Development and testing of new robotic weeding techniques for ridge and flat tillage systems

Abstract

Under changing climate, conservative tillage practice is expected to gain more popularity over conventional tillage in terms of reduced energy emission and drought resilience. Hence, a need to develop cheap-climate-smart farming solutions for the future. The results of four different studies are summarized below. The first review article summarized different forms of ridge tillage and their impact on crop yield, weed seedbank dynamics, and weed management. Due to improved soil structure and optimal soil moisture conditions provided by ridges, several studies have proven that ridges can accelerate crop emergence, thus stimulating early-stage competitiveness of crops against weeds. More importantly, re-compacted ridges may give more benefits in the long term. The study further emphasized the use of RTK-GNSS (real-time kinematic global satellite navigation systems) ridging system for pilot hoeing, spraying, and seeding – as a cheap alternative to automatic vision control weeding systems in flat seedbeds. In the second article, an autosteered living mulch seeder and hoeing prototypes (using RTK-GNSS-created ridges as a guide) were developed and tested. The impact of ridge re-compaction on soil physical properties was also evaluated. In the two-year field experiment, the combined hoeing and living mulch seeding prototypes attained 70 – 80% weed control efficacy (WCE) with no record of crop losses. This result was comparable to similar treatment in flat seedbeds. Temperature and soil moisture in re-compacted ridges were partly better than in flat seedbeds, whereas, root penetration significantly improved on ridges (40% higher) with relative gain in root biomass (ca. 53.6 g m-2) compared to flat seedbeds. The third study evaluated the performance of different autonomous hoeing combinations on re-compacted ridges. It was hypothesized that autonomous weeding methods using RTK-GNSS-created ridges can substitute broadcast herbicide and manual weeding in future farms. Six field trials were conducted including maize and soybean. The treatment options include; i). twice hoeing combined with band herbicide application on ridge tops, ii). twice hoeing, iii). twice hoeing combined with living mulch, iv). twice hoeing combined with post-emergent harrowing on ridge tops. All hoeing treatments significantly reduced weed density in maize and soybean cultures except for one pass of post-emergent harrowing. In maize and soybean respectively, twice hoeing combined with band herbicide application on ridge tops or twice hoeing combined with living mulch in valleys achieved 70 - 100% and 77 - 86% WCE (within inter-row areas) and 66 - 72% and 67 - 79% WCE (within intra-row areas). Post-emergent harrowing treatments on ridge tops performed poorly in maize (46% WCE) and soybean (10% WCE). Therefore, twice hoeing combined with band herbicide application on ridge tops or twice hoeing combined with living mulch in the valley were considered best in selectivity due to higher weed control efficacy (inter – and intra-row), little or no crop damage, and highest grain yield as comparable to broadcast herbicide applications. The fourth article evaluated four autonomous inter and intra-row weeding methods in maize, sunflower, and sugar beet. Within the intra-row area, the treatment involved are; finger weeding, AI-based hoeing actuators, and band herbicide spraying – each simultaneously combined with sensor-guided inter-row hoeing using K.U.L.T iSelect®. In the six experiments conducted, all treatments attained higher yield, with more than 77% reduction in weed density. Most experiments recorded non-significant crop losses. Intra-row band-spraying or AI-based hoeing actuation (combined with inter-row hoeing) achieved 91% and 77% WCE respectively across maize, sugar-beet, and sunflower. However, as an autonomous system, band herbicide treatment was preferable in terms of herbicide savings (60%) and tractor speed comparable to broadcast herbicide application.

Zeiten des Klimawandels wird erwartet, dass die konservative Bodenbearbeitung gegenüber der konventionellen Bodenbearbeitung an Popularität gewinnt, da sie weniger Energie freisetzt und widerstandsfähiger gegen Trockenheit ist. Daher ist es notwendig, für die Zukunft kostengünstige, klimafreundliche Anbaulösungen zu entwickeln. Die Ergebnisse von vier verschiedenen Studien werden im Folgenden zusammengefasst. Der erste Review-Artikel fasst verschiedene Formen der Damm-Bearbeitung und ihre Auswirkungen auf den Ernteertrag, die Dynamik der Unkrautsamenbank und die Unkrautbekämpfung zusammen. Aufgrund der verbesserten Bodenstruktur und der optimalen Bodenfeuchtigkeit, die die Dämme bieten, haben mehrere Studien bewiesen, dass die Dämme den Feldaufgang beschleunigen und so die Konkurrenzfähigkeit der Pflanzen gegenüber Unkräutern im Frühstadium fördern können. Noch wichtiger ist jedoch, dass nachverdichtete Dämme langfristig mehr Nutzen bringen können. Die Studie unterstreicht außerdem den Einsatz von RTK-GNSS (Real-Time Kinematic Global Satellite Navigation Systems) für das Hacken, Spritzen und Säen von Dämmen - als kostengünstige Alternative zu automatischen Unkrautbekämpfungssystemen in flachen Saatbeeten. Im zweiten Artikel wurden eine automatisch gesteuerte Mulchsaatmaschine und Hacken-Prototypen (mit RTK-GNSS-erstellten Dämmen als Orientierungshilfe) entwickelt und getestet. Außerdem wurden die Auswirkungen der Rückverdichtung der Dämme auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens untersucht. In dem zweijährigen Feldversuch erreichten die Prototypen mit kombinierter Hacke und Mulchsaat eine Wirksamkeit der Unkrautbekämpfung von 70 bis 80 %, ohne dass Ernteverluste zu verzeichnen waren. Dieses Ergebnis war vergleichbar mit einer ähnlichen Behandlung in flachen Saatbetten. Temperatur und Bodenfeuchtigkeit waren in den rückverfestigten Dämmen teilweise besser als in den flachen Saatbetten, während die Durchwurzelung auf den Dämmen deutlich besser war (40 % höher), mit einem relativen Zuwachs an Wurzelbiomasse (ca. 53,6 g m-2) im Vergleich zu flachen Saatbetten. In der dritten Studie wurde die Leistung verschiedener autonomer Hacken-Kombinationen auf rückverfestigten Dämmen bewertet. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass autonome Unkrautbekämpfungsmethoden unter Verwendung von RTK-GNSS-erstellten Dämmen in zukünftigen Betrieben Herbizidausbringung und manuelle Unkrautbekämpfung ersetzen können. Es wurden sechs Feldversuche mit Mais und Sojabohnen durchgeführt. Die Behandlungsoptionen umfassten: i) zweimaliges Hacken in Kombination mit dem Einsatz von einer Bandspritze auf den Dammspitzen, ii) zweimaliges Hacken, iii) zweimaliges Hacken in Kombination mit einer Mulchschicht, iv) zweimaliges Hacken in Kombination mit dem Striegeln nach der Unkrautbekämpfung auf den Dammspitzen. Alle Hackenbehandlungen reduzierten die Unkrautdichte in Mais- und Sojakulturen signifikant, mit Ausnahme der einmaligen Bearbeitung mit einem Striegel nach dem Auflaufen. Bei Mais und Sojabohnen wurde durch zweimaliges Hacken in Kombination mit einer Bandherbizidanwendung auf den Dammspitzen bzw. durch zweimaliges Hacken in Kombination mit Mulch in den Tälern eine Unkrautunterdrückung von 70 - 100 % bzw. 77 - 86 % (innerhalb der Reihen) und 66 - 72 % bzw. 67 - 79 % (innerhalb der Reihen) erreicht. Die Behandlungen mit Striegeln nach dem Auflaufen auf den Dämmen schnitten bei Mais (46 % WCE) und Sojabohnen (10 % WCE) schlecht ab. Zweimaliges Hacken in Kombination mit einer Bandherbizidanwendung auf den Dächern oder zweimaliges Hacken in Kombination mit lebendem Mulch im Tal wurden daher als die besten Selektivitätsverfahren angesehen, da sie eine höhere Wirksamkeit bei der Unkrautbekämpfung (zwischen und innerhalb der Reihen), geringe oder keine Ernteschäden und die höchsten Kornerträge im Vergleich zur konventionellen Herbizidanwendungen aufwiesen. Der vierte Artikel bewertet vier autonome Methoden zur Unkrautbekämpfung zwischen und innerhalb der Kulturpflanzenreihen bei Mais, Sonnenblumen und Zuckerrüben. Im Bereich innerhalb der Reihen wurden folgende Behandlungen durchgeführt: Fingerhacken, KI-basierte Hackenaktoren und Bandspritzen - jeweils in Kombination mit sensorgesteuerter Zwischenreihenhacke mit K.U.L.T iSelect®. In den sechs durchgeführten Experimenten erzielten alle Behandlungen höhere Erträge bei einer Verringerung der Unkrautdichte um mehr als 77 %. In den meisten Versuchen wurden keine nennenswerten Ernteverluste verzeichnet. Intra-Row-Bandspritzung oder AI-basierte Hackenauslösung (kombiniert mit Zwischenreihenhacken) erzielten 91 % bzw. 77 % WCE bei Mais, Zuckerrüben und Sonnenblumen. Als autonomes System war die Bandherbizidbehandlung jedoch in Bezug auf die Herbizideinsparungen (60 %) und die Traktorgeschwindigkeit mit der Ausbringung von einer konventionellen Herbizidbehandlung vergleichbar.