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Doctoral Thesis
2024
Integration of cultural practices and chemical control in a management strategy against multiple herbicide-resistant Alopecurus myosuroides (Huds.)
Integration of cultural practices and chemical control in a management strategy against multiple herbicide-resistant Alopecurus myosuroides (Huds.)
Abstract (English)
Weed control has been a key component of crop protection since the dawn of arable farming. Labour-intensive methods were gradually replaced by mechanisation and the discovery of herbicides, particularly in developed countries. The introduction of herbicides was accompanied by the development of resistance, which is the genetic ability of plants to survive the dose applied. In Europe, the spread of resistance in Alopecurus myosuroides (Huds.) has been observed for decades. The economic optimisation of arable farming by increasing the proportion of winter crops in the rotation and the often early sowing of these crops, as well as the consistent conducting of conservation tillage, have enabled the spread of A. myosuroides. Such systems, based on effective herbicides, are often no longer effective, partly due to the spread of multiple herbicide-resistant biotypes, which are threatening profitable arable farming. Instead, strategies that integrate both cultural practices and effective herbicides are needed, particularly where post-emergence herbicides are ineffective. The introduction of cinmethylin, an active ingredient from rice that can be used selectively in cereals against weeds, would broaden the spectrum of pre-emergence herbicides in European cereal production. The aim of this thesis was to develop a strategy to minimise the presence of A. myosuroides on sites where multiple herbicide-resistant biotypes are present. Cultural practices were combined with an herbicide regime based on cinmethylin and other active ingredients. The first paper focuses on the evaluation of three strategies, which differ in the extent of preventive and competitive cultural practices against A. myosuroides (crop rotation, tillage, sowing date, stale seedbed, cover cropping), regarding their reduction potential against an A. myosuroides population with a high proportion of biotypes with ACCase and/or ALS target site resistance. From 2017 to 2020, these three strategies were tested at two German sites with high levels of multiple herbicide-resistant A. myosuroides biotypes. Cinmethylin was used in winter wheat, winter barley and winter oilseed rape, in combination with flufenacet in winter barley and metazachlor in winter oilseed rape. Apart from propyzamide in winter oilseed rape, no herbicides were applied post-emergent. The strategy with the highest number of cultural practices (maize in rotation, inversion tillage at the beginning of the trial, delayed sowing combined with a stale seedbed in winter wheat) resulted in a significant reduction in A. myosuroides density of up to 90% compared to a strategy which resembled the usual cultivation practices (conservation tillage, only winter crop in rotation). In addition, a significantly greater reduction in the potential of viable A. myosuroides seeds was observed at one of the two sites in the strategy with the highest level of preventive and competitive cultural practices in terms of A. myosuroides control. The field trials showed that A. myosuroides populations can be controlled by adjusting overall crop management in combination with cinmethylin and other active ingredients. The second paper postulated that the efficacy of cinmethylin against A. myosuroides is increased by later application in the autumn associated with the delayed sowing of winter cereals. In four trials over three years, winter barley and winter wheat were sown at four different dates (from mid-September to the end of October). Flufenacet was included as a second option alongside cinmethylin. For both active ingredients and cereal species, the highest efficacy against A. myosuroides (over 90%) was achieved when cereals were sown in mid to late October. The hypothesis that delayed sowing improves the efficacy of pre-emergence herbicides against A. myosuroides was confirmed. This allows the remaining active ingredients to be used efficiently in strategies against multiple herbicide-resistant species. An effective method of controlling A. myosuroides is to use the post-harvest period in autumn to reduce seed supply. Seed germination induced by seedbed preparation increases the number of A. myosuroides plants that are removed by subsequent glyphosate applications. Possible policy restrictions on the use of such non-selective active ingredients require a comparison of alternatives, such as electrophysical methods with chemical and mechanical control of A. myosuroides. The third article compares mechanical (disc harrow, rotary harrow, cultivator), chemical (pelargonic acid, maleic hydrazide, glyphosate) and electrophysical (XPower®, different speeds) methods for use in stale seedbed. Glyphosate application had the lowest density of A. myosuroides heads compared to the mechanical and electrophysical methods (especially at speeds higher 3 km/h). The economic evaluation of all methods showed high costs for the chemical alternatives to glyphosate, up to 429 €/ha. The calculated maximum investments costs for an electrophysical technology are mostly in the negative range due to high process costs, which makes the use of the tested process to control A. myosuriodes before sowing unrealistic. If the use of glyphosate is banned, mechanical control of emerged A. myosuriodes plants before sowing is recommended.
The results of the present thesis demonstrate the possibility of controlling A. myosuroides populations with multiple herbicide-resistance to post-emergence herbicides through a strategy that combines preventive and competitive cultural practices measures against A. myosuroides with active ingredients such as cinmethylin.
Abstract (German)
Die Unkrautkontrolle ist seit Beginn des Ackerbaus ein zentraler Bestandteil der Ertragssicherung. Arbeitsintensive Verfahren wurden im Zuge der Mechanisierung und der Entdeckung von Substanzen mit herbizider Wirkung sukzessiv ersetzt, insbesondere in Industriestaaten. Mit der Einführung von Herbiziden ging die Entwicklung von Resistenzen einher, die es Pflanzen ermöglichte, die applizierte Dosis aufgrund ihrer Genetik zu überleben. In Europa ist die Verbreitung von Resistenzen bei Alopecurus myosuroides (Huds.) seit Jahrzehnten zu beobachten. Ökonomische Optimierungen des Ackerbaus durch Erhöhung des Anteils an Winterungen in der Fruchtfolge und der oft praktizierten verfrühten Aussaat dieser sowie die konsequente Durchführung konservierender Bodenbearbeitung ermöglichten das Ausbreiten von A. myosuroides. Solche auf wirksame Herbizide basierende Systeme greifen häufig nicht mehr, auch durch die Ausbreitung von multiplen Herbizid-resistenten Biotypen, die den profitablen Ackerbau an vielen Standorten gefährden. Vielmehr müssen Strategien, die sowohl pflanzenbauliche Maßnahmen wie auch wirksame Herbizide integrieren, herangezogen werden, insbesondere wenn Nachauflaufherbizide wirkungslos sind. Die Einführung von Cinmethylin, einen Wirkstoff aus dem Reisanbau, der selektiv im Getreide gegen Ungräser im Vorauflauf eingesetzt werden kann, würde das Spektrum an Vorauflaufherbiziden im europäischen Getreidebau erweitern. Ziel dieser Arbeit war es eine Strategie zu entwickeln, die an Standorten mit bereits vorhandenen multiplen Herbizid-resistenten Biotypen den Besatz an A. myosuroides möglichst reduziert. Dabei sollten pflanzenbauliche Maßnahmen mit einem Herbizidregime auf der Basis von Cinmethylin und anderen wirksamen Wirkstoffen kombiniert werden. Der erste Artikel thematisiert die Evaluierung von drei integrativen Strategien, die sich im Umfang an präventiv und kompetitiv wirkenden pflanzenbaulichen Maßnahmen gegen A. myosuroides (Fruchtfolge, Grundbodenbearbeitung, Saattermin, Falsches Saatbett, Zwischenfruchtanbau) unterscheiden, hinsichtlich deren Reduktionspotentials gegen eine A. myosuroides Population mit hohem Anteil an Biotypen mit ACCase und/oder ALS Zielortresistenz. Von 2017 bis 2020 wurden an zwei deutschen Standorten mit hohem Verseuchungsgrad an multiplen Herbizid-resistenten A. myosuroides Biotypen diese drei Strategien geprüft. Cinmethylin wurde in Winterweizen, Wintergerste und Winterraps eingesetzt und durch die halbe Aufwandmenge in Wintergerste mit Flufenacet und in Winterraps mit Metazachlor kombiniert. Bis auf die Propyzamid-Applikation in Winterraps wurden keine Herbizide nach dem Auflaufen der Winterkulturen eingesetzt. Die Strategie mit der höchsten Anzahl an pflanzenbaulichen Maßnahmen (Mais in der Fruchtfolge, wendende Bodenbearbeitung zu Beginn des Versuches, verspätete Aussaat in Kombination mit Falschen Saatbett bei Winterweizen) führte zu einer signifikanten Reduktion der A. myosuroides Dichte von bis zu 90 % verglichen zu einer Strategie, die als praxisnahe Variante (konservierende Bodenbearbeitung, keine Sommerung in der Fruchtfolge, keine Spätsaat) diente. Zudem wurde an einem der beiden Standorte eine signifikant höhere Reduktion des Potentials lebensfähiger A. myosuroides Samen bei der Strategie mit dem höchsten Umfang an pflanzenbaulichen Maßnahmen festgestellt. Die Feldversuche zeigten, dass durch die Anpassung des gesamten Pflanzenbaus in Kombination mit Cinmethylin und anderen Wirkstoffen A. myosuroides Populationen kontrolliert werden können. Im zweiten Artikel wurde postuliert, dass die Wirksamkeit von Cinmethylin gegen A. myosuroides durch die mit einer verspäteten Aussaat assoziierten späteren Applikation im Herbst steigt. In vier Versuchen in drei Jahren wurden Wintergerste und Winterweizen zu vier Saatterminen (von Mitte September bis Ende Oktober) ausgesät. Neben Cinmethylin wurde Flufenacet als zweite Variante integriert. Bei beiden Wirkstoffen und Getreidearten lag die höchste Wirkung mit über 90 % gegen A. myosuroides bei der Saat von Mitte bis Ende Oktober. Die Hypothese, dass eine spätere Aussaat die Wirkung der Vorauflaufherbizide gegen A. myosuroides verbessere, konnte bestätigt werden. Diese Erkenntnis ermöglicht, die verbleibende Wirkstoffe in Strategien gegen multiple Herbizid-resistente effizient einzusetzen. Eine wirksame Methode zur Bekämpfung von A. myosuroides stellt die Nutzung des Zeitraumes zwischen Ernte und Herbstaussaat zur Reduktion des Samenvorrates dar. Die von der Saatbettbereitung induzierte Keimung der Samen erhöht die Anzahl an A. myosuroides Pflanzen, die durch anschließende Glyphosat-Applikation abgetötet werden. Mögliche politische Einschränkungen in der Nutzung solcher nicht-selektiver Wirkstoffe erfordert die Gegenüberstellung von Alternativen, wie z.B. elektrophysikalischer Verfahren mit chemischer sowie mechanischer Bekämpfung von A. myosuroides. Der dritte Artikel enthält einen Vergleich mechanischer (Scheibenegge, Kreiselegge, Federzinkengrubber), chemischer (Pelargonsäure, Maleinsäurehydrazid, Glyphosat) und elektrophysikalischer Verfahren (XPower®, verschiedene Geschwindigkeiten) zur Nutzung in der Falschen Saatbett Anwendung. Die Applikation von Glyphosat wies die geringste Dichte an A. myosuroides Ähren im Vergleich zu den mechanischen und den elektrophysikalischen Varianten, insbesondere bei Geschwindigkeiten über 3 km/h, auf. Die ökonomische Bewertung aller Verfahren zeigte die hohen Kosten für die chemischen Alternativen zu Glyphosat von bis zu 429 €/ha. Die kalkulierten maximalen Anschaffungskosten für eine elektrophysikalische Technologie liegen aufgrund hoher Verfahrenskosten meist im negativen Bereich, was eine Nutzung des getesteten Verfahrens zur Abtötung von A. myosuriodes vor der Saat unrealistisch macht. Im Falle eines Wegfalls von Glyphosat wird die mechanische Bekämpfung aufgelaufener A. myosuriodes Pflanzen vor der Saat empfohlen.
Die Ergebnisse der vorgestellten Arbeit zeigen die Möglichkeit der Kontrolle von A. myosuroides Populationen mit bereits vorhandener multipler Herbizidresistenz gegen Nachauflaufherbizide durch eine Strategie, die präventiv und kompetitiv wirksame pflanzenbauliche Maßnahmen gegen A. myosuroides und Wirkstoffe wie Cinmethylin kombiniert.
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Institute of Phytomedicine
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2024-07-24
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English
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Classification (DDC)
630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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