Diversifying Boreal-Nemoral cropping systems for sustainable protein production

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3024-2
Julkaisun nimi: Diversifying Boreal-Nemoral cropping systems for sustainable protein production
Tekijä: Lizarazo Torres, Clara Isabel
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, maataloustieteiden laitos
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: Most cropping systems in the Boreal Nemoral region of Europe are characterized by intensified cereal production, which has resulted in a heavy dependence on foreign vegetable protein imports for feed supplementation and high consumption of synthetic fertilizer. This in turn have caused numerous critical environmental impacts such as copious greenhouse gas emissions from fertilizer production and use, heavy reliance on a narrow range of crop protection methods, leading to risks of resistance to agrochemicals, nutrient runoff and losses in soil health locally, and in land-use change abroad. Hence, crop diversification is needed, and this work focuses on the potential to use grain legumes to help meet the demand for the local vegetable protein and to mitigate the environmental impacts resulting from the current narrow diversity on crop rotations and from the feed and fertilizer trade. In this dissertation, three grain legume crops, namely faba bean (Vicia faba L.), narrow-leafed (NL) lupin (Lupinus angustifolius L.) and lentil (Lens culinaris Medik.) were grown in field trials in order to assess their potential adaptation to the Boreal Nemoral region of Europe and to find their best place in the cereal-based crop rotations that are conventional in the region. The research focused on 1) the protein yield potential of each crop and their nutritive quality particularities, 2) the pre-crop effect of cereals on grain legumes, and 3) the exploration of flowering time in faba bean as a key component of adaptation to high latitudes. The results show, that faba bean was the crop with highest protein yield stability, and with higher protein concentration than is achieved at lower latitudes, whereas lentil and narrow-leafed lupin had comparable protein concentration as those achieved in other locations. Nutritive quality of all three crops was within the normal range, and amino-acid and DIAAS scores suggested that cultivar selection is important, since major variations in the content of lysine, cysteine and tryptophan influence the feed and food value. The screening trials revealed that among the available lentil and NL lupin cultivars, earliness is sufficient with some reaching maturity in about 100 days, whereas significant improvement on the earliness of Kontu faba bean is needed in order for the crop to be grown in the northern most part of the Boreal Nemoral region. The crop rotation trial showed that NL lupin produced equally high yields after turnip rape and oat, while faba bean gave higher yields after turnip rape and then after barley. Overall, the pre-crop effect on nutrient composition of NL lupin was less evident than on that of faba bean, the latter having 19, while the former 7 significant differences out of the 88 nutrient uptake variables measured. Among these 26 significant measures, barley was the best pre-crop in 9 variables, and oat in 5. The pre-crop effect was present on both the shoot and seed composition, and it was apparent that the pre-crop effect was able to influence soil nutrient availability and thus uptake. This study shows some insight about best pre-crop for grain legumes, but the effects need to be tested further to elucidate the mechanisms and to verify the reproducibility of such effect on crop sequences. The upgraded flowering model showed that flowering control in faba bean in addition to photoperiod and temperature sum, depends on solar radiation (as measured by PAR or sunshine duration, the former providing a better model fit), and water deficit (as measured by the Sielianinow hydrothermal index K ). Understanding the effect of these two new variables in flowering makes it possible to seek more types of variation in earliness be used to identify sources of variation that can serve as material for the selection and development of new cultivars for high latitudes or short seasons. Overall, this study shows that faba bean and NL lupin have great potential for diversifying crop rotations in the Boreal Nemoral region of Europe, whereas the susceptibility of lentil to the wet autumns typical of the region will make its management challenging. Each of the crops has different advantages, so they complement each other in terms of optimum soil type, nutrient uptake and nutrient composition. It is recommended that their cultivation should be promoted not only to solve the vegetable protein deficit, but also to improve the sustainability of cropping systems in the region.Viljelyjärjestelmät Boreaalis-Nemoraalisella vyöhykkeellä Euroopassa perustuvat intensiiviseen viljantuotantoon mikä on johtanut riippuvuuteen ulkomaisesta valkuaisrehusta ja runsaaseen lannoitteiden käyttöön. Tämä puolestaan on aiheuttanut runsaasti negatiivisia ympäristövaikutuksia. Esimerkiksi lannoitteiden valmistuksesta ja käytöstä johtuen kasvihuonekaasupäästöt ovat lisääntyneet, suppea kasvinsuojelumenetelmien valikoima on lisännyt rikkakasvien resistenssiriskiä, johtanut ravinteiden huuhtoutumiseen ja maaperän köyhtymiseen kotimaassa sekä aiheuttanut maankäytön muutoksia ulkomailla. Viljelykierron kasvilajiston monipuolistaminen on tarpeen, siksi tässä työssä tähdätään palkoviljojen käytön lisäämiseksi viljelykiertoon, vastaamaan alueellisen valkuaisrehun tuotannon tarpeisiin ja vähentämään nykyisestä yksipuolisen viljelykierron aiheuttamista ympäristövaikutuksista. Tutkimuksessa on selvitetty härkäpavun (Vicia faba L.), sinilupiinin (Lupinus angustifolius L.) ja linssin (Lens culinaris Medik.) sopeutumista viljeltäväksi vilja-kasveihin pohjaavassa viljelykierrossa Boreaalis-Nemoraalisella vyöhykkeellä Euroopassa. Tutkimuksen painopisteitä ovat 1) proteiinintuotto ja ravitsemukselliset erityispiirteet, 2) edeltävän vuoden viljelykasvin vaikutus palkoviljan satoon, 3) härkäpavun kukinta-ajan selvitys, keskeisenä tekijänä sopeutuminen pohjoisille leveysasteille. Tulostemme mukaan härkäpavun proteiinisadon stabiilius ja määrä olivat korkeammat kuin ne ovat olleet alhaisemmilla leveysasteilla, sen sijaan sinilupiinin ja linssin proteiinipitoisuudet vastasivat muilta alueilta saatuja tuloksia. Ravinnolliselta laadultaan kaikkien kolmen laatu vastasi yleistä tasoa. DIAAS-tulosten perusteella lajikevalinta osoittautui tärkeäksi, koska havaitut erot kolmen aminohapon, lysiinin, kysteiinin ja tryptofaanin pitoisuuksissa vaikuttavat myös rehun ja ruoan laatuun. Tutkimustulokset paljastavat myös että linssi- ja sinilupiinilajikkeet ehtivät tuottaa satoa korkeilla leveysasteilla, joidenkin lajikkeiden sadon valmistuessa noin sadassa päivässä. Härkäpapu lajikkeista Kontu sen sijaan edellyttäisi huomattavaa aikaistamista ollakseen tuottoisa Boreaalis-Nemoraalisen vyöhykkeen pohjoisimmissa osissa. Viljelykiertokokeen perusteella sinilupiini oli yhtä satoisa rypsin ja kauran seuraajana, kun taas härkäpavun sato oli parempi rypsin seuraajana verrattaessa satoon ohran jälkeen. Esiviljelykasvilla ei myöskään ollut suurta vaikutusta sinilupiinin ravinnolliseen laatuun verrattuna härkäpapuun, jonka ravinteiden otossa ja käytön tehokkuudessa oli esiviljelykasvista riippuen 19 tilastollisesti merkittävää muutosta ja sinilupiinilla vain 7 muutosta 88:sta mitatusta muuttujasta. Ohra oli paras esikasvi 9 muuttujan suhteen ja kaura 5 muuttujan suhteen. Esiviljelykasvin vaikutus näkyi siementen laadun lisäksi verson ravinnekoostumuksessa. Oletettavasti esiviljelykasvi vaikutti maaperän ravinteiden saatavuuteen. Tutkimus antaa alustavaa tietoa siitä mitkä voisivat olla viljelykierrossa parhaita esiviljelykasveja kyseisille palkoviljoille, mutta lisätutkimuksia tarvitaan mekanismin selvittämiseksi ja osoittamaan kasvinvuorotuksen vaikutus satotuloksiin toistettavasti. Päivitetty kukinnan malli osoitti että valojakson ja lämpösumman lisäksi fotosynteettisesti aktiivinen säteily (PAR) sekä säteilyn kesto ja vedenpuute (Sielianinowin hydroterminen indeksi K) vaikuttivat kukintaan. Edellä mainittujen kahden uuden muuttujan merkityksen ymmärtäminen voi auttaa löytämään aikaisuuteen vaikuttavia tekijöitä joita voidaan hyödyntää uusien, lyhyeen kasvukauteen sopivien lajikkeiden etsimisessä ja kehittämisessä. Härkäpavulla ja sinilupiinilla on runsaasti potentiaalia viljelykierron monipuolistajina Boreaalis-Nemoraalisella vyöhykkeellä Euroopassa. Sen sijaan syksyn kosteus näillä alueilla tekee linssin viljelystä haasteellista. Kullakin lajilla on omat maaperä- ja ravinnevaatimuksensa ja ravintokoostumuksensa, joten ne voivat täydentää toisiaan. Palkoviljojen sisällyttäminen viljelyjärjestelmiin pitäisi edistää, ei pelkästään turvaamaan alueen kasviproteiini omavaraisuutta vaan parantamaan myös viljelyjärjestelmien kestävyyttä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3024-2
http://hdl.handle.net/10138/178230
Päiväys: 2017-04-21
Avainsanat: Agricultural Sciences
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
DIVERSIF.pdf 5.310MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot