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Abstract (English)
Weeds are considered one of the major constraints in agriculture. The use of herbicides is the most common form of weed control so far. Therefore, herbicides account for approximately 60% of the agrochemicals applied worldwide. However, the raised public awareness of the environmental drawbacks as well as the risk of pesticide residues in the human food chain have increased the interest in non-chemical weed control methods also in conventional farming. Therefore, the importance of integrated weed management (IWM) with its preventive (e.g. crop rotation, row spacing, or crop plant distribution), and curative (mechanical or thermal methods) approaches is increasing. For reasons of cost efficiency, mechanical weed control (MWC) is currently the most important non-chemical procedure for direct weeding. Under optimal conditions, MWC can be as effective as a broadcast herbicide application. However, the strong variations in weed control efficacy (WCE) as well as crop/weed selective highly efficient intra-row weeding remain challenging for MWC.
The aim of this work was to gain a better understanding of the variations in WCE of mechanical weeding and to advance non-chemical weed management by improving crop competitiveness and by enhancing the intra-row WCE. Therefore, the first section deals with factors that influence WCE with a special focus on site conditions and weed density. Harrowing and hoeing treatments were carried out in winter wheat, peas, and soybeans at three different sites. The mechanical treatments were examined regarding their WCE and yield effects and compared to a standard broadcast herbicide application and an untreated control. It was shown, that post-emergence harrowing and hoeing at the early growth stage of crops (BBCH 11-12) and weeds increased WCE by 18% compared to their application in later crop growth stages (BBCH 14-17). Therefore, it was concluded, that the timing of the treatment seems to have a stronger effect on WCE than pure site-related factors such as weed density at the time of application. Due to the different modes of action of harrowing and hoeing, it was assumed that combining them might close efficacy gaps and thus enhance WCE while simultaneously minimizing its variations. The high WCE against Alopecurus myosuroides as shown in the current study, is particularly important in terms of a sustainable weed resistance management, as it reduces the pressure on herbicide performance. Concerning the question of how the weed density affects the WCE of different methods of MWC, the results were inconclusive. When harrowing and hoeing were not combined, it was not possible to pinpoint a specific type of treatment as the most appropriate. Different field and weather conditions can heavily affect and impact the expected outcome, giving, each time, an advantage for a specific type of treatment.
In the second section, weed management in an equal space seeding (ESS) system was investigated in maize, covering the two sub-aspects: I) weed suppression ability and crop development compared to a conventional row seeding (CRS) system, and II) enhancing WCE by bi-directional hoeing along and transverse to the sowing direction. Therefore, a square crop pattern was established by using a GPS-based pneumatic precision seeder. Leaf area index (LAI) and absorption rates of the photosynthetically active radiation (PAR) were calculated. ESS and CRS were then compared regarding weed suppression and crop development. Additionally, in the ESS system post-emergence hoeing treatments along and transverse to the sowing direction, one way and in both directions were carried out and compared to a standard herbicide application and an untreated control. WCE, crop losses, weed, and crop biomass as well as crop yield were investigated. It was found that ESS did not affect the weed suppression ability of maize crops. Compared to CRS, the crops in ESS neither built a higher LAI nor absorbed more PAR. However, the ESS showed significantly higher grain yields than the CRS. Due to the very dry weather conditions in 2022, it was assumed, that dry soil conditions reduced the potential of the maize plants competitive advantage over weeds. The yield advantage of ESS over CRS, rather appears to be explained by a lower intra-specific competition due to an optimized crop plant arrangement, side effects on root growth, or side effects of hoeing for example on water availability or better nutrient uptake from the soil. Apart from the preventive weeding approach of ESS, bi-directional hoeing along and transverse to the sowing direction increased WCE compared to hoeing along the crop rows on average from 80% to 95%. In 2022 the bi-directional hoeing treatment was statistically equal to the herbicide application (98%) without causing higher crop losses (5%) than when using special intra-row weeding tools (e.g. finger or torsion weeders). Although not statistically different in most cases, the bi-directional hoeing treatments achieved the highest grain yield and showed no water stress compared to all other treatments. Therefore, it was assumed that hoeing could reduce soil water evaporation by breaking the soil capillaries, resulting in improved water retention and ultimately higher grain yields.
Assuming, IWM provides generally the most promising approach, findings of this thesis show the potential and the importance of precision farming technologies for future agriculture. Especially in terms of climate-resilient cropping systems, where highly efficient crop/weed selective non-chemical direct weed control can be applied, the results of the higher grain yields of ESS compared to CRS as well as the increased WCE of bi-directional hoeing should be given greater consideration in practical farming.
Abstract (German)
Unkräuter gelten als große Hemmnisse in der Landwirtschaft. Der Einsatz von Herbiziden ist bisher noch die häufigste Form der Unkrautregulierung (UR). So machen Herbizide etwa 60 % der weltweit eingesetzten Agrochemikalien aus. Das gestiegene öffentliche Bewusstsein für die Umweltnachteile, sowie das Risiko von Pestizidrückständen in der menschlichen Nahrungskette, hat jedoch auch in der konventionellen Landwirtschaft das Interesse an nicht- chemischen Unkrautbekämpfungsmethoden erhöht. Daher nimmt die Bedeutung des integrierten Unkrautmanagements mit seinen präventiven (z. B. Fruchtfolge, Reihenabstand oder Verteilung der Nutzpflanzen) und kurativen (mechanischen oder thermischen Verfahren) Ansätzen zu. Aus Kostengründen ist die mechanische UR derzeit das wichtigste nicht- chemische Verfahren zur direkten Unkrautbekämpfung. Unter optimalen Bedingungen kann diese genauso wirksam sein wie eine breitflächige Herbizidanwendung. Allerdings bleiben die starken Schwankungen im Wirkungsgrad (WG) sowie die hocheffiziente Kulturpflanzen/Unkraut-selektive mechanische UR innerhalb der Reihe eine Herausforderung. Ziel dieser Arbeit war es, die Schwankungen im WG der mechanischen UR besser zu verstehen, das nicht-chemische Unkrautmanagement durch Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Nutzpflanzen voranzutreiben und die WG innerhalb der Reihe zu steigern. Der erste Abschnitt dieser Arbeit befasst sich mit Faktoren, die den WG beeinflussen, mit besonderem Schwerpunkt auf Standortbedingungen und Unkrautdichte. Dazu wurden an drei verschiedenen Standorten Striegel- und Hackanwendungen in Winterweizen, Erbsen und Sojabohnen durchgeführt. Die mechanischen Behandlungen wurden hinsichtlich ihrer WG sowie ihrer Ertragseffekte untersucht und mit einer standardmäßigen breitflächigen Herbizidanwendung und einer unbehandelten Kontrolle verglichen. Es zeigte sich, dass Striegeln und Hacken in frühen Wachstumsstadien von Kulturpflanzen (BBCH 11-12) und Unkräutern den WG um 18 % im Vergleich zur Anwendung in späteren Wachstumsstadien der Kulturpflanzen (BBCH 14-17) erhöhen können. Daher scheint der Zeitpunkt der Behandlung einen stärkeren Einfluss auf den WG zu haben, als rein standortbezogene Faktoren wie z. B. die Unkrautdichte zum Zeitpunkt der Anwendung. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsweise von Striegel und Hacke wurde angenommen, dass eine Kombination dieser Methoden Wirksamkeitslücken schließen und so den WG erhöhen und gleichzeitig dessen Schwankungen minimieren könnte. Der in dieser Arbeit erzielte hohe WG gegen Alopecurus myosuroides ist besonders wichtig im Hinblick auf ein nachhaltiges Unkrautresistenzmanagement, da dies den Druck auf die Herbizidleistung verringert und dazu beiträgt Herbizide langfristig wirksam zu halten. Bezüglich der Frage, wie sich die Unkrautdichte auf den WG verschiedener mechanischer Methoden auswirkt, waren die Ergebnisse nicht eindeutig. Wenn Striegel und Hacke nicht kombiniert wurden, war es nicht möglich, eine bestimmte Behandlungsart als die am besten geeignete zu bestimmen. Unterschiedliche Feld- und Wetterbedingungen können das erwartete Ergebnis stark beeinflussen und jedes Mal aufs Neue einen Vorteil zugunsten der einen oder der anderen Behandlungsart bringen. Im zweiten Abschnitt wurde das Unkrautmanagement in einem Gleichstandsaat-System (GSS) in Mais untersucht, wobei zwei Teilaspekte betrachtet wurden: I) Die Unkrautunterdrückungsfähigkeit und Pflanzenentwicklung im Vergleich zu einem konventionellen Reihensaatsystem (KRS) und II) die Verbesserung des WG durch kreuzweises Hacken längs und quer zur Saatrichtung. Hierzu wurde mithilfe einer GPS-basierten pneumatischen Einzelkornsämaschine ein quadratisches Aussaatmuster erzeugt. Blattflächenindex (BFI) und Absorptionsraten der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAS) wurden berechnet. GSS und KRS wurden dann hinsichtlich Unkrautunterdrückung und Kulturpflanzenentwicklung miteinander verglichen. Zusätzlich wurden bei der GSS- Hackanwendungen im Nachauflauf längs und quer zur Saatrichtung, einzeln und kombiniert durchgeführt und mit einer Standardherbizidanwendung und einer unbehandelten Kontrolle verglichen. Der WG, Kulturpflanzenverluste, Unkraut- und Maisbiomasse sowie Ernteertrag wurden untersucht. Es zeigte sich, dass GSS keinen Einfluss auf die Unkrautunterdrückungsfähigkeit der Maispflanzen hatte. Im Vergleich zu KRS bildeten die Maispflanzen im GSS weder einen höheren BFI noch absorbierten sie mehr PAS. Allerdings zeigte die GSS deutlich höhere Kornerträge als die KRS. Aufgrund der sehr trockenen Witterungsbedingungen im Jahr 2022 wurde angenommen, dass trockene Bodenbedingungen den potenziellen Wettbewerbsvorteil der Maispflanzen gegenüber Unkräutern verringerten. Der offensichtliche Ertragsvorteil von ESS gegenüber CRS scheint jedoch eher durch eine geringere innerartliche Konkurrenz aufgrund einer optimierten Pflanzenanordnung, Nebenwirkungen auf das Wurzelwachstum oder Nebenwirkungen des Hackens, beispielsweise auf die Wasserverfügbarkeit oder eine bessere Nährstoffaufnahme aus dem Boden, als durch PAS- Absorptionsraten bzw. den BFI erklärt werden zu können. Abgesehen vom vorbeugenden Unkrautbekämpfungsansatz von GSS, erhöhte der kreuzweise Hackeinsatz den WG im Vergleich zum Hacken in Saatrichtung im Durchschnitt von 80 % auf 95 %. Im Jahr 2022 war das kreuzweise Hacken statistisch sogar gleichwertig zur Herbizidanwendung (98 %), ohne dass dabei höhere Kulturpflanzenschäden (5 %) auftraten als bei der Verwendung spezieller Werkzeuge zur UR innerhalb der Reihen (z. B. Finger- oder Torsionshacken). Obwohl in den meisten Fällen kein statistischer Unterschied bestand, erzielten die Kreuzhackbehandlungen den höchsten Kornertrag und zeigten im Vergleich zu allen anderen Behandlungen keinerlei Wasserstress. Daher wurde angenommen, dass durch das Hacken die Bodenkapillaren aufgebrochen und somit die Evaporation verringert wurde, was zu einer verbesserten Wassersverfügbarkeit und letztlich zu höheren Kornerträgen geführt haben könnte. Unter der Annahme, dass das integrierte Unkrautmanagement im Allgemeinen den vielversprechendsten Ansatz darstellt, zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit das Potenzial und die Bedeutung von Präzisionstechnologien für die zukünftige Landwirtschaft auf. Insbesondere im Hinblick auf klimaresiliente Anbausysteme, bei denen eine hocheffiziente, Kulturpflanzen/Unkraut-selektive nicht-chemische UR angewendet werden kann, sollten die Ergebnisse hinsichtlich der höheren Kornerträge von GSS im Vergleich zu KRS sowie der erhöhte WG der kreuzweisen Hackbehandlungen in der praktischen Landwirtschaft zukünftig stärker berücksichtigt werden.
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Institute of Phytomedicine
Examination date
2025-05-07
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Naruhn, G.-P. (2025). Non-chemical weed control in different cropping systems. https://doi.org/10.60848/12977
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English
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Classification (DDC)
630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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@phdthesis{Naruhn2025-08-12,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/18046},
author = {Naruhn, Georg-Peter},
title = {Non-chemical weed control in different cropping systems},
year = {2025-08-12},
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