Arable weeds in the face of global climate change

Abstract

Arable weeds are one of the most endangered species groups in Central Europe. Modern agriculture and intensive land use management with the application of herbicides and fertilizers, enhanced seed treatments, simplified crop rotation, and abandonment of marginal arable sites caused a dramatically decline of arable weeds and a shift in the spectrum of the wild arable plant species. Besides changing land use, global climate change may present a further challenge to the adaptability of arable weeds. Differing climate scenarios predict a general increase of annual mean temperatures and an increased frequency of extreme meteorological conditions. As a consequence, plants may be more often subjected to high temperatures and low soil moisture during the growing season in spring and summer. Germination is a crucial stage especially for annual species. As temperature and water availability control germination of seeds, changes in these factors may have major impacts on the establishment and survival of plant populations. For the development of successful conservation programs it is essential to understand the response of endangered species to future changes in environmental conditions.In this context, the presented studies investigated the response patterns of arable weeds to changes in temperature and water availability during germination. The results revealed a distinct germination response of endangered and common arable weeds. At optimal water supply endangered species tended to germinate to a higher percentage than common arable weeds, however, this trend was reversed when water availability decreased. Thus, endangered arable weeds showed a stronger negative response to water stress during germination than common arable weeds. In addition, endangered arable species germinated in a narrower time window, e.g. shorter mean germination time and higher synchrony of germination. The endangered species place everything on one card, while the more common species spread their germination over a longer time period. Therefore they are less sensitive towards short-term unfavourable site conditions and disturbances. Based on comprehensive collection of data over a broad range of temperatures (3 - 35 °C) combined with several water potentials (0.0 - 1.2 MPa) germination response of endangered and common arable weeds could be modelled for differing climate scenarios. Less flexibility to decreasing water availability of the endangered species and a significant lower mean germination temperature (15.8 °C ± 0.4) compared to the common species (18.4 °C ± 0.2) suggests that the endangered arable weed species will be more negatively affected by global warming than common species.The results of the study about the impact of the mean germination time on plant fitness show that the common weed species are following a bet-hedging strategy. They are sacrificing fitness of individual plants in order to decrease the risk of a failure of the whole seed batch. Timing of germination has a significant influence on plant fitness across the life-cycle. At delayed germination of seven days individuals of the target species Agrostemma githago had 54 % less shoots, 23 % less height, 57 % less biomass, 52 % less flowers, 37 % less seeds per capsule and 36 % lighter seeds. To set-up a conservation strategy for endangered species in the agricultural landscapes of Central Europe it has to be considered that climate change will further enhance the decline of several arable weeds initiated through land use changes. As the consequences of climate change are not avoidable, the conservation efforts have to focus on measures to compensate negative effects. To increase biodiversity of agricultural landscapes and to stop the further decline of arable weed species, conservation measures for arable weeds should be explicitly intensified. It is necessary to move away from local release of endangered species to a denser grid of weed conservation sites, which enables migration of arable weed species. Conservation measures on landscape-scale would give arable weed species greater scope to face future climatic changes. Ackerwildkräuter sind eine der am stärksten gefährdeten Artengruppen Mitteleuropas. Die Intensivierung der Landwirtschaft mit dem Einsatz von Herbiziden und Mineraldünger, verbesserter Saatgutreinigung, Vereinfachung der Fruchtfolgen, frühem Stoppelumbruch und der Aufgabe von Grenzertragsstandorten führten zu einem stetigen Rückgang der Ackerwildkräuter auf den ackerbaulich genutzten Flächen. Zusätzlich zu der veränderten Landnutzung wird auch der Klimawandel die Anpassungsfähigkeit der Ackerwildkräuter auf die Probe stellen. Neben einer allgemeinen Erwärmung werden auch Extremwetterlagen in Zukunft häufiger erwartet. Außerdem soll sich der Trend zur jahreszeitlichen Ungleichverteilung des Niederschlags fortsetzen. Zukünftig wird mit mehr Niederschlag im Winter und weniger im Sommer gerechnet. Dies kann für die Pflanzen Mitteleuropas bedeuten, dass sie bei höheren Temperaturen und geringerem Niederschlag während der Vegetationsperiode ihren Lebenszyklus abschließen müssen.Ackerwildkräuter sind meist annuelle Arten und der Keimungsprozess ist eine entscheidende Phase im Leben dieser Pflanzen. Da Temperatur und Wasserverfügbarkeit diesen Prozess maßgeblich steuern, können Änderungen dieser Faktoren große Auswirkungen auf die Keimungsrate und damit auf die Etablierung von Pflanzenarten haben. Um gefährdete Pflanzenarten auf Landschaftsebene schützen zu können ist eine Prognose ihrer Reaktion auf sich verändernde Standortbedingungen sinnvoll. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit untersucht, wie Ackerwildkräuter auf Veränderungen von Temperatur und Wasserverfügbarkeit während des Keimungsprozesses reagieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es in diesem Zusammenhang einen signifikanten Unterschied zwischen ungefährdeten und gefährdeten Arten gibt. Bei voller Wasserverfügbarkeit keimten die untersuchten seltenen Arten tendenziell mehr als die häufig vorkommenden Wildkräuter. Dieses Verhältnis kehrte sich um, sobald Wasserstress simuliert wurde. Die seltenen Ackerwildkräuter reagierten mit einer deutlich stärkeren Abnahme der Gesamtkeimung auf abnehmendes Wasserpotential als die häufigen Arten. Darüber hinaus keimten die seltenen Arten in einem engeren Zeitfenster, d.h. die mittlere Keimungsdauer ist kürzer und die Synchronität der Keimung ist höher als bei den ungefährdeten Arten. Damit setzen die seltenen Arten alles auf eine Karte, während die häufigeren Arten ihre Keimung über einen größeren Zeitraum streuen und so das Risiko des Verlusts einer gesamten Samengeneration durch kurzfristige Störungen verringern. Durch eine umfassende Datenaufnahme über eine breite Temperaturspanne (3 - 35 °C) bei verschiedenen Wasserpotentialen (0,0 - 1,2 MPa) konnte darüber hinaus die Keimungsreaktion von seltenen und häufigen Ackerwildkräutern unter verschiedenen Klimaszenarien modelliert werden. Auf Grund geringerer Flexibilität gegenüber abnehmender Wasserverfügbarkeit und einer signifikant geringeren optimalen Keimungstemperatur der seltenen Arten (15,8 °C ± 0,4) im Vergleich zu den häufigen Arten (18,4 °C ± 0,2) lässt sich darauf schließen, dass die heute seltenen und gefährdeten Arten weniger vom prognostizierten Klimawandel profitieren werden als die häufigen Ackerwildkrautarten. Die Ergebnisse des Versuchs zur Bedeutung der mittleren Keimungsdauer zeigen, dass die häufigen Ackerwildkrautarten einer Bet-Hedging Strategie folgen. Sie nehmen eine geringere Fitness von später gekeimten Pflanzenindividuen in Kauf um das Risiko der Gesamtpopulation zu verringern. Denn der Keimungsverlauf hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Fitness einer Pflanze während ihres gesamten Lebenszyklus. So zeigten die Individuen der Versuchspflanze Agrostemma githago bei einem Keimungsverzug von sieben Tagen 54 % weniger Triebe, 23 % geringeres Höhenwachstum, 57 % weniger Biomasse, 52 % weniger Blüten, 37 % weniger Samen pro Kapsel und um 36 % leichtere Samen.Bei der Entwicklung von Schutzkonzepten für gefährdete Arten der Agrarlandschaften Mitteleuropas muss daher berücksichtigt werden, dass der Klimawandel den durch den Landnutzungswandel hervorgerufenen Rückgang vieler Ackerwildkräuter bzw. die Verschiebungen im Artenspektrum weiter verstärken kann. Da die Folgen des Klimawandels für die Ackerwildkräuter nicht direkt aufzuhalten sind, sollte der Fokus der Schutzbemühungen auf Maßnahmen liegen, die die negativen Auswirkungen des Landnutzungswandels ausgleichen. Das Ziel dieser Bemühungen sollte die Erhaltung der gefährdeten Arten auf Landschafsebene sein. Bei kleinflächigen und isolierten Vorkommen von Ackerwildkräutern besteht die Gefahr, dass diese bei Änderung der lokalen klimatischen Bedingungen kaum auf dann geeignete Standorte ausweichen können. Nur durch eine möglichst flächendeckende Förderung dieser Arten kann dem regional unterschiedlichen Ausmaß der klimatischen Veränderung und dem damit verbundenen unterschiedlichen Anpassungsdruck auf die Vegetation begegnet werden.