Emergence modeling to improve integrated weed management

Weeds represent the main cause of economic losses in agriculture worldwide, both as crop yield reduction and control costs. Integrated Weed Management plays therefore a key role in order to achieve environmental, social and economic sustainability of crop production. Modeling of weed biological cycles may be an important component of IWM. Models able to predict weed emergence dynamics and weed-crop competition may provide useful indications about timing, type and economic convenience of control measures. The main objective of the research project presented in this Thesis is to develop a Decision-Support System (DSS), based on a weed emergence model (AlertInf) and its combination with a pre-existing bio-economic model (Gestinf), to improve weed post-emergence management in maize. This system was called Gestinf Plus. AlertInf was based on a commonly used approach for weed emergence models called Hydrothermal Time concept. According to this approach, weed emergence dynamics are estimated comparing soil microclimate conditions (soil temperature and water potential) with specific threshold values for weed seed germination (base temperature and water potential). These threshold values were estimated with laboratory experiments for some species (Abutilon theophrasti, Amaranthus retroflexus, Chenopodium album, Digitaria sanguinalis, Echinocloa crus-galli, Setaria pumila, Setaria viridis, Sorghum halepense) considered as important weeds in maize fields of Veneto and Tuscany regions, Italy. Model parameterization for AlertInf was achieved for three weed species (A. theophrasti, C. album, S. halepense) using emergence data from several field trials carried out in different years and locations in Veneto region. Model validation was performed with other emergence data from independent field trials. AlertInf was then combined with Gestinf to obtain an innovative tool (Gestinf Plus) able to 1) predict the best moment for weed sampling and 2) evaluate economic convenience of several control measures. A common experiment was arranged in collaboration with Portuguese and Spanish scientists to assess transferability at European level of AlertInf. The common aim was to evaluate the effect of site of origin and site of cultivation on base temperature for local populations of A. theophrasti and Datura stramonium. Remarkable variability was found in the behavior of D. stramonium populations. This findings may hinder transferability of AlertInf model for this species. The influence of winter burial length on seed dormancy level was finally studied for A. theophrasti, S. viridis and S. halepense. A significant stimulating effect of winter chilling was identified on S. viridis and S. halepense germination and field emergence. Including seed dormancy dynamic may consequently represent an important improvement for weed emergence models, however further studies are required to obtain detailed information about specific behaviors for the main weeds.

La presenza delle piante infestanti rappresenta 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. La gestione integrata delle malerbe gioca quindi un ruolo cruciale per il raggiungimento di una maggiore sostenibilità ambientale, sociale ed economica delle produzioni agricole. La modellizzazione del ciclo biologico delle infestanti può essere una componente importante della gestione integrata. In particolare i modelli previsionali della dinamica di emergenza delle malerbe in campo e della loro successiva competizione con le colture possono fornire utili indicazioni sui tempi, sui modi e sulla convenienza economica di un eventuale intervento di controllo. L’obiettivo principale del progetto di ricerca sviluppato nella presente tesi è stato la creazione di uno strumento di supporto alle decisioni (DSS), basato su un modello di previsione delle emergenze (AlertInf) e la sua combinazione con un pre-esistente modello bio-economico (Gestinf), per il controllo in post-emergenza delle infestanti in colture di mais. Tale strumento è stato denominato Gestinf Plus. AlertInf è stato basato sul concetto di Tempo Idrotermico; nell’ambito di tale approccio la dinamica di emergenza viene stimata confrontando le condizioni microclimatiche del suolo (temperatura e potenziale idrico) con dei valori soglia specifici per la germinazione delle infestanti (temperatura e potenziale idrico di base). Tali valori soglia sono stati quindi determinati con prove di laboratorio alcune importanti infestanti (Abutilon theophrasti, Amaranthus retroflexus, Chenopodium album, Digitaria sanguinalis, Echinocloa crus-galli, Setaria pumila, Setaria viridis, Sorghum halepense) del mais in Veneto e Toscana. La successiva fase di parametrizzazione di AlertInf è stata effettuata per tre delle suddette specie (A. theophrasti, C. album, S. halepense) utilizzando i dati di emergenza ottenuti in varie prove di campo condotte in località e anni diversi nel Veneto. AlertInf è stato poi validato con dati di emergenza provenienti da ulteriori prove di campo. Il modello creato è stato infine combinato con Gestinf, ottenendo uno strumento (Gestinf Plus) in grado 1) di prevedere il momento migliore per effettuare il rilievo della flora infestante e 2) di definire la convenienza economica dei vari interventi di controllo. Per verificare la trasferibilità a livello europeo di AlertInf, si è poi condotta una ricerca in collaborazione con ricercatori portoghesi e spagnoli per studiare l’effetto del luogo di origine e del luogo di coltivazione sulla temperatura di base per la germinazione di popolazioni locali di A. theophrasti e Datura stramonium. Una notevole variabilità è stata evidenziata nel comportamento delle popolazioni di D. stramonium. Questo risultato potrebbe ostacolare la trasferibilità del modello per tale specie. Infine si è studiata l’influenza della durata di interramento invernale dei semi di A. theophrasti, S. viridis e S. halepense sul loro livello di dormienza, individuando per S. viridis e S. halepense un notevole effetto della stratificazione invernale sulla successiva germinazione ed emergenza in campo. Ciò evidenzia l’opportunità di inserire la dinamica della dormienza dei semi nei modelli di previsione delle emergenze. Tuttavia le conoscenze sul comportamento delle singole specie sono ancora carenti.