Investigation of alternative weed management systems for cultivated oilseed rape including options to reduce the occurrence of oilseed rape as a volunteer weed

Raps ist nach Soja weltweit die zweitbedeutendste Ölpflanze. Infolge des European Green Deal der Europäischen Union und der damit verbundenen zukünftig stärkeren Förderung er-neuerbarer Energien ist davon auszugehen, dass die Bedeutung des Anbaus von Raps weiter zunimmt. Aufgrund des auf konventionellen landwirtschaftlichen Betrieben in Deutschland lastenden Preisdrucks wurden Anbausysteme unter ökonomischen Gesichtspunkten, mitunter zu Las-ten der Nachhaltigkeit, umgestellt. Infolgedessen bestehen Fruchtfolgen oftmals aus weni-gen, monetär gewinnbringenden Kulturen, der Anteil von Sommerungen in der Fruchtfolge wurde stark reduziert. Der Rapsanbau ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten attraktiv, sein Anteil in der Fruchtfolge wurde erhöht. Die Intensität der Bodenbearbeitung wurde ver-ringert, mechanische Unkrautbekämpfung findet kaum statt. Der Unkrautbekämpfungser-folg ist stark abhängig von der Wirksamkeit zahlenmäßig begrenzter herbizider Wirkstoffe. Durch die einseitigen Fruchtfolgen und die niedrigere Bodenbearbeitungsintensität werden bestimmte Unkrautarten stärker gefördert, gleichzeitig werden diese mit wenigen herbizi-den Wirkstoffen kontrolliert. Es entwickeln sich angepasste, schwer kontrollierbare und zum Teil herbizidresistente Unkrautpopulationen. Aus diesem Grund liegt der Zweck dieser Dis-sertation in der Evaluierung alternativer Unkrautmanagementsysteme in Kulturraps, wobei zudem Möglichkeiten zur prophylaktischen Verhinderung des Auftretens von Durchwuchs-raps als Unkraut in der Fruchtfolge untersucht werden sollten. Ziele dieser Dissertation waren: (i) Das Potential des Hackens als mechanisches Unkraut-kontrollverfahren und die (ii) Anwendung des Clearfield®-Systems in Raps im Vergleich zu gewöhnlichen, praxisüblichen Herbizidstrategien zu evaluieren. (iii) Die Fokussierung der Durchwuchsrapsproblematik. Aus Clearfield®-Raps resultierender Durchwuchsraps lässt sich in den Folgekulturen aufgrund vererbter Herbizidtoleranzen schlechter chemisch kontrollie-ren. Es wurde untersucht, inwieweit verschiedene Samenbehandlungen bei Raps die Ent-wicklung sekundärer Dormanz und damit sowohl Überdauerungsfähigkeit der Samen als auch die Durchwuchsrapsproblematik reduzieren. Der Zielsetzung folgend wurden verschie-dene Feld- und Laborversuche durchgeführt, deren Ergebnisse in drei wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht worden. Publikation I: In einem zweijährigen Feldversuch wurde die Leistungsfähigkeit des Clear-field®-Systems im Raps unter verschiedenen Bewirtschaftungsintensitäten im Vergleich zu einem praxisüblicheren Vorauflaufherbizidsystem evaluiert. Das Clearfield®-System ist ein alternatives Unkrautmanagementsystem für Kulturraps. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus einem breitwirksamen Nachauflauf-Herbizid und einer Clearfield®-Rapssorte, die eine Toleranz gegenüber dem Herbizid aufweist. Die Toleranz gegenüber dem Clearfield®-Herbizid wurde durch konventionelle, gentechnikfreie Züchtungsverfahren in Clearfield®-Rapssorten implementiert. Auf Nicht-Clearfield®-Rapssorten besitzen Clear-field®-Herbizide eine letale Wirkung. Publikation II: In Labor- und Feldversuchen wurde die Wirkung von keimungsfördernden Sub-stanzen (Nährstoffe und Gibberellinsäure) auf die Dormanzentwicklung von Rapssamen und auf deren Überdauerungsfähigkeit untersucht. Publikation III: In einem dreijährigen Feldversuch wurde Hacken als Unkrautkontrollverfah-ren mit einer praxisüblichen Herbizidstrategie verglichen. Die in der Einleitung aufgestellten Hypothesen wurden durch die in den Versuchen erlangten Erkenntnisse sowohl bestätigt als auch widerlegt. In Publikation I aufgestellte Hypothesen: (i) Das Clearfield®-Herbizid und die Herbizide einer praxisüblichen Vorauflaufstrategie zei-gen eine ähnliche Effizienz; (ii) die Bewirtschaftungsintensität hat einen Effekt auf die Un-krautdichte, beeinflusst aber nicht den Ertrag; (iii) die Herbizidstrategie hat keinen Einfluss auf den Ertrag. Bei höheren Bewirtschaftungsintensitäten erreichten beide Herbizid-Systeme eine ver-gleichbare Effizienz. Bei niedrigeren Bewirtschaftungsintensitäten, insbesondere die Saatdichte und die Bodenbearbeitung betreffend, ließen sich Unkräuter mit dem reinen Clearfield®-System weniger effizient kontrollieren und der Ertrag viel teilweise geringer aus. In höheren Bewirtschaftungsintensitäten war im Vergleich zu niedrigeren ein höhe-rer Ertrag und ein geringeres Unkrautaufkommen feststellbar; vermutlich durch eine bes-sere Unkrautbekämpfung durch die wendende Bodenbearbeitung und durch günstigere Auflaufbedingungen in der Pflugsaat. In Publikation II aufgestellte Hypothesen: (i) Alle getesteten Substanzen reduzieren die Induktion von sekundärer Dormanz; (ii) die getesteten Substanzen reduzieren die Induktion sekundärer Dormanz unterschiedlich stark; (iii) die getesteten Substanzen haben einen Effekt auf die Induktion sekundärer Dormanz unabhängig davon, ob die getesteten Rapssamen von Sorten mit einer hohen oder niedrigen Neigung zur sekundären Dormanzentwicklung stammen; (iv) wenn eine Sorte zur Ausbil-dung von einer hohen sekundären Dormanz neigt, wird deren Induktion stärker durch die getesteten Substanzen reduziert, als bei Samen von einer Sorte mit einer niedrigen Neigung zur Ausbildung sekundärer Dormanz. Die meisten getesteten Substanzen reduzierten sowohl die Induktion sekundärer Dor-manz als auch die Überdauerungsfähigkeit von Rapssamen. Die Effizienz der Reduktion war von der Art der Substanz und der Rapssorte abhängig. Am wirkungsvollsten erwiesen sich gibberellinsäurehaltige Substanzen gefolgt von Mikronährstoffbeizen und Kalium-nitrat. In Publikation III aufgestellte Hypothesen: (i) Durch Hacken wird die gleiche Effizienz in der Unkrautkontrolle erreicht wie durch Herbi-zide; (ii) unabhängig davon, ob Herbizide oder Hacken als Unkrautkontrolle eingesetzt wer-den, lässt sich der gleiche Rapsertrag realisieren. Die Unkrautbiomasse war im Vergleich zum Herbizideinsatz höher, wenn Hacken als Un-krautbekämpfungsmaßnahme zum Einsatz kam. Ursächlich dafür ist wahrscheinlich die witterungsabhängige Effizienz des Hackens und dessen nur teilflächige Anwendbarkeit. Unkräuter die in oder nahe an der Saatreihe auflaufen, können nicht erfasst werden. Dennoch ließen sich zwischen dem Hacken als Unkrautbekämpfungsmaßnahme und der reinen chemischen Unkrautbekämpfung keine Ertragsunterschiede feststellen, die Kon-kurrenzstärke der verwendetet Sorten war vermutlich groß genug für die Gewährleistung dieser Ertragsstabilität. Sowohl durch Hacken, als auch durch die Anwendung des Clearfield®-Systems unter höheren Bewirtschaftungsintensitäten ließen sich im Vergleich zu praxisüblichen Herbizidstrategien ähnlich hohe Rapserträge erzielen, auch wenn die Effizienz der Unkrautbekämpfung niedri-ger war. Solange auf einem konventionellen landwirtschaftlichen Betrieb keine schwerbe-kämpfbaren Unkräuter auftreten und eine herkömmliche Herbizidstrategie vorhandene Un-kräuter effektiv kontrolliert, ist eine Veränderung des Unkrautmanagementsystems weniger vorteilhaft; denn das Clearfield®-System erhöht den Selektionsdruck auf Unkräuter, das Auf-treten von Unkraut-Herbizidresistenzen wird wahrscheinlicher. Zudem lässt sich Clearfield®-Durchwuchsraps in den Folgekulturen chemisch schwieriger kontrollieren. Die Effizienz des Hackens ist wetterabhängig, Unkräuter werden nur zwischen den Reihen erfasst und die Flächenleistung ist niedriger. Wenn allerdings schwerbekämpfbare Unkräuter die Effizienz bestehender, herkömmlicher chemischer Bekämpfungsstrategien zunehmend minimieren, können sowohl Hacken als auch die Anwendung des Clearfield®-Systems in Kombination mit einer gewöhnlichen Her-bizidstrategie die Möglichkeiten der Unkrautkontrolle erweitern und deren Effizienz stei-gern. Bei der Anwendung des Clearfield®-Systems sollten Strategien ergriffen werden, die das Auftreten von Clearfield®-Durchwuchsraps in den Folgefrüchten minimieren. Es konnte gezeigt werden, dass keimungsfördernde Substanzen, insbesondere Gibberellinsäure, die Induktion sekundärer Dormanz verhindern, ebenso wie die Überdauerungsfähigkeit von Rapssamen und damit das theoretische Potential besitzen zu einer Verminderung der Durchwuchsrapsproblematik beizutragen. Insgesamt betrachtet können sowohl das Hacken als auch die Anwendung des Clearfield®-Systems als alternative Unkrautmanagementsysteme etablierte Methoden der Unkrautbe-kämpfung in Kulturraps im Bedarfsfall sinnvoll erweitern. Daneben hat der Einsatz kei-mungsfördernder Substanzen bei Rapssamen das theoretische Potential gezeigt, zu einer Verringerung von Durchwuchsraps als Unkraut in der Fruchtfolge beizutragen.Oilseed rape is the worlds second most important oil crop after soybeans. In the course of the European Green Deal of the European Union and the associated stronger promotion of renewable energies in the future, it can be assumed that the importance of oilseed rape cultivation will continue to increase. Due to the price pressure on conventional farms in Germany, cultivation systems have been changed from an economic point of view, partly to the detriment of sustainability. As a re-sult, crop rotations often consist of a few monetarily profitable crops and the proportion of spring crops in the crop rotation is reduced. Oilseed rape cultivation is attractive from an economic point of view, and its share in the crop rotation has been increased. The intensity of tillage and mechanical weed control has been reduced. The weed control success is strongly dependent on the effectiveness of numerically limited herbicidal active agents. Due to monotonous crop rotations and the lower tillage intensity, certain weed species are pro-moted more strongly, while at the same time these are controlled with only a few herbicid-al active agents. Adapted, difficult-to-control, and in some cases herbicide-resistant weed populations develop. For this reason, the purpose of this thesis is to evaluate alternative weed management systems in oilseed rape, while also investigating options for prophylac-tic prevention of the emergence of volunteer oilseed rape as a weed in crop rotation. The objectives of this thesis were: (i) To evaluate the feasibility of hoeing as a mechanical weed control method and the application of the Clearfield® system in oilseed rape as a comparison to common, field herbicide strategies. (ii) To focus on the volunteer oilseed rape issue. Volunteers resulting from Clearfield® oilseed rape are more difficult to control chemically in subsequent crops due to inherited herbicide tolerance. The potential of differ-ent seed treatments in oilseed rape to reduce the development of secondary dormancy, and therefore seed persistence in the soil and the volunteer oilseed rape issue, was investigat-ed. Following these objectives, several field and laboratory experiments were conducted to generate data for three published scientific papers. Paper I: A two-year field trial was conducted to evaluate the performance of the Clearfield® system in oilseed rape under different management intensities compared to a more com-monly used pre-emergence herbicide system. The Clearfield® system is an alternative weed management system for oilseed rape. It is a combination of a broad-spectrum post-emergence herbicide and a Clearfield® oilseed rape variety that has tolerance to the herbi-cide. This tolerance was implemented in Clearfield® oilseed rape varieties through conven-tional, non-GM breeding techniques. Clearfield® herbicides have lethal effects on non-Clearfield® oilseed rape varieties. Paper II: An investigation was made through laboratory and field trials on the effect of ger-mination-promoting substances (nutrients and gibberellic acid) on the development of sec-ondary dormancy of oilseed rape seeds and on their persistence in the soil. Paper III: In a three-year field trial, hoeing as a weed control method was compared with a commonly used herbicide strategy. The hypotheses made in the introduction were both confirmed and refuted by the findings obtained in the trials. Hypotheses stated in paper I: (i) The Clearfield® herbicide and herbicides of a common practice pre-emergence strategy show similar efficiencies; (ii) Management intensity has an effect on weed density but does not affect yield; (iii) Herbicide strategy does not affect yield. At higher management intensities, both herbicide systems achieved comparable efficien-cies. At lower management intensities, especially in terms of seeding density and tillage, weeds were less efficiently controlled with the Clearfield®-system, and yields were par-tially lower. At higher management intensities, higher yields and lower weed emergence were observed compared to lower intensities, presumably due to better weed control by plowing and more favorable emergence conditions due to a higher tillage intensity. Hypotheses stated in paper II: (i) All tested substances reduce the induction of secondary dormancy; (ii) the tested sub-stances reduce the induction of secondary dormancy to different extents; (iii) the tested substances have an effect on the induction of secondary dormancy, regardless of whether the tested oilseed rape seeds originate from varieties with a high or low tendency, to devel-op secondary dormancy; (iv) if a variety tends to develop high secondary dormancy, its in-duction is reduced to a greater extent by the tested substances than in seeds from a variety with a low tendency to develop secondary dormancy. Most of the tested substances reduced both the induction of secondary dormancy and the survivability of oilseed rape seeds. The efficiency of the reduction depended on the type of substance and the oilseed rape variety. Substances containing gibberellic acid proved most effective, followed by micronutrient treatments and potassium nitrate. Hypotheses stated in paper III: (i) Hoeing achieves the same weed control efficiency as herbicides; (ii) regardless of whether herbicides or hoeing are used as weed control, the same oilseed rape yield can be realized. Weed biomass was higher compared to herbicide application when hoeing was used as a weed control measure. This is probably due to the weather-dependent efficiency of hoe-ing and its only partial surface applicability. Weeds emerging in or close to the seed row cannot be controlled. Nevertheless, no yield differences were found between hoeing as a weed control measure and pure chemical weed control. The competitive strength of the varieties used was most likely large enough to ensure this yield stability. Both hoeing and applying the Clearfield® system under higher management intensities re-sulted in similarly high oilseed rape yields compared to conventional herbicide strategies, although weed control efficiency was lower. As long as no hard-to-control weeds occur on a conventional farm and a common herbicide strategy effectively controls existing weeds, changing the weed management system is less beneficial. Because the Clearfield® system increases selection pressure on weeds, the occurrence of weed herbicide resistance be-comes more likely. In addition, Clearfield® volunteer canola is more difficult to control chemically in subsequent crops. Hoeing efficiency is weather dependent, weeds are only captured between rows, and area performance is lower. However, when difficult-to-control weeds increasingly minimize the efficiency of existing, conventional chemical control strategies, both hoeing and the use of the Clearfield® system in combination with a common herbicide strategy can expand weed control options and in-crease their efficiencies. When applying the Clearfield® system, strategies should be em-ployed to minimize the occurrence of Clearfield® volunteer oilseed rape in subsequent crops. It has been shown in this thesis that germination-promoting compounds, particularly gib-berellic acid, prevent the induction of secondary dormancy, as well as the ability of oilseed rape seeds to persist, and therefore, have the theoretical potential to contribute to a reduc-tion in the volunteer oilseed rape occurrence problem. Overall, both hoeing and the application of the Clearfield® system as alternative weed man-agement systems can usefully complement established methods of weed control in oilseed rape, where necessary. In addition, the use of germination-promoting compounds in oilseed rape seeds has demonstrated the theoretical potential to contribute to a reduction of volun-teer oilseed rape as a weed in crop rotations