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Effects of woody plants and their residues on crop yield, weedsand soil carbon fractions in selected arable cropping systems
(2018) Xu, Jialu; Gruber, Sabine
Gehölze können auf Ackerflächen zu Produktionszwecken angebaut werden (z.B. Bäume zur Biomasseproduktion) oder dienen als Feldgrenzen (z.B. Hecken). Gehölzpflanzen auf Ackerflächen wirken sich dabei positiv auf die Biodiversität aus, verringern die Bodenerosion sowie die Nitratauswaschung und haben einen positiven Einfluss auf die Trinkwasserqualität. Des Weiteren tragen sie zu einer Zunahme der organischen Bodensubstanz und zur Kohlenstoffsequestrierung im Boden bei und leisten damit einen Beitrag zum Klimaschutz. Die Gehölzpflanzen selber und auch deren Rückstände wie z.B. Häckselgut von Hecken können aber auch ungewünschte Auswirkungen auf die Kulturpflanzen nach sich ziehen, die beispielsweise durch allelopathische Effekte oder durch die Konkurrenz um Ressourcen (z.B. Licht) hervorgerufen werden. In der Vergangenheit fielen Gehölzpflanzen auf Ackerflächen vermehrt der Intensivierung und Mechanisierung in der Landwirtschaft zum Opfer, während heutzutage Bestrebungen bestehen, deren Zahl zu erhalten, um Ökosystemleistungen zu sichern. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war, Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden bei ausgewählten Gehölzen sowie deren Ernterückständen auf Ackerflächen zu untersuchen. Die vorgelegte Arbeit besteht aus vier Publikationen und umfasst Labor- und Feldexperimente, die sich zum einen mit den Effekten von Hackschnitzeln aus Heckenrückschnitt auf die landwirtschaftliche Produktion und zum anderen mit dem Vergleich einer Kurzumtriebsplantage mit anderen „Energiepflanzen“ in unterschiedlichen Anbausystemen beschäftigen. In den Untersuchungen werden relevante Aspekte zu Erträgen der Kulturpflanzen, Unkräutern und ausgewählten Bodenparametern herausgegriffen. Die erste Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) beschreibt Langzeiteffekte der Ausbringung von Hackschnitzeln von Hecken (hauptsächlich Acer pseudoplatanus L., Prunus avium L., Prunus padus L., Salix caprea L., Ligustrum vulgare L., und Fraxinus excelsior L.) auf den Ertrag und den Unkrautbesatz auf einer ökologisch bewirtschafteten Ackerfläche. Hierfür wurden Daten eines 16-jährigen Versuchs auf der ökologisch bewirtschafteten Versuchsstation Kleinhohenheim in Südwestdeutschland gesammelt. Untersucht wurde der Effekt von Hackschnitzelmulch (HSM) auf eine typische Fruchtfolge (Getreide, Leguminosen und Ackerfutter). Die Hackschnitzel stammten vom Rückschnitt der Hecken des Betriebs und wurden jährlich in drei verschiedenen Mengen ausgebracht (0, 80 und 160 m3 ha-1). HSM führte zu einer Reduktion des Unkrautbesatzes um 9 % im Frühjahr, wobei höhere Ausbringungsmengen im Vergleich zu niedrigeren generell in geringerem Unkrautbesatz resultierten. Der Einfluss auf den Ertrag war statistisch nicht signifikant, jedoch wurden über die Versuchszeit tendenziell sinkende Erträge auf mit HSM behandelten Parzellen gegenüber der Kontrolle beobachtet. Die unkrautunterdrückende Wirkung des HSM könnte auf verschiedenen Effekten beruhen, nämlich der mechanischen Behinderung des Auflaufens von Unkräutern, einer geänderten Bodentemperatur, einer reduzierten Stickstoffverfügbarkeit durch die Gabe von Material mit vergleichsweise weitem C:N-Verhältnis sowie allelopathischen Effekten. Hackschnitzel können daher zwar zur Unkrautkontrolle auf Ackerflächen verwendet werden, es müssen jedoch potentiell ungewünschte Effekte auf die Kulturpflanzen berücksichtigt werden. Die zweite Publikation (eingereicht bei Seed Science Research) basiert direkt auf der ersten und beschäftigt sich mit möglichen allelopathischen Effekten von HSM und deren Einfluss auf die Samenkeimung unter Laborbedingungen. Getestet wurden die Auswirkungen wässriger Extrakte von Hackschnitzeln der Salweide (Salix caprea L.) und der Gewöhnlichen Traubenkirsche (Prunus padus L.) auf die Keimung von Raps (Brassica napus L.) und Weizen (Triticum aestivum L.). Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer standardisierten Extraktionsmethode, wobei die Trocknung (Gefriertrocknung, Ofentrocknung mit 25, 60 oder 105 °C), das Mahlverfahren, das Holz-Wasser-Verhältnis bei der Extraktion (HWV; 1:10, 1:15 oder 1:20) und das Ausgangsmaterial (Rinde oder Kernholz) variiert wurden. Die Extrakte aus der Gefriertrocknung und die des ungetrockneten Holzes führten nach zwei Wochen zu der geringsten Keimrate (<6 %) bei beiden Kulturarten. Die ofengetrockneten Varianten besaßen eine höhere Keimrate von 12 bis 53 %. Die Keimrate von Raps lag bei einer hohen HWV (1:10) mit Extrakten aus gemahlenen Hackschnitzeln der Gewöhnlichen Traubenkirsche bei 26 % und damit signifikant niedriger als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (49 % Keimung). Weizenkörner keimten unter diesen Bedingungen in geringerer Anzahl als Raps, aber die Keimung war mit Extrakten aus gemahlenem Material (1%) auch geringer als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (19 %). Der Effekt der Keimungsunterdrückung stieg mit erhöhtem HWV bzw. höherer Konzentration der Extrakte. Die Keimraten betrugen durchschnittlich für HWV 1:20 86 %, für HWV 1:15 71 % und für HWV 1:10 35 % mit gemahlenen Hackschnitzeln. Aus der Rinde gewonnene Extrakte führten zu einer signifikant geringeren Keimrate (<4 %) als die des Kernholzes (<88 %). Die effektivste Methode zur Erhaltung offensichtlich allelopathisch wirksamer Verbindungen war die Kombination aus gemahlenen Hackschnitzeln aus Rindenholz, Gefriertrocknung (-50 °C) und einem hohen HWV. Diese hatte den größten Effekt auf die Unterdrückung der Keimung. Die Ergebnisse aus dieser Publikation können zur Untersuchung weiterer Gehölzarten angewandt werden und bieten eine Grundlage für die Auswahl geeigneter Substrate mit einem möglichst hohen allelopathischen Potential zur Unterdrückung von Unkraut. Die dritte Publikation (in Vorbereitung) beschäftigt sich mit der organischen Substanz (OS) beim Anbau mit Gehölzen zur energetischen Nutzung im Vergleich zum Anbau annueller Energiepflanzen auf Ackerland. Untersucht wurde ein 12-jähriger Dauerversuch auf der Versuchsstation Ihinger Hof in Südwestdeutschland mit einer Weiden-Kurzumtriebsplantage (Salix schwerinii E. Wolf x viminalis L.) und einer 12-jährigen Maismonokultur (Zea mays L.). In diesem Versuch wurden Bodenproben im Bereich 0 –10 cm und 10 – 20 cm gezogen. An jeder Probe wurden im Labor eine Dichtetrennung sowie eine Fraktionierung nach Korngröße durchgeführt, und der Kohlenstoffgehalt jeder Fraktion bestimmt. Die Dichtefraktionierung resultierte in einer leichten Fraktion (<1,8 g cm-3), die sich aus freier partikulärer und in Bodenaggregaten eingeschlossener OS „occluded- particulate organic matter“ (f-POM und o-POM) zusammensetzte sowie der schweren Fraktion, bestehend aus drei Klassen verschiedener Partikelgrößen: Sand (63-2000 μm), Lehm (2-63 μm) und Ton (<2 μm). Generell fanden sich höhere Gehalte an OS in der oberen Bodenschicht unter Weiden (1,39 %) als im Maisanbau (1,13 %). Im Boden unter Weiden war die leichte Fraktion (f-POM und o-POM) um 154 % höher als beim Maisanbau. Grund dafür war der kontinuierliche Zufluss von Streu und von Wurzelresten sowie die fehlende Bodenbearbeitung. Ebenso war das C:N Verhältnis der OS in den Sandfraktionen unter Weide (28, 24 und 16) höher als unter Mais (23, 18 und 9). Die Ergebnisse deuten auf einen langsamen Umsatz von OS und damit auf ein höheres Kohlenstoffsequestrierungspotential unter Weiden in Kurzumtriebsplantage als beim Maisanbau hin. Die vierte Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) nutzt denselben 12-jährigen Feldversuch wie die dritten Publikation. Es erfolgte eine Bewertung des Biomasse- und des Bruttoenergieertrags von sechs annuellen und perennierenden Energiefruchtfolgen mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen. Die annuellen Systeme bestanden aus Mais in Monokultur mit reduzierter Bodenbearbeitung; einer Fruchtfolge mit Raps (B. napus L. ssp. oleifera) – Weizen (Triticum aestivum L.) – Triticale (Triticale x triticosecale Wittmack) mit wendender bzw. keiner Bodenbearbeitung. Die perennierenden Systeme umfassten eine Kurzumtriebsplantage mit Weiden (S. schwerinii E. Wolf x viminalis L.), Miscanthus (Miscanthus x giganteus Greef et Deu.) und Ruthenhirse (Panicum virgatum L.). Für jedes Anbausystem wurden drei Stickstoffdüngungsstufen (0, 50 und 100 % der praxisüblichen Düngemenge) etabliert. In Mais wurde im Mittel der höchste jährliche Biomasseertrag festgestellt (18,5 Mg ha-1), gefolgt von Miscanthus (18,3 Mg ha-1) jeweils bei einem N-Düngeniveau von 100 %. Ohne Stickstoffdüngung lag der jährliche Biomasseertrag bei Miscanthus mit 13,6 Mg ha-1 am höchsten. Das hohe Ertragsniveau konnte bei beiden Kulturen über die 12-jährige Versuchslaufzeit nur mit der höchsten N-Düngerstufe gehalten werden. In den Fruchtfolgen und bei Rutenhirse sanken die Erträge über die Jahre auch mit hoher Stickstoffgabe. Je geringer die Stickstoffdüngung ausfiel, desto stärker war der Ertragsrückgang. Die Weiden in Kurzumtriebsplantage zeigten unabhängig von der Stickstoffdüngung und der Versuchslaufzeit im Mittel gleichbleibende Erträge von 11 Mg ha-1. Offenbar ist die Stickstoffdüngung für Weiden in Kurzumtriebsplantagen im Vergleich zu den anderen untersuchten Kulturen und Anbausystemen ein weniger wichtiger Produktionsfaktor. Das Ausbringen von Hackschnitzel von Hecken auf Ackerflächen und der Anbau von Gehölzpflanzen (Weide in Kurzumtriebsplantage) zeigten Effekte im oberirdischen Pflanzenaufwuchs und hatten Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften. Gewünschte Auswirkungen der Managementmaßnahmen waren (i) die Verringerung des Unkrautbesatzes, (ii) der geringe Stickstoffinput für eine zufriedenstellende Produktivität von Weiden in Kurzumtriebsplantage, und (iii) und die Erhöhung der OS (Kohlenstoffsequestrierung). Unerwünschte Effekte äußerten sich in der tendenziellen Reduktion der Biomasseproduktion der Kulturpflanzen Wie die Studie zu Extrakten aus den Hackschnitzeln zeigt, scheinen tatsächlich allelopathische Effekte eine mögliche Ursache für die Unkrautunterdrückung bei der Hackschnitzelapplikation zu sein. Diese oder ähnliche Effekte könnten auch nach der Rodung von Kurzumtriebsplantagen auf die Nachfrüchte auftreten, z.B. aus Rückständen von Wurzeln und Stamm. Weiterhin könnte beim Erhalt von Heckenbiotopen auch mit einer Kohlenstoffsequenzierung gerechnet werden, ähnlich wie es bei den Weiden in Kurzumtriebsplantage gezeigt wurde. Die günstigen Effekte des Anbaus von Gehölzen könnten Landwirte motivieren, Gehölzpflanzen auf ihren Ackerflächen zu belassen bzw. zu etablieren und die Ökosystemleistungen auf dem Betrieb zu erhöhen. Weiterführende Forschung könnte darauf abzielen (i) technische Lösungen für eine praktikable Hackschnitzelausbringung zur Unkrautbekämpfung zu finden, (ii) die allelopathisch wirksamen Substanzen von Gehölzen zu identifizieren und zu isolieren und so gegebenenfalls Grundlage für eine neue Generation von Herbiziden zu schaffen, (iii) Langzeitfolgen von Ernterückständen nach dem Anbau von Kurzumtriebsplantagen auf die nachfolgenden Kulturen zu untersuchen, und (iv) Studien zur C-Sequestrierung unter naturnahen Hecken vorzunehmen.
Pflanzenschutzmittelrückstände im gehöselten Pollen der Honigbiene (Apis mellifera L.) : Auswirkungen einer feldrealistischen Pflanzenschutzmittelmischung auf Stockbienen und den Larvenfuttersaft
(2017) Böhme, Franziska; Zebitz, Claus P. W.
Pesticides are used worldwide and contaminate air, surfaces, soils and the aquifer. Non-target-organisms and non-target-plants may get into contact with pesticides di-rectly via drift or indirectly via run-off, leaching or sowing dust. Due to pollination services and bee products, the honeybee (Apis mellifera L.) is a non-target-organism of major interest for humans. On their flights around the beehive they collect water, pol-len, nectar, honeydew and tree resin. The proteins originating from the pollen are im-portant for nutrition and development of larvae and adults. Pollen is stored and fer-mented inside the hive as beebread and is made of hundreds of pollen loads of differ-ent plants collected over a longer period. Pesticide residue analyses of beebread is a common tool to estimate the contact of honeybees to pesticides in the field. However, such beebread analyses cover a larger time frame and a mixture with uncontaminated pollen will dilute the maximum residue levels of certain plant pollen. Therefore, pesti-cide analysis of bee bread is only an approximate approach to estimate the real pesti-cide exposition. Thus, pollen pellets were collected daily at three distinct sites with differences in agri-cultural intensity in Baden-Württemberg from 2012 - 2016 during the agronomic active season (spring/summer). We wanted to give detailed information on the daily contact to pesticides as well as changing pesticide frequencies and combinations throughout the season. 281 pollen pellet samples, each representing a single day, were analyzed for 282 active ingredients currently used in agricultural practice (publication 1). Huge qualitative and quantitative differences in the pesticide load between the sites were discovered. The meadow site near Göppingen was the least contaminated. In five ob-servation years only 24 different substances were found in 56 % of the samples with concentrations up to 300 µg/kg. The more intensive site in Ertingen is characterized by grains and maize for biogas plants. Only 13 % of the samples were uncontaminated, in the remaining samples 37 substances with maximal concentrations up to 1,500 µg/kg were detected. The site with the highest occurrence of crop protection was close to Heilbronn. Permanent crops such as wine and orchards shape the landscape. The high-est detected concentration was 7,178 µg/kg. All samples were contaminated with up to 58 different substances. During the five years of observation 73 different pesticides were found. Due to admis-sion regulations, there was a high likelihood to find 84 % of these substances in pollen. Twelve substances were found that are either not registered as plant protection prod-ucts or are not supposed to get in contact with bees. This indicates a need for further improvement of seed treatments and increasing awareness of flowering shrubs, field margins and pesticide drift. Concluding from the majority of concentrations and pesti-cides found, we assume no misuse of pesticides by the farmers at our three sites in the observation period, which would lead to direct intoxication. Considering LD50 values, the here detected concentrations are sub-lethal for honeybees. However, at any tested site and in most of the samples a mixture of different pesticides was found. Yet, it is not known, whether there are effects caused by a combination of different pesticides in sub-lethal concentrations when consumed chronically by honeybees. Therefore, we conducted a field experiment with free-flying honeybee colonies (publi-cation 2). Mini-hives containing about 2,500 bees and sister queens were established at the Apicultural State Institute. Queens were confined to an empty frame to receive lar-vae of known age. These bees were intended to feed on pesticides chronically in two crucial life stages. After larvae hatched from the eggs and after adults hatched from the cells they were fed a pollen-honey diet contaminated with a cocktail of twelve dif-ferent active ingredients in field-realistic concentrations. In colonies treated with a pes-ticide mixture, larval weight was higher and acini diameters of the hypopharyngeal glands of nurse bees were smaller than in the untreated control. However, brood termi-nation and adult lifespan did not differ between both groups. Despite feeding a pesti-cide cocktail chronically starting on the first day of larval being, no obvious negative side-effects in worker bees were detected. It raises the question, if nurse bees, which feed on the contaminated pollen-honey diet, produce larval food and feed larvae, serve as a filter system so that larvae would not come into contact with the pesticides. To determine the fate of pesticides originating from the pollen source, we started a queen rearing (publication 3). Frames with 24 h old larvae were hang into queenless free flying mini-hives. At the same time, the colo-nies were fed a pollen-honey diet containing a cocktail of 13 commonly used pesti-cides in high concentrations. The royal jelly (RJ) fed to the larvae by nurse bees was harvested from the queen cells and subjected to a multi-pesticide residue analysis. Sev-en substances were rediscovered in traces (76.5% of all detections were below 1 μg/kg). However, worker larvae older than three days receive a modified jelly, containing pol-len coloring the food yellowish. That is why we were wondering if contaminated pol-len might have a different effect on the food of worker larvae. Queens of free-flying mini hives were caged to receive larvae of known age. The colonies received a pollen-honey diet, contaminated with high concentrations of a pesticide mixture (publication 4, submitted). Worker jelly (WJ) was harvested on four successive days from larval age three to six and subjected to a multi-pesticide residue analysis. Pesticide concentrations increased with larval age and ranged between 2.9 and 871.0 µg/kg for the different substances and age groups. As the increase of substances in the WJ positively corre-lates with the amount of pollen grains counted in the larval food, we were able to show a direct relationship between the administered pollen in the food and the pesticide concentrations. Considering the maximum food uptake rates of a worker larvae, even the highest con-centrations found, would lead solely to sub-lethal amounts. Even for queens, who con-sume RJ not only as larvae but during their whole life would consume only sub-lethal pesticide concentrations. Especially considering the not-field realistic concentrations we chose for our experiments. Probably, the sub-lethal effects found in our first exper-iment are due to the sub-lethal concentrations worker larvae have taken up chronically during their development. Even though we did not detect acute intoxication symptoms and the concentrations in the brood food are sub-lethal, we cannot infer whether there are impairments of fitness or brood success of honeybee colonies in the long term. However, as honeybee colonies are considered as superorganisms, they are able to tol-erate stressors or the loss of individuals. Therefore, the detection of sub-lethal effects on colony-level in the field is difficult. Yet, a vast problem arises with solitary living insects, for example wild bee species, which are more prone to stressors such as pesti-cides. Solitary insects have more restricted flight and collecting areas, get into contact with pesticides in pollen directly as larvae and have almost no buffer capacities.