Weeds in a changing environment
Responses to altered temperature and soil water potential in four soil types and relative future habitat suitability for potential distribution of three range-expanding weed species in northwest Germany
von Barbara Edler
Datum der mündl. Prüfung:2013-11-28
Erschienen:2015-04-10
Betreuer:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Gutachter:Prof. Dr. Bärbel Gerowitt
Gutachter:Prof. Dr. Andreas von Tiedemann
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Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
In the course of the past decades, various impacts of climate change have been recognized to pose a challenge to arable production systems. Among others, shifts in the species composition of weed communities, particularly the rising importance of highly competitive neophytic weed species and sleeper weeds, cause yield losses and additional management costs. This thesis aimed to provide insights into the response to changed environmental conditions of a selection of arable weeds. We examined the effects of the projected future climatic conditions in Lower Saxony (northwest Germany) on emergence, morphological traits, habitat suitability and potential geographical distribution of the weed species. We used different methods to address these targets: a mechanistic processed-based experimental approach, as well as a correlative maximum entropy approach of bioclimatic niche modelling (software MaxEnt). Focus was put on three weed species, which may alter their distribution under the predicted conditions of environmental change: Abutilon theophrasti, Datura stramonium and Iva xanthiifolia were selected as examples of a guild of highly competitive, ruderal, stress-tolerant, thermophile, annual C3 weeds, which have a distinct effect on the agricultural productivity, or, in case of I. xanthiifolia, which cause human harm. They are currently expanding their range in Europe, but are still differing in their biogeographic importance for Lower Saxonys’ agro-ecosystems. In a first experimental study, a manipulative approach was used to analyse the effects of elevated temperature (ambient temperature +2.5°C), reduced soil moisture (soil moisture content between -0.1 to -1.5 MPa) versus ambient temperature conditions and soil moisture content of -0.0036 MPa in four soil type (loess, clay, peat and sand), and their interactions on the emergence characteristics of the target weeds. The emergence patterns were significantly influenced by the environmental conditions. A linear-mixed effects model and a survival analysis revealed that drought conditions decreased the number of emerged seedlings and the probability that seedlings will emerge in most environmental settings, especially in combination with warmer temperature and in sand rich soils. In dry conditions, emergence was highest in peat compared to the other soil types. The results showed that for I. xanthiifolia the warmer temperature treatment and the reduced water availability were outside of the optimum conditions for emergence. Within the second experimental study, the stress treatment factors which were applied to the emergence stage were continued during the establishment stage. Higher temperatures and reduced soil water content produced negative effects on the overall growth performance - as measured by total biomass and traits indicating biomass allocation (e.g., leaf area, root length)- for the three weed species. Peat and clay rich soils provided better growing condition than other soil types under warming and drought. I. xanthiifolia did not respond to the tested conditions in a consistent way, but positive growth performance of this species was most strongly related to good moisture supply and colder temperatures. For A. theophrasti and D. stramonium, we observed a tendency of a higher total biomass in clay and peat rich soils than in the other soil types under warm-dry conditions. These two species showed a higher plasticity than I. xanthiifolia in all of the tested environmental treatments. The results from the first and the second experimental studies demonstrated that the three weeds which were assumed to have similar environmental requirements responded in rather idiosyncratic ways the variety of microsite conditions. Under future climate, emergence and growing conditions for plants may differ more distinctly than today between sand and peat rich sites. We further concluded from our results that future climatic conditions may impair the emergence and growth performance of I. xanthiifolia. For A. theophrasti and D. stramonium, we deduced tolerance to a wide range of environmental conditions. These two species may benefit from the predicted future climate. In the ecological niche modelling approach on a small, regional scale, it was demonstrated that there will be moderate to high impacts on the distribution of the target weed species in Lower Saxony as based on a gain and loss of suitable habitat areas. The environmental influences varied with regard to their relevance for the three weeds. The modelled prediction, and the experimental findings did differ in the case of A. theophrasti. The model predicted a decline in potential distribution and habit suitability for this species. This was in disagreement with our experimental findings, were we estimated a high plasticity and a wide range of tolerance of the species. The results of the modelling approach indicated further an increase of D. stramonium and a decrease of I. xanthiifolia in potential distribution and habitat suitability for northwest Germany, which was conform to the findings from our experiments. We demonstrated that even for weed species with similar ecology, under future climatic conditions dissimilar responses concerning morphological traits and distributional shifts have to be expected. In conclusion, this thesis provides evidence that an integrative approach, combining manipulative environmental experiments, and ecological niche based modelling on the current and future potential distribution and habitat suitability data, enabled a better understanding of how the target weeds may react under future environmental conditions, than a separated analysis would have allowed. Such a comprehensive approach may lead to greater precision in predicting the impacts of a changing environment on plant species and ecosystems processes for Lower Saxony.
Keywords: Climate Change; Weeds; MaxEnt
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Eine Veränderung der Standortfaktoren, beispielsweise bedingt durch den Klimawandel, kann mehr oder minder starke Effekte auf die Lebensbedingungen von Pflanzen ausüben. In landwirtschaftlich genutzten Ökosystemen betrifft dies sowohl die Kulturpflanzen, als auch die mit ihnen vergesellschaftete Ackerunkrautflora. In den vergangen Jahrzehnten konnten Veränderungen in der Abundanz, der Physiologie und der geographische Verbreitung einzelner Unkrautarten festgestellt werden. Die Verbreitung von Unkräutern wird im Allgemeinen durch ein plastisches Verhalten gegenüber ökologischen Faktoren (z.B. Temperatur, Feuchte, Boden usw.), oder durch eine Adaption an diese, durch die Konkurrenzbeziehungen zueinander, sowie zur Kulturpflanze und durch anthropogene Einflüsse bestimmt.
In Ackerunkrautfloren wird verstärkt ein Wandel der Zusammensetzung des Artenspektrums und eine Verschiebung der Bedeutung einzelner Arten beobachtet. Unkräuter, die aktuell lediglich auf Ruderalstandorten, oder in geringem Abundanzen vorkamen („sleeper weeds“), erfuhren durch die Veränderung ihrer Umweltbedingungen die Gelegenheit zur Ausbreitung. Demgegenüber stehen Unkrautarten, die bereits in einem Gebiet etabliert sind und möglicherweise mit Verschiebungen (Zu- und Abnahmen) im Verbreitungsgebiet reagieren. Dabei ist ein besonderes Augenmerk auf Ausbreitungstendenzen von konkurrenzstarken Neophyten, aber auch auf sleeper weeds zu legen. Aus den klein- und großräumigen Areal- und Nischenverschiebungen folgen mögliche Gleichgewichtsveränderungen zwischen den Nutzpflanzen und den Unkräutern. Diese können zu Ertragsverlusten in Ackerkulturen führen und erfordern gezielte Anpassungsmaßnahmen in der Unkrautbekämpfung.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen veränderter Umweltbedingungen, insbesondere der für die Zukunft prognostizierten Klimabedingungen, auf Ackerunkräuter für den Raum Niedersachsen für das Jahr 2100 zu untersuchen. Dies wurde anhand von zwei unterschiedlichen Methoden - von prozessbasierten, experimentellen Gefäßversuchen und von korrelativer bioklimatischer Nischenmodellierung mit einem maximum Entropieansatz- für eine Auswahl an Unkrautarten vorgenommen. Der Fokus lag dabei auf drei Unkräutern, die Tendenzen zeigen, ihre Verbreitung in Europa zu verändern, und die aktuell in unterschiedlicher Häufigkeit in Niedersachsen vorkommen: Abutilon theophrasti, Datura stramonium und Iva xanthiifolia. Sie repräsentieren eine Artengruppe mit ähnlichen ökologischen Merkmalen: kompetitive, ruderale, stresstolerante, wärmeliebende, sommerannuelle C3-Ackerunkräuter. Ein Vorkommen dieser Arten wirkt sich negativ auf die landwirtschaftliche Produktivität aus; Iva xanthiifolia kann zusätzlich durch Allergene schädlich auf die menschliche Gesundheit wirken.
Die in Rahmen dieser Arbeit durchgeführten manipulativen experimentellen Studien erfassten, wie sich veränderte Umweltbedingungen in Form einer Temperaturerhöhung (Umgebungstemperatur +2,5°C) und einer Reduktion der Bodenfeuchte (Feuchtigkeit des Bodens zwischen -0,1 bis -1,5 MPa) im Vergleich zu Umgebungstemperatur und guter Wasserversorgung (-0,0036 MPa) in unterschiedlichen Bodenarten (Lehm, Ton, Torf und Sand), sowie deren Wechselwirkungen, auf die Auflaufcharakteristika und das Wachstum der untersuchten Unkräuter auswirkten.
Das Auflaufverhalten der Unkräuter war wesentlich durch die Umgebungsbedingungen (Nischenbedingungen) beeinflusst. Die Anwendung eines linearen gemischten Models und Ereigniszeitanalyse ergaben, dass Trockenheit die Anzahl der aufgelaufenen Keimlinge, und auch die Wahrscheinlichkeit, dass diese in den meisten Umweltbedingungen auflaufen könnten, verringerte. Dies war ergänzend in Umweltkombinationen mit erhöhter Temperatur und sandigen Boden signifikant feststellbar. Bei trockenen Bedingungen konnte die höchste Auflaufrate in torfhaltigen Bodenfestgestellt werden. Es konnte zudem nachgewiesen werden, dass für I. xanthiifolia die erhöhte Temperatur und reduzierte Wasserverfügbarkeit außerhalb der Optimalbedingungen für das Auflaufen lagen.
Als direkte Fortsetzung des Auflaufexperimentes, unter selbigen Umweltbedingungen wie in der Auflaufphase, folgte das Wachstumsexperiment. Es zeigte sich, dass eine Erhöhung der Temperatur und eine verringerte Wasserverfügbarkeit sich negativ auf vegetative Merkmale (z.B. Gesamtpflanzenbiomasse, Blattfläche oder Wurzellänge) der untersuchten Unkräuter auswirkten. Torf -und tonhaltige Böden boten bessere Wachstumsbedingungen bei Trockenheit und Erwärmung als andere Bodentypen. Ein positives Pflanzenwachstum von I. xanthiifolia war stärker in guten Feuchtigkeitsbedingungen und kühleren Temperaturen festzustellen. Für A. theophrasti und D. stramonium konnte eine gesteigertes Wachstum in torf -und tonhaltige Böden unter Trockenheit und Erwärmung beobachtet werden. Diese beiden Arten wiesen eine höhere Plastizität als I. xanthiifolia in allen getesteten Nischenbedingungen auf.
Die Ergebnisse aus den experimentellen Versuchen zeigten, dass unter zukünftigen klimatischen Bedingen besonders in torf- und sandhaltigen Böden stärker Veränderungen im Wachstums- und Auflaufverhalten der Unkräuter auftreten könnten. Des Weiteren schließen wir aus unseren experimentellen Ergebnissen, dass der prognostizierte klimatische Wandel das Auflauf- und Wachstumsverhalten von I. xanthiifolia beeinträchtigen könnte. Für A. theophrasti und D. stramonium leiteten wir hingegen aus ihrer hohen Toleranz gegenüber einem breiten Spektrum von Nischenbedingungen einen Vorteil unter den für die Zukunft prognostizierten klimatischen Bedingungen ab.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine ökologische Nischenmodellierung für die drei betrachteten Unkrautarten mit der Software MaxEnt erstellt. Die Modellierung wurde von Jana Bürger durchgeführt. Alle von ihr bearbeiten Teile, sind als dieses gekennzeichnet und sind von den Eigenteilen klar ersichtlich und voneinander abgrenzbar. Die Ergebnisse zeigten, basierend auf geeignetem Habitatszuwachs oder -verlust, dass die prognostizierten Klimabedingungen mäßige bis starke Auswirkungen auf die potentielle Verbreitung der Zielunkrautarten in Niedersachsen ausüben könnten. Die relevanten Umweltfaktoren (z. B. Temperatur, Feuchte, Boden, Landnutzug und Landbedeckung) für die potentielle zukünftige Verbreitung und Habitateignung unterschieden sich für die einzelnen Unkrautarten.
Die Ergebnisse der Artverbreitungsmodellierung ergaben für A. theophrasti eine andere Aussage als die manipulativen Experimente. Das Model beschrieb eine mögliche Abnahme des potentiellen Verbreitungsgebietes und der Habitateignung für diese Art in Niedersachsen, wohingegen die Gefäßversuche eine hohe Plastizität und Toleranz gegenüber unterschiedlichen Nischenbedingungen ergaben. Bei den anderen beiden Arten stimmten die Ergebnisse der Modellierung mit den experimentellen Ergebnissen insofern überein, als dass eine mögliche Zunahme der Habitateignung für D. stramonium und eine Abnahme für I. xanthiifolia in Niedersachsen prognostiziert wurde.
Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass obwohl die untersuchten Unkräuter als eine Gruppe von Arten mit ähnlichen ökologischen Merkmalen ausgewählt wurden, unterschiedliche artspezifische Reaktionen in Bezug auf ihre Morphologie und ihre Verbreitung unter künftigen klimatischen Bedingungen zu erwarten sind. Des Weiteren sollten zukünftige Untersuchungen zu einem Ackerunkrautwandel neben veränderten Umweltbedingungen auch einer Veränderung der Landnutzung (Anbauspektrum) und der Bewirtschaftungsweise (Fruchtfolgen, Bodenbearbeitung, Pflanzenschutzmaßnahmen) einen höheren Stellenwert einräumen.
Dieser integrative Ansatz, welcher manipulative Experimente und ökologische Nischenmodellierung verband, erklärte die aktuelle und die zukünftige potentielle Verbreitung und Habitateignung präziser, als eine getrennte Analyse es ermöglicht hätte. Ein solch kombinierter Ansatz kann zu einer höheren Vorhersagegenauigkeit der Auswirkungen von veränderten Umweltbedingungen auf Pflanzen- und Ökosystemprozesse in Niedersachsen beitragen.
Schlagwörter: Klimawandel; Unkräuter; MaxEnt