Effects of different energy cropping systems on plant diversity in Central German agricultural landscapes
Der große Artenreichtum der mitteleuropäischen Kulturlandschaften ist zu weiten Teilen unmittelbar von bestimmten extensiven Formen der Landbewirtschaftung abhängig. Vielfältige, artenreiche Biozönosen waren und sind ein wichtiger Bestandteil landwirtschaftlicher Nutzflächen. Sie haben sich seit dem Neolithikum im Wechselspiel mit den landwirtschaftlichen Wirtschaftsweisen kontinuierlich weiterentwickelt. Erst als synthetische Pflanzenschutzmittel, Mineraldünger und leistungsstarke Landmaschinen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts weite Verbreitung erfuhren, setzte ein bis dato beispielloser, stetiger und schneller Rückgang der Artenvielfalt von Äckern, Wiesen und Weiden ein. Trotz politischer Absichtserklärungen den raschen Artenschwund zu stoppen, hat sich der Druck auf die verbleibenden Populationen auch in den letzten Jahren weiter erhöht. Der Klimawandel und der Wunsch die Abhängigkeit von endlichen fossilen Energieträgern zu reduzieren, haben dazu geführt, dass die Nachfrage nach Ackerland zum Anbau von Energiepflanzen, bedingt durch einschlägige Subventionen, stark gestiegen ist. Nur wenige wissenschaftliche Publikationen haben sich bisher mit den Folgen der schnellen Ausweitung des Energiepflanzenanbaus Ackerflora beschäftigt. Diese Dissertation soll dazu beitragen, diese Lücke durch Untersuchungen der Habitatbedingungen (Bewirtschaftungsmethoden, Lichtklima im Bestand, Bodenchemie) und der Phytodiversität in verschiedenen Energiepflanzenbeständen (Silomais zur Biogaserzeugung, Winterraps zur Biodieselherstellung, Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Pappeln oder Weiden zur Hackschnitzelverbrennung) zu schließen. Die Energiepflanzenbestände wurden zudem mit konventionellem Wintergetreide zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion (Winterweizen und -gerste) und mit extensiven Weizenbeständen aus Agrarumweltmaßnahmen (AUM) verglichen. Die Untersuchungsergebnisse weisen eindeutig darauf hin, dass die eigentlichen Ursachen des starken Phytodiversitätsverlustes auf Äckern weiter reichen und grundlegender sind als der Anbau von Energiepflanzen. Es wurde gezeigt, dass die Phytozönosen im Inneren von Bioenergiemais- und Rapsäckern sowie auch in Wintergetreidebeständen extrem verarmt sind (im Mittel 3–6 Arten 100 m 2). Die durchschnittliche Stickstoffdüngung (195 kg N ha-1 a-1) und der Herbizidbehandlungsindex (HI = 1.8) waren sowohl in Mais- als auch in Winterweizenbeständen ähnlich hoch. Eine Bedrohung für die Pflanzenartenvielfalt durch übermäßige Phosphatdüngung (im Mittel 96 kg P2O5 ha-1 a-1) wurde jedoch vor allem beim Maisanbau festgestellt. Zudem war die Beschattung in Maisbeständen erhöht (11 % PAR Transmissivität im Vergleich zu 19 % in Wintergetreide), was mit einem Rückgang der mittleren Artenzahlen am Feldrand einherging (11 Arten 100 m-2 im Mais, 15 Arten 100 m-2 in Wintergetreide). Die Pflanzengesellschaften konventioneller Äcker wurden regionsübergreifend von nur 5–10 häufigen Problemunkrautarten dominiert. Maisbestände wiesen als Sommerkulturen eine von Winterkulturen leicht abweichende Artenzusammensetzung auf. Eine ausgeglichene Mischung von konventionellem Mais, Winterraps und Wintergetreide in der Agrarlandschaft bietet mehr Arten einen geeigneten Lebensraum als jede dieser Kulturen für sich genommen. Insgesamt waren die Habitatbedingungen auf den im Rahmen von AUM extensiv bewirtschafteten Äckern jedoch wesentlich heterogener und boten einer weitaus größeren Zahl von Pflanzenarten (darunter auch seltene und bedrohte Taxa) geeignete Lebensbedingungen. Im Mittel wurden 21 Arten 100 m-2 im Inneren und 33 Arten am Feldrand gezählt. Auch die Regressionsmodelle weisen darauf hin, dass moderate Beschränkungen der Herbizidbehandlungsintensität oder der Düngung, die sich im Rahmen der zur Zeit üblichen konventionellen Bewirtschaftungspraktiken bewegen, kaum dazu beitragen den Rückgang der Ackerflora zu stoppen. Neue, an die jeweiligen regionalen Gegebenheiten angepasste Konzepte und extensive Ackerhabitate sind hierzu unerlässlich. Die Vegetationsaufnahmen zeigen zudem, dass die Phytodiversität von KUP mit dem Alter der Plantagen stark zurückgeht. Junge KUP, ohne Düngung und mit nur geringem Herbizideinsatz, wiesen eine mit frühen Sukzessionsstadien von Ackerbrachen vergleichbare Artenzusammensetzung auf. Im Gegensatz hierzu wurden die 5–8 jährigen, dichtgepflanzten Plantagen von wenigen stickstoffliebenden Habitatgeneralisten dominiert. Obwohl sie seit mehreren Jahren weder gedüngt noch mit Herbiziden behandelt wurden, waren diese Bestände zudem dunkler (1–4 % PAR Transmissivität) und nur wenig artenreicher (8–19 Arten 75 m-2) als einjährige Energiepflanzenkulturen. Die Pflanzung von 5–20 m breiten Energieholzstreifen zur Zerteilung großer Schläge in strukturarmen, landwirtschaftlichen Intensivregionen kann jedoch aus naturschutzfachlicher Sicht empfohlen werden, insbesondere wenn Maßnahmen nur Erhöhung der Habitatvielfalt in den Plantagen ergriffen werden. Um die grundlegenden Ursachen des Pflanzenartenschwundes in Agrarlandschaften zu beheben, erscheint es jedoch darüber hinaus dringend notwendig, ein langfristig angelegtes Netzwerk extensiver Feldflorareservate zu begründen, um dauerhaft überlebensfähige Ackerwildkrautpopulationen zu erhalten und eine Ausbreitung dieser Arten in die weitere Agrarlandschaft in Zukunft wieder zu ermöglichen. Um politische Entscheidungsfindungen zu unterstützen, erscheint es notwendig im Rahmen von zukünftigen Forschungsprojekten den Blickwinkel vom Feld auf die Landschaftsebene zu erweitern und verbleibende offene Fragen über die Wirkungen der Ackerflora auf andere taxonomischen Gruppen zu klären. ; The rich biodiversity of the Central European farmland is to a large extent directly dependent on human management decisions. Diverse and dynamic biocoenoses have developed in mutual interactions with farming practices, and have been an integral part of agricultural land ever since the Neolithic. In the middle of the 20th century, when synthetic biocides, mineral fertilisers and more powerful machinery became widely available, an unprecedented, steady and rapid erosion of farmland biodiversity commenced. Despite political declarations of intentions to slow biodiversity loss, pressure on farmland biodiversity has been further increasing in recent years. In the face of climate change and to reduce the dependency on limited fossil fuels, the subsidy-driven bioenergy boom is increasing the demand for arable land to cultivate the required feedstocks. Only few scientific publications have yet addressed the consequences of the rapid expansion of energy cropping on farmland plant diversity. This thesis aimed to contribute to filling this gap, by recording the habitat conditions (field management, light regime, soil chemical properties) and the plant diversity in different energy cropping systems (maize for anaerobic digestion, oilseed rape for biodiesel and poplar/willow short rotation coppices (SRC) for wood chip combustion). Subsequently, the energy cropping systems were compared to conventionally managed food/fodder crops (winter-sown wheat and barley) and to winter cereal fields managed extensively according to an agri-environmental scheme (AES). The results show clearly that the underlying root causes of the strong decline in arable plant diversity extent far beyond energy cropping. We found the arable plant assemblages in the field interior to be extremely impoverished in energy maize and oilseed rape fields as well as in conventionally managed winter-sown wheat or barley (on average 3–6 species 100 m-²). The mean nitrogen fertilisation rate (195 kg N ha-1 yr-1) and herbicide use intensity (HI = 1.8) were shown to be similarly high for maize and winter wheat. Excessive phosphorus fertilisation (on average 96 kg P2O5 ha-1 yr-1) was, however, discerned as a threat to plant diversity which mainly applies to maize production. Maize was also found to be more shading (11% PAR transmissivity vs. 19% in winter cereals) and consequently less species rich at the field margins than winter cereals (11 and 15 species 100 m-2 respectively). Across study regions, the arable plant communities of conventionally managed fields were typically dominated by the same set of only 5–10 common weedy species. We found (summer-sown) maize stands to offer habitats to a slightly different set of arable plant species than fields cultivated with winter-sown crops. A balanced mixture of maize, oilseed rape and winter cereals at the landscape scale consequently offers habitats to a wider range of arable plant species than any of these crops alone. Habitat conditions on extensively managed fields cultivated according to an AES were, however, found to be much more heterogeneous and suitable for a far greater range of species, including rare and threatened taxa (on average 21 species in the interior and 33 species 100 m-2 at the field margins). Our models also demonstrate that moderate reductions in herbicide use intensity or fertilisation while staying within the range of currently practiced conventional farming techniques can hardly be expected to reliably halt the decline in arable plant diversity. Novel, regionally adapted approaches and extensively managed arable habitats are urgently needed. The plant diversity of SRC was found to decline strongly with plantation age. Young, low-input SRCs showed a community composition similar to early successional fallow land. Contrarily, 5–8 year old densely planted SRCs were found to be dominated by a set of few generalist, nitrophilous species. They were more shading (1–4% PAR transmissivity) and only slightly more species rich (8–19 species 75 m-2) than annual energy crops, despite not being fertilised or treated with herbicides for several years. The planting of 5–20 m wide SRC strips dividing larger fields with annual crops, can nevertheless be recommended in structurally impoverished, intensively managed agricultural landscapes, particularly if measures to increase the variability of habitat conditions in the coppices are applied. To address the root causes of plant diversity loss on farmland it seems, however, additionally paramount to create a permanent network of extensively managed field sanctuaries to maintain viable source populations which can potentially disperse to the wider agricultural landscapes in the future. To effectively inform policy makers, future research on energy cropping and farmland plant diversity should broaden the focus from the field to the landscape scale and address remaining open questions with regard to the interactions of arable plant diversity with other taxonomic groups.