Agricultural landscapes, their biodiversity and impacts of pesticides

  • The loss of biodiversity is recognised on a global scale and also in the anthropogenic landscapes used for agriculture, now covering almost 50% of the global terrestrial land surface. In agriculture pesticides, biologically active chemicals are deliberately distributed to control pests, disease and weeds in the cropped areas. The quantification of remaining semi-naturals structures such as field margins and hedges is a prerequisite to understand the impact of pesticides on biodiversity, since these structures represent habitats for many organisms in agricultural landscapes. The presence of organisms in these habitats and crops is required to obtain an estimate of their potential pesticide exposure. In this text I provide studies on animal groups so far not addressed in risk assessment procedures for the regulation of pesticides such as amphibians, moths and bats. For all groups it becomes apparent that they are present in agricultural landscapes and potentially coincide with pesticide applications indicating a risk. Risk quantification also requires data on the sensitivity of organisms and here data for plants, amphibians and bees are presented. Effects translating to community level were studied for herbicide, insecticide and fertiliser effects in a natural system. After three years the treatments resulted in simplified plant communities with lower species numbers and a reduction in flowering plants. This reduction of flowers is used as an example for an indirect effect and was especially obvious for the effect of an herbicide on the common buttercup. Sublethal herbicide effects for a plant translated in an impact on feeding caterpillars, indicating a reduction in food quality. Insecticide inputs realistic for field margins also reduced moth pollination of white champion flowers by 30%. These indirect effects by distortions of food web characteristics are playing a critical role to understand declines in organism groups, however so far are not accounted for in pesticide risk assessment schemes. The current intense use of pesticides in agriculture and their inherent toxicity may lead to a chemical landscape fragmentation, where populations may not be connected anymore. Source-sink dynamics are important ecological processes and as a final result not only population size but also genetic population structure might be affected. Including potential pesticide impacts as costs in a model for amphibians migrating to breeding ponds in vineyards in Rhineland-Palatinate indicated the isolation of investigated populations. A first validation by analyzing the population structure of the European common frog confirmed the model prediction for some sites. For the regulation of pesticides in Europe a risk assessment is required and for the organisms of the terrestrial habitat a multitude of guidance documents is in place or is recently developed or improved. The results of the presented research indicate that wild plants and especially their reproductive flower stage are highly sensitive and risks are underestimated. Population recovery of arthropods needs a reevaluation at landscape scale and the addition of amphibian risk assessment in regulation procedures is suggested. However, developing or adopting risk assessment procedures and test systems is a time consuming task and therefore the establishment of risk management options is a pragmatic alternative with immediate effects. Artificial wetlands in the agricultural landscape proved to be important foraging sites for bats and their creation could mitigate negative pesticide effects. The integration of direct and indirect effects in a risk assessment scheme for all organism groups addressing also landscape scale and pesticide mixtures requires a long developing time. The establishment of model landscapes where management options and integrated pest management are applied on a larger scale would allow us to study pesticide effects in a realistic scenario and to develop an approach for the agriculture of the future.
  • Der Verlust der Biodiversität wird sowohl auf einer globalen Skala als auch für die anthropogen geformten Landschaften, die heute fast 50% der terrestrischen Landfläche ausmachen, festgestellt. Auf den landwirtschaftlichen Anbauflächen werden Pestizide, biologisch aktive Chemikalien, ausgebracht um Schädlinge, Krankheiten und Unkräuter zu kontrollieren. Um die Auswirkung der Pestizide auf die Biodiversität zu verstehen ist die Quantifizierung der verbliebenen semi-natürlichen Strukturen wie Feldsäume und Hecken, die Organismen in Agrarlandschaften als Habitat dienen, eine Voraussetzung. Für eine Abschätzung ihrer potentiellen Pestizidexposition ist zudem die Anwesenheit der Organismen in diesen Habitaten und in den Feldkulturen notwendig. Im vorliegenden Text stelle ich Studien für Tiergruppen wie Amphibien, Fledermäuse und Motten vor, die bisher nicht in der Risikobewertung für Pestizide berücksichtigt worden sind. Für alle Gruppen wurde dargelegt, dass sie sowohl in der Agrarlandschaft leben als auch potentiell mit Pestiziden in Kontakt kommen und daher ein Risiko angezeigt ist. Für die Risikobetrachtung sind auch Informationen zur Empfindlichkeit der Organismen notwendig und hier werden neue Daten für Pflanzen, Amphibien und Bienen vorgestellt. Effekte die bis auf die Gemeinschaftsebene wirksam waren, wurden für die Auswirkungen von Herbizid, Insektizid und Dünger in einem natürlichen System betrachtet. Das Ergebnis nach drei Behandlungsjahren waren vereinfachte Pflanzengemeinschaften mit geringerer Artenzahl und einer reduzierten Anzahl von Blütenpflanzen. Die Abnahme an Blüten stellt ein Beispiel eines indirekten Effekts dar und war für die Effekte eines Herbizids auf den scharfen Hahnenfuß besonders auffällig. Subletale Herbizideffekte für Pflanzen hatten einen Einfluss auf daran fressende Raupen was durch eine Verminderung der Nahrungsqualität erklärbar ist. Für Feldsäume realistische Insektizidmengen reduzierten die Bestäubung der weißen Lichtnelke durch Motten um 30%. Diese indirekten Effekte durch Veränderungen im Nahrungsnetz spielen eine kritische Rolle für das Verständnis des Rückgangs von verschiedenen Organismengruppen, allerdings werden sie bisher nicht in die Risikobewertung von Pestiziden mit einbezogen. Der aktuelle intensive Pestizideinsatz in der Landwirtschaft und ihre hohe Toxizität könnten zu einer chemisch fragmentierten Landschaft führen in der Population nicht mehr verbunden sind und damit deren Größe und genetische Struktur beeinflussen. Die Modellierung von möglichen Pestizideffekten als Kosten für die Anwanderung von Amphibien zu Fortpflanzungsgewässern in Weinbergen in Rheinland-Pfalz zeigte die Isolation der untersuchten Populationen an. Eine erste Validierung für den Grasfrosch bestätigte die Modellvorhersagen für einige Populationen. Für den terrestrischen Bereich der Risiko-bewertung ist eine Vielzahl von Richtlinien vorhanden oder wird aktuell entwickelt oder verbessert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass vor allem die reproduktiven Blütenstadien von Pflanzen sehr empfindlich sind und ihr Risiko unterschätz ist. Die Erholung von Arthropodenpopulationen nach Pestizideffekten muss auf Landschafts-ebene neu bemessen werden und eine Risikobewertung für Amphibien für die Zulassung wird vorgeschlagen. Die Etablierung und Anpassung von Risikobewertungssystemen ist allerdings ein zeitaufwändiger Prozess und daher stellt die Entwicklung von Risikomanagementmaßnahmen eine pragmatische Alternative mit unmittelbaren Auswirkungen dar. Künstliche Gewässer der Agrarlandschaft sind wichtige Nahrungsgebiete für Fledermäuse und ihre Anlage würde negative Auswirkungen des Pestizideinsatzes abschwächen. Die Einbindung von direkten und indirekten Effekten für alle Organismengruppen in eine Risikobewertung in der auch der Landschaftsmaßstab und Pestizidmischungen betrachtet werden wird viel Entwicklungszeit benötigen. Die Etablierung von Modellandschaften in der Managementmaßnahmen und integrierter Pflanzenschutz auf größerer Skala angewendet werden, würde es uns jedoch erlauben die Auswirkungen von Pestiziden in einem realistischen Szenario zu untersuchen und Ansätze für die Landwirtschaft der Zukunft zu entwickeln.

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Metadaten
Author:Carsten Brühl
URN:urn:nbn:de:kola-19677
Referee:Ralf Schulz
Document Type:Habilitation
Language:English
Date of completion:2017/11/02
Date of publication:2019/10/11
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2019/03/01
Release Date:2019/10/11
Tag:Agrarlandschaft; Biodiversität; Pestizid
agriculture; biodiversity; pesticide; regulation; risk assessment
Number of pages:93, A59
Institutes:Fachbereich 7 / Institut für Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
BKL-Classification:43 Umweltforschung, Umweltschutz / 43.13 Umwelttoxikologie
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