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Plant-insect interactions in changing environments

dc.contributor.advisorTscharntke, Teja Prof. Dr.de
dc.contributor.authorGladbach, David Joachimde
dc.date.accessioned2010-08-18T14:39:55Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T10:11:11Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:17Zde
dc.date.issued2010-08-18de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B05E-7de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-1750
dc.description.abstractInteraktionen zwischen Pflanzen und Insekten sind für die Struktur und Funktion von terrestrischen Ökosystemen wichtig. Deshalb können Gleichgewichtsverschiebungen innerhalb dieser Interaktionen, oder deren Wegfallen aufgrund von anthropogen induzierten Umweltveränderungen weitreichende Konsequenzen sowohl in landwirtschaftlich bewirtschafteten als auch natürlichen Ökosystemen haben. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff Umweltveränderung auf drei Aspekte: (1) Auf der Landschaftsskala verringern sich strukturelle Komplexität und Habitatdiversität mit fortschreitender Expansion der Agrarlandschaft. (2) Intensive Nutzung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln führt auf der Habitatebene oft zu Biodiversitätsverlusten und verändert hier die Umweltbedingungen für Insekten. (3) Klimawandel verändert sowohl abiotische (z.B. Temperatur, CO2 Konzentration der Luft, relativer Luftfeuchtigkeit) als auch biotische (z.B. N-Gehalt und sekundäre Abwehrmetabolite von Pflanzen) Bedingungen für Insekten. Um Vorraussagen über die Funktion ökologisch wichtiger Prozesse in künftigen Ökosystemen treffen zu können werden mechanistische Studien benötigt, in denen untersucht wird wie trophische Interaktionen auf veränderte Umweltweinflüsse reagieren. Diese Arbeit besteht aus drei Teilprojekten in denen Pflanze-Insekt Interaktionen in Hinblick auf die oben genannten Umweltveränderungen untersucht werden. (1) In acht Landschaftssektoren der Göttinger Umgebung untersuchten wir den Einfluss von Landschaftskomposition und -struktur auf Spillover von Rapsglanzkäfern (Meligethes aeneus) und ihren Parasitoiden aus Rapsfeldern auf Phytometer (Ackersenf, Sinapis arvensis). Hierzu wurde die Besiedlung der Phytometer in Habitaten der Agrarlandschaft (Weizenfelder, Ackerrand) und bewirtschaftungsschwachen Habitaten (Weide, Brache, Waldrand) gemessen. Parasitierungsraten waren unabhängig von der Landschaftsstruktur, aber stiegen mit dem Anteil von Rapsfeldern in der Landschaft an. Im Gegensatz dazu profitierten Rapsglanzkäfer von strukturarmen Landschaften. Die Kombination von großen Ackerflächen und Fruchtfolgen, die wiederholt Rapsanbau vorsehen begünstigen vermutlich die Ausbildung von Langzeitpopulationsmustern. Wir konnten zeigen, dass der Spillover von Parasitoiden aus Raps trophische Interaktionen auf Wildpflanzen in anderen Habitaten beeinflusste. Dieser Nachweis gelang erstmals in der vorliegenden Studie, obwohl angenommen werden kann, dass dieser Mechanismus weitverbreitet ist und so Nahrungsnetze in seminaturalen Habitaten verändern kann. (2) In einem faktoriellen Split-Plot Experiment wurden Temperaturerhöhungseffekte (passive Erwärmung mit Schilden aus Gewächshausfolie) in gedüngten und ungedüngten Weizen Mono- und Mischkulturen (mit Wildpflanzenuntersaat) untersucht (8 Treatments, 6 Replikate, N = 48 Plots). Blattlauszahlen und die der natürlichen Fressfeinde wurden erhoben und in Bezug auf den Weizenertrag ausgewertet. Düngung führte sowohl zu gesteigertem Weizenertrag, als auch zu höheren Blattlausdichten, die wiederum einen negativen Effekt auf den Ertrag hatten. Räuber-Beute Verhältnisse waren, bedingt durch ein geringeres Wachstum der Blattlauspopulationen, in Mischkulturen am höchsten. Durch die Temperaturerhöhung wurde vor allem in gedüngten Monokulturen das Blattlauspopulationswachstum verstärkt und führte dort zu einem Ertragsrückgang. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Diversifizierung und verminderte Düngung von Weizenkulturen vor dem Hintergrund des Klimawandels eine wichtige Rolle in der Schädlingsbekämpfung spielen können. (3) Als zentrale Faktoren des Klimawandels wurden CO2, Temperatur und Trockenheit in einem von Calluna vulgaris dominierten Heide- / Graslandsystem manipuliert. Das Experiment wurde als Split-Plot mit N = 48 Plots angelegt (6 Blöcke x 2 CO2 Treatments x 4 Temperatur/ Trockenheits Treatments). Insgesamt wurden in diesem System 432 Larven (N = 9 pro Plot) des Heideblattkäfers (Lochmaea suturalis) für 5 Wochen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen beobachtet (jeweils aktuelle und erhöhte Bedingungen von CO2, Temperatur und Trockenheit inklusive aller Kombinationen). Generell zeigen die Ergebnisse dass i) Trockenheit den stärksten Effekt auf herbivore Insekten hatte, ii) Klimafaktoren sich in ihrer Wirkungsweise gegenseitig beeinflussen können, iii) der Klimawandel herbivore Insekten negativ beeinflussen kann. In dieser Studienfolge wurde gezeigt, dass Umweltveränderungen zu Gleichgewichtsverschiebungen trophischer Interaktionen führen können. Während die Effekte von Landschafts- und Habitatmanagement artspezifisch waren, wirkten klimatische Veränderungen vor allem auf Insekten mit kurzen Generationszyklen. Unter der Prämisse, dass die von uns beobachteten Effekte des Habitatmanagements unter erwärmten Klimabedingungen, auf die Landschaftsebene extrapoliert werden können, bietet sich mit der Diversifikation der Landschaftstruktur eine Möglichkeit im prognostizierten Klimawandel einen regulierenden Einfluss auf Insektenpopulationen auszuüben. Generell lässt sich schließen, dass die Artspezifität der beobachteten Reaktionen auf experimentell veränderte Umweltparameter die Komplexität unterstreicht, mit der zukünftige Umweltveränderungen Ökosysteme verändern.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titlePlant-insect interactions in changing environmentsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedPflanze-Insekt Interaktionen unter dem Einfluß von Umweltveränderungende
dc.contributor.refereeTscharntke, Teja Prof. Dr.de
dc.date.examination2010-07-06de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaftende
dc.subject.dnbBiologiede
dc.description.abstractengPlant-insect interactions are essential to structure and functioning of terrestrial ecosystems. Shifts within interactions, or their removal from ecosystems due to human caused environmental changes, can have far-reaching consequences for agroecosystems and near-natural systems. Environmental change in this context has three aspects: (1) The expansion of agricultural land decreases structural complexity and habitat diversity on a landscape level. (2) Agricultural intensification due to the application of fertilizers and pesticides often reduces biodiversity within habitats and alters local conditions for insects. (3) Climate change modifies abiotic (e.g. temperature, CO2 concentration, relative air humidity) and biotic (e.g. concentration of defensive metabolites in plants, nutritional value of plants) conditions for insects on different levels. Predictions about the quality of future ecosystem functions require mechanistic studies of how trophic interactions respond to environmental changes. This thesis comprises three studies approaching the mentioned aspects of change: (1) In eight landscapes sectors in the vicinity of Göttingen we investigated how landscape composition affects spillover of rape pollen beetles and their parasitoids from oilseed rape fields on wild mustard phytometer plants in cropland habitats (wheat fields and field margin) and noncrop habitats (fallow, grassland, wood margin). Parasitism rates were not related to landscape simplification, but benefited from increasing proportions of oilseed rape. In contrast, rape pollen beetles benefited from simple landscape structure, presumably due to multi-annual population buildup resulting from long-term oilseed rape planting (as part of the crop rotation). We showed that parasitoid spillover from cropland affects trophic cascades on related wild plants outside cropland, which has been not shown so far, but can be expected to be a widespread effect shaping noncrop food webs. (2) We tested effects of elevated temperature (using shields for passive warming) in fertilized vs. unfertilized wheat and wheat monocultures vs. wheat diversified with undersowings in a full factorial split-plot (8 treatments, 6 replicates, n = 48 plots). We measured number of cereal aphids and their natural enemies in relation to yield of wheat plants. Fertilization increased yield, but also aphid density, which negatively affected yield. Predator-prey ratios were highest in diversified wheat and related to reduced aphid population growth. Elevated temperature enhanced aphid growth strongest in fertilized monocultures, leading to reduced yield. Our results show that diversified crops and reduced fertilization may become an important tool to prevent pest outbreaks in future warmer climates.(3) We independently manipulated three climate change drivers (CO2, temperature, drought) in a Danish heathland ecosystem dominated by heather (Calluna vulgaris) and grasses. The experiment was a full factorial split-plot with 6 blocks × 2 CO2 treatments × 4 warming/drought treatments = 48 plots. We exposed a total of 432 (N = 9 per plot) larvae of heather beetle (Lochmaea suturalis THOMSON) to ambient vs. elevated drought, temperature and CO2 (plus all combinations) for five weeks. Overall, this study shows i) that drought was the most important factor for insect herbivores, ii) how the effect of climate change drivers depend on other co-acting factors, iii) that insect herbivore populations may respond negatively to future climate. In this experimental series we showed clear shifts within trophic interactions as a result of environmental changes. While effects of landscape and local management varied with specialisation of organisms, climate change (i.e. temperature) benefited insects with shorter generation cycles. Extrapolating from local field management effects we may conclude that large scale patterns such as landscape structure may interact with climate change drivers and can be used as a tool for insect population management in f uture. However, species specific responses to experimentally controlled changes highlight the complexity with which future environmental change affects ecosystems.de
dc.contributor.coRefereeDormann, Carsten F. PD Dr.de
dc.subject.topicAgricultural Sciencesde
dc.subject.gerHerbivoriede
dc.subject.gerLandschaftseffektede
dc.subject.gerHabitateffektede
dc.subject.gerZwischensaatde
dc.subject.gerSchädlingsbekämpfungde
dc.subject.gerKlimawandelde
dc.subject.gerFACE Experimentde
dc.subject.engherbivoryde
dc.subject.englandscape effectsde
dc.subject.enghabitat effectsde
dc.subject.engintercroppingde
dc.subject.engpest managementde
dc.subject.engclimate changede
dc.subject.engFACE experimentde
dc.subject.bk42.90de
dc.subject.bk48.16de
dc.subject.bk43.47de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2584-8de
dc.identifier.purlwebdoc-2584de
dc.affiliation.instituteFakultät für Agrarwissenschaftende
dc.subject.gokfullYA 000: Land- und Forstwirtschaftde
dc.subject.gokfullWNA 000: Einzelne Biotope und ihre Ökosysteme {Biologiede
dc.subject.gokfullÖkologie}de
dc.identifier.ppn635402866de


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