LTER_Insekten: TdRF2024_Konzepte zur vollständigen Erfassung der Insektenbiodiversität in LTER Standorten landwirtschaftlicher Produktionsflächen

Vision: Das Projekt implementiert langfristiges Biodiversitätsmonitoring von Insekten in der Agrarlandschaft durch die Verbindung von digitalen und DNA basierten Methoden. Es fußt auf einer automatisierten Zählmethode und Hochdurchsatz DNA-Barcoding und bedeutet eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu den derzeit als einfach umsetzbar angesehenen Methoden, wie dem Messen von Fluginsekten Biomasse. Unser innovativer Ansatz wird zur Erstellung von Baselines auf long term ecological research Einrichtungen (LTER) auf landwirtschaftlichen Produktionsflächen angewendet. Eine solche Einrichtung steht mit der Research Farm der BOKU zur Verfügung und erlaubt uns die Erstellung von Versuchen über die langfristige Wirkung von Biodiversitätsmaßnahmen. Damit wird nicht nur der Grundstein für langfristige Bobachtung der Biodiversität von Insekten in Agrar-Versuchsflächen gelegt, sondern auch ein „Proof of Concept“ für die Entwicklung von Standardisierung der Datenerfassung von Insekten-Biodiversität für Monitoring, Vorhersage und Berichterstattung erarbeitet.

Der Verlust der biologischen Vielfalt gilt als eine der größten globalen Herausforderungen für den Erhalt der wirtschaftlichen und ökologischen Existenzgrundlage der menschlichen Gesellschaft (Rasche et al., 2022). Insbesondere die Klimakrise verdeutlicht die Auswirkungen schneller Veränderungen auf die Biodiversität (Rödder et al., 2021; Habel et al., 2021) Synergieeffekte der Treiber ergeben daraus resultierend eine Beschleunigung der Biodiversitätskrise. Die Erkenntnis dieses Zusammenhangs erfordert die Entwicklung von biodiversitätsfördernden Maßnahmen und spiegelt sich in der Formulierung von Konzepten zur Erhöhung der Verfügbarkeit biologischer Daten wider. Internationale und nationale Strategien, wie die Österreichische Biodiversitätsstrategie 2030 oder der europäische “Green Deal” erfordern daher ein effizientes und aussagekräftiges Biodiversitätsmonitoring (IPBES, 2019, Hausmann et al., 2020). Dies ist besonders wichtig für landwirtschaftlich genutzte Flächen, denn die Landwirtschaft kann einen großen Beitrag zum Schutz der Artenvielfalt leisten, kann sich aber wiederum auch negativ auswirken. Der Nutzen von Biodiversitätsmaßnahmen muss daher kontinuierlich überprüft werden.

Bei der Langzeitbeobachtung ökologischer Prozesse liegt der Fokus noch immer auf der Erfassung langfristiger Stoffkreisläufe in natürlichen Ökosystemen, um Aufschluss über die Auswirkungen menschlichen Handelns zu gewinnen. Die langfristige Beobachtung wird durch die Einrichtung von LTER Standorten (long term ecological research, oder eLTER für das europäische Netzwerk) erleichtert. Produktionsflächen werden hier erst seit Kurzem mitberücksichtigt, einerseits wohl aus praxisbezogenen Überlegungen, denn landwirtschaftliche Flächen werden von Privatpersonen betrieben, andererseits aufgrund des dynamischen Charakters dieser Standorte. Mit der Einbeziehung sozioökonomischer Variablen in die Langzeitbeobachtung hat sich dies geändert und die Etablierung von LTER Standorten für Produktionsflächen wird vorangetrieben, so auch an der „Research Farm“ Versuchswirtschaft Groß-Enzersdorf der BOKU.

Das Wesentliche an LTER Standorten ist die Definition von Standardbeobachtungen, die für alle Standorte gleich sind. Für Stoffkreisläufe sind die Beobachtungen gut formuliert, für Variablen der Biodiversität aktuell noch nicht detailliert genug. Bisher orientieren sich Standards eng an traditionellen Methoden sowie vereinfachenden, indirekten Methoden, wie Biomasse von Fluginsekten nach dem Modell der Krefeld-Studie (Hallmann et al., 2017) oder an mit Metabarcoding erstellten Artenlisten. Strategien sollten aber Bewertungen der biologischen Vielfalt auf allen Ebenen einbeziehen. Dazu gehört nicht nur die Erfassung von Veränderungen des Artenreichtums und Veränderungen der Häufigkeit einzelner Individuen oder einzelner Arten, sondern auch Verschiebungen in Strukturen von Artengemeinschaften (Habel, Samways and Schmitt, 2019) und damit verbundene Funktionsänderungen. Denn wenn sich Vorkommen und Populationsstrukturen ändern, ändert sich folglich auch die intraspezifische Differenzierung und Vielfalt der Arten (Habel et al., 2014).

Zwei Versuchseinrichtungen der BOKU, die „Research Farm“ - vormals die Versuchsflächen in Großenzersdorf - sowie der Lehrforst in der Rosalia werden als LTER Standorte ausgebaut und mit der Infrastruktur zur Erstellung von Standardbeobachtungen versehen. Um das Einbeziehen von landwirtschaftlichen Produktionsflächen in LTER zu unterstützen, wird im Rahmen des vorliegenden Projektes ein vollständiges Erfassen der Diversität zunächst an den Standorten der „Research Farm“ vorgeschlagen. Die hierbei entwickelten Konzepte können dann für den Lehrforst Rosalia angewendet werden, wo derzeit eine Pilotstudie zur Erfassung der Insekten-Biodiversität durchgeführt wird. Dabei kommt eine Kombination verschiedener moderner Methoden wie Digitalisierung, automatisierte Klassifizierung und DNA-Barcoding zum Einsatz.

Im Rahmen des vorliegenden Projektes wird eine Baseline zur Insektendiversität erarbeitet, auch verschiedene Ansätze von Biodiversitätsmaßnahmen experimentell beurteilt bzw. die Grundlagen dafür gelegt. LTER unter Kontrolle einer Universität erlaubt die Einrichtung von langfristigen Versuchen zum Vergleich von Biodiversitätsmaßnahmen und ihren Effekt auf Populationen, Arten und Gemeinschaften.

Damit zielt unser Projekt auf die Verbesserung der Standard-Beobachtungen ab, um aussagekräftige Daten für ein langfristiges Biodiversitätsmonitoring auf landwirtschaftlichen Biodiversitätsflächen zu erhalten. Die Ergebnisse werden zur Erstellung einer Baseline der Artenzusammensetzung auf LTER-Flächen genutzt und dienen zur Untersuchung der langfristigen Wirkung von biodiversitätsfördernden Maßnahmen in der Agrarlandschaft.

Zusammenfassend ergeben sich folgende spezifische Ziele:

• Unterstützung der Einrichtung eines landwirtschaftlichen LTER Standorts an der BOKU durch die Erstellung von Insekten-Biodiversität betreffenden Standardbeobachtungen.
• Erstellung einer Baseline für die Biodiversität der Insekten, sowohl unter Verwendung der vorgeschlagenen Standardbeobachtungen als Biomasse von Fluginsekten, sowie Metabarcoding von Falleninhalt und eDNA als auch eine detaillierte Baseline durch automatisierte Methoden. Diese Baseline steht dann für zukünftige Monitoring-Anwendungen im LTER Zusammenhang zur Verfügung.
• Verbesserung des Angebots für Standardbeobachtungen durch Verwendung automatisierter Methoden für Sortierung, Zählung und Klassifizierung von Fallenfängen. Diese werden mit Metabarcoding verknüpft, so dass alle Arten inklusive ihrer Häufigkeit bestimmt werden können.
• Test von verschiedenen Fallentypen, um die Genauigkeit des Zusammenhangs zwischen Fangort und Ökologie zu erhöhen, beispielsweise durch Emergenzfallen, die mit geringerer Anzahl an gefangenen Individuen Vergleiche erlauben.
• Etablierung von Beobachtungsflächen zur Untersuchung der langfristigen Wirkung von Biodiversitätsmaßnahmen. Damit können verschiedene Maßnahmen verglichen und in das LTER Beobachtungskonzept langfristig einbezogen werden.

Insgesamt ergibt diese Kombination an Tätigkeiten ein „Proof of Concept“ für eine für Biodiversitätsmonitoring an Insekten aussagekräftige Vorgehensweise. Da im LTER Zusammenhang Biodiversitätsänderungen noch nicht endgültig mitgedacht werden, wird unser Projekt über den einen Pilot-Standort hinausreichende Relevanz entwickeln. Das entspricht unseren langfristigen Forschungsinteressen, die zum einen methodisch die Datengrundlage verbessern, aber auch mit dieser Verbesserung neue Aspekte der Dynamik des Biodiversitätsverlustes für Untersuchungen zugänglich machen.

Das Projekt erreicht seine Praxisrelevanz durch den Kontext mit LTER, den Bezug mit Biodiversitätsmonitoring bei Insekten und den Biodiversitätsfördernden Maßnahmen. Gerade die letzteren sind notwendig und vielversprechend für den Leitgedanken des Calls, der Ermöglichung „Zukunftsfitter Lebensräume“ in der Landwirtschaft.

Das LTER Netzwerk (eLTER als europäische Initiative) ist eine wichtige Stütze der Biodiversitätsstrategien und bietet wesentliche Möglichkeiten zum langfristigen ökologischen Monitoring. Das Prinzip ist die Einrichtung einzelner Standorte, die zur Verfügungstellung von Standardbeobachtungen als Baseline und als Variablen für kontinuierliches Monitoring des Standorts und die langfristige Betreuung durch eine Institution. Die Standardisierung der Beobachtungen erlaubt einen Vergleich zwischen den Standorten, so dass diese für Forschungsvorhaben genutzt werden können. Für die Praxis besonders vielversprechend ist die Einrichtung solcher Standorte in der Agrarlandschaft, um die Auswirkungen der Landwirtschaft und ihren möglichen Beitrag zur Unterstützung ökologischer Prozesse, Klimaanpassung und der Lösung der Biodiversitätskrise zu untersuchen.

Das Projekt wird die Einrichtung der BOKU „Research Farm“ als LTER-Standort unterstützen und die standardmäßig vorgeschlagenen Beobachtungen zur Biodiversität von Insekten erheben. Derzeit sind dies im Wesentlichen Biomasse von Fluginsekten sowie durch Metabarcoding erstellte Artenlisten. Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Beprobungen erlauben die Bereitstellung dieser Daten.

Davon ausgehend wird dieser Standard verbessert: Die Automatisierte Bearbeitung von Fallenfängen wie von uns durchgeführt, erlaubt nicht nur einen höheren Durchsatz an Proben, sondern auch eine genauere Aufarbeitung, die bisher nicht mögliche Analysen zulässt. Dadurch wird Biodiversitätsmonitoring unterstützt, eine in der Praxis immer wichtiger werdende Maßnahme der Biodiversitätsstrategie. Unsere bereitgestellten Datensammlungen haben daher über den Standort hinaus praxisrelevante Bedeutung. Sie bieten ein „Proof of Concept“, wie zukünftiges Monitoring bewältigt werden kann und zugleich eine aussagekräftige Baseline. Sie kann auch die Naturschutzmonitoring Option ltd. ÖPUL 2023 unterstützen und diese Ansätze weiterentwickeln.

Besonders wichtig für die Praxis ist unser Bezug zu Biodiversitätsmaßnahmen in der Agrarlandschaft. Die teilweise verpflichtende Anlage von Biodiversitätsflächen und das brachliegen lassen von Flächenanteilen in Abhängigkeit der Betriebsgröße ist mittlerweile ein Aspekt der landwirtschaftlichen Praxis. Hierbei verbleiben dennoch biodiversitätsrelvante Variablen, wie Flächengröße, Saatgutmischungen oder Mahd und Umbruchfrequenz, deren langfristige Auswirkungen wir durch unseren experimentellen Ansatz im LTER Kontext untersuchen wollen. Damit stellen wir Daten für die Praxis zur Verfügung und können mittelfristig Empfehlungen für die Anwendung aussprechen.

Neben diesen sehr klaren Bezügen zur Praxis ist unser Projekt auch relevant für die im Call genannten Bereiche, die durch Vorhaben unterstützt werden sollen. Dies ist durch den Monitoringansatz für die „Langzeitbeobachtung von Wäldern und Agrarlandschaft“ gegeben. Unterstützt durch einen Infrastrukturzuschuss ist die Einrichtung des Lehrforsts an der Rosalia der BOKU ebenfalls als LTER-Standort im Gange. Ein Monitoring der Artenvielfalt von Arthropoden am Standort wird als Pilotprojekt mit unseren Methoden von Mitgliedern des Forschungsteams geleitet. Dieses Vorgehen wird durch die methodische Weiterentwicklung im Rahmen unseres Projektes informiert und kommt künftigen Vorhaben im forstwirtschaftlichen Zusammenhang zugute.

Unser Projekt leistet auch einen signifikanten Beitrag zu Digitalisierungsinitiativen, die gerade auch im Hinblick auf die Naturschutzpraxis rasant an Bedeutung gewinnen. Die Zielsetzung „Digitalisierung von Natur und Landschaften“ wird so durch das Vorhaben unterstützt. Auch wenn in diesem Bereich häufig an Digitalisierung im Bereich der Fernerkundung gedacht wird, wird die direkte oder indirekte Beobachtung von Arten bei Digitalisierung immer wichtiger. In unserer Analyse ist die digitale Bearbeitung von Einzelindividuen, Aufbau von Datenbanken und zur Verfügung stellen von Daten für zukünftige Anwendungen vorgesehen. Das langfristige Ziel der automatisieren Erkennung wird so unterstützt und eine Grundlage für die digitale Bestandsaufnahme unserer Natur gelegt.