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Assessing the effects of pesticides and fertilizers on a natural plant community of a field margin: An experimental field study

  • Field margins are often the only remaining habitats of various wild plant species in agricultural landscapes. However, due to their proximity to agricultural fields, the vegetation of field margins can be affected by agrochemicals applied to the crop fields. The aim of this thesis was to investigate the individual and combined effects of herbicide, insecticide and fertilizer inputs on the plant community of a field margin. Therefore, a 3-year field experiment with a randomized block design including seven treatments (H: herbicide, I: insecticide, F: fertilizer, H+I, F+I, F+H and F+H+I) and one control was conducted on a low-production meadow. Each treatment was replicated 8 times in 8 m x 8 m plots with a distance of 2 m between each plot. The fertilizer rates (25 % of the field rate) and pesticide rates (30 % of the field rate) used for the plot applications were consistent with realistic average input rates (overspray + drift) in the first meter of a field margin directly adjacent to a wheat field. The study revealed that fertilizer and herbicide misplacements in field margins are major factors that affect the natural plant communities of these habitats. In total, 20 of the 26 abundant species on the study site were significantly affected by the fertilizer and herbicide treatment. The fertilizer promoted plants with high nutrient uptake and decreased the frequencies of small species. The herbicide caused a nearly complete disappearance of three species directly after the first application, whereas sublethal effects (e.g., phytotoxic effects and reduced seed productions of up to 100 %) were observed for the other affected species. However, if field margins are exposed to repeated agrochemical applications over several years, then such sublethal effects (particularly reproduction effects) also reduce the population size of plant species significantly, as observed in this study. Significant herbicide-fertilizer interaction effects were also detected and could not be extrapolated from individual effects. The fertilizer and herbicide effects became stronger over time, leading to shifts in plant community compositions after three years and to a 15 % lower species diversity than in the control. The insecticide significantly affected the frequencies of two plant species (1 positively and 1 negatively). The results of the experiment suggest that a continuous annual agrochemical application on the study site would cause further plant community shifts and would likely lead to the disappearance of certain affected plants. A clear trend of increasing grass dominance at the expense of flowering herbs was detected. This finding corresponds well with monitoring data from field margins near the study site. Although herbicide risk assessment aims to protect non-target plants in off-field habitats from adverse effects, reproduction effects and combined effects are currently not considered. Furthermore, no regulations for fertilizer applications next to field margins exist and thus, fertilizer misplacements in field margins are likely to occur and to interact with herbicide effects. Adaptations of the current risk assessment, a development of risk mitigation measures (e.g., in-field buffers) for the application of herbicides and fertilizers, and general management measures for field margins are needed to restore and conserve plant diversity in field margins in agricultural landscapes.
  • Feldsäume gehören zu den letzten verbliebenen Lebensräumen für Wildpflanzenarten in der Agrarlandschaft. Aufgrund ihrer unmittelbaren Nähe zu den bewirtschafteten Flächen kann jedoch ihre Vegetation durch den Eintrag von Agrarchemikalien beeinträchtigt werden. Das Ziel dieser Arbeit war es die Einzel-, und Kombinationseffekte von Herbizid-, Insektizid- und Düngereinträgen auf die Pflanzengemeinschaft eines Feldsaums zu untersuchen. Es wurde ein 3-jähriges Freilandexperiment mit einem randomisierten Blockdesign, bestehend aus 7 Behandlungen (H: Herbizid, I: Insektizid, D: Dünger, H+I, D+I, D+H, D+H+I) und einer Kontrolle mit jeweils 8 Replikaten (= Parzellen), auf einer Wiese durchgeführt. Die Parzellen hatten je eine Größe von 8 m × 8 m und waren durch 2 m breite Wege voneinander getrennt. Die für die Behandlung der Parzellen verwendeten Dünger- (25 % der Feldrate) und Pestizidraten (30 % der Feldrate) entsprachen realistischen Eintragsraten (Überspritzung + Abdrift) in den ersten Meter eines Feldsaums in Nachbarschaft zu einem Getreidefeld. Die Studie zeigte, dass Dünger- und Herbizideinträge wesentliche Faktoren darstellen, welche die natürliche Pflanzengemeinschaft in Feldsäumen beeinflussen. 20 der 26 häufigsten auf der Wiese vorkommenden Arten zeigten signifikante Effekte durch die Dünger- und Herbizidbehandlung. Die Düngung förderte stickstoffliebende Pflanzenarten und reduzierte das Vorkommen von kleinwüchsigen Arten. Durch das Herbizid wurden drei Pflanzenarten bereits im ersten Jahr fast vollkommen verdrängt, während andere Arten hauptsächlich subletale Effekte (z.B. phytotoxische Effekte, eine bis zu 100 % reduzierte Samenproduktion) vorwiesen. Werden Feldsäume allerdings über mehrere Jahre Agrarchemikalien ausgesetzt, führen auch diese subletalen Effekte (insbesondere Effekte auf die Reproduktion) zu einer Reduzierung der Populationsgröße, wie in dem Feldversuch beobachtet werden konnte. Die Kombinationsbehandlung von Dünger und Herbizid führte zu signifikanten Interaktionseffekten, welche sich nicht von den Effekten der Einzelbehandlungen extrapolieren ließen. Die Dünger- und Herbizideffekte intensivierten sich über den Untersuchungszeitraum, führten nach 3-jähriger Anwendung zu einer Veränderung in der Pflanzengemeinschaft, und reduzierten die Pflanzendiversität um 15 % im Vergleich zur Kontrolle. Das Insektizid wirkte sich signifikant auf das Vorkommen von zwei Pflanzenarten aus (1 positiver, 1 negativer Effekt). Die Ergebnisse des Feldversuchs lassen darauf schließen, dass eine fortführende Behandlung zu weiteren Gemeinschaftsveränderungen und wahrscheinlich auch zum Verschwinden bestimmter Pflanzenarten führen würde. Es war eine Tendenz zur Ausbildung von Gras-Dominanzbeständen zu erkennen, welche einen Verlust von Blütenpflanzen mit sich brachte. Dies konnte auch in eigenen Monitoringstudien in Feldsäumen beobachtet werden. Zwar zielt die Risikobewertung von Herbiziden darauf ab Nichtziel-Pflanzen in Habitaten außerhalb des bewirtschafteten Feldes vor nachteiligen Auswirkungen zu schützen, Reproduktionseffekte und Kombinationseffekte werden bisher jedoch nicht berücksichtigt. Zudem gibt es keine Regelungen zur Düngeranwendung in Nachbarschaft zu Feldsäumen, weshalb Düngereinträge in Feldsäume und deren Interaktion mit Herbizideffekten sehr wahrscheinlich sind. Anpassungen der derzeitigen Risikobewertung, eine Entwicklung von Risikominderungsstrategien für die Herbizid- und Düngerapplikation, sowie generelle Managementmaßnahmen für Feldsäume sind daher dringend notwendig, um die Pflanzendiversität in Feldsäumen zu erhöhen und zu schützen.

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Metadaten
Author:Juliane Schmitz
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-10516
Referee:Carsten Brühl, Ralf Schulz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2014/11/04
Date of publication:2014/11/04
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Date of final exam:2014/09/30
Release Date:2014/11/04
Tag:Feldsaum; Nicht-Ziel-Pflanzen; Reproduktion; Risikobewertung
field margin; non-target plants; off-field habitats; reproduction; risk assessment
GND Keyword:Düngemittel; Landwirtschaft; Pflanzen; Pflanzenschutzmittel
Number of pages:II, 123 Seiten
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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