A new version of this entry is available:
Loading...
Doctoral Thesis
2025
Advancing cover cropping in integrated weed management through novel modelling approaches, management strategies, and allelopathic investigations
Advancing cover cropping in integrated weed management through novel modelling approaches, management strategies, and allelopathic investigations
Abstract (English)
Climate change, herbicide-resistant weeds, and the lack of new herbicidal modes of action are increasing the pressure on farmers to reduce herbicide usage. Environmentally friendly and integrated weed control methods, such as cover cropping – where cover crops (CCs) provide various ecosystem services, including the suppression of weeds and volunteer crops – can be implemented in crop rotations to minimize herbicide use. The intensity of this suppression var-ies between cover crop (CC) species. Additionally, it is influenced by the competitiveness, allelopathic activity, and biomass production of the CCs, as well as by the CC establishment method, sowing time, soil type, and climatic conditions. The prediction of weed suppression by CCs in the field, as well as the enhancement of their abilities to suppress weeds and volun-teer crops, is challenging. Furthermore, there are unstudied allelochemicals in CCs that could serve as herbicidal active ingredients in bioherbicide formulations.
Therefore, this dissertation focused on the following research objectives:
• Identifying models to predict weed suppression by winter-kill fall-to-spring CC spe-cies in the field;
• Examining the impact of different establishment methods for winter-kill fall-to-spring CC species, including various sowing dates, to enhance their weed and volunteer cere-al suppressive abilities in the field;
• Enhancing the allelopathic potential of winter-kill fall-to-spring CC species at an early growth stage by applying artificial stresses to improve their ability to suppress weeds and volunteer cereals;
• Investigating phytocannabinoids derived from Cannabis sativa L. and aqueous C. sati-va shoot tissue extracts regarding their allelopathic effects on Zea mays L. and weeds, as well as their potential use as herbicidal active ingredients in bioherbicide formula-tions.
The objectives of the dissertation were addressed in four research articles.
The first research article compared two non-linear models to predict the weed suppressive ef-fect of six different winter-kill fall-to-spring CC species in the field. The models considered the shoot dry matter of the CCs and weeds (including volunteer crops) approximately 12 weeks after CC sowing, based on 11 field studies conducted between 2010 and 2020. Addi-tionally, the allelopathic potential of the CCs was considered in the models by investigating the allelopathic effects of aqueous shoot extracts from the shoot biomass of field-grown win-ter-kill fall-to-spring CCs on the seed germination of four different annual weed species in laboratory Petri dish bioassays. The three-parameter Weibull model was more accurate for predicting weed and volunteer crop suppression by CCs in the field than the Cousens model. Furthermore, the study showed that CCs with high allelopathic potential, such as Avena stri-gosa Schreb., can suppress weeds just as effectively (>80%) as Brassicaceae or Polygonaceae species, while requiring only one-third of the shoot biomass.
The second research article compared three different establishment methods as well as differ-ent sowing dates for five different in monoculture sown winter-kill fall-to-spring CC species, along with a CC mixture, in a three-year field trial (2020–2022). The aim of this study was to improve the development, biomass production, and weed and volunteer suppression ability of CCs by identifying the most suitable establishment method and sowing date for each CC spe-cies and the CC mixture. The results showed that, 10 weeks after the harvest of the main crop, the establishment methods of pre-harvest sowing into the maturing cereal crop 10 days before harvest and direct sowing after cereal harvest without tillage resulted in, on average, 30% and 42% higher CC shoot dry matter and 81% and 78% lower weed density, respectively, com-pared to the post-harvest establishment method with reduced tillage. In contrast, the volunteer cereal densities and the weed and volunteer cereal control efficacies were consistent across the three CC establishment methods. However, the results varied among the different CC species and the trial years. The CC mixture demonstrated greater stability than monocultures regard-ing shoot biomass production under varying climatic conditions and establishment methods. In addition, the sowing date and climatic conditions had a significant impact on the success of CC establishment.
The third research article investigated the effect of artificially induced stress on plant physio-logical processes and the allelopathic potential of CCs with the aim to enhance their suppres-sive effects on weeds and volunteer cereals during an early growth stage. Three different types of stress (mechanical stress through harrowing (1), phytohormonal stress by applying methyl jasmonate (2), and insect stress by applying Hermetia illucens paste with leaf injuries (3)) and a stress combination (1 + 3) were applied in greenhouse trials (2021–2022) to the CCs A. strigosa, C. sativa, and Sinapis alba L. at the 3-4 leaf stage. All applied stress types resulted in no or minimal changes in shoot biomass production and photosystem II activity of the CCs a few days after the stress application. The aqueous shoot tissue extracts from the shoot bio-mass of C. sativa subjected to combined stress and S. alba plants subjected to insect stress showed 1.7 and 1.9 times significantly higher total phenolic content, respectively, five days after stress application compared to the extracts of the control plants. Moreover, Petri dish bioassays were carried out under laboratory conditions using aqueous extracts derived from the shoot biomass of both treated and untreated CCs to assess stress-induced alterations in the allelopathic potential of their shoot tissues. The bioassays demonstrated that aqueous shoot tissue extracts from the shoot biomass of phytohormonally, insect- and combined-treated C. sativa and S. alba, as well as mechanically treated A. strigosa, exhibited stronger germination-inhibiting effects on the seeds of the two different annual weed species, as well as on volun-teer cereal seeds, compared to the seeds of the control plants that were treated with the aque-ous shoot tissue extracts from the shoot biomass of untreated CCs.
In the fourth research article, five different phytocannabinoids derived from C. sativa and aqueous C. sativa shoot tissue extracts were investigated for their allelopathic effects on the cereal crop Z. mays and four different annual weed species in laboratory Petri dish bioassays and pre-emergence trials in the greenhouse (2021–2022). The application of phytocanna-binoids and aqueous shoot tissue extracts at the highest concentration significantly reduced root length in Z. mays and the four weed species by up to 91% in the bioassays, 10 days after treatment, compared to the untreated control plants. The application of phytocannabinoids in high concentrations in the bioassays primarily decreased the germination rate of the weed seeds by up to 53% compared to the untreated control plants. Depending on the weed species, the type of phytocannabinoid, and the concentrations applied, stimulatory effects on weed seed germination were also observed. In contrast, the germination of Z. mays seeds was not affected by the phytocannabinoids in the bioassays. However, high concentrations of the aqueous C. sativa shoot tissue extracts suppressed the germination rate of Z. mays seeds by 34% and that of the four weed species by 76–96%. In pre-emergence greenhouse experiments, stimulatory effects on the germination of Z. mays and four weed species were observed 21 days after the application of bioherbicidal formulations containing phytocannabinoids such as cannabidiol, cannabidivarin, or aqueous C. sativa shoot tissue extracts as active ingredients.
In summary, this dissertation demonstrates that the suppression of weeds by winter-kill fall-to-spring CCs can be predicted using non-linear models and can be enhanced, along with the suppression of volunteer cereals, through suitable establishment methods, sowing dates, and CC species. The allelopathic potential of CCs, particularly that of their shoot tissues, can be increased through stress induction, and phytocannabinoids can have both stimulating and sup-pressive effects on Z. mays and weeds. These findings enhance the understanding of cover cropping in integrated weed management, particularly highlighting management strategies to improve the weed and volunteer cereal suppressive abilities of CCs.
Abstract (German)
Der Klimawandel, herbizidresistente Unkräuter und das Fehlen neuer herbizider Wirkmecha-nismen erhöhen den Druck auf Landwirte, den Einsatz von Herbiziden zu reduzieren. Um-weltfreundliche und integrierte Unkrautbekämpfungsmethoden, wie der Zwischenfruchtanbau — bei dem Zwischenfrüchte (ZF) verschiedene Ökosystemdienstleistungen, einschließlich der Unterdrückung von Unkräutern und Ausfallkulturen, bereitstellen können — können in Fruchtfolgen implementiert werden, um den Herbizideinsatz zu minimieren. Die Intensität dieser Unterdrückung variiert zwischen den Zwischenfruchtarten. Zudem wird sie durch die Konkurrenzkraft, allelopathische Aktivität und Biomasseproduktion der Zwischenfrüchte so-wie durch die Zwischenfrucht-Etablierungsmethode, den Aussaatzeitpunkt, den Bodentyp und die klimatischen Bedingungen beeinflusst. Die Vorhersage der Unkrautunterdrückung durch Zwischenfrüchte im Feld sowie die Verbesserung ihrer Eigenschaften zur Unterdrü-ckung von Unkraut und Ausfallkulturen sind herausfordernd. Darüber hinaus gibt es uner-forschte Allelochemikalien in ZF, die als herbizide Wirkstoffe in Bioherbizid-Formulierungen dienen könnten.
Diese Dissertation konzentrierte sich dabei auf die folgenden Forschungsziele:
• Identifizierung von Modellen zur Vorhersage der Unterdrückung von Unkräutern durch nicht winterharte Zwischenfruchtarten im Feld;
• Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Etablierungsmethoden auf nicht win-terharte ZF, einschließlich unterschiedlicher Aussaatzeitpunkte, zur Verbesserung ihrer unkraut- und ausfallgetreideunterdrückenden Wirkung im Feld;
• Steigerung des allelopathischen Potenzials von nicht winterharten Zwischenfrüchten im frühen Wachstumsstadium durch die Anwendung künstlicher Stressfaktoren, um ihre Fähigkeit zur Unterdrückung von Unkräutern und Ausfallgetreide zu verbessern;
• Untersuchung von aus Cannabis sativa L. gewonnenen Phytocannabinoiden und wäss-rigen C. sativa Sprossgewebeextrakten hinsichtlich ihrer allelopathischen Effekte auf Zea mays L. und Unkräuter, sowie ihr potenzieller Einsatz als herbizide Wirkstoffe in Bioherbizid-Formulierungen.
Die Ziele der Dissertation wurden in vier Forschungsartikeln behandelt.
Der erste Fachartikel verglich zwei nichtlineare Modelle zur Vorhersage der unkrautunterdrü-ckenden Wirkung von sechs verschiedenen nicht winterharten Zwischenfruchtarten im Feld. Die Modelle berücksichtigten die Sprosstrockenmasse der ZF und Unkräuter (einschließlich Ausfallkulturen) ungefähr 12 Wochen nach der Zwischenfruchtaussaat, basierend auf elf Feldstudien, die zwischen 2010 und 2020 durchgeführt wurden. Zusätzlich wurde das allelo-pathische Potenzial der ZF in den Modellen berücksichtigt, indem die allelopathischen Effekte wässriger Sprossgewebeextrakte aus der Sprossbiomasse von im Feld gewachsenen ZF auf die Samenkeimung von vier unterschiedlichen einjährigen Unkrautarten in Bioassays mit Pet-rischalen im Labor untersucht wurden. Das dreiparametrige Weibull-Modell war genauer in der Vorhersage der Unkrautunterdrückung durch Zwischenfrüchte im Feld als das Cousens-Modell. Zudem zeigte die Studie, dass ZF mit hohem allelopathischem Potenzial, wie Avena strigosa Schreb., Unkräuter so stark (>80%) unterdrückten wie Brassicaceae- oder Polygo-naceae-Arten, jedoch nur ein Drittel der Sprossbiomasse benötigten.
Der zweite Fachartikel verglich drei verschiedene Etablierungsmethoden sowie unterschiedli-che Aussaatzeitpunkte für fünf in Monokultur gesäte unterschiedliche winterharte Zwischen-fruchtarten sowie eine Zwischenfruchtmischung in einer dreijährigen Feldstudie (2020–2022). Das Ziel dieser Studie war es, die Entwicklung, die Biomasseproduktion sowie die Fähigkeit zur Unkraut- und Ausfallunterdrückung der Zwischenfrüchte zu verbessern, indem die am besten geeignete Etablierungsmethode und der Aussaatzeitpunkt für jede Zwischenfruchtart und die Zwischenfruchtmischung ermittelt werden sollten. Die Ergebnisse zeigten, dass 10 Wochen nach der Ernte der Hauptkultur die Etablierungsmethoden der Vorernte-Aussaat in die reifende Getreidekultur 10 Tage vor der Ernte und der Direktsaat nach der Getreideernte ohne Bodenbearbeitung im Durchschnitt zu 30% bzw. 42% höherer Sprosstrockenmasse der Zwischenfrüchte und zu 81% bzw. 78% geringerer Unkrautdichte führten, verglichen mit der Nachernte-Etablierungsmethode mit reduzierter Bodenbearbeitung. Im Gegensatz dazu waren die Ausfallgetreidedichten sowie die Unkraut- und Ausfallgetreidebekämpfungserfolge über die drei Zwischenfrucht-Etablierungsmethoden hinweg konstant. Allerdings variierten die Ergebnisse zwischen den verschiedenen Zwischenfruchtarten und den Versuchsjahren. Die Zwischenfruchtmischung wies hinsichtlich der Produktion von Sprossbiomasse unter variie-renden klimatischen Bedingungen und Etablierungsmethoden eine größere Stabilität auf als Monokulturen. Zudem hatten der Aussaatzeitpunkt und die klimatischen Bedingungen einen signifikanten Einfluss auf den Erfolg der Zwischenfruchtetablierung.
Der dritte Fachartikel untersuchte den Effekt von künstlich induziertem Stress auf pflanzen-physiologische Prozesse und das allelopathische Potenzial von ZF, mit dem Ziel die unterdrü-ckende Wirkung auf Unkräuter und Ausfallgetreide während der frühen Wachstumsphase zu verstärken. Drei verschiedene Stressarten (mechanischer Stress durch Striegeln (1), phytohor-moneller Stress durch die Applikation von Methyljasmonat (2) und Insektenstress durch die Anwendung von Hermetia illucens-Paste in Kombination mit Blattverletzungen (3)) und eine Stresskombination (1+3) wurden in Gewächshausversuchen (2021–2022) an den Zwischen-früchten A. strigosa, C. sativa und Sinapis alba L. im 3- bis 4-Blatt-Stadium angewendet. Alle angewandten Stressarten führten einige Tage nach der Stressanwendung zu keinen oder mi-nimalen Veränderungen in der Sprossbiomasseproduktion und der Photosystem-II-Aktivität der ZF. Die wässrigen Sprossgewebeextrakte aus der Sprossbiomasse von C. sativa, die einem kombinierten Stress ausgesetzt waren und von S. alba, die Insektenstress ausgesetzt waren, wiesen fünf Tage nach der Stressanwendung einen um das 1,7- bzw. 1,9-fache signifikant höheren Gesamtgehalt an Phenolen auf, verglichen mit den Extrakten der Kontrollpflanzen. Zudem wurden im Labor Bioassays mit Petrischalen mit wässrigen Extrakten aus der Spross-biomasse sowohl behandelter als auch unbehandelter ZF durchgeführt, um durch die Stress-behandlungen verursachte Veränderungen im allelopathischen Potenzial ihres Sprossgewebes zu untersuchen. Die Bioassays zeigten, dass wässrige Sprossgewebeextrakte aus der Sprossbi-omasse von phytohormonell, insekten- und kombiniert behandelten C. sativa und S. alba so-wie aus mechanisch behandeltem A. strigosa stärkere keimungshemmende Effekte auf die Samen von zwei unterchiedlichen einjährigen Unkrautarten sowie auf Ausfallgetreidesamen aufwiesen, verglichen mit den Samen der Kontrollpflanzen, die mit den wässrigen Sprossge-webeextrakten aus der Sprossbiomasse der unbehandelten Zwischenfrüchte behandelt wur-den.
Im vierten Fachartikel wurden fünf unterschiedliche Phytocannabinoide aus C. sativa sowie wässrige C. sativa Sprossgewebeextrakte hinsichtlich ihrer allelopathischen Effekte auf die Kulturpflanze Z. mays und vier verschiedene einjährige Unkrautarten in Bioassays mit Pet-rischalen im Labor und in Vorauflaufversuchen im Gewächshaus (2021–2022) untersucht. Die Anwendung von Phytocannabinoiden und wässrigen Sprossgewebeextrakten in der höchsten Konzentration führte zu einer signifikanten Reduktion der Wurzellänge von Z. mays und den vier Unkrautarten um bis zu 91% in den Bioassays, 10 Tage nach der Behandlung, im Ver-gleich zu den unbehandelten Kontrollpflanzen. Die Anwendung von Phytocannabinoiden in hohen Konzentrationen in den Bioassays verringerte hauptsächlich die Keimrate der Unkraut-samen um bis zu 53% im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollpflanzen. Abhängig von der Unkrautart, der Art des Phytocannabinoids und der angewandten Konzentrationen wur-den auch stimulierende Effekte auf die Keimung von Unkrautsamen beobachtet. Im Gegen-satz dazu wurde die Keimung von Z. mays Samen durch die Phytocannabinoide in den Bioas-says nicht beeinflusst. Hohe Konzentrationen der wässrigen Sprossgewebeextrakte unter-drückten hingegen die Keimrate von Z. mays Samen um 34% und die der vier Unkrautarten um 76–96%. In den Vorauflauf-Gewächshausversuchen zeigten sich 21 Tage nach der Aus-bringung von bioherbiziden Formulierungen, die Phytocannabinoide wie Cannabidiol, Can-nabidivarin oder wässrige Sprossgewebe-Extrakte aus Cannabis sativa als Wirkstoffe enthiel-ten, keimungsfördernde Effekte bei Zea mays und vier Unkrautarten.
Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die Unkrautunterdrückung von nicht winter-harten Zwischenfrüchten mit nichtlinearen Modellen vorhergesagt und zusammen mit der Ausfallgetreideunterdrückung durch geeignete Etablierungsmethoden, Aussaatzeitpunkte und Zwischenfruchtarten verbessert werden kann. Das allelopathische Potenzial der ZF, insbeson-dere des Sprossgewebes, kann durch Stressinduktion gesteigert werden und Phytocannabino-ide können einen stimulierenden und unterdrückenden Effekt auf Z. mays und Unkräuter ha-ben. Diese Erkenntnisse erweitern das Verständnis des Zwischenfruchtanbaus im Rahmen des integrierten Unkrautmanagements, indem sie insbesondere Managementstrategien zur Verbes-serung der Unkraut- und Ausfallgetreideunterdrückung durch ZF hervorheben.
File is subject to an embargo until
This is a correction to:
A correction to this entry is available:
This is a new version of:
Other version
Notes
Publication license
Publication series
Published in
Other version
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Phytomedicine
Examination date
2025-05-08
Supervisor
Cite this publication
Merkle, M. (2025). Advancing Cover Cropping in Integrated Weed Management through Novel Modelling Approaches, Management Strategies, and Allelopathic Investigations. https://doi.org/10.60848/12818
Edition / version
Citation
DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
University bibliography
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Merkle2025,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/17887},
author = {Merkle, Michael},
year = {2025},
}