Development and Evaluation of Insect- and Spider-Friendly Mowing Techniques as a Contribution to a Sustainable Form of Agricultural Grassland Use

Abstract

Dissertation gesperrt bis 16.04.2028

In Central Europe, permanent grasslands are important habitats for many arthropod species, yet mowing is both an ecological necessity and a source of disturbance for grassland arthropods. Although mowing prevents succession and maintains species-rich meadow ecosystems, it simultaneously causes direct and indirect arthropod losses through mechanical disturbance, habitat alteration, and increased exposure to predation and microclimatic stress. The extent of these effects depends on the vegetation structure and the functional traits of the affected taxa. Technical innovations have been proposed to mitigate mowing-induced mortality, but there is a lack of robust empirical data evaluating their effectiveness under realistic field conditions. This cumulative dissertation addresses this research gap by taking an interdisciplinary approach that combines ecology and agricultural engineering. It provides the first comprehensive assessment of the direct and medium-term effects of mowing on arthropod communities in agricultural grasslands. Specifically, the dissertation (1) compares the direct and medium-term effects of disc mowers versus bar mowers, (2) evaluates the potential of modified disc mowers to reduce arthropod mortality, and (3) investigates the performance of chasing devices intended to cause insects to escape from the approaching mower. Over three consecutive years, experimental field studies were conducted under standardised conditions using a randomised block design. Direct effects of the applied mowing techniques were assessed immediately after mowing using isolation squares and vacuum sampling, while medium-term effects (up to four weeks after mowing) were captured using pitfall traps and sweep-netting. The arthropods were analysed at order, family or species level and were then assigned to functional traits according to their lifestyle and feeding guild in order to reveal taxon- and trait-specific responses to mowing. The results demonstrate that mowing substantially reduces the abundance of arthropods across most taxa, with direct losses ranging from 17% to 55% compared to unmown controls. Contrary to popular belief, double-blade bar and disc mowers had a similar impact on grassland arthropods, suggesting that the suction generated by the rotating blades of disc mowers play only a minor role in arthropod loss during mowing. Additionally, disc mower modifications designed to reduce suction achieved only minor improvements, supporting this assumption. Increasing the cutting height from 7 cm to 13 cm offered limited benefits for arthropod survival and did not result in higher medium-term arthropod abundance. Of the tested chasing devices, the blowing device was the most effective, displacing up to 60% of individuals across arthropod taxa. Mechanical flushing bars were less efficient and depended heavily on speed, vegetation structure, and the escape mechanisms of the arthropod groups investigated. The assessment of medium-term effects showed that mowing reduces total abundance and reshapes the composition of arthropod communities. Vegetation-dwelling and phytophagous taxa were particularly affected, whereas ground-dwelling and zoophagous taxa showed neutral to slightly positive responses to mowing in the medium term. Bray-Curtis dissimilarities indicate that sensitive species were either replaced by more tolerant ones (ground-dwelling and zoophagous taxa) or lost (vegetation-dwelling and phytophagous taxa), pointing to functional homogenisation within arthropod communities. Overall, the studies demonstrate that mowing could alter the composition of arthropod communities, with the magnitude and direction of the effects depending strongly on taxon-specific traits, such as mobility, body size, microhabitat use, and feeding guild. While technical innovations can mitigate some direct losses, they have limited potential to prevent mowing-induced arthropod losses in the medium term. Consequently, providing unmown refuges from which the mown areas can be recolonised remains essential for conserving arthropod diversity in agricultural grasslands.

Dauergrünlandflächen gehören in Mitteleuropa zu den wichtigsten Lebensräumen für Arthropoden. Das Mähen ist dabei sowohl eine ökologische Notwendigkeit als auch eine Störquelle. Es verhindert Sukzession und erhält artenreiche Wiesenökosysteme, verursacht jedoch zugleich direkte und indirekte Verluste bei Arthropoden durch mechanische Störungen, Lebensraumveränderungen, ein erhöhtes Prädationsrisiko und mikroklimatischen Stress. Das Ausmaß dieser Effekte hängt von der Vegetationsstruktur sowie den funktionellen Merkmalen der betroffenen Taxa ab. Obwohl in der Vergangenheit durch verschiedene technische Innovationen, sogenannte „insekten-freundliche“ Mähtechnik, entwickelt wurden, fehlen bislang belastbare empirische Daten, die deren Wirksamkeit unter realistischen Feldbedingungen belegen. Die vorliegende (kumulative) Dissertation schließt diese Forschungslücke durch einen interdisziplinären Ansatz, der ökologische und agrartechnische Aspekte kombiniert, und liefert die erste umfassende Bewertung der direkten und mittelfristigen Auswirkungen des Mähens auf Arthropodengemeinschaften in landwirtschaftlichem Grünland. Untersucht wurden (1) die direkten und mittelfristigen Auswirkungen von Scheiben- versus Balken-mähwerken, (2) das Potenzial modifizierter Scheibenmähwerke zur Verringerung der mahdbedingten Mortalität von Arthropoden und (3) die Wirksamkeit verschiedener Insektenscheuchvorrichtungen, die das Entkommen von Insekten vor dem heran-nahenden Mähwerk ermöglichen sollen. Über drei aufeinanderfolgende Jahre wurden experimentelle Feldstudien unter standardisierten Bedingungen in einem randomisierten Blockdesign durchgeführt. Die direkten Effekte wurden unmittelbar nach dem Mähen mit Isolationsquadraten und Insektensaugern erfasst, während die mittelfristigen Effekte (bis zu vier Wochen nach der Mahd) mit Bodenfallen und Keschern untersucht wurden. Die erfassten Arthropoden wurden auf Ordnungs-, Familien- oder Artniveau bestimmt und entsprechend ihrer Lebens- und Ernährungsweise in funktionelle Gruppen klassifiziert, um taxon- und merkmalsspezifische Reaktionen auf das Mähen zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Mähen generell die Häufigkeit der meisten Arthropoden-Taxa deutlich verringert. Die direkten Verluste lagen im Vergleich zu ungemähten Kontrollflächen zwischen 17 und 55 %. Entgegen bisherigen Annahmen verursachten Doppelmesser- und Scheibenmähwerke ähnlich starke Reduktionen in der Arthropodenabundanz. Dies deutet darauf hin, dass die durch die rotierenden Messer der Scheibenmähwerke erzeugte Sogwirkung nur eine untergeordnete Rolle beim Verlust von Arthropoden während des Mähens spielt. Modifikationen an Scheibenmähwerken, die zur Verringerung dieser Sogwirkung entwickelt wurden, führten entsprechend nur zu geringfügigen Verbesserungen. Eine Erhöhung der Schnitthöhe auf 13 cm bot zwar einen gewissen Schutz, brachte jedoch gegenüber der üblichen Schnitthöhe von 7 cm keine nachhaltigen Vorteile für das Überleben der Arthropoden und führte mittelfristig nicht zu einer höheren Abundanz. Unter den getesteten Insektenscheuchen erwies sich das Gebläse als am effektivsten und reduzierte je nach Arthropodengruppe die Individuenzahl um bis zu 60 %. Mechanische Scheuchvorrichtungen zeigten dagegen eine geringere Wirksamkeit, die stark von Fahrgeschwindigkeit, Vegetationsstruktur und den artspezifischen Fluchtmechanismen abhing. Die Bewertung der mittelfristigen Auswirkungen ergab, dass das Mähen die Gesamtabundanz reduziert und die Zusammensetzung der Arthropodengemeinschaften verändert. Besondern betroffen waren vegetationsbewohnende und phytophage Taxa, während bodenbewohnende und zoophage Gruppen mittelfristig neutral bis leicht positiv reagierten. Bray-Curtis-Dissimilaritäten deuten darauf hin, dass empfindliche Arten entweder durch tolerantere ersetzt wurden (vor allem bei bodenbewohnenden und zoophagen Arthropoden) oder vollständig verschwanden (vor allem bei vegetationsbewohnenden und phytophagen Arthropoden). Dies weist auf eine funktionale Homogenisierung innerhalb der Arthropodengemeinschaft hin. Insgesamt verdeutlichen die Untersuchungen, dass das Mähen die Zusammensetzung von Arthropodengemeinschaften nachhaltig verändern könnte. Das Ausmaß und die Richtung dieser Effekte hängen stark von taxonspezifischen Merkmalen wie Mobilität, Körpergröße, Mikrohabitatnutzung und Ernährungsweise ab. Technische Innovationen können zwar einen Teil der unmittelbaren Verluste mindern, besitzen jedoch nur begrenztes Potenzial, die mittelfristigen, durch das Mähen verursachten Verluste auszugleichen. Für den Erhalt der Arthropodenvielfalt in landwirtschaftlichen Grünland-ökosystemen ist es daher unerlässlich, ungemähte Rückzugsflächen vorzusehen, die als Refugien für überlebende Individuen dienen und eine Wiederbesiedelung der gemähten Bereiche ermöglichen.