Strategies for the optimization of the efficiency in the plant protection product applications in olive canopies

Abstract

Pesticide applications are necessary to guarantee the proper development of crops and, therefore, to ensure the profitability for the farmer. However, their mismanagement in last years has led to important environmental problems, triggering the emergence of a generalized animosity towards these practices. The European Administration, by taking into account this social concern, has developed a restrictive legal framework to guarantee the sustainability of treatments through their rationalization. In the case of olive, a very important crop in Spain, this problem is especially critical because of three main reasons. First, it is very concentrated in the Guadalquivir river basin, what makes the negative impacts to be very intense in the area, Next, the lack of knowledge and training makes farmers and technicians to not to be able to properly plan the treatments, generally overdosing to ensure biological efficiency. Last, the traditional nature of this crop and their structural characteristics (big-sized trees with very irregular tree crown shapes, wide tree and row spacing, high slope conditions…) make it especially complex with respect to spray applications to the tree canopy. The objective of this thesis is to develop new strategies to increase the efficiency of pesticide applications to olive tree crowns, through the simultaneous action on three key lines: to determine the influence of the variations in the main working parameters on the application quality, to obtain a simple model to adjust the sprayed volume to the canopy characteristics and to test new solutions to adapt the spraying equipment to the canopy shape, These objectives are developed along four main chapters. In chapter II, the influence of the spray volume and the airflow rate on the efficiency, coverage, penetration and spray homogeneity is studied. The results show that it is appropriate to reduce these parameters with respect to those usually applied in the field, reducing in this way the applied volumes and the power needs in tractors. In chapter III, different manual canopy characterization methods are compared to the most accurate technology: a LiDAR scanner. It is demonstrated that manual methods are reliable and, therefore, they can be useful to farmers and technicians to make adjustments to the spray volumes to be applied. The Mean Vector method showed to be the most polyvalent for different olive plantation systems. In chapter IV, two trials were undertaken to determine the optimum specific spray volume (sprayed L per m3 canopy volume) in isolated trees. It was determined that the specific volume of 0.12 L · m-3 resulted in an optimum coverage, in addition to improve the homogeneity of deposition throughout the crown and the spray penetration. This finding can lead to an important reduction in the volumes to be applied by farmers. In chapter V, the development of three new air-assisted sprayers adapted to the particular conditions of traditional and intensive olive orchards is explained. Each one presents some particularities that make it to be more appropriate for one system or the other, but they all showed to have the potential to improve the efficiency of the conventional airblast sprayer. Coverage increases up to 61% were achieved with these new sprayers. Keywords: olive, working parameters, pesticides, spray volume, airflow rate, LiDAR, canopy characterization, dose adjustment, specific spray volume, prototype development.

La aplicación de productos fitosanitarios resulta necesaria para el correcto desarrollo de los cultivos y, por tanto, para asegurar su rentabilidad. No obstante, su mala gestión en los últimos años ha llevado a la aparición de problemas medioambientales de gran calado, lo que ha propiciado que haya una animadversion generalizada contra esta práctica. La Administración europea se ha hecho eco de esta preocupación social y ha impulsado un restrictivo marco legal para garantizar la sostenibilidad de los tratamientos mediante su racionalización. El caso del olivar, un cultivo de gran importancia en España, es especialmente crítico por tres motivos: por una parte, el cultivo se halla muy concentrado en la Cuenca del río Guadalquivir, con lo que la importancia de los impactos es muy alta. En segundo lugar, la escasez de investigación y transferencia hace que los agricultores y técnicos difícilmente estén en condiciones de llevar a cabo sus tratamientos de forma segura, optando generalmente por la sobre-dosificación para garantizar su eficacia biológica. Por ultimo, su carácter tradicional y sus características estructurales (copas de gran dimensión y de forma muy irregular, amplios anchos de calle, alta pendiente…) lo hacen especialmente complejo de cara a la pulverización sobre la copa de los árboles. El objetivo de esta tesis es desarrollar nuevas estrategias para aumentar la eficiencia de las aplicaciones de fitosanitarios a la copa de los olivos, mediante la actuación simultánea sobre tres líneas clave: determinar la influencia de las variaciones en los principales parámetros de trabajo sobre la calidad de las aplicaciones, obtener un modelo simple para ajustar el volumen de caldo empleado a las características de la vegetación y ensayar nuevas soluciones para adaptar los equipos de pulverización a la forma de la copa de los árboles. Se establecen cuatro capítulos principales que desarrollan estos objetivos. En el capítulo II, se estudia la influencia del volumen de caldo y del caudal de aire en la eficiencia, cobertura, penetración y homogeneidad de la pulverización. Los resultados muestran que es deseable reducir estos parámetros respecto a los comúnmente empleados en el campo, reduciendo así los volúmenes aplicados y las necesidades de potencia en los tractores. En el capítulo III se comparan diversos métodos de caracterización del volumen de copa manuales con la tecnología más precisa disponible en la actualidad: el escáner LiDAR. Se muestra que los métodos manuales son precisos y, por tanto, pueden ser útiles a agricultores y técnicos para realizar ajustes sobre el volumen de caldo a aplicar. Se establece el método del ‘Mean Vector’ como el más polivalente para los diferentes tipos de olivar. En el capítulo IV se llevan a cabo dos ensayos para determinar el óptimo volumen de aplicación específico (L de caldo por m3 de volumen de copa) en árboles aislados. Se determina que el volumen de 0.12 L · m-3 resulta en un grado de cobertura óptimo, además de mejorar la homogeneidad en la copa y la penetración. Esto supone una importante reducción en los volúmenes a aplicar por parte de los agricultores. En el capítulo V se detalla el desarrollo de tres nuevos equipos de pulverización adaptados a las condiciones particulares del olivar tradicional e intensivo. Cada equipo presenta unas particularidades que hace que trabaje major en un sistema o en otro, pero mejoran en todo caso al equipo comercial en términos de eficiencia. Incrementos de cobertura de hasta el 61% pueden ser conseguidos con estos nuevos atomizadores.