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Doctoral Thesis
2008
Evaluation of weed populations under the influence of site-specific weed control to derive decision rules for a sustainable weed management
Evaluation of weed populations under the influence of site-specific weed control to derive decision rules for a sustainable weed management
Abstract (English)
In context of reduction programs for chemical plant protection, herbicide use needs to be strictly controlled and reduced to the absolute necessary extent in order to minimise negative side effects for the environment and pesticide residues in the food chain. The site specific weed management is a promising way to reduce herbicide use. It aims at managing weeds with respects to their spatial and temporal variability. Post-emergence herbicides are only applied at highly infested locations in the fields. Several studies on site-specific weed control have shown that this practice is reasonable, and it has been successfully implemented in various crops, resulting in a considerable reduction of herbicide use, treatment costs, and consequently benefits to the environment. However, there is still lack of knowledge on the population dynamics of weeds and the interactions between crop and weeds under the site-specific weed management. Long term effects of the site-specific weed control have not been studied in detail yet. Additionally, an experimental approach was needed to create precise decision algorithms for site-specific weed management.
Therefore the applied scientific objective of this research was:
- to analyse the spatial and temporal distribution of weeds,
- to provide information on weed population dynamics under the influence of the site-specific weed control,
- to detect if site-specific weed management leads to an increase in weed density, and if weed patches remain stable in density and location over time,
- to determine herbicide savings and efficacy of the site specific weed management,
- to design an experimental on-farm approach to explain yield variation caused by within-field heterogeneity of weed density, soil quality and herbicide application, in order to derive decision rules for site-specific weed control.
During the course of this work site specific weed management tested in field trails, long term effects were examined, population dynamics were analysed and a model approach to derive management decision was approved.
It was proved that weed distribution was heterogeneous in all experimental fields. The average weed density remained stable when economical weed thresholds were applied. The application of effective herbicides in every year did not reduce density in high density weed patches. The patches were persistent over eight years, with slight variations in density from year to year. It is suggested that a combination of chemical, mechanical, and cultural weed management strategies would be necessary to effectively control weeds in high density locations. However, the knowledge about the spatial stability of weed patches of individual species offers possibilities to use this information for weed management strategies.
Population dynamic parameters such as weed seedling emergence, crop-weed competition, seedlings mortality, herbicide efficacy, seed production and viability were found to be weed density dependent. With increasing weed density weed biomass and fecundity increased. These findings support that weed density has to be considered in weed management strategies. Site-specific weed management was effective over time. The amount of herbicides used could be decreased significantly due to site specific herbicide application, without loosing performance. Only 26-35 % of herbicides were sprayed compared to uniform application of herbicides that is still the standard method of weed control. Additionally, a new experimental design based on an anisotropic exponential model with nugget effect was established. The influences of the co-variables weed and soil on yield and the side-effects of herbicides were quantified separately with this model, by overlaying and spatially joining all data. Out of this information, yield losses due to weed and herbicide injury could be defined, and valid decision rules for site-specific weed management could be ascertained. For the first time the injury to the crop due to herbicide application could be numeralised with this experimental design. This large loss of yield can be avoided and considerable reductions in herbicide rates can be achieved by site-specific weed management based on weed thresholds. This experimental approach enables to explain the variation of yield within agricultural fields, and an understanding of the effects on yield of the factors and their causal interactions. This work is seen as a mayor step forward in order to precisely manage weeds with respect to their spatial and temporal dynamics.
Abstract (German)
Um negative Auswirkungen auf die Umwelt und Pflanzenschutzmittelrückstände in der Nahrungskette zu minimieren, muss der Herbizideinsatz im Rahmen von Reduktionsprogrammen für den chemischen Pflanzenschutz grundsätzlich geregelt und auf das notwendige Maß begrenzt werden. Die teilflächenspezifische Unkrautbekämpfung ist ein richtungweisender Ansatz, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Bei der teilflächenspezifischen Unkrautbekämpfung werden die Unkräuter unter Berücksichtigung ihrer räumlichen und zeitlichen Variabilität und unter Verwendung von ökonomischen Schadschwellen kontrolliert. Eine Herbizidapplikation im Nachauflaufverfahren findet nur beim Auftreten von Unkräutern statt. Durch Studien zur teilflächenspezifischen Unkrautkontrolle konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren erfolgreich angewendet werden kann, mit beachtlichen Herbizideinsparungen sowie signifikanten ökonomische und ökologische Vorteile.
Neben diesen sehr positiven Ergebnissen mangelt es bisher noch an Kenntnissen über die Populationsdynamik von Unkräutern und den Wechselbeziehungen zwischen Kulturpflanze und Unkraut unter dem Einfluss der teilflächenspezifischen Unkrautbekämpfung. Die Langzeitwirkungen der teilflächenspezifischen Unkrautkontrolle wurden bisher nicht eingehend untersucht. Darüber hinaus war bislang keine Versuchsmethodik verfügbar um präzise Entscheidungsalgorithmen für die teilflächen-spezifische Unkrautkontrolle abzuleiten.
Aus diesen Prämissen ergab sich die Zielsetzung dieser Arbeit:
- die Analyse der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Unkräutern,
- die Bereitstellung von Informationen über die Populationsdynamik von Unkräutern unter dem Einfluss der teilflächenspezifischen Unkrautbekämpfung,
- zu untersuchen ob die teilflächenspezifische Unkrautkontrolle zu einem Anstieg der Unkrautdichte führt und ob Unkrautnester in ihrer Lage und Dichte stabil sind,
- Ermittlung von realistischer Herbizideinsparungen und Bekämpfungserfolge,
- Erarbeitung eines Modells zur Ermittlung von Entscheidungsalgorithmen für die teilflächen-spezifische Unkrautbekämpfung unter Berücksichtigung der Ertragsvariabilität.
Im Verlauf dieser Arbeit wurde die teilflächenspezifische Unkrautbekämpfung erprobt und ihre Langzeitwirkungen untersucht, die Populationsdynamik der Unkräuter unter dem Einfluss teilflächenspezifische Unkrautkontrolle analysiert und ein Modellansatz zur Ermittlung von Entscheidungsalgorithmen entwickelt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen die heterogene Verteilung von Unkräutern in Ackerflächen. Die durchschnittliche Unkrautdichte in den Ackerflächen blieb unter der Verwendung von ökonomischen Schadschwellen über den untersuchten Zeitraum stabil. Die Lage bestehender Unkrautnester war mit leichten Dichteschwankungen gleich bleibend. Um diese Nester wirkungsvoll zu kontrollieren empfiehlt es sich chemische, mechanische und kulturelle Unkrautbekämpfungsmaßnahmen zu kombinieren. Die populationsdynamischen Parameter: Keimung, Konkurrenz, Mortalität, Bekämpfungserfolg, Samenproduktion sowie Lebensfähigkeit zeigten sich abhängig von der Unkrautdichte. Mit zunehmender Unkrautdichte stiegen auch die Biomasse der Unkräuter und deren Samenproduktionsrate an. Diese Ergebnisse belegen, dass die Unkrautdichte im Unkrautmanagement berücksichtigt werden muss. Auch über einen längeren Zeitraum war die teilflächenspezifische Unkrautbekämpfung erfolgreich. Der Herbizideinsatz konnte ohne Verlust an Bekämpfungserfolg signifikant gesenkt werden. Im Vergleich zur ganzflächigen Herbizidapplikation, die immer noch die Standardmethode in der Unkrautbekämpfung darstellt, wurden in diesen Versuchen nur 26-35 % der Herbizidmenge ausgebracht.
Des Weiteren wurde ein geostatistischer Ansatz mit einem linearen gemischten Model und anisotropher räumlicher Korrelationsstruktur als Grundlage erarbeitet. Die Ertragswirkungen von Bodenqualität, Unkrautkonkurrenz und Herbizidapplikation können getrennt voneinander analysiert werden, indem die verschiedenen Informationsebenen übereinander gelegt und miteinander verschnitten wurden. Aus diesen Informationen konnten Ertragsverluste durch Unkrautkonkurrenz und Herbizidschäden definiert und zuverlässige Entscheidungsalgorithmen für die teilflächenspezifische Unkrautkontrolle ermittelt werden. Hierdurch war es erstmalig möglich Herbizidschäden an Kulturpflanzen zu beziffern. Durch die dargelegte teilflächenspezifische Unkrautkontrolle können deutliche Ertragsverluste vermieden und beachtliche Herbizideinsparungen realisiert werden.
Mit dem erarbeiteten geostatistischen Ansatz sind Ertragsvariabilität erklärbar und angepasste Entscheidungsalgorithmen können ermitteln werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Grundlage für zukünftige Entwicklungen um Unkräuter, unter der Berücksichtigung ihrer räumlichen und zeitlichen Dynamik, nachhaltig zu kontrollieren.
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Phytomedicine
Examination date
2008-01-09
Supervisor
Edition / version
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ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Ritter2008,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5165},
author = {Ritter, Carina},
title = {Evaluation of weed populations under the influence of site-specific weed control to derive decision rules for a sustainable weed management},
year = {2008},
school = {Universität Hohenheim},
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