Weeds in a changing environment

Abstract

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.