Plant communities in field margins of agricultural landscapes: species distributions, functional traits, and contributions to landscape function

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Elsayed Ali Ibraheem, Hamada:
Plant communities in field margins of agricultural landscapes: species distributions, functional traits, and contributions to landscape function.
Bayreuth , 2015 . - XIII, 105 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Most of the agricultural landscapes are a mosaic of cultivated fields, semi-natural habitats, human infrastructures and occasional natural habitats. Within such landscapes, linear semi-natural habitats often define the edges of agricultural fields, called “field margins”. Field margins are an important component of the agricultural landscapes as they are contributing positively to ecosystem functions by supporting biodiversity, preventing soil erosion, contributing in nutrient cycling and improving soil stability.
This thesis is aiming to further our understanding of the processes governing plant community structure and resulting functioning in agricultural field margins by focusing on describing naturally occurring plant communities of the field margins in the agricultural landscape of Haean-myun catchment in South Korea and how it can affect the ecosystem functioning (e.g. soil stability, soil erosion control), which consequently will help us to understand the functional role of the field margins as an important component of the agro-ecosystem. Our first study investigates how the local-scale management and the landscape-scale land-use influence the composition of plant communities of agricultural field margins, to understand how to improve the diversity of the field margins in agricultural landscapes. In the second study, we aimed to integrate vegetation characteristics and plant functional traits (PFTs) into a statistical model of abiotic soil characteristic effects on soil stability, towards an improved understanding of ecosystem functioning in agricultural landscapes. Finally, in the third study, we investigated how field margins in the agriculture landscapes can limit the soil erosion during the monsoon season, which will help us to better understand the function of an important ecosystem component like field margins within the agriculture landscapes, via testing the effect of its different management schemes at different slope degrees on sediment trapping.
To test how the local management “managed and unmanaged” and the landscape-scale land-use “percentage of non-farmed habitat” influence plant communities of agricultural field margins, we studied multi-facet plant community structure which includes alpha, beta and gamma diversities and species level characteristics such as rareness, growth forms, and dispersal types in hundred field margins in Haean-myun catchment, South Korea. We found that abandonment of local management in field margins positively influenced alpha diversity and especially the abundance of species that are rare and/or are characterized by abiotic dispersal and perennial growth forms. In contrast, local management of field margins resulted in lower alpha diversity and contributed to high beta diversity. The availability of landscape-scale non-farmed habitats influenced especially the diversity of managed field margins by increasing alpha diversity especially when focusing on more frequent species. The positive effect was highest for annual species independent of their dispersal mode.
For our second study, we used path model analysis to quantify the effect of plant functional traits (PFTs), abiotic soil characteristics (soil texture) and vegetation characteristics (vegetation cover and species richness) on three soil stability measures (soil aggregate stability, soil penetration resistance and soil shear vane strength) in 30 field margins in Haean-myun catchment, South Korea, in these models we studied also the importance of intraspecific trait variability (ITV) by comparing models that account or ignore for ITV. We found that, variance in soil stability was explained to varying degrees (from 81% for soil aggregate stability to 35% for soil shear vane strength). The three soil stability measures were mainly affected directly by root density, while PFTs and soil texture exerted indirect effects through root density and vegetation parameters, respectively. Including ITV improved model explained variance and goodness-of-fit in all cases.
In the third study on the effect of field margin’s management and slope degree on sediment trapping, prior to the beginning of monsoon season, a total of 12 sites within Haean-myun catchment, South Korea, were equipped with Astroturf mats (n = 15 / site) which were placed before, within and after four different types of field margins: “managed flat”, “managed steep”, “natural flat” and “natural steep. Sediment was collected from the 12 sites after each rain event continuously until the end of the monsoon season. Using the linear mixed effect model allowed us to test the effect of management and slope degree on sediment trapping for the sediment collected within the field margin and the sediment difference between these collected after and before the four field margins’ types. We found that in all cases, there is a positive relation between rainfall and sediment collected. Natural field margins showed high efficiency in reducing soil erosion in comparison to the managed ones. For the field margin slope, it showed effectiveness in combination with vegetation cover, as natural margins that have steep slopes had more sediment trapped in comparison to the managed margins. These findings allowed us to develop a functional framework of placement and designing of field margins within agriculture landscape to reduce soil erosion.
In this thesis, we developed several recommendations for improving the ecosystem functions in agricultural landscapes using the field margins as a functional component of the agroecosystem. We showed how important the local-management of the field margins and the surrounding landscape-scale land-use in maintaining the diversity in the agricultural landscapes. For areas like South Korea, new laws and strategies should be developed to control the field margin’s local management, which will help in conserving the biodiversity by providing the suitable habitats for flora and fauna and consequently, will affect the soil quality and stability which will help in controlling the soil erosion happens during the monsoon time in South Korea. Furthermore, we demonstrated how essential is the field margin’s plant functional community composition on soil stability as an important ecosystem function in the agricultural landscapes. Finally, we modified a pre-existing future decision support system (DSS) framework for the effective design and placement of the vegetated field margins within the agricultural field system to help in protecting soil erosion via field margins in agricultural landscapes that face monsoonal climate.

Abstract in weiterer Sprache

Die Mehrheit der Agrarlandschaften bestehen aus einem Mosaik von bewirtschafteten Feldern, semi-natürlichen Habitaten, künstliche Infrastrukturen und zeitweise natürlichen Habitaten. Innerhalb dieser Landschaften werden Feldränder oft als lineare semi-natürliche Habitate charkterisiert. Die Feldränder stellen eine wichtige Komponente der Agrarlandschaften dar, da sie wichtige Ökosystemfunktionen wie z.B. die Förderung der Biodiversität und der Nährstoffkreisläufe, den Schutz vor Bodenerosion sowie die Erhöhung der Bodenstabilität übernehmen.
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, ein besseres Verständnis über die Prozesse der Struktur der vorherrschenden Pflanzengemeinschaften und der daraus resultierenden Funktion der Feldränder zu erlangen, indem die natürlich vorkommenden Pflanzengemeinschaften der Feldränder in der Agrarlandschaft des Haean-myun Einzugsgebiets in Südkorea beschrieben werden. Desweiteren soll untersucht werden, in welchem Maße die Feldränder die Ökosystemfunktionen beeinflussen (z.B. Bodenstabilität, Bodenerosionskontrolle). Dies soll zu einem tieferem Verständnis der funktionalen Rolle der Feldränder als wichtige Komponente der Agrarökosysteme führen. Die erste Studie der vorliegenden Arbeit untersucht, wie sich das Management auf lokaler Ebene und die Landnutzung auf Landschaftebene auf die Komposition der Pflanzengemeinschaften der Feldrändern auswirkt, um ein besseres Verständnis darüber zu erlangen, wie die Diversität der Feldränder in Agrarlandschaften erhöht werden kann. Die zweite Studie dieser Arbeit zielt darauf ab, Vegetationscharakteristika und funktionale Pflanzeneigenschaften zusätzlich zu abiotischen Bodeneigenschaften in ein statistisches Modell der Bodenstabilität zu integrieren, um ein besseres Verständnis über die Ökosystemfunktionen in Agrarlandschaften zu erlangen. In dritten und letzten Teil der vorliegenden Arbeit wird untersucht, in welchem Ausmaß die Feldränder die Bodenerosion in Agrarlandschaften während der Mosunzeit vermindern. Dies soll zu einem verbesserten Verständnis über die Rolle der Feldränder als wichtige Komponente des Ökosystems innerhalb der Agrarlandschaften führen. In dieser Studie wird der Effekt verschiedener Management-Systeme und unterschiedlichen Hangneigungen auf den Sedimentrückhalt untersucht.
Um zu testen, wie sich das lokale Management “bewirtschaftet und nicht-bewirtschaftet“ und die Landnutzung auf Landschaftsebene im Sinne des Prozentanteils des nicht-bewirtschafteten Habitats auf die Pflanzengemeinschaften in den Feldrändern auswirkt, wurde die facettenreiche Struktur der Pflanzengemeinschaft in Hinblick auf die Alpha-, Beta-, und Gamma-Diversität und der Artniveau-Charakteristik wie Seltenheit, Wuchsform und Dispersionstypen in hundert Feldrändern im Haean-myun Einzugsgebiet untersucht. Die Studie ergab, dass der Verzicht auf lokales Management in Feldrändern die Alpha-Diversität und insbesondere das Artenreichtum der seltenen Arten und/oder die abiotische Verbreitung und perennierende Wuchsformen positiv beeinflussten. Im Gegensatz dazu führte ein lokales Management der Feldränder zu einer niedrigeren Alpha-Diversität und einer höheren Beta-Diversität. Die Verfügbarkeit von nicht-bewirtschafteten Habitaten auf Landschaftsebene beeinflusste die Diversität der gemanagten Feldränder, insbesondere die Alpha-Diversität mit Fokus auf die häufiger vorkommenden Arten. Der stärkste positive Effekt auf die Alpha-Diversität wurde bei den einjährigen Arten unabhängig von deren Dispersionsgrad gefunden.
In der zweiten Studie nutzten wir die Pfad-Modell-Analyse um den Effekt der funktionalen Pflanzenmerkmale (PTFs), der abiotischen Bodeneigenschaften (Bodentextur) und der Vegetationseigenschaften (Grad der Vegetationsbedeckung und Artenreichtum) auf drei Bodenstabilitätskriterien (Bodenaggregatstabilität, Bodeneindringwiderstand und Bodenscherfestigkeit) in 30 Feldrändern im Haean-Einzugsgebiet in Südkorea zu untersuchen. Außerdem untersuchten wir die Bedeutung der intraspezifischen Merkmalsvariabilität (ITV) indem die Modelle, die ITV entweder berücksichtigten oder nicht berücksichtigten, verglichen wurden. Die Studie ergab, dass die Varianz der Bodenstabilität im unterschiedlichen Ausmaß erklärt wurde (zu 81% mit der Bodenaggregatstabilität und zu 35% mit der Bodenscherfestigkeit). Die drei Bodenstabilitätskriterien wurden hauptsächlich direkt durch die Wurzeldichte beeinflusst, während hingegen die PTFs durch die Wurzeldichte und die Bodentextur durch andere Vegetationsparameter eher indirekt beeinflusst wurden. Das Modell, welches die ITV berücksichtigte, erklärte die Varianz und die Anpassungsgüte in allen Fällen.
In der dritten Studie wurde der Effekt des Feldränder-Managements und der Hangneigung auf den Sedimentrückhalt untersucht, indem vor der Monsunzeit an 12 Standorten im Einzugsgebiet Haean Atroturf-Matten (n=15/Standort) installiert wurden und zwar vor, mittig und hinter vier verschiedenen Feldrand-Typen (bewirtschaftet+flach, bewirtschaftet+steil, nicht-bewirtschaftet+flach, nicht-bewirtschaftet+steil). Die Sedimentmenge wurde an den 12 Standorten nach jedem Regenereignis durchgehend bis zum Ende der Monsunzeit bestimmt. Mithilfe des linearen Mixed-Effect-Modells wurde getestet, in welchem Ausmaß sich das Management der Feldränder und dessen Hangneigung auf den Sedimentrückhalt auswirkt und wie sich die Sedimentmenge vor und hinter den vier Feldrandtypen unterscheidet. Die Studie ergab eine positive Korrelation zwischen Niederschlagsmenge und Sedimentmenge in allen untersuchten Fällen. Im Vergleich zu den bewirtschafteten Feldrändern zeigten die nicht-bewirtschafteten Feldränder eine erhöhte Effizienz bei der Verminderung der Bodenerosion. Im Falle der Hangneigung zeigte sich, dass auch hier die nicht-bewirtschafteten natürlichen Feldränder im Vergleich zu den bewirtschafteten Feldrändern in Kombination mit der Vegetationsbedeckung und bei starker Hangneigung am meisten Sediment zurückhielten. Die Ergebnisse erlaubten, ein Konzept zur Anordnung und Gestaltung von Feldrändern in Agrarlandschaften zur Reduktion der Bodenerosion zu entwickeln.
In der vorliegenden Arbeit haben wir mehrere Empfehlungen für eine Verbesserung der Ökosystemfunktionen in Agrarlandschaften in Bezug auf die Feldränder als funktionale Komponente des Agrarökosystems entwickelt. Wir konnten zeigen, wie wichtig das lokale Management der Feldränder und die umgebene Landnutzung auf Landschaftsebene für den Erhalt der Diversität in Agrarlandschaften ist. Für Länder wie Südkorea sollten neue Gesetze und Strategien in Bezug auf die Kontrolle des lokalen Feldränderbewirtschaftung entwickelt werden, welche den Erhalt der Biodiversität durch die Bereitstellung von geeigneten Habitaten für Flora und Fauna unterstützen. Somit kann auch die Bodenqualität und Bodenstabilität beeinflusst und die Bodenerosion während der Monsunzeit in Südkorea kontrolliert werden. Darüber hinaus konnten wir zeigen, wie essentiell sich die Komposition der funktionellen Pflanzengemeinschaften der Feldränder auf die Bodenstabilität als wichtige Komponente der Ökosystemfunktion in Agrarlandschaften auswirkt. Schließlich konnten wir ein zuvor existierendes Entscheidungsunterstützungssystem modifizieren, welches eine effektivere Platzierung und ein effektiveres Design der Feldränder innerhalb der Agrarlandschaft erlaubt und als Bodenerosionsschutz insbesondere in vom Monsun beeinflussten Gebieten dient.