Ανάπτυξη ταχείας μεθόδου (quick-test) για την in situ αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας ζιζανιοκτόνων και την διαχείριση φαινομένων ανθεκτικότητας κατά την ίδια καλλιεργητική περίοδο: -: -

Abstract

Herbicides constitute the main method for controlling weeds in arable crops. However, the extended herbicide use leads to the evolution of resistant biotypes. Herbicide resistance and misuse of herbicides lead to environmental and economic consequences. The proper and targeted herbicide application is a major issue and solutions should be proposed. Consequently, the main objective of the current Ph.D. Thesis was the development of a rapid method for the in situ herbicide evaluation and the detection of resistant biotypes during the same cropping season. Field trials were conducted in several regions in Greece in two major arable crops, durum wheat (Triticum durum Desf.) and maize (Zea mays L.). For both crops, the methodology was similar, with differences between the herbicides used. Regarding wheat, the applied herbicides, according to the label, were as follows: 2,4-D ester, pyroxsulam+florasulam, clopyralid+florasulam,mesosulfuron-methyl+iodosulfuron methyl-sodium & fenoxaprop-P-ethyl. The applied herbicide mixtures for the maize crop were as follows: nicosulfuron+rimsulfuron+mesotrione, nicosulfuron+rimsulfuron+dicamba,nicosulfuron+rimsulfuron,florasulam+mesotrione,mesotrione+nicosulfuron and 2,4-D ester. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) was measured for the rapid herbicide efficacy evaluation. Linear regressions were conducted for the verification of the method. NDVI values were correlated to other parameters that are widely used for herbicide evaluation. In parallel, pot assays were conducted for the verification of the rapid method and a first detection of several herbicide-resistant biotypes. Furthermore, trials were conducted for the comparison, the estimation of the accuracy, and the precision of the rapid method. Dose-response experiments were conducted both under field conditions and in pots. Sisymbrium orientale L. biotypes were used, one resistant R and one susceptible S to the active ingredient chlorsulfuron. The applied rates ranged from X/4 to 4X (X represents the maximum recommended rate). For the field experiment, the early herbicide resistance detection was performed by using the NDVI values. Linear regressions were conducted, and the relation coefficient was calculated for the methods’ comparison. The accuracy and precision of the rapid method were estimated through several equations aligned with previous studies. The field trials on wheat crops revealed the potential of our method to reliably evaluate the herbicide performance at 14 days after treatment. The NDVI values were aligned to the weed biomass values. This result was confirmed by the strong relation between the variables. The only exception was the Orestiada field trial, whereas the relation between the NDVI values and the total weed biomass was weak (R2= 5.43%). Moreover, the NDVI values were high compared to the untreated control. As a result, the herbicide performance could not be evaluated by means of the NDVI values. This could be attributed to the dominance of the species Lolium rigidum L. (as shown by its high density and the Simpson Index) and its similar morphology with wheat. The method’s utility was revealed in the best way in the maize crop. The high intra-row sowing distances and the rapid plant growth contributed to the successful use of NDVI for the in situ herbicide evaluation. For the majority of the trials, the correlation between the NDVI values and the total weed biomass was strong. For instance, during the second experimental year for the field Pirgos 4 the relation coefficient between these variables resulted in 53.31%. Regarding the dose-response experiments in wheat crop, the resistant biotype R was revealed by the low NDVI values. In particular, the Gr50 of the R biotype was 2.5 times higher than the Gr50 of the S biotype. The results of the dose-response pot experiment were aligned with the field experiment’s results. The high correlation between the two methods constituted the validation of the rapid method in field conditions. The accuracy and the precision index for the rapid method, when the recommended rate was applied, resulted in 0.8 and 0.79, respectively. Therefore, the accuracy and precision of the rapid method were confirmed. Overall, the results indicated the utility of the NDVI Index for the early evaluation of herbicides’ efficacy in arable crops. Moreover, the application of this rapid method could constitute a preventive method against herbicide resistance evolution, overuse and misuse of herbicides and applied as an additional tool for Integrated Weed Management.

Η χημική ζιζανιοκτονία αποτελεί μια από τις πιο βασικές μεθόδους ελέγχου των ζιζανίων σε φυτά μεγάλης καλλιέργειας. Ωστόσο, η εκτεταμένη χρήση των ζιζανιοκτόνων συχνά οδηγεί σε ανάπτυξη ανθεκτικών βιότυπων ζιζανίων σε ζιζανιοκτόνα. H ανάπτυξη ανθεκτικότητας και η λανθασμένη χρήση των ζιζανιοκτόνων έχουν περιβαλλοντικό και οικονομικό αντίκτυπο. Η ορθή και στοχευμένη εφαρμογή των ζιζανιοκτόνων αποτελεί ένα σημαντικό ζήτημα για το οποίο κρίνεται απαραίτητο να προταθούν λύσεις. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής μελέτης αποτέλεσε η ανάπτυξη ταχείας μεθόδου για την in situ αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των ζιζανιοκτόνων και την διαχείριση φαινομένων ανθεκτικότητας την ίδια καλλιεργητική περίοδο. Για την ανάπτυξη και την διερεύνηση της ταχείας μεθόδου πραγματοποιήθηκαν πειράματα αγρού σε δύο πολύ σημαντικές καλλιέργειες, το σκληρό σιτάρι (Triticum durum Desf.) και τον αραβόσιτο (Zea mays L.). Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε στις δύο καλλιέργειες ήταν παρόμοια. διαφοροποίηση αφορούσε τις επεμβάσεις των ζιζανιοκτόνων. Στην καλλιέργεια του σιταριού εφαρμόστηκαν τα εξής ζιζανιοκτόνα στην συνιστώμενη δόση σύμφωνα με την ετικέτα: 2,4 D- ester, pyroxsulam+florasulam, clopyralid+ florasulam, mesosulfuron-methyl + iodosulfuron methyl-sodium και fenoxaprop-P-ethyl. Στην καλλιέργεια του αραβόσιτου εφαρμόστηκαν τα παρακάτω μίγματα: nicosulfuron+rimsulfuron+mesotrione, nicosulfuron+rimsulfuron+dicamba, nicosulfuron+rimsulfuron,florasulam+mesotrione,mesotrione+nicosulfuron & 2,4 D- ester. Για την ταχεία αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των ζιζανιοκτόνων χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης NDVI. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων του δείκτη NDVI πραγματοποιήθηκαν συσχετίσεις με μετρήσεις που χρησιμοποιούνται ευρέως για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας ζιζανιοκτόνων. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν βιοδοκιμές σε φυτοδοχεία με πληθυσμούς που είχαν συλλεχθεί από τους πειραματικούς αγρούς. Σκοπό των βιοδοκιμών αποτέλεσε η επαλήθευση των πειραμάτων σε συνθήκες αγρού και η περαιτέρω διερεύνηση πιθανώς ανθεκτικών πληθυσμών. Έπειτα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την σύγκριση και την εκτίμηση της αξιοπιστίας και της ακρίβειας της ταχείας μεθόδου. Τα πειράματα περιλάμβαναν ένα πείραμα δόσης-απόκρισης σε συνθήκες αγρού και ένα πείραμα δόσης-απόκρισης σε φυτοδοχεία. Χρησιμοποιήθηκαν δύο βιότυποι του είδους Sisymbrium orientale L., ένας ανθεκτικός και ένας ευαίσθητος στην δραστική ουσία chlorsulfuron. Εφαρμόστηκαν δόσεις της δραστικής ουσίας chlorsulfuron από Χ/4 έως 4Χ (όπου Χ η μέγιστη συνιστώμενη δόση). Στο πείραμα δόσης-απόκρισης σε συνθήκες αγρού χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης NDVI για την ταχεία πρόβλεψη της ανθεκτικότητας των βιότυπων. Για την σύγκριση των δύο μεθόδων πραγματοποιήθηκαν γραμμικές συσχετίσεις και υπολογίστηκε ο συντελεστής συσχέτισης. Η εκτίμηση της αξιοπιστίας και της ακρίβειας της ταχείας μεθόδου σε συνθήκες αγρού υπολογίστηκε μέσω εξισώσεων όπως αυτές αναφέρονται σε σχετική βιβλιογραφία. Τα πειράματα αγρού στην καλλιέργεια του σιταριού έδειξαν ότι η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των ζιζανιοκτόνων 14 ημέρες μετά την εφαρμογή τους είναι εφικτή με την χρήση του δείκτη NDVI. Η μείωση του δείκτη NDVI παρουσίασε την ίδια τάση με τη μείωση του ξηρού βάρους των ζιζανίων. Αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιώθηκε από τις υψηλές γραμμικές συσχετίσεις που προέκυψαν μεταξύ των δύο μεταβλητών. Εξαίρεση αποτελεί ο πειραματικός αγρός στην Ορεστιάδα όπου οι συσχέτιση του δείκτη NDVI και του ξηρού βάρους των ζιζανίων ήταν μικρή (R2= 5,43%). Επίσης, οι τιμές του δείκτη NDVI ήταν υψηλές σε σχέση με τον μάρτυρα οπότε η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των ζιζανιοκτόνων δεν ήταν εφικτή. Στον συγκεκριμένο πειραματικό αγρό κυριαρχεί το είδος Lolium rigidum L. (κοινώς “ήρα”), όπως φάνηκε από την υψηλή του πυκνότητα και τον δείκτη Simpson. Τα παρόμοια μορφολογικά χαρακτηριστικά του είδους Lolium rigidum L. με το σιτάρι αποτέλεσαν περιοριστικό παράγοντα της μεθόδου. Στην καλλιέργεια του αραβόσιτου αναδείχθηκε χαρακτηριστικά η χρησιμότητα της ταχείας μεθόδου. Οι μεγάλες αποστάσεις σποράς και η γρήγορη ανάπτυξη της καλλιέργειας συνετέλεσαν στην επιτυχή χρήση του δείκτη NDVI για την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των ζιζανιοκτόνων. Για το σύνολο των πειραματικών αγρών, οι συσχετίσεις μεταξύ του δείκτη NDVI και του ξηρού βάρους των ζιζανίων ήταν υψηλές. Για παράδειγμα, στον πειραματικό αγρό Πύργος 4 κατά το δεύτερο έτος πειραματισμού ο εν λόγω συντελεστής συσχέτισης R2 ήταν ίσος με 53,31%. Όσον αφορά τα πειράματα δόσης-απόκρισης για την καλλιέργεια του σιταριού, το σχετικό πείραμα αγρού επιβεβαίωσε την ανθεκτικότητα του ανθεκτικού (R) βιότυπου του είδους Sisymbrium orientale L. στην δραστική ουσία chlorsulfuron με την χρήση του δείκτη NDVI. Το Gr50 του βιότυπου R ήταν 2,5 φορές μεγαλύτερο από το Gr50 του ευαίσθητου (S) βιότυπου. Το πείραμα δόσης-απόκρισης σε φυτοδοχεία οδήγησε σε παρόμοια αποτελέσματα επαληθεύοντας την ταχεία μέθοδο σε συνθήκες αγρού. Οι δείκτες αξιοπιστίας και ακρίβειας της ταχείας μεθόδου σε συνθήκες αγρού στη συνιστώμενη δόση του chlorsulfuron ήταν 0,8 και 0,79, αντίστοιχα. Επομένως, αναδείχθηκε τόσο η αξιοπιστία όσο και η ακρίβεια της μεθόδου. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής μελέτης ανέδειξαν την χρησιμότητα του δείκτη NDVI για την ταχεία αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των ζιζανιοκτόνων σε φυτά μεγάλης καλλιέργειας. Επίσης, φάνηκε ότι η εφαρμογή της ταχείας μεθόδου μπορεί να αξιοποιηθεί στα πλαίσια της πρόληψης της ανάπτυξης φαινομένων ανθεκτικότητας. Επομένως, η ταχεία μέθοδος θα μπορούσε να αποτελέσει άλλο ένα σημαντικό εργαλείο στην Ολοκληρωμένη Διαχείριση των Ζιζανίων.