Dérive de pulvérisation d'herbicides à partir d'applications terrestres et aériennes : implications pour les sources potentielles d'alimentation des pollinisateurs

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18017 (2022) Citer cet article

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Une expérience de dérive de pulvérisation sur le terrain à l'aide de florpyrauxifène-benzyle a été menée pour mesurer la dérive des applications terrestres et aériennes commerciales, évaluer les impacts du soja [Glycine max (L.) Merr.] et les comparer aux modèles de dérive de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (US EPA). Les données recueillies sur le terrain étaient conformes aux prédictions du modèle de l'US EPA. Généralement, avec les deux systèmes appliquant une pulvérisation grossière dans une vitesse de vent moyenne de 13 km/h, l'application aérienne a entraîné une augmentation de 5,0 à 8,6 fois de la dérive par rapport à l'application au sol, et par la suite, une augmentation de 1,7 à 3,6 fois des dommages au soja sous le vent. Les structures de reproduction du soja ont été sévèrement réduites suite à l'exposition aux herbicides, ce qui a potentiellement eu un impact négatif sur les sources d'alimentation des pollinisateurs. Une réduction d'environ 25 % des structures reproductives jusqu'à 30,5 m sous le vent et une réduction de près de 100 % à 61 m sous le vent ont été observées pour les applications terrestres et aériennes, respectivement. Les applications aériennes nécessiteraient de trois à cinq ajustements de la largeur de bande en amont du vent pour réduire le potentiel de dérive comme pour les applications au sol.

With 366 million hectares treated globally, synthetic auxin herbicides (WSSA Group 4) are the third most frequently used herbicide site-of-action behind acetolactate synthase-inhibitors (WSSA Group 2) and 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase-inhibitors (WSSA Group 9)1. Their extensive use for selective broadleaf weed management started with the introduction of 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid) in the mid-1940s1 and have been frequently used in rice (Oryza sativa L.) production systems2. Recently, synthetic auxin herbicide use has further increased due to herbicide resistance concerns (2022). Accessed January 25, 2022." href="/articles/s41598-022-22916-4#ref-CR3" id="ref-link-section-d22411875e592"> 3 et l'introduction de cultivars de soja [Glycine max (L.) Merr] et de coton (Gossypium hirsutum L.) résistants au dicamba4 et au 2,4-D5. Les herbicides synthétiques auxine sont classés en aryloxyacétates (2,4-D, MCPA, dichlorprop, mécoprop, triclopyr et fluroxypyr), benzoates (dicamba), quinoléine-2-carboxylates (quinclorac et quinmérac), pyrimidine-4-carboxylates (aminocyclopyrachlore), pyridine-2-carboxylates (piclorame, clopyralide et aminopyralide) et 6-aryl-pic. herbicides olinates (Arylex™ actif et Rinskor™ actif)6. Le florpyrauxifène-benzyl [benzyl 4-amino-3-chloro-6-(4-chloro-2-fluoro-3-methoxyphenyl)-5-fluoropicolinate] a été commercialisé en 2018 sous le nom commercial de Loyant™ avec Rinskor™ actif pour le désherbage du riz7. Il a d'abord été rapidement adopté par les riziculteurs du centre-sud des États-Unis, car il peut être utilisé pour contrôler trois des cinq mauvaises herbes les plus problématiques dans la production de riz, le pied-de-coq (Echinochloa crus-galli P. Beauv), le carex spp. (Cyperus spp.) et l'amarante de Palmer (Amaranthus palmeri S. Wats.)8,9.

L'utilisation d'herbicides synthétiques à base d'auxine pour lutter contre les mauvaises herbes problématiques a entraîné de nombreux problèmes de dommages causés par la dérive des herbicides à la végétation et aux cultures sensibles voisines10,11. En 2017, par exemple, environ 1,5 million d'hectares de soja endommagé par le dicamba ont été signalés aux États-Unis12. En 2018, le mouvement hors cible du florpyrauxifène-benzyle est passé au premier plan dans l'Arkansas, ce qui a suscité une déclaration consultative de l'Arkansas State Plant Board13. Il existe de multiples possibilités de déplacement d'herbicides hors cible ; cependant, l'accent est généralement mis sur la dérive des particules de pulvérisation, car des stratégies de gestion peuvent être mises en œuvre pour aider à atténuer cette forme de mouvement hors cible. Par exemple, le potentiel de dérive des particules de pulvérisation augmente avec une diminution de la taille des gouttelettes ; faisant de la taille des gouttelettes un facteur critique pour les applications d'herbicides14. Les pratiques d'application et les décisions qui influent sur la taille des gouttelettes des équipements de pulvérisation aérienne et terrestre comprennent le type et la taille des buses15, la pression de pulvérisation16, les formulations d'herbicides17 et les mélanges de pulvérisation18. En Arkansas, l'équipement d'application au sol représente 49 % des applications d'herbicides sur les hectares de cultures agronomiques déclarés, tandis que l'équipement d'application aérienne est utilisé pour 51 % des applications d'herbicides19. Par conséquent, il est essentiel de comprendre l'impact de chaque méthode d'application sur la dérive de pulvérisation d'herbicides, en particulier les auxines synthétiques telles que le florpyrauxifène-benzyle.

Les pollinisateurs sont indispensables à la production agricole mondiale. Aux États-Unis, les services de pollinisation annuels pour toutes les cultures nécessitant une pollinisation directe représentent plus de 15 milliards de dollars américains, les communautés d'abeilles sauvages représentant environ 3,5 milliards de dollars américains de ces services de pollinisation20. Malheureusement, les populations de pollinisateurs sont en déclin21 en raison de multiples facteurs de stress22 parmi lesquels l'utilisation d'insecticides et l'insuffisance de fourrage sont les deux principaux facteurs de stress pour les pollinisateurs dans les agroécosystèmes23. Il a été démontré que les herbicides réduisent la production de fleurs et retardent la floraison24, ainsi que réduisent les sources de nectar et la densité florale jusqu'à 85 %, ce qui pourrait avoir un impact sur la visite des pollinisateurs25. Les fleurs de soja peuvent être une source de nectar et de pollen pour divers pollinisateurs en visite26. Son pollen a été trouvé sur jusqu'à 38 % des abeilles examinées par Gill et O'Neal27. Cependant, le soja est sensible à plusieurs herbicides synthétiques à base d'auxine, y compris les taux sublétaux de florpyrauxifène-benzyl28. Par exemple, un taux sublétal de florpyrauxifène-benzyle appliqué aux stades R4 et R5 a induit une réduction de rendement de 15 et 24 % pour la progéniture, respectivement29. Cependant, les recherches portant sur la dérive de pulvérisation réelle du florpyrauxifène-benzyle à partir du matériel d'application terrestre et aérien et l'impact subséquent sur le soja et les sources potentielles de butinage des pollinisateurs font défaut. Pourtant, ces informations peuvent améliorer les prévisions des problèmes de dérive de l'herbicide auxine et aider les producteurs à réduire les déplacements hors cible.

Les directives de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (US EPA) pour la génération d'étiquettes d'herbicides et l'évaluation des risques potentiels de dérive incluent l'utilisation de données sur la taille des gouttelettes de pulvérisation et de modèles de simulation informatique, notamment AgDRIFT et AgDISP. AgDRIFT est une version modifiée d'AgDISP qui sert de modèle de dépistage initial pour estimer les dépôts sous le vent provenant d'applications terrestres, aériennes et de vergers/vignobles. Le modèle Agricultural DISPersal (AgDISP) permet des conditions d'entrée plus détaillées et une modélisation de niveau supérieur des applications de pulvérisation aérienne et terrestre30,31,32. Le modèle a déjà été utilisé par Fritz et al.17 pour évaluer l'effet des changements de taille des gouttelettes, résultant des variations de vitesse, sur le mouvement sous le vent. Le modèle a subi des améliorations continues, ajoutant des fonctionnalités notables qui ont amélioré la vitesse et la précision des prévisions33,34,35, et son utilisation a été étendue pour modéliser le potentiel de dérive des applications de pulvérisation au sol en plus des applications aériennes. Cependant, la validation de ces modèles avec des données physiquement recueillies sur la dérive de pulvérisation et les dommages causés aux espèces végétales sensibles sous le vent est nécessaire.

Le premier objectif de cette recherche était de mesurer la dérive physique de pulvérisation du florpyrauxifène-benzyle et de comparer le mouvement de pulvérisation hors cible à partir d'équipements d'application terrestre et aérienne couramment utilisés. Le deuxième objectif était d'évaluer l'impact de la dérive de pulvérisation d'herbicide sous le vent sur le soja sensible, en particulier les structures de croissance et de reproduction, afin d'évaluer les influences potentielles sur les sources d'alimentation des pollinisateurs. L'objectif final de cette recherche était de comparer les dépôts de dérive sous le vent mesurés par rapport aux dépôts de dérive sous le vent prédits par AgDISP.

L'expérience de dérive de pulvérisation sur le terrain a été menée dans des conditions météorologiques optimales conformément aux lignes directrices établies par l'US EPA36. Pendant toute la durée de l'expérience, la température de l'air variait entre 6 et 14 °C, l'humidité relative variait de 55 à 88 %, la direction du vent s'écartait de moins de 30° de la ligne de collecte établie (à l'exclusion de deux points individuels dans le temps) et la vitesse moyenne du vent était de 13 km/h (Fig. 1).

Données météorologiques recueillies pendant toute la durée de l'expérience sur le terrain de la dérive de pulvérisation, y compris la température de l'air et l'humidité relative (A), la déviation de la direction du vent à partir de 0 ° (B) et la vitesse du vent (C). Les lignes noires horizontales en (B) représentent la déviation maximale de 30° de la direction du vent autorisée selon les lignes directrices établies par l'US EPA36. La ligne noire horizontale en (C) représente la vitesse moyenne du vent sur la durée de l'expérience (13 km/h).

Les estimations des paramètres de régression log-logistique à quatre paramètres pour chaque variable de réponse aux données en fonction de la distance sous le vent sont présentées dans le tableau 1. Le dépôt de dérive de pulvérisation sur les cartes Mylar (exprimé en pourcentage du total théorique appliqué), la couverture de cartes sensibles à l'eau (%), et les dépôts de cartes sensibles à l'eau (# cm-2) ont démontré des réponses similaires dans les mesures de dérive sous le vent (Fig. 2). L'application par pulvérisation au sol avait une pente plus raide pour chaque régression, ce qui signifie que la dérive de pulvérisation diminuait plus rapidement à mesure que la distance sous le vent augmentait par rapport à l'application par pulvérisation aérienne (tableau 1, figure 2). De plus, même avec un ajustement complet de la largeur de l'andain dans le sens du vent pour le passage de pulvérisation de l'avion (Fig. 3), l'application aérienne présentait des dépôts de dérive de pulvérisation sous le vent plus importants que l'application au sol, et la dérive de pulvérisation n'a jamais atteint zéro à la station de collecte sous le vent la plus éloignée (61 m) (Fig. 2).

Dépôt de la dérive de pulvérisation de la carte Mylar (A), couverture de la carte sensible à l'eau (B) et nombre de dépôts de la carte sensible à l'eau (C) modélisés à l'aide de régressions log-logistiques à quatre paramètres pour évaluer la dérive de pulvérisation mesurée à partir de l'équipement d'application terrestre et aérien.

Diagramme de la configuration de l'expérience sur le terrain de la dérive de pulvérisation, y compris la zone d'application prévue de chaque méthode d'application (noir = aérien, bleu = sol) et les 10 emplacements des stations de collecte (neuf sous le vent, un sous le vent).

Les distances sous le vent prévues dans lesquelles le dépôt de dérive de pulvérisation de cartes Mylar, la couverture de cartes sensibles à l'eau et les dépôts de cartes sensibles à l'eau ont été réduits de 25, 50 et 90 % (PD25, PD50 et PD90, respectivement) ont été déterminées à partir des régressions log-logistiques à quatre paramètres et sont présentées dans le tableau 2. 10,07- et 20,54-m, respectivement. L'application au sol a donné des PD25, PD50 et PD90 moyens de 0,23, 0,50 et 2,36 m, respectivement. Par conséquent, l'application aérienne a entraîné une augmentation de 8,7 à 32,7 fois de la dérive de pulvérisation sous le vent par rapport à l'application au sol en incluant un ajustement de la largeur de bande sous le vent. Cependant, lors de la comparaison des méthodes d'application à l'aide de la régression la mieux ajustée où toutes les estimations de paramètres avaient des erreurs types calculables (carte sensible à l'eau # de dépôts), l'application aérienne a entraîné une augmentation de 5,0 à 8,6 fois de la dérive de pulvérisation sous le vent.

Des recherches antérieures sur la dérive de pulvérisation par application aérienne ont indiqué une plage de dépôts de dérive de pulvérisation sous le vent allant de 0,5 % de la dose appliquée sur le terrain à 150 m sous le vent37 à 1 % de la dose appliquée sur le terrain déposée jusqu'à 500 m sous le vent de la limite du champ38. Les résultats parmi les essais de recherche sur la dérive de pulvérisation aérienne varient probablement en raison de la taille des gouttelettes émises par l'avion, ainsi que d'autres facteurs météorologiques externes (vitesse du vent, température et humidité) qui ont été précédemment notés comme affectant le mouvement de pulvérisation hors cible et augmentant la variabilité entre les essais de dérive de pulvérisation aérienne38,39. Les principaux facteurs qui influent sur la dérive de pulvérisation aérienne et terrestre sont la vitesse du vent, la hauteur de rejet et la taille des gouttelettes40,41,42,43. Étant donné que la vitesse du vent et la taille des gouttelettes étaient presque identiques dans cette recherche, l'augmentation du dépôt de pulvérisation sous le vent observé à partir de l'application aérienne par rapport à l'application au sol peut avoir résulté de l'augmentation de la hauteur de rejet et du pourcentage plus élevé de volume de pulvérisation contenu dans les fines gouttelettes (tableau 3). Cela a déjà été démontré alors que d'autres recherches ont déterminé que le fait de doubler la hauteur de la rampe à partir d'une application au sol entraînait une multiplication par trois de la dérive de pulvérisation sous le vent44. Dans la présente recherche, la hauteur de vol de l'application aérienne était environ cinq fois plus élevée que la hauteur de la rampe d'application au sol, ce qui équivaudrait à une augmentation théorique de 7,5 fois de la dérive de pulvérisation. Cette augmentation théorique du potentiel de dérive de pulvérisation s'inscrit dans l'augmentation observée de 5,0 à 8,6 fois de la dérive de pulvérisation sous le vent à partir de la présente recherche expérimentale. D'autres facteurs tels que le profil du vent en ce qui concerne la hauteur de rejet, la formation du schéma de pulvérisation et les effets de vortex du flux d'air peuvent avoir influencé le mouvement de pulvérisation hors cible de l'application aérienne par rapport à l'application au sol. Les recherches futures devraient étudier directement l'impact de ces facteurs sur la dérive des applications aériennes et déterminer une hauteur de vol optimale pour les applications d'herbicides.

Les épandeurs aériens gagneraient à comprendre ces dynamiques de dérive de pulvérisation et à utiliser des outils pour déterminer un ajustement optimal de la largeur de bande contre le vent afin de réduire les impacts de pulvérisation hors cible43. Dans cette recherche avec un herbicide auxine synthétique (florpyrauxifène-benzyle), environ trois à cinq ajustements de la largeur complète de l'andain en amont (plutôt qu'un seul comme celui utilisé dans la présente recherche) seraient nécessaires pour réduire le potentiel de dérive de pulvérisation similaire à l'application au sol. Les résultats des efforts de modélisation dans la présente recherche qui ont examiné plusieurs passes de pulvérisation consécutives ont confirmé cette détermination et sont discutés plus en détail plus loin dans cet article. De plus, les applicateurs au sol pourraient utiliser ces résultats pour mettre en œuvre d'autres stratégies d'atténuation de la dérive, telles que l'augmentation de la taille des gouttelettes40 et/ou l'intégration d'ajustements de pulvérisation contre le vent ou de barrières pour augmenter la distance sous le vent jusqu'aux cultures sensibles42.

Les plants de soja étaient extrêmement sensibles au florpyrauxifène-benzyle (Loyant®, Corteva Agriscience, Indianapolis, IN USA), avec des lésions visibles dans les trois jours suivant l'exposition (observations personnelles). Les dommages causés au soja peuvent être directement corrélés aux dépôts de dérive des gouttelettes de pulvérisation, car le florpyrauxifène-benzyle a une faible pression de vapeur (3,2 × 10−5 Pa à 20 °C et 4,6 × 10−5 Pa à 25 °C) et, à ce titre, a été jugé non volatil45. Des estimations visuelles des blessures (%), de la couverture du couvert végétal (% de réduction par rapport au témoin non traité) et du nombre de structures reproductrices (% de réduction par rapport au témoin non traité) ont été recueillies 35 jours après l'exposition (DAE). Les estimations des paramètres de régression log-logistique à quatre paramètres pour chaque variable de réponse aux données sur le soja sont présentées dans le tableau 1.

Les estimations visuelles des dommages ont montré que l'application au sol a entraîné une réduction des dommages au soja à des distances plus courtes sous le vent par rapport à l'application aérienne (Fig. 4). L'application aérienne a entraîné plus de 70 % de dommages visuels au soja à la station de collecte la plus éloignée sous le vent (61 m), tandis que l'application au sol a entraîné environ 25 % de dommages à la même station de collecte. Les PD25, PD50 et PD90 pour les estimations visuelles des dommages au soja, dérivées des régressions log-logistiques à quatre paramètres en fonction de la distance sous le vent, étaient 3,6, 2,8 et 1,7 fois plus grandes pour l'application aérienne par rapport à l'application au sol (tableau 2). Les distances sous le vent prévues sur lesquelles les lésions visuelles seraient réduites de 90 % étaient respectivement de 184 et 106 m pour les applications aériennes et terrestres, toutes deux situées au-delà de la station de collecte finale utilisée dans cette recherche.

Estimations visuelles des dommages causés au soja (A), de la réduction de la couverture de la canopée du soja (B) et de la réduction de la structure reproductive du soja (fleurs et gousses) (C) 35 jours après l'exposition, modélisées à l'aide de régressions log-logistiques à quatre paramètres pour évaluer la dérive de pulvérisation mesurée à partir de l'équipement d'application terrestre et aérienne. Les plantes témoins non traitées avaient en moyenne une couverture de canopée de 54 % et un nombre total de structures reproductrices de 101 par plante.

L'analyse de la couverture de la canopée à l'aide d'images numériques des plants de soja avant l'exposition au florpyrauxifène-benzyle n'a révélé aucune différence entre les types d'application (p = 0,9475) avec une moyenne de couverture de la canopée de 7,1 % indiquant l'absence de biais pré-peuplé dans la croissance du soja entre les traitements (données non présentées). À 35 JAE, les plantes témoins non traitées avaient en moyenne une couverture de canopée de 54 % par plante (données non présentées). L'analyse de la couverture de la canopée a produit des résultats comparables aux estimations visuelles de la variable de réponse aux blessures (Fig. 4). À 61 m sous le vent, l'application aérienne a entraîné une réduction de la couverture de la canopée supérieure à 75 %, tandis que l'application au sol a entraîné une réduction de la couverture de la canopée d'environ 15 % à la même station de collecte (Fig. 4). Les PD25, PD50 et PD90 pour la réduction de la couverture de la canopée étaient 3,1, 3,1 et 3,0 fois plus grandes pour l'application aérienne par rapport à l'application au sol (tableau 2). Les distances sous le vent prévues pour obtenir une réduction de seulement 10 % de la couverture de la canopée (PD90) à la suite de l'exposition au florpyrauxifène-benzyle étaient respectivement de 202 et 67 m pour les applications aériennes et terrestres, toutes deux situées au-delà de la station de collecte finale utilisée dans cette recherche.

Les structures reproductrices du soja (fleurs et gousses) ont été sévèrement affectées par 35 DAE de florpyrauxifen-benzyl provenant d'applications terrestres et aériennes (Fig. 4). Les plantes témoins non traitées avaient en moyenne 101 nombre total de structures reproductrices (fleurs et gousses) par plante 35 DAE (données non présentées). Le pourcentage de réduction des structures reproductrices du soja avait une pente décroissante plus prononcée par rapport aux autres mesures du soja pour l'application au sol (tableau 1, figure 4), ce qui indique que l'apparition de lésions visuelles et que la réduction de la couverture de la canopée n'entraînait pas nécessairement une réduction des structures reproductrices. Cependant, les blessures visuelles et la réduction de la couverture de la canopée devaient être d'environ 30 % ou moins (45 m sous le vent) pour qu'aucune perte de structures reproductives ne se produise.

L'application aérienne a eu un changement minime dans la réduction des structures de reproduction du soja à des distances plus éloignées sous le vent; à 61 m sous le vent, il y avait encore près de 100 % de réduction des structures reproductrices (Fig. 4). En raison du changement minimal des structures de reproduction du soja sur les distances sous le vent pour l'application aérienne, la régression log-logistique à quatre paramètres était un modèle mal ajusté et les prédictions de distance sous le vent qui en résultaient étaient absurdes (tableaux 1 et 2). En revanche, le modèle d'application au sol correspond extrêmement bien aux données sur la réduction de la structure reproductive du soja (tableau 1). Les valeurs PD25, PD50 et PD90 pour les structures de reproduction du soja étaient respectivement de 19,04, 24,02 et 38,24 m (tableau 2). Ces valeurs mettent en évidence l'impact négatif potentiel sur les sources d'alimentation des pollinisateurs, car même jusqu'à environ 40 m sous le vent, les structures de reproduction (fleurs) peuvent être réduites de 10 % (PD90) suite à une exposition à un herbicide synthétique auxine comme le florpyrauxifène-benzyle.

Les dommages graves au soja dans toutes les variables de réponse ont été observés plus loin sous le vent que les dépôts de dérive de pulvérisation mesurés. L'analyse par fluorométrie avait une limite de détection de 0,015 ppm de colorant traceur de sel tétrasodique d'acide 3, 6, 8-pyrène tétrasulfonique (PTSA) équivalent à un taux de 0,0002 g ma ha-1 de florpyrauxifène-benzyle (données non présentées). Par conséquent, la différence entre la détection des dépôts et les dommages au soja peut être attribuée à deux choses : (1) des dommages au soja sont possibles suite à une exposition à des doses exceptionnellement faibles d'herbicides synthétiques à base d'auxine, en l'occurrence le florpyrauxifène-benzyle, et/ou (2) les fines gouttelettes de dérive de pulvérisation peuvent s'être déposées plus efficacement sur les structures verticales du plant de soja par rapport au Mylar horizontal et aux cartes sensibles à l'eau46.

Des recherches antérieures ont montré les dommages potentiels pour le soja et d'autres cultures à feuilles larges exposés à des taux réduits de florpyrauxifène-benzyl28,29,47. Les dommages observés dans la présente recherche étaient plus graves à des taux inférieurs par rapport aux rapports précédents, ce qui peut être dû à la dynamique de la dérive de pulvérisation réelle par rapport à la pulvérisation d'herbicides à des taux réduits au-dessus des plantes pour simuler la dérive. La dérive de pulvérisation d'herbicide sous le vent serait composée de gouttelettes beaucoup plus fines et plus concentrées que ce qui serait présent dans une pulvérisation directe à des taux réduits. Les gouttelettes plus fines et plus concentrées seraient plus susceptibles d'être capturées et d'adhérer aux surfaces verticales des plantes, ce qui entraînerait une augmentation des blessures46,48.

Les dommages au soja observés dans cette recherche corroborent les observations précédentes dans lesquelles des retards dans le pic de floraison et une réduction de la production globale de fleurs des espèces de plantes sauvages se sont produits suite à une exposition à plusieurs herbicides10. De plus, dans un habitat végétatif indigène construit, la recherche a montré qu'un autre herbicide auxine synthétique, le dicamba, réduisait le nombre de têtes de graines et de gousses par plante pour plusieurs espèces végétales11. Pour Prunella vulgaris L. subsp. lanceolata (W. Bartram), le nombre total d'inflorescences n'a pas été affecté après exposition au dicamba; cependant, environ 15 à 45 % de ces inflorescences étaient considérées comme atypiques11.

L'impact floral négatif du mouvement hors cible de l'herbicide est également critique pour la recherche de nourriture des pollinisateurs. Plus de 30 espèces d'abeilles différentes ont été identifiées comme visitant et collectant le pollen des champs de soja pendant la saison de croissance27,49. Des recherches antérieures ont démontré que les plantes étaient visitées moins fréquemment par les pollinisateurs après une exposition à des taux de dicamba sublétaux (dérive simulée)25. En conséquence, des rendements de soja réduits peuvent résulter du fait que les champs de soja dans lesquels les pollinisateurs ont visité ont observé des rendements accrus par rapport à ceux sans pollinisateurs50. Cela peut détériorer davantage les communautés végétales naturelles dans le but de compenser la perte de production. Des recherches plus approfondies sur les pollinisateurs et leur mise en œuvre dans les pratiques de production agricole actuelles sont nécessaires pour améliorer la biodiversité tout en maintenant la production sur une superficie de terres requise réduite51. Tous ces résultats combinés indiquent que la dérive de pulvérisation d'herbicide, telle qu'observée dans cette recherche à partir d'applications terrestres et aériennes, aurait probablement un impact négatif sur diverses communautés végétales et imposerait un impact négatif sur les habitudes de recherche de nourriture des pollinisateurs.

Il convient également de noter que les blessures observées dans cette recherche étaient dues à un seul passage de pulvérisation ; dans un scénario réel d'application et de dérive de pulvérisation, plusieurs passages d'application et l'exposition de certaines plantes à une dérive de pulvérisation répétée ou chronique entraîneraient probablement des blessures encore plus importantes et une réduction des structures reproductrices. Les recherches futures devraient étudier et quantifier ce potentiel d'exposition répétée, ainsi qu'identifier l'influence d'ingrédients actifs herbicides supplémentaires et d'espèces végétales alternatives pour développer une base de données sur les dommages aux plantes et les impacts potentiels qui en résultent sur les sources d'alimentation des pollinisateurs.

Les résultats de la taille des gouttelettes étaient conformes aux attentes, les configurations d'application aérienne et terrestre produisant des pulvérisations grossières, comme indiqué sur l'étiquette (tableau 3). L'utilisation de deux tailles d'orifice dans les traitements par pulvérisation aérienne a permis à l'orifice de 0,078 à jet droit CP 09 de produire une pulvérisation moyenne dans les essais en soufflerie, tandis que l'orifice de 0,128 a produit une pulvérisation grossière (tableau 3). Cependant, le nuage de pulvérisation combiné délivré par l'avion était grossier, tel que déterminé en pondérant la moyenne des résultats en soufflerie pour chaque orifice par leurs débits totaux respectifs à travers la rampe (tableau 3). L'application au sol Dv10 était de 189 μm, supérieure aux 148 μm de l'application aérienne ; cependant, les valeurs Dv50 pour les deux méthodes d'application étaient similaires à 369 et 366 μm, respectivement. La configuration du pulvérisateur au sol a généré près d'un quart du pourcentage de fines par rapport à la configuration du pulvérisateur aérien (1,4 contre 4,7 %), ce qui se reflète dans les données de dérive collectées sur le terrain (Fig. 2).

Les résultats AgDRIFT et AgDISP pour les applications de pulvérisation au sol correspondaient étroitement aux données mesurées sur le terrain, le premier niveau d'AgDRIFT, les résultats de la rampe basse étant les plus proches, suivis de la rampe haute et des résultats AgDISP. AgDISP a surestimé les dépôts en champ proche (< 20 m) (Fig. 5), comme indiqué précédemment52,53. La différence entre les deux modèles n'est pas surprenante étant donné que les résultats d'AgDRIFT sont essentiellement des ajustements de courbe aux données de terrain existantes résultant d'essais couvrant deux hauteurs de rampe et deux pulvérisations de la taille de gouttelettes33, alors qu'AgDISP est construit sur une approche mécaniste pour capturer la physique réelle impliquée52. Ces efforts antérieurs ont également signalé qu'AgDISP sous-prévoit plus loin sous le vent ; cependant, les résultats des données de terrain au sol ont généralement montré un dépôt nul en raison de la faible sensibilité de la méthode de traçage utilisée.

Comparaisons des résultats de modélisation AgDRIFT et AgDISP aux données mesurées d'essais au sol et aériens sur le terrain. Les données mesurées sur le terrain sont présentées sous forme de pourcentage moyen du taux d'application à chaque emplacement d'échantillonnage avec des barres verticales comme erreurs standard.

Les différences entre les résultats des dépôts aériens AgDRIFT et AgDISP étaient plus disparates mais attendues. L'approche à plusieurs niveaux mise en œuvre dans AgDRIFT vise à fournir des marges de sécurité plus élevées aux niveaux inférieurs grâce à des entrées simplifiées qui permettent une analyse efficace des risques avec des niveaux de niveau plus élevés utilisés selon les besoins33. AgDISP a évolué vers un modèle qui permet une responsabilité complète des pulvérisations appliquées en incorporant des modèles établis et validés de champ d'écoulement de tourbillons d'aéronefs, de transport météorologique, d'interactions de la canopée et des propriétés physiques du matériau de pulvérisation54. Les profils de dépôt prédits reflètent ces considérations avec les résultats de niveau 1 d'AgDRIFT sur-prédisant considérablement, suivis des résultats de niveau 2, et enfin les données de dépôt prédites d'AgDISP sous-prédisant dans le champ proche et correspondant raisonnablement bien aux données mesurées dans le champ lointain (Fig. 5), ce qui a également été observé par Bird et al.55.

Comme indiqué précédemment, l'étude sur le terrain ne comprenait qu'un seul passage de pulvérisation alors qu'une application de production réelle consisterait en plusieurs passages consécutifs dans un champ donné. Ces passages supplémentaires en amont contribueraient aux dépôts cumulatifs sous le vent et augmenteraient probablement à la fois la gravité des dommages aux plantes et la distance sous le vent à laquelle ils se produisent. À l'aide des modèles AgDRIFT et AgDISP, la dérive de pulvérisation potentielle résultant de 20 passages consécutifs a été modélisée en utilisant les mêmes paramètres d'entrée à partir des résultats de passage unique présentés. L'ajout de passages au vent supplémentaires a entraîné deux à trois fois la dérive sous le vent par rapport au passage unique (Figs. 5 et 6). Ceci, couplé aux résultats des dommages au soja (Fig. 4), suggère que des applications multiples de florpyrauxifène-benzyle à partir de systèmes terrestres et aériens, dans les mêmes conditions, entraîneraient des dommages aux plants de soja au-delà de la position d'échantillonnage de 60 m dans cette étude. Comme mentionné précédemment, et comme le corrobore la modélisation, le décalage de l'application aérienne de trois à cinq largeurs d'andain en amont du bord du champ entraînerait des niveaux de dérive de pulvérisation sous le vent similaires à ceux de l'application au sol (figure 6).

Résultats de la modélisation AgDRIFT et AgDISP pour les applications terrestres et aériennes dans des conditions d'essais sur le terrain en utilisant 20 passages consécutifs.

Une expérience de dérive de pulvérisation sur le terrain a été menée le 30 octobre 2020 à l'aéroport municipal de Stuttgart situé à l'extérieur de Stuttgart, AR (34.5974, -91.5751). L'expérience consistait en deux traitements, l'application par pulvérisation au sol par rapport à l'application par pulvérisation aérienne, menée selon un schéma en blocs complets randomisés. L'équipement du pulvérisateur et les paramètres d'application sont présentés dans le tableau 4. Les paramètres d'application ont été sélectionnés en fonction des pratiques courantes utilisées par les applicateurs commerciaux19 et des exigences de l'étiquette de l'herbicide florpyrauxifène-benzyle (Loyant®, Corteva Agriscience, Indianapolis, IN USA)8. La solution de pulvérisation pour les deux traitements était un mélange de 29,4 g ma ha−1 de florpyrauxifène-benzyle plus 0,6 L ha−1 d'huile de graines méthylée (Upland™ MSO, CHS Inc., Inver Grove Heights, MN USA) plus 2,0 g L−1 1, 3, 6, 8-pyrène tétra sulfonique sel tétrasodique d'acide (PTSA, Spectra Colors Corporation, Kearny, NJ USA) comme colorant traceur 56. L'expérience de dérive de pulvérisation sur le terrain a été menée conformément aux lignes directrices établies par le protocole de vérification générique de l'EPA des États-Unis pour l'essai des technologies de réduction de la dérive de pulvérisation d'application de pesticides pour les cultures en rangs et en plein champ36 et les expériences antérieures sur la dérive de pulvérisation sur le terrain42. Au total, dix répétitions ont été réalisées. Ce total de répétitions a été sélectionné pour deux raisons : (1) il s'agissait du nombre maximal de passages de pulvérisation pouvant être effectués alors que les conditions météorologiques restaient constantes, et (2) une analyse de puissance des ensembles de données d'expériences de dérive de pulvérisation précédentes a révélé qu'une plage de 3 à 32 répétitions étaient nécessaires pour une puissance de 80 % ; par conséquent, avec 8 à 12 répétitions, la différence potentielle minimale de dépôt sous le vent compte tenu de la variabilité normale des données était de 10 % (BK Fritz, données non publiées). Les données météorologiques ont été recueillies sur un intervalle de cinq minutes pendant toute la durée de l'expérience à l'aide d'une station météo Davis Vantage Pro2™ Premium (Davis Instruments Corporation, Hayward, CA 94,545 USA).

Neuf stations de collecte sous le vent (1, 2, 4, 8, 16, 23, 30,5, 45 et 61 m) et une station de collecte au vent (témoin non traité) ont été établies pour la collecte de données (Fig. 3). Les stations de collecte ont été placées du côté sous le vent à partir du bord de la rampe de pulvérisation d'application au sol. Un ajustement d'andain au vent de 22 m (une largeur d'andain complète) a été utilisé pour l'application aérienne (Fig. 3) car l'étiquette du florpyrauxifène-benzyle indique qu'un épandeur aérien doit compenser le déplacement de l'andain dans un environnement de vent traversier8. Chaque station comprenait trois méthodes de collecte de données : (1) une carte Mylar (100 cm2) (Grafix Plastics, Cleveland, OH USA) pour les mesures de dépôt, (2) une carte sensible à l'eau (40 cm2) (TeeJet Technologies, Spraying Systems Co., Wheaton, IL USA) pour le nombre de dépôts et les mesures de couverture, et (3) une plante de soja (stade de croissance V3-V4) comme mesure d'essai biologique. Après chaque passage de pulvérisation, une période d'attente de trois minutes a été observée pour s'assurer que les gouttelettes de pulvérisation se sont déposées. Les cartes Mylar et les cartes sensibles à l'eau ont ensuite été immédiatement collectées et placées dans des sacs en plastique à fermeture éclair pré-étiquetés. Les cartes Mylar ont été placées dans un récipient sombre pour éviter la photodégradation du colorant traceur, et les cartes sensibles à l'eau ont été placées dans une glacière pour éviter que l'excès d'humidité ne détruise les échantillons. Les plants de soja ont été transportés dans une zone au vent et à l'extérieur de la zone d'expérimentation pendant au moins 2 h après l'application (période de pluie du florpyrauxifène-benzyl)8.

Les cartes Mylar ont été traitées en utilisant des méthodes établies dans des recherches antérieures42,57. En bref, le dépôt de pulvérisation a été déterminé par analyse fluorimétrique. Les cartes Mylar ont été lavées avec 40 ml d'une solution d'eau distillée à 9:1 et d'alcool isopropylique (91%). Par la suite, une aliquote de 1,5 ml a été transférée dans une cuvette en verre et analysée à l'aide d'un spectromètre (Flame-S, Ocean Optics, Inc., Largo, FL USA) pour détecter la fluorescence du colorant PTSA. Les données d'unité de fluorescence relative ont ensuite été converties en grammes de PTSA cm-2 (carte Mylar) et ensuite en pourcentage du maximum théorique (concentration de l'échantillon du réservoir) à l'aide d'une courbe d'étalonnage pour le traceur.

Les cartes sensibles à l'eau ont été numérisées (Brother MFC L8900cdw, Brother International Corporation, Bridgewater, NJ USA) avec une résolution de 1 200 × 2 400 dpi et traitées à l'aide de DepositScan du United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service58. Pourcentage de couverture et nombre de dépôts cm−2 variables de réponse ont été extraites.

Les plants de soja utilisés comme bioindicateurs ont été cultivés dans une serre située au Lonoke Extension Center à Lonoke, AR. La serre a été maintenue à une température jour/nuit de 27/21 °C et une lumière supplémentaire a maintenu une longueur de jour de 11 h pendant toute la durée de l'expérience. Les plants de soya ont été semés individuellement dans des pots de 2,8 L remplis de terreau Pro-Mix LP15 (Premier Tech Ltd., Rivière-du-Loup, Québec, CA). Lors de la plantation, chaque pot a été fertilisé avec Sta-Green All Purpose Plant Food (19,0-6,0-12,0-4,6) (Gro Tec, Inc., Madison, GA USA), et les pots ont été irrigués quotidiennement.

Les plants de soja ont été cultivés jusqu'au stade de croissance V3-V4 avant le début de l'expérience de dérive. Une fois que le soja a atteint ce stade de croissance, les plantes ont été triées au hasard et ont reçu un type d'application (terrestre ou aérienne), une distance sous le vent et une répétition. Tous les plants de soja (y compris les témoins non traités au vent) ont été transportés par remorque couverte jusqu'au site expérimental et exposés aux mêmes conditions environnementales. Une fois l'expérience de dérive de pulvérisation terminée et une période d'attente de 2 h observée, les plants de soja ont été ramenés à la serre pour le reste de la période d'évaluation (35 JAE).

Des estimations visuelles des dommages au soja ont été enregistrées chaque semaine sur une échelle de 0 à 100 %, où 0 indiquait l'absence de symptômes visuels observés et 100 la mort complète de la plante. À 35 JAE, les structures de reproduction du soja (fleurs et gousses) ont été comptées et normalisées par rapport aux plantes témoins non traitées pour une évaluation du pourcentage de réduction du développement total de la structure de reproduction. Enfin, des images numériques ont été prises la veille de l'expérience de dérive de pulvérisation sur le terrain et 35 DAE à l'aide d'un appareil photo de téléphone portable de 12 MP (Samsung Galaxy S20 +, Samsung, San Jose, CA USA) fixé à une hauteur définie avec un trépied. Ces images ont été traitées et analysées à l'aide de FieldAnalyzer (https://turfanalyzer.com/) pour détecter les pixels verts fournissant une estimation de la croissance du soja et du pourcentage de couverture de la canopée59,60.

Des tests de taille de gouttelettes ont été effectués dans les installations de test d'atomisation à basse et haute vitesse de l'unité de recherche sur les technologies d'application aérienne de l'USDA-ARS à College Station, au Texas. Bien que ces installations et les méthodes standard utilisées pour chacune aient été précédemment documentées en détail61, un résumé est fourni ici. Les buses, les pressions de pulvérisation et les solutions de pulvérisation utilisées dans les études sur le terrain ont été évaluées pour la taille des gouttelettes à l'aide de la diffraction laser (analyseur de taille de particules à diffraction laser Sympatec HELOS Vario KR, Sympatec GmbH, Pulverhaus, Allemagne ; plage de taille de gouttelettes dynamique de 18 à 3 500 μm dans 31 bacs). La buse d'application au sol a été testée dans une soufflerie à basse vitesse avec la feuille de soufflante de la buse orientée perpendiculairement au sol du tunnel et sortant de la buse en même temps que le flux d'air du tunnel qui a été fixé à 6,7 ms-1. Le flux d'air est utilisé pour minimiser le biais spatial inhérent à l'utilisation de systèmes de diffraction laser62. La buse d'application aérienne a été testée de la même manière dans une soufflerie à grande vitesse avec la vitesse anémométrique réglée sur les 233 km/h utilisés dans l'étude sur le terrain. Le flux d'air à grande vitesse devant la buse et la géométrie de pulvérisation sortante entraîne une rupture secondaire et est le principal facteur influençant la taille des gouttelettes résultantes63. Chaque combinaison de buse terrestre et aérienne et de pression avait un minimum de trois mesures répétées. Les distributions cumulées du diamètre des gouttelettes pondérées en volume ont été exportées pour être utilisées dans les efforts de modélisation de la dérive de pulvérisation à l'aide d'AgDISP, et les résultats récapitulatifs sous la forme de Dv10, Dv50 et Dv90 (diamètres de gouttelettes pour lesquels 10, 50 et 90 % du volume total de pulvérisation sont composés de gouttelettes plus petites) ainsi que les fines en pourcentage du volume total de pulvérisation dans les gouttelettes de moins de 100 μm de diamètre. De plus, la classification de la taille des gouttelettes pour chaque combinaison a été déterminée64.

AgDRIFT et AgDISP fournissent une interface qui permet aux utilisateurs de spécifier des conditions d'application spécifiques à partir desquelles le transport et le devenir de la pulvérisation sont modélisés. Les paramètres d'entrée par défaut ont été utilisés, sauf indication contraire ci-dessous. Toute la modélisation a été effectuée à l'aide d'AgDRIFT version 2.1.1 et d'AgDISP version 8.29.

La modélisation du sol dans AgDRIFT nécessite la sélection de l'interface au sol de niveau 1 et d'une hauteur de rampe basse ou élevée et d'une taille de gouttelettes très fine à fine ou fine à moyenne/grossière. Comme la hauteur de rampe dans ce travail se situe entre les conditions de rampe basse et haute d'AgDRIFT (0,51 et 1,27 m, respectivement), les deux réglages ont été modélisés34. De plus, le nombre de bandes a été défini sur un dans les paramètres étendus pour mieux correspondre aux conditions d'étude sur le terrain. AgDISP nécessite de sélectionner le sol comme méthode d'application et de spécifier le type de buse, qui pour cette étude était un jet plat. La pression de pulvérisation, la hauteur de rejet, le nombre et l'espacement des buses et la largeur totale de l'andain ont été réglés sur ceux utilisés dans l'étude sur le terrain (tableau 4). Les données sur la taille des gouttelettes ont été directement importées en tant que distribution de diamètre de volume incrémentielle à partir d'essais en soufflerie. Les paramètres météorologiques ont été définis sur les valeurs moyennes des traitements de l'étude sur le terrain, en particulier la vitesse du vent à 13 km/h, la direction du vent perpendiculaire à la ligne de pulvérisation, la température à 10 °C et l'humidité relative à 71 %. Le taux d'application a été fixé à 94 L ha−1 et le produit de pulvérisation réglé pour s'évaporer. La stabilité atmosphérique a été réglée sur modérée et la canopée a été réglée sur aucune avec une rugosité de surface de 0,04 m. AgDISP définit un décalage d'une demi-bande par défaut, indiquant que la ligne de pulvérisation est décalée au vent du bord zéro sous le vent d'une moitié de la largeur de l'entrée de bande. Ce décalage de bande par défaut a été remplacé par zéro pour refléter les conditions d'étude sur le terrain.

La modélisation aérienne a suivi le même processus que celle au sol, avec quelques différences essentielles. AgDRIFT fournit trois niveaux pour les applications aériennes. Seuls les niveaux un et deux ont été utilisés dans la modélisation AgDRIFT. Le niveau trois est destiné à fonctionner comme une version complète d'AgDISP ; cependant, AgDRIFT n'a pas été mis à jour ces dernières années alors qu'AgDISP a eu des mises à jour récentes et continues. Le niveau un permet uniquement de choisir l'un des quatre paramètres de taille de gouttelettes allant de très fin à très grossier, tandis que le niveau deux étend les options au type et à la configuration de l'avion, à la largeur et au déplacement de la bande, aux données sur la taille des gouttelettes et à la météorologie. Le cas échéant, ces paramètres ont été calés sur ceux utilisés sur le terrain. La modélisation AgDISP comprenait la sélection aérienne comme méthode, l'avion étant défini comme un Air Tractor 802A. La pression de pulvérisation, la hauteur de libération, le nombre et l'espacement des buses et la largeur totale de la bande ont été définis sur ceux utilisés dans l'étude sur le terrain (tableau 4) et les données sur la taille des gouttelettes ont été directement importées en tant que distribution différentielle du volume et du diamètre à partir des essais en soufflerie. La configuration de l'étude utilisait deux tailles d'orifice différentes sur la rampe, à un rapport constant de deux buses de taille d'orifice de 0,078 pour chaque buse de taille d'orifice de 0,125. Cependant, AgDISP n'autorise pas les types de buses mixtes dans une seule simulation. Pour tenir compte des différentes tailles de gouttelettes et des débits de chaque taille d'orifice, deux itérations de modèle ont été exécutées, une pour chaque taille d'orifice. Les résultats de dépôt pour chaque cycle ont ensuite été combinés en pondérant chaque ensemble de résultats par le pourcentage du débit d'application total correspondant à chaque taille d'orifice, avec 41,9 et 58,1 % du débit total contribué par les buses à orifice de 0,078 et 0,125, respectivement. Comme indiqué précédemment, AgDISP utilise par défaut un décalage d'une demi-bande ; cependant, dans cette étude, les passes de pulvérisation aérienne étaient décalées d'une bande complète au vent, ce qui n'est pas une option standard dans le modèle. Cependant, l'utilisateur peut spécifier une valeur de déplacement d'andain, que le modèle ajoute au décalage d'andain spécifié, ce qui signifie que pour la modélisation aérienne, le décalage d'andain a été défini sur zéro et le déplacement d'andain défini sur 21,9 m.

Toutes les données de dérive de pulvérisation sur le terrain et les données de réponse du soja ont été analysées en ajustant quatre fonctions log-logistiques de paramètres (Eq. 1) à l'aide du package "drc" dans R4.0.365 :

Dans laquelle f(x) est la variable de réponse spécifique, b est la pente au point d'inflexion, c est la limite inférieure, d est la limite supérieure, x est la distance sous le vent depuis la pulvérisation et e est le point d'inflexion. Un rapport de variance (test F) a été effectué pour déterminer si les modèles de type application individuels ou regroupés correspondent le mieux aux données (P ≤ 0,05)66. Pour toutes les variables de réponse du soja, comme les données étaient des pourcentages liés entre 0 et 100 %, la limite inférieure (c) et la limite supérieure (d) ont été fixées dans les modèles à 0 et 100, respectivement. Des modèles ont ensuite été utilisés pour prédire la distance sous le vent estimée dans laquelle la variable de réponse respective a été réduite de 25, 50 et 90 % (PD25, PD50 et PD90, respectivement).

Les données sur la taille des gouttelettes sont présentées sous la forme Dv10, Dv50 et Dv90, qui sont les diamètres de gouttelettes auxquels 10, 50 et 90 %, respectivement, du volume total de pulvérisation sont constitués de gouttelettes de plus petit diamètre. De plus, les pourcentages de fines sont rapportés en pourcentage du volume de pulvérisation contenu dans des gouttelettes de 100 μm ou moins. Aucune comparaison de moyennes n'a été effectuée car il est connu que les différents types de buses et les conditions de fonctionnement entraîneraient des pulvérisations de tailles de gouttelettes différentes.

Les auteurs déclarent que la culture des plantes tout au long de la recherche présentée est conforme à toutes les directives et législations institutionnelles, nationales et internationales pertinentes. De plus, les spécimens de semences utilisés dans cette étude sont des semences accessibles au public, et les auteurs ont reçu une autorisation écrite explicite de les utiliser à des fins de recherche.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Le financement de cette recherche a été fourni par l'USDA-ARS sous les prix n° 58-6066-9-047 et 58-3091-1-015. Un soutien supplémentaire pour cette recherche a été fourni par les fonds Checkoff distribués par l'Arkansas Soybean Promotion Board. Les auteurs sont également reconnaissants pour l'aide à la recherche fournie par Tri-County Farmers Associates et Cole Hartley de Hartley Flying Service.

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John J.Adamczyk

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TRB, JKN, GML et JJA ont conceptualisé l'idée de cette étude. TRB, BKF, GML, BCT, NRB et JJA ont contribué au financement de cette recherche. TRB, BKF et JKN ont conçu l'expérience. TRB, BKF et KBJK ont analysé les données et rédigé l'article. TRB, BKF, KBJK, JKN, LTB, WJR, GML, BCT, NRB et JJA ont engagé des discussions utiles au cours de l'étude en cours, aidé à la collecte de données et contribué à la rédaction du document.

Correspondance à Thomas R. Butts.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 11 août 2022

Accepté : 20 octobre 2022

Publié: 26 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22916-4

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