Analyses of biodiversity measures on wild bees in different agricultural landscapes of Germany

by Josephine Kulow
Cumulative thesis
Date of Examination:2024-12-10
Date of issue:2025-11-27
Advisor:Prof. Dr. Catrin Westphal
Referee:Prof. Dr. Catrin Westphal
Referee:Prof. Dr. Jens Dauber
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11632

 

 

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Abstract

English

One of the most pressing environmental issues of our time is the ongoing decline in agricultural biodiversity in cultivated landscapes. Important ecosystem services within agricultural landscapes, such as pollination, depend on the number and diversity of bees and other pollinating insects. Those, in turn, depend on the availability of food provided by plants (in space and time). Consequently, the increasing loss of natural and semi-natural habitats due to agricultural intensification and habitat fragmentation is seen as a contributing factor for the wild bee decline. There is a conflict between agricultural production and the need to conserve biodiversity. One approach to increase biodiversity and therefore promote also wild bees in agricultural landscapes is the use of different biodiversity measures, such as flower strips, fallows or extensive grain production, as they provide different floral resources, nest sites and nest materials for wild bees. These measures can increase landscape heterogeneity to counteract the negative trend. My PhD thesis aims at investigating the effects of biodiversity measures and landscape structure on the abundance and diversity of wild bees, cavity nesting insects and plant-pollinator networks in agricultural landscapes of Germany. All surveys of wild bees in agricultural landscapes were based on the selection of nine agricultural regions across Germany, all being intensively managed but differing in landscape composition and configuration. Within each region, I established one matched pair of study landscapes (1 km x 1 km), with a wider surrounding (3 km x 3 km), with one landscape containing ‘farm adapted’ biodiversity measures (treatment landscape) and the other representing the typical land use of the respective region as control landscape. The first chapter focused on how the distance, the area and the quality of the closest three biodiversity measures as well as the proximity to forest and oilseed rape and landscape connectivity affect the abundance and species richness of cavity-nesting bees, wasps and their natural enemies. Therefore, I set up in total 340 trap nests at 170 different locations within treatment landscapes (3km x 3 km). I found that the total cavity-nesting insect abundances increased with measures` quality and declined with increasing distance to oilseed rape and forest. Cavity-nesting wasps benefited from biodiversity measures, while effects on solitary bees were not detected. The abundance and species richness of all wasps and natural enemies declined with increasing distance to forest. The results indicate that the proximity to forest is an important factor promoting insects as forest edges provide food, nesting sites and shelter. In the second chapter, I hypothesised that abundance and richness of wild bees would increase with larger areas and quality of biodiversity measures. I expected that particularly common wild bee species would benefit from biodiversity measures, whereas rare species would benefit less. Furthermore, I hypothesised that crop diversity, semi-natural habitats, mass flowering crops and edge density would have additional positive effects on wild bees. To test this, I conducted standardized transect walks of 1000 m total length, divided into sub-transects, in each study landscape (1 km x 1 km). I found that besides common species, solitary and rare bees can particularly benefit from increased area and quality of biodiversity measures. Further the abundance of bumble bees and frequent wild bees was positively influenced by crop richness or evenness. In contrast, semi-natural habitats and edge density had no significant effects in the studied landscapes. The study emphasizes that biodiversity measures may be an effective approach for promoting regional occurring wild bees in agricultural landscapes already few years after their implementation. In the third chapter I focused on plant-pollinator interactions within transect walks in 2018 and 2020 on nine established matched pairs of study landscapes (1 km²). I assessed the effect of biodiversity measures implementation and landscape structure (semi-natural habitats and edge density) on pollinator communities and plant-pollinator networks. I observed 3050 interactions of 127 bee species with 103 plant species. Treatment landscapes had a higher interaction frequency, were less nested and more specialized compared to control landscapes, caused by a higher availability of floral resources provided by implemented biodiversity measures. Landscape structure affected web asymmetry and interaction diversity of plant-pollinator networks. The study highlights the importance of biodiversity measures for the promotion of diverse, more specialized plant-pollinator networks. Landscape structure impacts plant-pollinator networks and should be considered for future analyses. In conclusion, the combination of biodiversity measures and diversified cropping systems can help to conserve wild bees in intensively simplified agricultural landscapes. Diverse and high-quality habitats can promote complex, specialized plant-pollinator networks that are more resilient to environmental impacts. Regional adaptation of biodiversity measures is important to benefit both biodiversity and agriculture. It is recommended to create wooded habitats such as forest edges and hedgerows to provide more nesting opportunities for wild bees, combined with the enhancement of flower-rich habitats. Long-term monitoring of insect populations and plant-pollinator networks is crucial to improve the effectiveness of biodiversity measures to promote agricultural biodiversity.
Keywords: conservation measures; pollinators; pollination; pest control; parasitoids; flower strips; landscape structure; habitat quality; land use; landscape configuration; crop diversity; transect walks; agri-environment schemes; plant–pollinator networks; interaction diversity; semi-natural habitats; edge density

German

Eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit ist der anhaltende Rückgang der landwirtschaftlichen Artenvielfalt in Kulturlandschaften. Wichtige Ökosystemleistungen in Agrarlandschaften, wie die Bestäubung, hängen von der Anzahl und Vielfalt der Bienen und anderer bestäubender Insekten ab. Diese wiederum sind abhängig von der Verfügbarkeit von Nahrung durch Pflanzen (in Raum und Zeit). Folglich wird der zunehmende Verlust natürlicher und naturnaher Lebensräume aufgrund der Intensivierung der Landwirtschaft und der Fragmentierung von Lebensräumen als einer der Faktoren angesehen, die zum Rückgang der Wildbienen beitragen. Es besteht ein Konflikt zwischen der landwirtschaftlichen Produktion und der Notwendigkeit, die biologische Vielfalt zu erhalten. Ein Ansatz zur Erhöhung der biologischen Vielfalt und damit auch zur Förderung von Wildbienen in Agrarlandschaften ist der Einsatz verschiedener Biodiversitätsmaßnahmen wie Blühstreifen, Brachen oder Extensiv-Getreideanbau, da sie unterschiedliche Blütenressourcen, Nistplätze und Nistmaterial für Wildbienen bereitstellen. Diese Maßnahmen können somit die Landschaftsheterogenität erhöhen und dem negativen Trend entgegenwirken. In meiner Dissertation untersuche ich die Auswirkungen von Biodiversitätsmaßnahmen und Landschaftsstruktur auf die Häufigkeit und Vielfalt von Wildbienen, hohlraumnistende Insekten und Pflanzen-Bestäuber-Netzwerke in deutschen Agrarlandschaften. Alle Erfassungen von Wildbienen basierten auf der Auswahl von neun Agrarregionen, die alle intensiv bewirtschaftet werden, sich aber in der Landschaftszusammensetzung und -gestaltung unterscheiden. In jeder Region wurde ein Paar Landschaftsfenster (1 km x 1 km) mit einem weiteren Umfeld (3 km x 3 km) festgelegt, wobei in der einen Landschaft ‚betriebsspezifische‘ Biodiversitätsmaßnahmen umgesetzt wurden und die andere Landschaft die typische Landnutzung der jeweiligen Region als Kontrolllandschaft repräsentierte. Im ersten Kapitel wurde untersucht, wie sich die Distanz, die Fläche und die Qualität der drei nächstgelegenen Biodiversitätsmaßnahmen sowie die Nähe zu Wald, Raps und die Landschaftskonnektivität auf die Abundanz und den Artenreichtum von hohlraumnistenden Wildbienen, Wespen und ihren natürlichen Feinden auswirken. Daher habe ich insgesamt 340 Nistfallen an 170 verschiedenen Standorten innerhalb der Untersuchungslandschaften mit einem erhöhten Anteil an Biodiversitätsmaßnahmen (3 km x 3 km) aufgestellt. Ich stellte fest, dass die Gesamtanzahl der hohlraumnistenden Insekten mit der Qualität der Maßnahmen zunahm und mit zunehmender Entfernung zu Raps und Wald abnahm. Hohlraumnistende Wespen profitierten von Biodiversitätsmaßnahmen, während dieser Effekt für solitäre Wildbienen nicht festgestellt werden konnte. Die Abundanz und der Artenreichtum aller Wespen und natürlichen Feinde nahmen mit zunehmender Entfernung zum Wald ab. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nähe zum Wald ein wichtiger Faktor für die Förderung von Insekten ist, da Waldränder Nahrung, Nistplätze und Schutz bieten. Im zweiten Kapitel nahm ich an, dass die Abundanz und der Artenreichtum von Wildbienen mit größeren Flächen und zunehmender Qualität von Biodiversitätsmaßnahmen zunehmen würden. Ich erwartete, dass besonders häufige Wildbienenarten von Biodiversitätsmaßnahmen profitieren würden, während seltene Arten weniger profitieren würden. Darüber hinaus stellte ich die Hypothese auf, dass sich Kulturartenvielfalt, semi-natürliche Habitate, Massentrachten und eine erhöhte Randdichte zusätzlich positiv auf Wildbienen auswirken würden. Um dies zu prüfen, führte ich in jeder Untersuchungslandschaft (1 km x 1 km) standardisierte Transektbegehungen mit einer Gesamtlänge von 1000 m durch, die in Teil-Transekte unterteilt wurden. Ich stellte fest, dass neben den häufig vorkommenden Arten insbesondere solitäre und seltene Bienen von einer größeren Fläche und Qualität der Biodiversitätsmaßnahmen profitieren können. Darüber hinaus wurde die Abundanz von Hummeln und häufigen Wildbienen durch den Reichtum und die Gleichmäßigkeit der Kulturarten positiv beeinflusst. Entgegen den Erwartungen konnte ich keine oder sogar negative Auswirkungen der Randdichte und des Anteiles semi-natürlicher Habitate auf Wildbienen feststellen. Die Studie unterstreicht, dass Biodiversitätsmaßnahmen bereits wenige Jahre nach ihrer Umsetzung ein wirksamer Ansatz zur Förderung regional vorkommender Wildbienen in Agrarlandschaften sein können. Im dritten Kapitel konzentrierte ich mich auf die Interaktionen zwischen Pflanzen und Bestäubern im Rahmen von Transektbegehungen in den Jahren 2018 und 2020 in neun festgelegten Paaren von Untersuchungslandschaften (1 km²). Ich bewertete die Auswirkungen der Umsetzung von Biodiversitätsmaßnahmen und der Landschaftsstruktur (semi-natürliche Habitate und Randdichte) auf Bestäubergemeinschaften und Pflanzen-Bestäuber-Netzwerke. Ich beobachtete 3050 Interaktionen von 127 Bienenarten mit 103 Pflanzenarten. Die Landschaften mit Maßnahmen wiesen höhere Interaktionshäufigkeiten auf, waren weniger verschachtelt und spezialisierter als die Kontrolllandschaften, was auf eine höhere Verfügbarkeit von floralen Ressourcen zurückzuführen ist, die durch die umgesetzten Biodiversitätsmaßnahmen bereitgestellt wurden. Die Landschaftsstruktur wirkte sich auf die Asymmetrie und die Interaktionsdiversität von Pflanze-Bestäuber-Netzwerken aus. Die Studie unterstreicht die Bedeutung von Biodiversitätsmaßnahmen für die Förderung komplexer, spezialisierterer Netzwerke von Bestäubern. Auch die Landschaftsstruktur wirkt sich auf Pflanzen-Bestäuber-Netzwerke aus und sollte bei künftigen Analysen berücksichtigt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination von Biodiversitätsmaßnahmen und diversifizierten Anbausystemen dazu beitragen kann, Wildbienen in intensiv bewirtschafteten Agrarlandschaften zu erhalten oder zu fördern. Vielfältige und qualitativ hochwertige Lebensräume können komplexe und spezialisierte Pflanzen-Bestäuber-Netzwerke fördern, die widerstandsfähiger gegenüber Umweltauswirkungen sind. Regionalspezifische Anpassungen der Biodiversitätsmaßnahmen sind wichtig, um sowohl der biologischen Vielfalt als auch der Landwirtschaft zugute zu kommen. Es wird empfohlen, bewaldete Lebensräume wie Waldränder und Hecken zu schaffen, um mehr Nistmöglichkeiten für Wildbienen zu bieten, kombiniert mit der Aufwertung von blütenreichen Lebensräumen. Die langfristige Überwachung von Insektenpopulationen und Pflanzen-Bestäuber-Netzwerken ist entscheidend, um die Wirksamkeit von Biodiversitätsmaßnahmen zur Förderung der biologischen Vielfalt in der Landwirtschaft zu verbessern.
 
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