Quantifying herbicide injuries in maize by use of remote sensing

Abstract

Maize breeders and plant protection companies require early information about negative side effects of herbicides on maize plants to identify cultivars which are susceptible to specific herbicide agents. Experiments were conducted in 2005 and 2006 to quantify herbicide injuries in maize. In 2005, sulfonylurea type herbicides and an untreated control were established in a susceptible and an insusceptible maize cultivar at University of Bonn, Research Station Dikopshof. Multispectral images were taken via airborne remote sensing after herbicide application. The normalized difference vegetation index (NDVI), an indicator for crop vitality, was calculated. Biomass was assessed before harvest. Yield was mapped at harvest. In 2006, 12 maize cultivars were sown in strips at Dingbuchenhof, near Erkelenz. Plots with an untreated control and plots with two doses of a sulfonylurea type herbicide were established square to the direction of the maize strips. Maize vitality was observed by visual ratings after spraying. Multispectral images were taken via airborne remote sensing and NDVI was calculated.

In 2005, corn and straw biomass was significantly reduced in the treated plots within the susceptible cultivar. NDVI values and crop yields were reduced in the plots treated with sulfonylurea type herbicides. High correlations between NDVI- and yield values were calculated. However, no differences were assessed in the insusceptible maize cultivar.

In 2006, overdoses of the sulfonylurea type herbicide caused vitality losses in almost all cultivars. Observations on crop vitality from visual ratings corresponded in many cases with the vitality values (NDVI) measured with remote sensing. Visual ratings can be influenced by individual estimation mistakes. By contrast, remote sensing enables numerically discrimination of herbicide injury in entire maize fields. This kind of measure may be helpful to accelerate the detection process of maize cultivars that are susceptible to herbicides.

Keywords: Crop vitality, digital measure, on-farm-research, sulfonylurea type herbicides

Quantifizierung von Herbizidschäden in Mais mit Hilfe von Fernerkundung

Maiszüchter und Hersteller von Pflanzenschutzmitteln benötigen Informationen, um die Herbizidverträglichkeit von Maissorten frühzeitig abschätzen zu können. Es wurden Feldversuche durchgeführt, um Schädigungen von Herbiziden an Mais zu detektieren und zu quantifizieren. Im Jahr 2005 wurden Sulfonylharnstoffe im Vergleich zu einer unbehandelten Kontrolle in je einer gegenüber dieser Herbizidgruppe unempfindlichen und einer empfindlichen Maissorte appliziert (Versuchsgut Dikopshof der Universität Bonn). Nach der Herbizidapplikation wurde die Versuchsfläche aus der Luft mit einer Multispektralkamera aufgenommen. Der „Normalized Difference Vegetation Index“ (NDVI), ein Indikator für Vitalität der Pflanzen, wurde in allen Varianten berechnet. Vor der Ernte wurde die Biomasse bestimmt. Zur Ernte wurde der Ertrag in den Parzellen per Ertragskartierung erfasst. Im Jahr 2006 wurden 12 Maissorten in Streifen nebeneinander angelegt (Dingbuchenhof bei Erkelenz). Im rechten Winkel zur Anlage der Sorten wurden ebenfalls in Streifen zwei Dosierungen eines Herbizides aus der Gruppe der Sulfonylharnstoffe appliziert. Ein unbehandelter Kontrollstreifen wurde zum Vergleich ebenfalls quer über die Sorten angelegt. Die Vitalität der Sorten in den Varianten wurde visuell geschätzt. Gleichzeitig wurde die Versuchsanlage aus der Luft mit einer Multispektralkamera aufgenommen. Der NDVI wurde in allen Varianten berechnet. 

Ergebnisse 2005: Die Biomasse war in den behandelten Parzellen der empfindlichen Sorte stark reduziert. Ebenfalls waren die NDVI-Werte sowie die Erträge in den behandelten Parzellen wesentlich niedriger als in den unbehandelten. NDVI-Werte und Erträge waren positiv miteinander korreliert. In der unempfindlichen Maissorte gab es keine Unterschiede zwischen behandelten und unbehandelten Parzellen.

Ergebnisse 2006: Überdosierungen führten zu Vitalitätsverlusten an nahezu allen getesteten Maissorten. Visuelle Schätzungen folgten dem gleichen Trend wie die NDVI-Werte. Visuelle Bonituren sind durch individuelle Schätzfehler beeinflusst und zeitintensiv. Sensorische Bestimmung der Vitalität via Fernerkundung mit Multispektralkamera ermöglicht es dagegen, Vitalitätsverluste durch Herbizide numerisch zu erfassen, wodurch der Prozess der Identifizierung von herbizidempfindlichen Maissorten beschleunigt werden könnte.

Stichwörter: Digitale Messung, On-Farm-Experiment, Sulfonylharnstoffe, Vitalität von Pflanzen