Land use and soil management in Estonian agriculture during the transition from the Soviet period to the EU and its current optimisation by the spatial agro-economic decision support system

According to the main objectives of the study, the following conclusions could be presented: 1. The drastic decrease in arable land use in the transition to a free market economy continued until EU CAP was implemented in Estonia. The regional differences in land use changes in the 1990s were determined mainly by local bio-physical disadvantages such as soil quality. The higher decrease rate of arable land use in 1992– 2001 occurred in the regions with low soil fertility. A decrease in soil fertility by one quality point brings about a 2.5% increase in the proportion of abandoned land. The loss of subsidies at the beginning of the transition period highlighted the importance of pedo-climatic conditions in the formation of the profitability of agricultural production but the EU agricultural policy has again relieved the impact of bio-physical diversity on the competitiveness of agriculture. 2. Plant nutrient balances of Estonian arable soils were analysed in the long-term (1939–2003) with uniform methodology. This approach enabled the evaluation of some aspects of sustainability of agricultural land use and soil management through transition from the Soviet era to the open market economy. The application of both mineral and organic fertilisers started to increase in the 1960s and peaked in the 1980s. The increase in fertilisation was not followed proportionately by yield increase and this resulted in positive NPK balances of arable soils in the 1970–1980s, which has significantly improved the nutrient supply of arable soils. The quantities of plant nutrients N, K and P applied to the fields exceeded the amounts removed through crop harvesting by a factor of 2–2.3 (N), 1.9–2.2 (K) and 3–3.5 (P). The amounts of lactate soluble P and K increased by 1.1 and 0.7 mg kg-1 soil per year, respectively. 3. In the 1990s the use of fertilisers has decreased by significant factors: N by six; P by twenty; K by thirty and organic fertilisers by four. The total balances of K and P of arable soils have become negative as a consequence of inadequate fertilisation. Active balance, which enables the estimation of the degree to which formation of the yield occurs at the expense of soil resources, shows that at present the 58 59 largest deficiency is regarding P (68%) and K (57%) followed by N (34%). Thus, at present, crop production takes place largely at the expense of the soil nutrient reserves created by farmers in the 1970–1980s. The use of mineral fertilisers is less intensive in the regions with low soil quality. Decrease in soil fertility reduces the amount of mineral fertilisers used by 2.85 kg NPK per one soil quality point. As nutrient deficiency is highest for forage crops, the depletion of soil P and K may become critical, especially in organic systems where grasslands are dominant. Agri-environmental policy should more consider soil degradation due to the negative plant nutrient balances of arable soils in Estonia. 4. At present only 40–50% of the yield potential of cereals is realised in actual farming conditions. The high yield gap indicates the ineffective use of pedo-climatic resources and this causes agricultural self-sufficiency at the national level to deteriorate. Low realisation of yield potential of cereals is partly due to the insufficient use of fertilisers, as the actual yield level is limited by low input of plant nutrients to the soil. It must, therefore, be considered that the yield formation of cere - als is largely determined by the pedo-climatic conditions (50–60%), and that fertilisers are a lesser influence. In the case of oilseed rape the utilisation of the yield potential is 60–65%, which is induced by more intensive fertilisation compared to cereals. To narrow the yield gap in a profitable and environmentally friendly way, the field-specific fertiliser and other input optimisation is required. 5. A positive effect of the collapse of Estonian agriculture has been a reduction of the pressure on the environment whereas a negative effect to the several aspects of sustainable agriculture has emerged (i) in soil degradation which is due to insufficient investments into maintaining soil fertility, (ii) in ineffective use of pedo-climatic resources, (iii) in low profitability and competitiveness of the agri - culture sector, and (iv) in decreased national food supply. To achieve more sustainable agriculture the optimisation of agricultural land use and soil management should be based on the scientific knowl - edge and from this necessary precondition to develop a spatial agro-economic DSS. 6. The agronomic models for spring barley and potato, based on the regression analysis of numerous field experiments, were developed to assess the impact of soil and climate conditions on the effective - ness of fertilisers. The effectiveness of fertilisation depends, to a large extent on, besides soil properties, meteorological conditions. The variance of the average effectiveness, even of quite small rates, of mineral fertilisers (N60, P26 and K50) is very high. Higher efficiency is guaranteed in the case of balanced fertilisation but the optimum combination of nutrients depends on the relative prices of fertilisers and yield. The developed models enable the estimation of the pedo-climatic and economic risks in fertilisation optimisation. Improved agronomic models operating in spatial and temporal scale are forming a basis for knowledge-based DSS. 7. Data handling and presentation in the agricultural decision making process was for the first time in Estonia embedded to fieldspecific GIS and its application possibilities were analysed in the example of Kullamaa rural municipality. A field-specific database was compiled and agro-economic models were applied to provide information for decision makers. Economically effective N norm for barley is, in most of the study area, from 50 to 60 kg N ha-1 but on a quarter of arable land in the study area it is uneconomical to apply N to barley. Field-specific fertiliser optimisation compared to uniform fertiliser application can help farmers to avoid economic losses and simultaneously increase effectiveness of fertilisation and low yields. The simulated barley yield for the study area is, with the use of economically optimised amounts of NPK fertilisers, 2.6 Mg ha-1, which is by 1.1 Mg ha-1 higher compared to the actual cereal yield in the region. Composed thematic maps enable the clear presentation of spatial variability in the profitability of barley production from field to region scale. Farmers can use spatial profitability data with other criteria for crop rotation planning and for strategic decisions but presented DSS does not make decisions, but rather contributes knowledge that can be used in the decision making process. The ben - efit of this DSS is that information from different sources is collected, processed and integrated into a unified system which makes decision making more effective. This also makes existing soil information more easily available and self-explanatory for stakeholders. 8. Despite the fact that this study presents spatial agro-economic DSS on the example of just one rural municipality and a single crop, its importance is more extensive. Up-scaling the modelling results 60 61 from field-level also enables its application in regional planning and in macro-economic analysis. In this study the methodology for the functioning of the DSS was developed which is further applicable nationwide. There is an increasing demand for the planning of abandoned agricultural land in Estonia and a developed DSS can be expanded for the cultivation of bioenergetic crops or for afforestation of abandoned land. 9. Further improvement of DSS should focus on the development of agronomic models for various crops and economic models should be continuously adjusted according the changes in socio-economic conditions. The database of digital soil map should be definitely appended with quantitative parameters, which would provide prerequisites for its more extensive applications such as related production activities to environmental impact. The extensification of Estonian agriculture during the transition period has reduced the negative impact on the environment but at the same time this has caused a decline in the fertility of agricultural land, and this diminishes the competitiveness of Estonian agriculture. Analysed spatial DSS serves as a basis for effective resource management in modern agriculture and can be used as a tool in knowledge-based decision making processes to achieve economic, social and environmental targets of sustainable agriculture. The improvement of the current DSS and usage expansion from pilot areas to nationwide coverage of Estonia are essential for these purposes. This study creates possibilities not only for field-specific agro-economic analysis but also contributes a framework for further expansion of the capabilities of GIS-based DSS in various branches of the rural economy.

Eesti põllumajandus ja sellega seonduv maakasutus on viimastel aastakümnetel agrotehnoloogia arengust, sotsiaalmajanduslikest ja poliitilistest teguritest tulenevalt läbi teinud mitmeid olulisi muutusi. Pärast Eesti taasiseseisvumist, 1990ndate alguses, toimus põllumajandustootmise drastiline langus – teraviljatoodang vähenes kümne aastaga 1,6, lihatoodang 2,8 ja piima tootmine 1,8 korda. Post-sotsialistlikest Ida- ja Kesk-Euroopa riikidest oli Eestis põllumajandustootmise langus kõige suurem. Aastatel 1990–2005 vähenes põllumajanduse osatähtsus sisemajanduse koguproduktist 12,7%lt 2,4%ni ning põllumajanduslik tööhõive 16,6%lt 3,9%ni. Sellised suuremahulised muutused on tõstatanud vajaduse põllumajandusliku maakasutuse ja tootmissisendite teaduspõhiseks optimeerimiseks. Erinevate maakasutusviiside rakendamisel tuleb arvestada, et see oleks jätkusuutlik nii ökoloogilises, sotsiaalses kui ka majanduslikus mõttes. Kuna ülemikuperioodil sotsialistlikust ajastust Euroopa Liitu Eesti põllumajanduse konkurentsivõime ja jätkusuutlikkus oluliselt kahanes, siis tõstatub küsimus, mil määral oleks võimalik asukohapõhise agromajandusliku nõuandesüsteemi rakendamisega optimeerida maakasutust ja tootmissisendeid, suurendada põllukultuuride saagikust ning põllumajandustootmise tasuvust ilma tootmistegevuse negatiivsete mõjudeta ümbritsevale keskkonnale. Seega käesoleva töö eesmärgiks oli: 1. hinnata agroökoloogilistest aspektidest muutusi Eesti maakasutuses, muldade väetamises ja taimetoiteelementide bilanssides 2. uurida põllukultuuride saagipotentsiaali realiseerumist 3. analüüsida mineraalväetiste efektiivsust sõltuvalt mullastik-klimaatilistest tingimustest 4. uurida looduslike ja majanduslike riskifaktorite mõju taimekasvatuse tootmistulemustele ja leida lahendeid nende riskide leevendamiseks 5. koostada ajas ja ruumis muutuvad agromajanduslikud mudelid ning analüüsida nende rakendatavust väetamise ja maakasutuse optimeerimiseks odra näitel 6. arendada välja asukohapõhise agromajandusliku nõuandesüsteemi ühtne raamistik, mis loob eeldused jätkusuutliku põllumajanduse eesmärkide saavutamiseks. Käesoleva uurimistöö käigus võeti kokku Eesti agraarteaduses senitehtu ning selle põhjal koostatud agromajanduslikud mudelid seostati ühtsesse geoinfosüsteemi. Agromajanduslike mudelite ja asukohapõhise nõuandesüsteemi väljatöötamiseks vajalikud lähteandmete allikaks olid arvukad dissertatsioonid, teaduspublikatsioonid ja -aruanded, riiklike sordivõrdluskatsete, agrometeopunktide, loomade jõudluskontrolli, loodus- ja keskkonnakaitse, Statistikaameti, Maa-ameti, Põllumajanduse Registrite ja Informatsiooni Ameti, põllumajanduslike testettevõtete raamatupidamise (FADN), agrokeemiateenistuse jt asutuste andmebaasid. Töös püstitaud eesmärkidest lähtuvalt saab teha järgmised järeldused: 1. Taasiseseisvumisjärgsel perioodil toimunud suur langus Eesti põllumajanduslikus maakasutuses jätkus kuni EL ühtse põllumajanduspoliitika rakendumiseni. Põllumajandusliku maakasutuse muutused olid 1990ndatel põhjustatud sotsiaal-majanduslikest reformidest, kuid regionaalsed erinevused seonduvad eelkõige piirkonna looduslike tingimustega. Suurem põllumaa kahanemine aastatel 1992–2001 toimus madala mullaviljakusega piirkondades. Valla haritava maa boniteedi kahanedes ühe hindepunkti võrra vähenes selle valla põllumajanduslik maakasutus 2,5% võrra. Seega, mullastik-klimaatilised tingimused osutusid Eesti üleminekuperioodil põllumajandustootmise tasuvuse kujundamisel määravaks, sest põllumajandustoetused olid ebapiisavad. EL põllumajanduspoliitika rakendamisega on aga looduslike erisuste mõjud maakasutusele ja põllumajanduse konkurentsivõimele leevendunud. 2. Ühtsel metoodikal põhinev haritava maa taimetoiteelementide bilansside analüüs (1939–2003) võimaldas hinnata põllumajandusliku maakasutuse jätkusuutlikkuse mõningaid aspekte üleminekul sotsialistikust ajastust vabaturumajandusele. Mineraal- ja orgaaniliste väetiste kasutamine Eestis hakkas oluliselt suurenema 1960ndatel ja saavutas kõrgeima taseme 1980ndatel aastatel. Väetiste suurem kasutamine ei taganud aga proportsionaalset saagikuse tõusu. Eesti taasiseseisvumiseelsel perioodil, mil toimus põllumajanduse arvestatav riiklik subsideerimine, suurenesid mulda viidavate taimetoiteelementide kogused keskmiselt 4,5 kg N, 2,8 kg K ja 0,6 kg P hektari kohta aastas. Samal ajal taimede poolt kasutatud ja saagiga eemaldatud toitainete kogused suurenesid aastas keskmiselt 1,3 kg N, 1 kg K ja 0,2 kg P hektari kohta. Seega mulda viidavad taimetoitainete kogused ületasid taimede poolt kasutatavaid koguseid lämmastiku osas 2–2,3 korda, kaaliumi puhul 1,9–2,2 korda 8 4 85 ning fosforit viidi mulda 3–3,5 korda rohkem. Märkimisväärsest positiivsest taimetoiteelementide bilansist tulenevalt suurenes sel perioodil muldade laktaatlahustuva fosfori- ja kaaliumisisaldus aastas vastavalt 1,1 ja 0,7 mg kg mulla kohta. 3. Eesti taasiseseisvumisjärgsel perioodil, 1990ndatel aastatel, vähenes lämmastikväetiste kasutamine kuni 6 korda, fosforväetiste kasu - tamine 20 korda, kaaliumväetiste kasutamine 30 korda ja orgaan - iliste väetiste kasutamine 4 korda. Tulenevalt ebapiisavast väetiste kasutusest muutus põllumuldade kaaliumi ja fosfori üldbilanss negatiivseks ning lämmastikku viidi väetistega mulda kogustes, mis eemaldati põllult saakidega. Taimetoiteelementide aktiivbilansist lähtuvalt on praegu kõige suurem defitsiit fosfori (68%) ja kaaliumi (57%) osas, kuid puudujääk on ka lämmastiku osas (34%). Tai - medele omastatava muldaviidud toiteelementide ja mullast saagiga eemaldatavate koguste vahe on negatiivne – -24,5 kg N, -6,5 kg P ja -26,2 kg K ha-1. Järelikult toimub praegune taimekasvatus - toodangu formeerumine peamiselt 1970–1980ndate suurtootmises loodud mullavarude arvelt. Mineraalväetiste kasutamine on väiksem madala mullaviljakusega piirkondades. Mullaviljakuse vähenedes ühe hindepunkti võrra kahaneb kasutatav mineraalväetiste NPK kogus 2,85 kg ha-1. Kõige suurem toiteelementide puudujääk esineb söödakultuuride osas. Fosfori ja kaaliumi mullarvarude ammen - dumine võib muutuda saagikust limiteerivaks faktoriks eelkõige suure rohumaade osatähtsusega mahepõllumajanduses. Põllumajan - dus- ja keskkonnapoliitika peaks aga edaspidi suuremat tähelepanu pöörama negatiivsest toiteelementide bilansist tuleneva muldade degradeerumise vältimisele. 4. Tänapäeval moodustab Eesti keskmine teravilja saagikus kõigest 40–50% reaalselt võimalikust saagipotentsiaalist. Suur tootmis - saagikuste ja saagipotentsiaali erinevus viitab ebaefektiivsele mul - lastik-klimaatiliste ressursside kasutusele. Madal saagipotentsiaali realiseerumine on seletatav ebapiisava väetiste kasutumisega, kuid samas tuleb arvestada, et saagikus tootmises sõltub 50-60% ulatuses mullastik-klimaatiliste tingimustest ning väetamise osa saagikuse kujunemisel on oluliselt väiksem. Rapsi mõnevõrra intensiivsem väetamine võrreldes teraviljadega on taganud parema saagipotentsiaali realiseerumise – riigi keskmine rapsi saagikus moodustab 60–65% sordivõrdluskatsete saagitasemest. 5. Põllumajanduse drastiline langus 1990ndatel aastatel vähendas negatiivset mõju ümbritsevale keskkonnale, kuid samaegselt on tõstatunud mitmed jätkusuutlikkust ohustavad probleemid: (a) põl - lumuldade degradeerumine tulenevalt ebapiisavatest sisenditest mul - laviljakuse säilitamiseks, (b) ebaefektiivne mullastik-klimaatiliste ressursside kasutus, (c) põllumajandussektori madal konkurentsivõime ja tasuvus, (d) kahanenud toiduga isevarustatus. Nende probleemide lahendamiseks ja oluliselt jätkusuutlikuma põllumajanduse saavuta - miseks peab põllumajandustootmise ning maakasutuse optimeeri - mine toimima teaduspõhiselt, millest tuleneb vajadus asukohapõhise agromajandusliku nõuandesüsteemi väljaarendamiseks. 6. Arvukate põldkatsete tulemustel põhineva regressioonanalüüsi abil koostatud odra ja kartuli agronoomilised mudelid võimaldavad hinnata mullastiku ja ilma mõju väetiste efektiivsusele ja väetiste kasutamise agromajanduslikke riske. Väetiste efektiivsus sõltub lisaks mulla omadustele ja väetistarbele suuresti ka klimaatilistest tingimustest, isegi mõõdukate väetisannuste kasutamisel on nende efektiivsus väga varieeruv. Kõrgem väetamise efektiivsus ja tulukus saavutatakse tasakaalustatud väetisnormide korral, kuid majan - duslikult põhjendatud taimetoiteelementide vahekord väetises on sõltuv väetise ja saagi hinnasuhtest. Hetke väetise ja odra hindade juures peab näiteks lämmastikväetise efektiivsus olema üle 7,4 kg kg-1 N-1, et katta väetamisele tehtud kulutused. Ajas ja ruumis to - imivad mudelid võimaldavad hinnata looduslikke ja majanduslikke riske väetamise optimeerimises ning panevad aluse teaduspõhise nõuandesüsteemi väljaarendamiseks. 7. Teaduspõhine nõuandesüsteem ühildati antud töö raames esmakordselt põllupõhise geoinfosüsteemiga ja selle rakendamise võimalusi analüüsiti Kullamaa valla näitel. Koostati põllumassiivide andmebaas ja rakendati agromajanduslikke mudeleid pakkumaks täiendavat informatsiooni odrakasvatuse ja väetamise põllupõhiseks optimeerimiseks. Majanduslikult efektiivsed mineraalse lämmastiku normid odrale jäid enamikel uurimisala põldudel vahemikku 50–60 kg N ha-1, kuid samas neljandikul põllumaast ei ole lämmastikväe - tiste kasutamine kui ka odrakasvatus tasuv. Põllupõhine väetiste optimeerime võimaldab põllumajandustootjatel vältida rahalist kahju, suurendada väetamise efektiivsust ja saagikust. Majandus - likult efektiivsete väetisnormide kasutamine vastavalt muldade 86 87 väetustarbele tagaks uurimisalal odra keskmiseks arvutuslikuks saagikuseks 2,6 Mg ha-1, mis on 1,1 Mg ha-1 võrra suurem antud piirkonna tegelikust teravilja saagikusest viimasel kümnendil. Koostatud teemakaardid võimaldavad selgelt visualiseerida odrakasvatuse tasuvuse ruumilist varieeruvust nii üksikute põldude tasandil kui ka regionaalselt. Põllumajandustootjad saavad kasutada põllupõhiseid tasuvusarvutusi koos täiendavate kriteeriumitega näiteks külvikordade planeerimiseks ja strateegiliste valikute tegemiseks, kuid antud nõuandesüsteem ei tee otsuseid iseenesest, vaid pakub pigem teaduspõhist lisainformatsiooni otsustusprotsessi tõhustamiseks. Erinevatest allikatest pärineva andmete integreerimine ühtsesse süsteemi suurendab informatsiooni väärtust, kättesaadavust ja teadustulemuste rakendatavust saavutamaks jätkusuutliku põllumajanduse eesmärke. 8. Hoolimata sellest, et antud uurimistöö esitleb asukohapõhise agromajandusliku nõuandesüsteemi võimalusi ainult ühe valla ja kultuuri näitel, on selle tähtsus oluliselt laiaulatuslikum. Põllu tasandilt modelleerimistulemuste üldistamine võimaldab arendatavat nõuandesüsteemi rakendada nii regionaalplaneerimises kui ka makromajanduslikus analüüsis. Käesolev töö käigus arendati välja põllupõhise agromajandusliku nõuandesüsteemi toimimise metoodika, mis on edaspidi rakendatav üle kogu Eesti. Praegu on tõstatunud vajadus leida rakendus põllumajanduslikust kasutusest välja langenud maadele. Antud nõuandesüsteemi ongi võimalik edasi arendada nii endiste põllumaade metsastamise kui ka neil bioenergeetiliste kultuuride kasvatamise seisukohalt, bioenergeetika arengukavade koostamiseks kui ka bioenergia tootmisprotsessi optimeerimiseks. 9. Esitletud nõuandesüsteemi arendamiseks tuleb teadusuuringutele tuginevalt pidevalt täiustada erinevate põllu- ja rohumaakultuuride agronoomilisi mudeleid ning vastavalt sotsiaalmajanduslikule olukorrale on vaja kohandada ka majanduslikke mudeleid. Digitaalse mullastikukaardi andmebaasi tuleb kindlasti täiendada kvantitatiivsete parameetritega, mis looks eeldused selle laialdasemaks kasutuseks nagu näiteks ilmastikukahjude hindamiseks põllumajanduses, kuid ka tootmisega seonduvate mõjude hindamiseks keskkonnale. Eesti põllumajandustootmise ekstensiivistumine üleminekuperioodil on vähendanud negatiivset mõju keskkonnale, kuid samas on põhjustanud muldade produktsioonivõime langust, mis omakorda vähendab Eesti põllumajanduse konkurentsivõimet. Järjepidev ekstensiivne maaviljelus ja ebaefektiivne ressursside kasutamine kahandab veelgi Eesti riigi põllumajandussaadustega isevarustatust. Arendatav asukohapõhine agromajanduslik nõuandesüsteem loob eeldused looduslike ja majanduslike ressursside efektiivseks ja optimaalseks kasutamiseks põllumajanduses ja on üheks vahendiks teaduspõhises otsustusprotsessis saavutamaks jätkusuutliku põllumajanduse majanduslikke, sotsiaalseid ja keskkonnakaitselisi eesmärke. Selleks on hädavajalik antud nõuandesüsteemi järjepidev arendamine ja laiendamine pilootalalt üle kogu Eesti. Antud uurimistöö ei loo võimalusi mitte ainult põllupõhiseks agromajanduslikuks analüüsiks ja tootmistegevuse planeerimiseks, vaid see võiks olla üheks osaks kogu Eesti loodusressursside kasutamist ja majandamist hõlmavast asukohapõhisest nõuandesüsteemist.