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Land-use mediated effects on communities and single species of herbivorous insects

Chisté, Melanie Nicole :
Land-use mediated effects on communities and single species of herbivorous insects.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Land-use mediated effects on communities and single species of herbivorous insects
Language: English
Abstract:

Anthropogenic land use is an established driver of biodiversity loss. The complexity and far-reaching consequences of land-use effects needs broad and intensive research. Besides small-scale studies, which are important to focus upon habitats, large-scale studies are essential to fully examine global implications of anthropogenic land-use. The present study comprises both small- and large-scale investigations aiming to understand the impacts of land-use intensity on herbivorous insects in grassland ecosystems. The goal of the study was to understand the effects of intensified land-use on 1) whole communities, 2) single species, and 3) to understand the direct effects of resource-fertilization on herbivores. The first and second research chapters examine the effects of compound land-use intensity and its three management types fertilization, mowing and grazing on Orthoptera, and Auchenorrhyncha (plant- and leafhoppers) community as well as single-species responses. Both groups are important insect-herbivores covering two major feeding guilds: leaf chewers (Orthoptera) and sap suckers (Auchenorrhyncha). To cover a broad gradient of land-use intensity defined by fertilization, mowing and grazing intensity, 150 grassland sites have been sampled. The studies were part of the Biodiversity Exploratories: a German-wide long-term project investigating land-use effects on biodiversity and ecosystems. In chapter I, the effects of land-use intensity on diversity and abundance of Orthoptera were evaluated. In addition to my own intensive sampling in 2014, the data of a six-years sampling period (2008 – 2013) has been considered. We found diversity declines of Orthoptera with increasing compound land-use intensity, fertilization, mowing and grazing intensity. Abundance declined with increased mowing and grazing intensity, but was not affected by compound land-use and fertilization. The longer the time period after the last mowing date, the higher were diversity and abundance. Additionally we calculated a land-use niche for each Orthoptera species, which reflects the main occurrence of this species along the land-use gradient and gives insight into its susceptibility to land use. Comparing the species distribution with an expected distribution based on a randomization approach, we characterized ‘losers’ and ‘winners’ of high land-use intensity. The niche model detected half of the species as losers of intensive land-use and only three winners. Fertilization was the most detrimental management type on the species level, as we found no winners and many losers, followed by mowing and grazing. In chapter II we examined land-use effects on α- and β-diversity of Auchenorrhyncha communities. While α-diversity comprises species richness of the sites, β-diversity describes the differences in community composition between sites. In our study we sampled 140 grassland sites by collecting Auchenorrhyncha of five randomly chosen plots of 1 m2 each within the sites. This sampling method allowed us to both gather density/m2 and obtain five different communities within the sites. The latter enabled us to describe land-use effects on β-diversity within the sites by comparing the differences in community composition and species turnover among the five plots. We found decreasing β-diversity with increasing compound land-use intensity, that is, communities within sites become more homogenous with increasing land-use. Species richness as well as density of Auchenorrhyncha declined with compound land-use, fertilization and mowing intensity and were not affected by grazing. We also considered the species-specific view on the community with the above-described niche-model and found a high proportion of species being losers of high compound land-use intensity. Zooming into the management types, Auchenorrhyncha were, on the species level, mostly impaired by mowing, followed by fertilization and grazing intensity. Correspondingly, we found that dietary specialists decreased and generalists increased with increasing land-use intensity. Chapter III presents direct fertilization-mediated resource-effects on grasshopper preference and performance. The study was conducted in the laboratory and the botanical garden where we grew orchardgrass with four different fertilization treatments. To simulate strong fertilization we applied N and NPK fertilizer (both with high nitrogen amount); weak fertilization was simulated with manure-fertilized grass; unfertilized grass was grown as control. In a choice experiment, we provided grasshoppers of different ages and species with each N, NPK and unfertilized grass. We found that the grasshoppers generally preferred highly fertilized grass, however, there were differences between nymphs and adults and between the species. In an additional no-choice experiment, we aimed to understand food and nutrient utilization of grasshoppers that had each only one of the four fertilization-treatments as food plant. We analysed performance, N and C content of grasshopper biomass and faeces. Grasshoppers of the different treatments did not differ in survival or consumption, but N- and NPK grasshoppers had increased N-concentration in their body mass, even though plant N-concentration did not differ between the treatments. In summary, this thesis confirms the harmfulness of anthropogenic land-use on biodiversity. Both important representatives of the feeding guilds ‘leaf chewers’ and ‘sap suckers’ of insect-herbivores revealed diversity declines with an increase of land-use intensity. A few winning species replace a majority of losers of high land-use intensity and communities thus become more homogenous within managed sites. The harmfulness of fertilization that was demonstrated in chapter I and II might be rather mediated by indirect effects, such as loss of micro habitats, changes in micro climate and loss of food-plant species, than by direct resource-effects, as no fertilization-mediated differences in survival or consumption in the feeding experiments of chapter III were found. Loss of Auchenorrhyncha species is very likely mediated by loss of plant-diversity, as this group contains many dietary specialists. Loss of Orthoptera species is potentially caused by physical damage through agricultural machines and changes in vegetation and microhabitat structure. Annual changes in land-use intensity, a trend to moderate management and protection of surrounding habitats, could help to save our native grassland diversity. This thesis reveals the opportunity to gain a broad insight into the complex and various effects of land-use on biodiversity by giving attention to different levels of an ecosystem.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Anthropogene Landnutzung ist eine bekannte Ursache für den Biodiversitätsverlust. Die Komplexität der weitreichenden Konsequenzen der Landnutzung verlangen nach breitgefächerter und intensiver Forschung. Neben kleinräumigen Studien, welche besonders wichtig sind, um sich auf Habitate zu fokussieren, sind großräumige Studien essentiell, um globale Folgen der Landnutzung vollständig zu erfassen. Die vorliegende Arbeit umfasst sowohl kleinräumige als auch großräumige Studien, um die Einflüsse von Landnutzung auf herbivore Insekten in Grünlandökosystemen besser zu verstehen. Dabei ist das Ziel der Studie Landnutzungseffekte sowohl auf 1) Gesamtgemeinschaften und 2) einzelne Arten zu ergründen, als auch 3) die direkten Effekte von Pflanzendüngung auf herbivore Insekten zu verstehen. Das erste Forschungskapitel befasst sich mit den Effekten von Landnutzungsintensität und den drei Bewirtschaftungstypen Düngung, Mahd und Beweidung, auf Orthoptera (Heuschrecken), das zweite Kapitel auf Auchenorrhyncha (Zikaden). Bei beiden Gruppen handelt es sich um wichtige Vertreter der herbivoren Insekten, wobei zwei der Haupt-Ernährungstypen abgedeckt werden: die blattfressenden (Orthoptera) und die pflanzensaftsaugenden (Auchenorrhyncha) Herbivoren. Um einen breiten Landnutzungsgradienten abzudecken, der durch die Intensität von Düngung, Mahd und Beweidung definiert wird, wurden 150 Grünlandflächen beprobt. Die Studien waren Teil der „Biodiversitäts-Exploratorien“: ein deutschlandweites Langzeitprojekt, das sich mit den Effekten von Landnutzung auf die Biodiversität und Ökosysteme befasst. In Kapitel I werden die Effekte der Landnutzungsintensität auf die Diversität und Abundanz von Heuschrecken bewertet. Dazu wurden Daten aus meiner eigenen intensiven Sammelperiode im Jahr 2014 und zusätzlich die einer sechsjährigen Beprobung (2008 – 2013) berücksichtigt. Wir haben bei den Heuschrecken Diversitätsverluste durch steigende Gesamtlandnutzung und steigende Düngung, Mahd und Beweidungsintensität festgestellt. Die Abundanz verringerte sich mit steigender Mahdfrequenz und Beweidungsintensität, wurde aber nicht von der Gesamtlandnutzung und Düngeintensität beeinflusst. Je länger die Zeit nach der letzten Mahd war, desto höher waren sowohl die Diversität, als auch die Abundanz der Heuschrecken. Zusätzlich berechneten wir eine Landnutzungs-Nische für jede Art, welche das Hauptvorkommen der Art entlang des Landnutzungsgradienten widerspiegelt und die Empfindlichkeit der Art gegenüber Landnutzung aufdeckt. Durch einen Vergleich der Verbreitung einer Art entlang des Gradienten mit einem Erwartungswert, der auf einer Randomisierung basiert, konnten wir Verlierer und Gewinner von hoher Nutzungsintensität charakterisieren. Das Nischen-Modell konnte die Hälfte der Heuschreckenarten als Verlierer und nur drei Arten als Gewinner von starker Nutzungsintensität erfassen. Dabei war Düngung der schädlichste Bewirtschaftungstypen, gefolgt von Mahd und Beweidung. In Kapitel II wurden die Effekte von Landnutzungsintensität auf die α- und β-Diversität von Zikadengemeinschaften untersucht. Während die α-Diversität die Artenzahl auf den Flächen beschreibt, geht es bei der β-Diversität um den Vergleich der Gemeinschaften zwischen Flächen. In unserer Studie haben wir 140 Grünlandflächen beprobt, indem wir alle Zikaden von fünf zufällig ausgewählten Plots zu je 1 m2 aufgesammelt haben. Diese Sammelmethode erlaubte uns, sowohl die Dichte/m2 als auch fünf verschiedene Gemeinschaften innerhalb jeder Fläche zu erfassen. Letzteres ermöglichte eine Untersuchung von Landnutzungseffekten auf die β-Diversität innerhalb der Flächen, indem die fünf Plots auf Unterschiede in der Zusammensetzung ihrer Gemeinschaft und der Artfluktuation geprüft wurden. Wir konnten einen Rückgang der β-Diversität mit steigender Gesamtlandnutzung feststellen. Die Artenzahl und die Dichte der Zikaden nahmen beide mit steigender Gesamtlandnutzung, Dünge- und Mahdintensität ab, wurden aber von Beweidung nicht beeinflusst. Auch die artspezifische Betrachtung der Zikadengemeinschaft wurde erfasst; dazu wurde das oben genannte Nischen-Modell verwendet. Ein Großteil der Arten waren Verlierer von starker Nutzungsintensität. Im Bezug auf die einzelnen Bewirtschaftungstypen waren die Zikaden am empfindlichsten gegen Mahd, gefolgt von Düngung und Beweidung. Dementsprechend stellten wir fest, dass der Anteil an Nahrungsspezialisten mit steigender Landnutzung abnahm und der von Nahrungsgeneralisten zunahm. In Kapitel III werden die direkten Effekte gedüngter Pflanzen auf die Präferenz und Performanz von Heuschrecken präsentiert. Die Studie wurde im Labor und botanischen Garten durchgeführt, in welchem Wiesen-Knäuelgras kultiviert wurde, das vier verschiedenen Düngebehandlungen unterzogen wurde. Um eine starke Düngung zu simulieren wurde N und NPK-Dünger (beide in hohen Stickstoffkonzentrationen) ausgebracht; mäßige Düngung wurde durch Festmistdüngung simuliert; ungedüngtes Gras diente als Kontrolle. In einem Präferenz-Experiment, wurden Heuschrecken verschiedenen Alters und unterschiedlicher Art drei Grashalme (N, NPK, Kontrolle) angeboten. Wir fanden heraus, dass die Heuschrecken hauptsächlich stark gedüngtes Gras bevorzugten, es aber Unterschiede zwischen verschieden alten Tieren und den Arten gab. In einem anschließenden Performanz-Experiment, sollten die Unterschiede in Futter- und Nährstoffnutzung von Heuschrecken untersucht werden, die nur mit einer der vier Ressourcen (N, NPK, Kontrolle, Festmist) gefüttert wurden. Wir analysierten die Performanz und den N- und C-Gehalt der Körpermasse und der Fäzes. Die Heuschrecken der verschiedenen Behandlungsgruppen unterschieden sich nicht im Überleben oder im Futterkonsum, aber N- und NPK-Heuschrecken hatten einen höheren N-Gehalt in ihrer Körpermasse, obwohl die Pflanzen der verschiedenen Düngegruppen sich nicht im N-Gehalt unterschieden. Zusammengefasst bestätigt diese Doktorarbeit die Schädlichkeit der anthropogenen Landnutzung für die Biodiversität. Beide Vertreter der wichtigen Herbivoren-Ernährungstypen „Blattfresser“ und „Pflanzensaftsauger“ zeigten Diversitätsverluste mit steigender Nutzungsintensität. Ein paar Gewinner-Arten ersetzen den großen Teil an Verlierer-Arten und dadurch werden die Artgemeinschaften innerhalb der Flächen immer homogener. Die Schädlichkeit von Düngung die in Kapitel I und II aufgezeigt wurde, ist wahrscheinlich eher durch indirekte Effekte, wie den Verlust von Mikrohabitaten, der Veränderung des Mikroklimas und dem Verlust der Pflanzendiversität begründet, als durch direkte Ressourceneffekte; denn weder das Überleben noch der Konsum unterschied sich zwischen einzelnen Behandlungsgruppen im Futterexperiment aus Kapitel III. Der Verlust der Zikadendiversität ist wahrscheinlich durch den Pflanzendiversitätsverlust begründet, da diese Gruppe sehr viele Nahrungsspezialisten enthält. Der Verlust der Heuschreckendiversität ist potentiell durch physikalische Beeinträchtigung durch landwirtschaftliche Maschinen und die Veränderungen der Vegetations- und Mikrohabitatstruktur begründet. Jährliche Schwankungen in der Nutzungsintensität oder ein Trend zu moderaterer Bewirtschaftung und den Schutz umliegender Habitate, könnten helfen unsere heimische Grünland-Diversität zu schützen. Diese Doktorarbeit zeigt die Möglichkeit auf, einen breiten Einblick in die komplexen und unterschiedlichen Effekte der Landnutzung auf die Biodiversität zu erhalten, indem die unterschiedlichen Ebenen eines Ökosystems berücksichtigt werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Ecological Networks
Date Deposited: 20 Dec 2017 10:31
Last Modified: 20 Dec 2017 10:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71606
Referees: Blüthgen, Prof. Dr. Nico and Jürgens, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 22 September 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7160
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