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Simulating the impact of herbicide drift exposure on non-target terrestrial plant communities

Simulation der Auswirkungen von Herbizid-Drift-Expositionen auf Gemeinschaften von Nichtzielpflanzen

  • In Europe, almost half of the terrestrial landscape is used for agriculture. Thus, semi-natural habitats such as field margins are substantial for maintaining diversity in intensively managed farmlands. However, plants located at field margins are threatened by agricultural practices such as the application of pesticides within the fields. Pesticides are chemicals developed to control for undesired species within agricultural fields to enhance yields. The use of pesticides implies, however, effects on non-target organisms within and outside of the agricultural fields. Non-target organisms are organisms not intended to be sprayed or controlled for. For example, plants occurring in field margins are not intended to be sprayed, however, can be impaired due to herbicide drift exposure. The authorization of plant protection products such as herbicides requires risk assessments to ensure that the application of the product has no unacceptable effects on the environment. For non-target terrestrial plants (NTTPs), the risk assessment is basedIn Europe, almost half of the terrestrial landscape is used for agriculture. Thus, semi-natural habitats such as field margins are substantial for maintaining diversity in intensively managed farmlands. However, plants located at field margins are threatened by agricultural practices such as the application of pesticides within the fields. Pesticides are chemicals developed to control for undesired species within agricultural fields to enhance yields. The use of pesticides implies, however, effects on non-target organisms within and outside of the agricultural fields. Non-target organisms are organisms not intended to be sprayed or controlled for. For example, plants occurring in field margins are not intended to be sprayed, however, can be impaired due to herbicide drift exposure. The authorization of plant protection products such as herbicides requires risk assessments to ensure that the application of the product has no unacceptable effects on the environment. For non-target terrestrial plants (NTTPs), the risk assessment is based on standardized greenhouse studies on plant individual level. To account for the protection of plant populations and communities under realistic field conditions, i.e. extrapolating from greenhouse studies to field conditions and from individual-level to community-level, assessment factors are applied. However, recent studies question the current risk assessment scheme to meet the specific protection goals for non-target terrestrial plants as suggested by the European Food Safety Authority (EFSA). There is a need to clarify the gaps of the current risk assessment and to include suitable higher tier options in the upcoming guidance document for non-target terrestrial plants. In my thesis, I studied the impact of herbicide drift exposure on NTTP communities using a mechanistic modelling approach. I addressed main gaps and uncertainties of the current risk assessment and finally suggested this modelling approach as a novel higher tier option in future risk assessments. Specifically, I extended the plant community model IBC-grass (Individual-based community model for grasslands) to reflect herbicide impacts on plant individuals. In the first study, I compared model predictions of short-term herbicide impacts on artificial plant communities with empirical data. I demonstrated the capability of the model to realistically reflect herbicide impacts. In the second study, I addressed the research question whether or not reproductive endpoints need to be included in future risk assessments to protect plant populations and communities. I compared the consequences of theoretical herbicide impacts on different plant attributes for long-term plant population dynamics in the community context. I concluded that reproductive endpoints only need to be considered if the herbicide effect is assumed to be very high. The endpoints measured in the current vegetative vigour and seedling emergence studies had high impacts for the dynamic of plant populations and communities already at lower effect intensities. Finally, the third study analysed long-term impacts of herbicide application for three different plant communities. This study highlighted the suitability of the modelling approach to simulate different communities and thus detecting sensitive environmental conditions. Overall, my thesis demonstrates the suitability of mechanistic modelling approaches to be used as higher tier options for risk assessments. Specifically, IBC-grass can incorporate available individual-level effect data of standardized greenhouse experiments to extrapolate to community-level under various environmental conditions. Thus, future risk assessments can be improved by detecting sensitive scenarios and including worst-case impacts on non-target plant communities.show moreshow less
  • Fast die Hälfte der gesamten Landfläche in Europa wird für landwirtschaftliche Zwecke genutzt. Daher sind halb-natürliche Gebiete, wie zum Beispiel Ackerränder, von besonderer Bedeutung für den Artenreichtum in intensiv genutzten Ackerlandschaften. Vor allem in den intensiv genutzten Äckern werden Chemikalien eingesetzt um die Erträge zu erhöhen. So werden zum Beispiel Pflanzenschutzmittel eingesetzt, um Unkräuter im Acker zu vernichten. Allerdings kann dieser Einsatz auch Auswirkungen auf sogenannte Nicht-Zielarten haben. Dies sind solche Arten oder Artindividuen, die z.B. innerhalb vom Acker nicht in Konkurrenz mit den darauf wachsenden Getreidesorten stehen oder sich nicht innerhalb vom Feld befinden aber dennoch den Pflanzenschutzmitteln ausgesetzt sind. Um den Artenreichtum in halb-natürlichen Gebieten zu schützen, ist es daher notwendig eine Risikoabschätzung durchzuführen bevor ein Pflanzenschutzmittel für den Verkauf und die Anwendung zugelassen wird. Für terrestrische Nicht-Zielpflanzen erfolgt eine solche RisikoabschätzungFast die Hälfte der gesamten Landfläche in Europa wird für landwirtschaftliche Zwecke genutzt. Daher sind halb-natürliche Gebiete, wie zum Beispiel Ackerränder, von besonderer Bedeutung für den Artenreichtum in intensiv genutzten Ackerlandschaften. Vor allem in den intensiv genutzten Äckern werden Chemikalien eingesetzt um die Erträge zu erhöhen. So werden zum Beispiel Pflanzenschutzmittel eingesetzt, um Unkräuter im Acker zu vernichten. Allerdings kann dieser Einsatz auch Auswirkungen auf sogenannte Nicht-Zielarten haben. Dies sind solche Arten oder Artindividuen, die z.B. innerhalb vom Acker nicht in Konkurrenz mit den darauf wachsenden Getreidesorten stehen oder sich nicht innerhalb vom Feld befinden aber dennoch den Pflanzenschutzmitteln ausgesetzt sind. Um den Artenreichtum in halb-natürlichen Gebieten zu schützen, ist es daher notwendig eine Risikoabschätzung durchzuführen bevor ein Pflanzenschutzmittel für den Verkauf und die Anwendung zugelassen wird. Für terrestrische Nicht-Zielpflanzen erfolgt eine solche Risikoabschätzung basierend auf standardisierten Gewächshausexperimenten, in denen die Effekte auf der Ebene von Einzelindividuen gemessen werden. Um das letztliche Risiko im Freiland für ganze Pflanzengemeinschaften abzuschätzen, werden sogenannte Unsicherheitsfaktoren hinzugenommen. Allerdings stellen neuere Studien in Frage, ob der derzeitige Ansatz ausreichend sicher ist. Dies gilt vor allem in Bezug auf die aktuellen speziellen Schutzziele, die den Fokus auf den Schutz von Pflanzengemeinschaften und Artenreichtum legen. Es ist daher zwingend notwendig die Wissenslücken der derzeitigen Risikoabschätzung zu schließen und Optionen zu weiteren Studien zu geben, die das Risiko vom Einsatz von Pflanzenschutzmitteln für Nicht-Zielpflanzen realistischer abschätzen können. In meiner Dissertation nutze ich einen mechanistischen Modellierungsansatz um den Einfluss von Pflanzenschutzmitteln auf Nicht-Zielpflanzengemeinschaften zu untersuchen. Hierbei spreche ich die wesentlichen Wissenslücken und Unklarheiten der aktuellen Risikoabschätzung an und schlage zusammenfassend eine neue Option für eine realistischere Abschätzung des Risikos vor. Hierzu integriere ich den Einfluss von Herbiziden auf Einzelindividuen in das Pflanzengemeinschaftsmodell IBC-grass. In meiner ersten Studie vergleiche ich Modellvorhersagen von kurzzeitigen Herbizideffekten in künstlichen Artgemeinschaften mit experimentellen Daten. Mit der Studie zeige ich, dass das Modell den Einfluss von Herbiziden auf die Pflanzengemeinschaft realistisch vorhersagen kann. In der zweiten Studie fokussiere ich mich auf die Frage, ob Effekte auf weitere Pflanzeneigenschaften, insbesondere Fortpflanzungseigenschaften, wie zum Beispiel die Samenproduktion, im Rahmen der standardisierten Gewächshausstudien gemessen werden sollten. Die Studie zeigt, dass die derzeitig gemessenen Pflanzeneigenschaften am meisten Einfluss auf die Dynamiken einer Pflanzengesellschaft haben und somit schon geringe Schädigungen dieser Eigenschaften auf Individuenebene Auswirkungen für die Gemeinschaft haben. Dahingegen führten nur sehr starke Effekte auf die Fortpflanzungseigenschaften zu einem Einfluss auf Gemeinschaftsebene. Mit der letzten Studie zeige ich, dass der Modellansatz dazu genutzt werden kann Auswirkungen für unterschiedliche Pflanzengemeinschaften darzustellen. Zusammengefasst zeigen die Studien meiner Dissertation, dass mechanistische Modellierung eine geeignete Option für eine realistischere Risikoabschätzung ist. Auf Grund des besonderen Designs von IBC-grass können die durch derzeitige Gewächshausstudien zur Verfügung stehenden empirischen Daten in das Modell eingearbeitet werden und somit das Risiko auf Gemeinschaftsebene abgeschätzt werden. Mit Hilfe des Modells können mehrere Umweltbedingungen getestet werden und somit Extremszenarien abgedeckt werden. Meine Studien tragen dazu bei, zukünftige Risikoabschätzungen für Nicht-Zielpflanzen zu verbessern.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jette ReegORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429073
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42907
Referee:Florian JeltschORCiDGND, Valery ForbesORCiD, Britta TietjenORCiD
Advisor:Florian Jeltsch, Volker Grimm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2019
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/04/30
Release Date:2019/05/22
Tag:Nicht-Zielorganismen; Pestizide; Pflanzengemeinschaft; Risikoabschätzung; ökologische Modellierung
ecological modelling; non-target organisms; pesticide; plant community; risk assessment
Pagenumber:178
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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