Ολοκληρωμένη διαχείριση του ζιζανίου εισβολέα Solanum elaeagnifolium Cav. και συστήματα υποστήριξης λήψης αποφάσεων (Decision Support Systems-DSS)

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ενδελεχής αξιολόγηση διαφορετικών μεθόδων, στρατηγικών και αποφάσεων για την ολοκληρωμένη διαχείριση του εισβολικού ζιζανίου Solanum elaeagnifolium Cav. μέσω μιας σειράς πειραμάτων πεδίου, θερμοκηπίου και εργαστηρίου που πραγματοποιήθηκαν την τριετία 2020-2023 και είχαν ως στόχο την ανάπτυξη ενός Συστήματος Υποστήριξης Λήψης Αποφάσεων για την ολοκληρωμένη διαχείριση του ζιζανίου. Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από τέσσερις κύριες πειραματικές ενότητες που καταγράφονται ως εξής: (1) πειράματα βιολογίας, οικολογίας και διασποράς, (2) πείραμα αγρού για τον ανταγωνισμό του S. elaeagnifolium με τη σόγια και της επίδρασης στα αγρονομικά της χαρακτηριστικά και στην απόδοση, (3) πειράματα ολοκληρωμένης διαχείρισης, και (4) πειράματα υποστήριξης λήψης αποφάσεων. Στη πρώτη πειραματική ενότητα έγινε ανάλυση της επίδρασης της θερμοκρασίας στη διακοπή του ληθάργου και στο φύτρωμα των σπόρων του ζιζανίου όπου βρέθηκε ότι η έκθεση των σπόρων σε χαμηλές θερμοκρασίες για μία εβδομάδα σε υγρές συνθήκες οδήγησε σε αυξημένη βλαστικότητα των σπόρων όταν αυτοί εκτέθηκαν σε εναλλασσόμενες θερμοκρασίες 25/15 oC (θερμοκρασία ημέρας και νύκτας, αντίστοιχα) υπό 12 ώρες φωτοπεριόδου, εύρημα που προσθέτει γνώση γύρω από τη βλαστητική ικανότητα των σπόρων του ζιζανίου και έχει αποτελέσει αντικείμενο αρκετών ερευνών διεθνώς. Σε επόμενο πείραμα αξιολογήθηκε η τράπεζα σπόρων του εδάφους από τρία διαφορετικά βάθη (0-5 εκ., 5-10 εκ., και 10-15 εκ.) από καλλιεργούμενη έκταση όπου εφαρμόζεται συχνά κατεργασία και χορτοκοπή, και από ακαλλιέργητη έκταση όπου τα φυτά φτάνουν στο στάδιο της καρποφορίας. Τα ευρήματα αυτού του πειράματος ανέδειξαν ότι η τράπεζα σπόρων του εδάφους σε εκτάσεις όπου δεν καλλιεργούνται και τα φυτά διατηρούν τη σποροπαραγωγική τους ικανότητα καθώς δεν γίνεται διαχείριση τους, είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη τράπεζα σπόρων που βρίσκεται σε καλλιεργούμενες εκτάσεις, ενώ το μεγαλύτερο ποσοστό των σπόρων εμφανίζεται στα ανώτερα επιφανειακά εδαφικά στρώματα (0-5 εκ.). Το συγκεκριμένο εύρημα είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την λήψη αποφάσεων σχετικά με τη καταπολέμηση του ζιζανίου, καθώς όπως καταγράφεται και σε επόμενο πείραμα που είχε να κάνει με την ανάλυση της επίδρασης του βάθους και του μήκους των έρπουσων ριζών στο δυναμικό αναπαραγωγής του ζιζανίου, βρέθηκε ότι οι έρπουσες ρίζες του παρουσιάζουν παρόμοια ικανότητα παραγωγής βλαστών ανεξάρτητα από το βάθος που βρίσκονται (1, 5 και 10 εκ.) και το μήκος τους (2-3, 10, 20 και 30 εκ.). Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση της ανάπτυξης φυτών που προέρχονταν από αγενή και εγγενή πολλαπλασιασμό και βρέθηκε ότι κάτω από τις ίδιες συνθήκες ανάπτυξης τα φυτά που προέρχονται από αγενή πολλαπλασιασμό παρουσιάζουν μεγαλύτερο δυναμικό ανάπτυξης όσον αφορά διάφορα αγρονομικά χαρακτηριστικά (μήκος και βάρος ριζικού συστήματος, ύψος και βάρος βλαστών) σε σχέση με τα φυτά που προέρχονται από σπόρο. Αυτό το αποτέλεσμα ήταν αναμενόμενο αλλά δεν έχει καταγραφεί ξανά στην διεθνή βιβλιογραφία και αποτελεί σημαντικό στοιχείο για τον 2 καθορισμό του βέλτιστου σταδίου ανάπτυξης του ζιζανίου για εφαρμογή μεθόδων διαχείρισής του. Τέλος, δημιουργήθηκε ένας χάρτης της παγκόσμιας καταγραφής του S. elaeagnifolium που βασίστηκε σε κλιματική ταξινόμηση, ένας χάρτης πρόβλεψης της οικοτοπικής προσαρμοστικότητας του ζιζανίου, εκ νέου σε παγκόσμιο επίπεδο, αλλά και αρκετοί παγκόσμιοι χάρτες που δείχνουν την ευαισθησία του ζιζανίου σε διάφορες αβιοτικές καταπονήσεις. Οι συγκεκριμένοι χάρτες αποτελούν πρωτότυπο και καινοτόμο παράγωγο της παρούσας διδακτορικής διατριβής και αναμένεται να φανούν ιδιαίτερα χρήσιμοι για εγχώριες και διεθνείς έρευνες σχετικά με τη καταγραφή και τη διασπορά του S. elaeagnifolium. Στη δεύτερη πειραματική ενότητα αξιολογήθηκε ο αντίκτυπος του ανταγωνισμού του ζιζανίου στη καλλιέργεια σόγιας και βρέθηκε ότι το S. elaeagnifolium προκαλεί σημαντικές απώλειες στη παραγωγή όταν η άρδευση παραμένει χαμηλή (63.65-65.38%) και το ζιζάνιο αποκτάει πλεονέκτημα ως προς την ανάπτυξη σε σχέση με τη καλλιέργεια, ενώ οι απώλειες είναι χαμηλότερες όταν η άρδευση είναι υψηλή (10.25-33.27%). Λόγω της έλλειψης γνώσης σε διεθνές επίπεδο σχετικά με τη μείωση των αποδόσεων που προκαλείται από τον ανταγωνισμό ετήσιων καλλιεργειών με το S. elaeagnifolium, η παρούσα μελέτη αποτελεί πρότυπη για την διερεύνηση περαιτέρω επιπτώσεων του ανταγωνισμού στα ποιοτικά χαρακτηριστικά ετήσιων αροτραίων καλλιεργειών, όπως ο αραβόσιτος και το βαμβάκι. Η τρίτη πειραματική ενότητα αφορούσε τη διαχείριση του ζιζανίου με χημικές, μη χημικές και συνδυασμούς μεθόδων και συμβάλλει σημαντικά στη γνώση γύρω από την ολοκληρωμένη διαχείρισή του. Αρχικά, αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα χημικών μεθόδων εναντίον φυτών που προέρχονταν τόσο από εγγενή όσο και από αγενή πολλαπλασιασμό. Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών έδειξαν ότι τα ζιζανιοκτόνα επαφής pyraflufen-ethyl και glufosinate, και τα συνθετικά διασυστηματικά ζιζανιοκτόνα 2,4-D, MCPA, και glyphosate διατηρούν υψηλή αποτελεσματικότητα εναντίον του S. elaeagnifolium. Τα προφυτρωτικά ζιζανιοκτόνα S-metolachlor και isoxaben δείχνουν υψηλή αποτελεσματικότητα στην παρεμπόδιση της βλαστητικής ικανότητας των σπόρων του ζιζανίου. Πραγματοποιήθηκε επίσης αξιολόγηση της επίδρασης του σταδίου ανάπτυξης στην αποτελεσματικότητα του διασυστηματικού ζιζανιοκτόνου glyphosate όταν αυτό εφαρμόστηκε υπό διαφορετικά άλατα και βρέθηκε ότι διαφορετικά άλατα παρουσιάζουν ποικίλη αποτελεσματικότητα εναντίον φυτών S. elaeagnifolium που βρίσκονται είτε στο στάδιο της βλαστητικής ανάπτυξης (92-97%), είτε στην ανθοφορία (57-91%), είτε ακόμα και στην καρποφορία (77-100%). Τα πειράματα αξιολόγησης μη-χημικών μεθόδων για τη διαχείριση του ζιζανίου ανέδειξαν ότι η καινοτόμος θερμική τεχνική ζιζανιοκτονίας του ζεστού αφρού και η χορτοκοπή αποτελούν αποτελεσματικές εναλλακτικές των χημικών μεθόδων όταν αυτές εφαρμόζονται στο στάδιο της ανθοφορίας ώστε να μειωθεί το δυναμικό αναπαραγωγής του ζιζανίου και η σποροπαραγωγική του ικανότητα. Η εφαρμογή του ζεστού αφρού οδήγησε σε 2.7 φορές μείωση του αριθμού των καρπών σε σχέση με τον αμεταχείριστο μάρτυρα. Επίσης, πραγματοποιήθηκε πείραμα διάρκειας τριών ετών σε ελαιώνα όπου το ζιζάνιο ήταν το κυρίαρχο είδος για την ανάλυση της αποτελεσματικότητας της χορτοκοπής, χημικών μεθόδων και συνδυασμού τους ως προς τον ετήσιο έλεγχο του ζιζανίου και του αριθμού των βλαστών που εμφανίζονται την επόμενη χρονιά. Η συγκεκριμένη μελέτη ανέδειξε ότι τα συνθετικά ζιζανιοκτόνα MCPA, glyphosate και ο συνδυασμός τους προσφέρει υψηλό έλεγχο του ζιζανίου και μειώνει σημαντικά το δυναμικό αναπαραγωγής του την επόμενη χρονιά. Το μείγμα glyphosate+MCPA παρείχε 94.3-100% έλεγχο και 2.67 φορές λιγότερους βλαστούς δύο χρόνια μετά την εφαρμογή σε σύγκριση με το glyphosate μόνο. Παράλληλα, η χορτοκοπή στο στάδιο της ανθοφορίας και ο συνδυασμός της χορτοκοπής με συνθετικά ζιζανιοκτόνα προκαλεί μείωση της σποροπαραγωγικής ικανότητας του ζιζανίου (1.5 φορές σε σχέση 3 με τον αμεταχείριστο μάρτυρα). Με σκοπό τη μείωση των απαιτούμενων δόσεων για επαρκή αποτελεσματικότητα εναντίον του ζιζανίου, πραγματοποιήθηκαν πειράματα μεταβαλλόμενων δόσεων φυσικών και συνθετικών ζιζανιοκτόνων εναντίον φυτών που προέρχονταν από αγενή ή εγγενή πολλαπλασιασμό στα πλαίσια της τέταρτης και τελευταίας πειραματικής ενότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το φυσικό ζιζανιοκτόνο πελαργονικό οξύ και τα συνθετικά pyraflufen-ethyl, glyphosate, και MCPA μπορούν να εφαρμοστούν σε μειωμένες των συνιστωμένων δόσεις και να παρέχουν παρόμοια αποτελεσματικότητα. Συγκεκριμένα, για το glyphosate το ED90 επιτεύχθηκε με περίπου 2 φορές κάτω από τη συνιστώμενη, για το MCPA 2.8 φορές και για το pyraflufen-ethyl 3 φορές. Το συγκεκριμένο συμπέρασμα επικυρώθηκε και επαληθεύτηκε σε πείραμα αγρού που πραγματοποιήθηκε σε ελαιώνα όπου εκεί το μείγμα του glyphosate με MCPA σε μειωμένες δόσεις (28%) παρείχε παρόμοια ποσοστά ελέγχου (84-91%) σε σχέση με τις ανώτερες συνιστώμενες δόσεις των ζιζανιοκτόνων όταν αυτά εφαρμόστηκαν μόνα τους. Η σύσταση ζιζανιοκτονίας προέκυψε από το Σύστημα Υποστήριξης Λήψης Αποφάσεων IPMwise® το οποίο παραμετροποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής και περιλαμβάνει πλέον συστάσεις ζιζανιοκτονίας για τη διαχείριση του S. elaeagnifolium (προερχόμενο είτε από εγγενή είτε από αγενή πολλαπλασιασμό) σε ελαιώνα με χημικές, μη-χημικές και συνδυασμούς μεθόδων.

The aim of this thesis was to thoroughly evaluate different methods, strategies and decisions for the integrated management of the invasive weed Solanum elaeagnifolium Cav. through a series of field, greenhouse and laboratory experiments conducted during the three-year period 2020-2023 and aimed at developing a Decision Support System for the integrated management of the weed. The PhD thesis consists of four main experimental sections listed as follows: (1) biology, ecology, and dispersal experiments; (2) field experiments on S. elaeagnifolium competition with soybean and and its effect on its agronomic characteristics and yield; (3) integrated management experiments; and (4) decision support experiments. The first experimental section analyzed the effect of temperature on weed seed dormancy and germination where it was found that exposing seeds to low temperatures for one week in humid conditions resulted in increased seed germination when exposed to alternating temperatures of 25/15 oC (day and night temperatures, respectively) under a 12-hour photoperiod, a finding that adds knowledge about the germination capacity of weed seeds and has been the subject of several international studies. In a subsequent experiment, the soil seed bank was evaluated from three different depths (0-5 cm, 5-10 cm, and 10-15 cm) from cultivated land where tillage and mowing are frequently applied, and from uncultivated land where plants reach the fruiting stage. The findings of this experiment indicated that the soil seed bank in areas where no tillage is applied and the plants retain their seed-producing capacity as they are not managed is significantly larger than the seed bank in cultivated areas, with most of the seeds occurring in the upper surface soil layers (0-5 cm). This finding is particularly important for making decisions about weed control, since, as documented in a subsequent experiment analyzing the effect of depth and length of rhizomes on the weed's reproductive potential, it was found that rhizomes have a similar ability to produce shoots regardless of their depth (1, 5 and 10 cm) and length (2-3, 10, 20 and 30 cm). In addition, an evaluation of the growth of plants derived from seeds and vegetative propagation was carried out and it was found that under the same growth conditions, plants derived from vegetative propagation show a higher growth potential in terms of various agronomic characteristics (root system length and weight, height and weight of shoots) than plants derived from seed. This result was expected but has not been reported before in the international literature and is an important element in determining the optimal stage of weed growth for the application of weed management methods. Finally, a map of the global record of S. elaeagnifolium based on a climatic classification, a map predicting the ecotopic adaptability of the weed, again at the global level, and several global maps showing the sensitivity of the weed to various abiotic stresses were produced. These maps are an original and innovative derivative of this PhD thesis and are expected to be particularly useful for domestic and international research on the inventory and distribution of S. elaeagnifolium. The second experimental section evaluated the impact of weed competition on the soybean crop and found that S. elaeagnifolium causes significant yield losses when 5 irrigation remains low (63.65-65.38%) and the weed gains a growth advantage over the crop, while losses are lower when irrigation is high (10.25-33.27%). The third experimental section was on weed management using chemical, non-chemical and combinations of methods and contributes significantly to the knowledge on integrated weed management. Initially, the effectiveness of chemical methods against plants derived from both sexual and asexual propagation was evaluated. The results of these studies showed that the contact herbicides pyraflufen-ethyl and glufosinate, and the synthetic systemic herbicides 2,4-D, MCPA, and glyphosate maintained high efficacy against S. elaeagnifolium. The pre-emergent herbicides S-metolachlor and isoxaben show high efficacy in inhibiting seed germination. An evaluation of the effect of growth stage on the efficacy of the systemic herbicide glyphosate when applied under different salts was also carried out and it was found that different salts show varying efficacy against S. elaeagnifolium plants that are either at the vegetative growth stage (92-97%), flowering (57-91%) or even fruiting (77-100%). Experiments evaluating non-chemical methods for weed management have shown that the innovative thermal herbicide technique of hot foam and mowing are effective alternatives to chemical methods when applied at the flowering stage to reduce the weed's reproductive potential and seed-producing capacity. The application of the hot foam led to a 2.7-fold reduction in the number of fruits compared to the untreated control. Also, a three-year experiment was conducted in an olive grove where weed was the dominant species to analyze the effectiveness of mowing, chemical methods and their combination in terms of annual control of weed and the number of shoots appearing in the following year. This study indicated that synthetic herbicides MCPA, glyphosate and their combination provide high weed control and significantly reduce the potential for weed reproduction the following year. The tank-mixture of glyphosate+MCPA provided 94.3-100% control and 2.67-fold fewer shoots two years after the application compared to the glyphosate alone. At the same time, mowing at the flowering stage and combining mowing with synthetic herbicides causes a reduction in the weed's seed production capacity (1.5 times compared to the untreated control). In order to reduce the doses required for sufficient efficacy against the weed, experiments with varying doses of natural and synthetic herbicides against plants derived from vegetative or vegetative propagation were carried out in the fourth and last experimental section. The results showed that the natural herbicide pelargonic acid and the synthetic herbicides pyraflufen-ethyl, glyphosate, and MCPA can be applied at reduced recommended doses and provide similar efficacy. In particular, for glyphosate the ED90 was achieved at about 2 times below the recommended, for MCPA 2.8 times and for pyraflufen-ethyl 3 times. This conclusion was validated and verified in a field experiment conducted in an olive grove where a mixture of glyphosate with MCPA at reduced doses (28%) provided similar control rates (84-91%) as the higher recommended doses of the herbicides when applied alone. The herbicide recommendation was derived from the IPMwise® Decision Support System which was parameterized as part of this PhD thesis and now includes herbicide recommendations for the management of S. elaeagnifolium (derived from either native or asexual propagation) in olive groves using chemical, non-chemical and combinations of methods.