Cover cropping in integrated weed management

Abstract

Weed control constitutes a major challenge in the worldwide crop production. Beside chemical and mechanical weed control strategies, cover cropping provides an effective way of biological weed suppression. Five different field experiments were conducted at six locations from 2014-2016 to evaluate the weed control efficacy of different cover crops in mono and mixed cultivation combined with different fertilization strategies and sowing dates. Furthermore weed suppressing effects of cover crop mulches in spring and of living mulches in summer were investigated. Potential effects on sugar beet emergence, quality and quantity were also assessed. In three laboratory and two greenhouse experiments from 2015-2017, the proportional contribution of competitive and biochemical effects on the overall weed suppression and the identification of varying susceptibilities of different weeds against biochemical stresses were at the center of research. In field experiments, the weed suppressive effects of cover crops and living mulches in mono and mixed cultivation were tested. The experiments emphasized the importance of cover crop and living mulch mixtures compared to mono cropping due to a higher flexibility to biotic and abiotic stresses. This was followed by a more constant biomass production and more effective weed suppression. Moreover, the observed weed control was a result of competitive and biochemical effects, induced by cover crops. These were later on analyzed for active weed growth suppressing compounds. Altering cover crop sowing date and fertilization to optimize the weed control resulted in significant changes of cover crop and weed biomass. Early cover crop sowing five or three weeks before winter wheat harvest increased the weed control efficacy in one year, significantly. Due to contrary results over the two experimental years, we suggest that the cover crop biomass and consequently the weed suppressive ability depends on sufficient soil water for rapid cover crop germination and growth. The use of cover crop mulch in sugar beet crops provided a weed suppression of up to 83%. Especially mulch derived from cover crop mixtures reduced the weed density (56%) more effectively compared to mono cultivated cover crops (31%). The inclusion of cover crops, mulches and living mulches can lead to significant herbicide reductions in the main crop. However supplementary mechanical or chemical weed control strategies are still necessary, especially in crops with a low competitive ability like sugar beets. Nevertheless, novel mechanical weed control approaches and adequate herbicide application techniques, as band-spraying, can reduce the herbicide input in the long-term. Germination tests with aqueous cover crop extracts were conducted on weed seeds to evaluate differences in the inhibition of germination and root growth. Furthermore, different sensitivities of the weeds against the different cover crop extracts were revealed. Some cover crops as S. alba, F. esculentum, H. annuus, T. subterraneum and L. usitatissimum showed the most effective weed suppression. Moreover, the weed M. chamomilla showed the highest susceptibility against biochemical stresses in the germination tests. A strong positive correlation between the weed suppressive effects by the extracts and the field weed suppression was found. This indicated that biochemical effects play also an important role on the overall weed suppression in the field. To estimate the proportions of competitive and biochemical effects on the overall weed suppression by cover crops, greenhouse experiments with active carbon supplemented soil were conducted. These experiments revealed that biochemical effects, by the presence of active carbon in the soil, shifted the balance of competition between cover crops and weeds. In the course of the experiments, we also found species-specific effects on the donor as well as on the receiver side. The results of this thesis demonstrate the diverse use of cover crops, their mulches and living mulches in agricultural systems. This work aims on the optimization of biological weed control strategies and indicates approaches for future research. It is for example not yet clear how cover crops suppress specific weeds and if it is possible to design combinations of specific cover crops for the suppression of individual weed communities. Additionally, these results help to reduce long-term herbicide inputs in agricultural systems.

Die Unkrautkontrolle stellt eine der größten Herausforderungen in der heutigen Pflanzenproduktion dar. Eine Eingliederung von Zwischenfrüchten und Untersaaten in die Fruchtfolge ist, neben chemischen und mechanischen Maßnahmen, eine effektive Möglichkeit zur biologischen Bekämpfung von Unkräutern. In fünf verschiedenen Feldversuchen von 2014-2016 wurde die unkrautunterdrückende Wirkung von Zwischenfruchtreinsaaten und -mischungen in Kombination mit verschiedenen Anbauverfahren an sechs Standorten erforscht. Zudem wurden unkrautreduzierende Effekte durch den Einsatz von Zwischenfruchtmulch im Frühjahr und Untersaaten im Sommer im Hinblick auf Keimung, Wachstum, Qualität und Ertrag von Zuckerrüben untersucht. In drei Labor- und zwei Gewächshausversuchen von 2015-2017 sollte die Frage von den Anteilen von kompetitiven und biochemischen Effekten an der gesamten Unkrautunterdrückung beantwortet werden. Gleichzeitig sollten so auch Unterschiede im Wachstum einzelner Unkrautspezies aufgrund biochemischer Effekte von Zwischenfrüchten identifiziert werden. Die Ergebnisse der Feldversuche deckten eine höhere Effektivität von Zwischenfruchtmischungen hinsichtlich der Unkrautkontrolle im Vergleich zu Zwischenfruchtreinsaaten auf. Diese beruhten auf der höheren Flexibilität der Zwischenfruchtmischungen gegenüber biotischen und abiotischen Stressoren, gefolgt von einer konstanteren und höheren Biomasse, die in diesen Versuchen zu einer effektiveren Unkrautunterdrückung führten. Darüber hinaus konnten diverse allelopathische Substanzen in den Zwischenfrüchten nachgewiesen werden, was auf eine Unkrautunterdrückung durch sowohl kompetitive als auch biochemische Effekte hinwies. Eine Veränderung des Aussaattermins und der Düngung der Zwischenfrüchte zur Optimierung der Unkrautkontrolle zeigte signifikante Effekte auf die Biomasse von Unkräutern und Zwischenfrüchten. Eine frühe Aussaat der Zwischenfrucht fünf und drei Wochen vor der Winterweizenernte erhöhte die Unkrautkontrolle signifikant in einem Jahr. Vermutlich hängen die Biomasseproduktion der Zwischenfrüchte und die darauf basierende Unkrautunterdrückung von ausreichend pflanzenverfügbarem Bodenwasser für eine zügige Keimung und schnelles Wachstum ab. Zwischenfruchtmulch auf der Bodenoberfläche im Frühjahr unterdrückte bis zu 83% der Unkräuter. Insbesondere der Mulch aus Zwischenfruchtmischungen konnte die Unkrautdichte durchschnittlich effektiver (56%) als Mulch aus Zwischenfruchtreinsaaten unterdrücken (31%). Weiterhin konnten durch den Einsatz von Zwischenfrüchten, Zwischenfruchtmulch und Untersaaten signifikante Herbizideinsparungen in der Hauptkultur erzielt werden. Durch biologische Verfahren zur Unkrautbekämpfung wird meist nur eine unvollständige Unkrautunterdrückung erreicht. Daher sind chemische oder mechanische Verfahren weiterhin notwendig, insbesondere bei konkurrenzschwachen Kulturen wie der Zuckerrübe. In Laborversuchen wurden Keimtests mit wässrigen Zwischenfruchtextrakten an einzelnen Unkrautspezies durchgeführt. Anhand der Hemmung von Keimung und Wurzellänge wurden Unterschiede zwischen verschiedenen Zwischenfruchtextrakten identifiziert. Die Extrakte der Zwischenfrüchte S. alba, F. esculentum, H. annuus, T. subterraneum und L. usitatissimum zeigten die effektivste wachstumshemmende Wirkung. Das Unkraut M. chamomilla wies eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber den biochemischen Effekten dieser Zwischenfrüchte im Vergleich zu den anderen getesteten Unkräutern auf. Die wachstumshemmenden Effekte durch die Zwischenfruchtextrakte wurden mit der Unkrautunterdrückung aus Feldversuchen korreliert, wobei sich ein starker positiver Zusammenhang zeigte. Dies deutete auf einen großen Anteil an biochemischen Effekten an der gesamten Unkrautunterdrückung im Feld hin. Um die Anteile an kompetitiven und biochemischen Effekten von Zwischenfrüchten auf Unkräuter zu evaluieren, wurden Gewächshausversuche mit Aktivkohle versetztem Substrat durchgeführt. Diese Versuche zeigten, dass sich die unkrautunterdrückende Wirkung aufgrund von Konkurrenz durch die Zwischenfrucht in der Anwesenheit von Aktivkohle veränderte. Zudem konnten spezifische Effekte einzelner Zwischenfrüchte auf einzelne Unkrautspezies beobachtet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die diversen Vorteile von Untersaaten und Zwischenfrüchten sowie deren Mulch in landwirtschaftlichen Systemen. Diese Arbeit zielt auf eine Optimierung von biologischen Unkrautbekämpfungsmaßnahmen ab und zeigt neue Ansätze für zukünftige Forschung im Bereich der Zwischenfrucht-Unkraut Interaktion. Zudem tragen diese Ergebnisse dazu bei, einen weiteren Schritt zur langfristigen Reduzierung von Herbizideinträgen in der Landwirtschaft zu machen.