Role of grassy strips on the biodiversity and movement of ground beetles (Carabidae: Coleoptera) in organic arable ecosystems

Ranjha, Mazhar Hussain

The aim of this study was to investigate the role of grassy strips in organic farming using carabids as model organisms. Overall, the invasion of carabids from field margins to field centres was studied along grassy strips compared to adjacent field areas away from grassy strips, the effect of age of grassy strips on biodiversity, and the movement behaviour of selected species. Carabid assemblages showed no differences between grassy strips of different age, crop fields near the grassy strips, and the field margins. Open field carabids that avoid tree shade mostly took the advantage of the grassy structures. In addition, only a small number of carabid species that like tree cover also used the grassy strips. In contrast, arable crop lands were only exploited by species that elude vegetation cover. All 89 species demanded a soil pH ranging from 4.6 to 5.6. Species that prefer a soil pH lower than 4.6 were not found in the habitats. Poecilus cupreus, Poecilus versicolor, and Carabus nemoralis used the grassy strips to invade into the arable fields, whereas Pterostichus melanarius, Anchomenus dorsalis, Nebria brevicollis, and Trechus quadristriatus entered directly into the arable fields from the field margins without using the grassy strips. Endangered carabids did not benefit from grassy strips. On average, medium sized ground beetles (5 - 15 mm) profit from grassy strips. Small sized carabids (<5 mm) were in comparatively higher abundance in the fields and grassy strips than in the field margins. Age of the grassy strips was the major factor that influenced the biodiversity of the carabids in the grassy strips and in the adjacent arable crop land. Generally, a higher species richness and lower activity density characterised the grassy strips and field margins compared to the cropping areas. The older grassy strips contributed more to higher species richness and biodiversity (Shannon H) in the adjacent crops than younger strips. Increase in distance from the field edges resulted in a decrease of evenness and an increase of the activity density in the grassy strips and the cropping areas. Effect of age was also eminent in different feeding groups of carabids. The major influence was found for carnivorous and phytophagous ground beetles as compared to omnivorous. A positive relationship was found between the age of the grassy strips and the species richness of the most dominant species in the grassy strips. Age of grassy strips influenced the species richness of the dominant species in the crop centre up to a distance of more than 150 m from the field margins. Like total species richness, the species richness of the most dominant species also declined with the increase in distance from the field margins. Moreover, the older grassy strips influenced the richness of dominant species on the field margins connected to them. Grassy strips acted as a corridor for the invasion of single dominant ground beetles into the crop centres. Mark and recapture studies revealed a higher displacement and speed in the arable crops than in grassy structures for P. melanarius, Carabus auratus and Poecilus spp. A comparison among the species showed that the displacement and speed of C. auratus was significantly higher than of P. melanarius, Pterostichus niger, and Poecilus spp. The behaviour of P. melanarius differed for the distance covered and the speed between the crops. The species covered longer distances with higher speed in wheat (Triticum aestivum) than in red-clover (Trifolium pratense) or pumpkin (Cucurbita maxima). In addition, the displacement and speed of P. melanarius differed between spring and autumn generation in wheat and clover crops. The carabids behaved differently for their invasion into the crops from the field margins. Carabus auratus showed no preference to the grassy structures and arable crops for its invasion into the fields. However, P. melanarius preferred to enter into the crop centres from the grassy margins. In contrast, Poecilus spp. showed a different behaviour of its invasion into the crops based on the locations of the arable fields. In a marginal field close to a forest, Poecilus spp. used the grassy strips to enter into the crop areas and avoided a grassy strip with adjacent hedge. However in a field located in the centre of the huge crop land, Poecilus spp. used both crop areas and grassy strips equally. C. nemoralis preferred only grassy margins adjacent to a hedge and avoided to enter the crop land directly or the grassy strip without any hedge structure. Unlike Poecilus spp. and C. nemoralis, Nebria brevicollis avoided the grassy strips and preferred to disperse into the cropping areas directly. P. niger preferred the grassy strips and their border areas for dispersal. The investigations support the establishment of grassy structures in the organic arable ecosystems, although some effects are weak and only a few species benefit from the grassy structures. In addition, the grassy structures assist the dispersal of certain species which could not invade without these corridors. If the grassy strips are established for 9 years, they have a higher ecological value than young strips. Furthermore, a positive influence of old grassy strips on the species richness was not only found in the arable field area but also in the adjacent ecosystems.

Es war das Ziel dieser Studie, die Rolle von Grasstreifen im Ökologischen Landbau mit Hilfe von Carabidae als Modellorganismen zu untersuchen. Folgende einzelnen Probleme sollten studiert werden: Das Eindringen von Carabidae von den Feldrändern in die Feldmitte, in dem die Verteilung der Käfer entlang von Grasstreifen und benachbarten Feldbereichen untersucht wurde, der Effekt des Alters von Grasstreifen auf die Biodiversität und das Bewegungsverhalten ausgewählter Arten entlang verschiede¬ner Grasstreifen. Die Carabidengemeinschaften zeigten keine deutlichen Unterschiede zwischen Grasstreifen unter¬schiedlichen Alters, benachbarten Feldbereichen und Feldrändern. Die Grasstreifen wurden von Laufkäferarten dominiert, die offene Flächen präferieren. Schattenliebende Arten waren aus¬schließlich in den Grasstreifen zu finden, aber nur in geringer Anzahl vorhanden. In den Feldern waren ausschließlich Arten zu finden, die keinen Schatten ertragen. Alle 89 Arten haben bei pH-Werten des Bodens zwischen 4,6 und 5,6 ihr Präferenzoptimum. Arten, die niedrigere pH-Werte bevorzugen, traten nicht auf. Poecilus cupreus, Poecilus versicolor und Carabus nemoralis nutzten die Grasstreifen, um in die Felder einzudringen, während Pterostichus melanarius, Anchomenus dorsalis, Nebria brevicollis und Trechus quadristriatus direkt in die Felder wanderten, ohne die Grasstreifen zu nutzen. Es konnte nicht nachgewiesen werden, dass gefährdete Arten proportional mehr von den Grasstreifen profitierten als ungefährdete. Im Mittel wurden die Grasstreifen von Arten mittlerer Größe (5-15 mm) bevorzugt genutzt. Kleine Arten (< 5) waren vergleichsweise häufiger in den Feldern und den Grasstreifen als in den Feldrändern. Das Alter der Grasstreifen beeinflußte als wichtigster Faktor die Biodiversität von Carabidae in den Grasstreifen und in den benachbarten Feldbereichen. Im Allgemeinen waren die Grasstreifen und die Feldränder durch eine höhere Artenvielfalt und niedrigere Aktivitätsdichte charakterisiert als die Felder. Alte Grasstreifen trugen mehr zu einer Erhöhung der Artenzahl und der Artendiversität (Shannon H) in den benachbarten Feldbereichen bei als junge Grasstreifen. Mit zunehmender Entfernung vom Feldrand sank die Eveness, während die Aktivitätsdichte anstieg. Das Alter von Grasstreifen war auch von großer Bedeutung für die verschiedenen Ernährungstypen der Carabidae. Der größte Einfluß wurde auf die carnivoren und phytophagen Laufkäfern gefunden, während er bei den omnivoren gering war. Für die dominanten Arten zeigte die multiple Regression, dass sowohl die Entfernung vom Feldrand als auch das Alter der Grasstreifen die Artenzahl in den Grasstreifen beeinflußt. Die Entfernung vom Feldrand wirkte negativ, das Alter der Grasstreifen positiv auf die Artenzahl in den Grasstreifen. Auch in den benachbarten Feldbereichen und in den Feldrändern wirkte sich das Alter der Grasstreifen positiv auf die Artenzahl der dominanten Arten aus. Die Grasstreifen wirken als Korridore bei der Einwanderung einzelner dominanter Laufkäferarten in die Felder. Für Pterostichus melanarius, Carabus auratus und Poecilus ssp. ergab die Markierungs- und Wiederfangmethode eine höhere Mobilität und Geschwindigkeit in den Feldern als in den Grasstreifen. Der Vergleich zwischen den Arten zeigte, dass die Mobilität und Geschwingikeit von C. auratus signifikant höher war als von P. melanarius, P. niger und Poecilus ssp. Die Mobilität und Geschwindigkeit von P. melanarius war zwischen verschiedenen Anbaufrüchten unterschiedlich. Im Weizen (Triticum aestivum) wurden weitere Entfernungen und höhere Geschwindigkeiten erreicht als im Rotklee (Trifolium pratense) oder im Kürbisanbau (Cucurbita maxima). Außerdem wurden zwischen der Frühjahrs- und Herbstgeneration von P. melanarius sowohl im Weizen als auch im Rotklee signifikante Unterschiede gefunden. Die Carabiden verhielten sich unterschiedlich während ihrer Einwanderung vom Feldrand in die Felder. C. auratus zeigte keine bevorzugte Nutzung von Grasstreifen während seiner Einwanderung in die Felder, vermied sie aber auch nicht. Dagegen wanderte P. melanarius direkt in die Felder ein und vermied die Grasstreifen. Im Gegensatz zu diesen beiden Arten konnte bei Poecilus ssp. ein unterschiedliches Verhalten in Abhängigkeit von der Lage der Grasstreifen festgestellt werden. In einem Feld mit einem benachbarten Wald nutzte Poecilus ssp. signifikant häufiger den Grasstreifen und vermied den Streifen neben einem Knick, in einem Feld in der Mitte der Agrarflächen wanderte er sowohl entlang der Grasstreifen als auch direkt in das Feld ein. C. nemoralis bewegte sich nur entlang des Grasstreifens mit einem benachbarten Knick in die Felder. Eine Einwanderung entlang der Grasstreifen ohne benachbarte Hecke oder eine direkte Einwanderung konnte nicht festgestellt werden. Anders als Poecilus ssp. und C. nemoralis mied N. brevicollis Grasstreifen und wanderte direkt in die Felder ein, während P. niger nur die Randbereiche der Grasstreifen für seine Ausbreitung nutzte. Die Untersuchungsergebnisse unterstützen die positive Wirkung von Grasstrukturen im Ökologischen Landbau, obwohl einige Effekte sehr schwach sind und nur einige wenige Arten davon profitieren. Grasstreifen unterstützen die Ausbreitung einiger Arten in die Felder, die sich ohne diese Korridore nicht in die Agrarflächen ausbreiten könnten. Wenn Grasstreifen ein Alter von 10 Jahren erreichen haben sie einen stärkeren positiven Wert als junge Grasstreifen. Außerdem scheinen alte Grasstreifen nicht nur die Artenvielfalt in den Agrarflächen, sondern auch in den umgebenden Ökosystemen positiv zu beeinflussen.

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Ranjha, Mazhar: Role of grassy strips on the biodiversity and movement of ground beetles (Carabidae: Coleoptera) in organic arable ecosystems. 2013.

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