Final report on research project PS2010, proof of concept of automated mapping of weeds in arable fields

Many weeds occur in patches but farmers frequently spray whole fields to control the weeds in these patches. Given a geo-referenced weed map, technology exists to confine spraying to these patches. Adoption of patch spraying by arable farmers has, however, been negligible partly due to the difficulty of constructing weed maps. Building on previous DEFRA and HGCA projects, this proposal aims to develop and evaluate a machine vision system to automate the weed mapping process. The project thereby addresses the principal technical stumbling block to widespread adoption of site specific weed management (SSWM). The accuracy of weed identification by machine vision based on a single field survey may be inadequate to create herbicide application maps. We therefore propose to test the hypothesis that sufficiently accurate weed maps can be constructed by integrating information from geo-referenced images captured automatically at different times of the year during normal field activities. Accuracy of identification will also be increased by utilising a priori knowledge of weeds present in fields. To prove this concept, images will be captured from arable fields on two farms and processed offline to identify and map the weeds, focussing especially on black-grass, wild oats, barren brome, couch grass and cleavers. As advocated by Lutman et al. (2002), the approach uncouples the weed mapping and treatment processes and builds on the observation that patches of these weeds are quite stable in arable fields. There are three main aspects to the project. 1) Machine vision hardware. Hardware component parts of the system are one or more cameras connected to a single board computer (Concurrent Solutions LLC) and interfaced with an accurate Global Positioning System (GPS) supplied by Patchwork Technology. The camera(s) will take separate measurements for each of the three primary colours of visible light (red, green and blue) in each pixel. The basic proof of concept can be achieved in principle using a single camera system, but in practice systems with more than one camera may need to be installed so that larger fractions of each field can be photographed. Hardware will be reviewed regularly during the project in response to feedback from other work packages and updated as required. 2) Image capture and weed identification software. The machine vision system will be attached to toolbars of farm machinery so that images can be collected during different field operations. Images will be captured at different ground speeds, in different directions and at different crop growth stages as well as in different crop backgrounds. Having captured geo-referenced images in the field, image analysis software will be developed to identify weed species by Murray State and Reading Universities with advice from The Arable Group. A wide range of pattern recognition and in particular Bayesian Networks will be used to advance the state of the art in machine vision-based weed identification and mapping. Weed identification algorithms used by others are inadequate for this project as we intend to collect and correlate images collected at different growth stages. Plants grown for this purpose by Herbiseed will be used in the first instance. In addition, our image capture and analysis system will include plant characteristics such as leaf shape, size, vein structure, colour and textural pattern, some of which are not detectable by other machine vision systems or are omitted by their algorithms. Using such a list of features observable using our machine vision system, we will determine those that can be used to distinguish weed species of interest. 3) Weed mapping. Geo-referenced maps of weeds in arable fields (Reading University and Syngenta) will be produced with advice from The Arable Group and Patchwork Technology. Natural infestations will be mapped in the fields but we will also introduce specimen plants in pots to facilitate more rigorous system evaluation and testing. Manual weed maps of the same fields will be generated by Reading University, Syngenta and Peter Lutman so that the accuracy of automated mapping can be assessed. The principal hypothesis and concept to be tested is that by combining maps from several surveys, a weed map with acceptable accuracy for endusers can be produced. If the concept is proved and can be commercialised, systems could be retrofitted at low cost onto existing farm machinery. The outputs of the weed mapping software would then link with the precision farming options already built into many commercial sprayers, allowing their use for targeted, site-specific herbicide applications. Immediate economic benefits would, therefore, arise directly from reducing herbicide costs. SSWM will also reduce the overall pesticide load on the crop and so may reduce pesticide residues in food and drinking water, and reduce adverse impacts of pesticides on non-target species and beneficials. Farmers may even choose to leave unsprayed some non-injurious, environmentally-beneficial, low density weed infestations. These benefits fit very well with the anticipated legislation emerging in the new EU Thematic Strategy for Pesticides which will encourage more targeted use of pesticides and greater uptake of Integrated Crop (Pest) Management approaches, and also with the requirements of the Water Framework Directive to reduce levels of pesticides in water bodies. The greater precision of weed management offered by SSWM is therefore a key element in preparing arable farming systems for the future, where policy makers and consumers want to minimise pesticide use and the carbon footprint of farming while maintaining food production and security. The mapping technology could also be used on organic farms to identify areas of fields needing mechanical weed control thereby reducing both carbon footprints and also damage to crops by, for example, spring tines. Objective i. To develop a prototype machine vision system for automated image capture during agricultural field operations; ii. To prove the concept that images captured by the machine vision system over a series of field operations can be processed to identify and geo-reference specific weeds in the field; iii. To generate weed maps from the geo-referenced, weed plants/patches identified in objective (ii).

Tillage and herbicide treatments with inter-row cultivation influence weed densities and yield of three industrial crops

Field experiments were conducted in northern Greece in 2003 and 2004 to evaluate effects of tillage regimes (moldboard plowing, chisel plowing, and rotary tilling), cropping sequences(continuous cotton, cotton-sugar beet rotation,and continuous tobacco) and herbicide treatments with inter-row hand hoeing on weed population densities. Total weed densities were not affected by tillage treatment except that of barnyardgrass (Echinochloa crus-galli), which increased only in moldboard plowing treated plots during 2003. Redroot pigweed (Amaranthus retroflexus)and black nightshade (Solanum nigrum) densities were reduced in continuous cotton, while purple nutsedge (Cyperus rotundus), E. crus-galli, S. nigrum, and johnsongras(Sorghum halepense) densities were reduced in tobacco. A. retroflexus and S. nigrum were effectively controlled by all herbicide treatments with inter-row hand hoeing,whereas E. crus-galli was effectively reduced by herbicides applied to cotton and tobacco. S. halepense density reduction was a result of herbicide applied to tobacco with inter-row hand hoeing. Yield of all crops was higher under moldboard plowing and herbicide treatments. Pre-sowing and pre-emergence herbicide treatments in cotton and pre-transplant in tobacco integrated with inter-row cultivation resulted in efficient control of annual weed species and good crop yields. These observations are of practical relevance to crop selection by farmers in order to maintain weed populations at economically acceptable densities through the integration of various planting dates, sustainable herbicide use and inter-row cultivation; tools of great importance in integrated weed management systems. Keywords: cropping sequence, herbicide, integrated weed management, inter-row cultivation,tillage.

Effects of agricultural management practices on earthworm populations and crop yield: validation and application of a mechanistic modelling approach

There is little consensus on how agriculture will meet future food demands sustainably. Soils and their biota play a crucial role by mediating ecosystem services that support agricultural productivity. However, a multitude of site-specific environmental factors and management practices interact to affect the ability of soil biota to perform vital functions, confounding the interpretation of results from experimental approaches. Insights can be gained through models, which integrate the physiological, biological and ecological mechanisms underpinning soil functions. We present a powerful modelling approach for predicting how agricultural management practices (pesticide applications and tillage) affect soil functioning through earthworm populations. By combining energy budgets and individual-based simulation models, and integrating key behavioural and ecological drivers, we accurately predict population responses to pesticide applications in different climatic conditions. We use the model to analyse the ecological consequences of different weed management practices. Our results demonstrate that an important link between agricultural management (herbicide applications and zero, reduced and conventional tillage) and earthworms is the maintenance of soil organic matter (SOM). We show how zero and reduced tillage practices can increase crop yields while preserving natural ecosystem functions. This demonstrates how management practices which aim to sustain agricultural productivity should account for their effects on earthworm populations, as their proliferation stimulates agricultural productivity. Synthesis and applications. Our results indicate that conventional tillage practices have longer term effects on soil biota than pesticide control, if the pesticide has a short dissipation time. The risk of earthworm populations becoming exposed to toxic pesticides will be reduced under dry soil conditions. Similarly, an increase in soil organic matter could increase the recovery rate of earthworm populations. However, effects are not necessarily additive and the impact of different management practices on earthworms depends on their timing and the prevailing environmental conditions. Our model can be used to determine which combinations of crop management practices and climatic conditions pose least overall risk to earthworm populations. Linking our model mechanistically to crop yield models would aid the optimization of crop management systems by exploring the trade-off between different ecosystem services.

Viabilidade do confinamento de bovinos com feno de resíduos culturais de soja no sistema triângulo

O presente estudo buscou analisar a viabilidade econômica, agronômica e ambiental de um sistema que está em execução em uma propriedade no norte do estado de Goiás. Esse sistema, denominado Sistema Triângulo, vai de encontro com a Integração Lavoura-Pecuária e busca formas alternativas para o uso dos restos culturais (fardos) de soja fornecendo esse material como volumoso para o gado no sistema de confinamento. Para o estudo da viabilidade, foram usadas as informações da própria fazenda num estudo de caso. Para tal, realizou-se uma revisão quanto à adoção de sistema de produção na área agrícola, quanto às interações dos macronutrientes que seriam retirados das áreas por intermédio dos fardos, o papel da matéria orgânica quanto à sustentabilidade do sistema, o cenário atual dos confinamentos no Brasil e os custos que compõem e determinam a lucratividade dessa atividade. Por ser um estudo de caráter incremental, a viabilidade econômica ficou focada à redução dos custos alimentares. Foram utilizadas informações produzidas pela Fazenda Triângulo que é produtora de soja desde 2002. Sendo assim, foi possível acompanhar a evolução dos teores de macronutrientes (nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio e enxofre) e do carbono em uma área total de 351 ha. Os resultados mostraram uma estabilidade nos níveis dos macroelementos após o início da retirada dos restos culturais mas, apresentou-se inconclusivo no caso do carbono. Foi estimada também a exportação dos macronutrientes por intermédio da retirada dos fardos das áreas de soja. Levantada a composição química dos fardos, foram estabelecidos seis cenários de reposição via adubação específica e esses custos foram acrescidos de custos de processamento dos fardos e o custo dos outros componentes da dieta no confinamento. Calculado o valor presente líquido para cada um dos cenários e comparando com a alternativa tradicional de dieta de confinamento, onde se usa a silagem de milho como 100% do volumoso, mostrou-se uma redução de até 5,02% nos custos alimentares. Com as práticas agronômicas da produção de soja vigentes hoje, recomenda-se a adoção do Sistema Triângulo com a ressalva de uma necessidade de maiores estudos quando seu impacto nos teores de carbono orgânico no solo.

Operational parameters of soybean seeding in santa fe system

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Produtividade de milho, espaçamento e modalidade de consorciação com Brachiaria brizantha em sistema plantio direto

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effects of row spacing and intercrop on maize grain yield and forage production of palisade grass

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sistemas de produção de grãos e incidência de plantas daninhas

O sistema de semeadura direta e os diferentes sistemas de produção nele adotados podem contribuir para a supressão de plantas infestantes. em razão disso, o objetivo do presente trabalho foi avaliar o controle de plantas daninhas em função de diferentes sistemas de produção de grãos. Os tratamentos utilizados foram: I. Sistema safra-pousio - soja/ pousio/milho/pousio/arroz/pousio/soja; II. Sistema safra-adubo verde - soja/milheto/ milho/guandu/arroz/crotalária/soja; III. Sistema safra-safrinha - soja/aveia-branca/milho/ feijão-da-seca/arroz/mamona/soja; IV. Sistema safra - forrageira- soja + braquiária/milho + braquiária/arroz + braquiária/soja. em novembro de 2009 (após três safras agrícolas), foi realizado o levantamento de plantas daninhas infestantes. Para isso, foi utilizado um quadro (0,3 x 0,3 m), lançado aleatoriamente quatro vezes dentro de cada parcela. As plantas foram identificadas, bem como feita a determinação do número total das espécies invasoras, da massa seca e da porcentagem de controle das espécies de acordo com o sistema de produção. Foi realizada ainda a análise fitossociológica da comunidade de plantas daninhas infestantes. Os sistemas safra-adubo verde, safra-safrinha e safra-forrageira apresentaram bom controle de plantas infestantes quando comparados ao sistema safra-pousio. Portanto, a presença de algum tipo de cobertura é importante para manter as características do solo favorável e um bom controle de plantas invasoras.

Variabilidade da produtividade da soja em função de atributos físicos de um latossolo vermelho distroférrico sob plantio direto

Atualmente, no cenário nacional, a cultura da soja em plantio direto é muito utilizada na integração agricultura-pecuária. No ano agrícola de 2006/2007, no município de Selvíria (MS), entre as latitudes de 20 ° 18 ' 05S e 20 ° 18 ' 28S e as longitudes de 52 ° 39 ' 02W e 52 ° 40 ' 28W, foi analisada a produtividade da soja, em plantio direto, em função de alguns atributos físicos de um Latossolo Vermelho distroférrico. O objetivo foi selecionar, entre os atributos do solo pesquisados, aquele que melhor se apresentasse para explicar a variabilidade espacial da produtividade agrícola. Para isso, foi instalada a malha geoestatística para a coleta dos dados do solo e da planta, contendo 120 pontos amostrais, numa área de 4.068 m² e declive homogêneo de 0,025 m m-1. do ponto de vista linear e espacial, a elevada produtividade de grãos de soja pôde ser explicada em função da densidade do solo e da umidade volumétrica. A baixa variabilidade da maioria dos atributos do solo indicou que o plantio direto é um sistema que proporciona a homogeneização do ambiente físico do solo.

Avaliação dos atributos físicos do solo em consórcio de forrageiras e milho em sucessão com soja em região de cerrados

O uso intensivo de áreas do Cerrado para produção agropecuária aliado ao manejo inadequado tem causado degradação dos solos. Nesse sentido há necessidade da incorporação de sistemas sustentáveis como plantio direto e a integração lavoura-pecuária. Este trabalho objetivou identificar o efeito da sucessão de milho+forrageiras e soja nos atributos físicos do solo. Para tanto foi realizado, em área experimental da Unesp, campus de Ilha Solteira, um ensaio composto do consórcio de milho com quatro forrageiras (Brachiaria brizantha,B. ruziziensis, Panicum maximum cv. Tanzânia e P. maximum cv. Áries) semeadas em três modalidades (na linha de semeadura do milho misturada ao adubo, a lanço simultânea à semeadura do milho e a lanço no estádio V4 do milho) e o milho sem consorciação (testemunha). A soja de verão foi implantada sobre os restos culturais dos tratamentos anteriores. Foram realizadas coletas para determinar a macro e microporosidade, porosidade total e densidade do solo em duas épocas de amostragem, após as colheitas do milho e da soja. Pelos resultados, pôde-se concluir que, em regiões de cerrados, a sucessão de culturas utilizada promoveu a melhoria da macroporosidade, porosidade total e densidade do solo, independentemente da utilização de forrageiras em consórcio com milho.

Adubação nitrogenada de sorgo granífero consorciado com capim em sistema de plantio direto

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do manejo da adubação nitrogenada sobre a cultura do sorgo granífero, cultivado solteiro e em consócio com capim-marandu e capim-mombaça, e determinar a produtividade de matéria seca das forrageiras, nos anos agrícolas 2003/2004 e 2004/2005, em plantio direto. Foi utilizado o delineamento experimental em blocos ao acaso, em arranjo fatorial 3x5, com quatro repetições. Os tratamentos consistiram de três sistemas de cultivo de sorgo granífero (solteiro e consorciado com capim-marandu ou capim-mombaça, na linha de semeadura) e cinco manejos de adubação nitrogenada: 30-70; 70-30; 50-50; 100-0; e 0-100 kg ha-1 de N, quantidades aplicadas na semeadura e na cobertura, respectivamente. O cultivo consorciado não afetou a nutrição nem a produtividade de grãos de sorgo. Apenas no primeiro ano de cultivo, o parcelamento 50-50 kg ha-1 de N proporcionou maior produtividade de grãos. O manejo da palhada interferiu no estabelecimento do sorgo no segundo ano de cultivo, e diminuiu a produtividade de grãos. As maiores doses de N aplicadas em cobertura elevaram a produtividade de matéria seca do capim-marandu e, as aplicadas em semeadura, a elevaram no capim-mombaça.

Nutrição e produtividade de híbridos de sorgo granífero de ciclos contrastantes consorciados com capim-marandu

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do consórcio com capim-marandu (Urochloa brizantha) na nutrição e produtividade de híbridos de sorgo granífero de ciclos contrastantes, em sistema plantio direto. Utilizou-se o delineamento experimental de blocos ao acaso, em arranjo fatorial 2x2, com seis repetições. Os tratamentos consistiram de dois híbridos de sorgo granífero de ciclos contrastantes (P8118, ciclo médio; e P8419, ciclo precoce) e dois sistemas de cultivo (monocultivo e consórcio com capim-marandu na linha de semeadura), com semeadura no início de dezembro. Avaliou-se a nutrição, as características agronômicas, os componentes da produção e a produtividade de matéria seca e grãos da cultura do sorgo. Com exceção do potássio e do enxofre, os teores foliares dos demais nutrientes foram adequados à cultura do sorgo granífero, em todos os tratamentos. O híbrido P8118 apresentou a maior produtividade de grãos e, após o consórcio, contribuiu para a maior produtividade de matéria seca da forragem de capim-marandu, no corte realizado em outubro. O cultivo consorciado com capim-marandu não afeta a nutrição e a produtividade de matéria seca e de grãos de sorgo, em comparação ao monocultivo, independentemente do ciclo do híbrido utilizado.

Efeito do sistema de plantio e doses do nicosulfuron sobre a atividade microbiana do solo

Objetivou-se com este trabalho avaliar o efeito do atrazine em mistura com nicosulfuron sobre a atividade microbiológica do solo em sistema de cultivo convencional ou semeadura direta. O estudo foi realizado em área de integração milho-braquiária, sendo feitas aplicações dos herbicidas atrazine + nicosulfuron em duas dosagens (1.500 + 10 e 1.500 + 30 g h-1) e mantidas duas áreas testemunhas: não capinada e capinada sem cultivo. Por ocasião do florescimento, foram retiradas amostras do solo em cada unidade experimental, para determinação da taxa de desprendimento de CO2, carbono da biomassa microbiana (CBM) e quociente metabólico (qCO2). Entre os sistemas de cultivo, a taxa de desprendimento de CO2 foi menor nas parcelas não capinadas. O CBM foi maior no sistema de plantio direto, sendo afetado negativamente pela ausência de vegetação. Menores valores para CBM foram observados nas amostras de solo das parcelas capinadas. Os maiores valores de qCO2 foram observados no sistema convencional. No sistema de plantio direto não se verificou diferença entre os tratamentos cujo solo recebeu herbicida e o isento de capinas. Dessa forma, pode-se concluir que os indicadores microbiológicos avaliados foram sensíveis aos tratamentos propostos, indicando menor distúrbio ao solo quando em sistema de semeadura direta. Entretanto, na integração lavoura-pecuária em sistema convencional de cultivo, o efeito negativo dos herbicidas é aumentado com o incremento na dose do nicosulfuron.

Qualidade fisiológica de sementes de Brachiaria e avaliação da produtividade de massa seca em diferentes sistemas de integração lavoura-pecuária sob irrigação

The speed and magnitude of tropical pastures expansion in Brazil are related to the availability of quality seeds. This research aimed to evaluate the physiological quality of seeds of two Brachiaria species submitted to germination and viability tests and also estimate, for both species, the fresh and dry mass yield, under different irrigated crop-livestock integration systems. For field analysis, the experimental design was a randomized complete block, in subplots, with four intercrops in the plot (Brachiaria brizantha cv. Marandu and Brachiaria ruziziensis simultaneously established with corn and nitrogen fertilization coverage), and four forage cutting times, in the winter/spring season, in subplots, with four replications. In the laboratory, the experimental design was completely randomized, with four replications per treatment/test. The germination and viability tests indicated that B. brizantha seeds showed higher physiological quality, when compared with B. ruziziensis, while the tetrazolium test and germinated seedlings characteristics were similar. The B. ruziziensis, simultaneously intercropped with corn, was the less viable intercrop, due to the lower fresh and dry mass yield and litter deposition on the soil surface. In general, the pasture formation for the second season cultivation, intercropped with corn, was an excellent alternative for crop-livestock integration under a no-tillage system.

Análises técnicas e econômicas no sistema de integração lavoura-pecuária submetido à adubação nitrogenada

Sustainable agriculture, reduced production costs and adding value to the system are achieved through the use of agricultural areas throughout the year, in integrated or mixed system. The study aimed to determine the technical coefficients to estimate and evaluate the operational cost and profitability indicators of the consortium of corn with two species of Brachiaria (B. brizantha, MG-5 and B. ruziziensis). The crops were submitted to N rates (0, 100, 200, 300 e 400kg ha-1year-1) at sidedressing, using urea, and winter common bean in succession, in crop-livestock integration under no-tillage, in irrigated conditions, in 2008/2009 agricultural year in Cerrado region (Selvíria - MS). The experiment was conducted in a randomized complete block design with four replications in a 2 x 5factorial. It was concluded thatcathe inputs were the components that most increased the producing cost of corn and common bean in the ILP study. The total operational cost has increased as a function of increasing doses of N. In all treatments the levels of profitability were positive indicating the viability of the system. The treatment that showed the best technical and economic performance was intercropped with corn and B. brizantha, fertilized with 100kg ha-1year-1N and common bean in succession.