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Der Einfluss von Bewirtschaftung und organischer Düngung auf Bodenarthropoden in ackerbaulich genutzten Böden

Effects of soil cultivation and organic fertilisation on soil arthropods in arable soils

DOI: 10.19217/NuL2024-09-07 Manuskripteinreichung: 16.10.2023, Annahme: 11.6.2024

Isabel C. Kilian, Daniel Neuhoff, Frank Täufer, Moritz Nabel, Ameli Kirse, Sarah Bourlat und Thomas F. Döring

Zusammenfassung

Verglichen mit anderen Komponenten der agrarischen Biodiversität, wie Avifauna oder Segetalflora, ist die Biodiversität in landwirtschaftlich genutzten Böden bislang nur in geringem Maße in den Fokus des Arten- und Naturschutzes gerückt. Während bekannt ist, dass vielfältige Fruchtfolgen, eine Minimierung des Pflanzenschutzmitteleinsatzes und eine schonende, variable Bodenbearbeitung die Biodiversität des Bodens fördern, liegen über die Wirkung unterschiedlicher Dünger auf die Gesamtheit der Bodenarthropoden nur wenige Untersuchungen vor. In zweijährigen statischen Feldversuchen an einem ökologisch und einem konventionell bewirtschafteten Standort in Nordrhein-Westfalen wurden mittels verschiedener Fallen- und Erfassungssysteme (Photoeklektoren, Barber-Fallen, Berlese-Tullgren-Apparatur, Umwelt-DNA/environmental DNA – eDNA) fünf verschiedene organische Düngungsvarianten, eine Variante mit mineralischer Stickstoffdüngung und zwei ungedüngte Kontrollvarianten hinsichtlich ihrer Effekte auf die Bodenbiodiversität miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen bislang wenig differenzierende Effekte der unterschiedlichen Düngung auf die Gesamtabundanz der Arthropoden bzw. auf Abundanzen ausgewählter taxonomischer Ordnungen. Jedoch gibt eine genauere taxonomische Bestimmung (morphologisch auf Unterordnungs- oder sogar Artniveau sowie durch eDNA) bereits erste Hinweise darauf, dass eine hohe Diversität an Bodenorganismen nicht durch eine einzelne Düngervariante, sondern vielmehr durch Kombination verschiedener Düngerarten zu erreichen wäre. Eine gezielte Nutzung organischer Dünger ist jedoch ohne ein tieferes Verständnis der Wirkungszusammenhänge nicht möglich. Künftig gilt es daher, die komplexen Nahrungsnetze im Boden besser zu verstehen, um daraus Maßnahmen zur Förderung von Bodenarthropoden auch im Bereich der Düngung ableiten zu können.

Rindermist – Rindergülle – Stroh – Photoeklektoren – Barber-Fallen – Abundanz

Abstract

Compared to other components of agricultural biodiversity, such as avifauna or weed flora, biodiversity in agricultural soils has so far received little attention from species and nature conservation. While it is known that diverse crop rotations, minimised use of pesticides and reduced and variable tillage promote soil biodiversity, there are only few studies on the effect of different fertilisers on total soil arthropods. In two-year static field trials at an organically and a conventionally managed site in North Rhine-Westphalia, five different organic fertilisation treatments, a mineral nitrogen fertiliser treatment and two unfertilised control treatments were compared to each other in terms of their effects on soil biodiversity. Soil organisms were sampled with photoeclectors, pitfall traps, Berlese-Tullgren funnels and environmental DNA (e-DNA). First results show only weak differences between the effects of the tested fertilisation treatments on total arthropod abundance or on the abundances of selected taxonomic orders. However, a more precise taxonomic identification (morphologically at suborder or even species level, as well as by eDNA) already suggests that a high diversity of soil organisms cannot be achieved by a single fertiliser treatment, but rather by combinations of different fertilisers. In the future, it will be crucial to better understand the complex food webs in the soil in order to derive targeted measures to enhance soil biodiversity that include the selection of appropriate fertilisers.

Cattle manure – Cattle slurry – Straw – Photoeclectors – Pitfall traps – Abundance

Inhalt

1 Einleitung

2 Material und Methoden

2.1 Standorte und Versuchsanlage

2.2 Fangmethoden

2.3 Statistische Auswertung

3 Ergebnisse

3.1 Photoeklektoren

3.2 Barber-Fallen

3.3 Umwelt-DNA-Analyse der Bodenproben

4 Diskussion

5 Fazit

6 Literatur

Förderung und Dank

1 Einleitung

Die Landwirtschaft in Deutschland hat seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs eine starke Intensivierung erfahren, die mit einer signifikanten Zunahme der Produktivität einherging. Geführt hat dies zu einer historisch betrachtet vorher nie dagewesenen Versorgungssicherheit mit Lebensmitteln zu günstigen Preisen. Mindestens seit den 1980er-Jahren werden jedoch zunehmend auch die unerwünschten Effekte intensiver Landbewirtschaftung diskutiert (SRU 1985; Heißenhuber et al. 2015). Die Ausgestaltung der Landwirtschaft spielt für den abiotischen und biotischen Ressourcenschutz eine Schlüsselrolle, nicht zuletzt weil sie maßgebliche Flächennutzerin in Deutschland ist. Gängige Praktiken des intensiven Ackerbaus, wie Bodenbearbeitung, Pflanzenschutz und Düngung, können sich negativ auf die Biodiversität sowohl im als auch auf dem Boden auswirken (Cunningham et al. 2013; Nicholls, Altieri 2013).

Der Ackerbau ist in Deutschland Stand 2021 mit etwa 11,66 Mio. ha (32 % der Landesfläche) die größte einzelne Bodennutzungsform vor Wald (10,67 Mio. ha) und Grünland (4,73 Mio. ha) (BMEL 2022). Verglichen mit Grünland, bei dem es eine stärkere Differenzierung in der Nutzungsintensität gibt, wird Ackerbau im Regelfall intensiv, gleichwohl standortspezifisch variabel, betrieben, d. h. oft in engen Fruchtfolgen unter Einsatz jährlich mehrfacher Bodenbearbeitung und unter Verwendung von Agrochemikalien. Winterweizen (ca. 3 Mio. ha) wird in der Regel intensiv geführt (Stickstoffdüngung 160 – 220 kg N ∙ ha−1 ∙ a−1, Behandlungsindex 5,3 im Jahr 2021; JKI 2023). Der Behandlungsindex (1 = eine Standardbehandlung mit einem Wirkstoff für eine Indikation) setzte sich 2021 aus Spritzungen mit Fungiziden (1,95), Herbiziden (1,99), Insektiziden (0,4) und Wachstumsreglern (0,96) zusammen. Der standardmäßige Einsatz von Pflanzenschutzmitteln ist aus ökologischer Sicht oftmals nachteilig. Umfassende Erhebungen in Winterweizen in acht europäischen Ländern haben ergeben, dass die Intensität der Bewirtschaftung samt Pestizideinsatz negativ mit der Biodiversität der Segetalflora und Carabiden korreliert (Geiger et al. 2010). Chemischer Pflanzenschutz wirkt grundsätzlich reduzierend auf die Biodiversität auf Äckern. Paradigmatisch hierfür ist der biodiversitätsmindernde Effekt von Breitbandherbiziden auf die Segetalflora (BfN 2018). Auch Insektizide wirken über die Zielorganismen hinaus und beeinträchtigen die Populationen von Nichtzielarten. Fungizide, die spezifisch auf Pilzkrankheiten bei Nutzpflanzen wirken sollten, beeinträchtigen auch Insekten – besonders im Boden. Mit Fokus auf das Bodenleben ist zu beachten, dass die eingesetzten Wirkstoffe im Boden zusammentreffen und sich dort anreichern bzw. miteinander interagieren können (Nabel et al. 2021).

Diverse (viele verschiedene Kulturarten) und weite Fruchtfolgen (lange Rotationszeiten) wirken sich generell positiv auf die Biodiversität und speziell das Bodenleben aus (Tiemann et al. 2015; Eisenhauer 2024 in dieser Ausgabe). Sie reichern den Boden mit organischem Material an und können Nährstoffverluste reduzieren. Gleichzeitig legen sie die Grundlage für den integrierten Pflanzenschutz und reduzieren so den Bedarf an chemisch-synthetischen Pflanzenschutzmaßnahmen. Biodiversitätsrelevant sind Effekte wie Habitatschaffung und Substratbereitstellung.

Die Bodenbearbeitung stellt als weiteres Kernelement des Ackerbaus einen intensiven Eingriff dar, v. a. in Hinblick auf sich im und auf dem Boden befindende Mikrohabitate und dort lebende Organismen. Lockern, Mischen, Wenden und Rückverdichten führen zu einer veränderten Porenzusammensetzung des Bodens. Grundsätzlich erwartbar ist, dass die Intensität des Eingriffs und dessen Wirkung auf das Bodenleben zumindest für bestimmte Organismengruppen miteinander korrelieren. Beispielsweise wird nach einer jüngst publizierten Metaanalyse der Artenreichtum von Carabiden in Äckern durch intensive Bodenbearbeitung (Pflug) im Vergleich zu extensiveren Verfahren tendenziell vermindert (Müller et al. 2022). Zugleich kann intensive Bodenbearbeitung aber auch zu einer verstärkten Abundanz weniger Arten führen, wenn deren Lebensbedingungen oder Wettbewerbsfähigkeit gefördert werden (Menalled et al. 2007).

Während die pflanzenbaulichen Vorteile der Verwendung organischer Dünger hinlänglich bekannt sind (Verma et al. 2020), wurden die Effekte von Düngung unterschiedlichen Typs auf das Edaphon bislang nur unzureichend untersucht. Erschwert wird eine Einschätzung durch die Heterogenität einsetzbarer Substrate, die tierischer, pflanzlicher oder gemischter Herkunft sein können. Feste organische Dünger wie Stallmist oder Grünschnittkompost oder das Koppelprodukt Stroh haben ein vergleichsweise weites Kohlenstoff/Stickstoff(C/N)-Verhältnis, während Flüssigdünger wie Rindergülle und Biogasgülle ein engeres C/N-Verhältnis aufweisen. Intensive mineralische N-Düngung (> 150 kg N ∙ ha−1 ∙ a−1) und Bodenbearbeitung wirkten sich in einer Metastudie negativ auf die Diversität der Bodenfauna aus, während sich regelmäßige organische Düngung (> 5 Jahre) fördernd auf die Biodiversität von Bakterien auswirkte (De Graaff et al. 2019). Einer weiteren Metastudie zufolge spielt im Falle tierischer Dünger die Qualität eine größere Rolle für die Biodiversität im Boden als die Quantität, insbesondere in Hinblick auf deren Belastung mit Antibiotika (Köninger et al. 2021). Die Fokussierung auf wenige Artengruppen schränkt die Aussagekraft der genannten Studien jedoch ein.

Im Rahmen des DÜNAMED-Projekts („DÜngung für NAchhaltiges Management von Edaphischer Diversität“) wird seit 2021 in Feldversuchen an der Universität Bonn untersucht, wie sich organische Dünger tierischen und pflanzlichen Ursprungs bei kumulativer Anwendung auf Abundanz und Zusammensetzung von Bodenarthropoden auswirken. Es wurde angenommen, dass die Zufuhr von Kohlenstoff(C)-Verbindungen durch Substrate verschiedenen Ursprungs das Nahrungsangebot für Bodenarthropoden durch quantitative und qualitative Förderung des Mikrobioms biodiversitätsfördernd erweitert. Der vorliegende Beitrag stellt ausgewählte Ergebnisse eigener Untersuchungen aus dem DÜNAMED-Projekt vor.

2 Material und Methoden

2.1 Standorte und Versuchsanlage

Die Feldversuche wurden auf dem ökologisch bewirtschafteten Campus Wiesengut (WG) in Hennef und auf dem konventionell bewirtschafteten Campus Klein-Altendorf (CKA) der Universität Bonn angelegt. Das Wiesengut wirtschaftet seit über 35 Jahren nach den Richtlinien des ökologischen Landbaus als Gemischtbetrieb mit ca. 0,8 Großvieheinheiten (GV) auf mit Kiesschichten durchsetzten alluvialen Auenlehmen. Die Versuchsfläche am Standort CKA befindet sich auf einer Parabraunerde mit sandig-lehmiger Textur. Der Standort WG ist mit einer mittleren Jahresniederschlagssumme von 840 mm deutlich feuchter als der Standort CKA (ca. 600 mm). An beiden Standorten war das Jahr 2021 niederschlagsreicher und das Jahr 2022 trockener als das langjährige Mittel.

Die laufenden Feldversuche werden auf beiden Standorten seit Sommer 2020 mit identischem Design als randomisierte Blockanlage mit vier Feldwiederholungen (Einzelparzellengröße 414 m2) durchgeführt. Geprüft werden folgende acht Varianten: (1) Rindermist, (2) Grünschnittkompost, (3) Stroh (alle jeweils 2,5 t C ∙ ha−1 ∙ a−1), (4) Rindergülle und (5) Biogasgülle (im ersten Versuchsjahr auch noch nach dem Richtwert 2,5 t C ∙ ha−1 ∙ a−1, ab 2022 dann 120 kg N ∙ ha−1 ∙ a−1) sowie (6) mineralische N-Düngung (75 kg N ∙ ha−1 ∙ a−1) im Vergleich zu zwei ungedüngten Kontrollen, die (7) mit Zwischenfrucht und (8) ohne Zwischenfrucht in der Fruchtfolge bewirtschaftet werden. Die elementaranalytisch ermittelten mittleren C-Gehalte und das C/N-Verhältnis in der Trockenmasse der verwendeten organischen Dünger wiesen folgende Werte auf: Rindermist 44,2 % C (C/N: 16,9), Getreidestroh 46,6 % C (C/N: 89,5), Grünschnittkompost 16,4 % C (C/N: 20,0), Rindergülle 41,3 % C (C/N: 8,9) und Biogasgülle 40,0 % C (C/N: 6,6). Die Anwendung der Dünger erfolgte über drei Jahre jährlich jeweils auf denselben Flächen als statischer Ansatz, d. h., über die Zeit wurden kumulative Effekte erwartet. Angebaut wurden Sommerweizen (2021), Hafer (2022) und Mais (2023) mit betriebsüblicher Pflege, d. h. ohne (WG) und mit (CKA) Anwendung von Pflanzenschutzmitteln.

2.2 Fangmethoden

Das Vorkommen von Bodenarthropoden wurde seit Mai 2021 mit vier verschiedenen Methoden jährlich zwei Mal erfasst:

    1.

    Endogäische (im Boden lebende) Arthropoden wurden mit einer modifizierten Berlese-Tullgren-Apparatur aus zwei Bodenproben je Parzelle (0 – 15 cm Tiefe, Volumen ca. 1 l) im April und September 2021 – 2023 für zehn Tage extrahiert und anschließend bestimmt (Ergebnisse nicht dargestellt).

    2.

    Die aus dem Boden schlüpfende Fauna wurde mit geschlossenen Photoeklektoren (Emergenzfallen) und einer innerhalb des Photoeklektorzelts platzierten Barber-Falle (Barber 1931) auf einer ca. 0,25 m2 großen Bodenoberfläche gefangen. Die selbstgebauten Photoeklektoren bestehen aus einem Kunststoffring (∅ = 57 cm), an dem ein 75 cm hohes, mit Reißverschluss öffenbares Stoffzelt hermetisch befestigt ist (Abb. 1). An der Zeltdecke ist eine Eklektordose (∅ = 15 cm, Höhe = 11 cm) aufgesetzt, die mit 350 ml Natriumbenzoatlösung befüllt ist. Die Fallen wurden im Zeitraum Mitte Mai bis Mitte Juni zweimal entleert.

    3.

    Epigäische (auf dem Boden) lebende Tiere wurden mit Barber-Fallen (Barber 1931) zweimal jährlich (Mai und Juni) im freien Feld, d. h. ohne eine räumliche Begrenzung, erfasst. Hierfür wurden selbstgebaute, modifizierte Barber-Fallen nach Melber (1987) mit Kunststoffflaschen (350 ml) mit 250 ml Renner-Lösung (Renner 1980) verwendet. Die Bestimmung der Proben erfolgte mit einem Binokular (Modell BMS 11/140/143, Firma Breukhoven b. v.) und den Bestimmungsschlüsseln von Klausnitzer (2011) und Müller, Bährmann (2015) je nach Taxon auf Ordnungs-, Familien- oder Artebene. Carabiden wurden auf Artniveau be-stimmt, Dipteren auf Familienniveau, andere Arthropoden meist auf Ordnungsniveau. Bisher liegen Ergebnisse der ersten beiden Versuchsjahre vor.

    4.

    Weiterhin wurde in Bodenproben von allen Varianten des Standorts WG (Probenahmen im Mai und September 2021) aus drei Teilproben von 250 bis 500 mg die Umwelt-DNA (environmental DNA – eDNA) extrahiert (NucleoSpin Soil, Firma Macherey-Nagel). Eine amplicon library für den Cytochromoxidase-1-Marker wurde in einem Zwei-Schritt-Polymerase-Kettenreaktions(PCR)-Verfahren erstellt (Bourlat et al. 2016) und auf einer Illumina-HiSeq-Plattform sequenziert (für weitere Informationen zu den Methoden siehe Kirse et al. 2021). Mittels bioinformatischer Auswertung wurden anschließend operative taxonomische Einheiten (operative taxonomic units – OTU; Thomsen, Willerslev 2015; Taberlet et al. 2018) bestimmt, die qualitative Rückschlüsse auf die Präsenz individueller Arten zulassen (Foucher et al. 2020; Rota et al. 2020).

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Abb. 1: Photoeklektoren am Standort Wiesengut, 21.5.2021.
(Foto: Johannes Siebigteroth)
Fig. 1: Photoeclector trap at the Wiesengut Campus on 21 May 2021.

Nur Rohsequenzen, die sowohl forward als auch reverse primer enthielten, wurden für die weitere Analyse beibehalten. Zur Identifizierung der vorhandenen amplicon sequence variants (ASV) wurde das in QIIME2 integrierte Dada2-Plugin verwendet (Callahan et al. 2016; Bolyen et al. 2019). Im Anschluss wurden die ASV unter Verwendung von VSEARCH2 in OTU gruppiert (Rognes et al. 2016). Die repräsentativen Sequenzen wurden mit Hilfe von BOLDigger mit der Barcode-of-Life-Data-System(BOLD)-Datenbank abgeglichen (Buchner, Leese 2020). Ausschließlich OTU-repräsentierende Sequenzen, die eine Übereinstimmung von 98 % aufwiesen, wurden auf Artebene zugeordnet.

2.3 Statistische Auswertung

Die Auswertung erfolgte mit Hilfe des Programms RStudio (Version 2023.03.1) unter Verwendung der Pakete „tidyverse“, „vegan“, „reshape“, „plyr“ und „car“. Die Auswertung erfolgte mittels einfaktorieller Varianzanalyse mit anschließendem Tukey-Test (α = 0,05). Die Normalverteilung der Datensätze wurde mit dem Shapiro-Wilk-Test und einer graphischen Auswertung der Quantilverteilung ermittelt und die Varianzhomogenität mit Hilfe des Levene-Tests. Die qualitative Auswertung der eDNA-Ergebnisse erfolgte zusätzlich mit dem R-Paket „UpSetR“.

3 Ergebnisse

3.1 Photoeklektoren

Insgesamt wurden mit den Photoeklektoren samt integrierter Barber-Falle in den ersten beiden Versuchsjahren 212.520 Individuen erfasst. Dies entspricht einer mittleren kumulativen Abundanz je Falle von 3.320 Tieren, gesammelt über vier Probenahmetermine am Standort WG und drei am Standort CKA in zwei Jahren. Im Versuchsjahr 2021 war die mittlere kumulative Abundanz auf beiden Standorten deutlich höher als 2022. Düngungsbedingte Unterschiede in der mittleren Abundanz wurden nur 2021 am Standort CKA festgestellt. Dort führte die Düngung mit Stroh verglichen mit mineralischer N-Düngung zu einer signifikant höheren mittleren Abundanz (Abb. 2). Zugleich war die kumulative Abundanz über zwei Jahre in der Variante mit Strohdüngung (zwei Standorte mit jeweils vier Feldwiederholungen) mit 24.140 Individuen um etwa 50 % höher als in der ungedüngten Kon-trolle.

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Abb. 2: Mittlere Abundanzen der Arthropoden (Individuen je Falle und Termin) aus Photoeklektorfängen in den Jahren 2021 und 2022 getrennt nach verschiedener Düngung an den Standorten Klein-Altendorf (CKA) und Wiesengut (WG) . Mittelwerte mit denselben Buchstaben unterscheiden sich nicht signifikant voneinander (Tukey-Test α = 0,05). ANOVA = Varianzanalyse; Min. N = mineralischer Stickstoff; n. s. = nicht signifikant; o. ZF = ohne Zwischenfrucht.
Fig. 2: Mean abundances of arthropods (individuals per trap and sampling date) from photoeclector traps as affected by different types of manuring at the Wiesengut and Klein-Altendorf Campus in 2021 and 2022. ANOVA = analysis of variance; Min. N = mineral nitrogen; n. s. = not significant; o. ZF = without catch crop.

Die Sortierung in Großgruppen zeigt bereits einige Unterschiede der Arthropodengemeinschaften. Etwas mehr als die Hälfte (54,7 %) aller gefangenen Tiere gehört zur Klasse der Springschwänze (Collembola) (n = 116.252). Die höchste Gesamtzahl an Collembolen wurde in der Variante mit Strohdüngung (n = 20.129), die geringste in der Variante mit mineralischer Düngung (n = 10.112) festgestellt (Abb. 3, 4). Am Standort WG wurde die Unterordnung der Brachycera (Fliegen) der Ordnung Diptera (Zweiflügler) nur in den drei Varianten ohne organische Düngung mit mehr als 5 % der Gesamtabundanz festgestellt (Abb. 3). Demgegenüber wurden am Standort CKA Individuen der Unterordnung Brachycera in allen Düngungsvarianten in ähnlich großer Abundanz (> 5 %) gezählt (Abb. 4). Arten aus der zweiten Unterordnung (Nematocera – Mücken) der Ordnung Diptera wurden nur am Standort CKA mit mehr als 5 % der Gesamtabundanz in den Varianten mit Flüssigdüngung (Rindergülle und Gärreste) festgestellt (Abb. 4). Derzeit laufende Bestimmungen weisen auf düngungsbedingte Unterschiede in der Zusammensetzung der Brachycera auf Familienebene am Standort WG hin.

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Abb. 3: Anteile von Arthropodengruppen nach Individuenzahlen in Proben aus Photoeklektoren mit Barber-Falle am Standort Wiesengut in Abhängigkeit von der Düngung (Summe aus zwei Versuchsjahren mit jeweils zwei Probenahmeterminen, graphische Darstellung einer Artengruppe ab 5 % Individuenanteil). Min. N = mineralischer Stickstoff; o. ZF = ohne Zwischenfrucht.
Fig. 3: Share of different arthropod groups by number of individuals in samples from photoeclector traps with pitfall trap as affected by manuring at the Wiesengut Campus (total from two trial years with two sampling dates each, species groups with a share above 5 % are shown). Min. N = mineral nitrogen; o. ZF = without catch crop.
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Abb. 4: Anteile von Arthropodengruppen nach Individuenzahlen in Proben aus Photoeklektoren mit Barber-Falle am Standort Klein-Altendorf in Abhängigkeit von der Düngung (Summe aus zwei Versuchsjahren mit jeweils zwei Probenahmeterminen, graphische Darstellung einer Artengruppe ab 5 % Individuenanteil). Min. N = mineralischer Stickstoff; o. ZF = ohne Zwischenfrucht.
Fig. 4: Share of different arthropod groups by number of individuals in samples from photoeclector traps with pitfall trap as affected by manuring at the Klein-Altendorf Campus (total from two trial years with two sampling dates each, species groups with a share above 5 % are shown). Min. N = mineral nitrogen; o. ZF = without catch crop.

3.2 Barber-Fallen

Am Standort WG wurden über zwei Jahre insgesamt 3.500, am Standort CKA 2.616 Carabidae (Laufkäfer) mittels Barber-Fallen gesammelt. Am Standort CKA war die mittlere Abundanz in den Varianten Rindergülle (n = 112) und Gärrestesubstrate (n = 104) signifikant höher als in Kontrolle 2 (n = 58) und nach Strohdüngung (n = 63). Am Standort WG wurden keine düngungsbedingten Unterschiede in der mittleren Carabidenabundanz festgestellt (Publikation in Vorbereitung, Kilian et al. 2024).

3.3 Umwelt-DNA-Analyse der Bodenproben

Ein erster Vergleich am Standort WG zeigt, dass insgesamt 36 OTU in allen 8 Varianten gefunden wurden (Abb. 5), darunter 7 OTU von Springschwänzen (einschließlich Arten der Familien Tullbergiidae, Tomoceridae, Entomobryidae, Isotomidae und Bourletiellidae), 10 OTU von Pflanzenläusen (Sternorrhyncha), 7 Käfer-OTU (einschließlich Cerambycidae – Bockkäfer, Curculionidae – Rüsselkäfer, Chrysomelidae – Blattkäfer und Staphylinidae – Kurzflügler) wie auch 4 OTU der Raubmilben (Gamasina) und 3 OTU der Pflanzenwespen (Symphyta). In der ungedüngten Kontrolle 1 wurden insgesamt 6 exklusive OTU festgestellt, die als Kugelspringer (Sminthuridae), Erbsenlaus (Acyrthosiphon pisum), Humusschnellkäfer (Agriotes obscurus) und an Graswurzeln lebende Röhrenlaus (Forda spec.) identifiziert wurden. Darüber hinaus wurde jeweils 1 OTU als Hemiptera (Schnabelkerfe) bzw. als Diptera identifiziert. Die höchste Anzahl exklusiver OTU (n = 18) wurde in der Düngungsvariante mit Rindermist gefunden, hauptsächlich sechs Zweiflügler-OTU (u. a. Gallmücken – Cecidomyiidae, Zuckmücken – Chironomidae, Blumenfliegen – Anthomyiidae), fünf Käfer-OTU (Kurzflügler und Erzgrüner Schnellläufer – Harpalus affinis), vier Raubmilben-OTU und drei Springschwanz-OTU (Kugelspringschwänze – Symphypleona und Ringelhörnler – Tomoceridae).

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Abb. 5: UpSet-Plots zur Veranschaulichung der qualitativen Überschneidung von Gemeinschaften der operativen taxonomischen Einheiten (operative taxonomic units – OTU) in den acht Düngungsvarianten am Standort Wiesengut (Probenahmen im Mai 2021). Zahlen über den Balken geben die Anzahl der Arten an, die in allen bzw. exklusiv nur in einer Düngungsvariante gefunden wurden. Weitere OTU, die in weniger als acht oder mehr als einer Variante gefunden wurden, werden hier der Übersichtlichkeit halber nicht separat dargestellt, sind aber in den horizontalen Balken im linken Teil der Graphik enthalten. Min. N = mineralischer Stickstoff; o. ZF = ohne Zwischenfrucht.
Fig. 5: UpSet plots illustrating the qualitative overlap of communities of operative taxonomic units (OTUs) in the eight fertilisation treatments at the Wiesengut Campus (sampling in May 2021). Numbers above the bars indicate the number of species found in all or exclusively in only one fertilisation treatment. Other OTUs that were found in fewer than eight or more than one treatment are not shown separately here for the sake of clarity, but are included in the horizontal bars on the left-hand side of the diagram. Min. N = mineral nitrogen; o. ZF = without catch crop.

4 Diskussion

Die einführend vorgestellten Effekte ackerbaulicher Schlüsselpraktiken auf die Biodiversität in Äckern weisen darauf hin, dass eine gezielte Förderung mit einer Diversifizierung der Fruchtfolgen beginnen sollte. Über die zeitliche Diversifizierung hinaus ist auch eine räumliche Diversifizierung der Fruchtfolgen durch den Anbau von Mischkulturen möglich. Diese Strategie kann unter bestimmten Bedingungen biodiversitätsfördernd wirken, ohne zugleich die Produktivität zu senken (Brandmeier et al. 2023). Hemmend wirkt hier jedoch die unterschiedliche Wirtschaftlichkeit der einzelnen Kulturen, die sich auch im bereits erwähnten großflächigen Anbau von Winterweizen in Deutschland widerspiegelt.

Verstärkt werden können die Effekte einer Fruchtfolgeerweiterung durch einen temporären oder systematischen Verzicht auf die Nutzung von Pestiziden (Geiger et al. 2010; Schäffer et al. 2018). Variable Bodenbearbeitungspraktiken unterschiedlicher Intensität schaffen weitere Potenziale zur Erhöhung der Biodiversität in Äckern (Müller et al. 2022). Die ackerbaulichen Vorteile hoher Biodiversität im Boden, insbesondere in Hinblick auf bodenbürtige Schaderreger, werden seit Längerem diskutiert (Roger-Estrade et al. 2010), bleiben aber schwer bewertbar. Praxistauglich werden Maßnahmen v. a. dann, wenn sie zumindest kostenneutral sind bzw. günstigenfalls monetär bewertbare Vorteile bringen. Dies kann unter bestimmten Bedingungen der Fall sein, bspw. durch Förderung von Regenwürmern (Plaas et al. 2019) oder durch Zahlung von Prämien für biodiversitätsfördernde Maßnahmen (Meng et al. 2016). Viele Maßnahmen zur Erhöhung der Biodiversität bedeuten jedoch einen höheren Aufwand bzw. einen entgangenen Nutzen, zumindest bei Anwendung der üblichen betriebswirtschaftlichen Kalkulationen.

Die hier vorgestellten Ergebnisse zur organischen Düngung lassen noch keine endgültigen Schlüsse über deren Beitrag zur Förderung der Biodiversität in Äckern zu. Es finden sich jedoch erste Hinweise darauf, dass organische Düngung differenzierend auf Abundanz und Artenreichtum der Bodenfauna wirken kann, wie die eDNA-Analysen bereits andeuten. Eine höhere Artenvielfalt an Bodenarthropoden als Folge organischer Düngung wurde auch in einer älteren amerikanischen Untersuchung festgestellt (Weil, Kroontje 1979). Ebenso führte die Zufuhr unbehandelter Rindergülle im Vergleich zu ungedüngten Kontrollen auf temporärem Grasland in Polen zu einer höheren Abundanz von Bodenmilben (Acari) und Collembolen (Sokołowska, Seniczak 2005). Auch die Verwendung von Biogasgülle in Mais führte in dreijährigen Untersuchungen in Brandenburg zu einer Zunahme der Abundanz von Collembolla und Acari (Platen, Glemnitz 2016).

Demgegenüber führte in norwegischen Untersuchungen Rindergülle direkt nach Applikation auf Flächen mit Kleegras zu einer temporären Abnahme v. a. von epigäisch lebenden Collembolenarten (Pommeresche et al. 2017). Auch langjährige Stallmistdüngung hatte in kanadischen (Miller et al. 2017) und chinesischen Untersuchungen (Cao et al. 2011) keinen Effekt auf die Abundanz von Acari. Diese Ergebnisse weisen hinsichtlich Collembola auf die Bedeutung des Erhebungszeitpunkts hin, sowohl hinsichtlich des Zeitabstands zur Düngungsmaßnahme als auch in Bezug auf die dann vorherrschenden Umweltbedingungen, v. a. Bodenfeuchte. Zudem ergibt sich ein klareres Bild erst nach Artendifferenzierung. Aus diesem Grund werden derzeit die in der vorliegenden Arbeit gefangenen Collembolen auf Artebene bestimmt.

Verallgemeinernde Aussagen zur Wirkung organischer Düngung auf Bodenarthropoden werden generell durch die Heterogenität der nutzbaren Substrate sowie der Standort- und Bewirtschaftungsbedingungen erschwert. Ein Systemvergleich (konventionell versus ökologisch) ist mit den vorliegenden Daten nicht möglich, da die konventionelle Fläche ohne wendende Bodenbearbeitung und ohne den betriebsüblichen Insektizideinsatz bewirtschaftet wurde, während auf der ökologischen Fläche gepflügt wurde. Hinzu kommen die nahezu unüberschaubare Artenvielfalt von Bodenarthropoden und deren häufig unzulänglich bekannten biologischen Eigenschaften. Aus diesem Grund werden eDNA-Analysen zunehmend interessant, weil durch Hinzunahme dieser Methode bei vergleichsweise geringem Aufwand ein umfassenderes Bild der Artenzusammensetzung von Böden gezeichnet werden kann (siehe hierzu auch Schröer et al. 2024 in dieser Ausgabe). Allerdings fehlt bei der eDNA-Analyse eine quantitative Einordnung, d. h., (relative) Abundanzen können bislang mit dieser Methode nicht erfasst werden. Hier bestehen noch erhebliche methodische Optimierungspotenziale durch kontinuierliche Ausweitung der Datengrundlage. Dies betrifft die Bestimmung bis auf Artebene sowie die Quantifizierung von Abundanzen.

5 Fazit

Im Ackerbau bieten sich vielfältige Möglichkeiten, die Biodiversität zu fördern, u. a. auch durch Diversifizierung der Produktion und organische Düngung. Letztere wirkt in jedem Fall bodenfruchtbarkeitserhöhend. Organische Dünger fördern zudem generell die mikrobielle Aktivität des Bodens und erhöhen somit je nach Substratzusammensetzung das Nahrungsangebot für bestimmte Bodenarthropoden. Künftig gilt es, die komplexen Nahrungsnetze im Boden besser zu verstehen (vgl. auch Eisenhauer 2024 in dieser Ausgabe), um daraus gezielte Maßnahmen zur Förderung der Biodiversität des Bodens ableiten zu können, die günstigenfalls auch ökonomisch vorteilhaft sind. Landwirtinnen und Landwirte müssen mit ihrer Tätigkeit ein wettbewerbsfähiges Einkommen erzielen. Dabei muss auch ihr Einsatz für die Erhaltung der Biodiversität in der Agrarlandschaft honoriert werden.

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Förderung und Dank

Das Projekt DÜNAMED wurde dankenswerterweise von Januar 2021 bis April 2024 vom Bundesamt für Naturschutz (FKZ 3520 84 0800) mit Mitteln des Bundesumweltministeriums (BMUV) gefördert. Weiterhin gilt unser herzlicher Dank den Versuchstechnikerinnen und -technikern an den Standorten Campus Klein-Altendorf und Wiesengut für die Anlage und Pflege der Versuche sowie den zahlreichen Studentinnen und Studenten, die bei der Bestimmung der Tiere geholfen haben.

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Dr. Daniel Neuhoff

Korrespondierender Autor

Universität Bonn

Institut für Nutzpflanzenwissenschaften

und Ressourcenschutz

Professur Agrarökologie und Organischer Landbau

Auf dem Hügel 6

53121 Bonn

E-Mail: d.neuhoff@uni-bonn.de

Internet: https://www.aol.uni-bonn.de/de

Der Autor studierte Agrarwissenschaften in Bonn und Toulouse und wurde 2000 an der Universität Bonn zum Dr. agr. promoviert. Seitdem ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Landwirtschaftlichen Fakultät der Universität Bonn. Seine Arbeitsschwerpunkte sind ökologischer Acker- und Pflanzenbau und nichtchemischer Pflanzenschutz. Er ist associate editor der Springer-Zeitschrift „Organic Agriculture“ und Mitglied im Fachbeirat Nachhaltiger Pflanzenbau des Bundesamtes für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL).

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Isabel C. Kilian

Universität Bonn

Institut für Nutzpflanzenwissenschaften

und Ressourcenschutz

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Professur Agrarökologie und Organischer Landbau

Auf dem Hügel 6

53121 Bonn

E-Mail: i.kilian@uni-bonn.de

Frank Täufer

Universität Bonn

Institut für Nutzpflanzenwissenschaften

und Ressourcenschutz

Technischer Mitarbeiter

Professur Agrarökologie und Organischer Landbau

Auf dem Hügel 6

53121 Bonn

E-Mail: f.taeufer@uni-bonn.de

Dr. Moritz Nabel

Bundesamt für Naturschutz

Fachgebiet II 2.5 „Naturschutz in der Landwirtschaft“

Konstantinstraße 110

53179 Bonn

E-Mail: moritz.nabel@bfn.de

Dr. Ameli Kirse

Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig Bonn

Leibniz-Institut zur Analyse des Biodiversitätswandels

Adenauerallee 127

53113 Bonn

E-Mail: a.kirse@leibniz-zfmk.de

Dr. Sarah Bourlat

Sektionsleiterin Metabarcoding

Zentrum für Biodiversitätsmonitoring

und Naturschutzforschung

Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig Bonn

Leibniz-Institut zur Analyse des Biodiversitätswandels

Adenauerallee 127

53113 Bonn

E-Mail: s.bourlat@leibniz-zfmk.de

Prof. Dr. Thomas F. Döring

Universität Bonn

Institut für Nutzpflanzenwissenschaften

und Ressourcenschutz

Lehrstuhlinhaber Professur Agrarökologie

und Organischer Landbau

Auf dem Hügel 6

53121 Bonn

E-Mail: t.doering@uni-bonn.de

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