Interactions of farming and plant biodiversity in weed control related ecosystem service provision and weed conservation

Abstract

There is evidence that diverse plant communities in terrestrial ecosystems are either more stable or more productive in terms of food web support and ecosystem service provision. In agro-ecosystems, characterized by high disturbance and external inputs, plant diversity and their services can only be provided by weeds. In the first study, vegetation recordings and farmer surveys were conducted in on-farm experiments in two regions of Southwestern Germany. The aim was to examine the effects of agricultural management on weed community composition, weed biodiversity and occurrence of rare arable weed species in cereal fields. Weed biodiversity was influenced mainly by crop species, herbicide use and farming system as well as nitrogen and light availability. Weed communities were quite similar in both study regions and dominated by Alopecurus myosuroides, Galium aparine, Viola arvensis, Polygonum convolvulus and Veronica persica. A redundancy analysis revealed that the weed community was mainly shaped by crop species, tillage, location in the field and timing of herbicide application. The results highlight the erosion of weed communities due to intensive agricultural practices and emphasize the conservation of weed biodiversity per se and rare arable weed species in particular. The next aim was to examine if this biodiversity is able to support weed control related ecosystem services, like the predation of weed seeds. The objectives of this study were to investigate the connection between weed biodiversity, Carabid beetle diversity and weed seed predation as well to evaluate the role of farming intensity in this sequence. For this purpose, on-farm experiments were performed on the Eastern Swabian Alb. A positive correlation between weed biodiversity and Carabid beetle diversity was identified as well as a pattern of medium Carabid beetle diversity providing the highest weed seed predation. There was no consistent influence of farming intensity on weed seed predation. The revealed connection between weed diversity, Carabid beetle diversity and weed seed predation highlights the role of plants in food web support and subsequent ecosystem service provision. The utilization of these services depends on the promotion of biodiversity by designing appropriate management strategies. In the next step, the general principles underlying ecosystem service provision by biodiversity, were conveyed to a cover cropping system. The aim was to test single sown cover crops and species mixtures in terms of weed suppression efficacy and reliability. For this purpose, cover crop species were sown singly and as mixtures in a field experiment. Lower weed dry matter and weed densities were found predominantly in treatments with favorable establishment and above-average biomass production. Mixtures performed much more homogeneous in regard to the measured parameters compared to single sown cover crops. The results suggest that, although particular single sown cover crops are more effective to control weeds than mixtures, mixtures are more reliable under changing conditions. Altering the species composition of cover crop mixtures according to more complementary traits might further improve their weed control efficacy. The results of this dissertation demonstrate the importance of plant biodiversity in the provision and reliability of weed control related ecosystem services, either by weeds themselves or by specifically designed cover crop mixtures. Furthermore, management factors influencing weed biodiversity were determined, which can aid in the creation of more sustainable management strategies for a diverse agroecosystem and the conservation of rare arable weed species.

Man nimmt an, dass artenreichere Pflanzengesellschaften eine stabilere Unterstützung des Nahrungsnetzes gewährleisten und produktiver in der Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen sind. In Agrarökosystemen, die sich durch hohe Störungsfrequenzen und externe Inputs auszeichnen, können Pflanzenvielfalt und deren Leistungen nur durch Unkräuter bereitgestellt werden. In der ersten Studie wurden Vegetationsaufnahmen in On-Farm-Experimenten und Umfragen unter Landwirten in zwei Regionen Südwestdeutschlands durchgeführt. Ziel war es, die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung auf die Zusammensetzung der Unkrautgesellschaften, die Unkraut-Biodiversität und das Vorkommen seltener Ackerunkräuter in Getreidefeldern zu untersuchen. Die Biodiversität von Unkräutern wurde hauptsächlich durch die Kulturpflanzenart, den Einsatz von Herbiziden und das Anbausystem sowie Stickstoff- und Lichtverfügbarkeit beeinflusst. Die Unkrautgesellschaften waren in beiden Studienregionen sehr ähnlich zusammengesetzt und wurden von Alopecurus myosuroides, Galium aparine, Viola arvensis, Polygonum convolvulus und Veronica persica dominiert. Eine Redundanzanalyse ergab, dass die Unkrautgesellschaft hauptsächlich durch Kulturpflanzenart, Bodenbearbeitung, Lage der Aufnahmefläche im Feld und Zeitpunkt der Herbizidanwendung geprägt wurde. Die erzielten Ergebnisse weisen auf einen Rückgang der Diversität von Unkrautgesellschaften durch intensive landwirtschaftliche Praktiken hin. Weiterhin verdeutlichen sie die Notwendigkeit der Erhaltung der Unkrautbiodiversität an sich und den Schutz seltener Unkrautarten im Besonderen. Nachdem die wichtigsten Faktoren für das Zustandekommen von Unkrautbiodiversität identifiziert wurden, sollte untersucht werden, ob diese biologische Vielfalt in der Lage ist, Ökosystemdienstleistungen, die zur Unkrautbekämpfung beitragen, zu unterstützen. Eine wichtige regulierende Ökosystemdienstleistung, die durch die Nahrungskette bereitgestellt wird, ist der Verzehr von Unkrautsamen durch wirbellose Tiere und Wirbeltiere. Die Studie hatte zum Ziel, den Zusammenhang zwischen Unkrautbiodiversität, Laufkäferdiversität und Unkraut-Samenprädation zu untersuchen sowie die Rolle der landwirtschaftlichen Intensität in dieser Abfolge zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden im Ostalbkreis On-Farm-Experimente angelegt und, unter Verwendung von Vegetationsaufnahmen, Bodenfallen und Samenkarten, die Unkrautbiodiversität, Laufkäferdiversität und Unkraut-Samenprädation gemessen. Es wurde ein positiver Zusammenhang zwischen der Unkrautbiodiversität und der Laufkäferdiversität festgestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine mittlere Laufkäferdiversität (2-8 Arten) das höchste Level an Unkraut-Samenprädation aufwies. Die Bewirtschaftungsintensität hatte keinen einheitlichen Einfluss auf die Unkraut-Samenprädation. Der festgestellte Zusammenhang zwischen Unkrautvielfalt, Laufkäferdiversität und Unkraut-Samenprädation verdeutlicht die Rolle von Pflanzen in Nahrungsnetzen und deren Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen. Um diese Dienstleistungen zu nutzen, muss Biodiversität durch die Gestaltung geeigneter Bewirtschaftungssysteme gefördert werden. In der dritten Studie wurden die grundlegenden Prinzipien der Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen durch Biodiversität auf den Anbau von Zwischenfrüchten übertragen. Das Ziel dabei war, Artenmischungen und Zwischenfrüchte in Reinsaat auf die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der Unkrautunterdrückung zu testen. Zu diesem Zweck wurden sechs Zwischenfruchtarten einzeln und als Mischungen in einem Feldversuch ausgesät und in der Herbstsaison untersucht. Behandlungen mit guter Etablierung der Zwischenfrüchte und überdurchschnittlicher Biomasseproduktion wiesen überwiegend die geringsten Unkrauttrockenmassen und -dichten auf. Die Mischungen verhielten sich, in Bezug auf die gemessenen Parameter, wesentlich einheitlicher als die Zwischenfrüchte in Reinsaat. Obwohl bestimmte Zwischenfrüchte in Reinsaat effektiver bei der Unkrautbekämpfung waren, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Mischungen unter wechselnden Bedingungen zuverlässiger sind. Eine Änderung der Artenzusammensetzung der Zwischenfruchtmischungen durch Auswahl von sich ergänzenden Pflanzeneigenschaften könnte deren Wirksamkeit in der Unkrautbekämpfung weiter verbessern. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation veranschaulichen die Bedeutung der pflanzlichen Biodiversität für die Bereitstellung und Zuverlässigkeit von Ökosystemdienstleistungen mit Unkrautbekämpfungscharakter. Diese werden dabei entweder durch Unkräuter selbst oder durch speziell entwickelte Zwischenfruchtmischungen bereitgestellt. Diese Arbeit hatte zum Ziel, die Wechselwirkungen zwischen landwirtschaftlicher Praxis, Artenvielfalt der Pflanzen und Ökosystemdienstleistungen zu untersuchen und das gewonnene Wissen zur Optimierung von Naturschutzbemühungen und zur Entwicklung biologischer Unkrautbekämpfungsstrategien zu nutzen.