Bekæmpelsesmiddelforskning fra Miljøstyrelsen, 87 – Adskillelse af effekter af herbicider og kvælstof på vegetation og leddyr i hegn og græslandsvegetation

Adskillelse af effekter af herbicider og kvælstof på vegetation og leddyr i hegn og græslandsvegetation

1 Indledning

1.1 Baggrund
   1.1.1 Viden om kvælstofs påvirkning af naturen
   1.1.2 Viden om pesticiders påvirkning af naturen
1.2 Formål
1.3 Hypoteser
   1.3.1 Statistiske overvejelser

1.1 Baggrund

For at kunne sikre en afbalanceret forvaltning og understøtte nationale og internationale politiske beslutninger er der et stort behov for viden om naturindholdet i landbrugslandskabet. Gennem de seneste år har folketinget vedtaget fx Pesticidhandlingsplan II og III, Ammoniakhandlingsplan, Wilhjelmudvalgets rapport (Wilhjelmudvalget 2001) og en Biodiversitetshandlingsplan er i skrivende stund i høring. Endvidere vil fremtiden byde på meget store udfordringer for at opfylde Habitatdirektivet og Vandrammedirektivet, hvor landbrugets påvirkninger af internationalt værdsatte naturtyper er meget central.

Diskussioner omkring naturkvalitet og biologisk integritet versus traditionelle (arts-) diversitetsmål har bidraget til at nuancere vurderingerne af agerlandets naturindhold (se fx Reddersen m.fl. 1999, Agger m.fl. 1999, Wilhjelmudvalget 2001 og Tybirk 2002). Der er i stigende grad kommet fokus på funktionelle grupper af organismer som bedre udtryk for økosystemernes funktion og kvalitet end blot biodiversitet på artsniveau (Tybirk & Ejrnæs 2001). Højt naturværdi kan findes, hvor der naturligt er få arter, men ofte er få dominerende konkurrencestærke flerårige arter i agerlandets småbiotoper udtryk for en kraftig påvirkning i form af fx herbicid- og ammoniakafdrift. Agerlandets småbiotoper kan potentielt indholde mange arter fra halvnaturarealer (eng, overdrev) og skov. Halvnatur bruges i denne rapport om lysåbne naturtyper der er afhængig af menneskers påvirkning. Flere studier viser, at vi i Danmark har et meget fragmenteret og dynamisk landskab (Agger & Brandt 1988). For at sikre en fremtidig overlevelse af arterne i de isolerede natyrtyper er det nødvendigt, at der kan ske en udveksling af arter via agerlandets småbiotoper. Derfor er det vitigt, at sikre gode betingelser for arterne – også i småbiotoperne.

Øget gødnings- og herbicidanvendelse er to væsentlige faktorer, der har påvirket naturindholdet i landskabet gennem de seneste 40 år. Effekterne af både herbicider og kvælstof hver for sig er veldokumenteret i en række tilfælde, mens der i alvorlig grad savnes undersøgelser af kombineret virkning af herbicider og gødning i marknære arealer.

1.1.1 Viden om kvælstofs påvirkning af naturen

Der er lavet ganske mange undersøgelser især internationalt af påvirkninger af fx ammoniakafdrift fra landbruget på skoves sundhedstilstand, skovbundsflora, højmoser, heder, overdrev etc. (se sammenfatning i Bak m.fl. 1999, Bobbink m.fl. 1998, Waide m.fl. 1999). Forskningen i kvælstofs påvirkning har i høj grad fokuseret på N-følsomme naturtypers reaktion på øget N-deposition fra luften for at fastsætte tålegrænser for eutrofiering. Der har derimod ikke været lavet mange undersøgelser af kvælstofs betydning for halvnaturen i agerlandet, der som udgangspunkt er stærkt næringsstofpåvirket og ikke omfattet af nationale eller internationale udpegninger.

En væsentlig antagelse for denne undersøgelse er, at danske læhegn generelt (både konventionelle og nuværende økologiske) har haft en stor tilførsel af næringsstoffer gennem de seneste årtier i form af ammoniakafdrift og utilsigtet bredspredning af kunstgødskning og/eller husdyrgødning. Derfor er det forventet at næringsstofmængderne ikke på nogen måde er begrænsende, hvilket også viser sig ved at hegn er domineret af almindeligt udbredte konkurrencestærke plantearter (Tybirk m.fl. 2001). Det skal dog i relation til undersøgelsens baggrund bemærkes at konventionelt kvægbrug har større ammoniaktab end tilsvarende økologisk kvægbrug (Kristensen, 2003), men en sådan forskel vil ikke medføre, at hegnsbiotoper kan forventes at være N-begrænsede på økologiske bedrifter.

1.1.2 Viden om pesticiders påvirkning af naturen

En meget bred viden om påvirkninger af herbicider på natur og miljø er systematisk opsamlet i Bicheludvalgets rapport om Miljø og Sundhed fra 1999. Bicheludvalget konkluderer, at afdrift af herbicider kan have betydning for floraen i hegn og småbiotoper, men at der mangler systematiske undersøgelser af, hvorledes pesticider påvirker vilde planter og dertil knyttede dyr i hegn og andre småbiotoper (Bicheludvalget 1999, side 72).

Sammenstillinger af resultater fra økologisk jordbrugs påvirkning af naturen i agerlandet har generelt vist positive tendenser sammenlignet med konventionelt landbrug (Stolze m.fl. 2000, Ahnstöm 2002). Langt de fleste studier er fra markfladerne, mens studier af effekter af driftsformer på agerlandets småbiotoper er meget sparsomme. Enkelte undersøgelser (fx Kleijn & Snoijing 1997, de Snoo 1999, Kleijn & Verbeek 2000) har dog påvist, at lysåbne markkantbiotoper generelt er beklædt med vegetation, der klart er domineret af konkurrencestærke planter, der trives med højt næringsindhold i jorden. Der findes kun enkelte studier af driftsformers (mht. pesticider og næringsstoffer) betydning for vegetation i læhegn og skovbryn. I Canada konkluderede Boutin & Jobin (1998), at der var signifikant færre skovarter ved intensiv drift. Den første samlede undersøgelse af vegetationen i 207 danske læhegn baseret på en række enkeltstudier og upublicerede data konkluderede, at meget udbredte konkurrencestærke og forstyrrelsestolerante arter dominerer (Tybirk m.fl. 2001). Kun en enkelt art fra hegnene figurerer på den danske Gulliste (Stoltze & Pihl 1998), mens de 12 mest almindelige arter forekommer i over halvdelen af hegnene. De fleste sjældne arter findes i gamle flerrækkede hegn (>30 år), og hegnsvegetationen er forskellig i Vestjylland og på Sjælland.

Et tilbagevendende spørgsmål er, hvorvidt det er generel gødskning eller pesticider, der har medvirket mest til, at hegnsbiotoper er domineret af konkurrencestærke arter. I dag har man bedre muligheder end tidligere for at undersøge dette forhold, da antallet af økologiske brug er steget kraftigt, og det derfor er muligt at finde læhegn og lysåbne småbiotoper af forskellige typer, der gennem længere tid ikke har været påvirket af herbicidafdrift.

Hald & Reddersen (1990) fandt, at der var flere ukrudtsplanter og leddyr i kanterne af danske kornmarker end i markens midte. Ligeledes viste en undersøgelse af Hald m.fl. (1994), at sprøjtefrie randzoner i marken resulterede i en rigere flora og som følge deraf en rigere leddyrfauna. Desuden er der generelt en større artsrigdom i økologiske marker end i konventionelt dyrkede (for planter, se fx Hald & Reddersen 1990, Rydberg & Milberg 2000, Jensen & Johnsen 2003, for leddyr, se fx Feber m.fl. 1998, Mäder m.fl. 2002, Navntoft & Esbjerg 2003, Navntoft m.fl. 2003). Derimod var det i samme undersøgelse (Hald & Reddersen 1990) ikke muligt at påvise en effekt af sprøjtefrie randzoner i de tilstødende kantbiotoper, da sådanne virkninger forventes at tage mange år. I den undersøgelse var der ikke taget hensyn til kvælstofafdriften, som kan have stor betydning for eventuelle effekter af reduceret herbicidpåvirkning. Man kan ud fra disse undersøgelser konkludere, at det er nødvendigt at tage udgangspunkt i læhegnene og udvælge disse så ensartet som muligt og udsat for hhv. økologisk og konventionel drift gennem lang tid for at kunne detektere eventuelle forskelle.

Forventede positive effekter på flora og leddyrfauna ved fravær af herbicidafdrift på økologiske bedrifter kan potentielt skabe et bedre fødegrundlag for fugle og andre smådyr, der finder deres føde i og omkring marker, og dermed resultere i en større ynglesucces (fx Braae m.fl. 1988, Odderskær m.fl. 1997, Esbjerg & Petersen 2002). Nye studier har vist, at effekten af omlægning til økologisk jordbrug har en meget hurtig effekt på markens plante- og dyreliv (Navntoft m.fl. 2003), selvom jordens frøpuljer ikke kan ændres på en kort årrække. Vegetationen og fluefaunaen i gamle skel og hegn i agerlandet er ændret signifikant blot 3½ år efter omlægning til økologisk drift blandt kvægavlere (Petersen 2003, Petersen m.fl. 2003). Den væsentligste forskel på driften var fravær af pesticider. Resultaterne er overraskende, idet kvægavlere generelt har et lavere pesticidforbrug end planteavlere, og da der forventes en længere omstillingsperiode for naturindholdet i udyrkede småbiotoper end i markfladerne efter omlægning. Dette resultat udfordrer de gængse teorier om konkurrenceforhold og uddøen og indvandring af plantarter i agerlandet og forstærker behovet for eksperimentel adskillelse af de væsentligste påvirkningsfaktorer for at fortolke resultaterne.

Generelt er fødekæderne meget væsentlige indikatorer for naturens tilstand i landskabet og for funktionelle interaktioner mellem trofiske niveauer. Der vil dog ikke blive lavet deciderede studier af fødekædeeffekter, men projektet vil diskutere kvaliteten af disse habitater som levested for en række forskellige grupper og funktionelle typer af organismer inden for planter og herbivore leddyr som basis for agerlandets fødekæder. Med henblik på at kvalificere denne diskussion vil nærværende projekt søge at udfylde centrale videnshuller, hvor fokus vil være på om herbicidafdriften eller ammoniakafdrifen til småbiotoper vil betyde mest for dominans af konkurrencestærke artsgrupper på bekostning af arter tilpasset lav næringstilgængelighed eller herbicidfølsomme artsgrupper.

1.2 Formål

Projektets formål er at dokumentere og kvantificere herbicid- og ammoniakafdrifts separate og kombinerede effekter på vegetation og overjordisk leddyrfauna på marknære biotoper.

Dette overordnede formål belyses gennem to tæt relaterede dele.

En undersøgelse af vegetation og leddyrfauna i fodposer af eksisterende læhegn på økologiske og konventionelle bedrifter.
- År 1 (2001) var fokuseret på 10-15 år gamle 3-(5) rækkede løvtræshegn anlagt og drevet så ensartet som muligt syd og vest for israndslinien på sandede jorder (JB 1-3, herefter betegnet sandjord i rapporten), hvor den væsentligste forskel i påvirkningen har været +/- herbicidanvendelse (økologisk kontra konventionel drift) i landbrugssystemet.
- År 2 (2002) var fokuseret på tilsvarende hegn nord og øst for israndslinien på mere lerholdige jorder (JB 3-7, herefter betegnet lerjord i rapporten).
En eksperimentel del har under kontrollerede forhold belyst og kvantificeret separate og kombinerede effekter af lave doser af herbicid (glyphosat blev anvendt som 'modelherbicid') og ammoniak på en standardiseret vegetation og den dertil knyttede overjordiske leddyrfauna. Vegetationen var sammensat så karakteristiske plantestrategier fra læhegns fodposer var tilstede i kombination med en række mindre konkurrencestærke plantestrategier repræsenteret af eng- og overdrevsarter. Udviklingen i artssammensætning og dominans er fulgt gennem 3 vækstsæsoner.

De to dele af projektet skulle henholdsvis påvise effekter af pesticidfravær i landbrugsdriften – repræsenteret ved økologisk drift – sammenlignet med konventionelt landbrugspraksis og kvantificere særskilte og interaktive effekter af de to væsentligste påvirkningsfaktorer på hegnsvegetation, nemlig herbicid og kvælstof.

1.3 Hypoteser

Projektet belyser gennem eksperimentel behandling med herbicid og ammoniak (simuleret ved kontrolleret N-tilførsel) og feltundersøgelser i læhegn flg. hovedspørgsmål:

Feltundersøgelsen vil belyse om indførelsen af økologisk jordbrug kan forbedre habitatkvaliteten belyst ved planter og leddyr i læhegn, målt som antal arter, artssammensætningen eller frekvensen af udvalgte arter.

H1: Driftsformen (økologisk/ konventionel drift) påvirker artsammensætning, artsantal og dominans af urter og den tilhørende leddyrdiversitet (målt som antal taxa) i danske læhegn
H2: Økologisk drift vil give flere herbicidfølsomme plantearter og flere specialiserede arthropoder i læhegn
H3: Antallet af skovarter centralt i læhegnet er størst på økologiske bedrifter.

Eksperimentet vil belyse hvilken faktor (herbicidafdrift eller kvælstoftilførsel) der er mest betydende som plante- og leddyrfordelende faktor, målt som antal arter, artssammensætningen og frekvensen af udvalgte arter.

H1: Herbicidafdriften (illustreret ved 1, 5 og 25 % af markdosis i eksperiment) vil påvirke diversitet (antal taxa) og dominans af planter og leddyr på en standardiseret græslandsvegetation, både med og uden kvælstofpåvirkning.
H2: Ammoniakafdrift simuleret ved N-gødskning reducerer artsantallet af en standardiseret græslandsvegetation ved at øge dominansen af flerårige konkurrencestærke plantearter på bekostning af mangfoldighed i planter og leddyr både med og uden herbicidpåvirkning.
H3: Der vil være interaktioner mellem herbicid- og kvælstofpåvirkning, dvs. at herbicideffekten ved høje N-koncentrationer er forskellig fra herbicideffekten uden N-påvirkning.

1.3.1 Statistiske overvejelser

I hegnsstudiet er indsamlet prøver såvel midt i hegnene som i kanten af hegnene. For at kunne sammenligne kant- og midtprøver skal denne effekt inddrages i den statistiske model. Desuden er kant- og midtprøver indsamlet parvis (ligger ved siden af hinanden) for at kunne fokusere på sammenligningen. For prøver indsamlet i hegnene bliver den statisktiske model således:

Y_ijkl = μ + α_i + β_j + (αβ)_ij + C_ik + D_ikl + ε_ijkl

når prøverne i kant og midte tages parvis. Her er α_i effekten af dyrkningsform i, β_j er effekten af kant/midt (j), (αβ)_ij er interaktionen mellem dyrkningsform og kant/midt, C_ik er effekten af hegn nummer k i dyrkningsform i, D_ikl er effekten af blok l i hegn k i dyrkningsform i . ε_ijkl er effekten af den enkelte prøve. C_ik antages indbyrdes uafhængige og normalfordelte med middelværdien 0 og variansen σ_B², ε_ijkl antages indbyrdes uafhængige og normalfordelte med middelværdien 0 og variansen σ² mens D_ikl antages indbyrdes uafhængige og normalfordelte med middelværdien 0 og variansen σ_D².

Som led i planlægningen af 2. års hegnsundersøgelser blev der lavet en styrkeberegning, som viste, at for at opnå en styrke på 80 % med en Least Significant Difference (forstået som den mindste forskel, der testes som signifikant ved et 5 % signifikansniveau) på 30 % for antal plantearter pr. prøve krævedes 15 hegn af hver driftstype med 5 blokke /hegn. Variationen af gennemsnitlige antal (planter eller leddyr, artsantal såvel som antal individer) i læhegn kan beskrives ved (Y_i.) = σ_B²/h + σ²/h*p, hvor h er antal hegn, p er antal prøver pr. hegn, σ² er variansen mellem gentagne prøver indenfor det samme hegn og σ_B² er varianskomponenten for hegn, altså den ekstra variation der er mellem prøverne, når de ligger i forskellige hegn. Dvs. antal hegn har større indflydelse på variansestimatet end antal prøver pr. hegn, og et øget antal hegn vil derfor give et bedre estimat af middelværdien. Her blev variabelen inde/ude udeladt, således at undersøgelsen i 2002 udelukkende fokuseres på den lysåbne urtevegetation langs hegnet (fodposen). Modellen blev derfor reduceret til:

Y_ijkl = μ + α_i + C_ik + ε_ijkl

Denne model gælder også for 2001 for analyser af fodposedata alene (sandjord).

For den eksperimentelle del af projektet er der udført styrkeberegninger for interaktionen mellem ammoniak og herbicid. Først er udregnet en hjælpestørrelse Φ² = nD²/(2σ²((a-1)(b-1) + 1)), hvor D er forskellen mellem to interaktionsled, σ er spredningen, n er antal replikater, a er antal herbiciddoser, og b er antal ammoniakdoser (Montgomery1984). Ved derefter at aflæse styrken på kurver i Montgomery (1984) har vi fundet frem til, at med α = 0,05 og β = 0.8 vil man kunne detektere en forskel i artsantal på 40 % ved 4 replikater og en forskel på 20 % ved 17 replikater (forudsat a=4 og b=3). Der etableres 10 replikater hvert bestående af 12 permanente prøvefelter med hver sin behandling. Behandlingerne kombineres i et 4x3-faktorielt design, som inkluderer 4 doseringer af glyphosat og 3 kvælstofniveauer.

Modellen for test af effekter af glyphosat og kvælstof på planter og dyr er:

Y_ijk = μ + α_i + β_j + (αβ)_ij + C_k + ε_ijk

hvor α_i er effekten af glyphosatbehandlingen, β_j effekten af kvælstoftilførslen, (αβ)_ij interaktionen mellem disse, C_k blokeffekten og ε_ijk residualeffekten.

Ud over variansanalyserne anvendes gængse multivariate analysemetoder som DCA og CCA til at udtrække og analysere de vigtigste plante- og leddyrfordelende faktorer (forskelle i artssammensætning) i datamaterialet samt opdele og kvantificere variationen i artssammensætningen på forskellige forklarende faktorer. Et økologisk studie hvor der indgår mange variable, nødvendiggør brug af gængse multivariate analysemetoder som DCA (Detrended Correspondence Analysis) (Økland 1990). I en DCA forsøger man at fitte arternes fordeling til en gaussisk responskurve over en kompleksgradient, hvor gradienten er relativ bred. DCA udbygger en CA (Correspondance Analysis) med et par ekstra trin for at afhjælpe nogle problemer ved CA (Jongman et al 1987, Økland 1990, Hill & Gauch 1980). DCA giver derved mulighed for at udtrække og analysere de vigtigste plante- og leddyrfordelende faktorer i datamaterialet. Ved hjælp af CCA (Canonical Correspondence Analysis, der er en indirekte ordination hvor ordinationsakserne er den linearkombination af miljøvariable, der forklarer den floristiske variation bedst) vil det endvidere være muligt at opdele og kvantificere variationen i artssammensætningen på forskellige forklarende faktorer (Borcard m.fl. 1992, Økland & Eilertsen 1994). Det vil således være muligt at vurdere om herbicidafdriften er en afgørende plante- og leddyrfordelende faktor i sammenligning med andre faktorer som fx jordbund og ammoniakkoncentration m.m. Monte Carlo-tests er endvidere et redskab til at kvantificere og teste om herbicidanvendelsen forklarer en signifikant del af variationen i henholdsvis plante- og dyreartssammensætningen. Datainput i gradientanalyserne vil være frekvensdata fra vegetationsundersøgelsen, frekvens- og antalsdata fra leddyrundersøgelsen samt kombinerede data fra vegetationsundersøgelsen og leddyrundersøgelsen.

Med henblik på at underbygge og bekræfte om forskellige koncentrationer af herbicid- og ammoniakafdrift har en negativ indvirkning på naturindholdet i vegetationen kan den euclide afstand i et to- eller tredimensionalt ordinationsrum udregnes mellem referencenaturarealer og de observerede herbicid- og ammoniakbehandlede arealer. Referencenaturen til en sådan beregning kan bestå af tilfældigt udtagne prøvefelter fra græslandsnaturtyper med lang kontinuitet uden anvendelse af pesticid og gødning (udtaget fra Danmarks Miljøundersøgelsers vegetationsdatabase). Dette vil give mulighed for at teste (t-test) om der er forskel på økologiske og konventionelle læhegns vegetation i forhold til forskellige plantesamfund i landskabet.

For leddyrenes vedkommende anvendes den multivariate programpakke PRIMER version 5.2.9 (Plymout Routines In Multivariate Ecological Research) (fx Clarke 1993, Clarke & Ainsworth 1993). For at reducere indflydelsen fra meget hyppige arter/grupper kvadratrods- eller fjerderodstransformeres data. Data for jordbunds- og plantevariable inddrages som forklaringsvariable. Ved hjælp af Draftsman-plots (Clarke 1993) undersøges den indbyrdes korrelation mellem de tilgængelige data for plantebiomasse og –diversitet samt jordbundsforhold, og for stærkt korrelerede variables vedkommende vælges en enkelt af disse ud til brug i analysen. Ligheden i artssammensætning mellem alle par af prøvefelter udregnes ved hjælp af Bray-Curtis similaritetsindeks (Bray & Curtis 1957), hvilket resulterer i en trekantet similaritetsmatrice. Ikke-metrisk multidimensionel skalering vha. proceduren MDS (Clarke 1993) bruges til at frembringe en ordination af leddyrmatricen, og i ordinationsplottene kan specifikke mijløvariable lægges ind som symboler med en størrelse svarende til deres aktuelle værdi i det pågældende prøvetagningsfelt, så sammenhængen mellem gradienten i artssammensætningen af leddyrene og miljøvariable. På baggrund af similaritetsmatricen undersøges korrelationen mellem artssammensætningen og de udvalgte miljøvariable (relateret til jordbund og planter) vha. BIOENV (Clarke 1993; Clarke & Ainsworth 1993, Somerfield et al. 1994). Denne procedure udregner rank-korrelationer mellem en similaritetesmatrice baseret på miljøvariable og den føromtalte similaritetsmatrice for leddyrsamfundet, hvorved de variable, der bedst forklarer variationen i leddyrsamfundet, kan identificeres. ANOSIM (Clarke & Green 1988) anvendes til at teste, om artssammensætningen af leddyrene er signifikant forskellig mellem foruddefinerede grupper af prøvefelter (fx forskellige doser glyphosat og kvælstof), både overordnet set og i parvise sammenligninger. Ved hjælp af proceduren SIMPER (Clarke 1993) kan de enkelte arters bidrag til forskelligheden i artssammensætningen mellem prøvetagningsfelter med forskellig behandling kvantificeres.