The approach of the German pesticide risk indicator SYNOPS in

frame of the National Action Plan for Sustainable Use of Pesticides

JÖRN STRASSEMEYER, VOLKMAR GUTSCHE

JKI - FEDERAL RESEARCH CENTRE FOR CULTIVATED PLANTS,

KLEINMACHNOW, GERMANY

 

 

Executive Summary

A  set of pressure,  state,  impact and  response  indicators has been  suggested  to measure  the progress in reaching the targets of the German National Action Plan (NAP) on the Sustainable Use of Plant Protection Products released 2008. Among them the risk  indicator model SYNOPS  is used to assess  trend  of  the  terrestrial  and  aquatic  risks  of  pesticide  use  in  agriculture.  The  indicator  is applied on different levels of aggregation: 

• To assure the tracking of the risk trends and risk development on national level, SYNOPS is used on yearly basis with annual  sales or  ‐  if available  ‐ use data of pesticides assuming realistic worst case scenarios for the environmental conditions (SYNOPS‐Trend). 

• For  regional  risk  analysis  and  the  provisional  detection  of  hot  spots  SYNOPS  is  used together with field based surveys on pesticide use and extended GIS based datasets on land use, slope, soil types and climate (SYNOPS‐GIS). 

The aim of the German NAP is a further reduction of risks associated with the use of agricultural pesticides by 25 % until 2020 in relation to the risks calculated for a reference period from 1996 to 2005. To characterize the status quo, SYNOPS evaluated the risks of the pesticides sold in the crop years 2006, 2007, and 2008 in relation to the average risk of the reference period. Within the three considered years, a reduction of the terrestrial (δRIter) and aquatic risk (δRIaqua) according to the goal of the NAP (25 %) was already assessed for herbicides (δRIter=32% and δRIaqua=34%) and insecticides (δRIter=61% and δRIaqua=44%) whereas the risk reduction for fungicides (δRIter=24% and δRIaqua=17%) was still below this goal. These results indicate a promising progress in risk reduction and show that the measures  taken  within  the  NAP  to  reduce  the  environmental  risk  are  going  into  the  right direction. For the future it has to be evaluated, if this trend remains. 

A more detailed analysis of risks on regional level is accomplished with the GIS based version of SYNOPS.  It  relies on a GIS database, which  integrates all necessary environmental parameters on field level to estimate the exposure. The database was established by merging information from an extended geographical dataset on land use (ATKIS), a digital soil map, a digital elevation model and a set of 430 climate stations (DWD). Regional data on pesticide use for the main crops are available from field based surveys.  

In a study SYNOPS‐GIS was applied to analyse pesticide risk trends in German orchard growing regions. The risks were calculated for all orchards within the regions. These results are expressed in risk maps and are the basis of identifying regions with higher risks. The impact of pesticide specific buffer zones and drift mitigation measures on the environmental risk is shown on regional scale. In combination with repetitively conducted pesticide use surveys for orchards in 2001, 2004 and 2007 the trend of regional risks was analysed. Based on these assessment conclusion were made about the impact of product based drift mitigation measure on the environmental risk. 

 

 

 

Introduction and background 

In  2008  the  German  National  Action  Plan  (NAP)  on  the  Sustainable  Use  of  Pesticides  was established  to  further  reduce  risks  that  may  arise  from  the  use  of  plant  protection  products (BMELV, 2008). 

The measures of the NAP focus on promoting  innovation  in plant protection and the develop‐ment of methods of integrated crop protection. They will be complemented by appropriate measu‐res implemented and borne by the Federal Government and the Länder. The measures are intended 

• to  reduce  the  risks  that  chemical  pesticides  pose  for  human  health,  animals  and  the natural balance, and to minimize the intensity of the use of these pesticides,  

• to further reduce residues of pesticides  in domestic and  imported agricultural products, thus representing a major advance in preventive consumer protection, and 

• to improve the economic situation of farms by avoiding the costs incurred by unnecessary use of plant protection products. 

In Germany, the  implementation of plant protection measures and especially the registration, approval and use of plant protection products has a broad legal basis and is regulated to provide a high degree of protection  for humans, animals, groundwater and  the natural environment. Basic guidelines  have  been  published  on  good  plant  protection  practice  (Bundesanzeiger  57  and  58a, 2005). Good plant protection practice  includes giving consideration to the principles of  integrated plant  protection  (PflSchG,  1998;  Bundesgesetzblatt  I  pp.  971,  1527,  3512).  Comprehensive  plant protection  legislation  has  among  other  reasons  been  enacted  to  protect  crops  from  harmful organisms  and  to  prevent  the  risks  that  plant  protection  product  use  or  other  plant  protection activities may pose to humans, animals and the natural environment. 

Following  the  broad  dialogue  on  plant  protection  policy  in  Germany,  the  Plant  Protection Product  Reduction  Programme  was  devised  and  published  in  2004.  Structured  as  an  ongoing, dynamic  programme  with  no  expiry  date,  the  programme  is  subject  to  further  development according  to  the progress made. The National Action Plan builds on  the Plant Protection Product Reduction  Programme  and  reflects  the  experience  gained  in  implementing  that  programme  and current trends in national and international debate on plant protection. For example, the OECD has given a great deal of attention  to  the contents of national strategies  to minimise  the  risks arising from  the use of plant protection products and has published a wide  range of  information on  this issue  (OECD,  1997).  Recently,  the OECD  has  targeted  in  its  Strategic  Approach  in  Pesticide  Risk Reduction national action plans or programmes  to accelerate  IPM  implementation as  the  leading instrument to reduce risks arising from pesticides (OECD, 2009). 

Integrated plant protection  is  the globally accepted model  for  sustainable plant protection  in conventional agriculture. The FAO Code of Conduct on the Distribution and Use of Plant Protection Products  (FAO,  2002)  adopted  in  1985  cites  integrated  plant  protection  as  a  key  component  of sustainable plant protection. Germany’s Plant Protection Act (PflSchG, 1986) has referred to it since 1986. In 1991, Council Directive 91/414/EEC Concerning the Placing of Plant Protection Products on the Market provided a standardised definition of the term for uniform application in all EU Member States.  In  2009, with  the  Directive  2009/128/EC  OF  THE  EUROPEAN  PARLIAMENT  AND  OF  THE COUNCIL  of  21  October  2009  establishing  a  framework  for  Community  action  to  achieve  the sustainable use of pesticides this definition has been revised marginally1. 

                                                                 1) ‘integrated pest management’ means careful consideration of all available plant protection methods and subsequent 

integration of appropriate measures that discourage the development of populations of harmful organisms and keep the use of plant protection products and other  forms of  intervention  to  levels  that are economically and ecologically  justified and reduce or minimise risks to human health and the environment. ‘Integrated pest management’ emphasises the growth of a healthy crop with the least possible disruption to agro‐ecosystems and encourages natural pest control mechanisms; 

 

 

Integrated plant protection constitutes a holistic,  long‐term on‐farm plant protection strategy aimed at achieving a balance between environmental, economic and social needs by reducing the use of chemical plant protection products to the necessary minimum and using non‐chemical plant protection methods  instead. It requires careful consideration and weighing of relevant issues  in all decision  making  processes  and  places  high  expectations  as  regards  the  availability  and  use  of specialist information. Longitudinal studies show that the practice of integrated plant protection not only results in lower quantities of plant protection products being used, but also lessens the overall risk  to  humans,  animals  and  the  natural  environment  arising  from  the  use  of  chemical  plant protection products. 

This  is  why  the  National  Action  Plan  focuses  on  risk  reduction  rather  than  setting  specific quantity  reduction  targets. Across‐the‐board  reductions  in  the quantities of plant protection pro‐ducts sold fail to account for the characteristics of the substances  involved and the potential risks arising  from  their use. For example, with a quantity‐based approach,  the use of a high‐risk plant protection product which is effective in small quantities would be more positively assessed than use of a lower‐risk product that must be used in greater quantities to achieve the desired result.  

A  set  of  pressure,  state,  impact  and  response  indictors  has  been  suggested  to measure  the progress  in  reaching  the  targets of  the German National Action Plan  (NAP). Among  them  the  risk indicator  model  SYNOPS  is  used  to  assess  the  terrestrial  and  aquatic  risks  of  pesticide  use  in agriculture.  

Since  it was  first  published  in  1997  (Gutsche  and  Rossberg)  the model  SYNOPS  for  synoptic assessment  of  risk  potential  of  chemical  plant  protection  products  has  been  used  and  further developed within national (Gutsche and Rossberg, 2000, De Mol et al., 2002) and European projects (Reus et al., 1999; Reus et al., 2002; Delbaere and Seradilla, 2004). Essential ideas and functionalities of SYNOPS have be adopted in the harmonised European indicator model HAIR (HAIR, 2007; Luttik, 2004)  and  OECD  indicators  (OECD,  2000).  Further  international  applications  of  SYNOPS  are conducted in frame of the European Network of excellence ENDURE (2006), where it is applied for different  European  case  study  regions  as  indicator  to  assess  the  impact  of  innovative  plant protection strategies in the context of the landscape. 

To assure the tracking of the risk trends and risk development on national level, SYNOPS is used on yearly basis with annual sales or  ‐  if available  ‐ use data of pesticides assuming  realistic worst case scenarios  for  the environmental conditions. Risk  index analyses with SYNOPS  for  the past 20 years show that Germany’s plant protection policies and use of new innovations have been reduced by as much as 60 percent (Gutsche and Strassemeyer 2007). In these evaluations the year 1987 was used as the reference year for the calculations, as that was the year in which significant legislative changes were introduced with the enactment of a completely revised Plant Protection Act. 

The NAP is designed to build on this approach and provide incentives for further risk reduction with the overall goal to reduce the risk potential by 25 % until the year 2020 in relation to the risk potentials  calculated  for  a  reference  period  from  1996  to  2005.  To  characterize  the  status  quo, SYNOPS is used to evaluate the risks of the pesticides sold in the crop years 2006, 2007, and 2008 in relation to the average risk of the reference period. 

Additional to the trend analysis the indicator model SYNOPS is used within the National Action Plan for the analysis and detection of hot pots. Temporally and spatially defined fields of action with increased  risk  (hot  spots)  associated  with  plant  protection  products  can  occur  due  to  specific environmental conditions (e.g. high water body density, high soil porosity), due to wide‐spread and frequent use of a  few plant protection products or due  to high‐frequency, crop and pests‐related use of a  specific plant protection product over a  single area  in connection with other conditions, such as frequent rainfall.  

For  regional  risk analysis and  the provisional detection of such hot spots  the  indicator model SYNOPS is used together with field based surveys on pesticide use and extended GIS based datasets on  land  use,  slope,  soil  types  and  climate.  Effective  hot  spot management  plays  a  key  role  in 

 

 

achieving the objectives set out  in the National Action Plan on Sustainable Use of Plant Protection Products because  it  identifies and either reduces or prevents the potential risks to consumers and the environment. 

As an example for regional risk assessment and hot spot detection SYNOPS has been applied to the  German  orchard  regions  using  the  results  of  three  field  based  surveys  on  pesticide  use  in orchards  (NEPTUN), which were  conducted  in  the  years  2001,  2004  and  2007.  Based  on  these assessment conclusion were made about the  impact of product based drift mitigation measure on the environmental risk. 

Method ‐ Environmental risk assessment with SYNOPS 

SYNOPS evaluates the risk potential for terrestrial (soil and edge‐biotopes) and aquatic (surface water)  organisms.  It  combines  use  data  of  pesticides with  their  application  conditions  and  their inherent  properties.  The  exposure  of  organisms  is  calculated  by more  or  less  sophisticated  sub‐models. Within the National Action Plan SYNOPS is applied on different levels of spatial aggregation. 

On the one hand SYNOPS  is applied on national  level to assure the tracking of the risk trends and risk development in Germany. In this case SYNOPS is used on yearly basis with annual sales data of  pesticides  assuming  realistic  worst  case  scenarios  for  the  environmental  conditions.  This application will be  referred as SYNOPS‐Trend. On  the other hand SYNOPS‐GIS  is used  for  regional risk analysis and the detection of hot spots. This implementation of SYNOPS requires more detailed input datasets  like  field based surveys on pesticide use and extended GIS based datasets on  land use, slope, soil types and climate. 

Both versions of SYNOPS are based on  the same  functionalities and procedures  to assess  the environmental risk on field level. SYNOPS calculates the predicted environmental concentration on daily basis for soil, surface waters and non target plants.  It considers the  interception on the crop and  the exposure pathways spray drift, surface  run‐off and drainage and  temperature dependent degradation  in water  and  soil.  From  the  daily  environmental  concentrations  the  short‐term  and long‐term exposure are derived and  the  risk potentials are calculated as  the  ratio of exposure  to toxicity  (ETR)  for  three  reference  species  (daphnia,  fish  and  algae)  in  aquatic  systems  and  two species (earthworm and bee) for terrestrial systems (figure 1). 

 

Figure 1:  Exposition pathways considered in SYNOPS 

 

 

 

SYNOPS‐Trend to track national risk tends 

SYNOPS‐Trend  calculates  the environmental  risk on  the basis of  sales data. The  sales data of active ingredients are available on annual basis and allow only indirect conclusions about the actual usage  of  the  active  ingredients.  These  conclusions  are  made  according  to  comprehensive assessment procedure developed by Rossberg and Gutsche (1999). 

All  active  ingredients with  sold  volumes  above  5  t  for  herbicides  and  fungicides  and  1  t  for insecticides were  accounted  for.  For  each of  the  sold  active  ingredients  all  registered uses were considered. A registered use of an active ingredient is defined for a specific crop and specific target with a specific application rate and application time span. The potential environmental risk for each use  is calculated by SYNOPS‐Trend based on the same realistic worst case scenario. As worst case scenario a  loamy sand soil with 1.5 % carbon content, a slope of 3 % and a minimal distance from the  field edge  to  surface water of 1 m  for  field  crops and 3 m  for permanent  crops  is assumed. Further we assumed surface water dimensions according to the standard ditch with a width of 1 m and a depth of 0.3 m. For precipitation a rain event of 30 mm was assumed to appear 3 days after application  of  the  active  ingredient.  Drift  mitigation  measures  were  not  considered  in  the assessment. 

According to the estimated application area  for each use a weighting factor  is calculated. The detailed  procedure  of  estimating  the  application  area  and  the weighting  factor  for  each  use  is described  in Gutsche and Strassemeyer  (2007) and  in Rossberg and Gutsche  (1999). The assessed risk potentials of the uses were then aggregated by calculating the weighted mean for herbicides, fungicides and insecticides. This procedure was repeated for the crop years 1996, 1998, 1999, 2002, 2002 and since 2004 on yearly basis. 

Finally  the  risk potentials were  then expressed  relatively by  relating  the absolute values  to a reference  value  corresponding  to  the  average  of  a  ten‐year  period  from  1996  to  2005.  The reference period was defined as a ten‐year period just before the National Action Plan was launched in 2006. 

SYNOPS‐GIS for regional risk assessment and hot spot detection 

SYNOPS‐GIS  was  developed  to  assess  the  environmental  risk  potential  of  plant  protection strategies on  landscape  level using GIS functionalities by linking  it to geo‐referenced databases for land  use,  soil  conditions  and  climate  data  and  to  a  dataset  of  regionalised  surveys  of  pesticide application.  The GIS databases were  established by  integrating  all  environmental  information on field level which is necessary to estimate the environmental exposure by drift, run‐off and drainage.  

The underlying data models for the integration of environmental and field related input data for SYNOPS  are  an  extended  geographical dataset on  land use  (ATKIS, AdV 2001),  a digital  soil map (BÜK1000, BGR 1995), a digital elevation model (BKG, 2005) and a set of 430 climate stations of the German weather service (DWD). 

ATKIS  is  a project of  the German  Surveying Authorities which  is performed uniformly  at  the Federal  level.  It  provides  digital  topographic  base  data  suitable  for  computer‐assisted  digital processing. ATKIS describes the topographic features of a  landscape  in vector format and suits the scale range 1:10.000 to 30.000. Using GIS procedures the exact  location of all orchards, vineyards, hope plantations  and  arable  fields  and  their  connectivity  to  surface waters  and  other  landscape objects was extracted. The outputs of these procedures are the minimal distance from the edge of the field to the edge of the surface water and the mean width of the field margins. 

The slope for each field was calculated by linking the ATKIS dataset to a digital elevation model (DGM‐d).  According  to  a  digital  soil  map  (BÜK1000)  the  main  soil  types  for  the  region  were identified  and  linked  to  the  fields.  The  relevant  biophysical  parameters  like  the  organic  carbon content, the hydrological soil class or the texture of the soil are linked to the main soil types. Data 

 

 

on precipitation and temperature were available from stations of the German Weather Service. For each field the closest climate station was determined. 

The  information  on  the  cultivated  crops  is  not  included  in  the  ATKIS  dataset.  ATKIS differentiates only between permanent crops like vineyards, orchards and hops and arable crops. So for arable crops and orchards information on the crop or fruit cultivated on field level was achieved by random distribution of the crop types on community level, according to the cop statistics.  

The pesticide use data are available from field based surveys, which were conducted on regional level  (NEPTUN, Rossberg 2005). The application  strategies of  the pesticide use dataset were also distributed  randomly  to  the  fields according  to  the crop  related  to  the  field and according  to  the related region to the pesticide use survey (e.g. orchard region). 

This high level of data availability enables us to accomplish a detailed risk analysis on field level for all regions in Germany. Figure 2 illustrates an overview of the GIS‐ related input data and the risk analysis with SYNOPS. 

 

Figure 2: Overview on GIS‐ related input data and risk analysis with SYNOPS 

Results of indicator application 

National risk trends 

As mentioned before, one  important approach of SYNOPS  is  the  tracing of annual  trends and the development of the environmental risk on national level. Among other indicators the risk trends are an important tool to prove and evaluate the success of the National Action Plan and to verify the goal to reduce the environmental risk by 25 % until 2020. 

In  figure  3  the  evaluated  trends  for  the  three  product  groups,  fungicides,  herbicides  and insecticides are  summarised. The  left  side of  figure 3  shows  the development of  the  risk  for  the single  aquatic  (daphnia,  fish,  algae)  and  terrestrial  (bee, earthworm)  reference organism. On  the right side the aggregated aquatic and terrestrial risk  indices are shown together with the absolute and relative sold active ingredient volume. 

 

 

The observed  fluctuation of  the mean value of  risk  indices especially  for  the  single  reference organisms is provoked by a shift of sales of the different active ingredients. The shift of sales leads to a shift of weighting factors for the uses. Therefore uses with high individual risk indices might get a lower weighting factor over time if the corresponding sales decrease. 

When  interpreting  the  trends  it  has  to  be  considered,  that  all  calculated  risk  potentials  are related to the average risk potential of the period between 1995 and 2005. This explains very high relative risk indices with values above 100 % in the first years of the reference period. In the years following the reference period (2006‐2008) a significant reduction of the overall risk indices can be evaluated for all three product groups (table 1). In the following sections the result will be depicted for each product group in detail. 

 

Table 1: Environmental risk reduction based on relative risk indices since the start of the National Action Plan. Indicated are the relative reduction oft the terrestrial (δRIter) and aquatic (δRIaqua) risk indices for herbicides, fungicides and insecticides. Bolds numbers indicate were the goal of the NAP already has been achieved. In brackets the relative risk indices are given (mean values of the reference period 1996‐2005 is equal to 100%). 

Herbicides Fungicides insecticides

terrestrial Aqautic terrestrial aqautic terrestrial aqautic

2006 -24% (76%) +9% (109%) -25% (75%) -20% (80%) -83% (17%) -34% (66%)

2007 -31% (69%) -29% (71%) -14% (86%) -9% (91%) -45% (55%) -77% (23%)

2008 -34% (66%) -32% (68%) -24% (76%) -17% (83%) -61% (39%) -44% (56%)

Trends for insecticides 

The risk trends for the single reference organisms (figure 3A) exhibit a strong fluctuation until the  year  2000  since  then  a  clear  reduction  of  the  risk  scores was  evaluated  for most  reference organisms until 2007.  In the  last evaluation year an  increase of the risk scores could be observed.  An exception to this general risk trend of the insecticides show the risk indices for the earthworm, which  increase  from 2006 to 2007 by 70 % and decreases again  in 2008 by 45 %.  In 2008 the risk indices  of  the  single  reference  organisms were  reduced  by  a maximum  of  76 %  for  bee  and  a minimum of 25 % for fish. 

The aggregated aquatic and terrestrial risk potentials show a similar trend (figure 3B), although the  fluctuation  of  the  single  reference  organisms was  smoothened  out  by  calculating  the mean values. In relation to average of the reference period a risk reduction of 44 % for the aquatic and of 61 %  for the terrestrial was reached  in 2008. Within the same time period the volume of the sold insecticides stayed on a relative constant level with alternations between 0.75 and 1.1 kt. Expressed in relative values this corresponds to a variation of 87 % to 126 %. 

Trends for fungicides 

In  case  of  the  fungicides  no  general  risk  trend  for  reference  organisms  could  be  identified (figure  3C).  The  trend  development  of  the  risk  for  the  different  reference  species  was  not convergent.  In the period from 1996 to 2005 the relative risk scores of algae were  increased from 66% to 142%.  In former analysis  it could be shown that this  increase was caused by a doubling of the sold volume of Spiroxamine from 0.24 to 0.43 kt (Gutsche and Strassemeyer 2007). On the other hand the risk for daphnia was decreased form 170 % to 42 % within the same period. The high risk values in 1996 can be partially explained with high sales of copper‐hydroxide, which has highly toxic for daphnia. The risk trend for fish stayed on a relative constant  level with risk  indices alternating from  121  %  to  81%  over  the  whole  observation  period.  Neglecting  the  risk  reduction  at  the 

 

 

beginning of the observation period (1996‐1998) a similar constant course of the risk trend could be evaluated for the bee ranging between 110 % and 77 % 

Insecticides A B

Fungicides C D

Herbicides E F

Figure 3: Relative risk trends for insecticides, fungicides and herbicides. All evaluated risk values were related to the average of a 10 year period (1996‐2006). The left side of the figure (A, C, E) illustrates the risk scores for the single reference species. The right side shows the terrestrial and aquatic risk trends together with the trend of the sold product volumes (B, D, F) 

 

 

By evaluating the aggregated  indices for the terrestrial and aquatic risk we obtain two almost parallel courses of the risk trend (figure 3D). In the first years of the reference period (1996‐1999) a reduction of  38 %  could be observed  for  the  terrestrial  and of  31 %  for  the  aquatic  risk.  This  is followed by a period with relative stable risk  indices  form 1999 to 2004. From 2004 to 2006 both risk indices deceased again by 20 % to reach the final relative indices of 76 % for terrestrial and 83 % for the aquatic risk. The risk reduction since 2004 was achieved despite the observed increase of the sold  volume  of  fungicides  form  8.176 kt  to  11.501 kt.  This  increment  of  sold  insecticides corresponds  to a  relative  increase of 30 %, whereas  the  terrestrial  risk deceased by 17 % and  the aquatic risk by 14 %. 

Trends for herbicides 

The risk induced by the application of herbicide continuously declined until the crop year 2006 for  the  reference species earthworm, algae and bee  (table 3E). After 2006  the  risk  for  these  tree species remained on a reduce level until 2008. A different trend was evaluated for daphnia and fish. Both species reveal an almost parallel trend course with a risk reduction until 1999, a phase of risk increase  from 1996 until 2006,  followed again by a  risk  reduction  to  reach  relative  risk  scores of 95 % (fish) and 74 % (daphnia) in 2008.  

The terrestrial risk follows the trend as described above for the species bee and earthworm. The aquatic risk  is driven by the two reference species daphnia and  fish and reveals two peaks of risk increase  in 2002 and 2006. The volume of  sold herbicides  increased  in  the  last  four year by 25% from 14.69 kt to 18.68 kt. Despite this increase in herbicide sales both risk indices dropped the end of the evaluation period in 2008 to values of 68 % for the aquatic and 66 % terrestrial organisms.  

Risk assessment on landscape level 

GIS based risk assessement for German orchard regions 

Plant protection in fruit growing is practised on a high level of intensity. In the years 2001, 2004 and 2007 extended field based surveys on pesticide use have been conducted  in all major orchard regions  in Germany  (Rossberg 2003, 2006 and 2008)  for  the main  fruits apple, pear,  cherry, and plums. These studies revealed average treatment frequency  indices ranging between 31.6 and 5.8 depending on the fruit and orchard region  

Applying  the GIS‐based  version  of  SYNOPS  the  surveyed  application  calendars were  used  to assess the terrestrial and aquatic risk potentials for these orchard regions on field level according to the methods described  above. The evaluation of  this  study will  focus on  the  aquatic  risk.  In  this section  all  results  were  calculated  assuming  that  fruit  growers  are  following  the  labelled  drift mitigation  requirements  like buffer  zone  requirements and drift  reducing equipment.  In  case  the application of a product requires a buffer zone of 20 meter, SYNOPS assumes a minimum distance of 20 meters to the next surface water, even if the orchard is directly adjacent to a ditch or creek. In the next section the  influence of the drift mitigation requirements on the aquatic risk potential  in the orchard regions is analysed. 

As an example of a regional risk analysis the results of the year 2007 are illustrated in figure 4 for  the  orchard  region  Lake  Constance  (Bodensee).  In  this  region  the  environmental  input parameters for 4540 orchards were available and merged with a set of 81 application calendars. The calculated  aquatic  risk  potentials  are  shown  as  single  field  values  in  figure  4a.  From  the  4540 orchards 193 orchards were above the negligible risk  level of ETR>1. The  level of negligible risk  is defined  as  ETR=1  since  below  this  level  the  no  effect  concentration  (NOEC)  is  larger  than  the predicted environmental concentration (PEC). 

The  field  based  risk  potentials  calculated with  SYNOPS were  in  the  next  step  aggregated  in space by calculating the 90th percentile or the fraction of orchard area above the level of negligible risk  (ETR=1)  in  relation  to  the  total  crop  area.  The  dimensions  of  the  spatial  extend  for  the 

 

 

aggregation  can  be  chosen  freely.  In  figure  4B  the  aquatic  risk  potentials  were  aggregated  on community level and the 90th percentile values are illustrated according to the categorisation in the legend.  In three communities the 90th percentile obtained values which were above the negligible risk level. This means that more than 10% of the orchards in these communities reach aquatic risk potentials above ETR=1. 

 

A

B

Figure4: Overview on GIS‐ related input data and risk analysis with SYNOPS. A) Field based aquatic risk indices calculated with SYNOPS‐GIS. B) Risk potentials have been aggregated on community level. Illustrate are the 90th percentiles of the aquatic risk potential. 

 

The  regional  risk assessment was  implemented  for  the 3 years  in which NEPTUN survey have been  conducted.  In  figure 5  the evaluations  for  the  three NEPTUN years are  summarised.  In  this case  the  statistical  valuation  has  been  accomplished  for  the  complete  orchard  region  of  Lake Constance. Figure 5A illustrates the 90th percentiles of the aquatic risk and figure 5B the fraction of orchard  area  above  the  negligible  risk  level.  The  aquatic  risk  is  defined  as  the maximum  of  the calculated  risk  potentials  of  the  three  aquatic  reference  organisms  (fish,  algae  and  daphnia).  In addition  to  the  aggregated  aquatic  risk  the  risk  values  of  the  three  reference  organisms  are presented in figure 5. Both, the 90th percentile of the aquatic risk and the fraction of the area with ETR>1 significantly declined within the period from 2001 to 2007. The 90th percentile of the aquatic risk was reduced by 61% and the fraction of the area with ETR>1 was reduced by 43 %. The largest 

 

 

risk  reduction could be observed  for daphnia, whereas  for algae an  increase of  the  risk potential could be observed in 2004. 

The regional evaluation of the aquatic risk calculated with SYNOPS‐GIS as demonstrated above, was conducted  for all main orchard  regions  in Germany. Because of  the  limited amount of space only  the summarised results of  the evaluation  for Germany are presented  in this publication. The aggregated aquatic risk potential was evaluated as the 90th percentile for each orchard region and for each year in which NEPTUN surveys have been conducted (table 2). The results are presented in figure 6, showing that for all regions a reduction of the aquatic risk was observed, ranging from 41 % in  the Mid‐German orchard region  (Mitteldeutsches Obstanbaugebiet) to 70 %  in  the Rhine valley (Rheinebene). In 2007 we evaluated in four regions a 90th percentile of the aquatic risk, which was below the negligible risk level. In one region (Mid‐German orchard region) the 90th percentile of the aquatic risk was just above this level with ETR =1.039  

 

Figure 5: Results of regional risk assessment with SYNOPS‐GIS for the orchard region Lake Constance (Bodensee). Assessments were accomplished for the years, in which field based surveys on pesticide use (NEPTUN) were available. Shown are A) the 90th percentile of the aquatic risk potentials and B) the fraction of agricultural area with ETR>1.  

 

 

Table 2: Results of regional risk assessment with SYNOPS‐GIS for the main orchard regions in Germany.  Listed are 90th percentiles of the aquatic risk potentials.  

orchard regions  2001  2004  2007 risk reduction in 2007 

related to 2001 Bodensee (Lake Constance)  0.790  0.539  0.304  61% Rheinebene (Rhine Valley)  2.711  2.124  0.806  70% Franken/Neckartal   0.916  0.833  0.392  57% Sachsen (Saxony)  0.803  0.635  0.279  65% Rheinhessen/Pfalz  1.189  0.606  0.357  70% Niederelbe   5.730  4.987  3.336  42% Brandenburg  4.153  3.924  1.419  66% mitteldeutschesObstanbaugebiet (Mid‐German orchard region) 

1.833  2.211  1.039  43% 

 

In two regions the calculated aquatic risk was clearly above the negligible risk level. The orchard region Niederelbe  is  characterised  by  its  high water  body  density.  In  this  region  the  portion  of 

 

 

orchards with a distance less than 10 meters to the next surface water reaches with 43 % more than twice the value which is observed in the other orchard regions (11% to 26%). This high water body density  is one explanation  for  the elevated aquatic  risk potentials.  In  the  region Brandenburg  the portion  of  orchards  directly  linked  to  surface water  is with  19.5% within  the  German  average. Special for this orchard region is that the directly linked surface waters are to 98% standing surface waters  (ditches and  lakes). To some extend  this explains  the higher aquatic  in  the orchard  region Brandenburg. A further reason could be the slightly elevated usage of copper products. 

 

Figure 6: Results of regional risk assessment with SYNOPS‐GIS for the main orchard regions in Germany.  Shown are 90th percentiles of the aquatic risk potentials for each region. 

 

Environmental impact of drift mitgation requirements 

The  calculated  aquatic  risk  potentials  presented  so  far were  based  on  the  assumption  of  a 100 % compliance of the labelled drift mitigation requirements like buffer zones and drift reducing equipment.  It  is  known  that  in  reality  this  is  not  always  the  case  (Plant  Protection  Controll Programme,  2008).  Therefore  we  preformed  a  second  regional  risk  assessment  for  all  orchard regions  assuming  a  complete  negligence  of  the  drift  mitigation  requirements  for  all  product applications. As expected the aquatic risk potentials of this risk assessment approach are strongly increased. In table 3 the 90th percentiles of the aquatic risk for the year 2007 are summarised for all orchards  regions  and  both  assumptions  100  %  compliance  and  100  %  negligence  of  the  drift mitigation requirements. In addition the relative  increase of the aquatic risk due the negligence of the drift requirements was calculated (table 3). 

The  risk  increase  caused  by  a  complete  negligence  of  the  drift  mitigation  varies  strongly between the regions. They range from lowest increases of 219% (Rheinebene) to elevations of up to 1785 %  (Brandenburg). The  two orchard  regions with higher aquatic  risk potentials  (Brandenburg and  Niederelbe)  show  the  largest  impact  due  to  a  complete  negligence  of  the  drift migration requirements.  For  the  other  orchard  regions  the  extent  of  impact  is  not  correlated  to  the  90th percentile of the aquatic risk potential calculated with compliance of drift mitigation requirements. For  example  in  Brandenburg where  a  relatively  high  aquatic  risk was  assessed  (ETR=1.419) we observe the smallest risk increase due to a complete negligence of the drift migration requirements (219 %).The average increase of the 90th percentile for all orchard regions in Germany amounts up to 647 %. 

 

 

These results clearly show the  importance of the compliance to drift mitigation requirements. By  combining  the  two  extreme  risk  assessment  approaches  of  100  %  compliance  and  100  % negligence it is possible to make more realistic assumptions on the percentage of farmers following the drift reduction requirements.  

 

Table  2:  Results  of  regional  risk  assessment with  SYNOPS‐GIS  for  the main  orchard  regions  in Germany. Listed are 90th percentiles of the aquatic risk potentials assuming 100 % compliance, 80 % compliance  and  100 %  negligence  of  the  drift mitigation  requirements  and  the  corresponding increases due to the negligence. 

orchard regions 100 % 

compliance80 % 

compliance 

Increase due to 20% negligence 

 100% 

negligence 

Increase  due to 100% negligence 

of drift mitigation requirements 

Bodensee (Lake Constance)  0.304  0.955  214%  2.304  658% Rheinebene (Rhine Valley)  0.806  1.361  69%  2.595  222% Franken 1  0.496  0.681  37%  2.135  331% Neckartal 1  0.272  0.333  22%  1.398  414% Sachsen (Saxony)  0.279  0.365  31%  1.958  603% Rheinhessen/Pfalz  0.393  1.168  197%  2.566  554% Rheinland 2  0.493  0.748  52%  2.416  390% Ahrweiler 2  0.202  0.233  15%  1.714  603% Niederelbe  3.522  24.379  592%  45.496  1192% Brandenburg  1.419  2.375  67%  26.750  1785% Mitteldeutsches Obstanbaugebiet (Mid‐German orchard region) 

1.079  1.560  45%  3.443  219% 1 orchard region separated compared to NEPTUN surveys in 2004 and 2001 2 additional orchard region compared to NEPTUN surveys in 2004 and 2001 

 

At  first  the  results  of  the  field  based  risk  assessment  approaches  assuming  a  complete negligence were distributed randomly according  to certain percentages of negligence  (5%, 10%...) and replaced the risk assessment results for which compliance of drift mitigation requirements was assumed. Then  the 90th percentiles of  the  aquatic  risk potential  are  recalculated  for each  region including  the  distributed  risk  potentials  with  neglected  drift  mitigation  requirements.  The recalculated 90th percentiles of the aquatic risk are plotted in figure 8 for an increasing percentage of  negligence  to  the  drift mitigation  requirements.  Since  the  two  orchard  regions  with  higher aquatic risk potentials (Brandenburg and Niederelbe) show the largest impact due to a negligence of the drift mitigation requirements they are plotted separately in figure 8B. 

In  case,  20 %  oft  the  fruit  growers  do  not  follow  the  drift mitigation  requirements we  can observe already an  increase of  the 90th percentile  for  the different orchard  regions  ranging  from 15 % (Ahrweiler) up to 592 % (Niederelbe, table 3).  

 

 

  

A

B

Figure 8: Results of regional risk assessment with SYNOPS‐GIS for the main orchard regions in Germany.  Shown are 90th percentiles of the aquatic risk potentials for each region assuming a deceasing compliance to drift mitigation requirements. 

Discussion and conclusions 

The  indicator model  SYNOPS  represents  a  tool which  can  be  applied  on  different  levels  of aggregation  using  the  same  functionalities  and  sub modules  for  trend  assessments  and  detailed regional  risk  analysis.  Besides  other  impact  indicators  (e.g  human  health)  or  state  and  response indicators, SYNOPS has been chosen to measure the progress in reaching the targets of the German National Action Plan (NAP) on the Sustainable Use of Plant Protection Products. This is achieved by applying the two approaches SYNOPS‐Trend to assure the tracing of national risk trends using sales data and SYNOPs‐GIS  for detailed  regional  risk assessment and hot spot detection using pesticide use data from field based surveys.  

Since the first risk reduction programme was launched in 2006 the environmental risk assessed with SYNOPS‐Trend was significantly reduced. Within the three considered years, a reduction of the terrestrial  (δRIter)  and  aquatic  risk  (δRIaqua)  according  to  the  goal  of  the  second  risk  reduction programme  named  NAP  (25 %  until  2020) was  already  assessed  for  herbicides  (δRIter=32%  and δRIaqua=34%) and insecticides (δRIter=61% and δRIaqua=44%) whereas the risk reduction for fungicides (δRIter=24% and δRIaqua=17%) was still below this goal. The observed environmental risk reductions were achieved despite an increase of the sold active ingredients in this period. 

These results indicate a promising progress in risk reduction and show that the measures taken within the National Action Plan to reduce the environmental risk are going into the right direction. For the future it has to be evaluated, if this trend remains.  

The  results  further  confirm  the decision  to  focuses on  risk  reduction within  then NAP  rather than setting specific quantity reduction targets. With the risk‐based approach, the use of a high‐risk plant protection product could be reduced without affecting the quantity of sold pesticides. 

The  results of  the GIS‐based  regional  risk assessment, applied as a  sample  study  to  the main German orchard regions, points into the same direction. They demonstrate a significant reduction of the aquatic risk since 2001. Depending on the orchard region, the extent of the risk reduction was ranging from 41% to 70%.  

 

 

The  reductions  evaluated with  GIS‐based  approach  are  in  a  similar  dimension  as  the  result achieved with SYNOPS‐Trend. Comparing  the  results  it has  to be  considered  though,  that  for  the GIS‐based  approach only one  reference  year  (2001) was  available  and not  a period of  10  years. Furthermore  only  pesticide  use  for  orchards  was  considered  with  the  GIS  based  approach.  To complete  the picture  similar environmental  risk analysis are  in preparation or have already been conducted  for hops,  vineyards  and  field  vegetables.  For  these  corps  also  successively  conducted field based surveys are available in Germany. 

Analysing the regional variation of the 90th percentiles of the aquatic risk, two regions could be identified which revealed higher aquatic risk potentials than the other regions. In these two regions the calculated aquatic risk was clearly above the negligible risk level. This could be to some extent explained with  a  higher water  body  density  or with  a  higher  potion  of  standing  surface waters directly linked to orchards. Such regions are candidates for the implementation of specific hot spot management which poses an important aspect of the National Action Plan.  

The application of SYNOPS‐GIS under  the assumption  that  to  certain percentage  the  labelled drift mitigation  requirements  are not  followed by  fruit  growers,  reveals high  increases of  region specific the 90th percentile of the aquatic risk. Already a realistic assumption of a 20% negligence of the  drift  mitigation  requirements  increases  the  aquatic  risk  ranging  from  15%  up  to  592 % depending on the orchard. This large variation is certainly to some extent caused by differences in the water body density of regions like Niederelbe but also by the variations in the spectrum of the used  products.  In  a  region where  a  large  portion  of  products  is  used with  high  drift mitigation requirements the impact of negligence will be larger than in regions where a small portion of such products  is  used. A  detailed  analysis  on  the  influence  and differences  in  the  product  and  active ingredient spectrum between the orchard regions will be conducted in future. 

Orchard  regions  with  a  high  impact  of  negligence  to  drift  mitigation  requirements  on  the aquatic  risk  should be  in  the  focus, when  specific measures on  control aspects are  implemented within the National Action Plan. 

Bibliography 

AdV.  (2002),  ATKIS  Amtliches  Topographisch  ‐  Kartographisches  Informationssystem, Objektartenkatalog  Basis‐DLM,  Arbeitsgemeinschaft  der  Vermessungsverwaltungen, http://www.atkis.de 

Agritox, (2008), www.dive.afssa.fr/agritox 

BGR  (1995),  Bodenübersichtskarte  der  Bundesrepublik  Deutschland  1:1.000.000  (BÜK  1000), http://www.bgr.bund.de/cln_092/nn_325378/DE/Themen/Boden/Produkte/Karten/ 

BKG  (2005), DGM‐Deutschland / Digitales Geländemodell   Bundesrepublik Deutschland   25 x 25, http://www.bkg.bund.de/ 

Bundesanzeiger (2005), Gute fachliche Praxis im Pflanzenschutz, Bundesanzeiger 57 and 58a 

Delbaere, B. u. A. Nieto Seradilla (2004), Environmental risks from agriculture in Europe: Locating environmental  risk zones  in Europe using agr‐environmemtal  indicators. Tilburg, 2004, ECNC‐European Centre for Nature Conservation, 184 p 

ENDURE  (2006),  Europen  Network  for  Durable  Exploitation  of  crop  protection  strategies  (FP6‐2005‐FOOD‐4‐A), http://www.endure‐network.eu. 

FAO  (2002), The FAO Code of Conduct on the Distribution and Use of Plant Protection Products, http://www.fao.org/agriculture/crops/core‐themes/theme/pests/pm/code/en/ 

 

 

Gutsche,  V.  und  Rossberg,  D.  (1997a):  SYNOPS  1.1:  a model  to  assess  and  to  compare    the environmental risk potential of active ingredients in plant products. Agriculture, Ecosystems & Environment 64., 1997, 181‐188 

Gutsche, V. und Rossberg, D. (1997b), Die Anwendung des Modells SYNOPS 1.2 zur synoptischen Bewertung  des  Risikopotentials  von  Pflanzenschutzmittelwirkstoffgruppen  für  den Naturhaushalt. Nachrichtenbl. Deut. Pflanzenschutzd. 49.(11), 1997, 173‐285 

Gutsche, V. und Rossberg, D.  (1999), A proposal  for  estimating  the quantity of pesticide  active ingredients  applied  by  crop  based  on  national  sales  data.  Report  of  the  OECD  Project  in Pesticide Aquatic Risk Indicators – Report of Phase 1, Annex 1, OECD, Paris, 1999, 44‐49. 

Gutsche, V.(2004), Pflanzenschutzindikatoren  in Deutschland, Tagungsbericht Nachhaltigkeit‐ und Agrarumweltindikatoren,  Bonn,  25.‐26.  März  2004,  Bundesministerium  f.  Ernährung  u. Landwirtschaft, S. 83‐99. 

Gutsche, V.(2004), Pflanzenschutzindikatoren  in Deutschland, Tagungsbericht Nachhaltigkeit‐ und Agrarumweltindikatoren,  Bonn,  25.‐26.  März  2004,  Bundesministerium  f.  Ernährung  u. Landwirtschaft, S. 83‐99. 

Gutsche,  V.,  Roßberg,  D.  (2000),  Bewertung  von  Pflanzenschutz  –  Strategien  mittels Risikoindikatoren. Mitt. Biol. Bundesanst. Land‐Forstwirtsch. 371 (2000), 68‐83. 

Gutsche,  V.,  Strassemeyer,  J.  (2007),  SYNOPS  ‐  ein  Modell  zur  Bewertung  des  Umwelt‐Risikopotentials  von  chemischen  Pflanzenschutzmitteln,  Institut  für  Folgenabschätzung  im Pflanzenschutz, Biologische Bundesanstalt für Land‐ und Forstwirtschaft. 

HAIR(2007), Final report, http://www.rivm.nl/rvs/risbeoor/Modellen/ Results_of_HAIR_project.jsp 

Luttik,  R.  (ed.)  (2004),  Report  of  the Workshop  on  Pesticide  Risk  Indicators  for Man  and  the Environment: Noordwijkerhout, The Netherlands, May 2004 

OECD  (1997), Report of  the 1st OECD Workshop on Pesticide Risk  Indicators: Copenhagen, April 1997 

OECD (2000), Report of the OECD Pesticide Aquatic Risk Indicator Expert Group. OECD Paris April 2000, 56 p 

OECD  (2009),  Strategic  Approach  in  Pesticide  Risk  Reduction.  OECD  Environment,  Health  and Safety Publications. Series on Pesticides No. 48 

PflSchG  (1986),  Gesetz  zum  Schutz  der  Kulturpflanzen  (Pflanzenschutzgesetz  ‐  PflSchG), http://www.gesetze‐im‐internet.de/bundesrecht/pflschg_1986/gesamt.pdf 

PflSchG (1998), Gesetz zum Schutz der Kulturpflanzen (Pflanzenschutzgesetz – PflSchG, Section 2a, http://www.gesetze‐im‐internet.de/pflschg_1986/__2a.html 

Plant Protection Controll Programme (2008), Annual report 2008, www.bvl.bund.de 

Reus, J., Leendertse, P., Bockstaller, C., Fomsgaard, I., Gutsche, V., Lewis, K., Nilson, C., Pussemeier, L.,  Trevisan, M.,  van  der Werf,  H.,  Alfarroba,  F.,  Blümel,  S.,  Isart,  J., McGrath,  D.,  Seppälä, T..(1999),  Comparing  Environmental  Risk  Indicators  for  Pesticides.  Results  of  the  European CAPER Project. Centre for Agriculture and Environment Utrecht, CLM 426, 1999, ISBN 90‐5634‐106‐5), 184 pp 

Reus, J., Leendertse, P., Bockstaller, C., Fomsgaard, I., Gutsche, V., Lewis, K., Nilson, C., Pussemeier, L., Trevisan, M., van der Werf, H., Alfarroba, F., Blümel, S.,  Isart,  J., McGrath, D., Seppälä, T. (2002):  Comparison  and  evaluation  of  eigth  pesticide    environmental  risk  indicators development  in  Europe  and  recommendations  for  future  use.  Agriculture  Ecosystems  & Environment 90, 177 ‐ 187. 

 

 

Rossberg, D.  (2003), NEPTUN  2001‐  Erhebung  von Daten  zum  tatsächlichen  Einsatz  chemischer Pflanzenschutzmittel    im  Obstbau,  im  Hopfen  und  in  Erdbeeren.  Reports  from  the  Federal Biological Research Centre for Agriculture and Forestry.  122 (2003), 64 S. 

Rossberg, D. (2006), NEPTUN 2004 – Survey  into application of chemical pesticides  in agricultural practice of fruit crops. Reports from the Federal Biological Research Centre for Agriculture and Forestry, 129 (2006), 29 S. 

Rossberg, D.  (2008), NEPTUN 2007 Obstbau. Reports  from  the  Julius Kühn‐Institute, 147  (2009), 29 S. 

Rossberg, D., H. Eckert,  and U. Gernand,  (2005),  Farm  assessment  regarding  the environmental sustainability. Part: quantitative assessment of the intensity of applications of plant protection products. Nachrichtenblatt des Deutschen Pflanzenschutzdienstes, 57(6), p. 121‐125