Doctoral thesis

Insect and mollusc communities in wildflower strips : effects of plant diversity and surrounding landscape in an agro-ecosystem

    25.01.2013

II + 161 p.

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2013

English German Agricultural land covers approximately 38% of the world's land area, so its contribution to biodiversity is critical for successful conservation in the future. Managed in the right way, agriculture can contribute to the conservation of high-diversity systems, which may provide important ecosystem services such as pollination and biological control. The identification of environmental factors that structure biodiversity is central to the assessment of the impact of land use and climate changes and the planning of conservation strategies. The quality, proportion and spatial arrangement of semi-natural habitats and overall habitat heterogeneity in intensively-used agricultural landscapes are thought to play major roles. Aiming to better understand community organization in spatially-structured ecosystems, we made use of sown wildflower strips. Over the last decade, these ecological compensation zones have been established in the matrix of our intensive agriculture to conserve biodiversity. We conducted a semi-natural experiment in wildflower strips, manipulating trophic structure (reduction of herbivorous molluscs and of major predators) and plant diversity (2, 6, 12, 20 and 24 sown species) to assess the effect of plant diversity, biomass and composition on different functional groups of invertebrates that are of specific importance for agriculture. First we experimentally assessed the effect of plant diversity, biomass and composition on molluscs, and vice versa, the effect of mollusc abundance on vegetation. We showed that plant diversity, structure and composition can have substantial effects on mollusc abundance and composition. The agricultural pest species Arion lusitanicus was less abundant in more diverse habitats. Species rich communities thus appear to be more resistant against generalist herbivores. Plant species composition was the most important determinant of the gastropod community. Thus selective feeding and active habitat choice in molluscs might be the reason for lower abundances in diverse habitat patches. An optimization of the species composition of wildflower strips could thus reduce their attractiveness to slugs. We also provide evidence for a significant decrease in plant species richness caused by molluscs after three years of the experiment, resulting in a compositional change of the vegetation. Our results demonstrate the protective role of plant biodiversity against generalist herbivores, which would otherwise negatively impact plant diversity on a longer term, driving the system along a "low plant diversity – high mollusc abundance" trajectory. Second, we focused on hymenopteran-based food webs in standardized trap nests that allowed us to study species richness, abundance, and quantitative interactions of aboveground nesting bees and wasps that act as pollinators and biological control agents, and their natural enemies. We simultaneously analyzed the effects of plant species richness, vegetation structure and plant composition on these trap-nesting communities at a small spatial scale. Decreasing plant species richness resulted in lower wasp species richness and fewer brood cells of spider-predating wasps. However, for some functional groups, namely bees, aphidand herbivore-predating wasps, we found no effects of vegetation. Spider abundances in the wildflower strips were regulated by top-down and bottom-up control by spider-predating wasps and herbivores, respectively. Our results indicate that plant diversity loss has strong effects on mobile hymenopterans that are limited by the load of their prey. We conclude that preserving even small biodiversity hotspots with a particular rich plant composition can benefit the conservation of biodiversity in agricultural landscapes. Third, we assessed the diversity and abundance of the trap-nesting communities at the landscape scale, and compared the importance of landscape composition and heterogeneity, of spatial arrangement, and of vegetation diversity, composition and structure on the complexity and the organisation of the hymenopteran food web. The proportion of forest cover close to wildflower strips stood out as the most influential landscape element, resulting in a richer trap nest community with more links between species in the food webs and a higher diversity of interactions. Forest close to wildflower strips increased the quantitative food-web metrics vulnerability and generality, while plant species richness was positively related to compartmentalization. Our study revealed the necessity to restore a dense network of flower-rich habitat patches in agricultural landscapes and also to conserve a diverse landscape mosaic with high proportions of woody habitat, in order to 1) ensure long-term sustainability of ecosystem services such as pollination and biological control, and 2) attract fewer, and maintain a low impact of potentially problematic herbivores. Fast 38% der Landfläche unserer Erde wird landwirtschaftlich genutzt. Ihr Beitrag zur Biodiversität ist deshalb wichtig für den Umweltschutz. Wenn landwirtschaftliche Flächen nachhaltig genutzt werden, können sie zu einer hohen Diversität beitragen, was sich positiv auf sogenannte Ökosystemleistungen wie Bestäubung und biologische Schädlingsbekämpfung auswirkt. Die Identifizierung von Umweltfaktoren, welche die Biodiversität erhöhen, ist wichtig für die Einschätzung des Einflusses der Landnutzung und der Planung von Umweltschutzstrategien. Die Qualität, Fläche, räumliche Verteilung und Heterogenität von naturnahen Habitaten spielen eine wichtige Rolle in intensiv genutzter landwirtschaftlicher Fläche. Mit dem Ziel Lebensgemeinschaften in räumlich-strukturierten Ökosystemen besser zu verstehen und damit schützen zu können, führten wir eine Studie in Buntbrachen durch. Im letzten Jahrzehnt wurden diese ökologischen Ausgleichsflächen innerhalb von landwirtschaftlichen Flächen etabliert, um die Biodiversität zu erhöhen. Für unsere Studien etablierten wir 12 Buntbrachen in intensiv genutzter Landwirtschaft und manipulierten die Abundanz von Herbivoren (Schnecken und Kleinsäugern) und ihren natürlich vorkommenden Feinden (Igeln, Raubvögel und Füchsen), sowie die Artenvielfalt von Pflanzen (2, 6, 12, 20 und 24 gesäte Arten). Somit konnte der Effekt der Vegetation auf verschiedene landwirtschaftlich relevante Invertebraten Gruppen gemessen werden. Im ersten Experiment untersuchten wir den Effekt der Pflanzenmischung, Diversität und Struktur auf Schnecken, und vice versa, den Effekt der Schnecken auf die Vegetation. Unsere Ergebnisse zeigten, dass alle drei Vegetationsmerkmale einen wesentlichen Einfluss auf die Schneckenanzahl und Zusammensetzung haben. Vor allem die Art, die den grössten landwirtschaftlichen Schaden hervorruft, Arion lusitanicus, die Spanische Wegschnecke war viel weniger häufig in einem Habitat mit hohem Pflanzenartenreichtum. Wir schliessen daraus, dass artenreiche Flächen resistenter gegen generalistische Pflanzenfresser sind. Die Artenzusammensetzung der Pflanzen hatte bei weitem, den größten Einfluss auf die Schneckengemeinschaft. Der selektive Fraß und aktive Habitatswahl sind Gründe für eine geringere Anzahl an Schnecken in artenreichen Flächen. Eine Optimierung der Pflanzenartenmischung in Buntbrachen könnte somit ihre Attraktivität für Schnecken reduzieren. Der Pflanzenartenreichtum wurde drastisch durch den Schneckenfraß reduziert, was zu einer Veränderung der Pflanzenmischung führte. Unsere Ergebnisse zeigten somit eine Schutzfunktion der Pflanzendiversität gegen generalistische Herbivoren, welche wiederum einen negativen Einfluss auf die Pflanzendiversität haben können, was längerfristig zu „niedriger Pflanzendiversität bei hoher Herbivorenzahl“ führen könnte. Im zweiten Experiment analysieren wir Gemeinschaften und Nahrungsnetzte basierend auf solitären Bienen und Wespen in standardisierten Nisthilfen. Diese ermöglichten uns den Artenreichtum und die Abundanz dieser Bestäuber, und natürlichen Feinden von landwirtschaftlichen Schädlingen, ihren eigenen Feinden und ihrer Beute zu bestimmen. In unserer ersten Studie an diesem System untersuchten wir klein-räumliche Effekte der Pflanzenmischung, Diversität und Struktur auf diese Lebensgemeinschaften. Unsere Ergebnisse zeigten einen starken Rückgang der Wespendiversität mit sinkendem Pflanzenartenreichtum und eine geringere Abundanz an spinnenfressenden Wespen. Für andere trophische Gruppen, wie bienen- und herbivorenfressenden Wespen fanden wir entgegen unserer Erwartung keinen Einfluss. Desweiteren zeigte sich, dass die Spinnengesellschaft wahrscheinlich durch die spinnenfressenden Wespen von oben und gleichzeitig durch die Abundanz ihrer Beute von unten reguliert wird. Anhand unserer Studie konnten wir zeigen, dass ein Pflanzenartenrückgang einen Einfluss auf mobile Insekten haben kann, wenn diese stark von Grösse und Gewicht ihrer Beutetiere limitiert werden. Wir schlussfolgern, dass die Etablierung und Erhaltung von selbst kleinen Biodiversitäts- „Hotspots“ in der Landwirtschaft von grossem ökologischem Nutzen sein kann. Im dritten Experiment untersuchten wir wieder die Diversität und Abundanz der Bienen- und Wespengemeinschaften, aber diesmal auf der Landschaftsebene. Hierzu studierten wir den Einfluss der Landschaftszusammensetzung, der räumlichen Verteilung der Buntbrachen und der Vegetation auf die Artenzusammensetzung in Nisthilfen und die Struktur der Nahrungsnetze. Waldflächen in der Nähe von Buntbrachen hatten den stärksten Einfluss, was sich in einem größeren Artenreichtum der Nisthilfenbewohner und einer größeren Diversität an Interaktionen wiederspiegelte. Waldflächen in der Umgebung von Buntbrachen beeinflussten auch die quantitativen Messwerte und die Struktur der Nahrungsnetze, was theoretisch zu einer höheren Stabilität der Gemeinschaften führt. Unsere Studie zeigte, dass in intensiv genutzter Agrarlandschaft ein dichtes Netz von artenreichen Ausgleichsflächen mit einem hohen Anteil an Waldflächen wichtig ist, um 1) Ökosystemleistungen wie Bestäubung und biologische Schädlingsbekämpfung langfristig zu erhalten, sowie 2) die Anzahl und den Einfluss von problematischen Herbivoren zu reduzieren.
Faculty
Faculté des sciences
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  • English
Classification
Biology
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  • Ressource en ligne consultée le 10.04.2013
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