Weeds in conservation agriculture. Biology, emergence dynamics and modelling to improve their control

The increasing attention of public opinion towards the environmental impact of production activities has made it imperative to reduce the aggressiveness of productive systems on the environment. Also the agricultural sector, considered one of the principal strengths of transformation of the territory, is asked to predispose eco-compatible programmes of production. The institutions and national and international organisms encourage the adoption of techniques of conservative agriculture as a tool for guaranteeing, on the one hand the necessary crop production to face the demand for food of the growing population and, on the other the safeguarding and improvement of the quality of natural resources. Conservative agriculture is born with the intent to reduce or eliminate the intense tillage of cultivated lands that has caused impoverishment, degradation and loss of soil in favour of a more eco-friendly management of different agroecosystem components. Nevertheless weed management, the complexity of which is a deterrent for the adoption of this type of agronomic system, represents one of the main problems. Weeds are the main cause of economic losses in agriculture worldwide, both as crop yield reduction and control costs. In a conventional farming system weeds are controlled by herbicides and mechanical operations that together are able to maintain the infestation level beneath the threshold of economic damage. In a conservative system, to obtain the same level of crop defence, it is necessary to increase the chemical control with the consequent increased costs for farmers, health risks and environmental impacts. In this scenario, Integrated Weed Management plays a key role in order to achieve environmental, social and economic sustainability of crop production. Particularly, weed emergence and weed-crop competition models can provide useful indications about timing, type and cost-effectiveness of control measures. This research has the goal of providing wider and deeper knowledge of what is involved for the weed science sector in the implementation of conservation agriculture protocols. The main objective, common to all the studies presented in this thesis, is the calibration of a prediction model to optimize the timing for the weed control in a no-tillage soil. The model under study is AlertInf, a model created for tilled soils that is based on the concept of hydrothermal time. According to this approach the emergence dynamics is determined by two main factors: temperature and water potential of the soil. Seeds in the soil accumulate hydrothermal time for their germination according to temperature threshold values and a water potential typical for each species. Chapter 1 describes the experiments for the estimation of temperature thresholds for four no-tillage soil weed species: Taraxacum officinale, Sonchus oleraceus, Senecio vulgaris, Conyza spp, comparing different methods for the estimation of this parameter. Chapter 2 highlights the importance of soil microclimate information acquisition (such as temperature and water potential) in the seed germination area. A field experiment was designed to assess the extent of changes in temperature and soil moisture resulting from no-tillage. In particular, a system of sensors, which allows the measurement of temperature and water potential in the upper soil layers, was tested as the soil surface is involved in the germination processes and weed growth in a conservative system. For modelling purposes, the emergence dynamics of the some weed species were studied and whether and how the dynamics of these species change in a different agronomic management was verified. A study was therefore conducted in a controlled environment to test the effect of the seed burial depth and tillage on the amount of emerging plants and the emergence dynamics (Chapter 3). Seasonal weed surveys were done on three experimental farms in Veneto region from 2011 to 2013 in conventional and conservative management fields to verify the species present in the two different systems and the emergence dynamics (Chapter 4). The last chapter (Chapter 5) shows the transferability of AlertInf model from maize to soybean in conventional management. A result that advances the hypothesis of the transferability also in a conservative environment. With this thesis the bases have been established for the construction of a predictive model of weed emergences in conservation agriculture, but model construction necessitates in-depth knowledge of all the factors involved in the phenomenon determination and accurate inputs, therefore it has been underlined that many problems still have to be solved and further researches are neededLa crescente attenzione da parte dell’opinione pubblica verso l’impatto che le attività produttive hanno sull’ambiente, ha reso improrogabile l’incentivazione a ridurre l’aggressività dei sistemi produttivi sull’ambiente. Anche il settore agrario, considerato una delle principali forze di trasformazione del territorio, è chiamato a predisporre programmi di produzione eco-compatibili. Le istituzioni e gli organismi nazionali e internazionali incoraggiano l’adozione di tecniche di agricoltura conservativa quale strumento per garantire la produzione agraria necessaria per far fronte alla domanda di cibo della popolazione in crescita e la difesa e il miglioramento della qualità delle risorse naturali. L’agricoltura conservativa nasce con l’intento di ridurre o eliminare le intense lavorazioni del suolo che hanno causato impoverimento, degradazione e perdita di terreno agrario a favore di una gestione più sinergica delle componenti dell’agroecosistema. Tuttavia uno dei problemi principali legati a questo tipo di sistema agronomico è rappresentato dalla gestione delle infestanti, la cui complessità è tale da costituire da costituire spesso un deterrente per gli agricoltori. La presenza delle piante infestanti è imputata essere la principale causa di danno economico per l’agricoltura a livello mondiale, sia in termini di calo di resa delle colture sia come costi sostenuti per il loro controllo. In un sistema agrario convenzionale il controllo delle malerbe è effettuato per mezzo di erbicidi e lavorazioni meccaniche del terreno che in modo sinergico riescono a mantenere il livello delle piante infestanti sotto la soglia di danno economico. In un sistema conservativo, per mantenere lo stesso livello di difesa delle colture è necessario aumentare il controllo chimico con conseguente aumento dei costi per l’azienda, rischi per la salute e danni ambientali. In questo scenario la gestione integrata delle malerbe gioca un ruolo cruciale per il raggiungimento di una maggiore sostenibilità ambientale, sociale ed economica delle produzioni agricole. In particolare, il ricorso a strumenti informatici quali i modelli previsionali della dinamica di emergenza delle malerbe in campo possono fornire utili indicazioni sui tempi, sui modi e sulla convenienza economica di un eventuale intervento di controllo. La presente ricerca nasce con lo scopo di fornire un quadro di conoscenze più ampio e approfondito su ciò che comporta l’applicazione di protocolli di agricoltura conservativa per il settore malerbologico. L’obiettivo principale che guida tutti gli studi svolti in questo lavoro di tesi è la calibrazione di un modello di previsione delle emergenze per ottimizzare il momento di intervento per il controllo delle infestanti in terreno non lavorato. Il modello oggetto di studio è AlertInf, un modello creato per i terreni lavorati che si basa sul concetto di Tempo Idrotermico. Secondo tale approccio la dinamica di emergenza è guidata da due principali fattori, che sono temperatura e potenziale idrico del suolo. I semi nel suolo accumulano tempo idrotermico per la germinazione secondo dei valori soglia di temperatura e potenziale idrico caratteristici per ogni specie. Il primo capitolo della tesi (Capitolo I) descrive gli esperimenti per la stima di queste soglie per le tipiche specie da sodo, Taraxacum officinale, Sonchus oleraceus, Senecio vulgaris, Conyza canadensis e Conyza sumatrensis, mettendo anche a confronto diversi metodi per la stima di tale parametro. Il secondo capitolo (Capitolo II) sottolinea l’importanza dell’acquisizione delle informazioni microclimatiche del suolo (temperatura e potenziale idrico) nella zona di germinazione dei semi. A tale fine, un esperimento di campo è stato predisposto per valutare l’entità dei cambiamenti di temperatura e umidità del suolo derivanti dalla non lavorazione del terreno. In particolare si è testato un sistema di sensori che permettesse la misurazione di temperatura e potenziale idrico negli strati più superficiali di suolo, essendo la superficie il luogo interessato dai processi di germinazione e crescita delle piante infestanti in un sistema conservativo. Ai fini della modellizzazione si è ritenuto fondamentale studiare la dinamica di emergenza di queste specie e allo stesso tempo, verificare se e come varia la dinamica di specie tipiche dell’ambiente arativo a seguito di un cambio di gestione agronomica. Uno studio è stato quindi condotto in ambiente controllato per testare l’effetto della profondità d’interramento dei semi e della lavorazione sulla quantità di piante emerse e sulla dinamica di emergenza (Capitolo III). Rilievi malerbologici stagionali sono stai eseguiti in tre aziende sperimentali del Veneto dal 2011 al 2013 in appezzamenti coltivati in modo convenzionale e conservativo per verificare le specie presenti nei due sistemi di gestione e le dinamiche di emergenza in campo (Capitolo IV) L’ultimo capitolo (Capitolo V) mostra la trasferibilità del modello AlertInf da mais a soia in gestione convenzionale. Un risultato che fa avanzare l’ipotesi di trasferibilità da un sistema agronomico convenzionale a conservativo. Con questo lavoro di tesi sono state poste le basi per la realizzazione di un modello di previsione delle emergenze delle infestanti in agricoltura conservativa, ma la realizzazione di un modello richiede approfondita conoscenza dei fattori coinvolti nella determinazione del fenomeno e accuratezza degli input, ed è stato evidenziato che molti sono ancora i problemi da risolvere e che ulteriore ricerca è necessari