Zur Kurzanzeige

Plant - Invertebrate Interactions in Agriculturally Managed Grasslands Under Functional Group Manipulation

dc.contributor.advisorTscharntke, Teja Prof. Dr.
dc.contributor.authorEverwand, Georg
dc.date.accessioned2013-12-12T14:50:22Z
dc.date.available2013-12-12T14:50:22Z
dc.date.issued2013-12-12
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5D84-F
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4279
dc.description.abstractDie Nachfrage nach Agrarprodukten ist im Laufe der letzten Jahrhunderte durch die wachsende Weltbevölkerung in Kombination mit einem zunehmenden Pro-Kopf- Bedarf stark gestiegen. Weltweit steigt der Druck auf Ökosysteme durch Ausweitung und Nutzungsintensivierung landwirtschaftlich genutzter Flächen Auf intensiv genutzten Grasflächen führt der hohe Einsatz von Düngemitteln und häufiger Mahd zu einem Verlust der Pflanzendiversität. Dies bedingt eine geringere Stabilität des Ökosystems gegenüber Wetterextremen wie Trockenheit oder massiven Regenfällen, was wiederum eine Gefahr für die biologische Vielfalt auf höheren trophischen Ebenen (u.a. invertebrate Herbivore) und wichtige Ökosystem-Prozesse darstellt. In dieser Arbeit werden die direkten und indirekten Auswirkungen verschiedenen Bewirtschaftungsintensitäten in Kombination mit manipulierter Vegetationszusammensetzung innerhalb eines Grasland Management Experimentes (GrassMan) in der Nähe der Norddeutschen Städte Neuhaus und Silberborn im Solling untersucht. Zwei Mahdfrequenzen (1x; 3x), zwei Düngungsintensitäten (keine Düngung; NPK Düngung) und drei unterschiedlich manipulierte Grasnarben (Gräser reduziert, Kräuter reduziert & nicht manipuliert) ergaben zwölf verschiedene Behandlungskombinationen, welche jeweils sechs Mal repliziert wurden. Auf den daraus resultierenden 72 Parzellen (jeweils 15 m mal 15 m) wurden die Auswirkungen von Pflanzendiversität, Mahdhäufigkeit und Düngung auf die Produktivität, den Stickstoffhaushalt, trophische Interaktionen und deren Wechselwirkungen im Grasland untersucht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt darauf, die Auswirkungen landwirtschaftlicher Intensivierung, reduzierter Artenvielfalt sowie Verschiebungen in der Zusammensetzung der Grasnarbe auf Pflanze-Insekt- Interaktionen zu untersuchen. Im zweiten Kapitel wird gezeigt, dass über den Versuchszeitraum die Pflanzenbiodiversität keinen signifikanten Einfluss auf die oberirdische Biomasse- Produktion hatte. Die Grasnarbenzusammensetzung hatte lediglich große Auswirkungen auf die oberirdische Biomasse-Produktion, wenn in einem Jahr noch vor dem Erreichen der maximalen oberirdischen Biomasse extrem trockene Witterung auftrat. In solchen Jahren produzierten Parzellen mit natürlicher Artenzusammensetzung größere Erträge als manipulierte Flächen. Während eine höhere Bewirtschaftungsintensität zu einem Anstieg der oberirdischen Biomasse führte, war keine signifikante Veränderung der Pflanzenartenzahl über den Untersuchungszeitraum zu verzeichnen. Höhere Mahdfrequenz führte dagegen zu einer erhöhten Pflanzenartenanzahl im Vergleich zu der am Beginn der Experimente. Die bestehende Artenzusammensetzung in dem naturnahen Grünland (ohne Manipulation), war sehr robust und vier Jahre nach dem Manipulieren zeigten die verschiedenen Grasnarben fast keine Unterschiede mehr in der Zusammensetzung von Gräsern, Kräutern und Leguminosen. Ein größerer Anteil von Gräsern war typisch für gedüngte Parzellen und größere Anteile von Kräutern waren eine typische Folge von häufigerem Mähen. Durch Düngung wurde der Anteil von Leguminosen reduziert, allerdings wurden auch zum Ende des Experimentes noch in fast allen Parzellen Leguminosen gefunden. In Kapitel drei werden die starken Auswirkungen der landwirtschaftlichen Intensivierung sowie Pflanzendiversität und Artenzusammensetzung auf die Abundanz von Nacktschnecken gezeigt. Die Schneckenabundanz war höher auf den Parzellen mit einer niedrigen Mahdhäufigkeit und hoher Verfügbarkeit von bevorzugten Nahrungsressourcen. Die Abnahme der Schneckenabundanz durch eine höhere Mahdfrequenz war in den Parzellen mit natürlicher Vegetation am geringsten. Dies könnte ein Beleg dafür sein, dass sich Störungen auf Invertebrate (z. B. durch Mahd oder Beweidung) in natürlicherer Vegetation weniger stark auswirken. In Kapitel vier werden die Einflüsse von Pflanzenbiodiversität, Zusammensetzung der funktionellen Gruppen und der Nutzungsintensität auf Zikaden untersucht. Eine häufigere Mahd bedingte eine niedrigere Artenzahl an Zikaden. Düngung hatte nur indirekt - aufgrund von gegenläufigen Effekten auf die oberirdische Biomasse, Diversität und Zusammensetzung der Vegetation - einen marginal negativen Effekt auf die Zikadendiversität. Zikadendiversität profitierte von einer von Gras dominierten Vegetation, sowie von einer höheren Pflanzendiversität, welche ihrerseits durch Manipulation der Grasnarbe und das Grasland-Management beeinflusst wurde. In Kapitel fünf wird gezeigt, dass erhöhter Herbivoriedruck mit den anderen experimentellen Behandlungen (Mahdhäufigkeit, Düngung und Manipulation der funktionellen Gruppen) interagiert und mehrere Vegetationsparameter und einige Komponenten des Stickstoffkreislaufs beeinflusst. Es stellte sich heraus, dass sowohl Grasland-Management als auch invertebrate Herbivoren die Produktivität und den Stickstoffhaushalt beeinflussen und einen stärkeren Einfluss haben als die Vegetationszusammensetzung. Insgesamt wird mit dieser Versuchsreihe deutlich gemacht, dass Grasland- Management, Manipulation der Vegetationszusammensetzung und experimentell erhöhte Herbivorie einen direkten und indirekten Einfluss auf Produktivität, Zusammensetzung und Biodiversität der Vegetation sowie den Stickstoffhaushalt haben. Die Interaktionen zwischen Vegetation, Herbivoren und dem Stickstoffkreislauf werden mit zunehmender Anzahl wechselwirkender Faktoren zunehmend komplexer. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Erhöhung der Produktivität ohne Pflanzenartenverlust durch eine ausgereifte Management- Strategie ermöglicht wird. Schlussfolgerung Zusammenfassend wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Manipulation zu Gunsten krautiger Pflanzen einen positiven Effekt auf die gesamte Pflanzendiversität sowie auf die Abundanz von Schnecken hat. Außerdem kann nicht nur eine höhere Pflanzendiversität, sondern auch natürlichere Pflanzengesellschaften zu höheren Populationen von Invertebraten führen. Zikadendiversität profitiert von verschiedenen Faktoren – zum Einen indirekt von einer höheren Pflanzendiversität auf nährstoffarmen, krautdominierten Flächen, da diese eine größere Vielfalt and Nahrungsressourcen für spezialisierte Arten bieten. Ebenso war die Zikadendiversität positiv von einem höheren Grasanteil an der Vegetation auf gedüngten Flächen mit niedrigerer Pflanzenbiodiversität beeinflusst, da Gräser die bevorzugte Nahrungsquelle für viele der gefundenen Zikadenarten mit einem eher generalistischen Nahrungsspektrum waren. Grasland-Management und Herbivorie haben insgesamt einen wesentlich stärkeren Einfluss auf den Stickstoffhaushalt als die Manipulation der Vegetationszusammensetzung, wobei Düngung der stärkste Faktor ist. Herbivore können den Stickstoffkreislauf durch einen höheren Eintrag von totem Pflanzenmaterial, Wurzelexsudaten und durch Ausscheidungen beschleunigen. Dieser Eintrag von Nährstoffen hat folglich positiven Einfluss auf den Bodenstickstoffgehalt (NH4 , NO3 ) und auf Stickstoffflussraten (Mineralisierung, Nitrifikation, N2O). Neben dem starken Einfluss von Düngung auf den Stickstoffkreislauf können die Emissionen von N2O, einem wichtigen Treibhausgas, auch innerhalb eines kurzen Zeitraums durch starke Herbivorie zunehmen. Somit könnte ein steigender Nährstoffeintrag durch Düngung in Kombination mit erhöhter Herbivorie zu einer Erhöhung von N 2 O-Emissionen im Grasland führen. Dieser additive Effekt könnte dann zur globalen Erwärmung beitragen.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc570de
dc.titlePlant - Invertebrate Interactions in Agriculturally Managed Grasslands Under Functional Group Manipulationde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeIsselstein, Johannes Prof. Dr.
dc.date.examination2013-10-14
dc.description.abstractengWithin the last few centuries the rapid growth of the human population, along with increasing economic development, has caused increasing demands for agricultural products such as food and fuel. This has led to an extension of agricultural areas, and the intensification of existing agricultural areas to maximize crop production, therewith increasing pressures on ecosystems around the world. Agricultural intensification, with high inputs of fertilizer and increasing cutting regimes, leads to a decline in plant species richness, lower stability to climatic extremes, such as drought or high rainfalls, resulting in a threat to biodiversity on higher trophic levels and important ecosystem processes. In this thesis we analyse the direct and indirect effects of different levels of agricultural management intensity and functional group composition within the Grassland Management Experiment (GrassMan) near the towns of Neuhaus (Solling) and Silberborn in the Solling Mountains, which are situated in Northern Germany. We created twelve treatment combinations by independently combining two cutting frequencies, two levels of fertilizer application and three different sward types via manipulation of functional groups. We further investigate the effects of plant diversity, cutting, and fertilizer application on grassland productivity, herbivorous invertebrates and nutrient cycling, as well as the impact of herbivory on the overall system. The main focus of this thesis lies in exploring the impact of these agricultural management practices and declines in species diversity as well as shifts in functional group composition on plant-insect interactions, such as invertebrate herbivore pressure on plant-performance and its feedbacks on nutrient cycling. In chapter two, we show that overall species-richness had no significant effect on the above-ground biomass production across the five study years. In addition, sward- type diversity had significant effects on the above-ground biomass production only in the experimental year with extremely dry weather conditions for the summer months before the peak standing crop, when control plots had higher yields than the forb- and graminoid-reduced treatments. While management intensification caused an increase in above-ground biomass production, changes in species numbers were not dramatic over the whole investigation period, with increasing cutting frequency promoting the establishment of more species. In our study, existing species composition of the semi-natural grassland was highly resilient. Four years after the manipulation of functional groups, we recorded a composition of grasses, herbs and legumes showing almost no differences between the sward types, with larger shares of grasses being typical of fertilized plots and larger shares of herbs typical of frequent cutting. Shares of legumes were suppressed by fertilization, but were found in almost all plots by the end of the experimental period. In chapter three we show the strong effects of grassland management, plant diversity and composition on slug abundance, which was highest in plots with a low cutting frequency and high food resource availability (increased forb cover and taller vegetation). Higher cutting frequency decreased slug abundance, but with lower impact in control plots, with their naturally developed graminoid-forb communities, giving evidence that more-natural plant species compositions can reduce the impact of disturbances (e.g. through cutting or grazing) on invertebrates. In chapter four, our results show that plant diversity, functional group composition and management regime affect leafhopper species richness and abundance. Higher cutting frequencies directly led to decreased leafhopper diversity, whereas fertilizer application only had a small indirect negative effect via its opposing trends on above- ground plant biomass, diversity and composition. Leafhopper diversity profited from graminoid-rich swards as well as from higher plant diversity, which itself was mediated by functional group manipulation and agricultural management. In chapter five we show that additional herbivore pressure interacts with our initial experimental treatments (cutting frequency, NPK-fertilizer application and functional group manipulation) and affects several vegetation parameters as well as the nitrogen cycle. We found that management and herbivores affect productivity and nitrogen fluxes and show stronger effects than the manipulation of plant functional group composition. In general, we show that grassland management, plant functional group composition and invertebrate herbivory directly and indirectly drive plant productivity, diversity, composition and nutrient cycling. The responses of plant and invertebrate communities, as well as nitrogen cycling, become more complex with increasing number of interacting drivers. Our results suggest that with proper management strategies, providing sufficient resources for the least-productive species, it is possible to maintain high productivity while maintaining high diversity. We revealed positive effects of forb richness on plant diversity and slug density, indicating that populations of invertebrates will increase in abundance not only where there is greater plant species richness but also in more-natural plant communities. Leafhopper diversity profited indirectly in nutrient-poor, forb-dominated plots, since these harbour a greater diversity of plants and therefore greater food-resource heterogeneity. On the other hand, leafhopper diversity profited directly from higher graminoid cover in highly productive plots with lower plant diversity, due to a greater availability of graminoids as a preferred food source for many leafhopper species. We show that management and herbivory had much stronger effects than the manipulation of plant functional group composition. Fertilizer application was the strongest driver of the nitrogen flux rates in our system. Herbivory, however, can short-cut the nitrogen cycling by increasing amounts of litter, excrement and root exudates, consequently positively affecting soil nitrogen contents (NH4 , NO3 ) and flux rates (mineralization, nitrification, N2O). In addition to the strong effect of fertilizer application on the nitrogen cycle, emissions of N2O, a very important greenhouse gas, can also increase under intense herbivory in fertilized grasslands, at least on a short timescale. This leads us to concerns that these N2O emissions can further increase, and therefore contribute to global warming, due to an additive effect of fertilizer application and invertebrate herbivory.de
dc.contributor.coRefereeHövemeyer, Klaus Prof. Dr.
dc.subject.engGrassland Managementde
dc.subject.engBiodiversityde
dc.subject.engmowingde
dc.subject.engcuttingde
dc.subject.engfertilizer applicationde
dc.subject.engNitrogen fluxde
dc.subject.engLeafhopperde
dc.subject.engSlugsde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5D84-F-7
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät für Biologie und Psychologiede
dc.subject.gokfullBiologie (PPN619462639)de
dc.identifier.ppn774513780


Dateien

Thumbnail

Das Dokument erscheint in:

Zur Kurzanzeige