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Flowering habitats to enhance biodiversity and pest control services in agricultural landscapes

  • Meeting growing demands for agricultural products requires management solutions that enhance food production, whilst minimizing negative environmental impacts. Conventional agricultural intensification jeopardizes farmland biodiversity and associated ecosystem services through excessive anthropogenic inputs and landscape simplification. Agri-environment schemes (AES) are commonly implemented to mitigate the adverse effects of conventional intensification on biodiversity. However the moderate success of such schemes thus far would strongly benefit from more explicit goals regarding ecosystem service provisioning. Providing key resources to beneficial organisms may improve their abundance, fitness, diversity and the ecosystem services they provide. With targeted habitat management, AES may synergistically enhance biodiversity and agricultural production and thus contribute to ecological intensification. We demonstrate that sown perennial wildflower strips, as implemented in current AES focusing on biodiversity conservation also benefit biological pest control in nearby crops (Chapter 2). Comparing winter wheat fields adjacent to wildflower strips with fields without wildflower strips we found strongly reduced cereal leaf beetle (Oulema sp.) density and plant damage near wildflower strips. In addition, winter wheat yield was 10 % higher when fields adjoined wildflower strips. This confirms previous assumptions that wildflower strips, known for positive effects on farmland biodiversity, can also enhance ecosystem services such as pest control and the positive correlation of yield with flower abundance and diversity suggests that floral resources are key. Refining sown flower strips for enhanced service provision requires mechanistic understanding of how organisms benefit from floral resources. In climate chamber experiments investigating the impact of single and multiple flowering plant species on fitness components of three key arthropod natural enemies of aphids, we demonstrate that different natural enemies benefit differently from the offered resources (Chapter 3). Some flower species were hereby more valuable to natural enemies than others overall. Additionally, the mixture with all flowers generally performed better than monocultures, yet with no transgressive overyielding. By explicitly tailoring flower strips to the requirements of key natural enemies of crop pests we aimed to maximise natural enemy mediated pest control in winter wheat (Chapter 4)and potato (Chapter 5) crops. Respecting the manifold requirements of diverse natural enemies but not pests, in terms of temporal and spatial provisioning of floral, extra floral and structural resources, we designed targeted annual flower strips that can be included in crop rotation to support key arthropods at the place and time they are needed. Indeed, field experiments revealed that cereal leaf beetle density and plant damage in winter wheat can be reduced by 40 % to 61 % and aphid densities in potatoes even by 77 %, if a targeted flower strip is sown into the field. These effects were not restricted to the vicinity of flower strips and, in contrast to fields without flower strip, often prevented action thresholds from being reached. This suggests that targeted flower strips could replace insecticides. All adult natural enemies were enhanced inside targeted flower strips when compared to control strips. Yet, spillover to the field was restricted to key natural enemies such as ground beetles (winter wheat), hoverflies (potato) and lacewings (winter wheat and potato), suggesting their dominant role in biological control. In potatoes, targeted flower strips also enhanced hoverfly species richness in strips and crop, highlighting their additional benefits for diversity. The present results provide more insights into the mechanisms underlying conservation biological control and highlight the potential of tailored habitat management for ecological intensification.
  • Die wachsende Nachfrage nach landwirtschaftlichen Produkten benötigt Bewirtschaftungslösungen, die die Lebensmittelproduktion unter minimaler Beeinträchtigung der Umwelt steigern. Durch den übermässigen Einsatz künstlicher Hilfsstoffe und die Landschaftsvereinfachung gefährdet die konventionelle landwirtschaftliche Intensivierung die Biodiversität und die damit verknüpften Ökosystemleistungen im landwirtschaftlichen Raum. Agrarumweltmassnahmen (AES) werden häufig eingesetzt, um die negativen Auswirkungen konventioneller Intensivierung auf die Biodiversität zu mildern. Ihr bisher nur moderater Erfolg könnte jedoch von expliziteren Zielen bezüglich Ökosystemleistungen profitieren. Das Bereitstellen von Schlüsselressourcen für Nützlinge dürfte deren Häufigkeit, Fitness und Diversität, sowie die durch sie bereitgestellten Ökosystemleistungen begünstigen. Durch gezieltes Lebensraummanagement könnten AES sowohl die Biodiversität als auch die landwirtschaftliche Produktion fördern und so zu einer ökologischen Intensivierung beitragen. Wir zeigen, dass gesäte mehrjährige Wildblumenstreifen, wie sie gegenwärtig in AES mit Fokus auf Biodiversitätsförderung umgesetzt werden, auch die biologische Kontrolle in benachbarten Kulturen fördern (Kapitel 2). Der Vergleich von Winterweizenfeldern mit angrenzendem Wildblumenstreifen, mit Feldern ohne Wildblumenstreifen, zeigte stark reduzierte Getreidehähnchendichten (Oulema sp.) und Pflanzenschaden nahe Wildblumenstreifen, sowie ein um 10 % gesteigerter Ertrag. Dies bestätigt Annahmen, wonach, für ihre positiven Auswirkungen auf die Biodiversität bekannte Wildblumenstreifen, auch Ökosystemleistung-en, wie biologische Schädlingskontrolle fördern können. Die positive Korrelation des Ertrags mit Blütenabundanz und –diversität weist auf Blütenressourcen als Schlüsselfaktor hin. Um gesäte Blühstreifen für die verstärkte Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu verbessern, benötigt es ein mechanistisches Verständnis davon, wie Organismen von Blütenressourcen profitieren. In Klimakabinenversuchen, die den Einfluss von einzelnen und mehreren blühenden Pflanzenarten auf Fitnesskomponenten von drei grundlegenden natürlichen Feind-Arthropoden von Blattläusen untersuchten, zeigen wir, dass natürliche Feinde unterschiedlich von den angebotenen Ressourcen profitieren (Kapitel 3). Einige Blühpflanzenarten waren dabei im Allgemeinen wertvoller für natürliche Feinde als andere. Die Mischung aller Blütenpflanzen war zudem generell besser als Monokulturen, jedoch nicht besser als die jeweils beste Art in der Mischung (kein „transgressive overyielding“). Durch gezieltes Massschneidern von Blühstreifen auf die Bedürfnisse von wichtigen natürlichen Feinden von Kulturschädlingen, versuchten wir, die durch natürliche Feinde vermittelte biologische Schädlingskontrolle in Winterweizen (Kapitel 4) und Kartoffelkulturen (Kapitel 5) zu maximieren. Unter Berücksichtigung der vielseitigen Ansprüchen von diversen natürlichen Feinden - aber nicht Schädlingen - bezüglich zeitlicher und räumlicher Bereitstellung von floralen, extrafloralen und strukturellen Ressourcen, konzipierten wir einjährige Nützlingsblühstreifen, die durch Einbau in die Kulturfolge wichtige Arthropoden an Ort und Zeit unterstützen, an denen sie benötigt werden. Tatsächlich zeigten Feldexperimente, dass Getreidehähnchen und Pflanzenschaden in Winterweizen um 40 % bis 61 % gesenkt werden können und Blattläuse in Kartoffelkulturen sogar um 77 %, wenn ein Nützlingsblühstreifen ins Feld gesät wurde. Diese Effekte waren nicht auf die Nähe zum Blühstreifen beschränkt und verhinderten oft, dass im Vergleich zu Feldern ohne Blühstreifen die Schadschwelle erreicht wurde. Dies zeigt, dass Nützlingsblühstreifen Insektizide ersetzen könnten. Alle adulten natürlichen Feinde waren innerhalb der Nützlingsblühstreifen zahlreicher als innerhalb von Kontrollstreifen. Der Überlauf (spillover) von Nützlingen ins Feld war jedoch auf wichtige natürliche Feinde, wie Laufkäfer (Winterweizen), Schwebfliegen (Kartoffeln) und Florfliegen (Win-terweizen und Kartoffeln) beschränkt, was deren dominante Rolle für die biologische Schäd-lingskontrolle nahelegt. In Kartoffeln erhöhten Nützlingsblühstreifen auch die Artenzahl Schwebfliegen in Streifen und Feld, was einen zusätzlichen Nutzen für die Diversität heraushebt. Die vorliegenden Resultate liefern Einblicke in die Mechanismen, die der biologischen Schädlingskontrolle durch Nützlingsförderung (conservation biological control) unterliegen und heben das Potential von massgeschneidertem Lebensraum-Management für eine ökologische Intensivierung hervor.

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Metadaten
Author:Matthias Tschumi
URN:urn:nbn:de:kola-10326
Referee:Martin Entling
Advisor:Martin Entling, Matthias Albrecht, Tim Diekötter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2015/11/04
Date of publication:2015/11/04
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2015/09/24
Release Date:2015/11/04
Number of pages:(116 S.)
Institutes:Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 577 Ökologie
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