Wirksamkeit der Unkrautbekämpfung mittels Laser in Abhängigkeit verschiedener biologischer und technisch-physikalischer Parameter

Abstract

Seit einigen Jahren nimmt die Bedeutung des Präzisionspflanzenschutzes in der Landwirtschaft immer mehr zu. Ein wichtiges Ziel ist die Reduzierung der chemischen Pflanzenschutzmittel, besonders der Herbizide, im Ackerbau. Dies wird zum Teil schon realisiert durch eine teilflächenspezifische Ausbringung von Herbiziden oder den Einsatz mechanischer Verfahren. Eine weitere Alternative, die überwiegend im ökologischen Ackerbau bisher Einzug erhalten hat, ist die thermische Unkrautbekämpfung. In diesem Bereich gibt es bis jetzt hauptsächlich den Einsatz von Heißwasser/-schaum oder speziellen Abflammgeräten. Laser werden bis jetzt größtenteils in der Industrie oder Medizin eingesetzt. Der Hintergrund dieses Projektes ist es, durch Laserapplikation eine thermische Unkrautkontrolle durchzuführen. Das Ziel ist hierbei die Unterdrückung der Unkräuter in den Kulturpflanzen, wodurch die Konkurrenz um Platz, Nährstoffe und Wasser minimiert wird. Um dies zu realisieren, ist es notwendig, die Unkrautpflanze oder bestimmte Teile davon möglichst schnell und bei geringstem Energieeintrag zu schädigen. Von dieser Zielsetzung ausgehend wurden in ersten Versuchen die biologischen und technischen Versuchsparameter für eine erfolgreiche Laserapplikation ermittelt. Hauptaugenmerk bei der Auswertung der Versuche lag darauf, die Auswirkungen des Lasers auf die Unkräuter festzuhalten, ihren Schädigungsgrad zu bestimmen und eine Einschätzung der Weiterentwicklung der Pflanze zu geben. Um eine möglichst genaue Beschreibung der Laserwirkung zu geben, fanden mikroskopische Untersuchungen mit Hilfe eines Stereo-Lichtmikroskops und eines Rasterelektronen-Mikroskops statt. Des weiteren wurden eine Bonitur und eine Bestimmung der Frischmasse der Unkräuter durchgeführt, beide Methoden sollten den Wachstumszustand der Pflanzen über den Zeitraum von vier Wochen nach der Laserapplikation dokumentieren. In den unterschiedlichen Versuchsreihen zeigte sich deutlich, dass es bei einem guten Zusammenspiel der technischen und biologischen Parameter durchaus möglich ist, bis zu 100 % der Unkrautarten mittels Laserapplikation zu kontrollieren. Allerdings sollten die Pflanzen das Vierblattstadium nicht überschritten haben und die Applikationszeit nicht über 50 ms liegen, um das Verfahren auch für die Praxis interessant und rentabel zu gestalten.

<strong>Effectiveness of weed control using laser according to various biological and technicalphysical parameters</strong><br /> Since a couple of years the importance of precision crop protection in agriculture increases. One of the main aims of precision crop protection is to reduce the chemical amount of pesticides, in particular the herbicides. This is partly realised by site-specific weed control or mechanical methods like hoeing machines. The thermal weed control is an efficient alternative to herbicides and physical treatment. Already known as a thermal weed control method are the flame-scarfing technology and the application of hot water or hot foam. Lasers are already known in medicine or industry to cut tissues or metals. Background of this project is a new way of thermal weed control by laser application. The aim is to depress the weeds in crops and to achieve a diminished competition between weeds and crops. To realize this idea it is necessary to achieve a fast heating of the weeds or its essential parts in a few seconds by a low energy input.<br /> The first tests should help to detect the biological and technical parameters of laser and plant. The application experiments took place in the Fraunhofer Institute of Laser Technology in Aix-la-Chapelle. Two types of laser with varying power [kW], spot diameter [mm] and residence time [ms] were available in the institute, an Ytterbium-Fibre-Laser and a CO₂- Laser. Thereby it was possible to test different experimental series with diverse biological and technical parameters: plant species, growth stage, point of application, type of laser, power, spot diameter and residence time. The different experimental series show, that it is possible to destroy up to 100 % of weeds by laser application, if the interaction of the different test parameters is successful. Weed control with a laser is possible, if the weeds are not bigger than 4- leaf- stage. In addition to that the residence times should not be longer than 50 ms, to become this weed control a real alternative to the herbicides in practice. The power of the laser is a varying factor and depends on the characteristics of each laser, for the laser application with a CO₂- laser the power of 0,5 kW is sufficient. One important fact which was not object of these experiments is the route guidance and the accuracy of the laser. This is a main fact for this weed control, as a little divergence between laser target and plant target is enough to minimize the success of the system.