Leipzig/Jena/Minnesota
November 6, 2020

Quelle: Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig 

Artenreiche Pflanzengemeinschaften haben zahlreiche Vorteile und können dazu beitragen, Schädlinge einzudämmen. (Bild: Anne Ebeling)
 

Increasing plant diversity enhances the natural control of insect herbivory in grasslands. Species-rich plant communities support natural predators and simultaneously provide less valuable food for herbivores. This was found by a team of researchers led by the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), who conducted two analogous experiments in Germany and the USA. Their results were published in Science Advances and show that increasing plant biodiversity could help reduce pesticide inputs in agricultural systems by enhancing natural biological control.

Biodiversity – the biological diversity of all species on Earth, their interactions and the diverse ecosystems they form – is crucial for providing and maintaining ecosystem functions and services in planted and natural grasslands. With an increasing demand to feed the world’s growing population by intensifying agriculture, these grasslands are put under pressure, too. Insect herbivores are causing an estimated 18-26% loss in global crop production, which has driven significant growth in the use of environmentally costly pesticides.  

To investigate whether and how increasing plant diversity can naturally reduce the impacts of herbivores on plants, an international team of researchers led by the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Leipzig University (UL) and Friedrich Schiller University Jena (FSU) made use of two long-running grassland biodiversity experiments in Europe and North America: the Jena Experiment in Germany and the Cedar Creek Biodiversity Experiment in Minnesota (USA). Over the course of two years, the scientists collected data from these two analogous experiments, providing deep insight into the food web structure of monocultures and species-rich grasslands. “These two long-term experiments have generated invaluable insight, for both fundamental and applied research, that has brought to light the importance of maintaining biodiversity,” said senior author Nico Eisenhauer, professor at UL and head of a research group at iDiv as well as speaker of the Jena Experiment.

Species-rich plant communities less attractive to herbivores

The researchers found that plants in more diverse communities lose significantly less energy to herbivorous insects. In high-diversity mixtures, the feeding rate of herbivores per gram of plant biomass was 44% lower than in monocultures. Thus, for every gram of plant biomass produced, plants lose just under half as much energy to arthropod herbivores when planted in species-rich communities. “That ultimately means that where multiple species are planted together, this will yield more plant biomass per square meter, and each individual plant in diverse mixtures will receive lower damage from herbivores,” said first author and iDiv alumnus Andrew Barnes, now senior lecturer at the University of Waikato in New Zealand.

In patches with higher plant diversity, arthropod herbivores have lower chances of encountering their preferred plant species – which makes it less likely that they will remain in these high-diversity patches. In addition, previous research had shown lower levels of tissue protein (nitrogen) in plant communities with high species richness, making these plants less nutritious for herbivores.

Predators benefit from increased plant diversity

Although the total biomass of herbivores and predators both increased in species-rich grasslands, predators benefited more strongly from diverse plant communities: Compared to monocultures, they increased notably in both their total biomass and feeding rates. A possible explanation could be that arthropod predators such as spiders, some beetles or wasps benefit significantly from the more complex habitat of high-diversity plant communities, which reduces their risk of being detected and eaten by vertebrate predators such as birds and mammals.

Increasing plant diversity, thus, has several positive side effects: Compared to monocultures, high-diversity plant communities produce more total biomass. In addition, both natural enemies and resource concentration act in concert to constrain the negative effects of herbivores on plant performance. Andrew Barnes said: “In other words, more diverse plant communities pose a double-edged problem for herbivores—that is, more predators and less preferred food—that could help to naturally reduce herbivore impacts.”

Plant biodiversity can limit herbivore pest outbreaks

By contrast, pest control that relies heavily on insecticides can lead to detrimental rebounds of herbivore pests as pesticide application may destabilise the communities of natural enemies. “Our experiments show that conserving plant diversity provides multiple benefits for controlling herbivore pests, which could play a key role in reducing inputs of agrochemicals and enhancing plant productivity,” said Andrew Barnes. Nico Eisenhauer added: “Ultimately, this study demonstrates that supporting biodiversity can leverage the sustainable management of ecosystems and the benefits to people.”

Mehr Pflanzenvielfalt, weniger Pestizide - Artenreiche Pflanzengemeinschaften tragen zur natürlichen Schädlingsbekämpfung bei

Eine höhere Pflanzenvielfalt in Wiesen verbessert die natürliche Abwehr gegen Schädlinge. Sie unterstützt natürliche Fressfeinde und bietet gleichzeitig weniger nahrhaftes Futter für pflanzenfressende Insekten. Das fand ein Forschungsteam unter Leitung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) anhand zweier Langzeitexperimente in Deutschland und den USA heraus. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in Science Advances veröffentlicht und zeigen, dass eine höhere pflanzliche Artenvielfalt zu einer verbesserten natürlichen Abwehr gegen Schädlinge und somit auch zu einem geringeren Pestizideinsatz in der Landwirtschaft beitragen könnte.

Biodiversität – die biologische Vielfalt aller Arten auf der Erde, ihre Interaktionen und die vielfältigen Ökosysteme, die sie bilden – bildet die Grundlage für viele Ökosystemfunktionen und -leistungen von natürlichem oder auch durch den Menschen angelegtem Grasland. Je größer die Anstrengungen, die wachsende Weltbevölkerung mit Hilfe einer Intensivierung der Landwirtschaft zu ernähren, desto mehr geraten auch diese Ökosysteme unter Druck. Pflanzenfressende Insekten verursachen weltweit Einbußen von 18-26 % bei der Pflanzenproduktion, was zu einem starken Anstieg beim Einsatz umweltbelastender Pestizide führt.

Ein internationales Team von Forschern unter der Leitung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), der Universität Leipzig (UL) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) hat untersucht, ob und wie eine erhöhte pflanzliche Vielfalt die negativen Auswirkungen von Pflanzenschädlingen vermindern kann. Dazu nutzten sie zwei Langzeitexperimente, die sich der Untersuchung der biologischen Vielfalt in Grasland-Ökosystemen widmen: das Jena Experiment in Thüringen und das Cedar Creek Biodiversity Experiment in Minnesota (USA). Zwei Jahre lang sammelten die Wissenschaftler Daten von diesen zwei vergleichbaren Experimenten und gewannen so tiefe Einblicke in die Struktur von Nahrungsnetzen in Monokulturen und artenreichen Wiesen. „Diese beiden Langzeitexperimente haben uns zu unschätzbaren Erkenntnissen verholfen, sowohl im Bereich der Grundlagen- als auch der angewandten Forschung. Und sie verdeutlichen, wie wichtig der Erhalt der Biodiversität ist“, sagt Letztautor Nico Eisenhauer, Professor an der UL und Forschungsgruppenleiter bei iDiv sowie Sprecher des Jena Experiments.

Artenreiche Pflanzengemeinschaften weniger attraktiv für Schädlinge

Die Forscher fanden heraus, dass Pflanzen in artenreichen Gemeinschaften deutlich weniger Energie durch pflanzenfressende Insekten verlieren. In Wiesen mit hoher Pflanzenvielfalt waren die Fraßmengen pro Gramm Pflanzenbiomasse um 44 % geringer als in Monokulturen. Für jedes Gramm der produzierten pflanzlichen Biomasse verloren die Pflanzen in artenreichen Gemeinschaften also nur knapp die Hälfte der Energie an pflanzenfressende Insekten, die Pflanzen in Monokulturen einbüßen. „Letztendlich bedeutet das bei einem Anbau von mehreren Pflanzenarten zusammen mehr pflanzliche Biomasse pro Quadratmeter und weniger Fraßschäden für die einzelnen Pflanzen“, erklärt Erstautor und iDiv-Alumnus Andrew Barnes, mittlerweile Dozent an der Universität von Waikato in Neuseeland.

Auf Flächen mit einer höheren Pflanzenvielfalt ist es weniger wahrscheinlich, dass pflanzenfressende Insekten ihre jeweilige Lieblingspflanze antreffen – was es auch weniger wahrscheinlich macht, dass sie auf diesen artenreichen Flächen bleiben bzw. in großen Mengen vorkommen. Darüber hinaus zeigten frühere Untersuchungen, dass die Pflanzen in Gemeinschaften mit einer höheren Artenvielfalt über weniger Gewebeproteine (Stickstoff) verfügen, was sie für Insekten weniger nahrhaft macht.

Fressfeinde profitieren von höherer Artenvielfalt

Zwar war in artenreichen Wiesen die Gesamtbiomasse der Pflanzenfresser höher, im Vergleich zu Monokulturen steigerte sich hier allerdings auch die Biomasse ihrer Fressfeinde und deren Fraßmenge, sie profitierten sogar wesentlich stärker. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass natürliche Feinde vieler Pflanzenschädlinge, meist Gliederfüßer wie Spinnen, Käfer und Wespen, in der komplexeren Umgebung artenreicher Flächen besser vor anderen Räubern wie Vögeln oder kleinen Säugetieren geschützt sind.

Eine höhere Artenvielfalt hat also gleich mehrere positive Nebeneffekte: Im Vergleich zu Monokulturen produzieren artenreiche Pflanzengemeinschaften mehr Gesamtbiomasse. Zudem reduzieren natürliche Fressfeinde und auch die geringere Ressourcenkonzentration die negativen Auswirkungen pflanzenfressender Insekten. „Mit anderen Worten: Eine größere Pflanzenvielfalt macht es Schädlingen auf zweierlei Weise schwer: Es gibt zum einen mehr Fressfeinde und zum anderen weniger von ihrem Lieblingsfutter. Das kann dazu beitragen, dass Fraßschäden auf natürliche Weise reduziert werden“, erklärt Andrew Barnes.

Natürliche Schädlingsbekämpfung durch mehr Pflanzenvielfalt

Im Gegensatz dazu können Insektizide zu einem Boomerang-Effekt führen, da diese die natürlichen Feinde der Schadinsekten schwächen. „Unsere Experimente zeigen, dass es mehrere Vorteile für den Pflanzenschutz hat, die pflanzliche Vielfalt zu erhalten. Das könnte eine wichtige Rolle dabei spielen, den Eintrag von Agrochemikalien zu reduzieren und die Produktivität der Pflanzen zu erhöhen“, sagt Andrew Barnes. Nico Eisenhauer fügt hinzu: „Im Grunde zeigt unsere Studie, dass wir, indem wir Biodiversität fördern, ein nachhaltiges Management von Ökosystemen unterstützen und das auch noch Vorteile für uns Menschen hat.“

Kati Kietzmann

Diese Forschungsarbeit wurde u.a. gefördert durch die DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft (FZT-118).

Originalpublikation
(Wissenschaftler mit iDiv-Affiliation und Alumni fett)
A. D. Barnes, C. Scherber, U. Brose, E. T. Borer, A. Ebeling, B. Gauzens, D. P. Giling, J. Hines, F. Isbell, C. Ristok, D. Tilman, W. W. Weisser, N. Eisenhauer (2020). 'Biodiversity enhances the multitrophic control of arthropod herbivory. Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abb6603