Cultivation and environmental impacts of forage maize in boreal conditions | Rehumaissin viljely ja ympäristövaikutukset boreaalisella alueella

Maize (Zea mays L.) cultivation in the boreal region is dominated by forage maize, which is harvested when immature because of the short and cool growing season. While forage maize has historically been a marginal crop in the boreal region, its cultivation area has increased over recent decades due to both climate warming and advances in plant breeding. Forage maize provides a high-yielding supplement to perennial grass-dominated silage production for cattle, although there are risks of yield failure and low nutritional quality. The yield and quality of forage maize can be optimised by management practices, such as fertilisation, use of mulch and optimisation of harvest time. However, research on forage maize management in the boreal region is limited, with most of the field experiments conducted before the 1980s. Additionally, the environmental impacts of forage maize cultivation in boreal conditions, and the comparison of maize with silages cultivated more commonly in boreal region, have not been thoroughly explored. In this work, both maize management and environmental impacts associated with forage maize cultivation in the boreal region were investigated. A three-year field experiment was conducted, examining the effects of nitrogen (N) application rate, harvest time, and the use of a mulch film on yield and nutritional quality (starch, water-soluble carbohydrates, neutral detergent fibres, crude protein, ash, in vitro digestibility). Also, the efficiency of N recovery was studied. The study took place at two locations: southern Finland (Helsinki, 60°N) and central Finland (Maaninka, 63°N). There were three N application rates (100, 150 and 200 kg ha-1) and a control treatment (10 kg ha-1). The three different harvest times, between late August and mid-October, were based on different ear development stages. Plant stands with oxo-biodegradable mulch film were compared with non-mulched plant stands. The collected data were employed in an environmental impact assessment using the life cycle assessment (LCA) methodology. Forage maize cultivation, from cradle to storage, was compared with commonly cultivated boreal forages, including perennial grasses (hay species mixture and grass-clover mixture) and whole-crop cereal silage. Furthermore, the impact of forage cultivation on the soil organic carbon (SOC) stocks of mineral soils was simulated and different methodological choices were compared. Key findings indicate that forage maize produced a high dry matter (DM) yield in both southern and central Finland, depending on the weather conditions. The optimal harvest time was when the ear had reached the dent stage (R5), which was realized only in southern Finland in October. In central Finland, the ear developed only up to the blister or milk stage (R2–R3), and thus, the risk for low starch accumulation remained higher than in southern Finland. Mulch film usage contributed to a significant increase in DM yield. A N application rate of 100–150 kg ha-1 was enough to maximise DM yield as maize likely utilised residual N from the soil. However, the N recovery efficiency of forage maize was relatively low at 45 %. Forage maize did not markedly increase the environmental impacts related to forage cultivation. Neither did the use of mulch film increase the environmental impacts of maize, as the increased yield rate compensated for the emissions from film manufacture. Nevertheless, continuous forage maize cultivation posed a risk to SOC stocks. In contrast, forage maize cultivation compared with perennial grasses demonstrated advantages in terms of reduced land use, freshwater eutrophication, and acidification. However, the results were uncertain because of the life cycle inventory and life cycle impact assessment methods used. In conclusion, the importance of optimizing management practices to address yield and quality fluctuations was emphasised. Forage maize is recommended as a supplement rather than a replacement for grass cultivation in silage grass-dominated rotations, given that the temperature sum accumulation is sufficiently high to enhance starch accumulation in the maize ears. Future efforts should focus on e.g. improving maize N recovery efficiency, exploring bio-based mulch materials, breeding new very early maize cultivars and protecting SOC stocks under forage maize cultivation. Additionally, the development of more crop-, site- and management-specific LCA methods for forage crops is required.

Rehumaissi on tuleentumattomana nautakarjan rehuksi korjattava kasvi, jota viljellään maailmanlaajuisesti. Boreaalisella alueella rehumaissin viljelyä rajoittavat kasvukauden lyhyys ja matala lämpötila. Rehumaissin viljely on kuitenkin lisääntynyt Suomessa viime vuosikymmenten aikana uusien, entistä aikaisempien lajikkeiden sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin, miten rehumaissin sadon määrää ja laatua voidaan optimoida viljelyteknisesti. Lisäksi tutkittiin, millaiset rehumaissin tuotannon ympäristövaikutukset ovat. Väitöstutkimukseen kuului rehumaissin kenttäkoe, joka toteutettiin vuosina 2018–2020 Helsingin yliopiston koetilalla (Etelä-Suomi) sekä 2019–2020 Luonnonvarakeskuksen Maaningan tutkimusasemalla (Keski-Suomi). Kenttäkokeessa tutkittiin typpilannoituksen määrän, muovisen biohajoavan katekalvon sekä sadonkorjuuajankohdan vaikutusta sadon määrään ja ruokinalliseen laatuun. Kokeessa tutkittiin myös maissin typenottoa. Koostettuja tuloksia hyödynnettiin ympäristövaikutusten arvioinnissa, johon sisällytettiin muun muassa hiilijalanjälki sekä rehevöittävät vaikutukset. Rehumaissin ympäristövaikutuksia verrattiin monivuotisiin säilörehunurmiin ja kokoviljasäilörehuun. Suomessa voidaan tuottaa runsas rehumaissisato, mutta Keski-Suomessa sadon laatu jää heikommaksi verrattuna Etelä-Suomeen matalamman lämpösummakertymän vuoksi. Rehumaissille sopivin typpilannoitustaso Suomessa on nykyisinkin suositeltu noin 100–150 kg/ha. Katekalvon käytön havaittiin tuottavan runsaan sadonlisäyksen, mutta sillä ei todettu olevan merkittävää vaikutusta sadon laatuun. Rehumaissin sadon ja laadun kannalta optimaalisin sadonkorjuuajankohta on mahdollisimman myöhään syksyllä, ja mieluiten silloin, kun maissi on saavuttanut jauhotuleentumisvaiheen. Rehumaissin viljelyn ei arvioitu lisäävän merkittävästi rehuntuotannon ympäristövaikutuksia edes silloin, kun rehumaissin viljelyssä käytettiin muovista katekalvoa. Yksi keskeisin syy tälle oli rehumaissin runsas sato ja suhteellisen vähäinen lannoitemäärä satoon suhteutettuna. Tutkimuksessa havaittiin kuitenkin se, että maissin pitkäaikainen yksipuolinen viljely saattaa aiheuttaa maaperän hiilivarastotappioita. Tulosten perusteella voidaan todeta, että rehumaissin avulla voidaan täydentää nurmivaltaista karkearehutuotantoa boreaalisella alueella. Jatkossa on kuitenkin tarpeen tutkia muun muassa biopohjaisten katemateriaalien käyttöä, maissin typenoton tehokuuden parantamista sekä maissille entistä paremmin soveltuvien ympäristöarviointimenetelmien kehittämistä.