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Doctoral Thesis
2017

Integrated weed control in sugar beet (Beta vulgaris), using precision farming technologies and cover cropping

Kunz, Christoph
  Diss_Christoph_Kunz.pdf  (1.07 MB)

Abstract (English)

Weed control is one of the major challenges in sugar beet (Beta vulgaris) production worldwide. Due to the high flexibility and low costs, herbicide applications are the common agricultural practice for successful weed control. Yet, due to European and national restrictions, farmers are forced to substitute their herbicide input in order to reduce the chemical influence on the environment. Beside chemical weed control systems, integrated weed management (IWM), can be an alternative, to reduce the chemical preponderance. The five essential parts in composing a successful IWM system are: i) cover crops (CC) and ii) resulting mulch residues which can decrease the weed infestation prior to the actual crop establishment, iii) living mulches which can suppress weeds during the crop growth period and iv) precision mechanical weed control which can provide herbicide reductions. Last but not least v) herbicide applications should be optimized with sensor technologies to identify and reduce stress on crops. In the current study, all the named aspects of IWM were examined in sugar beets. In order to accomplish that, the following research objectives were investigated and answered in the course of the papers composing this thesis: • Evaluation of the suitability of CC and CC mixtures for weed suppression prior to sugar beet sowing • Assessment of differences in sugar beet emergence, weed control and biomass under different CC mulches • Application of living mulches and measurement of their weed control efficacy during the sugar beet growth period • Evaluation of mechanical weed control along with chemical band spraying compared to an overall herbicide application • Determination of the weed control efficacy of mechanical weeding by using visual sensors and GNSS-RTK • Investigation of the feasibility of intra-row mechanical weed control, its prerequisites and limitations • Detection of responses to herbicides by using chlorophyll fluorescence imaging technology 1st paper: Field and laboratory experiments were conducted to investigate the competitive and biochemical weed suppressive ability of CC. Applied aqueous CC extracts in germination tests inhibited weed growth and potential allelochemicals were identified. In the field all CC either in mixture- or mono-cultivation were able to suppress weeds compared to an untreated control by 66%. In the 2nd and 3rd paper sugar beet plant emergence was investigated in greenhouse and field experiments, in order to evaluate the influence of various CC mulches on weed suppression. Different CC mulches reduced weed germination successfully. During one dry growing season sugar beet emergence was enhanced by increased soil moisture due to the existence of a CC mulch layer compared to uncovered soil. Our findings suggest that CC mulch layers can substantially effect crop and weed development within the field. To assess the weed suppressive ability of living mulches in sugar beets, field studies were carried out at four sites in southern Germany, presented in the 4th paper. Results show that living mulches can reduce the total amount of different weed species in the inter-row area up to 71%. The white sugar yield was increased in average by 42% with the existence of living mulch as compared to the untreated control. In the 5th, 6th and 7th paper sensor technologies were used for mechanical weed control combined with chemical band application to reduce the herbicide input, with similar weed control results to the overall chemical application. Sensor based, mechanical precision steering technologies, reduced weeds more effectively than when compared to manual operator guidance. This is due to accurate fast driving speeds close to the crop area. Intra row elements (finger weeder, rotary harrow, torsion weeder, heap element) for mechanical weed control showed effective weed suppression. Nevertheless, suitable soil and weather conditions for mechanical weed control were not always given, which can result in an efficacy loss. Finally, in the 8th paper, a portable sensor, based on chlorophyll fluorescence imaging, was used in greenhouse experiments to investigate the response of plants after herbicide application. Various active ingredients have shown different damage concerning the photosystem II. The use of this sensor can quantify phytotoxic effects due to herbicides and can help to find the most suitable herbicide application date, active ingredients or herbicide mixture. The overall result of this dissertation reveals the great potential of CC, living mulches, precision mechanical methods and sensor technologies as part of an IWM system in sugar beet production.

Abstract (German)

Eine effektive Unkrautkontrolle in der Zuckerrübenproduktion (Beta vulgaris) bedeutet für den Landwirt eine große Herausforderung. Integrierte Pflanzenschutz-Maßnahmen (IPM) können neben der rein chemischen Unkrautkontrolle eine sinnvolle Alternative darstellen. Zu einem erfolgreichen IPM-System gehören alternative Verfahren wie i) Zwischenfruchtanbau (ZF) und ii) der daraus resultierende Mulch, welcher den Unkrautdruck reduzieren kann, bevor die Kultur etabliert wird. Des Weiteren können iii) Untersaaten die Unkräuter während der Wachstumsperiode der Kultur unterdrücken. Der Einsatz von iv) präziser, mechanischer Unkrautkontrolle kann zu einer Reduktion von Herbiziden führen. Abschließend kann v) durch den Einsatz von Sensor-Technologie die Herbizid-Applikation optimiert werden, um einen Stress an der Kultur zu reduzieren. In der vorliegenden Studie wurden die aufgelisteten Aspekte des IPM in Zuckerrüben geprüft. Folgende Zielsetzungen wurden im Rahmen verschiedener Veröffentlichungen dieser Arbeit untersucht und beantwortet: • Evaluation von Zwischenfrüchten und Zwischenfruchtmischungen zur Unkrautunterdrückung vor der Zuckerrübenaussaat • Bewertung von Zwischenfruchtmulch auf das Auflaufen und die Biomasse der Zuckerrüben sowie die Verunkrautung vor der ersten Herbizidapplikation • Anwendung von Untersaaten in Zuckerrüben zur Unkrautunterdrückung • Eignung von mechanischer und chemischer Unkrautkontrolle im Vergleich zur rein chemischen Applikation • Bewertung von kameragesteuerter Hacke und GNSS-RTK in Bezug auf die Unkrautunterdrückung in Zuckerrüben • Prüfung von mechanischen Hackelementen auf ihre Anforderungen und die limitierte Wirkung in der Zuckerrübenreihe • Erkennung von Herbizidstress an Zuckerrüben mit Hilfe bildgebender Chlorophyllfluoreszenz-Messung Es wurden Feld- und Laborversuche durchgeführt, um die kompetitive und biochemische Unkrautunterdrückung von ZF zu quantifizieren. Die applizierten ZF-Extrakte hemmten in Keimfähigkeitstests das Unkrautwachstum. Weiter wurden potentielle allelopathische Substanzen chemisch-analytisch identifiziert. In den Feldversuchen konnten alle Zwischenfrüchte sowohl in Misch- als auch in Reinkultur das Unkrautpotential um bis zu 66% im Vergleich zu einer unbehandelten Kontrolle reduzieren. In der 2. und 3. Veröffentlichung wurde der Einfluss von verschiedenen ZF-Mulchen in Bezug auf die Unkrautunterdrückung und die Entwicklung von Zuckerrübenpflanzen im Gewächshaus sowie in Feldversuchen bewertet. Die verschiedenen ZF-Rückstände konnten die Unkrautkeimung erfolgreich reduzieren. Während eines trockenen Anbaujahres konnte durch die ZF-Mulchschicht ein schnellerer Zuckerrübenfeldaufgang im Vergleich zu fehlender Bodenbedeckung ermittelt werden. Die vorliegenden Ergebnisse stellen die Bedeutung von ZF-Mulch in Bezug auf die Unkrautbekämpfung und Kulturentwicklung im Feld dar. Die Unkrautunterdrückung mit Untersaaten zwischen den Zuckerrübenreihen wurde an vier Standorten in Südwestdeutschland in der 4. Veröffentlichung getestet. Diese Ergebnisse zeigen, dass Untersaaten die Gesamtverunkrautung zwischen den Reihen um bis zu 71% reduzieren konnten. Der bereinigte Zuckerertrag konnte im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle durchschnittlich um 42% erhöht werden. In der 5., 6. und 7. Veröffentlichung wurde die Kombination von mechanischer Unkrautkontrolle ergänzend mit einer chemischen Bandapplikation zur Herbizid-Reduktion untersucht und ergab einen ähnlichen Unkrautbekämpfungserfolg wie eine ganzflächige, chemische Applikation. Ebenso wies die sensorgesteuerte Reihenhacke ein geringeres Unkrautaufkommen als die manuelle Traktorsteuerung auf. Dies wurde der exakteren Spurführung aufgrund der Sensorsteuerung zugeschrieben. Mechanische Hackelemente in der Reihe (Fingerhacke, Rollstriegel, Torsionsstriegel und Häufelschar) zeigten ebenso eine effektive Unkrautbekämpfung. Allerdings waren für mechanische Unkrautbekämpfungsmaßnahmen nicht immer optimale Witterungsbedingungen gegeben, was zu Wirkungsverlusten führte. In der 8. Veröffentlichung wurde ein portabler Sensor, basierend auf bildgebender Chlorophyllfluoreszenz-Messung, eingesetzt, um unterschiedliche Herbizid-Verträglichkeiten der Zuckerrüben zu messen. Verschiedene aktive Wirkstoffe zeigten unterschiedliche Stressreaktionen im Photosystem II. Mit Hilfe dieses Sensors können zukünftig phytotoxische Effekte nach einer Herbizidapplikation quantifiziert und bewertet werden. Somit können sowohl der bestmögliche Applikationszeitpunkt als auch der optimale Wirkstoff bzw. die ideale Wirkstoffmischung ausgewählt werden. Zusammenfassend weist diese Dissertation ein großes Potential von ZF, Untersaaten, präziserer mechanischer Unkrautkontrolle und Sensoren als Bestandteil von IPM in der Zuckerrübenproduktion nach.

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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Phytomedicine

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2017-05-08

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https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6160

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English

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Classification (DDC)
630 Agriculture

Collections

Institut für Phytomedizin

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Weed control Sugar beet Cover crop Mulch Stress detection

Standardized keywords (GND)

Unkraut Zuckerrübe Mulch Zwischenfrucht

BibTeX

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