Towards a sustainable use of plant protection products in orchards: implementation of canopy-adapted spray technology and new developments for spray efficiency evaluation

Abstract

(English) The application of Plant protection products (PPP) is one of the most widely used solutions to effectively control pests and diseases during orchard management, guaranteeing the yield and production of fruits. Farmers normally tend to overdose spray with a high application volume rate to assure biological efficacy, despite big variability in canopy structure and vegetation volume due to crop type and growth stage. This inefficient conventional application produces huge off-target losses, which causes not only the waste of PPP and applied water but also adverse effects on human health and the environment. The adverse effects of agrichemical applications have raised great public concerns about the safe use of pesticides. To address this issue, the recently published Farm to Fork Strategy proposed two ambitious objectives concerning the use of PPP in Europe: reducing the overall use and risk of both chemical pesticides and more hazardous pesticides by 50% by 2030. Considering the large PPP usage in orchards and the complexity of canopy characteristics, the optimization of spray application in orchards will be an important part and also a major challenge in achieving the sustainable use of PPP.

Conventional spray application in orchards can be improved in different aspects for safer and more effective use of PPP. Appropriate dose adjustment to determine the actual amount of applied PPP is an important measure to increase application efficiency. Additionally, following the best management practices, to optimize sprayer structure and working parameters to match the target canopy can enhance canopy deposits and mitigate off-target losses. Benefiting from the precise detection and characterization of target canopy by different sensors, variable-rate spraying technology has made significant advancements in recent years, allowing for real-time adjustments of applied liquid rate based on detected canopy characteristics. Furthermore, the use of various spraying support software and tools for decision support, spray quality evaluation, and risk assessment can greatly benefit farmers and operators in practice.

Though a number of available methods and tools can be used to optimize PPP application, more research is needed to explore optimal spray application for specific application scenarios considering the complexity of orchard canopies and the diversity in the distribution and habits of pests and diseases. It is necessary to evaluate and quantify the potential improvement in spray quality and PPP savings of these different optimization measures compared to the conventional application. The obtained data from laboratory and field tests can serve as an important reference and guidance to achieve the goal of pesticide reduction in the Farm to Fork Strategy. In this context, the main objective of this doctoral thesis is to improve spray applications in orchards from two major aspects: a) to evaluate and quantify the potential improvement of canopy-adapted spray technology (optimized spray application to match overall canopy characteristics and variable rate application to adapt to variation of vegetation within the orchard) in PPP use, spray quality and biological efficacy through field tests, and b) to develop new methodologies for spray quality evaluation.

(Español) La aplicación de productos fitosanitarios (PF) es una de las soluciones más ampliamente utilizadas para controlar de manera efectiva plagas y enfermedades durante la gestión de las plantaciones frutales, garantizando el rendimiento y la producción de frutas. Los agricultores suelen tender a aplicar un exceso de pulverización con una alta tasa de volumen para asegurar la eficacia biológica, a pesar de la gran variabilidad en la estructura de los árboles y el volumen de vegetación debido al tipo de cultivo y la etapa de crecimiento. Esta aplicación convencional ineficiente produce enormes pérdidas fuera del objetivo, lo que provoca no solo el desperdicio de PF y agua aplicada, sino también efectos adversos en la salud humana y el medio ambiente. Los efectos adversos de las aplicaciones de productos agroquímicos han suscitado grandes preocupaciones públicas sobre el uso seguro de los plaguicidas. Para abordar este problema, la recientemente publicada Estrategia De la Granja a la mesa (Farm to Fork Strategy) propuso dos objetivos ambiciosos relacionados con el uso de PF en Europa: reducir en un 50% el uso global y el riesgo tanto de productos fitosanitarios de síntesis (químicos) como de los más peligrosos para 2030. Dada la gran utilización de PF en huertos y la complejidad de las características de la vegetación objetivo, la optimización de la aplicación de pulverización en plantaciones frutales será una parte importante y también un desafío importante para lograr el uso sostenible de los productos fitosanitarios.

La aplicación convencional de pulverización en cultivos frutales puede mejorarse en diferentes aspectos para un uso más seguro y efectivo de los productos fitosanitarios. Ajustar adecuadamente la dosis para determinar la cantidad real aplicada es una medida importante para aumentar la eficiencia de la aplicación. Además, seguir las mejores prácticas de gestión para optimizar la estructura del pulverizador y los parámetros de trabajo para que coincidan con las características del objetivo pueden mejorar la deposición del producto en hoja y mitigar las pérdidas fuera del objetivo. Beneficiándose de la detección y caracterización precisa del objetivo mediante el uso de diferentes sensores, la tecnología de aplicación variable (VRA del inglés Variable Rate Application) ha avanzado significativamente en los últimos años, permitiendo ajustes en tiempo real de la tasa de líquido aplicado según las características detectadas de la vegetación. Además, el uso de diversos programas o herramientas de apoyo a la pulverización y herramientas para la toma de decisiones, la evaluación de la calidad de la pulverización y la evaluación de riesgos puede beneficiar en gran medida a los agricultores y usuarios en sus actividades diarias.

Aunque existen varios métodos y herramientas disponibles para optimizar la aplicación de productos fitosanitarios, se necesita más investigación para explorar la aplicación de pulverización óptima para escenarios de aplicación específicos, dada la complejidad y variabilidad de las plantaciones frutícolas y la diversidad en la distribución y hábitos de plagas y enfermedades. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es mejorar las aplicaciones de productos fitosanitarios en plantaciones frutales desde dos perspectivas principales: a) evaluar y cuantificar la mejora potencial de la tecnología de pulverización adaptada a la estructura de la vegetación (aplicación de pulverización optimizada y aplicación de precisión) en el uso de productos fitosanitarios, calidad de pulverización y eficacia biológica a través de pruebas de campo, y b) desarrollar nuevas metodologías para la evaluación de la calidad de la pulverización.