Diese Studie hatte zum Ziel, den Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Pestizidanwendung und der Bienenaktivität, gemessen mit Bioakustik, in Sojabohnen zu untersuchen. Die Analyse zeigte, dass die Anwendung von Pestiziden, unabhängig vom Zeitpunkt, keinen Einfluss auf die Bienenaktivität, Entlaufung oder Ertrag hatte. Die Bienenaktivität war jedoch später am Tag und während der Spitzenzeit der Sojabohnenblüte höher.
Forschungsartikel
Bewertung der Abwehrwirkung einer Insektizid-Fungizid-Kombination auf Bienen mittels Bioakustik
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Sojabohnen (Glycine max (L.) Merr.) und Bienen haben eine für beide Seiten vorteilhafte Beziehung, bei der Nektar gegen die Bestäubung ausgetauscht wird, was den Saatgutertrag steigern kann. Allerdings könnte der Einsatz von Pestiziden bei Sojabohnen während der Blüte diese Beziehung stören, indem sie Bienen schädigt und somit den Ertragsvorteilen der Bestäuber verringert. Diese Studie untersuchte, wie die Anwendung von Pestiziden während der Blüte die Bienennahrung und den Sojaertrag beeinflusst, wobei der Zeitpunkt der Anwendung (Vormittag vs. mid Tag) und die Blütephase (R3 – volle Blüte vs. R5 – späte/ende der Blüte) im Vergleich zu einer unbehandelten Kontrolle im Mittelpunkt liegt. Dazu wurde 2023 und 2024 in Zentral-Ohio ein Experiment durchgeführt, bei dem Sojabohnenparzellen mit einer bienentoxischen Mischung aus einem Pyrethroid-Insektizid (0,9 % Alpha-Cypermethrin) und einem sterol-biosynthesehemmenden Fungizid (41,8 % Propiconazol) mit einem Rucksacksprüher besprüht wurden. Die Bienenaktivität wurde mit Audiorekordern überwacht, die in jedem Diagramm platziert waren, und mit dem maschinellen Lernwerkzeug buzzDetect analysiert. Bioakustische Analysen zeigten keinen Effekt der Anwendung von Pestiziden auf die Bienenaktivität, unabhängig vom Zeitpunkt. Die Bienenaktivität war während der R3-Wachstumsphase, wenn die Sojabohnen auf dem Höhepunkt der Blüte standen, signifikant höher als in der R5-Wachstumsphase, als die Blüten weniger zahlreich waren. Die Bienenaktivität war am Mittag deutlich höher als am Vormittag. Es wurden keine signifikanten Unterschiede bei der Entlaubung oder Ertrag der Sojabohnen über die verschiedenen Pestizidbehandlungen hinweg festgestellt. Diese Ergebnisse geben Einblicke darin, wie sich die Bienensuche während der Sojabohnen-Anbausaison und im Tagesverlauf verändert, was Pestizidempfehlungen zur Minimierung der Bienenbelastung unterstützen kann.
Einleitung
Pestizidanwendungen können Bestäuber beeinflussen, die in landwirtschaftlichen Systemen Nahrung suchen 1,2,3. Es ist möglich, die Wirkung von Pestiziden zumindest teilweise zu mildern, indem man die Anwendung so zeitlich begrenzt, dass die Exposition von Bestäubern minimiert wird. Pestizide, von denen bekannt ist, dass sie für Bestäuber giftig sind, tragen Etiketten, die die Anwendung bei aktiver Bienenaktivität oder Blüte verbieten. Diese Leitlinie entspricht den Richtlinien der United States EPA und den Informationsblätternder Universität 4,5. Wenn sie befolgt werden, kann diese Etikettanweisung das Risiko einer Pestizidanwendung auf Bienen verringern, gibt jedoch keine spezifischeren Hinweise darauf, welche Pflanzenwachstumsstadien und Tageszeiten die größte Bienenaktivität haben. Zusätzlich wurde die regulatorische Prüfung, die die Etikettsprache beeinflusst, mit einzelnen Pestiziden durchgeführt und berücksichtigt keine synergistischen Wechselwirkungen zwischen Pestiziden6.
Eine "Tankmischung" ist die Kombination von zwei oder mehr Pestiziden in einer einzigen Anwendung7 und wird weit verbreitet praktiziert, um die Kosten der Pestizidanwendungen zu senken und die Bodenverdichtung zu verringern, indem der Transport schwerer Applikationsanlagen über das Feld minimiertwird. Dies ist jedoch potenziell eine riskante Praxis für Bienen, da die meisten Pestizidkombinationen noch nicht hinsichtlich ihrer potenziellen Wirkung auf Nicht-Zielorganismen untersucht wurden9. Trotzdem wird das Tankmischen in vielen Anbausystemen weit verbreitet verwendet, darunter Kichererbse10, Kürbisse11, Mandeln12 und Sojabohnen13,14.
Sojabohnen sind eine Kulturpflanze, bei der die Anwendung von Pestiziden im Aquarium besonders wichtig für die Gesundheit der Bienen sein kann. Bienen suchen häufig Nektar auf Sojabohnenblüten, und Sojabohnen können eine wichtige Nektarquelle für Honigproduktionsein. Obwohl Sojabohnen selbstbestäubend sind, wurde wiederholt gezeigt, dass die Bestäubung von Insekten die Erträgeum 19,20,21 steigert. Eine Umfrage unter Sojabohnenbauern ergab, dass etwa ein Drittel der Blattfungizidanwendungen im Aquarium mit Blattinsektiziden22 vermischt wurden. Es wird empfohlen, Blattfungizide etwa zu der Zeit anzuwenden, in der Sojabohnen vollständig blühen, um häufige Krankheiten wie Anthraknose, Cercospora-Blattfäule, Frogeye-Blattfleck und Sojabohnenrost 23,24,25zu kontrollieren. Die Zugabe eines Insektizids zu einer Fungizidanwendung wird von vielen Landwirten als kostengünstige Möglichkeit angesehen, ihre Ernte zu schützen, indem das Risiko von Gliederfügenschädlingen später in derSaison 26 reduziert wird. Allerdings ist eine Vielzahl von Bienen und anderen Nicht-Zielorganismen gefährdet, wenn ein Insektizid in Fungizidanwendungen während der Sojabohnenblüte 15,17,27 verwendet wird.
Eine Fungizid-Insektizid-Mischung, die besonders besorgniserregend ist, ist die Kombination von Sterol-Biosynthese-hemmenden (SBI)-Fungiziden und Pyrethroid-Insektiziden. Pyrethroid-Insektizide sind Natriumkanalmodulatoren, die Nervenimpulse bei Insektenstören. Viele Pyrethroiden sind für Bienen hochgiftig29,30. SBI-Fungizide hemmen Cytochrom-P450-Monooxygenase-Enzyme (P450s), die für die Bildung von Pilzzellmembranen wichtig sind, können aber auch detoxicative P450s hemmen, die Pyrethroide und andere Xenobiotika bei Bienen31 metabolisieren. Die Kombination aus SBI-Fungiziden und Pyrethroid-Insektiziden hat sich als giftiger für Honigbienen und Hummeln erwiesen als beide Pestizide allein 32,33. Aus diesem Grund können Anwendungen mit Beckenmisch-Pyrethroide-Insektiziden und SBI-Fungiziden ein Risiko für Bienen und andere Bestäuber darstellen.
Frühere Arbeiten haben berichtet, dass Bienen durch bestimmte Pyrethroide-Insektizide34 abgestoßen werden können und dass die Exposition gegenüber einigen Pyrethhroiden die Bienenaktivitätum 35 verringern kann. Es ist jedoch auch dokumentiert, dass Fungizide in Kombination mit Insektiziden den Abwehreffekt36 überdecken können.
Bioakustik, die Untersuchung von Organismen anhand der Geräusche, die sie erzeugen, bietet einen vielversprechenden Ansatz, um Veränderungen der Bienenaktivität im Verlauf eines Tages oder einer Vegetationsperiode als Reaktion auf Pestizidanwendungen zu bewerten. Mit dem charakteristischen Geräusch, das Bienen im Flug machen – das Summen – als Stellvertreter für Bienenaktivität kann Bioakustik effektiv mit maschinellem Lernen kombiniert werden, um die Bienenaktivität in einem bestimmten Gebiet über einen gewünschten Zeitraum zu bewerten. Die gesammelten Audiodaten bieten eine verbesserte Auflösung der Bienenaktivität und ermöglichen die tägliche Analyse der Bienensuchmuster. Zusätzlich können diese Audiodaten über längere Zeiträume analysiert werden, um Trends in der Aktivität während einer Wachstumsperiode zu erkennen. Entscheidungen darüber, wann Pestizide eingesetzt werden, werden auf beiden Skalen getroffen. Bioakustik bietet eine informationsreiche Möglichkeit, Bienenaktivität zu überwachen und Fragen zur Bienenaktivität in engen Zeitfenstern zu beantworten. Im Vergleich zu traditionellen Methoden wie Sweep-Neting und Pan-Trapping erfordert ein bioakustischer Ansatz weniger Arbeitskraft, ermöglicht kontinuierliche Probenahmen über längere Zeiträume und ist hoch skalierbar für größere Untersuchungsstandorte. Eine solche Anwendung der Bioakustik ist die Untersuchung der Auswirkungen von Pestiziden auf die Bienenaktivität in landwirtschaftlichen Feldern.
Hier wird daran gearbeitet, die Auswirkungen einer "Worst-Case-Szenario"-Anwendung einer Fungizid-Insektizid-Tankmischung auf Sojabohnen während der Blüte auf die Bienenaktivität und den Sojaertrag zu bestimmen. Die verwendeten Pestizide waren Formulierungen, die Propiconazol, ein SBI-Fungizid, und Alpha-Cypermethrin, ein Pyrethroid-Insektizid, enthielten. Beide dieser Pestizide können während der Blüte auf Sojabohnen angewendet werden, um Pilzkrankheiten und Sojablattläuse (Aphis glycines) zu kontrollieren. Ein bioakustischer Ansatz wurde angewandt, um festzustellen, ob die Anwendung dieser Pestizidkombination zu verschiedenen Tageszeiten (Vormittag oder Mittag) und während unterschiedlicher Sojabohnenwachstumsphasen (Spitzenblüte [R3] oder Spätblüte [R5]) die Bienenaktivität beeinflusste. Es wurde erwartet, dass Bienen in großer Zahl nach Nahrung suchen und am anfälligsten für negative Auswirkungen der Pestizidanwendung während des Mittags und während der R3-Wachstumsphase sind.
Protokoll
Versuchsdesign und Plotvorbereitung
Das Experiment wurde im Juli und Anfang August 2023 sowie 2024 durchgeführt. Typischerweise liegt die Sojabohnen-Anbausaison in Ohio ungefähr von April bis November. Die während der Vegetationssaison 2023 genutzten Standorte lagen im Clinton County (39,488, -83,769) und Union County (40,296, -83,283), Ohio. Die während der Wachstumssaison 2024 genutzten Standorte lagen im Clinton County (39,489, -83,762), Preble County (39,893, -84,611) und Licking County (39,948, -82,501), Ohio.
Das Experiment verwendete ein randomisiertes, vollständiges Blockdesign, um räumliche Effekte im Sojabohnenfeld zu kontrollieren. Innerhalb jedes Blocks wurden 5 Parzellen für eine bestimmte Behandlung vorgesehen. Die Behandlungen umfassten zwei Wachstumsphasen (R3 und R5) sowie zwei Anwendungszeiten (Vormittag und Mittag) sowie eine unbehandelte Kontrolle. Dies führte zu den folgenden 4 Pestizidanwendungen auf Parzellen innerhalb jedes Blocks: R3 am frühen Vormittag, R3 am Mittag, R5 am frühen Vormittag, R5 am Mittag. Anträge am Vormittag oder Mittag erfolgten innerhalb eines Fensters von ~2 Stunden, mit Anträgen am Vormittag etwa um 10:00 Uhr und mittags etwa um 12:30 Uhr. Zusätzlich zu den 5 Aufbereitungsflächen in jedem Block wurden 3 Flächen als Ersatzflächen ausgewiesen, die im Falle einer schlechten Sojabohnenbildung oder -wachstumsstärke in die Behandlungsflächen eingelagert werden konnten. Die Stadien der Sojabohnenpflanzen wurden mithilfe von Stadienanleitungen wie dem von der University of Minnesota Extension39 veröffentlichten Stadien bestimmt.
Blöcke von Sojabohnenflächen wurden etwa 1,016 m (40 Zoll) auseinander gesetzt, damit Forscher leicht zwischen ihnen hindurchgehen konnten. Die Sojabohnenflächen waren 1,9 m mal 8,5 m (0,0016 ha; 6,25 ft mal 28 ft), und die für alle Standorte verwendete Sojabohnensorte war Pioneer P35T155E (Corteva, Indianapolis, IN). Auf jedem Beet wurden 6 Reihen gepflanzt und 38 cm Abstand gehalten. Es wurde eine Aussaatrate von 370.658 Samen pro Hektar (150.000 Samen pro Ac) verwendet. Die an dem Experiment beteiligten Bienen stammten alle aus lokalen Populationen. Von den Forschern wurden keine zusätzlichen Bienen hinzugefügt. Die Autoren hatten keine Kenntnis von stationären oder wandernden Bienenköcken in der Nähe der Experimente. Alle für das Experiment verwendeten Materialien sind in der Materialtabelle aufgeführt.
Pestizidzubereitung
Die verwendeten Pestizide waren Fitness-Fungizid (41,8 % Propiconazol-Wirkstoff) und Fastac EC Insektizid (10,9 % Alpha-Cypermethrin-Wirkstoff). Die Pestizidanwendungsraten betrugen 6 fl oz/ac (438,47 mL/ha) für das SBI-Fungizid und 3,8 fl oz/ac (277,70 mL/ha) für das Pyrethroid-Insektizid. Zur Vorbereitung der Pestizide für die Anwendung wurden 9,375 ml SBI-Fungizid und 5,937 ml Pyrethroid-Insektizid mit Wasser gemischt, um ein Endvolumen von 3 L als Beckenmischung zu erzielen. Bei der Zubereitung der Mischung wurden chemikalienresistente Handschuhe getragen. Die Endkonzentration des SBI-Fungizids im Tank betrug 3,125 mL pro L. Die Endkonzentration des Pyrethroid-Insektizids im Becken betrug 1,979 mL pro L.
Anwendung von Pestiziden
Diese Mischung wurde auf einzelne Sojabohnenfelder innerhalb jedes Blocks mit einem maßgefertigten Handrucksacksprüher aufgetragen. Die Pestizidmischung wurde am oberen Ende des Sojabohnendachs mit einer Geschwindigkeit von ~5 km pro Stunde aufgetragen. Nach Beginn des Pestizid-Anwendungsprozesses für eine bestimmte Behandlung dauerte es ~10 Minuten, bis alle Parzellen die Anwendung erhielten. Für jedes 3-Liter-Becken kann eine Fläche von ~0,027 ha mit der Pestizidmischung bedeckt werden. Das pro Hektar verbrauchte Sprühvolumen beträgt etwa 113 Liter. Das bedeutet, dass ~0,18 L des Tankgemisch pro Diagramm aufgetragen wurden. Um Pestizidverlagerung auf andere Parzellen durch Wind zu vermeiden, wurde an windigen Tagen die Anwendung vermieden. Beim Auftragen des Pestizids wurde vollständige persönliche Schutzausrüstung (langärmliches Hemd und lange Hosen, chemikalienresistente Handschuhe, Schuhe plus Socken und Schutzbrille) getragen. Wenn nach Abschluss einer Pestizidanwendung eine überschüssige Pestizidmischung vorhanden war, wurde diese gemäß den Empfehlungen der staatlichen Umweltaufsichtsbehörde entsorgt.
Blockflöter-Aufbau/-nutzung
Die allgemeine Einrichtung und Nutzung von Audiorekordern ähnelt einem Protokoll, das von anderen Autoren40 beschrieben wurde. Handheld-Audiorekorder (Sony ICD-PX370) wurden mit Hakenband an Kunststoff-Step-in-Elektrozaun-Stiften befestigt, und Open-Cell-Schaumstoff wurde als Windschutzscheibe über das Mikrofon gelegt. Eine kegelförmige, 3D-gedruckte Regenabdeckung wurde am Pfahl ~3 cm über dem Recorder befestigt, um ihn vor Witterung zu schützen.
Audiorekorder wurden dann ~24 Stunden vor der ersten Pestizidanwendung in der Mitte jedes Parzellens platziert und mindestens 24 Stunden nach jeder Anwendung laufen lassen. Für jeden Anwendungstag wurden zwölf Recorder eingesetzt, vier für jede Tageszeitgruppe (Vormittag, Mittag, Kontrolle) sowohl in R3 als auch in R5.
Audio-Datenverarbeitung
Alle Audioaufnahmen wurden mit dem maschinellen Lernwerkzeug "buzzdetect"41 verarbeitet, das unter folgender https://github.com/OSU-Bee-Lab/buzzdetect zu finden ist. Dieses Werkzeug wurde darauf trainiert, das Summen von Insekten von anderen Geräuschen zu unterscheiden, die häufig in der experimentellen Umgebung auftreten, wie Autos, Mähdreschen oder Flugzeuge. Das Programm ist nicht in der Lage, das Summen von Apis mellifera von anderen Bienenarten zu unterscheiden. BuzzDetect ist jedoch in der Lage, summende Geräusche von anderen nicht-summenden Insektengeräuschen zu unterscheiden, wobei spezifische Geräusche (wie Grillenrufe, meist nachts) dennoch schwer zu unterscheiden sind. Genauere Anleitungen, wie man buzzDetect benutzt, finden Sie unter: https://buzzdetect.readthedocs.io/en/latest/gui/. Nach der Audioanalyse wurde R42 verwendet, um die Detektionsrate innerhalb von 1- bis 8-Stunden-Zeitintervallen zu berechnen.
Entlaubungsdaten
Entlaubungsbewertungen wurden durchgeführt, indem Blätter aus dem oberen Sojabohnenkronendach auf 10 Pflanzen in jedem am Experiment beteiligten Feld visuell untersucht wurden, einschließlich aller Behandlungen und unbehandelten Kontrollparzellen, wie von der University of Nebraska Extension43 empfohlen. Diese Bewertungen wurden 24 Stunden nach der Anwendung von Pestiziden während der R5-Wachstumsphase durchgeführt.
Ertragsdaten
Sojabohnen wurden geerntet, und der Ertrag wurde in Scheffeln pro Acre mit einem Mähdrescherbein und einem Getreidemesser-Wiegesystem gemessen. Die Ertragsmessungen wurden auf 13 % Feuchtigkeit angepasst. Die Plots hatten jeweils 6 Reihen; Nur die 4 mittleren Reihen wurden für die Ertragsmessung geerntet.
Statistische Analyse
Alle Statistiken wurden in R42 durchgeführt. Die Daten wurden entweder mit Mixed-Effects-Linearmodellen über das lme4-Paket44 oder mit Beta-Regression über das glmmTMB-Paket45 analysiert. Die Rohdaten von BuzzDetect sind in den ergänzenden Materialien verfügbar. Für diese Studie wurden drei Haupttypen von Daten analysiert. Durchschnittliche Bienenaktivitätsdaten über einen Zeitraum von 1 Stunde und 8 Stunden nach einer Pestizidbehandlung, der Ertrag jeder Sojabohnenparzelle und die Entlaubung der Sojabohnen, beobachtet in der R5-Wachstumsphase.
Die durchschnittliche Bienenaktivität wurde ermittelt, indem der Anteil der positiven Zeit für das Bienensummen in einem 8-Stunden- oder 1-Stunden-Fenster berechnet wurde. Das 1-Stunden-Zeitfenster soll die akuten Auswirkungen der Anwendung von Pestiziden auf die Bienenaktivität abschätzen, während das 8-Stunden-Zeitfenster die akuten und Restwirkungen abschätzen soll. Für Alpha-Cypermethrin liegen keine Resttoxizitätsdaten vor, aber die Resttoxizität für andere Pyrethroiden wurde mit ~8 Stunden nach der Erstanwendung46 Stunden angegeben. Da die Berechnung der Bienenaktivität ein Anteil ist, wurden Unterschiede in der Aktivität mittels Beta-Regression analysiert, die mit dem R-Paket "glmmTMB" durchgeführt wurde. Die Modelle untersuchten durchschnittliche Nachweisraten für entweder 1 oder 8 Stunden nach einer Pestizidanwendung und wie diese beim Vergleich behandelter Parzellen mit Kontrollflächen (der "gesprühte" Zustand), der Wachstumsphase der Sojabohnen, der Tageszeit des Pestizids oder einer Wachstumsphase und Tagesinteraktion variierten. Der Vergleich zwischen behandelten und Kontrolldiagrammen wird durch die Variable "gesprüht" in den 1-Stunden- und 8-Stunden-Modellformeln referenziert.
Im Modell des 1-Stunden-Fensters waren die festen Effekte der "gesprühte" Zustand, die Wachstumsphase, die Tageszeit sowie der Wachstumsphase und die Tageszeit. Das Modell enthielt sowohl ein Jahr als auch ein Jahr nach Standort als Interaktionsterm als Zufallseffekte. Die vollständige Modellformel war:
(1)
Die variable Detektionsrate spiegelt die durchschnittlichen Bienennachweise wider, die relativ zum gesamten Beobachtungsfenster beobachtet wurden – in diesem Fall 1 Stunde. Die gesprühte Variable entspricht, ob ein Flächen eine Pestizidanwendung erhalten hat oder ob es sich um eine unbehandelte Kontrollfläche handelte. Die variable time_of_day entspricht, ob die Nachweise nach der Pestizidanwendung am Vormittag oder am Mittag für den gewünschten Zeitraum erfasst wurden. Die variable Stufe entspricht der Wachstumsphase, in der die Nachweise erfasst wurden.
Im 8-Stunden-Fenstermodell waren die festen Effekte die Wachstumsphase und der "gesprühte" Zustand. Das 8-Stunden-Modell beinhaltet die Nachtstunden für die Mittagssprühzeit, was einen unfairen Vergleich zwischen Vormittags- und Mittagssprühzeiten ergibt. Dies liegt daran, dass die Applikationszeiten am Mittag nicht die vollen 8 Stunden Resttoxizität testen, da die Bienen abends inaktiv sind – ein großer Teil dieser 8-Stunden-Zeitfenster. Daher wurden mittags Anwendungen aus dem Modell ausgeschlossen, ebenso wie die Begriffe "Tageszeit" und "Tageszeit:Bühne". Die vollständige Formel für dieses Modell lautete:
(2)
Die Variablen Erkennungsrate, Sprührate und Stufe haben in dieser Formel dieselbe Bedeutung wie in der Formel für die 1-Stunden-Fenster. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die variable Erkennungsrate für ein 8-Stunden-Zeitfenster berechnet wird. Die Ertragsdaten wurden mit einem linearen Modell mit gemischten Effekten analysiert. Das Modell betrachtete die Scheffel pro Acre pro Parzelle und wie der Ertrag je nach Behandlung variierte. Der feste Effekt im Modell war die Behandlung, und Standort und Jahr wurden als zufällige Effekte angepasst. Die vollständige Modellformel wird geschrieben als:
(3)
Die Entlaubung von Sojabohnenblättern wurde als durchschnittlicher Prozentsatz der fehlenden Blattoberfläche pro Parzelle gemessen. Ein lineares Modell mit gemischten Effekten wurde verwendet, um die Wirkung der Tageszeit der Pestizidanwendung auf den Entlaubungsprozentsatz zu vergleichen. Der feste Effekt im Modell war die Tageszeit, zu der die Flächen besprüht wurden. Standort und Jahr wurden als zufällige Effekte angepasst. Die vollständige Modellformel lautet:
(4)
Alle in dieser Studie verwendeten Protokolle sind in Supplementary File 1 zusammengefasst.
Ergebnisse
Tätigkeit
Das 8-Stunden-Fenstermodell (Abbildungen 1A–B) zeigte signifikante Unterschiede in der Bienenaktivität abhängig vom Wachstumsstadium der Sojabohnen (Chi-Quadrat = 74,35, P < 0,001, df = 1), mit deutlich höheren durchschnittlichen Nachweisraten in der R3-Phase im Vergleich zur R5-Stufe für die 8 Stunden nach der Anwendung von Pestiziden. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Bienenaktivität zwischen den Kontrollflächen und denen, die die Aquarienmischung erhielten, beobachtet (Chi-Quadrat = 0,053, P = 0,82, df = 1). Für diese Analyse betrug der mittlere quadratische Fehler 0,00094. Die Varianzen für die im Experiment verwendeten Parameter waren: gesprüht = 0,021 und Stufe = 0,041.
Die Analyse der Audiodaten für 1 Stunde nach der Anwendung von Pestiziden (Abbildung 2A–B) zeigte signifikante Unterschiede zwischen der Bienenaktivität abhängig vom Stadium der Sojabohnen (Chi-Quadrat = 12,72, P < 0,001, df = 1) und Tageszeit (Chi-Quadrat = 9,97, P = 0,0016, df = 1). Die durchschnittliche Nachweisrate war während der R3-Phase höher als in der R5-Wachstumsphase. Die durchschnittliche Erkennungsrate war in der Stunde nach der Mittagssprühzeit höher als in der Stunde nach der Sprühzeit am Vormittag. Bei der Anwendung der Pestizid-Tankmischung wurden keine signifikanten Unterschiede in der Bienenaktivität festgestellt (Chi-Quadrat = 0,62, P = 0,43, df = 1). Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen Tageszeit und Wachstumsphasen-Interaktionsterm festgestellt (Chi-Quadrat = 2,52, P = 0,11, df = 1). Für diese Analyse betrug der mittlere quadratische Fehler 0,00094. Die Varianzschätzungen für die in der Analyse verwendeten Parameter waren: gesprüht = 0,027, Tageszeit = 0,040, Phase = 0,090, Tageszeit: Phase = 0,14.
Wenn die Audiodetektionen über alle Tage im Experiment gemittelt werden, zeigen sie einen täglichen Trend in den Nachweisraten, der sich nach Sojabohnenwachstumsstadium unterscheidet (Abbildung 3). In beiden Stufen beginnen die Nachweisraten ab ~10:00 schnell zu steigen und bei ~17:00 schnell abzunehmen. Dieser Trend ist jedoch deutlich ausgeprägter in der R3-Wachstumsphase. Außerdem erreichen die Erkennungsraten bei ~14:00 in R3 einen viel höheren Höhepunkt als in R5.
Ertragsdaten
Die Analyse der Ertragsdaten (Abbildung 4) zeigte nicht, dass es Unterschiede im Sojaertrag zwischen den Behandlungen gab. Es wurden keine signifikanten Unterschiede für den Sojabohnenertrag bei irgendeinem Behandlungstyp festgestellt (F = 0,16, df = 4, 90,86; P = 0,96).
Entblätterung
Die Analyse der Entlaubungsdaten (Abbildung 5) zeigte keine signifikanten Unterschiede in der Entlaubung basierend auf der Tageszeit der Pestizidanwendung (F = 3,046, df = 2, 56; P = 0,055). Die Entlaubung war im Allgemeinen gering (<5 % in den meisten Fällen).
DATENVERFÜGBARKEIT:
Alle Rohdaten, die zur Erstellung von Diagrammen und statistischen Analysen verwendet werden, sind im Abschnitt ergänzende Materialien enthalten.
Abbildung 1: Verteilung der durchschnittlichen Nachweisraten für die 8 Stunden nach der Anwendung des Pestizids. (A) Verteilung der durchschnittlichen Nachweisraten (um 10 Minuten verkürzt) für die 8 Stunden nach der Pestizidanwendung während der R3-Wachstumsphase. (B) Verteilung der durchschnittlichen Nachweisraten (um 10 Minuten abgedeckt) für die 8 Stunden nach der Pestizidanwendung während der R5-Wachstumsphase. Die Kontrollgruppen erhielten keine Anwendung von Pestiziden. Es gibt keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen irgendwelchen Gruppen. Alle Boxplots zeigen eine Medianlinie, obere und untere Quartile (oben und unten der Boxen) sowie Schnurrhaare (Minimum und Maximum). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 2: Verteilung der durchschnittlichen Nachweisraten für die 1 Stunde nach der Anwendung des Pestizids. (A) Verteilung der durchschnittlichen Bienennachweisraten (um 10 Minuten abgedeckt) für 1 Stunde nach der Pestizidanwendung während der R3-Wachstumsphase. Die Kontrollgruppen erhielten keine Anwendung von Pestiziden. (B) Verteilung der durchschnittlichen Bienen-Nachweisraten (um 10 Minuten verpasst) für 1 Stunde nach der Anwendung des Pestizids während der R5-Wachstumsphase. Die Kontrollgruppen erhielten keine Anwendung von Pestiziden. Sowohl bei R3 als auch bei R5 gab es einen statistisch signifikanten Unterschied in den durchschnittlichen Nachweisraten zwischen den Gruppen am Vormittag und zur Mittagszeit. Alle Boxplots zeigen eine Medianlinie, obere und untere Quartile (oben und unten der Boxen) sowie Schnurrhaare (Minimum und Maximum). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 3: Durchschnittliche Detektionsraten aller Audiorekorder in der Wachstumsphase R3 oder R5. Die Detektionsraten (um 10 Minuten verlagert) wurden über alle im Experiment verwendeten Audiorekorder gemittelt und nach Wachstumsstadium getrennt. Falsch-Positive bei Buzz-Erkennungen aufgrund von Cricket-Rufen wurden nachts beobachtet, insbesondere um ~4:30 Uhr. Die Kurven für jede Wachstumsphase sind nicht übereinander gestapelt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 4: Ertrag in Scheffeln pro Acre Sojabohnen für jede Behandlung. Die Kontrollgruppe erhielt keine Anwendung mit Pestiziden. Es gibt keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen irgendwelchen Gruppen. Alle Boxplots zeigen eine mittlere Linie (schwarze Balken), eine mittlere Linie, obere und untere Quartile (obere und untere Boxen) sowie Schnurrhaare (Minimum und Maximum). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 5: Entlaubungsniveaus, bewertet im Wachstumsstadium R5. Die Entlaubung, ausgedrückt als der Prozentsatz der Blattfläche, der bei Sojabohnenblättern fehlt, wurde nach dem Zeitpunkt der Pestizidanwendung während der R5-Wachstumsphase gruppiert. Die Kontrollgruppe erhielt keine Anwendung mit Pestiziden. Es gibt keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen irgendwelchen Gruppen. Alle Boxplots zeigen eine mittlere Linie (schwarze Balken), eine mittlere Linie, obere und untere Quartile (obere und untere Boxen) sowie Schnurrhaare (Minimum und Maximum). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Ergänzende Datei 1: Die Protokolle, die zur Replikation der Experimente benötigt werden, sind in diesem Dokument aufgeführt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Diskussion
Obwohl empfohlen wird, nach Schädlingen zu suchen und Pestizide nach einem IPM-Rahmen anzuwenden, waren die Pestizidanwendungen im Experiment prophylaktisch und wurden zu bestimmten Zeiten der Vegetationsperiode nach einem vorgegebenen Zeitplan statt auf Basis des Schädlingsdrucks durchgeführt. Es ist möglich, dass Ertrag und Entlaubung in dieser Studie nach der Anwendung von Pestiziden nicht beeinträchtigt wurden, da der Schädlingsdruck unter den wirtschaftlichen Schwellenwerten lag. Die Entlaubung lag in den meisten Fällen bei <5 %, was unter der 15-prozentigen Wirtschaftsschädigungsgrenze für die Fortpflanzungsphasen von Soybean47 liegt. Es gab keinen offensichtlichen Effekt der prophylaktischen Insektizid-Fungizid-Anwendung auf den Sojabohnenertrag oder auf die während der R5-Wachstumsphase beobachtete Entlaubung. Dies deutet darauf hin, dass die Anwendung des Pestizids den Sojabohnenertrag weder erhalten noch die Pflanzenfresser von Insekten abgeschreckt hat. Es wurde jedoch keine Schädlingssuche durchgeführt, und die Entlaubungsergebnisse deuten darauf hin, dass es in diesen Bereichen nur wenige Schädlinge zu kontrollieren gab, was mit den Ergebnissen anderer Autoren übereinstimmt48. Ähnlich sahen andere Autoren22 ähnliche Ergebnisse, bei denen die Anwendung von Pestiziden in Becken die Sojabohnenerträge nicht erhöhte, obwohl der Insektendruck kaum vorhanden war. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es nur begrenzte Vorteile gibt, ein Insektizid zu einer Fungizidanwendung hinzuzufügen, wenn der Schädlingsdruck niedrig ist. Daher kann die Zugabe von Insektiziden eine unnötige Ausgabe sein, insbesondere bei prophylaktischen Anwendungen.
Fälle von Bienensummen, die als Indikator für Bienenaktivität in Sojabohnen verwendet wurden, wurden durch die Anwendung der Insektizid-Fungizid-Tankmischung weder am Vormittag noch am Mittag oder während der R3- oder R5-Phase beeinträchtigt. Außerdem wurde weder in den 1-Stunden- noch in den 8-stündigen Beobachtungsfenstern nach der Anwendung von Pestiziden eine Verringerung der Bienenaktivität beobachtet. Das ist überraschend, da frühere Arbeiten eine abweisende Wirkung der Pyrethroid-Insektizide34 dokumentiert haben. Dies könnte daran liegen, dass das Pyrethroid-Insektizid mit einem Fungizid kombiniert wurde. Die Kombination dieser beiden Pestizidklassen wurde zuvor gezeigt, dass sie die Abstoßungum 36 verringern.
Es ist erwähnenswert, dass dieses Experiment die potenziellen Auswirkungen der Pestizidanwendung auf Honigbienen (Apis mellifera), denen sie im Feld begegneten, nicht gemessen hat. Das Fehlen der Wirkung des Pestizids auf die Bienenaktivität bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Honigbienen, die in diesen Parzellen suchten, von der Pestizidbelastung unbeeinträchtigt waren. Es ist möglich, dass Honigbienen, die auf dem Feld suchten, auf das Pestizid trafen, weiter suchten und später negative Auswirkungen erlebten. Studien haben negative Auswirkungen von Beckenmischungen49 und PyrethroidInsektizide 30 auf Honigbienen dokumentiert. Es ist möglich, dass die Honigbienen negativ betroffen waren, aber dieser Effekt führte nicht zu einer verminderten Aktivität im Feld. Das deutet darauf hin, dass Honigbienen möglicherweise kein Vermeidungsverhalten für bestimmte Pestizide/Kombinationen zeigen, denen sie im Feld begegnen. Andere Bienen können in Sojabohnenfeldern gefunden werden, wie Hummeln oder Einzelbienen15,17. Diese Bienen werden wahrscheinlich unverhältnismäßig stark von Pestizidanwendungen betroffen, die beim Nahrungssammeln von Sojabohnenblütenstattfinden.
Dieses Experiment hat Aufschluss darüber geworfen, wann Bienen in Sojafeldern aktiv sind. Bienen waren während der Spitzen-Sojabohnenblüte im R3-Stadium aktiver als in der R5-Phase, was mit den Ergebnissen anderer Autoren40 übereinstimmt. Außerdem deuten die Daten darauf hin, dass Bienen mitten am Tag in Sojabohnen aktiver sind als morgens. Durch dieses Experiment wurde ein hochauflösendes Bild der Bienenaktivität über einen Tag und während der gesamten Wachstumsperiode erzeugt. Dies zeigt wichtige Muster der Bienenaktivität in Sojabohnenfeldern, die für die Erstellung von Pestizid-Etiketten und Anwendungsempfehlungen wichtig sein werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Pestizid-Applikatoren das Sprühen während R3 und am Mittag vermeiden sollten, um die Pestizidbelastung der Bienen zu verringern. Sojabohnenbauern sollten jedoch Blattinsektizide nur dann anwenden, wenn es notwendig ist, basierend auf der Schädlingsaktivität und wirtschaftlichen Schwellenwerten.
Offenlegungen
Alle Autoren geben keine Interessenkonflikte an.
Danksagungen
Die Autoren danken Allen Geyer von der Ohio State University für Feldpflanzen, Management und Ernte sowie Arthur Rodrigues de Souza, James Underwood und Allison Davis für die Unterstützung bei der Feldarbeit. Diese Arbeit wurde durch die Agriculture and Food Research Initiative des National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums im Rahmen eines Zuschusses 2022-67019-36437 sowie vom Internal Grant Program des College of Food, Agricultural, and Environmental Science der Ohio State University (Projekt #2023-013) finanziert. Die Forschungsunterstützung erfolgte durch staatliche und bundesstaatliche Mittel, die der Ohio State University, College of Food, Agricultural, and Environmental Sciences, Ohio Experiment Station (OHO01277; OHO01355-MRF).
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| ½ in. (1 cm) soft packing foam | Uline | S-8350 | Mikrofonabdeckung als Windschutz, auf 8 x 5 cm zugeschnitten |
| 1,75 mm PETG+ 3D-Druckerfilament - Echtes Rot | Inland (Microcenter) | PETG+175FR1 | Filament zum Herstellen einer Aufnahmegeräteabdeckung, im Vasenmodus gedruckt, unter Verwendung von https://www.thingiverse.com/thing:7319146/files |
| 4 ft. (1,2 m) Einsteigpfosten für Zaundraht | Fi-Shock (Tractor Supply Co.) | 3600956 | Pfahl zum Halten des Audiorekorders |
| 6 in. (15 cm) wiederverwendbare Kabelbinder | VELCRO | Nicht zutreffend | Zum Befestigen des Rekorders am Pfahl |
| AAA-Batterien | Procell | Nicht zutreffend | Zum Betreiben von tragbaren Audiorekordern |
| Fastac EC Insektizid | BASF Ag Products | EPA: 7969-298 | Pyrethroid-Insektizid, das im gesamten Experiment verwendet wurde. |
| Fitness-Fungizid | Loveland products, Inc. | EPA: 34704-1031 | Sterolbiosynthese-hemmendes (SBI) Fungizid, das im gesamten Experiment verwendet wurde. |
| Grain Gauge H2 Wiegesystem | HarvestMaster | Nicht zutreffend | Zum Sammeln von Ertragsdaten aus Forschungsparzellen |
| Handheld-Audiorekorder | Sony | ICD-PX370 | Audiorekorder, die im gesamten Experiment verwendet wurden. Speziell zum Erfassen von Audiodaten in Sojabohnenfeldern verwendet. |
| Pioneer P35T155E | Corteva | P35T155E | Sojabohnensorte, die im gesamten Experiment verwendet wurde. |
| Quantum Core-Kombinen | Wintersteiger | Nicht zutreffend | Kombinen, die zum Ernten von Sojabohnen während des Experiments verwendet wurden. |
| Regenabdeckung | Nicht zutreffend | Nicht zutreffend | Zum Schutz von Audiorekordern vor Regen. Kann gefunden werden unter: https://www.thingiverse.com/thing:7319146 |
| Gummibänder - 2 x 1⁄16 in. (127 x 1,6 mm), #14 | Uline | S-14723 | Zum Befestigen der Schaumstoff-Windschutzscheibe am Rekorder |
| SeedPro 360 | ALMACO | Nicht zutreffend | Zum Pflanzen von Sojabohnensamen in Forschungsparzellen |
Referenzen
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