vastaavasti riisin osalta raportoidut vaihteluvälit ovat N:lle 54–65%, P:lle 61–71% ja K:lle 12–19%.

2. Sisäinen tehokkuus (IE): Tämä on sadon suhde korjattujen osien ravinnepitoisuuteen. Se osoittaa taloudellisen tuotemuodostuksen tehokkuuden poistettua ravinneyksikköä kohden. Korkea IE tarkoittaa korkeaa satoa ja matalaa ravinnepitoisuutta korjatuissa osissa.

Esimerkiksi maissinjalostuksen parannukset ovat nostaneet typen käytön tehokkuutta 45 kg:sta typpikiloa kohden vuonna 1946 66 kg:aan/kg vuonna 2015.

3. Fysiologinen tehokkuus (PE)Tämä on sadon suhde maanpäällisen biomassan ravinnepitoisuuteen. Se osoittaa taloudellisen tuotemuodostuksen tehokkuuden kasvin kokonaisravinnepitoisuuden yksikköä kohden. Korkea PE tarkoittaa korkeaa satoa ja matalaa ravinnepitoisuutta biomassassa.

4. Ravinnepitoisuus (NC)Tämä on ravinnepitoisuuden määrä kuiva-aineyksikköä kohden korjatuissa osissa tai maanpäällisessä biomassassa. Se osoittaa satotuotteen tai -jätteen laadun tai ravintoarvon.

Dobermannin (2007) meta-analyysin mukaan viljakasvien typen keskimääräiset NHI-, IE-, PE- ja NC-arvot olivat 0,67 kg N/kg typenotto, 90 kg jyviä/kg typpeä jyvässä, 134 kg jyviä/kg typpeä biomassassa ja 1,5% N jyvässä.

Järjestelmän ilmaisimet

Nämä indikaattorit ottavat huomioon koko viljelyjärjestelmän, mukaan lukien maaperän, viljelykasvin ja ympäristön. Ne osoittavat, kuinka tehokkaasti järjestelmä käyttää kaikista lähteistä saatavilla olevia ravinteita ja minimoi ympäristöhäviöt. Joitakin yleisiä järjestelmäindikaattoreita ovat:

1. Järjestelmän rajalla oleva NUE (SB-NUE): Tämä on typen kokonaistuoton ja typen kokonaissyötön suhde määritellyissä järjestelmärajoissa. Se osoittaa järjestelmän kokonaistyppitasapainon. Korkea SB-NUE tarkoittaa korkeaa typentuottoa ja matalaa typensyöttöä. Se ei kuitenkaan ota huomioon typpivirtojen spatiaalista ja ajallista vaihtelua järjestelmän sisällä.

2. Osittaisen ravinnetasapainon suhde (NUEPB): Tämä on lannoitteiden ravinnepanoksen ja korjatun sadon ravinnetuotannon välinen ero. Se osoittaa lannoituksen aiheuttaman maaperän ravinnetilan nettomuutoksen. Positiivinen PNB tarkoittaa lannoitteiden ravinteiden ylijäämää maaperässä, kun taas negatiivinen PNB tarkoittaa alijäämää. Globaalit NUEPB-keskiarvot, jotka sisältävät lannoitteet, lannan, sidonnan ja laskeuman, osoittavat nousua typen osalta 55%:hen ja fosforin osalta 77%:hen.

Useimpien viljojen, kuten vehnän ja maissin, luonnollinen typen (N) sitoutumisprosessi ilmasta (biologinen sidonta) ei yleensä ole suuri, alle 10 kilogrammaa hehtaaria kohden. Mutta riisin ja sokeriruokoisten viljelykasvien kohdalla se voi olla hieman enemmän, noin 15–30 kilogrammaa hehtaaria kohden.

Ja joillakin palkokasveilla, kuten soijapavuilla, maapähkinöillä, palkokasveilla ja rehupalkokasveilla, se voi olla jopa korkeampi, vaihdellen 100:sta 300 kilogrammaan hehtaaria kohden. Joskus kastellessamme kasveja, se tuo mukanaan myös ravinteita, jotka voivat olla tärkeitä tietyissä tilanteissa.

3. Ravinnetasesuhde (NUEFG) tilalta ostettuna

Se laajentaa järjestelmän rajat maaperän ulkopuolelle ottaen huomioon tilat, joilla on integroitu kasvinviljely- ja eläintuotanto. Kotieläinten sisällyttäminen usein vähentää NUEFG:tä lisämonimutkaisuuden vuoksi. NUEFG:n parantaminen edellyttää ravinteiden käytön optimointia koko tilalla, lannan hallintaa ja ulkoisten ravinnepanosten minimointia.

Ruokaketjun ravinteiden käytön tehokkuus (NUEFC) laajentaa tätä raajaa entisestään arvioimalla ravinteiden saatavuutta ihmisravinnoksi suhteessa koko ruokajärjestelmän kokonaisravinnemäärään. Typen osalta NUEFC:n arviot vaihtelevat Euroopan maissa 10%:n ja 40%:n välillä. Elintarviketuotantoketjun monimutkaisuuden vuoksi käytännön sovellukset ja mielekkäät arvioinnit ovat kuitenkin edelleen haastavia.

4. Ravinneylijäämä (NS): Tämä on kokonaisravinnepanoksen ja -poiston välinen erotus määritellyn järjestelmän rajojen sisällä. Se osoittaa ravinteiden mahdollisen hävikin ympäristöön. Korkea NS-arvo tarkoittaa suurta ympäristön saastumisriskiä.

Esimerkiksi Lassalettan ym. (2014) globaalin analyysin mukaan keskimääräiset SB-NUE-, PNB- ja NS-arvot typen osalta kasvintuotannossa olivat 0,42 kg N/kg typpipanosta, 65 kg N/ha ja 65 kg N/ha.

Kuinka parantaa ravinteiden käytön tehokkuutta parempien tulosten saavuttamiseksi?

Vastuullinen kasvien ravitsemus on strategia, jolla varmistetaan ruokaturva ja ympäristönsuojelu optimoimalla ravinteiden käyttöä maatalousjärjestelmissä. Siksi on tärkeää seurata ja arvioida NUE:tä käyttämällä asianmukaisia työkaluja, jotka pystyvät kuvaamaan sen monimutkaisuutta ja vaihtelua. Tässä on joitakin tärkeitä menetelmiä joka voi auttaa viljelijöitä ja tutkijoita parantamaan NUE:ta vastuullisessa kasvien ravitsemuksessa.

1. Ravintoaineiden testaus

Ravinnetestaus on menetelmä maaperän ja kasvikudosnäytteiden ravinnetilan mittaamiseksi. Se voi antaa arvokasta tietoa ravinteiden saatavuudesta ja otosta maaperä-kasvi-järjestelmässä sekä mahdollisista ravinnehävikistä tai -puutteista. Ravinnetestaus voi auttaa viljelijöitä ja tutkijoita:

• Määritä ravinteiden, kuten lannoitteiden, lannan, kasteluveden jne. optimaalinen tyyppi, määrä, ajoitus ja sijoittelu.
• Arvioi erilaisten ravinteiden hallintakäytäntöjen, kuten viljelykiertojen, sekaviljelyn ja maanpeiteviljelyn, agronomista ja taloudellista suorituskykyä.
• Havaitse ja korjaa ravinteiden epätasapainot tai häiriöt, jotka voivat vaikuttaa satoon ja laatuun, kuten typen puutos, fosforimyrkyllisyys, hivenaineiden puutos jne.
• Seuraa ravinnepäästöjen ympäristövaikutuksia, kuten huuhtoutumista, valuntaa, haihtumista, kasvihuonekaasupäästöjä jne.

Ravinnetestejä voidaan tehdä useilla eri menetelmillä, kuten maaperän testaussarjoilla, kannettavilla antureilla, laboratorioanalyyseillä jne. Ravinnetestaus ei kuitenkaan ole kertaluonteinen toimenpide. Se tulisi tehdä säännöllisesti ja usein, jotta voidaan havaita ravinnetilan dynaamiset muutokset koko kasvukauden ajan ja eri pelloilla.

2. Kaukokartoitus ja teknologia

Kaukokartoitus on tekniikka, jossa tietoa kerätään etäältä käyttämällä laitteita, kuten satelliitteja, droneja, kameroita jne. Se voi tarjota paikallisesti ja ajallisesti jatkuvaa tietoa viljelykasvien kasvun ja kehityksen eri osa-alueista, kuten biomassan tuotannosta, lehtipinta-alaindeksistä, klorofyllipitoisuudesta, vesistressistä jne. Kaukokartoitus voi auttaa viljelijöitä:

• Arvioi satopotentiaalia ja vaihtelua eri pelloilla tai alueilla
• Arvioi sadon vastetta erilaisiin ravinnepanoksiin tai hoitokäytäntöihin
• Havaitse ja diagnosoi ravinnepuutokset tai stressitekijät, jotka voivat vaikuttaa sadon kasvuun ja laatuun
• Optimoi ravinteiden levityksen ajoitus ja määrä sadon kysynnän perusteella
• Vähennä kenttänäytteenoton ja -testauksen kustannuksia ja työvoimaa

Kaukokartoitusta voidaan tehdä erilaisilla alustoilla ja sensoreilla, kuten optisilla, lämpö-, tutka- ja hyperspektrisensoreilla. Kaukokartoitus ei kuitenkaan ole erillinen työkalu. Se tulisi kalibroida ja validoida kenttämittauksista tai ravinnetesteistä saatujen tietojen avulla.

3. Sadon mallinnus

Kasvien mallintaminen on menetelmä, jossa matemaattisten yhtälöiden avulla kuvataan ja ennustetaan viljelykasvien käyttäytymistä erilaisissa olosuhteissa. Se voi tarjota kvantitatiivista tietoa viljelykasvien, ravinteiden, maaperän, veden, ilmaston ja hoitokäytäntöjen välisistä vuorovaikutuksista. Kasvien mallintaminen voi auttaa:

• Ymmärrä taustalla olevat mekanismit ja prosessit, jotka vaikuttavat viljelykasvien NUE-arvoon
• Arvioi eri skenaarioiden tai interventioiden vaikutuksia NUE-tuloksiin
• Optimoi kenttäkokeiden tai -tutkimusten suunnittelu ja toteutus
• Ekstrapoloi tai skaalaa kenttämittausten tai kaukokartoituksen tulokset suurempiin mittakaavoihin tai alueille

Satomallinnusta voidaan tehdä käyttämällä erityyppisiä malleja, kuten empiirisiä, mekanistisia tai hybridimalleja. Satomallinnus ei kuitenkaan ole yksinkertainen työkalu.

Mallien kalibrointi ja validointi sekä tulosten oikea tulkinta vaativat paljon dataa ja asiantuntemusta. Lisäksi satomallinnusta tulisi käyttää yhdessä muiden työkalujen, kuten ravinnetestauksen tai kaukokartoituksen, kanssa mallien tulosten varmentamiseksi ja täydentämiseksi.

Miten GeoPard voi auttaa parantamaan ravinteiden käytön tehokkuutta?

Kestävän ja vastuullisen kasvien ravitsemuksen tavoittelussa edistyneiden teknologioiden rooli on yhä tärkeämpi. GeoPard, täsmäviljelyyn erikoistunut huippuluokan alusta, tarjoaa palveluita, jotka on suunniteltu parantamaan ravinteiden käytön tehokkuutta (NUE) maaperädatan analytiikan, ravinnetestauksen ja älykkään tiedustelun avulla.

1. Maaperätietojen analytiikka

GeoPardin maaperätietojen analytiikkaominaisuus tarjoaa yksityiskohtaisen kartan maaperän ominaisuuksista, mikä helpottaa määräyskarttojen luomista muuttuvamääräistä lannoitusta (VRA) varten. Tämän ominaisuuden avulla viljelijät voivat:

• Optimoi lannoitusRäätälöi lannoitteiden levitys maaperän ominaisuuksien mukaan, mikä estää liikalannoituksen ja vähentää ympäristövaikutuksia.
• Rajaa hallintoalueetVertaa maaperän ominaisuuksia muihin kerroksiin ja luo muuttuvan lannoitemäärän tiedostoja tehokasta ravinteiden jakautumista varten.
• MaaperänäytteenottosuunnitelmaSuunnittele maaperän näytteenottopaikat strategisesti monivuotisten vyöhykkeiden perusteella ja heijasta viljelykasvien historiallisia kehitysmalleja.

Se parantaa entisestään kasvien ravinnonsaantia monipuolisten palveluidensa avulla. Se yksinkertaistaa maaperätietojen tulkintaa helposti luettavien lämpökarttavisualisointien avulla, mahdollistaa tarkan lannoitteiden levityksen muuttuvamääräisen levityksen (VRA) avulla ja tarjoaa luotettavaa tietoa maaperän olosuhteista tiheästi levitettävien maaperäskannerien avulla.

Lisäksi se varmistaa tarkan ravinnesuunnitelman toteutuksen, seuraa levitettyjä ja istutettuja tietoja ja tarjoaa arvokkaita 3D-karttoja ja topografia-analytiikkaa viljelijöiden päätöksenteon parantamiseksi. Pohjimmiltaan GeoPard on tehokas ratkaisu virtaviivaiseen ja kestävään kasvien ravinnehallintaan.

Johtopäätös

Yhteenvetona voidaan todeta, että ravinteiden käyttötehokkuudella (NUE) on keskeinen rooli maailmanlaajuisessa maatalousmaisemassa, eikä sen merkitystä optimaalisen kasvien kasvun edistämisessä voida yliarvioida. Kun tunnistamme NUE:hen vaikuttavat monitahoiset tekijät ja eri järjestelmien vaihtelevat indikaattorit, strategisten interventioiden tarve käy ilmeiseksi.

GeoPardista tulee tässä pyrkimyksessä keskeinen toimija, joka tarjoaa innovatiivisia ratkaisuja ravinteiden käytön parantamiseksi. Hyödyntämällä käyttäjäystävällisiä ominaisuuksiaan, kuten helposti luettavia lämpökarttavisualisointeja ja tarkasti ohjattua muuttuvan määrän lannoitusta (VRA), se antaa viljelijöille mahdollisuuden tehdä tietoon perustuvia päätöksiä ja tehostaa ravinteiden hallintakäytäntöjä.