Bestäubung und Schädlingsbekämpfung entlang von Beschattungs- und Waldentfernungsgradienten in peruanischen Kakao-Agroforstlandschaften

Chapter I – Introduction Global trade of beans of the cacao tree (Theobroma cacao), of which chocolate is produced, contributes to the livelihoods of millions of smallholder farmers. The understorey tree is native to South America but is nowadays cultivated in many tropical regions. In Peru, a South American country with a particularly high cacao diversity, it is common to find the tree cultivated alongside non-crop trees that provide shade, in so-called agroforestry systems. Because of the small scale and low management intensity of such systems, agroforestry is one of the most wildlife-friendly land-use types, harbouring the potential for species conservation. Studying wildlife-friendly land-use is of special importance for species conservation in biodiversity-rich tropical regions such as Peru, where agricultural expansion and intensification are threatening biodiversity. Moreover, there is a growing body of evidence that shows co-occurrence of high biodiversity levels and high yield in wildlife-friendly cacao farming. Yet studies are restricted to non-native cacao countries, and since patterns might be different among continents, it is important to improve knowledge on wildlife-friendly agroforestry in native countries. Because studies of wildlife-friendly cultivation processes are still largely lacking for South America, we set out to study multiple aspects of cacao productivity in agroforests in Peru, part of cacao´s region of origin. The natural pollination process of cacao, which is critically understudied, was investigated by trapping flower visitors and studying pollen deposition from macrophotographs (Chapter II). Next, we excluded birds, bats, ants and flying insects and squirrels from cacao trees in a full-factorial field experiment and quantified these animals´ contribution to cacao fruit set, fruit loss and yield (Chapter III). Lastly, we aimed to assess whether fruit quantity and quality of native cacao increases through manually supplementing pollen (Chapter II and IV), and whether microclimatic conditions and the genetic background of the studied varieties limit fruit set (Chapter IV). Chapter II – Cacao flower visitation: Low pollen deposition, low fruit set and dominance of herbivores Given the importance of cacao pollination for the global chocolate production, it is remarkable that fruit set limitations are still understudied. Knowledge on flower visitation and the effect of landscape context and local management are lacking, especially in the crop’s region of origin. Moreover, the role of pollen deposition in limiting fruit set as well as the benefits of hand pollination in native cacao are unknown. In this chapter, we aimed to close the current knowledge gaps on cacao pollination biology and sampled flower visitors in 20 Peruvian agroforests with native cacao, along gradients of shade cover and forest distance. We also assessed pollen quantities and compared fruit set between manually and naturally pollinated flowers. We found that herbivores were the most abundant flower visitors in both northern and southern Peru, but we could not conclude which insects are effective cacao pollinators. Fruit set was remarkably low (2%) but improved to 7% due to pollen supplementation. Other factors such as a lack of effective pollinators, genetic pollen incompatibility or resource unavailability could be causing fruit set limitations. We conclude that revealing those causes and the effective pollinators of cacao will be key to improve pollination services in cacao. Chapter III – Quantifying services and disservices provided by insects and vertebrates in cacao agroforestry landscapes Pollination and pest control, two ecosystem services that support cacao yield, are provided by insects and vertebrates. However, animals also generate disservices, and their combined contribution is still unclear. Therefore, we excluded flying insects, ants, birds and bats, and as a side effect also squirrels from cacao trees and we assessed fruit set, fruit loss and final yield. Local management and landscape context can influence animal occurrence in cacao agroforestry landscapes; therefore, shade cover and forest distance were included in the analyses. Flying insects benefitted cacao fruit set, with largest gains in agroforests with intermediate shade cover. Birds and bats were also associated with improved fruit set rates and with a 114% increase in yield, potentially due to pest control services provided by these animals. The role of ants was complicated: these insects had a positive effect on yield, but only close to forest. We also evidenced disservices generated by ants and squirrels, causing 7% and 10% of harvest loss, respectively. Even though the benefits provided by animals outweighed the disservices, trade-offs between services and disservices still should be integrated in cacao agroforestry management. Chapter IV – Cross-pollination improves fruit set and yield quality of Peruvian native cacao Because yields of the cacao tree are restricted by pollination, hand pollination has been proposed to improve yield quantity and potentially, also quality. However, low self- and cross-compatibility of native cacao, and abiotic conditions could cancel out hand pollination benefits. Yet, the impact of genetic constraints and abiotic conditions on fruit set have not been assessed in native cacao so far. To increase our understanding of the factors that limit fruit set in native cacao, we compared manual self- and cross-pollination with five native genotypes selected for their sensorial quality and simultaneously tested for effects of soil water content, temperature, and relative air humidity. We also compared quality traits between manually and naturally pollinated fruits. Success rates of self-pollination were low (0.5%), but increased three- to eightfold due to cross-pollination, depending on the genotype of the pollen donor. Fruit set was also affected by the interaction between relative air humidity and temperature, and we found heavier and more premium seeds in fruits resulting from manual than natural pollination. Together, these findings show that reproductive traits of native cacao are constrained by genetic compatibility and abiotic conditions. We argue that because of the high costs of hand pollination, natural cross-pollination with native pollen donors should be promoted so that quality improvements can result in optimal economic gains for smallholder farmers. Chapter V – Discussion In this thesis, we demonstrated that the presence of flying insects, ants and vertebrates, local and landscape management practices, and pollen supplementation interactively affected cacao yield, at different stages of the development from flower to fruit. First, we showed that fruit set improved by intermediate shade levels and flower visitation by flying insects. Because the effective cacao pollinators remain unknown, we recommend shade cover management to safeguard fruit set rates. The importance of integrating trade-offs in wildlife-friendly management was highlighted by lower harvest losses due to ants and squirrels than the yield benefits provided by birds and bats. The maintenance of forest in the landscape might further promote occurrence of beneficial animals, because in proximity to forest, ants were positively associated with cacao yields. Therefore, an integrated wildlife-friendly farming approach in which shade cover is managed and forest is maintained or restored to optimize ecosystem service provision, while minimizing fruit loss, might benefit yields of native cacao. Finally, manual cross-pollination with native genotypes could be recommended, due to improved yield quantity and quality. However, large costs associated with hand pollination might cancel out these benefits. Instead, we argue that in an integrated management, natural cross-pollination should be promoted by employing compatible genotypes in order to improve yield quantity and quality of native cacao.Kapitel I – Einleitung Der weltweite Handel mit den Bohnen des Kakaobaums (Theobroma cacao) trägt zum Lebensunterhalt von Millionen von Kleinbauern bei. Der Unterholzbaum, aus dessen Bohnen Schokolade hergestellt wird, ist in Südamerika beheimatet, wird aber heute in vielen tropischen Regionen angebaut. In Peru, einem der Länder mit einer besonders hohen Kakaovielfalt, wird der Baum häufig zusammen mit schattenspendenden Bäumen in so genannten Agroforstsystemen angebaut. Aufgrund der Kleinräumigkeit und der geringen Bewirtschaftungsintensität solcher Systeme ist die Agroforstwirtschaft eine der wildtierfreundlichsten Landnutzungsformen, die ein großes Potenzial für den Artenschutz bietet. Die Erforschung wildtierfreundlicher Landnutzungsformen ist besonders wichtig für den Artenschutz in artenreichen tropischen Regionen wie Peru, in denen die Ausweitung und Intensivierung der Landwirtschaft die biologische Vielfalt bedroht. Darüber hinaus gibt es immer mehr Belege dafür, dass eine hohe Artenvielfalt mit hohen Erträgen im wildtierfreundlichen Kakaoanbau einhergeht. Die Studien beschränken sich jedoch auf nicht ursprüngliche Kakaoländer, und da die Muster auf den verschiedenen Kontinenten unterschiedlich sein könnten, ist es wichtig, das Wissen über wildtierfreundliche Agroforstwirtschaft in den Ursprungsländern zu verbessern. Da Studien über wildtierfreundliche Anbauprozesse in Südamerika noch weitgehend fehlen, haben wir uns vorgenommen, verschiedene Aspekte der Kakaoproduktivität in Agroforstbetrieben in Peru, einem Teil der Ursprungsregion des Kakaos, zu untersuchen. Der natürliche Bestäubungsprozess von Kakao, der wenig erforscht ist, wurde durch das Einfangen von Blütenbesuchern und die Untersuchung der Pollenablage anhand von Makrofotografien untersucht (Kapitel II). Als Nächstes haben wir gemeinsam Vögel, Fledermäuse, Ameisen und Fluginsekten und Eichhörnchen vom Zugang zu Kakaobäumen ausgeschlossen und den Beitrag dieser Tiere zum Fruchtansatz, Fruchtverlust und Ertrag von Kakao quantifiziert (Kapitel III). Schließlich wollten wir feststellen, ob sich die Fruchtmenge und -qualität des heimischen Kakaos durch die händische Zugabe von Pollen erhöht (Kapitel II und IV) und ob der genetische Hintergrund der untersuchten Sorten und die mikroklimatischen Bedingungen den Fruchtansatz limitieren (Kapitel IV). Kapitel II – Besuch der Kakaoblüten: Geringer Polleneintrag, geringer Fruchtansatz und Dominanz von Pflanzenfressern Angesichts der Bedeutung der Kakaobestäubung für die weltweite Schokoladenproduktion ist es bemerkenswert, dass der Fruchtansatz noch immer nicht ausreichend erforscht ist. Insbesondere in der Herkunftsregion der Pflanze fehlt es an Wissen über die Blütenbesucher und die Auswirkungen von Landschaft und Bewirtschaftung. Darüber hinaus sind die Rolle des Polleneintrags bei der Limitierung des Fruchtansatzes sowie die Vorteile der Handbestäubung bei einheimischem Kakao unbekannt. In diesem Kapitel wollten wir die derzeitigen Wissenslücken über die Bestäubungsbiologie von Kakao schließen und haben in 20 peruanischen Agroforsten mit einheimischem Kakao bei unterschiedlicher Beschattung und Waldentfernung Proben von Blütenbesuchern genommen. Wir untersuchten auch die Pollenmenge und verglichen den Fruchtansatz zwischen händisch und natürlich bestäubten Blüten. Wir stellten fest, dass Pflanzenfresser sowohl im Norden als auch im Süden Perus die häufigsten Blütenbesucher waren, konnten aber nicht feststellen, welche Insekten effektive Kakaobestäuber sind. Der Fruchtansatz war bemerkenswert niedrig (2 %), verbesserte sich aber durch die Pollenergänzung auf 7 %. Andere Faktoren wie ein Mangel an wirksamen Bestäubern, genetische Polleninkompatibilität oder die Nichtverfügbarkeit von Ressourcen könnten die Ursache für den geringen Fruchtansatz sein. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Aufdeckung dieser Ursachen und der effektiven Bestäuber des Kakaos der Schlüssel zur Verbesserung der Bestäubungsleistungen im Kakao sein wird. Kapitel III – Quantifizierung der von Insekten und Wirbeltieren in agroforstwirtschaftlichen Kakaolandschaften erbrachten Ökosystemdienstleistungen und Gegenleistungen Bestäubung und Schädlingsbekämpfung, zwei Ökosystemleistungen, die den Kakaoertrag unterstützen, werden von Insekten und Wirbeltieren erbracht. Allerdings erbringen die Tiere auch andere Leistungen und ihr kombinierter Beitrag ist noch unklar. Daher haben wir Fluginsekten, Ameisen, Vögel und Fledermäuse und als Nebeneffekt auch Eichhörnchen vom Zugang zu den Kakaobäumen ausgeschlossen und den Fruchtansatz, den Fruchtverlust und den endgültigen Ertrag bewertet. Die Bewirtschaftung auf lokaler und Landschaftsebene kann das Vorkommen von Tieren in Kakao-Agroforstlandschaften erhöht werden; daher wurden auch die Beschattung und die Entfernung zum nächsten Wald in die Analysen einbezogen. Fluginsekten begünstigten den Fruchtansatz von Kakao, wobei die größten Zugewinne in Agroforsten mit mittlerer Beschattung zu verzeichnen waren. Vögel und Fledermäuse wurden ebenfalls mit verbesserten Fruchtansatzraten und einer 114%igen Ertragssteigerung in Verbindung gebracht, was möglicherweise auf die Schädlingsbekämpfung durch diese Tiere zurückzuführen ist. Die Rolle der Ameisen war kompliziert: Diese Insekten wirkten sich positiv auf den Ertrag aus, aber nur in Waldnähe. Wir haben auch negative Auswirkungen von Ameisen und Eichhörnchen festgestellt, die 7% bzw. 10 % der Ernteverluste verursachten. Auch wenn die Vorteile der Tiere die Nachteile überwiegen, sollte ein Ausgleich zwischen den Vor- und Nachteilen in die agroforstliche Bewirtschaftung von Kakao integriert werden. Kapitel IV – Kreuzbestäubung verbessert den Fruchtansatz und die Ertragsqualität von einheimischem peruanischem Kakao Da die Erträge des Kakaobaums durch die Bestäubung eingeschränkt werden, wurde die Handbestäubung vorgeschlagen, um die Ertragsmenge und möglicherweise auch die Qualität zu verbessern. Die geringe Selbst- und Kreuzkompatibilität der einheimischen Kakaosorten und die abiotischen Bedingungen könnten jedoch die Vorteile der Handbestäubung einschränken. Die Auswirkungen genetischer Limitierungen und abiotischer Bedingungen auf den Fruchtansatz wurden bei einheimischem Kakao bisher noch nicht untersucht. Um die Faktoren besser zu verstehen, die den Fruchtansatz bei einheimischem Kakao einschränken, verglichen wir die händische Selbst- und Kreuzbestäubung mit fünf einheimischen Genotypen, die aufgrund ihrer aromatischen Qualität ausgewählt wurden, und untersuchten gleichzeitig die Auswirkungen von Bodenwassergehalt, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit. Außerdem verglichen wir die Qualitätsmerkmale zwischen händisch und natürlich bestäubten Früchten. Die Erfolgsrate der Selbstbestäubung war gering (0,5 %), stieg jedoch durch Kreuzbestäubung um das Drei- bis Achtfache, je nach Genotyp des Pollenspenders. Der Fruchtansatz wurde auch durch die Wechselwirkung zwischen relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur beeinflusst, und wir fanden schwerere und hochwertigere Samen in Früchten, die durch manuelle Bestäubung entstanden waren, als in den natürlich bestäubten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Fortpflanzungseigenschaften des einheimischen Kakaos durch genetische Kompatibilität und abiotische Bedingungen eingeschränkt werden. Wir argumentieren, dass aufgrund der hohen Kosten der Handbestäubung die natürliche Kreuzbestäubung mit heimischen Pollenspendern gefördert werden sollte, damit Qualitätsverbesserungen zu optimalen wirtschaftlichen Gewinnen für die Kleinbauern führen können. Kapitel V – Diskussion In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass die Anwesenheit von Fluginsekten, Ameisen und Wirbeltieren, die Bewirtschaftungspraktiken auf lokaler und Landschaftsebene sowie die Pollenergänzung den Kakaoertrag in verschiedenen Entwicklungsstadien von der Blüte bis zur Frucht interaktiv beeinflussen. Zunächst haben wir gezeigt, dass sich der Fruchtansatz durch eine mittlere Beschattung und den Blütenbesuch durch Fluginsekten verbessert. Da die effektiven Bestäuber des Kakaos noch nicht bekannt sind, empfehlen wir, die Beschattung so zu gestalten, dass der Fruchtansatz gesichert ist. Wie wichtig es ist, bei einer wildtierfreundlichen Bewirtschaftung Kompromisse einzugehen, zeigt sich daran, dass die Ernteverluste durch Ameisen und Eichhörnchen geringer sind als die Ertragsvorteile durch Vögel und Fledermäuse. Die Erhaltung des Waldes in der Landschaft könnte das Vorkommen von Nützlingen weiter fördern, da Ameisen in der Nähe von Wäldern positiv mit den Kakaoerträgen verbunden waren. Daher könnte ein integrativer, wildtierfreundlicher Anbauplan, bei dem die Beschattung und der Waldabstand so gesteuert werden, dass die Bereitstellung von Ökosystemleistungen optimiert und gleichzeitig der Verlust von Früchten minimiert wird, den Erträgen des heimischen Kakaos zugutekommen. Schließlich könnte die händische Kreuzbestäubung mit einheimischen Genotypen aufgrund der verbesserten Ertragsmenge und -qualität empfohlen werden. Die hohen Kosten der händischen Bestäubung könnten diese Vorteile jedoch zunichtemachen. Stattdessen sollte im Rahmen einer integrativen Bewirtschaftung die natürliche Kreuzbestäubung durch den Einsatz kompatibler Genotypen gefördert werden, um die Quantität und Qualität der Erträge von einheimischem Kakao zu verbessern