Zurich, Switzerland
October 16, 2014
Diverse plant communities are more successful and enable higher crop yields than pure monocultures, a European research team headed by ecologists from the University of Zurich has discovered. The scientists are convinced that the cultivation of crop mixtures in agriculture and forestry will play a key role in food safety in the future.
Although monocultures can be cultivated efficiently, they are anything but sustainable: environmental damage to soil and water caused by monoculture cultivation is becoming increasingly evident. Despite their disadvantages, however, monocultures remain the principal crop form and are regarded as the sole possibility of achieving higher yields in plant production – quite wrongfully, finds Bernhard Schmid, an ecology professor at the University of Zurich, who advocates a novel form of agriculture and forestry. After all, a new study carried out by PhD student Debra Zuppinger Dingley reveals that in grassland plants the yields of diverse plant communities are larger than those of monocultures.
Schmid sees “an opportunity for the future of nutrition for humankind in the untapped potential of biodiversity” – a promising prospect as the OECD and the United Nations’ Food and Agriculture Organization (FAO) are giving off worrying signals: Both organizations predict that agricultural productivity will rise less steeply in future than has been the case thus far. With a global population that is also on the increase, this would signify a decline in food safety.
Diverse plant communities use resources more effectively
In a 10-year study, a team of researchers from Switzerland, Germany and the Netherlands headed by Schmid examined the yields from grassland plants which they had cultivated in monocultures or mixed plant communities. Surprisingly, the latter proved to be more productive than the monocultures. “Due to their diversity, plant species in communities occupy all the niches available in an ecosystem. This enables them to use soil nutrients, light and water far more effectively than monocultures, which ultimately leads to greater yields,” explains Dan Flynn, a postdoc in Schmid’s group.
Another advantage: There is less pressure from parasites on plants in diverse communities than on those in monocultures. In other words, a parasite can spread less effectively as it is unable to find its special host plant as easily in a biodiverse plant world. The different plant species thus act as protective shields for each other. This mutual protection within the group enables individual plants to invest the resources available into growth and the production of offspring instead of pest control. “Diversity offers protection against pests and is a prerequisite for higher yields in plant communities,” says Schmid.
Plant species evolve with each other
Moreover, the researchers discovered that species adapt to their plant communities in the time of a few generations. This so-called short-term evolution leads to a continued increase of crop yield in mixtures – a possibility that, according to Schmid, was unexpected in both basic research and plant cultivation. In this adaptation process, the various species specialize in their strengths and thus improve the complementary utilization of resources throughout the plant community by a process called character displacement. Grasses, for instance, develop thicker leaves, which are able to utilize the direct sunlight in the upper layer of a meadow while clover species sprout larger but thinner leaves to absorb the weaker light close to the ground more effectively.
Paving the way for sustainable agriculture and forestry
Today, biodiversity is primarily associated with pure conservation, the preservation of species and genetic diversity. “The research results reveal that diversity enables the functionality of the ecosystems to be stabilized at a high level in the course of time and in different environments,” concludes Schmid. He is convinced that the results published in the science journal Nature, coupled with the findings from his earlier research projects, can trigger a paradigm shift in agriculture in the long run. After all, the positive effects of mixed crops are not just evident in plant communities like meadows and forests, but also in the mixed cultivation of different varieties or genotypes of a single crop such as wheat.
“Plant breeding and cultivation methods should therefore be geared towards mixtures instead of improving the output of monocultures,” says the ecologist from UZH. The fact that more sustainable farming will also be promoted in the process because mixtures require less pest control and utilize fertilizers more effectively is a welcome bonus.
Literature:
Debra Zuppinger-Dingley, Bernhard Schmid, Jana S. Petermann, Varuna Yadav, Gerlinde B. De Deyn. Dan F. B. Flynn, Selection for niche differentiation in plant communities increases biodiversity effects. Nature. doi: 10.1038/nature13869
Simon L. Zeller, Olena Kalinina, Dan F. B. Flynn, Bernhard Schmid, Mixtures of genetically modified wheat lines outperform monocultures. Ecological Applications, 22(6), 2012, pp. 1817–1826
Pflanzengemeinschaften bringen mehr Ertrag als Monokulturen
Pflanzengemeinschaften sind erfolgreicher und ermöglichen höhere Ernteerträge als reine Monokulturen. Dies weist ein europäisches Forscherteam unter der Leitung von Ökologen der Universität Zürich nach. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass der Anbau von Mischkulturen in der Land- und Forstwirtschaft in Zukunft eine entscheidende Rolle für die Ernährungssicherheit spielen wird.
Monokulturen sind zwar effizient zu bewirtschaften, aber alles andere als nachhaltig: Umweltschäden im Bereich Boden und Wasser durch die einseitige Bewirtschaftung zeichnen sich heute immer deutlicher ab. Trotz ihrer Nachteile sind Monokulturen nach wie vor die agrarwirtschaftliche Anbauform schlechthin und gelten in der Pflanzenzüchtung als einzige Möglichkeit, höhere Erträge zu erzielen. Zu Unrecht, wie Bernhard Schmid, Ökologieprofessor an der Universität Zürich, findet. Er plädiert für eine neuartige Land- und Forstwirtschaft – denn eine neue Studie seiner Doktorandin Debra Zuppinger-Dingley zeigt, dass Gemeinschaften von Wiesenpflanzen höhere Erträge abwerfen als Monokulturen.
Ökologe Schmid sieht «im unerschlossenen Potenzial der Biodiversität die Chance für die künftige Ernährung der Menschheit». Eine vielversprechende Aussicht, denn die OECD und die Food and Agriculture Organization FAO der Vereinten Nationen geben bedenkliche Signale: Beide Organisationen prognostizieren, dass die landwirtschaftliche Produktivität in Zukunft schwächer ansteigen wird als bisher. Bei einer gleichzeitig wachsenden Weltbevölkerung würde dies eine Abnahme der Ernährungssicherheit bedeuten.
Gemeinschaften nutzen Ressourcen besser
Unter Schmids Leitung untersuchten Forschende aus der Schweiz, Deutschland und den Niederlanden in einer zehnjährigen Studie die Erträge von Wiesenpflanzen, die sie in Monokulturen beziehungsweise in Pflanzengemeinschaften angebaut hatten. Überraschenderweise stellten sich die Pflanzengemeinschaften als ertragreicher heraus als die Monokulturen. «Aufgrund ihrer Vielfalt besetzen Pflanzenarten in Gemeinschaften sämtliche vorhandenen Nischen in einem Ökosystem. So nützen sie Bodennährstoffe, Licht und Wasser viel besser aus als Monokulturen – was schliesslich zu höheren Erträgen führt», erklärt Dan Flynn, Postdoc in Schmids Gruppe.
Ein weiterer Vorteil: Auf Pflanzen in Gemeinschaften lastet ein geringerer Schädlingsdruck als auf Pflanzen in Monokulturen. Das heisst, ein Schädling kann sich weniger ausbreiten, da er in einer vielfältigen Pflanzenwelt seine spezielle Futterpflanze nicht so leicht finden kann. Somit wirken die verschiedenen Pflanzenarten füreinander wie Schutzschilder. Der gegenseitige Schutz in der Gruppe erlaubt es den einzelnen Pflanzen, die vorhandenen Ressourcen für das Wachstum und die Produktion von Nachkommen anstatt in die Schädlingsabwehr zu investieren. «Diversität bietet Schutz vor Schädlingen und ist eine Voraussetzung für die höheren Erträge von Pflanzengemeinschaften», so Schmid.
Die Pflanzenarten stimmen sich aufeinander ab
Die Forscher stellten weiter fest, dass sich Arten innerhalb weniger Generationen an ihre Pflanzengemeinschaften anpassen. Diese sogenannte Kurzzeit-Evolution führt dazu, dass der Ertrag in Mischungen weiter ansteigt, eine Möglichkeit mit der gemäss Schmid bisher weder in der Grundlagenforschung noch in der Pflanzenzüchtung gerechnet wurde. In diesem Anpassungsprozess spezialisieren sich die verschiedenen Arten auf ihre Stärken und verbessern so die komplementäre Ressourcennutzung in der ganzen Pflanzengemeinschaft. Gräser etwa bilden dickere Blätter aus, die das direkte Sonnenlicht im oberen Stockwerk einer Wiese optimal ausnützen können. Kleearten treiben indessen grössere aber dünnere Blätter aus, um das abgeschwächte Licht in Bodennähe besser aufzunehmen.
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Land- und Forstwirtschaft
Biodiversität wird heute hautpsächlich unter einem rein bewahrenden Aspekt, dem Erhalt der Artenvielfalt und genetischen Vielfalt, betrachtet. «Die Forschungsresultate zeigen, dass Diversität es ermöglicht, die Funktionalität der Ökosysteme über die Zeit und in verschiedenen Umgebungen auf einem hohen Niveau zu stabilisieren», fasst Bernhard Schmid zusammen. Er ist überzeugt, dass die in Nature veröffentlichten Resultate zusammen mit Erkenntnissen aus seinen früheren Forschungsarbeiten langfristig zu einem Paradigmenwechsel in der Agrarwirtschaft führen können: Denn die positiven Wirkungen von Mischkulturen zeigen sich nicht nur in Pflanzengemeinschaften wie Wiesen und Wäldern, sondern auch beim gemischten Anbau verschiedener Sorten oder Genotypen einer einzigen Nutzpflanze wie z.B. Weizen.
«Pflanzenzüchtung und Anbauverfahren sollten deshalb künftig nicht mehr auf die Verbesserung der Leistung von Monokulturen sondern von Mischungen ausgerichtet werden», so der Ökologe der UZH. Dass durch den erhofften Paradigmenwechsel gleichzeitig eine nachhaltigere Landwirtschaft gefördert werde, weil Mischungen weniger Schädlingskontrolle benötigen und Düngergaben besser ausnützten, sei ein willkommener Nebeneffekt.
Die im Wissenschaftsjournal Nature publizierte Studie wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und dem Universitären Forschungs-Schwerpunkt «Globaler Wandel und Biodiversität» der Universität Zürich finanziert.
Literatur:
Debra Zuppinger-Dingley, Bernhard Schmid, Jana S. Petermann, Varuna Yadav, Gerlinde B. De Deyn. Dan F. B. Flynn, Selection for niche differentiation in plant communities increases biodiversity effects. Nature. doi: 10.1038/nature13869
Simon L. Zeller, Olena Kalinina, Dan F. B. Flynn, Bernhard Schmid, Mixtures of genetically modified wheat lines outperform monocultures. Ecological Applications, 22(6), 2012, pp. 1817–1826
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Species
