Spatial and temporal stability of weed patches in cereal fields under direct drilling and harrow tillage

The adoption of conservation agriculture (CA) techniques by farmers is changing the dynamics of weed communities in cereal fields and so potentially their spatial distribution. These changes can challenge the use of site-specific weed control, which is based on the accurate location of weed patches for spraying. We studied the effect of two types of CA (direct drilling and harrow-tilled to 20 cm) on weed patches in a three-year survey in four direct-drilled and three harrow-tilled commercial fields in Catalonia (North-eastern Spain). The area of the ground covered by weeds (hereafter called “weed cover”) was estimated at 96 to 122 points measured in each year in each field, in 50 cm × 50 cm quadrats placed in a 10 m × 10 m grid in spring. Bromus diandrus, Lolium rigidum, and Papaver rhoeas were the main weed species. The weed cover and degree of aggregation for all species varied both between and within fields, regardless of the kind of tillage. Under both forms of soil management all three were aggregated in elongated patterns in the direction of traffic. Bromus was generally more aggregated than Lolium, and both were more aggregated than Papaver. Patches were stable over time for only two harrow-tilled fields with Lolium and one direct-drilled field with Bromus, but not in the other fields. Spatial stability of the weeds was more pronounced in the direction of traffic. Herbicide applications, crop rotation, and traffic seem to affect weed populations strongly within fields, regardless of the soil management. We conclude that site-specific herbicides can be applied to control these species because they are aggregated, although the patches would have to be identified afresh in each season.This research was funded by the Spanish National Program (project: AGL2010-22084-C02-0). A.E.M. was funded by the Institute Strategic Programme (ISP) grants, “Soils to Nutrition” (S2N) grant number BBS/E/C/000I0330, and the joint Natural Environment Research Council (NERC) and Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) ISP grant “Achieving Sustainable Agricultural Systems” (ASSIST) grant number BBS/E/C/000I0100, using facilities funded by the BBSRC

Weeds in Cover Crops: Context and Management Considerations

Cover crops are increasingly being adopted to provide multiple ecosystem services such as improving soil health, managing nutrients, and decreasing soil erosion. It is not uncommon for weeds to emerge in and become a part of a cover crop plant community. Since the role of cover cropping is to supplement ecosystem service provisioning, we were interested in assessing the impacts of weeds on such provisioning. To our knowledge, no research has examined how weeds in cover crops may impact the provision of ecosystem services and disservices. Here, we review services and disservices associated with weeds in annual agroecosystems and present two case studies from the United States to illustrate how weeds growing in fall-planted cover crops can provide ground cover, decrease potential soil losses, and effectively manage nitrogen. We argue that in certain circumstances, weeds in cover crops can enhance ecosystem service provisioning. In other circumstances, such as in the case of herbicide-resistant weeds, cover crops should be managed to limit weed biomass and fecundity. Based on our case studies and review of the current literature, we conclude that the extent to which weeds should be allowed to grow in a cover crop is largely context-dependent.This work was supported by the USDA National Institute of Food and Agriculture, Organic Research and Extension Initiative under Project PENW-2015-07433 (Grant No. 2015-51300-24156, Accession No. 1007156) and the National Science Foundation (Grant No. DGE1255832)

Seed predators and weed seed predation for weed control in winter cereals

La depredació de llavors pot causar pèrdues significatives de llavors de males herbes en sistemes agrícoles i, per tant, pot contribuir al control de les arvenses. Actualment, el coneixement existent sobre la identitat i la contribució relativa dels diferents depredadors de llavors, i dels factors que limiten aquesta depredació és escàs. Aquest estudi té com a objectiu contribuir a augmentar aquest coneixement pel cas específic del cereals d’hivern a les zones semi-àrides del nord-est espanyol. Tradicionalment, aquesta zona ha estat de secà i caracteritzada per un intens treball del sòl. Però, amb el temps, una superfície creixent d’aquesta zona ha anat transformant-se al regadiu; i a la restant zona de secà, la sembra directa ha anat creixent en superfície. Per aquest motiu, es va estudiar l’impacte d’aquestes dues transformacions en la depredació de llavors de males herbes. L’estudi ha mostrat que en les àrees de secà, les formigues recol·lectores de l’espècie Messor barbarus estan contribuint d’una manera substancial al control de males herbes al emportar-se grans quantitats de llavors de males herbes durant els mesos de primavera i estiu. El conreu del sòl a l’estiu va fer decréixer les taxes de depredació i va provocar l’enterrament de la majoria de les llavors que es trobaven a la superfície del sòl, impedint, d’aquesta manera, la continuació de la depredació. Igualment, el conreu del sòl també va fer disminuir la densitat de nius de formigues als camps conreats en comparació amb els camps de sembra directa. L’expansió de l’àrea en sembra directa hauria de donar lloc a unes taxes elevades de control natural de les males herbes en una àmplia zona. Per contra, el reg per inundació va eliminar completament les formigues recol·lectores i va portar casi a la completa pèrdua d’aquest servei de l’ecosistema. Encara que caràbids i ratolins eren presents als marges dels cultius, les taxes de depredació a l’interior dels camps van ser extremadament baixes. Les causes d’aquesta falta de depredació encara no són conegudes i haurien de ser estudiades en el futur. Les densitats de nius de formigues recol·lectores varien enormement entre camps i, per tant, s’espera que les taxes de depredació variïn en conseqüència. Les causes d’aquesta variabilitat no van poder ser identificades. La densitat de nius de M. barbarus no es van poder correlacionar amb les característiques del sòl més comunes, amb paràmetres topogràfics ni amb practiques de maneig, excepte amb el nombre d’anys des de l’adopció de la sembra directa. La densitat de nius de M. barbarus va ser màxima després de 11 – 12 anys de sembra directa. A part d’això, no es van poder formular recomanacions per incrementar les densitats de nius en aquelles zones en les que són baixes. L’èxit de la depredació de llavors de males herbes com a servei de l’ecosistema també depèn de l’habilitat dels depredadors de respondre d’una manera directament denso-dependent a densitats creixents de llavors. La resposta a diferents densitats de llavors per part de ratolins granívors va ser investigada en camps de blat del nord-est d’Alemanya. Els ratolins van respondre a densitats creixents de llavors d’una forma directament denso-dependent i per tant, s’espera que puguin ser capaços de controlar d’una manera efectiva els rodals de males herbes. Les respostes a densitats creixents de llavors per part de ratolins i formigues recol·lectores en les condicions del nord-est de l’estat espanyol estan essent investigades actualment. Es possible que les formigues recol·lectores puguin, ocasionalment, destruir llavors de cultiu. Tanmateix, les pèrdues de rendiment causades per M. barbarus van ser negligibles en la majoria dels casos (0.4% del rendiment) i poden ser explicades per la densitat de nius, la mida d’aquests i el nombre d’anys que el camp porta en sembra directa. Ocasionalment, es van registrar pèrdues de rendiment més altes (9.2% del rendiment). Les causes d’aquestes pèrdues han d’esser estudiades en detall en el futur. Aquest estudi exemplifica la fortalesa i la vulnerabilitat d’un servei del ecosistema. A les zones de secà del nord-est espanyol, s’estan donant, d’una forma natural, altes taxes altes de depredació de llavors de males herbes que contribueixen substancialment al control d’aquestes herbes. Tanmateix, aquest servei es pot perdre fàcilment tal com il·lustren l’absència de depredació de llavors en les àrees regades a manta i la resposta de les formigues recol·lectores a un excessiu treball del sòl. Les densitats de nius de formigues recol·lectores existents podrien ser preservades limitant el nivell de pertorbació del sòl. En regions semi-àrides, on la producció de cereals és marginalment rendible degut a l’escassetat d’aigua, la preservació del control natural de les males herbes dut a terme per les formigues recol·lectores és necessària per preservar la sostenibilitat del sistemaLa depredación de semillas puede causar pérdidas significativas de semillas de malas hierbas en sistemas agrícolas y, por lo tanto, puede contribuir al control de dichas hierbas. Actualmente, el conocimiento existente acerca de la identidad y contribución relativa de los depredadores de semillas, y de los factores que limitan esta depredación es escaso. Este estudio tiene como objetivo contribuir a incrementar dicho conocimiento para el caso específico de los cereales de invierno en las zonas semi-áridas del noreste español. Tradicionalmente, esta zona ha sido de secano y caracterizada por un intenso laboreo del suelo. Sin embargo, la superficie de regadío ha ido incrementándose en la zona y, en la zona de secano restante, la siembra directa también ha ido en aumento. Por este motivo, se estudió el impacto de estas dos transformaciones en la depredación de semillas de malas hierbas. El estudio ha mostrado que, en las zonas de secano, las hormigas granívoras de la especie Messor barbarus están contribuyendo de una forma sustancial al control de malas hierbas, al llevarse grandes cantidades de semillas de malas hierbas durante los meses de primavera i verano. El laboreo del suelo en verano redujo las tasas de depredación de semillas y provocó el enterramiento de la mayoría de las semillas presentes en la superficie del suelo, lo que impidió, en gran medida, la continuación de la depredación. De la misma forma, el laboreo del suelo también disminuyó la densidad de nidos de hormigas en los campos cultivados en comparación con los campos de siembra directa. La expansión del área en siembra directa debería dar lugar a tasas elevadas de control natural de malas hierbas en una amplia zona. Contrariamente, el riego por inundación eliminó por completo a las hormigas granívoras y llevó a la casi completa desaparición de este servicio del ecosistema. Aún cuando carábidos y pequeños roedores estaban presentes en los márgenes de los cultivos, las tasas de depredación en el interior de los campos fueron extremadamente bajas. Las causas de esta falta de depredación son aún desconocidas y deberían ser estudiadas en el futuro. Las densidades de nidos de hormigas granívoras varían enormemente entre campos y, por lo tanto, se espera que las tasas de depredación también varíen en consecuencia. Las causas de dicha variabilidad no pudieron ser identificadas. Las densidades de nidos de M. barbarus no se pudieron correlacionar con las características del suelo más comunes, con parámetros topográficos ni con las prácticas de manejo del cultivo, exceptuando en número de años desde la adopción de la siembra directa. Las densidades de nidos de M. barbarus fueron máximas después de 11-12 años de siembra directa. A parte de esto, no se pudieron formular recomendaciones para incrementar las densidades de nidos en aquellas zonas en las que son bajas. El éxito de la depredación de semillas de malas hierbas como servicio del ecosistema depende también de la habilidad de los depredadores para responder de una forma directamente denso-dependiente a densidades crecientes de semillas. La respuesta a diferentes densidades de semillas por parte de roedores granívoros fue investigada en campos de trigo del noreste de Alemania. Los roedores respondieron a densidades crecientes de semillas de una forma directamente denso-dependiente, por lo que se espera que puedan ser capaces de controlar de una forma efectiva, los rodales de malas hierbas. Las respuestas a densidades crecientes de semillas por parte de roedores y hormigas granívoras en condiciones del noreste español están siendo investigadas en la actualidad. Es posible que las hormigas granívoras puedan, ocasionalmente, destruir semillas de cultivo. Sin embargo, las pérdidas de rendimiento causadas por M. barbarus fueron insignificantes en la mayoría de casos (0.4% del rendimiento) y pueden ser explicadas por la densidad de nidos, su tamaño y el número de años de siembra directa del campo. Ocasionalmente, se registraron pérdidas de rendimiento más elevadas (9.2% del rendimiento). Las causas de estas pérdidas deben ser estudiadas en más detalle en el futuro. Este estudio ejemplifica la fortaleza y la vulnerabilidad de un servicio del ecosistema. En las zonas de secano del noreste español se están dando, de forma natural, altas tasas de depredación de semillas de malas hierbas, que están contribuyendo sustancialmente al control de las malas hierbas. Sin embargo, este servicio puede perderse fácilmente tal como muestran la ausencia de depredación de semillas en las áreas regadas a manta y la respuesta de las hormigas granívoras a un excesivo laboreo del suelo. Las densidades de nidos de hormigas existentes podrían ser preservadas limitando el grado de perturbación del suelo. En regiones semi-áridas, donde la producción de cereales es marginalmente rentable debido a la escasez de agua, el mantenimiento del control natural de las malas hierbas por parte de las hormigas granívoras se hace necesario para preservar la sostenibilidad del sistema.Seed predation can cause significant losses of weed seeds in agricultural systems and can, thus, contribute to weed control. Knowledge on the identity and relative contribution to weed control by various seed predators, and on factors limiting seed predation is currently lacking. This study aimed at casting light on these aspects for the specific case of winter cereal fields in semi-arid north-eastern Spain. This area is traditionally managed without irrigation and with tillage. However, an ever increasing proportion of the arable land is being irrigated and the remainder of the rain fed land is managed without tillage. The impact of tillage and irrigation on weed seed predators and seed removal rates were, therefore, studied. The study showed that in the rain-fed area, Messor barbarus harvester ants are contributing substantially to weed control by removing large quantities of weed seeds during spring and summer. Tillage during summer decreased predation rates and buried most of the weed seeds located on the soil surface, thus preventing further seed removal. Tillage also decreased the number of harvester ant nests compared to no-till fields. The expansion of the area that is managed with minimum and no-till should result in high natural weed control level over a large area. In contrast, inundative irrigation completely eliminated harvester ants, and led to the almost complete loss of this ecosystem service. Although carabid beetles and rodents were present in the field edges, predation rates in the field interior were extremely low. Causes for the lack of seed predation are still unknown and should be further investigated. Densities of harvester ant nests varied enormously between fields; concomitant weed seed predation rates are expected to vary accordingly. Causes for this variability could not be identified. Harvester ant nest density did not correlate with the most common soil characteristics, topographic variables or crop and management practices, with the exception of the number of years of no-till. Harvester ant density was highest after 11-12 years of no-till. Other than that, no recommendations could be formulated to increase nest densities in those areas were they are low. Success of weed seed predation as an ecosystem service also depends on the ability of predators to respond in a direct density dependent way to increasing seed densities. The density dependent response of granivorous rodents to seed patches with varying density was investigated in winter cereal fields of north-eastern Germany. Rodents responded in a direct density dependent way to increasing seed densities and are, therefore, expected to effectively control weed patches. The density dependent response by harvester ants and granivorous rodents in cereal fields in NE Spain are currently being investigated. It is feasible that harvester ants occasionally destroy crop seeds and cause crop damage. Yield loss caused by M. barbarus was, however, negligible (0.4 % of yield), and was explained by nest density, nest size and number of years without tillage. Based on these results, damage caused by harvester ants was more than offset by the benefits with regard to weed control. However, occasional higher yield losses (max. 9.2%) were recorded and the conditions leading to higher losses should be investigated further. This study exemplifies both the strength and vulnerability of an ecosystem service. High weed seed predation by harvester ants is occurring naturally in rain-fed cereals in north-eastern Spain and contributes substantially to weed control. However, this service can easily be lost as illustrated by the absence of seed predation in the flood irrigated areas and the response of harvester ants to excessive tillage. Existing densities of harvester ant nests could be preserved by limiting the level of soil disturbance. In semi-arid regions, cereal production is marginally cost effective due to limited water availability and, therefore, preserving natural weed control by harvester ants is needed in order to preserve the sustainability of the system

Weed seed predation, an ecological service to preserve and promote

La depredación de semillas de malas hierbas es un claro ejemplo de cómo la conservación de la biodiversidad de los sistemas agrarios redunda en un beneficio, tanto para el agricultor como para la sostenibilidad del sistema. Roedores, pájaros e insectos han sido descritos como los depredadores más abundantes y los que muestran mayores consumos de semillas y, por tanto, son los que pueden tener un impacto mayor en el control de las poblaciones de malas hierbas de los cultivos. De hecho, se ha estimado que los depredadores de semillas pueden consumir entre el 26 y el 83 % de las semillas producidas anualmente por estas plantas. A diferencia de los sistemas naturales, los agro-ecosistemas son sistemas alterados en los que el manejo puede determinar en gran medida el grado de diversidad presente y su funcionalidad. Este artículo revisa el papel que el laboreo, la cobertura del suelo y el paisaje pueden tener sobre los distintos tipos de depredadores de semillas y sus tasas de depredación, y esboza qué estrategias pueden ser las más idóneas para conservar este servicio ecosistémico con el objetivo de disminuir la dependencia de los herbicidas para el manejo de la flora arvense.Weed seed predation is a clear example of how conservation of biodiversity in agro-ecosystems can benefit the farmers at the same time that increases the sustainability of the system. Rodents, birds and insects have been described as the most abundant seed predators and those who consume more weed seeds. Therefore, they are likely to have a large impact on weed populations control within the crops. In fact, some studies have estimated that seed predators can remove between 26 and 83% of the weed seeds produced yearly. In contrast to natural systems, agro-ecosystems are disturbed habitats where management plays a major role in determining the degree of biodiversity present and its functionality. This article reviews the role that tillage, soil cover and landscape complexity can have on the populations of weed seed predators and their predation rates. It also outlines some strategies to preserve this ecosystem service in order to decrease reliance on herbicides for weed management

Weed seed fate during summer fallow: The importance of seed predation and seed burial

Maximizing weed seed exposure to seed predators by delaying post-harvest tillage has been suggested as a way to increase weed seed loss to predation in arable fields. However, in some areas of northeastern Spain, fields are still tilled promptly after cereal harvest. Tillage usually places seeds in a safer environment compared to the soil surface, but it can also increase seed mortality through seed decay and fatal germination. By burying the seeds, tillage also prevents weed seed predation. Weed seed fate in a tilled vs. a no-till environment was investigated during the summer fallow months in three cereal fields in semi-arid northeastern Spain. Rigid ryegrass and catchweed bedstraw seeds were used. Predation rates were measured in a no-till area within each field in 48-h periods every 3 wk, and long-term predation rates were estimated. Fate of buried seeds was measured by burying 20 nylon bags with 30 seeds of each weed species from July to September at a depth of 6 cm in a tilled area contiguous to the no-till area. Predation rates over the entire summer were 62% and 49% for rigid ryegrass and catchweed bedstraw, respectively. High availability of crop seeds (preferred by ants) on the soil surface may have decreased predation of weed seeds early in the season. Seed loss due to burial was 54% and 33% for rigid ryegrass and catchweed bedstraw, respectively. Unusual above-average precipitation probably prompted higher than normal weed germination rates (fatal germination) in some fields, and thus led to higher seed mortality rates compared with an average year. These results suggest that leaving the fields untilled after harvest may be the optimum strategy to reduce inputs to the weed seedbank during the summer fallow period in semi-arid systems