Räumliche Variabilität von Bodeneigenschaften mit Relevanz für das Verhalten von Herbiziden

Abstract

Ziel dieser im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs 722 „Präzisionspflanzenschutz“ angefertigten Arbeit war es, die teilflächenspezifische Anwendung von Herbiziden durch die Einbindung von Bodeninformationen zu optimieren. Dazu wurden sowohl das Verhalten von Herbiziden im Boden am Beispiel von Isoproturon (IPU) als auch die schnelle und kostengünstige Erfassung der räumlichen Variabilität relevanter Bodeneigenschaften in Labor- und Feldversuchen untersucht.<br /> Batchversuche mit 12 Böden der Versuchsschläge ergaben einen hoch signifikanten Zusammenhang (r² = 0,98) zwischen der Sorption von IPU und dem Gehalt an organischem Kohlenstoff (C_org) im Boden. Durch einen Gefäß-Vegetationsversuch konnte ebenso ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Corg-Gehalt der Böden und der Wirksamkeit von IPU gezeigt werden, wobei in Abhängigkeit des C_org-Gehaltes die Aufwandmenge ohne Wirksamkeitsverlust teilweise bis auf ein Sechstel reduziert werden konnte. Im Feldversuch wurde nach einer praxisüblichen IPU-Behandlung innerhalb der Versuchsflächen kein Zusammenhang zwischen dem Gesamtgehalt (Aceton-Extraktion) und den Bodeneigenschaften festgestellt. Die IPU-Konzentration in der Bodenlösung (CaCl₂-Extraktion) zeigte hingegen tendenziell eine negative Beziehung zum C_org-Gehalt. Nach Applikation im Herbst wurde eine Verlagerung bis in 30 cm Tiefe nachgewiesen. Dabei wurde tendenziell eine positive Beziehung zum Sandgehalt beobachtet. Die Versuche mit IPU belegen, dass eine Berücksichtigung des Corg-Gehaltes und der Körnung bei einer teilschlagspezifischen Herbizidapplikation sinnvoll ist.<br /> Zur Erfassung des C_org-Gehaltes in Böden wurden spektrometrische Messverfahren untersucht. Im Labor konnten die C_org-Gehalte von Bodenproben mit der Aufnahme der Spektren im nahinfraroten Bereich (940-1680 nm) gut vorhergesagt werden. Diese Vorhersagen verbesserten sich bei der Erweiterung des spektralen Bereiches (sichtbar und nahinfrarot; 350 - 2500 nm). Die besten Ergebnisse lieferte die kombinierte Aufnahme der Spektren des nah- und mittelinfraroten Bereiches (1250 - 16650 nm). Im Feld wurde ein deutlicher Zusammenhang zwischen den Spektren des flugzeuggestützten Sensors „HyMap“ (400 - 2500 nm) und den C_org-Gehalten nachgewiesen.<br /> Zur Kartierung der Körnung und des Profilaufbaus wurde die scheinbare elektrische Leitfähigkeit (EC_a) mit dem Sensor EM38 erfasst. Es wurden hoch signifikante Korrelationen zu den Tongehalten, aber auch teilweise zu den Schluff- und Sandgehalten gefunden. Bei geschichteten Böden konnte ebenfalls eine signifikante Beziehung zur Mächtigkeit der Lößbedeckung beobachtet werden. Alle Beziehungen waren allerdings schlagspezifisch, sodass für eine Vorhersage der Eigenschaften aus der EC_a eine lokale Kalibration notwendig ist. Der Vergleich mit traditionellen Bodenkarten, Orthofotos und Ertragskarten zeigte die Vorteile der hohen räumlichen Auflösung der ECa-Messung gegenüber der traditionellen Kartierung, die kleinräumige Bodenunterschiede weniger gut erfassen konnte. Für den Präzisionspflanzenschutz ist eine Kombination aus EC_a-Messung und konventioneller Bodenaufnahme der beste Weg.<br /> Als mögliche Anwendung der Ergebnisse für den Präzisionspflanzenschutz wurde aus Daten der räumlichen Heterogenität der C_org-Gehalte eines Versuchsschlages Karten der Sorptionsfähigkeit und der Wirksamkeit von IPU bei 50 % der vollen Aufwandmenge erstellt. Aus der EC_a-basierten Karte der Schichtung konnte die Verteilung des Leachingrisikos für einen Versuchsschlag abgeleitet werden. Daneben konnte aus der EC_a-basierten Tongehaltskarte eine räumlich hochaufgelöste Karte zur Umsetzung der Anwendungsauflagen für IPU erstellt werden. Diese Beispiele verdeutlichen das große Potenzial der Einbindung der räumlichen Variabilität von Bodeneigenschaften in das Konzept des Präzisionspflanzenschutzes.

<strong>Spatial variability of soil properties with relevance for the behaviour of herbicides - an improvement approach for precision crop protection</strong><br /> Within the framework of the DFG Research Training Group “Precision Crop Protection” the aim of this project was to optimize the site-specific application of herbicides by integrating soil information. Therefore, the behaviour of the herbicid isoproturon (IPU) in soils was determined and rapid and costefficient methods for recording of relevant soil properties were tested.<br /> Batch studies with 12 soils of various test fields resulted in highly significant correlations (r² = 0.98) between the sorption of IPU and the soil organic carbon (SOC) content. A pot experiment showed a clear relation between SOC content and herbicidal efficiency of IPU; the dosage could be reduced in parts by 80 % without reducing the herbicidal effect. After application of IPU with a field sprayer, no correlation was found between total content of IPU (acetone extractable) and soil properties. However, the IPU concentration of the soil solution (CaCl₂ extractable) tended to be negatively correlated to the SOC content. After application of IPU in autumn, translocation to a depth of 30 cm was observed and tended to be more pronounced at sites with higher sand contents. Thus, experiments with IPU showed that consideration of SOC content and soil texture may be reasonable for site-specific herbicide application. <br /> Various spectrometric measuring methods were tested for the determination of SOC. The latter could be predicted in laboratory using soil spectra of the near infrared range (940 - 1680 nm), while a larger spectral range (visible and infrared; 350 - 2500 nm) improved the prediction. Most reliable results could be realised by combining the near and mid infrared range (1250 - 16650 nm). In a field experiment a clear relation between the spectra of the airborne hyperspectral sensor “HyMap” (400 - 2500 nm) and the SOC content could be shown.<br /> The apparent electrical conductivity (EC_a) was measured several times for mapping soil texture and thickness of geological layers using the sensor EM38. Measured EC_a values correlated significantly with the clay content and partially with the silt and sand content. For soils showing stratification, significant correlations between EC_a and thickness of the loess layer could be established. As all correlations were field-specific, a local calibration was necessary to predict soil properties from EC_a values. The comparison with traditional soil maps, orthophotos and yield maps demonstrated the advantages of the high spatial resolution of the EC_a measurement, which reflects soil heterogeneity much better than traditional soil mapping. However, a combination of EC_a measurement and traditional soil mapping is most appropriate to meet the demands of precision crop protection.<br /> To apply the results to precision crop protection, data of spatial heterogeneity of the SOC content from a test field were used to create maps of the sorption capacity and the efficiency of IPU at a reduced application rate of 50 %. A map of the leaching risk of one test field could be evaluated by using a map of geological layering which based on the EC_a measurement. Moreover, a high spatial resolution map of the clay content based on the EC_a values was created to reflect application requirements of IPU in a site-specific way. These examples demonstrate potential for the integration of spatial variability of soil properties into the concept of precision crop protection.