Kurzfassung Band 51

Christine Hbirkou (2011): Heterogeneity of soil properties at the field-scale and spatial patterns of soil-borne pests and weeds.
Bonner Bodenkundl. Abh. 51, 122 S., 17 Abb.,  9 Tab.

Kurzfassung

Die räumlich heterogene Verteilung von Bodeneigenschaften auf der Feldskala beeinflusst nicht nur das Wachstum und den Ertrag von Feldfrüchten, sondern auch das nesterweise Auftreten von bodenbürtigen Krankheiten und Unkräutern. Die Bodenheterogenität auf der Feldskala ist daher ein bedeutender Parameter für teilschlagspezifische Bewirtschaftungsmaßnahmen, wie sie im Präzisionspflanzenschutz gefordert sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden minimal- und nicht-invasive Sensoren eingesetzt, um (i) die Erfassung des organischen Kohlenstoffgehaltes (Corg) im Boden, (ii) Bewirtschaftungsstrategien bei Auftreten des Rübenzystennematoden Heterodera schachtii sowie (iii) das Verständnis von komplexen Beziehungen zwischen Bodeneigenschaften und Unkräutern zu verbessern und zu automatisieren.

Die hoch aufgelöste, detaillierte Erfassung des Corg-Gehaltes in landwirtschaftlich genutzten Böden ist von großer Bedeutung, da der Corg-Gehalt des Bodens andere Bodenparameter wie Aggregatstabilität oder Bodenatmung beeinflusst. Die kleinräumige Variabilität von Corg wurde auf langjährig einheitlich bewirtschafteten Ackerschlägen mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeit, Vegetation) mittels bildgebender spektroskopischer Verfahren im sichtbaren und nahen Infrarotbereich gemessen. Dabei wurde die Reflektion des Bodens mit einem flugzeuggetragenen Hyperspektralsensor (HyMap, 450 – 2500 nm) erfasst. Die Vorhersagegenauigkeit von Corg variierte je nach Oberflächenbeschaffenheit und war bei unbewachsenem, feinkörnigem Boden am höchsten

(R2 = 0,80). Die Verteilung des Corg-Gehaltes konnte mit einer pixelweisen Karte (8 × 8 m), basierend auf hyperspektralen Daten, mit einer höheren Genauigkeit dargestellt werden als mittels einer interpolierten Karte auf der Basis einer konventionellen Bodenprobenahme.

Die Populationsdichte des Rübenzystennematoden H. schachtii wird häufig mit der Bodentextur in Verbindung gebracht. Der nicht-invasive Sensor EM38 wurde zur Messung der scheinbaren elektrischen Leitfähigkeit (ECa) eingesetzt, die wiederum von der Bodentextur und der Porosität des Bodens beeinflusst wird. Auf texturell heterogenen Flächen wurden moderate (R2 = 0,47) bis enge

(R2 = 0,74) Beziehungen zwischen der ECa und der Populationsdichte des Nematoden beobachtet. Die Verteilung der ECa sowie Bodenschätzungskarten verdeutlichen, dass H. schachtii tiefgründige Böden von sandig-schluffiger Textur mit einem hohen Anteil an Grobporen ohne wasserstauende Bedingungen bevorzugt. Bewirtschaftungskarten auf Grundlage von ECa- und Bodenschätzungskarten kennzeichnen Teilflächen mit variablen bodenbezogenen Lebensbedingungen für H. schachtii.

Die räumliche Verteilung und Dichte von vier Unkrautarten wurde im Rahmen einer Langzeitstudie von neun Jahren auf einer Ackerfläche erfasst und mit der vorliegenden Bodenheterogenität verglichen. Während der gesamten Studie konnte eine starke Ortsgebundenheit der Unkräuter beobachtet werden, auch wenn der Deckungsgrad zwischen den Jahren variierte. Die Bodeneigenschaften wurden entweder konventionell im Labor analysiert und / oder anhand mittlerer Infrarot-Spektroskopie (MIRS) und EM38-Messungen erfasst. Mittels multivariater Statistik wurde der Einfluss des Bodens auf die Unkrautvariabilität bestimmt. Diese wurde zu 28,2% durch die Bodentextur, die nutzbare Feldkapazität und den Gehalt an Corg beeinflusst. Die heterogene Verteilung von Bodeneigenschaften kann genutzt werden, um Karten für eine teilflächenspezifische Unkrautbewirtschaftung zu erstellen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass minimal- und nicht-invasive Sensoren zur Erfassung der Bodenheterogenität (Corg, Bodentextur) auf der Feldskala geeignet sind. Die Untersuchungen und dargestellten Karten basierend auf der Bodenheterogenität zur räumlich heterogenen Verteilung von Nematoden und Unkräutern belegen, dass auf dieser Grundlage teilschlagspezifische Bewirtschaftungsmaßnahmen im Rahmen des Präzisionspflanzenschutzes möglich sind.

Abstract Band 51

Christine Hbirkou (2011): Heterogeneity of soil properties at the field-scale and spatial patterns of soil-borne pests and weeds.
Bonner Bodenkundl. Abh. 51, 122 S., 17 Abb.,  9 Tab.

Abstract

Soil heterogeneity at the field-scale not only affects crop growth and yield, but also spatial patterns of soil-borne pests and weeds. Therefore, site-specific management in due consideration of soil variability is required within the scope of precision crop protection. The focus of this study was the use of minimal- and non-invasive sensor technologies at the field-scale to improve (i) the assessment of soil organic carbon (SOC), (ii) management strategies for the beet cyst nematode Heterodera schachtii and (iii) the appreciation for complex interrelations of soil properties and weeds.

A detailed knowledge on high-resolution SOC heterogeneity in agricultural soils is required, because SOC affects other soil properties such as aggregate stability or soil respiration. The small-scale spatial variability of SOC was determined using imaging spectroscopy in the visible and near-infrared region on long-term uniformly cultivated test fields with varying soil surface conditions (roughness, vegetation). Soil reflectance was recorded by the aircraft-mounted hyperspectral sensor HyMap

(450 – 2500 nm). Site-specific characteristics affected the calibration models; highest prediction accuracy was performed over a bare, fine soil (R2 = 0.80). A generated pixel-wise map (8 × 8 m) on the basis of hyperspectral data visualise the SOC heterogeneity more realistic than an interpolated map based on conventional soil sampling.

Soil texture is often referred to be the dominant soil property affecting the population density of the beet cyst nematode H. schachtii. The apparent electrical conductivity (ECa), which is known to be strongly related to soil texture and porosity, was measured with the non-invasive EM38 sensor. On fields heterogeneous in texture and porosity, moderate (R2 = 0.47) and strong (R2 = 0.74) correlations were observed between ECa and nematode population density. ECa values and soil taxation maps reveal that H. schachtii prefers deep soils with medium to light texture, a high proportion of wide pores and non-stagnic water conditions. Management maps on the basis of ECa and soil taxation maps indicate areas with different soil-related living conditions for H. schachtii.

The spatial distribution and density of four weed species was observed within a long-term survey over nine years on an arable field and related to soil properties. The dominance of the weed species varied between the years, but the spatial patterns remained stable during the whole study period. Soil properties were analysed conventionally in the laboratory and via mid-infrared spectroscopy-partial least squares regression (MIRS-PLSR) or EM38 measurements. Multivariate statistics were used to describe the effect of soil properties, indicating that soil texture, available water capacity and SOC explained 28.2% of the weed species variability. The spatial distribution of soil properties can be used to create maps for site-specific weed management.

The study provide evidence that minimal- and non-invasive sensor technologies such as MIRS-PLSR, airborne hyperspectral imaging or EM38 measurements are practical methods to detect soil heterogeneity at the field-scale. SOC and soil texture, both important parameters for the occurrence of soil-borne pests and weeds, can be characterised with high spatial resolution. Management maps on the basis of soil properties permit several benefits for precision crop protection, such as improved site-specific management strategies of pests and weeds.