Evaluating different management strategies to increase the effectiveness of winter cover crops as an integrated weed management measure

Abstract

Weed control in agricultural production systems is indispensable to achieve stable crop yields. Integrated cropping systems are demanding for preventive and ecologically harmless weed control measures in order to protect soil and water resources and to retard the selection of herbicide-resistant weeds. Well-established winter cover crops provide nutrient retention and soil protection and may effectively suppress weeds. This contributes to reduce chemical and mechanical fall- and spring-applied weed control practices. However, producers are cautious towards integrating cover crops in crop rotations, as their performance is related to environmental conditions and varies, therefore, significantly from season to season. To increase their integration into cropping systems, reliability on weed control by cover crops needs to improve. In the current study, management strategies such as i) the cover crop sowing method, ii) the selection of water deficit tolerating cover crop species, iii) cover crop species combinations, iv) the adjustment of the mulching date and v) tillage practices after cover crop cultivation were considered as possibilities to improve the effectiveness of cover crops to control weeds during cultivation and in the subsequent cash crop. Within the first and the second publication, the general weed and A. myosuroides control ability of a cover crops mixture during and after cultivation were compared in the field with various fall-applied tillage methods and glyphosate treatments. Due to the development of highly competitive cover crop stands, weeds were suppressed by 98% and A. myosuroides by 100% during cultivation. Therefore, cover crops were more efficient compared to glyphosate application(s), non-inversion and inversion tillage and revealed a great potential to reduce or even replace chemical and mechanical fall-applied weed control measures. The efficient A. myosuroides control during the cover crop cultivation remained until spring barley harvest. This quantifies cover crops to complement herbicide resistance management strategies. In contrast, due to the weak cover crop performance during fall-to-winter within another two experiments included in the second article, weed suppressive effects of cover crops disappeared after the cultivation of cover crops. This might have been the reason why reduced tillage and adjusted mulching dates in spring failed in contributing to expand weed suppressive effects of cover crops in these experiments. Cover crop mixtures are attributed to show a greater resilience against unfavorable conditions than pure cover crop stands which is expected to result in an increased weed suppression ability. Within article three, the weed control efficacy of pure cover crop stands was compared with species mixtures. Pure stands of Avena strigosa Schreb. and Raphanus sativus var. oleiformis Pers. provided the most efficient weed control with 83% and 72%, respectively. Cover crop species mixtures showed a weaker weed suppression ability than the most efficient pure stand. In order to improve the weed control ability of cover crop mixtures, it was evaluated that the species selection is more relevant than the species diversity. Thereby, environmental requirements, such as water and temperature demand, and weed suppression mechanisms should be considered. Weed suppression of mixtures was improved by increasing the proportions of A. strigosa and R. sativus var. oleiformis, as they were showing a susceptibility for dry conditions and combine a strong competition for resources and allelopathic interference with weeds. Within the fourth article, it was explored whether a low susceptibility of single cover crop species to water-limitations accompanies an improved weed suppression ability. A. strigosa and Sinapis alba L. showed differing suitabilities to cope with water-deficit in the greenhouse. A relation between weed suppression and water demand of cover crops at the field was not identified. Although the weed control ability of cover crops is generally narrowed under water-limited conditions, the weed suppression potential of individual species seems to be independent of their water supply. The adjustment of the cover crop sowing method, the consideration of species-specific requirements and the mixing strategies, were evaluated as being important to improve the resilience of cover crops against severe environmental conditions and their weed control ability. Investigations of cover crop mixtures with respect to single component species, their mixing ratios and seed densities, might further increase the absolute and average effectiveness of cover crops as an integrated weed management practice.

Unkrautkontrolle in landwirtschaftlichen Produktionssystemen ist unerlässlich, um stabile Erträge zu erzielen. Integrierte Anbausysteme zielen darauf ab, verstärkt präventive und ökologisch unbedenkliche Unkrautkontrollmaßnahmen einzusetzen, um Boden- und Wasserressourcen zu schützen und die Selektion herbizidresistenter Unkräuter zu verzögern. Gut etablierte Winterzwischenfruchtbestände sorgen für einen Nährstoffrückhalt und schützen den Boden vor Erosion. Eine effiziente Unkrautunterdrückung durch Zwischenfrüchte kann den Einsatz von chemischen und mechanischen Stoppelbearbeitungsmaßnahmen reduzieren. Winterzwischenfrüchte sind allerdings bisher noch kein fester Bestandteil in Fruchtfolgen, da deren Entwicklung, von Jahr zu Jahr, stark variieren kann. Dadurch schwankt auch die Zuverlässigkeit der Unkrautunterdrückung. Kann diese dauerhaft gewährleistet werden, könnte der Anbau von Zwischenfrüchten zunehmend interessanter werden. In dieser Studie wurden Bewirtschaftungsstrategien wie i) die Aussaatmethode von Zwischenfrüchten, ii) die Berücksichtigung trockentoleranter Zwischenfrüchte, iii) Zwischenfruchtmischungen, iv) unterschiedliche Mulchtermine und v) die Bodenbearbeitung nach dem Zwischenfruchtanbau als Möglichkeiten zur Verbesserung der Unkrautkontrolle durch Zwischenfrüchte evaluiert. In der ersten und zweiten Veröffentlichung wurde die Unterdrückung von Unkräutern und A. myosuroides durch Zwischenfrüchte, im Vergleich zu verschiedenen im Herbst durchgeführten Bodenbearbeitungsvarianten und Glyphosatbehandlungen, beurteilt. Durch die Etablierung von konkurrenzfähigen Zwischenfruchtbeständen konnten Unkräuter und A. myosuroides während der Zwischenfruchtsaison um 98% bzw. 100% reduziert werden. Behandlungen, bei denen Glyphosat appliziert oder (wende und nicht-wendende) Bodenbearbeitung durchgeführt worden war, wiesen eine schlechtere Unkrautkontrolle auf, als Behandlungen mit Zwischenfrüchten. Der Einfluss des Zwischenfruchtanbaus auf A. myosuroides war auch noch während des Anbaus der Sommergerste erheblich. Dies bestätigt die Annahme, dass der Zwischenfruchtanbau als Maßnahme im Herbizidresistenzmanagement eingesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu, konnten die Zwischenfrüchte, die in zwei weiteren Versuchen verwendet wurden, keine unkrautunterdrückende Wirkung in der Sommerung erzielen. Reduzierte Bodenbearbeitung und angepasste Mulchtermine im Frühjahr konnten ebenfalls nicht dazu beigetragen, die unkrautunterdrückende Wirkung des Zwischenfruchtmulchs zu verbessern. Im dritten Artikel wurde überprüft, ob Zwischenfruchtmischungen, im Vergleich zu Zwischenfruchtreinsaaten, durch ihre höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Witterungsbedingungen, eine effizientere Unkrautunterdrückung aufweisen. Reinbestände von Avena strigosa Schreb. und Raphanus sativus var. oleiformis Pers. erzielten mit 83% bzw. 72% die effizienteste Unkrautunterdrückung. Mischungen zeigten eine schwächere Unkrautunter-drückung als der effizienteste Reinbestand. Um das Unkrautunterdrückungspotential von Mischungen zu verbessern, wurde evaluiert, dass die Berücksichtigung der Artenauswahl bedeutender ist, als die Artenvielfalt. Mit zunehmenden Anteilen von A. strigosa und R. sativus var. oleiformis in der Mischung, stieg die unkrautunterdrückende Wirkung. Beide Arten zeigten eine Toleranz gegenüber Trockenheit und unterdrücken Unkräuter durch physikalische und chemische Mechanismen. Im vierten Artikel wurde untersucht, ob eine geringe Sensibilität ausgewählter Zwischenfruchtarten gegenüber Wassermangel mit einer verbesserten Unkrautunterdrückung bei Trockenheit einhergeht. Dabei wurden unterschiedliche Sensibilitäten für A. strigosa und Sinapis alba L. im Gewächshaus ermittelt. Obwohl die Unkrautkontrollfähigkeit von Zwischenfrüchten unter wasserlimitierten Bedingungen generell eingeschränkt ist, korrelierte das Unkrautunterdrückungspotenzial einzelner Arten im Feldversuch nicht mit der Wasserverfügbarkeit. Die Anpassung der Zwischenfruchtaussaat, die Berücksichtigung art-spezifischer Anforderungen und die Herangehensweise Zwischenfruchtarten zu kombinieren, stellen potentielle Ansatzpunkte dar, um die Widerstandsfähigkeit von Zwischenfrüchten gegenüber ungünstigen Bedingungen zu verbessern. Damit einhergehend, kann das Unkrautunter-drückungspotential von Zwischenfrüchten gesteigert werden. Um die absolute sowie durchschnittliche Wirksamkeit von Zwischenfrüchten als integrierte Unkrautkontroll-maßnahme zu steigern, sollten Zwischenfruchtmischungen, unter Beachtung von Einzelkomponenten sowie deren Mischungsverhältnissen und Saatstärken, weiter untersucht werden.