Pesticide dose adjustment in 3D crops

Abstract

En l’actual situació de creixement continuat de la població mundial, la producció suficient d’aliments no pot ser garantida sense l’ús de productes fitosanitaris (PF). No obstant, el seu ús no resta exempt de notables dificultats com l’elevat cost dels programes de lluita química pel control de les plagues i malalties que, en el cas de la fructicultura i la viticultura, representen fins al 30% dels costos totals de producció. A més a més, l’ús de PF comporta riscs importants per la salut humana i el medi ambient. A tot això, s’hi ha de sumar la creixent desconfiança, quan no el rebuig, d’amplis sectors de la societat. Per tal de reduir el seu impacte, la Comissió Europea mitjançant el pacte verd i, en concret, a través de l’estratègia de la granja a la taula, pretén reduir el consum i el risc associat als PF en un 50% en l’any 2030. En aquest context, són necessàries eines cientificotècniques validades per reduir de les dosis a les mínimes imprescindibles sense comprometre la collita. En aquesta Tesi es presenta i valida el sistema d'ajuda a la presa de decisió DOSA3D, el qual permet ajustar el volum de caldo i la dosi de PF en cultius arboris (cultius 3D) a partir de les característiques del cultiu (àrea foliar objectiu i geometria ), el polvoritzador i la plaga o malaltia a controlar. La validació del sistema DOSA3D s’ha dut a terme en tractaments uniformes i en tractaments zonals en base a mapes de vigor atenent a dos criteris, les deposicions sobre l’objectiu tractat i l’eficàcia en el control de plagues i malalties. En base a això, les hipòtesis contrastades han estat: i) el “Leaf Area Index” (LAI) o índex d’àrea foliar (paràmetre més rellevant per l’ajust de la dosis) és estimat correctament a partir de la geometria de la vegetació i de l’estat fenològic de la vinya; ii) l’eficiència del tractament calculada mitjançant el sistema DOSA3D s’ajusta a la realitat operativa dels tractaments; iii) la deposició a les fulles és un paràmetre que es relaciona bé amb l’eficàcia biològica del tractament; iv) el volum de caldo establert pel sistema DOSA3D permet obtenir deposicions similars a l’objectiu llindar (1.2 µl cm-2) i, conseqüentment, obtenir l’eficàcia adequada; i, v) el tractament zonal de la vinya a partir de mapes de vigor, ajustant la dosi mitjançant el sistema DOSA3D, permet assolir deposicions optimes i l’eficàcia biològica esperada en els diferents vigors. El cos de la Tesi Doctoral es divideix en tres blocs. El primer està dedicat a la revisió de l’estat de l’art en matèria d’expressió i l’ajustament de la dosi i a la comparació entre els diferents sistemes existents per a la presa de decisió en l’ajustament de la dosi. El segon bloc de la Tesi inclou dos capítols dedicats als fonaments del sistema DOSA3D i a la seva validació en el cultiu de la de vinya. això Amb aquesta finalitat, s’han practicat defoliacions de trams de vinyes en espatllera, donant-se per vàlid el model d’estimació del LAI del sistema DOSA3D vinyes de fins a 1.25 m d’amplada. També, mitjançant la metodologia descrita a la norma ISO 22522:2007, s’ha determinat la deposició foliar en tractaments ajustats, posant-se de manifest la marcada tendència a la uniformització de les deposicions en la mesura que incrementa el LAI. També, el sistema DOSA3D ha estat validat al llarg de tota la campanya per l’eficàcia en el control de l’oïdi (Erysiphe necator Schw.) en quatre assajos independents en els que les dosis de PF s’han reduït fins al 60% respecte a l’estratègia realitzada per l’agricultor. En el tercer bloc s’han validat els tractaments zonals a dosis ajustades mitjançant el sistema DOSA3D en vinyes espacialment variables. Mitjançant l’índex de vigor “Plant Cell Density” (PCD), establert a partir d’imatges multiespectrals adquirides des d’un avió, s’han confeccionat mapes de dos vigors i els consegüents mapes de prescripció. En tots els casos, la deposició foliar no ha presentat diferencies significatives entre classes de vigor i l’eficàcia dels tractaments en el control del àcar groc (Eotetranychus carpini Oud.) i el mosquit verd (Empoasca vitis G. y Jacobiasca lybica Berg. & Zanon) ha permès situar la densitat de la plaga per sota dels llindars econòmics de danys en ambdues classes de vigor, comportant estalvis de PF entre el 16,6 i el 24,8% en les zones de baix vigor. Les conclusions obtingudes en la present Tesi Doctoral proporcionen les evidències cientificotècniques necessàries per utilitzar el sistema DOSA3D de manera sanitàriament segura (garantint l’eficàcia biològica). El sistema es mostra com una eina a ser considerada pels seus efectes beneficiosos per part dels agents interessats (agricultors, assessors en sanitat vegetal, indústria química, constructors d’equips de tractaments i autoritats reguladores) així com per la seva contribució a la consecució dels objectius de la Comissió Europea en matèria de reducció de l'ús dels PF.

En la situación de crecimiento continuado de la población mundial, la producción suficiente de alimentos no puede ser garantizada sin los productos fitosanitarios (PF). No obstante, su empleo no está exento de graves dificultades como el elevado coste de los programas de lucha química contra las plagas y enfermedades que, para el caso de la producción frutal y el viñedo, pueden representar hasta el 30% del total de los costes de producción. Además, el uso de PF conlleva riesgos importantes para la salud humana y el medio ambiente. A todo ello hay que añadir la desconfianza creciente, cuando no el rechazo, de amplias capas de la sociedad en relación a los PF. Para reducir su impacto, la Comisión Europea mediante el pacto verde y, en concreto, a través de la estrategia de la granja a la mesa, pretende reducir el consumo y el riesgo asociado a los PF en un 50% para el año 2030. En este contexto, se hacen necesarias herramientas científico-técnicas validadas para el ajuste de las dosis a las mínimas imprescindibles sin comprometer la cosecha. En esta Tesis se presenta y valida el sistema de ayuda a la toma de decisión DOSA3D, el cual permite ajustar el volumen de caldo y la dosis de PF en cultivos arbóreos (o cultivos 3D) a partir de las características del cultivo (área foliar objetivo y geometría), el pulverizador y la plaga o enfermedad a controlar. La validación del sistema DOSA3D se ha llevado a cabo en tratamientos uniformes y en tratamientos zonales en base a mapas de vigor atendiendo a dos criterios, las deposiciones sobre el objetivo tratado y la eficacia en el control de plagas y enfermedades. A tal fin, las hipótesis contrastadas han sido: i) el Leaf Area Index (LAI) o índice de área foliar (parámetro más relevante para el ajuste de la dosis) es estimado correctamente a partir de la geometría de la vegetación y del estado fenológico del viñedo; ii) la eficiencia del pulverizador calculada mediante el sistema DOSA3D se ajusta a la realidad operativa de los tratamientos; iii) la deposición en hojas es un parámetro que se relaciona bien con la eficacia biológica del tratamiento; iv) el volumen de caldo establecido por el sistema DOSA3D permite obtener deposiciones similares al objetivo umbral (1.2 µl cm-2) y, consecuentemente, conseguir la eficacia adecuada; y, v) el tratamiento zonal en viñedo a partir de mapas de vigor, ajustando la dosis mediante el sistema DOSA3D, permite alcanzar deposiciones óptimas y la eficacia biológica esperada en los distintos vigores. El cuerpo de la Tesis se divide en tres bloques. El primero está dedicado a la revisión del estado del arte en materia de la expresión y ajuste de la dosis y a la comparación entre los diferentes sistemas al uso para el ajuste de la dosis. El segundo bloque de la tesis incluye dos capítulos dedicados a los fundamentos del sistema DOSA3D y a su validación en viñedo. Para ello se han practicado defoliaciones de tramos de vides en espaldera, dándose por válido el modelo de estimación del LAI del sistema DOSA3D para espalderas de hasta 1.25 m de anchura. Asimismo, mediante la norma ISO 22522:2007, se ha determinado la deposición foliar, lo que ha puesto de manifiesto la tendencia marcada a la homogenización de las deposiciones en la medida que incrementa el LAI. También, el sistema DOSA3D ha sido validado a lo largo de toda la campaña por eficacia en el control de oídio (Erysiphe necator Schw.) en cuatro ensayos independientes en los que se ha reducido la dosis entre 0% y 60% respecto a la aplicada por el agricultor. En el tercer bloque se han validado los tratamientos zonales a dosis ajustadas mediante el sistema DOSA3D en viñedos espacialmente variables. Mediante el índice de vigor Plant Cell Density (PCD), establecido a partir de imágenes multiespectales adquiridas desde avión, se han confeccionado mapas de clasificación zonal en dos vigores y el consiguiente mapa de prescripción. La deposición foliar no ha presentado diferencias significativas entre clases de vigor y la eficacia de los tratamientos en el control de ácaro amarillo (Eotetranychus carpini Oud.) y mosquito verde (Empoasca vitis G. y Jacobiasca lybica Berg. & Zanon) han permitido situar la densidad de las plagas por debajo de los umbrales económicos de daño en ambas clases de vigor, comportando ahorros de PF entre el 16.6 y el 24.8% en las zonas de bajo vigor.

In the current situation of a growing world population, it is not possible to ensure the production of sufficient food without phytosanitary products (PPs). However, their use has considerable drawbacks such as high costs of chemical control programs against pests and diseases. For instance, in the integrated pest control strategies implemented in orchards and vineyards they may represent up to 30% of the total production costs. Furthermore, the use of PPs can pose important risks to human health and to the environment. In addition, broad sectors of society increasingly distrust and reject the use of PPs. In order to reduce the negative impacts of PPs, the European Union developed the green deal and, through the implementation of the “from farm to fork” strategy, aims to reach a 50% reduction of the consumption and risks associated to PPs for the year 2030. In this context, reliable scientific and technical tools are needed to allow adjustment of application doses to the minimum doses required for effective control, that is without reducing the harvest. Throughout this thesis, the DOSA3D decision support system is presented and validated, this system allows to adjust the volume and dose rates of the PPs for fruit crops (3D crops) according to the characteristics of the crop (leaf area and geometry), the sprayer and the target pest or disease. The validation of the DOSA3D system has been carried out for both uniform applications and zonal applications based on vigour maps, according to the following two criteria: on-target product deposition and efficacy of pest and disease control. In order to do so, the following hypothesis were tested: i) the LAI or leaf area index (the most relevant parameter for adjusting the dose) is estimated correctly from the geometry of the vegetation and the phenological stages of the vineyard; ii) the efficiency of the sprayer, calculated by means of the DOSA3D system is adjusted to the operational reality of the applications; iii) deposition on leaves is a parameter that correlates well to the biological efficacy of the application; iv) the volume rate established by the DOSA3D system allows to obtain leaf depositions close to the objective threshold (1.2 µl cm-2) and, consequently, achieve the appropriate efficacy; and v) the zonal application in vineyards based on vigour maps, after adjusting the dose by means of the DOSA3D system, allows to achieve optimal depositions and therefore the expected biological efficacy for the different vigour zones. The body of this thesis is divided into three parts. The first part consists of a revision of the state of the art regarding dose expression and adjustment and different existing dose adjustment decision support systems. The second part of the thesis includes two chapters dedicated to the technical rationale of the DOSA3D system and its validation in vineyards. Sections along the vine trellis were defoliated in order to validate the LAI estimation model of the DOSA3D system for trellises up to 1.25 m wide. Likewise, the ISO standard 22522:2007 was used to determine the foliar deposition, this evidenced a marked tendency to the homogenisation of the depositions as LAI increases. In addition, the DOSA3D system has been validated throughout the entire season for the control of powdery mildew (Erysiphe necator Schw.), in four independent trials in which the dose was reduced up to 60%, compared to the doses used by the farmer. In the third part of the thesis, the DOSA3D system is validated for zonal applications of adjusted doses in spatially variable vineyards. Zonal classification maps, and the corresponding prescription maps, were built based on the Plant Cell Density (PCD) vigour index, established from aerial multispectral images. Leaf deposition did not present significant differences between vigour classes and the reduced-dose applications for control of yellow spider-mite (Eotetranychus carpini Oud.) and leafhoppers (Empoasca vitis G. and Jacobiasca lybica Berg. & Zanon) allowed to reduce pest density bellow the economic damage thresholds in both vigour classes, resulting in PPs reductions between 16.6 and 24.8% in low vigour zones. The conclusions reached in this thesis provide the scientific and technical evidences required for the safe use of the DOSA3D system for delivery of reliable control of pests and diseases. The system has proved to be a useful tool due to its benefits for stakeholders (farmers, advisors in plant protection, the chemical industry, constructors of application equipment and regulatory authorities) and its contribution to the achievement of European Commission objectives regarding reduction in the use of PPs.