Herbizidspraydrift aus Boden- und Luftanwendungen: Auswirkungen auf potenzielle Nahrungsquellen für Bestäuber | Beijing AgileLift Ventures Group Co., Ltd

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18017 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Es wurde ein Feldspray-Drift-Experiment mit Florpyrauxifen-Benzyl durchgeführt, um die Drift von kommerziellen Boden- und Luftanwendungen zu messen, die Auswirkungen von Sojabohnen [Glycine max (L.) Merr.] zu bewerten und mit Driftmodellen der US-Umweltschutzbehörde (US EPA) zu vergleichen. Die gesammelten Felddaten stimmten mit den Modellvorhersagen der US-EPA überein. Wenn beide Systeme einen groben Sprühstrahl bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 13 km/h ausbrachten, kam es bei der Anwendung aus der Luft im Vergleich zur Bodenanwendung zu einer 5,0- bis 8,6-fachen Zunahme der Abdrift und anschließend zu einer 1,7- bis 3,6-fachen Zunahme Schädigung von Sojabohnen gegen den Wind. Die Fortpflanzungsstrukturen von Sojabohnen wurden nach der Herbizidexposition stark reduziert, was sich möglicherweise negativ auf die Nahrungsquellen der Bestäuber auswirkte. Bei Boden- und Luftanwendungen wurde eine etwa 25-prozentige Reduzierung der Fortpflanzungsstrukturen bis zu 30,5 m in Windrichtung und eine fast 100-prozentige Reduzierung bei 61 m in Windrichtung beobachtet. Luftanwendungen würden ähnlich wie bei Bodenanwendungen drei bis fünf Anpassungen der Schwadbreite gegen den Wind erfordern, um das Abdriftpotenzial zu reduzieren.

With 366 million hectares treated globally, synthetic auxin herbicides (WSSA Group 4) are the third most frequently used herbicide site-of-action behind acetolactate synthase-inhibitors (WSSA Group 2) and 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase-inhibitors (WSSA Group 9)1. Their extensive use for selective broadleaf weed management started with the introduction of 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid) in the mid-1940s1 and have been frequently used in rice (Oryza sativa L.) production systems2. Recently, synthetic auxin herbicide use has further increased due to herbicide resistance concerns (2022). Accessed January 25, 2022." href="/articles/s41598-022-22916-4#ref-CR3" id="ref-link-section-d197587924e592"> 3 und die Einführung von Sojabohnen- [Glycine max (L.) Merr] und Baumwollsorten (Gossypium hirsutum L.), die gegen Dicamba4 und 2,4-D5 resistent sind. Synthetische Auxin-Herbizide werden klassifiziert als Aryloxyacetate (2,4-D, MCPA, Dichlorprop, Mecoprop, Triclopyr und Fluroxypyr), Benzoate (Dicamba), Chinolin-2-carboxylate (Quinclorac und Quinmerac), Pyrimidin-4-carboxylate (Aminocyclopyrachlor). , Pyridin-2-carboxylate (Picloram, Clopyralid und Aminopyralid) und 6-Arylpicolinat-Herbizide (Arylex™ active und Rinskor™ active)6. Florpyrauxifen-benzyl [Benzyl-4-amino-3-chlor-6-(4-chlor-2-fluor-3-methoxyphenyl)-5-fluorpicolinat] wurde 2018 unter dem Handelsnamen Loyant™ mit dem Wirkstoff Rinskor™ gegen Unkraut vermarktet Kontrolle in Reis7. Es wurde zunächst schnell von Reisbauern im mittleren Süden der USA übernommen, da es zur Bekämpfung von drei der fünf problematischsten Unkräuter im Reisanbau eingesetzt werden kann: Hühnerhirse (Echinochloa crus-galli P. Beauv), Segge spp. (Cyperus spp.) und Palmer Amaranth (Amaranthus palmeri S. Wats.)8,9.

Der Einsatz synthetischer Auxin-Herbizide zur Bekämpfung problematischer Unkräuter hat zu zahlreichen Bedenken hinsichtlich der Schädigung benachbarter empfindlicher Vegetation und Nutzpflanzen durch Herbiziddrift geführt10,11. Im Jahr 2017 wurden beispielsweise in den Vereinigten Staaten etwa 1,5 Millionen Hektar von Dicamba-geschädigten Sojabohnen gemeldet12. Im Jahr 2018 trat in Arkansas die Verbreitung von Florpyrauxifen-Benzyl außerhalb des Zielgebiets in den Vordergrund, was zu einer Stellungnahme des Arkansas State Plant Board13 führte. Es gibt mehrere Möglichkeiten für die Ausbreitung von Herbiziden außerhalb des Zielobjekts. Der Schwerpunkt liegt jedoch typischerweise auf der Drift von Sprühpartikeln, da Managementstrategien implementiert werden können, um diese Form der Bewegung außerhalb des Ziels abzuschwächen. Beispielsweise nimmt das Driftpotenzial der Sprühpartikel mit abnehmender Tröpfchengröße zu; Dies macht die Tröpfchengröße zu einem entscheidenden Faktor für Herbizidanwendungen14. Zu den Anwendungspraktiken und Entscheidungen, die die Tröpfchengröße von Luft- und Bodensprühgeräten beeinflussen, gehören Düsentyp und -größe15, Sprühdruck16, Herbizidformulierungen17 und Sprühmischungen18. In Arkansas entfallen 49 % der Herbizidanwendungen auf gemeldeten landwirtschaftlich genutzten Hektar auf Bodenanwendungsgeräte, während für 51 % der Herbizidanwendungen Luftanwendungsgeräte verwendet werden19. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen jeder Anwendungsmethode auf die Drift von Herbizidsprays zu verstehen, insbesondere synthetische Auxine wie Florpyrauxifen-Benzyl.

Bestäuber sind für die globale Agrarproduktion unerlässlich. In den Vereinigten Staaten belaufen sich die jährlichen Bestäubungsdienste für alle Nutzpflanzen, die eine direkte Bestäubung erfordern, auf mehr als 15 Milliarden US-Dollar, wobei Wildbienengemeinschaften etwa 3,5 Milliarden US-Dollar dieser Bestäubungsdienste ausmachen20. Bedauerlicherweise gehen die Bestäuberpopulationen zurück21 aufgrund mehrerer Stressfaktoren22, darunter der Einsatz von Insektiziden und unzureichendes Futter die beiden Hauptstressfaktoren für Bestäuber in Agrarökosystemen23. Es hat sich gezeigt, dass Herbizide die Blütenproduktion reduzieren und die Blüte verzögern24 sowie die Nektarquellen und die Blütendichte um bis zu 85 % reduzieren, was sich auf den Besuch von Bestäubern auswirken könnte25. Sojabohnenblüten können für verschiedene besuchende Bestäuber eine Nektar- und Pollenquelle sein26. Sein Pollen wurde bei bis zu 38 % der von Gill und O'Neal27 untersuchten Bienen gefunden. Sojabohnen reagieren jedoch empfindlich auf mehrere synthetische Auxin-Herbizide, einschließlich subletaler Raten von Florpyrauxifen-Benzyl28. Beispielsweise führte eine subletale Menge an Florpyrauxifen-Benzyl, die in den Stadien R4 und R5 angewendet wurde, zu einer Ertragsminderung von 15 bzw. 24 % bei den Nachkommen29. Es fehlen jedoch Untersuchungen zur tatsächlichen Sprühdrift von Florpyrauxifenbenzyl aus Boden- und Luftanwendungsgeräten und den daraus resultierenden Auswirkungen auf Sojabohnen und potenzielle Nahrungsquellen für Bestäuber. Dennoch können diese Informationen die Vorhersage von Bedenken hinsichtlich der Drift von Auxin-Herbiziden verbessern und Landwirten dabei helfen, die Bewegung außerhalb des Zielgebiets zu reduzieren.

Die Richtlinien der US-Umweltschutzbehörde (US EPA) für die Erstellung von Herbizidetiketten und die Bewertung potenzieller Driftrisiken umfassen die Verwendung von Daten zur Sprühtröpfchengröße und Computersimulationsmodellen, einschließlich AgDRIFT und AgDISP. AgDRIFT ist eine modifizierte Version von AgDISP, die als erstes Screening-Modell zur Abschätzung der Deposition in Windrichtung aus Boden-, Luft- und Obst-/Weinberganwendungen dient. Das Agricultural DISPersal (AgDISP)-Modell ermöglicht detailliertere Eingabebedingungen und eine übergeordnete Modellierung von Sprühanwendungen aus der Luft und am Boden30,31,32. Das Modell wurde zuvor von Fritz et al.17 verwendet, um die Auswirkung von Änderungen der Tröpfchengröße, die aus Schwankungen der Fluggeschwindigkeit resultieren, auf die Bewegung vor dem Wind zu bewerten. Das Modell wurde kontinuierlich verbessert und um bemerkenswerte Funktionen erweitert, die die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Vorhersagen verbesserten33,34,35, und seine Verwendung wurde erweitert, um zusätzlich zu Luftanwendungen auch das Driftpotenzial bodengestützter Sprühanwendungen zu modellieren. Allerdings ist eine Validierung dieser Modelle mit physikalisch erfassten Sprühdriftdaten und Schäden an windabgewandten Pflanzenarten erforderlich.

Das erste Ziel dieser Forschung bestand darin, die physikalische Sprühdrift von Florpyrauxifen-Benzyl zu messen und die Sprühbewegung außerhalb des Ziels von häufig verwendeten Boden- und Luftapplikationsgeräten zu vergleichen. Das zweite Ziel bestand darin, die Auswirkungen der Abdrift des Herbizidsprays in Windrichtung auf anfällige Sojabohnen, insbesondere auf Wachstum und Fortpflanzungsstrukturen, zu bewerten, um mögliche Einflüsse auf die Nahrungsquellen von Bestäubern abzuschätzen. Das endgültige Ziel dieser Forschung bestand darin, gemessene Ablagerungen in Windrichtung mit den vorhergesagten Ablagerungen in Windrichtung von AgDISP zu vergleichen.

Das Feldspraydrift-Experiment wurde unter optimalen meteorologischen Bedingungen gemäß den Richtlinien der US-amerikanischen EPA36 durchgeführt. Während der gesamten Dauer des Experiments lag die Lufttemperatur zwischen 6 und 14 °C, die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 55 und 88 %, die Windrichtung weicht weniger als 30° von der festgelegten Sammellinie ab (zwei einzelne Zeitpunkte ausgenommen) und die Windgeschwindigkeit durchschnittlich 13 km/h (Abb. 1).

Meteorologische Daten, die während der Dauer des Sprühdriftfeldexperiments gesammelt wurden, einschließlich Lufttemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit (A), Windrichtungsabweichung von 0° (B) und Windgeschwindigkeit (C). Die horizontalen schwarzen Linien in (B) stellen die maximale Windrichtungsabweichung von 30° dar, die gemäß den Richtlinien der US-amerikanischen EPA36 zulässig ist. Die horizontale schwarze Linie in (C) stellt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit über die Dauer des Experiments dar (13 km/h).

Schätzungen der loglogistischen Regressionsparameter mit vier Parametern für jede Datenantwortvariable als Funktion der Entfernung vor dem Wind sind in Tabelle 1 dargestellt. Sprühdriftablagerung auf Mylar-Karten (ausgedrückt als Prozentsatz der gesamten theoretischen Anwendung), wasserempfindliche Kartenabdeckung (% ) und wasserempfindliche Kartenablagerungen (# cm−2) zeigten ähnliche Reaktionen bei Abwindmessungen (Abb. 2). Die Bodensprühanwendung hatte bei jeder Regression eine steilere Steigung, was bedeutet, dass die Sprühdrift mit zunehmender Entfernung vor dem Wind im Vergleich zur Sprühanwendung aus der Luft schneller abnahm (Tabelle 1, Abb. 2). Selbst bei einer vollständigen Anpassung der Schwadenbreite gegen den Wind für den Sprühdurchgang des Flugzeugs (Abb. 3) kam es bei der Anwendung aus der Luft im Vergleich zur Bodenanwendung zu größeren Ablagerungen von Sprühdrift in Windrichtung, und die Sprühdrift erreichte an der am weitesten in Windrichtung gelegenen Sammelstation nie Null (61). -m) (Abb. 2).

Mylar-Karten-Sprühdriftablagerung (A), Abdeckung wasserempfindlicher Karten (B) und Anzahl wasserempfindlicher Kartenablagerungen (C), modelliert unter Verwendung logistischer Regressionen mit vier Parametern, um die gemessene Sprühdrift von Boden- und Luftanwendungsgeräten zu bewerten.

Diagramm des Sprühdriftfeld-Experimentaufbaus einschließlich der vorgesehenen Anwendungsfläche jeder Anwendungsmethode (schwarz = Luft, blau = Boden) und der 10 Standorte der Sammelstationen (neun gegen den Wind, eine gegen den Wind).

Die prognostizierten Entfernungen in Windrichtung, bei denen die Ablagerung von Mylar-Kartenspray, die wasserempfindliche Kartenabdeckung und die wasserempfindlichen Kartenablagerungen um 25, 50 bzw. 90 % (PD25, PD50 bzw. PD90) reduziert wurden, wurden aus dem Vier-Parameter-Protokoll ermittelt. logistische Regressionen und sind in Tabelle 2 dargestellt. Im Durchschnitt über die drei Datenerfassungsmethoden ergab die Luftanwendung einen PD25, PD50 und PD90 von 7,55, 10,07 bzw. 20,54 m. Die Bodenanwendung führte zu einem durchschnittlichen PD25, PD50 und PD90 von 0,23, 0,50 bzw. 2,36 m. Infolgedessen führte die Anwendung aus der Luft zu einem 8,7- bis 32,7-fachen Anstieg der Abdrift des Sprays gegen den Wind im Vergleich zur Bodenanwendung, wenn eine Anpassung der Schwadbreite gegen den Wind vorgenommen wurde. Beim Vergleich der Anwendungsmethoden unter Verwendung der am besten passenden Regression, bei der alle Parameterschätzungen berechenbare Standardfehler aufwiesen (Anzahl der Ablagerungen auf der wasserempfindlichen Karte), führte die Luftanwendung jedoch zu einem 5,0- bis 8,6-fachen Anstieg der Abdrift des Sprays in Windrichtung.

Frühere Forschungen zur Sprühdrift aus der Luft haben gezeigt, dass die Sprühdriftablagerungen in Windrichtung von 0,5 % der im Feld angewendeten Rate 150 m in Windrichtung37 bis zu 1 % der im Feld angewendeten Rate bis zu 500 m in Windrichtung von der Feldgrenze abgelagert werden38. Die Ergebnisse von Sprühdrift-Forschungsversuchen aus der Luft variieren wahrscheinlich aufgrund der vom Flugzeug ausgestoßenen Tröpfchengröße sowie anderer externer meteorologischer Faktoren (Windgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit), von denen zuvor festgestellt wurde, dass sie die Bewegung des Sprühnebels außerhalb des Ziels beeinflussen und die Variabilität erhöhen unter den Sprühdriftversuchen aus der Luft38,39. Zu den Hauptfaktoren, die sich sowohl auf die Abdrift des Sprays aus der Luft als auch am Boden auswirken, gehören die Windgeschwindigkeit, die Freisetzungshöhe und die Tröpfchengröße40,41,42,43. Da die Windgeschwindigkeit und die Tröpfchengröße in dieser Untersuchung nahezu identisch waren, könnte der Anstieg der beobachteten Ablagerung von Sprühnebel in Windrichtung bei der Luftanwendung im Vergleich zur Bodenanwendung auf die Erhöhung der Freisetzungshöhe und den größeren Prozentsatz des in feinen Tröpfchen enthaltenen Sprühvolumens zurückzuführen sein (Tisch 3). Dies wurde bereits zuvor gezeigt, als andere Untersuchungen ergaben, dass die Verdoppelung der Gestängehöhe bei einer Bodenanwendung zu einer Verdreifachung der Abdrift des Sprays in Windrichtung führte44. In der vorliegenden Untersuchung war die Flughöhe der Luftanwendung ungefähr fünfmal höher als die Höhe des Auslegers der Bodenanwendung, was einer theoretischen 7,5-fachen Erhöhung der Sprühdrift entsprechen würde. Dieser theoretische Anstieg des Sprühdriftpotenzials liegt innerhalb des beobachteten 5,0- bis 8,6-fachen Anstiegs der Sprühdrift in Windrichtung aus der vorliegenden experimentellen Forschung. Zusätzliche Faktoren wie das Windprofil in Bezug auf die Freisetzungshöhe, die Bildung von Sprühmustern und Luftströmungswirbeleffekte könnten die Sprühbewegung außerhalb des Ziels bei der Luftanwendung im Vergleich zur Bodenanwendung beeinflusst haben. Zukünftige Forschungen sollten den Einfluss dieser Faktoren auf die Abdrift von Luftanwendungen direkt untersuchen und eine optimale Flughöhe für Herbizidanwendungen ermitteln.

Luftapplikatoren würden davon profitieren, diese Sprühdriftdynamik zu verstehen und Werkzeuge zu verwenden, um eine optimale Anpassung der Schwadenbreite gegen den Wind zu bestimmen, um Sprühstöße außerhalb des Ziels zu reduzieren43. Bei dieser Untersuchung mit einem synthetischen Auxin-Herbizid (Florpyrauxifen-Benzyl) wären etwa drei bis fünf Anpassungen der gesamten Schwadbreite gegen den Wind (und nicht nur eine, wie in der vorliegenden Untersuchung verwendet) erforderlich, um das Abdriftpotenzial des Sprühnebels ähnlich wie bei der Bodenanwendung zu reduzieren. Die Ergebnisse der Modellierungsbemühungen in der vorliegenden Forschung, bei denen mehrere aufeinanderfolgende Sprühdurchgänge untersucht wurden, bestätigten diese Feststellung und werden später in diesem Artikel weiter erörtert. Darüber hinaus könnten Bodenanwender diese Ergebnisse nutzen, um weitere Strategien zur Abdriftminderung umzusetzen, wie z. B. die Erhöhung der Tröpfchengröße40 und/oder die Integration von Sprühanpassungen oder Barrieren gegen den Wind, um den Abstand gegen den Wind zu anfälligen Pflanzen zu vergrößern42.

Sojabohnenpflanzen reagierten äußerst empfindlich auf Florpyrauxifenbenzyl (Loyant®, Corteva Agriscience, Indianapolis, IN USA), wobei die Schädigung innerhalb von drei Tagen nach der Exposition sichtbar wurde (persönliche Beobachtungen). Schädigungen durch Sojabohnen können direkt mit Ablagerungen durch Sprühtröpfchendrift in Zusammenhang stehen, da Florpyrauxifenbenzyl einen niedrigen Dampfdruck aufweist (3,2 × 10−5 Pa bei 20 °C und 4,6 × 10−5 Pa bei 25 °C) und als solcher angenommen wurde nicht flüchtig45. 35 Tage nach der Exposition (DAE) wurden visuelle Schätzungen der Schädigung (%), der Pflanzenbedeckung (% Reduzierung gegenüber der unbehandelten Kontrolle) und der Anzahl der Fortpflanzungsstrukturen (% Reduzierung gegenüber der unbehandelten Kontrolle) erhoben. Schätzungen der logistischen Regressionsparameter mit vier Parametern für jede Antwortvariable der Sojabohnendaten sind in Tabelle 1 dargestellt.

Visuelle Schätzungen der Verletzung zeigten, dass die Bodenanwendung im Vergleich zur Luftanwendung auf kürzeren Distanzen in Windrichtung zu einer geringeren Schädigung der Sojabohnen führte (Abb. 4). Die Anwendung aus der Luft führte zu mehr als 70 % sichtbarer Schädigung der Sojabohnen an der am weitesten vor dem Wind liegenden Sammelstation (61 m), während die Bodenanwendung zu etwa 25 % der Schädigung an derselben Sammelstation führte. Die PD25, PD50 und PD90 für visuelle Schätzungen der Schädigung von Sojabohnen, die aus den logistischen Regressionen mit vier Parametern als Funktion der Entfernung vor dem Wind abgeleitet wurden, waren bei der Anwendung aus der Luft 3,6-, 2,8- und 1,7-fach größer als bei der Anwendung aus der Luft Bodenanwendung (Tabelle 2). Die vorhergesagten Windabstände, bei denen die Sehschädigung um 90 % reduziert werden würde, betrugen 184 bzw. 106 m für die Luft- bzw. Bodenanwendung, die beide jenseits der in dieser Untersuchung verwendeten endgültigen Sammelstation lagen.

Visuelle Schätzungen der Sojabohnenschädigung (A), der Reduzierung der Sojabohnenbedeckung (B) und der Reduzierung der Fortpflanzungsstruktur (Blüten und Schoten) von Sojabohnen (C) 35 Tage nach der Exposition, modelliert unter Verwendung von logistischen Regressionen mit vier Parametern, um die gemessene Sprühdrift vom Boden zu bewerten Luftanwendungsgeräte. Die unbehandelten Kontrollpflanzen wiesen eine durchschnittliche Bedeckung des Blätterdachs von 54 % und eine Gesamtzahl von 101 Fortpflanzungsstrukturen pro Pflanze auf.

Die Analyse der Baumkronenbedeckung unter Verwendung digitaler Bilder der Sojabohnenpflanzen vor der Florpyrauxifen-Benzyl-Exposition ergab keine Unterschiede zwischen den Anwendungstypen (p = 0,9475), mit einer durchschnittlichen Bedeckung von 7,1 % gezeigt). Bei 35 DAE erreichten die unbehandelten Kontrollpflanzen eine durchschnittliche Überdachungsbedeckung von 54 % pro Pflanze (Daten nicht gezeigt). Die Analyse der Überdachung lieferte vergleichbare Ergebnisse wie die visuellen Schätzungen der Verletzungsreaktionsvariablen (Abb. 4). Bei 61 m in Windrichtung führte die Luftanwendung zu einer Reduzierung der Überdachungsbedeckung um mehr als 75 %, während die Bodenanwendung zu einer Reduzierung der Überdachungsbedeckung um etwa 15 % an derselben Sammelstation führte (Abb. 4). Die PD25, PD50 und PD90 zur Reduzierung der Überdachungsbedeckung waren bei der Luftanwendung im Vergleich zur Bodenanwendung 3,1-, 3,1- und 3,0-fach größer (Tabelle 2). Die vorhergesagten Entfernungen in Windrichtung, um nur eine 10-prozentige Reduzierung der Baumkronenbedeckung (PD90) infolge der Florpyrauxifen-Benzyl-Exposition zu erreichen, betrugen 202 bzw. 67 m für die Luft- bzw. Bodenanwendung, die beide jenseits der endgültigen verwendeten Sammelstation lagen in dieser Forschung.

Die Fortpflanzungsstrukturen von Sojabohnen (Blüten und Schoten) wurden durch 35 DAE von Florpyrauxifen-Benzyl sowohl bei der Boden- als auch bei der Luftanwendung stark beeinträchtigt (Abb. 4). Die unbehandelten Kontrollpflanzen hatten im Durchschnitt 101 Gesamtzahl an Fortpflanzungsstrukturen (Blüten und Schoten) pro Pflanze mit 35 DAE (Daten nicht gezeigt). Die prozentuale Verringerung der Fortpflanzungsstrukturen von Sojabohnen wies im Vergleich zu den anderen Sojabohnenmessungen für die Bodenanwendung einen steileren Abfall auf (Tabelle 1, Abb. 4), was auf das Auftreten von Sehschäden hindeutet und eine Verringerung der Bedeckung des Blätterdachs nicht unbedingt zu einer Verringerung der Fortpflanzungsstrukturen führte . Allerdings mussten die Sehschäden und die Reduzierung der Überdachungsbedeckung etwa 30 % oder weniger (45 m in Windrichtung) betragen, damit es nicht zu einem Verlust der Fortpflanzungsstrukturen kam.

Die Anwendung aus der Luft hatte nur eine minimale Veränderung in der Verringerung der Fortpflanzungsstrukturen von Sojabohnen in weiteren Entfernungen gegen den Wind; Bei 61 m in Windrichtung kam es immer noch zu einer nahezu 100-prozentigen Reduzierung der Fortpflanzungsstrukturen (Abb. 4). Aufgrund der minimalen Veränderung der Fortpflanzungsstrukturen von Sojabohnen über Entfernungen in Windrichtung für die Luftanwendung war die logistische Regression mit vier Parametern ein schlecht passendes Modell und die daraus resultierenden Vorhersagen der Entfernung in Windrichtung waren unsinnig (Tabellen 1 und 2). Im Gegensatz dazu passte das Bodenanwendungsmodell sehr gut zu den Daten zur Reduzierung der Reproduktionsstruktur von Sojabohnen (Tabelle 1). Die PD25-, PD50- und PD90-Werte für die Fortpflanzungsstrukturen von Sojabohnen betrugen 19,04, 24,02 bzw. 38,24 m (Tabelle 2). Diese Werte verdeutlichen die möglichen schwerwiegenden negativen Auswirkungen auf die Nahrungsquellen von Bestäubern, da die Fortpflanzungsstrukturen (Blüten) selbst in einer Entfernung von bis zu etwa 40 m windabwärts um 10 % (PD90) reduziert werden können, wenn sie einem synthetischen Auxin-Herbizid wie Florpyrauxifen-Benzyl ausgesetzt werden.

Die schwere Schädigung der Sojabohnen über die Reaktionsvariablen hinweg wurde weiter windabwärts beobachtet als die gemessenen Ablagerungen durch Sprühdrift. Die Fluorometrieanalyse hatte eine Nachweisgrenze von 0,015 ppm 3,6,8-Pyrentetrasulfonsäure-Tetranatriumsalz (PTSA) als Tracerfarbstoff, was einer Menge von 0,0002 g ai ha-1 an Florpyrauxifenbenzyl entspricht (Daten nicht gezeigt). Daher kann der Unterschied zwischen Ablagerungserkennung und Schädigung von Sojabohnen auf zwei Dinge zurückgeführt werden: (1) Schädigung von Sojabohnen ist möglich, wenn sie außergewöhnlich niedrigen Dosen synthetischer Auxinherbizide, in diesem Fall Florpyrauxifen-Benzyl, ausgesetzt wird, und/oder (2) die Feine Sprühdrifttröpfchen haben sich möglicherweise effizienter auf den vertikalen Strukturen der Sojabohnenpflanze abgelagert als auf den horizontal liegenden Mylar- und wasserempfindlichen Karten46.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Sojabohnen und andere breitblättrige Nutzpflanzen, die verringerten Mengen an Florpyrauxifen-Benzyl ausgesetzt sind, möglicherweise Schaden nehmen können28,29,47. Die in der vorliegenden Untersuchung beobachteten Schäden waren bei niedrigeren Raten im Vergleich zu den vorherigen Berichten schwerwiegender, was möglicherweise auf die Dynamik der tatsächlichen Abdrift des Sprays im Vergleich zum Sprühen von Herbiziden mit reduzierten Raten über Pflanzen zur Simulation einer Abdrift zurückzuführen ist. Die Abdrift des Herbizidsprays in Windrichtung würde aus viel feineren, konzentrierteren Tröpfchen bestehen, als dies bei einem Direktspray mit reduzierten Mengen der Fall wäre. Die feineren und konzentrierteren Tröpfchen würden mit größerer Wahrscheinlichkeit eingefangen werden und an den vertikalen Pflanzenoberflächen haften, was zu einer erhöhten Verletzungsgefahr führen würde46,48.

Die in dieser Untersuchung beobachtete Schädigung von Sojabohnen bestätigt frühere Beobachtungen, bei denen es nach der Exposition gegenüber mehreren Herbiziden zu Verzögerungen beim Höhepunkt der Blüte und zu einer Verringerung der gesamten Blütenproduktion wilder Pflanzenarten kam10. Darüber hinaus zeigten Untersuchungen in einem künstlichen natürlichen Lebensraum, dass ein anderes synthetisches Auxin-Herbizid, Dicamba, bei mehreren Pflanzenarten die Anzahl der Samenköpfe und -kapseln pro Pflanze reduzierte11. Für Prunella vulgaris L. subsp. lanceolata (W. Bartram), die Gesamtzahl der Blütenstände blieb nach der Exposition gegenüber Dicamba unverändert; allerdings galten etwa 15 bis 45 % dieser Blütenstände als atypisch11.

Die negativen Auswirkungen der Herbizidbewegung außerhalb des Zielgebiets auf die Blüten sind auch für die Nahrungssuche durch Bestäuber von entscheidender Bedeutung. Es wurde festgestellt, dass mehr als 30 verschiedene Bienenarten während der Vegetationsperiode Sojafelder besuchen und dort Pollen sammeln27,49. Frühere Untersuchungen zeigten, dass Pflanzen weniger häufig von Bestäubern besucht wurden, nachdem sie subletalen (simulierten Drift) Dicamba-Raten ausgesetzt waren25. Infolgedessen kann es zu geringeren Sojabohnenerträgen kommen, da Sojabohnenfelder, die von Bestäubern besucht wurden, im Vergleich zu denen ohne Bestäuber höhere Erträge verzeichneten50. Dies könnte dazu führen, dass natürlichere Pflanzengemeinschaften zerstört werden, um den Produktionsverlust auszugleichen. Weitere Bestäuberforschung und die Umsetzung in aktuelle landwirtschaftliche Produktionspraktiken sind erforderlich, um die Artenvielfalt zu verbessern und gleichzeitig die Produktion auf einer reduzierten benötigten Landfläche aufrechtzuerhalten51. Alle diese Ergebnisse zusammengenommen deuten darauf hin, dass die Drift des Herbizidsprays, wie sie in dieser Studie sowohl bei Boden- als auch bei Luftanwendungen beobachtet wurde, wahrscheinlich negative Auswirkungen auf verschiedene Pflanzengemeinschaften haben und sich negativ auf die Nahrungssuchgewohnheiten der Bestäuber auswirken würde.

Es sollte auch beachtet werden, dass die in dieser Untersuchung beobachteten Verletzungen auf einen einzigen Sprühdurchgang zurückzuführen sind; In einem realen Anwendungs- und Sprühdriftszenario würden mehrere Anwendungsdurchgänge und die Exposition einiger Pflanzen gegenüber wiederholter oder chronischer Sprühdrift wahrscheinlich zu noch größeren Verletzungen und einer Verringerung der Fortpflanzungsstrukturen führen. Zukünftige Forschungen sollten dieses wiederholte Expositionspotenzial untersuchen und quantifizieren sowie den Einfluss zusätzlicher Herbizidwirkstoffe und alternativer Pflanzenarten identifizieren, um eine Datenbank über Pflanzenschäden und daraus resultierende potenzielle Auswirkungen auf die Nahrungsquellen der Bestäuber zu entwickeln.

Die Ergebnisse der Tröpfchengröße entsprachen den Erwartungen, wobei sowohl bei der Luft- als auch bei der Bodenanwendung grobe Sprühnebel erzeugt wurden, wie auf dem Etikett angegeben (Tabelle 3). Die Verwendung von zwei Düsengrößen bei den Sprühbehandlungen aus der Luft führte dazu, dass die 0,078-Düse CP 09 mit geradem Strahl im Windkanaltest einen mittleren Sprühstrahl erzeugte, während die 0,128-Düse einen groben Sprühstrahl erzeugte (Tabelle 3). Die vom Flugzeug abgegebene kombinierte Sprühwolke war jedoch grob, was durch Gewichtung des Durchschnitts der Windkanalergebnisse für jede Öffnung mit ihren jeweiligen Gesamtdurchflussraten über den Ausleger bestimmt wurde (Tabelle 3). Die Bodenanwendung Dv10 betrug 189 μm und war damit höher als die 148 μm bei der Luftanwendung; Allerdings waren die Dv50-Werte für beide Auftragungsmethoden mit 369 bzw. 366 μm ähnlich. Die Bodensprühanordnung erzeugte im Vergleich zur Luftsprühanordnung fast ein Viertel der prozentualen Strafen (1,4 gegenüber 4,7 %), was sich in den vor Ort gesammelten Driftdaten widerspiegelt (Abb. 2).

Die AgDRIFT- und AgDISP-Ergebnisse für die Sprühanwendungen am Bodengestänge stimmten weitgehend mit den vor Ort gemessenen Daten überein, wobei die Ergebnisse der ersten Stufe von AgDRIFT mit niedrigem Gestänge am nächsten kamen, gefolgt von den Ergebnissen mit hohem Gestänge und AgDISP. AgDISP hat die Nahfeldablagerung (< 20 m) überschätzt (Abb. 5), wie bereits berichtet52,53. Der Unterschied zwischen den beiden Modellen ist nicht überraschend, da es sich bei den AgDRIFT-Ergebnissen im Wesentlichen um Kurvenanpassungen an vorhandene Felddaten handelt, die aus Versuchen mit zwei Gestängehöhen und zwei Sprühnebeln in Tröpfchengröße stammen33, während AgDISP auf einem mechanistischen Ansatz zur Erfassung der tatsächlichen beteiligten Physik basiert52. Diese früheren Bemühungen ergaben auch, dass AgDISP eine weitere Abwindung unterschätzt; Aufgrund der geringen Empfindlichkeit der verwendeten Tracer-Methode zeigten die Ergebnisse der Bodenfelddaten jedoch im Allgemeinen keine Ablagerungen.

Vergleich der Modellierungsergebnisse von AgDRIFT und AgDISP mit Messdaten aus Boden- und Luftfeldversuchen. Die vor Ort gemessenen Daten werden als mittlerer Prozentsatz der Ausbringmenge an jedem Probenahmeort dargestellt, mit vertikalen Balken als Standardfehler.

Die Unterschiede zwischen den AgDRIFT- und AgDISP-Luftdepositionsergebnissen waren unterschiedlicher, aber zu erwarten. Der in AgDRIFT implementierte abgestufte Ansatz soll höhere Sicherheitsmargen auf den unteren Ebenen durch vereinfachte Eingaben bieten, die eine effiziente Risikoanalyse ermöglichen, wobei je nach Bedarf höhere Ebenen verwendet werden33. AgDISP hat sich zu einem Modell entwickelt, das eine vollständige Nachvollziehbarkeit der angewendeten Sprays ermöglicht, indem es etablierte und validierte Modelle des Strömungsfelds von Flugzeugwirbeln, des meteorologischen Transports, der Wechselwirkungen mit dem Baldachin und der physikalischen Eigenschaften des Spraymaterials einbezieht54. Die vorhergesagten Ablagerungsprofile spiegeln diese Überlegungen wider, wobei die AgDRIFT-Ergebnisse der Stufe 1 deutlich zu hoch ausfielen, gefolgt von den Ergebnissen der Stufe 2 und schließlich die vorhergesagten Ablagerungsdaten von AgDISP, die im Nahfeld zu wenig vorhersagten und im Fernfeld einigermaßen gut mit den gemessenen Daten übereinstimmten (Abb . 5), was auch von Bird et al.55 beobachtet wurde.

Wie bereits erwähnt, umfasste die Feldstudie nur einen einzigen Sprühdurchgang, während eine tatsächliche Produktionsanwendung aus mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen über ein bestimmtes Feld bestehen würde. Diese zusätzlichen Winddurchgänge würden zu den kumulativen Ablagerungen in Windrichtung beitragen und wahrscheinlich sowohl die Schwere der Pflanzenschädigung als auch die Entfernung in Windrichtung, in der sie auftritt, erhöhen. Unter Verwendung der AgDRIFT- und AgDISP-Modelle wurde die potenzielle Sprühdrift, die aus 20 aufeinanderfolgenden Durchgängen resultierte, unter Verwendung derselben Eingabeparameter wie die dargestellten Einzeldurchgangsergebnisse modelliert. Das Hinzufügen zusätzlicher Aufwinddurchgänge führte zu einer zwei- bis dreimal so starken Abwinddrift im Vergleich zum Einzeldurchgang (Abb. 5 und 6). In Verbindung mit den Ergebnissen der Schädigung von Sojabohnen (Abb. 4) lässt dies darauf schließen, dass Mehrfachanwendungen von Florpyrauxifen-Benzyl aus Boden- und Luftsystemen unter den gleichen Bedingungen zu Schäden an Sojapflanzen führen würden, die über die 60-m-Probenahmeposition hinausgehen Studie. Wie bereits erwähnt und durch Modellierungen gestützt, würde ein Versatz der Luftanwendung um drei bis fünf Schwadbreiten in Windrichtung vom Feldrand zu Abdriftniveaus des Sprühnebels in Windrichtung führen, wie sie bei der Bodenanwendung auftreten (Abb. 6).

AgDRIFT- und AgDISP-Modellierungsergebnisse für Boden- und Luftanwendungen unter Feldversuchsbedingungen mit 20 aufeinanderfolgenden Durchgängen.

Am 30. Oktober 2020 wurde auf dem Stuttgarter Stadtflughafen außerhalb von Stuttgart, AR (34,5974, -91,5751) ein Feldspray-Drift-Experiment durchgeführt. Das Experiment bestand aus zwei Behandlungen, Bodensprühanwendung und Luftsprühanwendung, die in einem randomisierten Komplettblockdesign durchgeführt wurden. Die Sprühausrüstung und die Anwendungsparameter sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Anwendungsparameter wurden auf der Grundlage gängiger Praktiken kommerzieller Anwender19 und gemäß den Anforderungen der Herbizidkennzeichnung Florpyrauxifen-Benzyl (Loyant®, Corteva Agriscience, Indianapolis, IN USA)8 ausgewählt. Die Sprühlösung für beide Behandlungen war eine Mischung aus 29,4 g ai ha-1 Florpyrauxifen-Benzyl plus 0,6 l ha-1 methyliertem Samenöl (Upland™ MSO, CHS Inc., Inver Grove Heights, MN USA) plus 2,0 g L-1 1, 3, 6, 8-Pyrentetrasulfonsäure-Tetranatriumsalz (PTSA, Spectra Colors Corporation, Kearny, NJ USA) als Markierungsfarbstoff56. Das Sprühdrift-Experiment auf dem Feld wurde gemäß den Richtlinien des US-amerikanischen EPA Generic Verification Protocol zum Testen von Technologien zur Reduzierung der Sprühdrift bei der Anwendung von Pestiziden für Reihen- und Feldfrüchte36 und früheren Sprühdrift-Feldexperimenten42 durchgeführt. Insgesamt wurden zehn Replikationen durchgeführt. Diese Wiederholungssumme wurde aus zwei Gründen ausgewählt: (1) Es handelte sich um die maximale Anzahl an Sprühdurchgängen, die durchgeführt werden konnten, während die meteorologischen Bedingungen konstant blieben, und (2) eine Leistungsanalyse früherer Sprühdrift-Experimentdatensätze ergab, dass ein Bereich von 3 bis Für eine Leistung von 80 % waren 32 Wiederholungen erforderlich; Infolgedessen betrug bei 8–12 Replikationen der minimale potenzielle Unterschied in der Ablagerung in Windrichtung bei normaler Datenvariabilität 10 % (BK Fritz, unveröffentlichte Daten). Meteorologische Daten wurden während der gesamten Dauer des Experiments in Fünf-Minuten-Intervallen mit einer Davis Vantage Pro2™ Premium-Wetterstation (Davis Instruments Corporation, Hayward, CA 94,545 USA) gesammelt.

Für die Datenerfassung wurden neun windabwärts (1, 2, 4, 8, 16, 23, 30,5, 45 und 61 m) und eine gegen den Wind (unbehandelte Kontrolle) Sammelstation eingerichtet (Abb. 3). ). Die Sammelstationen wurden auf der windabgewandten Seite vom Rand des Bodensprühgestänges platziert. Für die Anwendung aus der Luft wurde eine Schwadenanpassung von 22 m gegen den Wind (eine volle Schwadenbreite) verwendet (Abb. 3), da das Florpyrauxifen-Benzyl-Etikett darauf hinweist, dass ein Luftapplikator die Schwadenverschiebung in einer Seitenwindumgebung ausgleichen muss8. Jede Station umfasste drei Datenerfassungsmethoden: (1) eine Mylar-Karte (100 cm2) (Grafix Plastics, Cleveland, OH USA) für Ablagerungsmessungen, (2) eine wasserempfindliche Karte (40 cm2) (TeeJet Technologies, Spraying Systems Co. , Wheaton, IL USA) für die Anzahl der Ablagerungen und Bedeckungsmessungen und (3) eine Sojabohnenpflanze (V3-V4-Wachstumsstadium) als Bioassay-Messung. Nach jedem Sprühdurchgang wurde eine dreiminütige Wartezeit eingehalten, um sicherzustellen, dass sich Sprühtröpfchen abgelagert hatten. Mylar-Karten und wasserempfindliche Karten wurden dann sofort eingesammelt und in vorbeschriftete Plastiktüten mit Reißverschluss gesteckt. Mylar-Karten wurden in einen dunklen Behälter gelegt, um einen Photoabbau des Markierungsfarbstoffs zu verhindern, und wasserempfindliche Karten wurden in einen Kühler gelegt, um zu verhindern, dass übermäßige Feuchtigkeit die Proben zerstört. Sojabohnenpflanzen wurden für mindestens 2 Stunden nach der Anwendung (regenfreie Periode von Florpyrauxifen-Benzyl) in einen windaufwärts gelegenen Bereich außerhalb des Versuchsbereichs transportiert8.

Mylar-Karten wurden mit Methoden verarbeitet, die in früheren Untersuchungen etabliert wurden42,57. Kurz gesagt, die Sprühablagerung wurde durch fluorometrische Analyse bestimmt. Mylar-Karten wurden mit 40 ml einer 9:1-Lösung von destilliertem Wasser und Isopropylalkohol (91 %) gewaschen. Anschließend wurde ein 1,5-ml-Aliquot in eine Glasküvette überführt und mit einem Spektrometer (Flame-S, Ocean Optics, Inc., Largo, FL USA) analysiert, um die Fluoreszenz des PTSA-Farbstoffs festzustellen. Die relativen Fluoreszenzeinheitsdaten wurden dann mithilfe einer Kalibrierungskurve für den Tracer in Gramm PTSA cm-2 (Mylar-Karte) und anschließend in Prozent des theoretischen Maximums (Tankprobenkonzentration) umgerechnet.

Wasserempfindliche Karten wurden digital gescannt (Brother MFC L8900cdw, Brother International Corporation, Bridgewater, NJ USA) mit einer Auflösung von 1.200 × 2.400 dpi und mit DepositScan vom US-Landwirtschaftsministerium, Agricultural Research Service58, verarbeitet. Die Antwortvariablen für die prozentuale Bedeckung und die Anzahl der Ablagerungen pro cm² wurden extrahiert.

Als Bioindikatoren verwendete Sojabohnenpflanzen wurden in einem Gewächshaus im Lonoke Extension Center in Lonoke, AR, gezüchtet. Das Gewächshaus wurde bei einer Tag-/Nachttemperatur von 27/21 °C gehalten und zusätzliches Licht sorgte für eine Tageslänge von 11 Stunden für die Dauer des Experiments. Sojabohnenpflanzen wurden einzeln in 2,8-l-Töpfe ausgesät, die mit Pro-Mix LP15-Blumenerde (Premier Tech Ltd., Rivière-du-Loup, Quebec, CA) gefüllt waren. Beim Pflanzen wurde jeder Topf mit Sta-Green All Purpose Plant Food (19,0-6,0-12,0-4,6) (Gro Tec, Inc., Madison, GA USA) gedüngt und die Töpfe wurden täglich über Kopf bewässert.

Sojabohnenpflanzen wurden bis zum Wachstumsstadium V3–V4 herangezogen, bevor das Driftexperiment gestartet wurde. Sobald die Sojabohne dieses Wachstumsstadium erreicht hatte, wurden die Pflanzen nach dem Zufallsprinzip sortiert und einer Anwendungsart (Boden oder Luft), einer Entfernung in Windrichtung und einer Vermehrung zugeordnet. Alle Sojabohnenpflanzen (einschließlich der unbehandelten Kontrollen gegen den Wind) wurden mit einem überdachten Anhänger zum Versuchsstandort transportiert und den gleichen Umweltbedingungen ausgesetzt. Nach Abschluss des Sprühdrift-Experiments und einer zweistündigen Wartezeit wurden die Sojabohnenpflanzen für den Rest des Bewertungszeitraums (35 DAE) zurück ins Gewächshaus transportiert.

Visuelle Schätzungen der Sojabohnenschädigung wurden wöchentlich auf einer Skala von 0 bis 100 % aufgezeichnet, wobei 0 bedeutete, dass keine sichtbaren Symptome beobachtet wurden und 100 ein vollständiges Absterben der Pflanze bedeutete. Bei 35 DAE wurden die Fortpflanzungsstrukturen (Blüten und Schoten) der Sojabohnen gezählt und im Vergleich zu den unbehandelten Kontrollpflanzen normalisiert, um die prozentuale Verringerung der gesamten Entwicklung der Fortpflanzungsstrukturen zu ermitteln. Schließlich wurden am Tag vor dem Feldspraydrift-Experiment und 35 DAE digitale Bilder mit einer 12-MP-Handykamera (Samsung Galaxy S20 +, Samsung, San Jose, CA USA) aufgenommen, die mit einem Stativ in einer festgelegten Höhe befestigt war. Diese Bilder wurden mit FieldAnalyzer (https://turfanalyzer.com/) verarbeitet und analysiert, um grüne Pixel zu erkennen und eine Schätzung des Sojabohnenwachstums und der prozentualen Überdachungsbedeckung zu erhalten59,60.

Die Prüfung der Tröpfchengröße wurde in den Niedrig- und Hochgeschwindigkeitszerstäubungstestanlagen der USDA-ARS Aerial Application Technology Research Unit in College Station, Texas, durchgeführt. Während diese Einrichtungen und die jeweils verwendeten Standardmethoden zuvor ausführlich dokumentiert wurden61, wird hier eine Zusammenfassung bereitgestellt. Die in den Feldstudien verwendeten Düsen, Sprühdrücke und Sprühlösungen wurden mittels Laserbeugung auf ihre Tröpfchengröße untersucht (Sympatec HELOS Vario KR Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator, Sympatec GmbH, Pulverhaus, Deutschland; dynamischer Tröpfchengrößenbereich von 18–3500 μm Zoll). 31 Behälter). Die Bodenauftragsdüse wurde in einem Windkanal mit niedriger Geschwindigkeit getestet, wobei das Düsengebläseblatt senkrecht zum Tunnelboden ausgerichtet war und gleichzeitig mit dem Tunnelluftstrom, der auf 6,7 ms−1 eingestellt war, aus der Düse austrat. Der Luftstrom wird verwendet, um die räumliche Verzerrung zu minimieren, die mit der Verwendung von Laserbeugungssystemen verbunden ist62. Die Luftauftragsdüse wurde ebenfalls in einem Hochgeschwindigkeitswindkanal getestet, wobei die Fluggeschwindigkeit auf die in der Feldstudie verwendeten 233 km/h eingestellt war. Der Hochgeschwindigkeitsluftstrom an der Düse vorbei und die austretende Sprühgeometrie führt zu einem sekundären Zerfall und ist der Hauptfaktor, der die resultierende Tröpfchengröße beeinflusst63. Für jede Boden- und Luftdüsen- und Druckkombination wurden mindestens drei Wiederholungsmessungen durchgeführt. Die kumulativen volumengewichteten Tröpfchendurchmesserverteilungen wurden zur Verwendung bei der Modellierung der Sprühdrift mit AgDISP exportiert und zusammenfassende Ergebnisse in Form von Dv10, Dv50 und Dv90 (Tröpfchendurchmesser, für die 10, 50 und 90 % des gesamten Sprühvolumens gelten) exportiert bestehend aus kleineren Tröpfchen) zusammen mit den Feinpartikeln als prozentualer Anteil des gesamten Sprühvolumens in Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm. Zusätzlich wurde die Tröpfchengrößenklassifizierung für jede Kombination bestimmt64.

Sowohl AgDRIFT als auch AgDISP bieten eine Schnittstelle, die es Benutzern ermöglicht, spezifische Anwendungsbedingungen anzugeben, anhand derer Sprühtransport und -verbleib modelliert werden. Sofern unten nicht anders angegeben, wurden Standardeingabeparameter verwendet. Die gesamte Modellierung wurde mit AgDRIFT Version 2.1.1 und AgDISP Version 8.29 durchgeführt.

Die Bodenmodellierung in AgDRIFT erfordert die Auswahl der Bodenschnittstelle der Stufe 1 und entweder einer niedrigen oder hohen Auslegerhöhe und einer Tröpfchengröße von sehr fein bis fein oder fein bis mittel/grob. Da die Auslegerhöhe in dieser Arbeit zwischen den niedrigen und hohen Auslegerbedingungen von AgDRIFT (0,51 bzw. 1,27 m) liegt, wurden beide Einstellungen modelliert34. Darüber hinaus wurde die Anzahl der Schwaden in den erweiterten Einstellungen auf eins festgelegt, um den Bedingungen der Feldstudie besser zu entsprechen. AgDISP erfordert die Auswahl des Bodens als Auftragungsmethode und die Angabe des Düsentyps, bei dem es sich in dieser Studie um einen Flachstrahler handelte. Sprühdruck, Freisetzungshöhe, Anzahl und Abstand der Düsen sowie Gesamtbreite der Schwaden wurden auf die in der Feldstudie verwendeten Werte eingestellt (Tabelle 4). Daten zur Tröpfchengröße wurden direkt als inkrementelle Volumendurchmesserverteilung aus Windkanaltests importiert. Die meteorologischen Parameter wurden auf die Mittelwerte aller Feldstudienbehandlungen eingestellt, insbesondere Windgeschwindigkeit bei 13 km/h, Windrichtung senkrecht zur Sprühlinie, Temperatur bei 10 °C und relative Luftfeuchtigkeit bei 71 %. Die Ausbringungsmenge wurde auf 94 l ha−1 eingestellt und das Sprühmaterial auf Verdunstung eingestellt. Die atmosphärische Stabilität wurde auf „moderat“ und die Überdachung auf „keine“ mit einer Oberflächenrauheit von 0,04 m eingestellt. AgDISP legt einen standardmäßigen halben Schwadenversatz fest, der angibt, dass die Sprühlinie um die Hälfte der Breite der Schwadeneingabe windaufwärts von der Null-Abwindkante versetzt wird. Dieser Standard-Schwadversatz wurde auf Null geändert, um den Bedingungen der Feldstudie Rechnung zu tragen.

Die Luftmodellierung folgte dem gleichen Verfahren wie die Bodenmodellierung, mit einigen wesentlichen Unterschieden. AgDRIFT bietet drei Stufen für Luftanwendungen. Bei der AgDRIFT-Modellierung wurden nur die Stufen eins und zwei verwendet. Stufe drei soll als Vollversion von AgDISP funktionieren; Allerdings wurde AgDRIFT in den letzten Jahren nicht aktualisiert, während AgDISP kürzlich und kontinuierlich aktualisiert wurde. Stufe eins ermöglicht nur die Auswahl einer von vier Tröpfchengrößeneinstellungen von „Sehr fein“ bis „Sehr grob“, während Stufe zwei die Optionen auf Flugzeugtyp und -konfiguration, Schwadbreite und -verschiebung, Tröpfchengrößendaten und Meteorologie erweitert. Gegebenenfalls wurden diese Parameter auf die vor Ort verwendeten Parameter eingestellt. Die AgDISP-Modellierung umfasste die Auswahl der Flugmethode als Methode, wobei das Flugzeug als Air Tractor 802A festgelegt wurde. Sprühdruck, Freisetzungshöhe, Anzahl und Abstand der Düsen sowie Gesamtschwadenbreite wurden auf die in der Feldstudie verwendeten Werte eingestellt (Tabelle 4), und die Daten zur Tröpfchengröße wurden direkt als inkrementelle Volumendurchmesserverteilung aus Windkanaltests importiert. Der Studienaufbau verwendete zwei unterschiedliche Öffnungsgrößen über den Ausleger hinweg, bei einem konstanten Verhältnis von zwei Düsen mit einer Öffnungsgröße von 0,078 zu jeder Düse mit einer Öffnungsgröße von 0,125. Allerdings erlaubt AgDISP keine gemischten Düsentypen innerhalb eines einzigen Simulationslaufs. Um die unterschiedlichen Sprühnebelgrößen und Durchflussraten der einzelnen Öffnungsgrößen zu berücksichtigen, wurden zwei Modelliterationen durchgeführt, eine für jede Öffnungsgröße. Die Abscheidungsergebnisse für jeden Lauf wurden dann kombiniert, wobei jeder Ergebnissatz mit dem Prozentsatz der gesamten Auftragsdurchflussrate entsprechend jeder Düsengröße gewichtet wurde, wobei 41,9 bzw. 58,1 % der Gesamtdurchflussrate von den Düsen mit 0,078 bzw. 0,125 Öffnungen beigesteuert wurden. Wie bereits erwähnt, ist AgDISP standardmäßig auf einen halben Schwadversatz eingestellt; Allerdings wurden in dieser Studie die Sprühdurchgänge aus der Luft um einen ganzen Schwad gegen den Wind versetzt, was im Modell keine Standardoption ist. Der Benutzer kann jedoch einen Schwadversatzwert angeben, den das Modell zum angegebenen Schwadversatz addiert. Das bedeutet, dass für die Luftmodellierung der Schwadversatz auf Null und der Schwadversatz auf 21,9 m festgelegt wurde.

Alle Feldspray-Driftdaten und Sojabohnen-Reaktionsdaten wurden durch Anpassen von vier logarithmischen Parameterfunktionen (Gleichung 1) unter Verwendung des „drc“-Pakets in R4.0.365 analysiert:

Dabei ist f(x) die spezifische Antwortvariable, b die Steigung am Wendepunkt, c die untere Grenze, d die obere Grenze, x der Abstand vom Sprühauftrag in Windrichtung und e der Wendepunkt. Ein Varianzverhältnis (F-Test) wurde durchgeführt, um zu bestimmen, ob einzelne oder gepoolte Anwendungstypmodelle am besten zu den Daten passen (P ≤ 0,05)66. Für alle Sojabohnen-Antwortvariablen wurden die Untergrenze (c) und die Obergrenze (d) in den Modellen auf 0 bzw. 100 festgelegt, da es sich bei den Daten um Prozentsätze zwischen 0 und 100 % handelte. Anschließend wurden Modelle verwendet, um die geschätzte Entfernung vor dem Wind vorherzusagen, bei der die jeweilige Reaktionsvariable um 25, 50 und 90 % reduziert wurde (PD25, PD50 bzw. PD90).

Die Daten zur Tröpfchengröße werden als Dv10, Dv50 und Dv90 angegeben. Dabei handelt es sich um die Tröpfchendurchmesser, bei denen 10, 50 bzw. 90 % des gesamten Sprühvolumens aus Tröpfchen mit kleinerem Durchmesser bestehen. Darüber hinaus werden die prozentualen Feinanteile als prozentualer Volumenanteil des Sprays angegeben, der in Tröpfchen von 100 μm oder weniger enthalten ist. Es wurden keine Mittelwertvergleiche durchgeführt, da bekannt ist, dass die verschiedenen Düsentypen und Betriebsbedingungen zu Sprays unterschiedlicher Tröpfchengröße führen würden.

Die Autoren erklären, dass der Pflanzenanbau im Rahmen der vorgestellten Forschung allen relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen entspricht. Darüber hinaus handelt es sich bei den in dieser Studie verwendeten Samenproben um öffentlich zugängliches Saatgutmaterial, und den Autoren wurde ausdrücklich die schriftliche Genehmigung erteilt, sie für Forschungszwecke zu verwenden.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Finanzierung dieser Forschung erfolgte durch das USDA-ARS unter den Auszeichnungsnummern 58-6066-9-047 und 58-3091-1-015. Zusätzliche Unterstützung für diese Forschung wurde durch Checkoff-Mittel bereitgestellt, die vom Arkansas Soybean Promotion Board verteilt wurden. Die Autoren danken außerdem Tri-County Farmers Associates und Cole Hartley vom Hartley Flying Service für ihre Forschungsunterstützung.

Abteilung für Pflanzen-, Boden- und Umweltwissenschaften, Systemabteilung für Landwirtschaft der Universität Arkansas, 2001 Hwy 70 E, Lonoke, AR, 72086, USA

Thomas R. Butts, K. Badou-Jeremie Kouame, L. Tom Barber und W. Jeremy Ross

USDA-ARS Forschungseinheit für Luftanwendungstechnologie, 3103 F&B Road, College Station, TX, 77845, USA

Bradley K. Fritz

Department of Crop, Soil, and Environmental Sciences, University of Arkansas-Fayetteville, 1366 W Altheimer Dr, Fayetteville, AR, 72704, USA

Jason K. Norsworthy

Abteilung für Entomologie und Pflanzenpathologie, Systemabteilung für Landwirtschaft der Universität Arkansas, 2001 Hwy 70 E, Lonoke, AR, 72086, USA

Gus M. Lorenz & Benjamin C. Thrash

Abteilung für Entomologie und Pflanzenpathologie, Systemabteilung für Landwirtschaft der Universität Arkansas, 2900 Hwy 130 E, Stuttgart, AR, 72160, USA

Nick R. Bateman

USDA-ARS, 141 Experiment Station Rd, Stoneville, MS, 38776, USA

John J. Adamczyk

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TRB, JKN, GML und JJA haben die Idee für diese Studie konzipiert. TRB, BKF, GML, BCT, NRB und JJA haben diese Forschung finanziell unterstützt. TRB, BKF und JKN haben das Experiment entworfen. TRB, BKF und KBJK analysierten die Daten und verfassten den Artikel. TRB, BKF, KBJK, JKN, LTB, WJR, GML, BCT, NRB und JJA führten während der laufenden Studie nützliche Diskussionen, halfen bei der Datenerfassung und trugen zur Redaktion des Papiers bei.

Korrespondenz mit Thomas R. Butts.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Butts, TR, Fritz, BK, Kouame, K.BJ. et al. Herbizidspraydrift aus Boden- und Luftanwendungen: Auswirkungen auf potenzielle Nahrungsquellen für Bestäuber. Sci Rep 12, 18017 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22916-4

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Eingegangen: 11. August 2022

Angenommen: 20. Oktober 2022

Veröffentlicht: 26. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22916-4

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