Natural enemies: Functional aspects of local management in agricultural landscapes

Abstract

Agricultural intensification has raised the global food production but also caused major concerns about environmental

and health effects, including contamination by pesticides. Pesticide applications may induce toxicity not only on the

target pest species but especially on non-target species. Hence we need to replace pesticides with management that

promote organisms that suppress pest population. Natural enemies as parasitoids, spiders and ground and rove beetle

can reduce pest population and contribute to the ecosystem service biological control. In this thesis I therefore study

how agricultural management and land-use intensity as well as landscape composition influence the distribution of

natural enemies and their functional aspects in agricultural landscapes. The studies were done in an agricultural region

of southern Sweden dominated by annual crop production. Two study systems were considered. One consisting of

oilseed rape, pollen beetles and parasitoid wasps that are natural enemies of pollen beetles. The other of three common

agricultural lands uses, ranging from intensively managed sugar beet fields, winter wheat fields to grasslands and

predatory arthropods. The results highlight that management intensity is an important factor explaining the spatiotemporal

distribution of natural enemies and their biological control potential. In a functional perspective, increasing

management intensity with insecticide application reduces the biological control of pollen beetles. Moreover insecticide

treatment also reduce emergence of pollen beetle parasitoids the following spring. The most important factor

explaining the distribution of adult parasitoids was the density of pollen beetle larva. Increased land-use intensity

influenced the composition of arthropod communities. Spiders that are sensitive to disturbance were more commonly

emerging in grasslands while omnivorus rove beetles and predacious macropterous ground beetles were most common

in winter wheat fields. The phenology of arthropod emergence differed between the land uses and the overall dispersal

tendency was higher for those emerging in crop fields compared to those emerging in grasslands. The land-use

intensity also influenced the trait composition. The average body length of emerging ground beetle communities was

lower in crop fields than grasslands while the average body length of actively moving communities did not differ

between land uses. Further the proportion of ground beetles with good flight ability or a carnivorous diet was higher in

crop fields than grasslands. To conclude, this thesis contributes to important knowledge concerning the distribution of

natural enemies in the agricultural landscape in relation to management intensity. This knowledge base will be needed

to develop more sustainable agricultural systems, as approaches focusing on reducing pesticide inputs as organic

farming and integrated pest management (IPM) are dependent on natural enemies and their functions to be successful.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Intensifieringen av jordbruket sedan 1950-talet har lett till en ökad matproduktion men också orsakat miljöproblem så som förlust av biologisk mångfald, jorderosion, övergödning, ökade utsläpp av växthusgaser samt föroreningar av bekämpningsmedel. Det är därför nödvändigt att utveckla ett mer hållbart jordbruk samtidigt som vi upprätthåller den globala matförsörjningen för en växande befolkning. En odlingsmetod som kan förändras är växtskydd mot skadedjur så som växtätande insekter eftersom användningen av bekämpningsmedel inte bara påverkar skadedjuren utan även andra organismer. Många djurgrupper så som amfibier, fåglar och bin är känsliga mot bekämpningsmedel och det har även visats att bekämpningsmedel kan förändra artsamhällen och funktioner i ekosystemen. Det är därför viktigt att reducera mängden bekämpningsmedel i jordbruket. Det finns idag flera alternativa odlingssystem som verkar i den riktningen. Exempel på dessa är ekologisk odling som helt förbjuder användingen av syntetiska bekämpningsmedel och IPM (integrerad skadedjursbekämpning) där applicering är tillåten men endast då andra åtgärder för att bekämpa skadedjuren inte har fungerat. Oavsett vilket odlingssystem som tillämpas så måste bekämpningsmedlen ersättas med någon annan typ av skadedjursbekämpning. Naturliga fiender som spindlar, jordlöpare, kortvingar och parasitsteklar äter eller parasiterar skadedjur och bidrar därmed till ekosystemtjänsten biologisk skadedjursbekämpning (biologisk kontroll) och ett minskat behov av bekämpningsmedel. För att ha en effektiv biologisk kontroll är det alltså viktigt att öka förekomsten av naturliga fiender i jordbrukslandskapet.

I denna avhandling har jag undersökt hur markanvändning och odlingsmetoder påverkar olika naturliga fiender i det intensivt brukade jordbrukslandskapet som karakteriserar den sydvästra delen av Skåne. Jag har dels (Paper I och II) studerat hur små parasitsteklar som utför biologisk kontroll av rapsbaggar i höstraps påverkas av odlingsmetoder samt landskapets utseende och sammansättning. Jag har även undersökt (Paper III och IV) hur olika grupper av naturliga fiender fördelar sig i tid och rum mellan intensivt odlade sockerbets och höstvetefält och extensivt skötta gräsmarker samt hur detta förklaras av vilka egenskaper arterna har i form av flygförmåga, födopreferens och storlek.

Intensifieringen av jordbruket har lett till stora förluster av mer eller mindre naturliga habitat så som åkerkanter, småbiotoper och betesmarker till förmån för årligen plöjd/harvad åkermark. Denna intensifiering har orsakat en allmän förlust av naturliga fiender vilket kan minska den biologiska kontrollen. Detta beror på att olika grupper av naturliga fiender kan komplettera varandra eller samverka vilket kan öka den biologiska kontrollen. Artrika samhällen kan därmed ha en högre skadedjursbekämpning än artfattiga samhällen. I jordbrukslandskapet kan både åkermark och naturliga habitat vara viktiga för naturliga fiender. Åkermark bidrar till en stor mängd föda (skadedjur) under växtodlingssäsongen men jordbruksmetoder så som jordbearbetning och användning av bekämpningsmedel kan påverka de naturliga fienderna negativt. Naturliga habitat ses därför som viktiga refuger, alternativa födokällor och övervintringsplatser även om många naturliga fiender även övervintrar i åkrarna. Eftersom naturliga fiender är olika känsliga för störningar som uppstår vid odling, kommer markanvändningen att påverka vilka naturliga fienderna som återfinns i ett habitat. Men det är inte bara markanvändningen som förklarar var en naturlig fiende befinner sig utan även dess spridningsförmåga dvs. deras förmåga att förflytta sig från ett habitat till ett annat. Arter som har vingar eller på annat sätt förlyttar sig i luften kan sprida sig flera kilometer i landskapet medan arter som saknar vingar rör sig över mindre ytor. Ofta ses naturliga habitat som källor från vilka övervintrande naturliga fiender kolonisera fälten nästkommande vår/sommar men även fält kan vara källor för naturliga fiender som sprider sig till angränsande naturliga habitat eller andra grödor.

Då både de lokala odlingsmetoderna och landskapets sammansättning (avstånd mellan habitat) kan påverka förekomsten av naturliga fiender är det viktigt att studera dessa faktorer tillsammans. Små parasitsteklar som är viktiga för den biologiska kontrollen av rapsbaggar har en årlig dynamik där de varje vår förflyttar sig från förra årets rapsfält där den nya generationen övervintrat, till nya rapsfält i landskapet. Det har tidigare visats att parasiteringsfrekvensen av rapsbaggar är högre i rapsfält som ligger närmre fjolårets rapsfält men i Paper I fann jag varken att de vuxna parasitsteklarna eller deras potential för den biologiska kontrollen påverkades av mängden raps i landskapet. Istället var det antalet rapsbaggelarver (värddjur) som förklarade utbredningen av vuxna parasitsteklar, vilka ökade med ökat antal värddjur. Att närheten till övervintringshabitat inte var en viktig faktor för utbredningen av parasitsteklar tyder på att deras spridningsförmåga är relativt god, i alla fall i vårt studielandskap.

Vidare så var insekticider (bekämpningsmedel mot insekter) den faktor som hade störst effekt på den biologiska kontrollen med lägre kontroll i besprutade fält. Den negativa effekten av insekticider var också tydlig när uppkomsten (utkläckning) av parasitsteklar från övervintring mättes (Paper II). Detta tyder på att insekticider inte bara minskar den biologiska kontrollen det året som besprutningen sker utan även efterföljande år genom att minska antalet utkläckta steklar. Mina resultat (Paper I) visar också att parasiteringsfrekvensen var god i studieområdet med upp till 86 % parasiterade rapsbaggelarver i obesprutade fält. En hög andel av rapsbaggelarverna var även parasiterade med flera ägg. Detta är ytteliggare ett tecken på en god biologisk kontroll då det är tidigare känt att rapsbaggelarver kan överleva om de bara parasiteras med ett par ägg.

Olika naturliga fiender kan komplettera varandra genom att utöva biologisk kontroll på olika nivåer i grödan eller under olika delar av odlingssäsongen. Marklevande naturliga fiender så som spindlar och jordlöpare anses till exempel vara som mest betydelsefulla under själva etableringen av skadedjuren. Man har idag en relativt hög kunskapsnivå om var naturliga fiender befinner sig under odlingssäsongen och hur de då påverkas av markanvändning men däremot vet man mindre om hur utkläckningen från övervintring beror på de lokala förhållandena. Vidare så är kunskap en begränsad om i vilken omfattning naturliga fiender rör sig mellan olika typer av habitat. Resultaten i Paper III och IV visar tydligt på att artsammasättningen skiljer sig mellan åkrar och gräsmarker. Gräsmarkerna gynnade framförallt spindlar, arter med större kroppsstorlek och arter som har en blandad diet (omnivorer) medan samhällena i åkrarna dominerades av små arter med en animalisk diet (karnivorer). Det är sedan tidigare känt att spindlar är mer knutna till naturliga habitat än åkrar, troligtvis för att dessa erbjuder mer resurser i form av boplatser och ett bättre mikroklimat men också för att spindlar är känsliga mot störningar. Att gräsmarker gynnar arter med en blandad diet är också tidigare känt och beror troligtvis på att dessa habitat erbjuder en större mängd och variation av föda i form av växter och frön än åkrarna. En intensiv markanvändning ger ofta samhällen med arter som har en mindre genomsnittlig kroppsstorlek både i jordlöparsamhällen och bland marklevande leddjur. Samhällen med arter som har en mindre medelkroppslängd har visat sig ha högre biologisk kontroll jämfört med samhällen med större medelkroppslängd. Detta beror troligtvis på att större naturliga fiender äter mindre naturliga fiender vilket leder till minskad biologisk kontroll.

Resultaten i Paper III visar även att utkläckningen av olika naturliga fiender variera både inom och mellan habitaten över växtodlingssäsongen. Detta indikerar att det är viktigt med många olika typer av habitat i landskapet eftersom det garanterar en produktion av naturliga fiender över hela odlingssäsongen. Inte bara markanvändningen påverkar var en naturlig fiende befinner sig i landskapet utan även dess spridningsförmåga i landskapet. Kvaliten på habitatet är en avgörande faktor för om en individ stannar eller lämnar ett habitat. Den sammatagna spridningstendensen för utkläckande naturliga fiender var större i fälten än i gräsmarkerna vilket tyder på att gräsmarker har en bättre habitatskvalitet (Paper III). Spridningstendensen skiljde sig dock mellan höstvete och sockerbetsfälten för olika grupper av naturliga fiender vilket tyder på att grödorna varierar i resurstillgång, dvs. har olika kvalitet för olika naturliga fiender.

Sammanfattningsvis så visar min avhandling att både odlingsmetoder och markanvändning påverkar förekomsten av naturliga fiender i jordburkslandskapet och deras potential för biologisk kontroll. Frågan är hur vi kan använda denna kunskap för att göra jordbruket mer hållbart? Tydligt är att insekticider påverkar den biologiska kontrollen av rapsbaggar negativt och det är därför viktigt att minska besprutningen. Frågan är dock, kan biologisk kontroll ersätta bekämpningsmedel? Resultaten (Paper I) visar på att den biologiska kontrollen var hög då parasiteringsfrekvensen låg på 75% i medeltal, vilket är en bra bit över de 32% som oftast anses vara en gräns för när parasitsteklar utför biologisk kontroll. Vidare så styrdes parasitsteklarnas utbredning av mängden rapsbaggar vilket tyder på att parasitsteklarna har en relativt god spridningsförmåga i vårt jordbrukslandskap. Förutsättningarna för en lyckad biologisk kontroll är alltså god men det är ytterst upp till jordbrukaren att bestämma hur skadedjur ska bekämpas. Att påverka jordbrukares attityder till odlingsmetoder och miljöpåverkan är därför viktigt för att skapa ett hållbart jordbruk. Resultaten i Paper III visar tydligt att artsammansättningen skiljer sig i tid och rum mellan olika marktyper. Detta visar att det kan vara viktigt att inkludera diversiteten av marktyper när man skapar framtidens jordbruk då detta säkrar en konstant produktion av naturliga fiender över hela växtodlingssäsongen. Slutligen för att skapa ett mer hållbart jordbruk är det av största vikt att relevant forskning kommuniceras till jordburkssektorn, företrädesvis via rådgivning, myndigheter eller via media. Detta kräver att forskningsresultat tolkas och förenklas för att öka dess tillgänglighet.

• author: Hanson, Helena
• supervisor: Katarina Hedlund; Henrik Smith
• opponent: prof Ekbom, Barbara, Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för ekologi, Uppsala
• organization: BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate; Centre for Environmental and Climate Science (CEC); Biodiversity; Environmental Science
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Earth and Related Environmental Sciences
• keywords: Agricultural intensification, sustainable agriculture, land use, management intensity, landscape scale, ecosystem services, biological control, species trait, pesticides, predatory arthropods, parasitoids, pollen beetles
• pages: 130 pages
• defense location: Blå hallen, ekologihuset, Sölvegatan 37
• defense date: 2015-05-22 10:00:00
• ISBN: 978-91-7623-296-5
• ISBN: 978-91-7623-295-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f861e298-18e3-4dc4-b4de-10c8db8a689e (old id 5277491)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:12:28
• date last changed: 2020-04-29 12:10:37