Model development for a decision support system to promote an optimal use of pesticides in cotton production

Yanke Nana, Merimee

In dieser Arbeit beschreibe ich die Entwicklung eines Entscheidungsunterstützungs-Systems mit dem Ziel der optimierten Verwendung von Pestiziden in der Landwirtschaft, um das Risiko für das Auftreten von Resistenzen bei den Zielorganismen und die Verschmutzung von Wasserressourcen zu minimieren. Die dafür verwendeten Methoden sind eine Sammlung mathematischer Teilmodelle für die Simulation der Dynamik von Kulturpflanzen und Schädlingen und des Umweltverhaltens von Pestiziden. Dabei wurden unterschiedliche mathematische Ansätze verwendet: zeitkontinuierliche Modelle in Form eines Systems von gewöhnlichen Differentialgleichungen für das Wachstum von Baumwollkulturen und für die Kinetik von Insektiziden und in Form von partiellen Differentialgleichungen für die räumliche Ausbreitung von Schädlingen und Pestiziden in Böden sowie ein zeitdiskretes Modell für die Populationsdynamik von alters- und stadienstrukturierten Populationen. Die Teilmodelle wurden separat getestet, um sie zu verifizieren. Für das Teilmodell für die Bestandesdynamik von Baumwolle konnte anhand von Literaturdaten eine Parameteridentifikation durchgeführt werden. Das Entscheidungsunterstützungs-System ergab sich dann aus der Integration der Teilmodelle. Die Modelle wurden in die numerischen Programmierumgebung Matlab implementiert. Für die Lösung der partiellen Differentialgleichungen wurde das Finite-Elemente-Tool COMSOL Multiphysics verwendet. Verschiedene Tests wurden durchgeführt, um das Modellverhalten auf Plausibilität zu überprüfen: Syntaxprüfung, Stresstests mit extremen Parameterwerten und Vergleich mit Messdaten. Das Verhalten des Modells in Bezug auf die Parameter-Variationen folgte den erwarteten Trends. Anhand einer geeigneten Zielfunktion, die ökonomische Kriterien mit fiktiven Umweltkosten verknüpft, wurden Kontrollmaßnahmen bewertet. Die Anwendung des integrierten Modells auf die Entwicklung optimaler Managementverfahren zur Bekämpfung des Baumwollschädlings Helocoverpa armigera im Anbaugebiet von Burkina Faso führte zu erheblichen Modifikationen der praxisüblichen Verfahren. Jedoch sind mehr Tests und Anwendungen in verschiedenen Anbaugebieten notwendig, um die hier vorgestellte Methode effektiv auf andere Kulturen und Schädlinge zu übertragen.

In this thesis, we proposed and described well organized materials for the development of a Decision Support System aiming at the optimal allocation of pesticides in agriculture, given that resistance can develop in the target population, and pesticides environmental pollution, mainly water resources, can occur. These materials are a collection of mathematical sub-models, simulating the dynamics of crops and pests and the environmental fate of pesticides. Different mathematical approaches were used: continuous time models in the form of ordinary differential equations for the growth of cotton crop and for the kinetics of insecticides; in the form of partial differential equations for the spatial spread of pests and pesticides in soil and a discrete time model for population dynamics of age and stage structured populations. For the cotton crop dynamics sub-model, parameter estimation was carried out based on literature data. The Decision Support System was then constructed by integrating the sub-models. The models were implemented in the numerical programming environment Matlab. For the solutions of the partial differential equations, the finite elements tool COMSOL Multiphysics was used. Various tests were carried out to verify the model behavior for plausibility: syntax check, stress tests with extreme parameters values and comparison with measured data. The behavior of the model with respect to parameters variations followed expected trends. Using a suitable objective function, control measures were evaluated including economic criteria with fictive environmental costs. The application of the integrated model to the development of better management practices for the control of the cotton pest Helocoverpa armigera in the growing areas of Burkina Faso led to substantial modifications of the usual practical method. However, more tests and applications are necessary in different production areas to effectively transfer the method presented here to other crops and pests.

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Yanke Nana, Merimee: Model development for a decision support system to promote an optimal use of pesticides in cotton production. 2015.

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