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Doctoral Thesis
2025
Reducing pesticide use in apple orchards through biological control and mechanical barriers
Reducing pesticide use in apple orchards through biological control and mechanical barriers
Abstract (English)
With over 20 applications per year, apple is the most pesticide-intensive crop in Germany. Growers are under increasing pressure as the use of pesticides in agriculture comes under greater scrutiny, resulting in more restrictive legislation and a national action plan that calls for a significant reduction in overall pesticide use.
Current reduction efforts are largely based on Integrated Pest Management (IPM), which essentially means that all non-chemical plant protection measures, including cultural practices, pest monitoring and biological control, should be used first, and only if pest problems persist is the use of chemical pesticides justified. While there are successful examples of IPM in fruit growing, such as the use of sexual pheromones and granuloviruses to control the codling moth, chemical control remains the dominant means of plant protection. Therefore, considering current political developments, there is a worrying lack of non-chemical control strategies for many important pathogens and pests in apple growing.
In this doctoral thesis, we investigated non-chemical alternatives for pest and pathogen control in apple growing and their potential as IPM approaches. The aim was to identify new methods that would provide growers with a realistic alternative to chemical pesticides. We focused on conservation and augmentation biological control and physical methods to assess their potential for reducing pesticide use in apple production.
Conservation biological control aims to enhance the biological control of pests by natural enemies and is influenced by a wide range of factors. We investigated the role of predator density, spatial complexity of apple branches and the provision of alternative food resources for predators for the effective control of apple pests.
Predator density and the spatial environment of apple branches were crucial components influencing the efficacy of earwig predation on woolly apple aphids. On spatially complex branches, low and medium densities of earwigs failed to fully locate and consume woolly apple aphids, while high earwig densities were able to eradicate woolly apple aphids, including those hidden in spatially complex environments.
Provisioning of additional food was investigated using predatory mites and their prey (such as apple rust mites) as a model system. Predatory mites are suspected to be prone to starvation, especially when prey is scarce. To avoid starvation and boost their populations, trees were sprayed with brine shrimp cysts, which are readily accepted as food by omnivorous predatory mites. Although no increase in predatory mites was observed, reduced populations of apple rust mites were found in plots sprayed with shrimp cysts. Other orchard predators, such as predatory flower bugs, may have been promoted and thus mediated the reduction in apple rust mites.
In the same trial, the effect of an augmentative release of a predatory mite species naturally occurring in orchards was investigated. No clear effect of the predatory mite release on pest mite populations could be detected.
Physical control measures are widely used in fruit growing to protect fruits from abiotic and biotic damage. While anti-hail nets are the dominant cover system used in apple orchards, plastic rain shields and exclusion nets have gained importance due to their ability to prevent scab infections and codling moth immigration, respectively. We compared chemical plant protection regimes under different cover systems, namely anti-hail nets, plastic rain shields, and plastic rain shields combined with exclusion nets, in an apple orchard.
Fungicide and insecticide use could be drastically reduced under plastic rain shields and within the exclusion nets, respectively. However, due to microclimatic changes, powdery mildew and secondary pests increased in plots covered with plastic rain shields and plastic rain shields combined with exclusion nets. Despite these side effects, total pesticide use was substantially reduced in the new cover systems without incurring yield losses.
These results show that a combination of conservation biological control focusing on predatory earwigs and physical control utilizing plastic rain shields and exclusion nets could be a promising approach to reduce pesticide use in apples. However, the increased costs of new plastic rain shields and exclusion nets compared to traditional anti-hail nets present a major obstacle to their large-scale adoption, and it remains unclear how apples could be produced economically using this approach.
Abstract (German)
Mit mehr als 20 Anwendungen pro Jahr ist der Apfel deutschlandweit die Kulturpflanze mit dem höchsten Einsatz von Pflanzenschutzmitteln. Die Apfelanbauer stehen zunehmend unter gesellschaftlichem und politischem Druck, da eine deutliche Reduzierung des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln durch Gesetze und einen nationalen Aktionsplan gefordert wird.
Die Reduzierung des Pflanzenschutzmitteleinsatzes soll vor allem durch Maßnahmen des integrierten Pflanzenschutzes (IPS) realisiert werden. Dieser sieht vor, dass zuerst alle nicht-chemischen Pflanzenschutzmaßnahmen, wie kulturelle Methoden, Schädlingsüberwachung und biologische Schädlingsbekämpfung angewendet werden müssen, bevor chemische Pflanzenschutzmittel zum Einsatz kommen. Der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln ist nur dann erlaubt, wenn Schädlingsprobleme trotz dieser Maßnahmen bestehen bleiben. Obwohl es im Obstbau einige erfolgreiche nicht-chemische Pflanzenschutzmaßnahmen gibt, wie zum Beispiel den Einsatz von Sexualpheromonen und Granuloseviren zur Bekämpfung des Apfelwicklers, überwiegen nach wie vor chemische Maßnahmen. Angesichts der aktuellen Entwicklungen besteht daher ein besorgniserregender Mangel an nicht-chemischen Bekämpfungsstrategien für viele wichtige Krankheitserreger und Schädlinge im Apfelanbau.
In dieser Doktorarbeit wurden nicht-chemische Bekämpfungsmöglichkeiten im Apfelanbau und ihr Potenzial für den IPS untersucht. Ziel war es, Verfahren zu finden, die für die Erzeuger eine realistische Alternative zum Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel darstellen. Dabei wurden augmentative und konservierende biologische Kontrollverfahren sowie physikalische Pflanzenschutzverfahren untersucht.
Bei der konservierenden biologischen Kontrolle sollen natürliche Gegenspieler gefördert werden, um Schädlinge zu reduzieren. In diesem Zusammenhang wurde die Rolle der Individuendichte und der räumlichen Komplexität von Apfelzweigen für die Effizienz von Prädatoren untersucht, sowie der Effekt der Applikation von zusätzlicher Nahrung auf die Populationsdichten von Apfelschädlingen und deren natürlichen Feinden getestet.
Die Prädatorendichte und die räumliche Komplexität der Apfelzweige waren entscheidende Komponenten, die die Kontrolle von Blutläusen durch Ohrwürmer beeinflussten. Auf räumlich komplexen Ästen konnten Ohrwürmer bei niedriger und mittlerer Dichte nicht alle Blutläuse lokalisieren und fressen, während höhere Dichten von Ohrwürmern in der Lage waren, selbst auf räumlich komplexen Ästen alle Blutläuse aufzufinden und zu fressen. Die Applikation zusätzlicher Nahrung wurde anhand von Raubmilben untersucht. Da Raubmilben bei Beuteknappheit schnell verhungern, wurden Artemia-Zysten, die von omnivoren Raubmilben als Nahrung akzeptiert werden, auf Apfelbäume gesprüht. Obwohl keine Zunahme der Raubmilben festgestellt wurde, nahmen Populationen von Apfelrostmilben, einer Beute der Raubmilben, ab. Möglicherweise wurden diese Abnahme von räuberischen Blumenwanzen, welche durch die zusätzliche Nahrung gefördert wurden, verursacht.
Im selben Versuch wurde auch die Wirkung eines augmentative biologischen Kontrollverfahrens untersucht, indem eine heimische Raubmilbenart freigesetzt wurde um Schadmilben zu kontrollieren. Hier konnten keine eindeutigen Auswirkungen der Raubmilben-Freisetzung auf Schadmilben festgestellt werden.
Physikalische Kontrollmaßnahmen sind im Obstbau üblich, um Bäume und Früchte vor abiotischen und biotischen Schäden zu schützen. Hagelschutznetze sind das wichtigste Überdachungssystem im Apfelanbau, aber auch Plastikfolien, die Schorfinfektionen durch das Trockenhalten der Blattmasse verhindern, und Seiteneinnetzungen, die das Einwandern von Schadinsekten in die Obstanlage unterbinden, haben in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Um zu bestimmen, wie viel chemische Pflanzenschutzmittel durch Plastikfolien und Seiteneinnetzungen eingespart werden können, wurde ein Systemvergleich in einer Apfelanlage mit Plastikfolien und Hagelschutznetzen angestellt.
Der Einsatz von Fungiziden und Insektiziden konnte unter den Plastikfolien und innerhalb der Seiteneinnetzungen stark reduziert werden. Durch mikroklimatische Veränderungen nahmen jedoch der Echte Mehltau und Schädlinge, wie Blutläuse und Spinnmilben, unter Plastikfolien mit und ohne Seiteneinnetzungen zu. Trotz dieser Nebenwirkungen konnte der Gesamteinsatz von Pflanzenschutzmitteln unter Plastikfolien erheblich reduziert werden, ohne, dass es zu Ertragseinbußen kam.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Kombination von Verfahren der biologischen Kontrolle zur Konservierung von Ohrwürmern und physikalische Verfahren mit Plastikfolien und Seitennetzen ein vielversprechender Ansatz zur weiteren Einsparung von Pflanzenschutzmitteln im Apfelanbau sein könnten. Gleichzeitig muss aber betont werden, dass bei den teureren Überdachungssystemen (Plastikfolie) die Wirtschaftlichkeit gewährleistet sein muss, da sie mit erheblichem finanziellem Mehraufwand verbunden sind.
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Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Phytomedicine
Examination date
2025-09-23
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Bischoff, R. T. (2025). Reducing Pesticide Use in Apple Orchards through Biological Control and Mechanical Barriers. https://doi.org/10.60848/13124
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English
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630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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