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Agriculture optimale : rendement maximum avec un impact environnemental minimum


Je lis de plus en plus de trucs sur les méthodes alternatives d'agriculture comme la permaculture. Cependant, je ne suis pas un écologiste ou un biologiste donc je ne sais pas où chercher des articles / papiers vraiment bons et sérieux sur le sujet. Je m'intéresse beaucoup aux méthodes de production alimentaire qui peuvent être efficaces et respectueuses de l'environnement et de la santé.

La question qui m'intéresse le plus est la question du rendement des cultures et de l'environnement. Je me demande s'il existe des études qui comparent le rendement des cultures des différentes méthodes de production ET s'il existe des recherches scientifiques sur l'optimisation de la production alimentaire sous contraintes de ressources.

Avez-vous une suggestion de lecture? Je suis surtout intéressé par les articles scientifiques mais je suis ouvert à tout ce qui peut être intéressant.


Je pense que vous cherchez des informations sur "l'agriculture durable". Il existe de nombreux aspects de la production agricole tels que la fertilisation, l'irrigation, les pesticides et le (non-)labour. On peut essayer de calculer l'empreinte carbone des aliments (attention aux calculs, ils peuvent être trompeurs).

La rotation des cultures est utile dans l'agriculture durable, mais elle n'est pas toujours disponible, faisant de l'agriculture traditionnelle (industrialisée) la seule option viable. L'aspect économique est également important. Les agricultures ont besoin de cultiver la nourriture et elles ne la cultiveront que si elles en tirent de l'argent. Les produits agricoles biologiques et durables obtiennent une prime pour être cultivés de cette façon, mais ces primes diminuent à mesure que de plus en plus d'agriculteurs les utilisent.

La question "Comment le rendement est affecté par la méthode agricole" est une question large qui suscite l'intérêt de la recherche. Nous devons le décomposer en : Qu'est-ce que le rendement (biomasse ? produit commercialisable ?) et quelle est la méthode agricole.

Une grande étude menée en Ontario, Canada par Stonehouse et al, 1996 compare les traitements herbicides dans 3 types de fermes : conventionnelle, à intrants réduits et biologique et le rendement, l'investissement et le profit pour trois cultures : le maïs-grain, les haricots et les céréales. Les données proviennent de données autodéclarées par les fermes. Il ne s'agit pas d'une expérimentation totalement randomisée et il existe de nombreuses différences entre les exploitations (taille, investissement, foncier) mais des précautions ont été prises pour les réduire. Réduire les intrants Les agriculteurs ont utilisé moins d'herbicides que les agriculteurs conventionnels.
C'est le tableau de l'article Il y a eu plus d'informations sur la rentabilité, mais comme cette étude date d'il y a 25 ans, je pense qu'elle n'est plus pertinente.

Cette étude n'est qu'une de celles qui montrent la complexité du sujet et l'une des méthodologies employées. On peut écrire divers livres sur le sujet alors j'espère que ce post vous donnera la direction dont vous aviez besoin


Les publications de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture http://www.fao.org/documents/card/en/c/ca9692en des Nations Unies seraient un bon point de départ car elles sont librement accessibles. Il existe de nombreux articles sur le rendement des différentes méthodes de production et différentes techniques de gestion. Vous pouvez envisager de vous abonner à un journal, comme Agronomy https://www.agronomy-journal.org/, ou CAB Abstracts https://www.cabi.org/publishing-products/cab-abstracts/ car ceux-ci contiendraient la plupart des le sujet que vous recherchez. Ceux-ci contiendraient également des informations sur l'optimisation de la production alimentaire dans des conditions de ressources limitées. Bonnes recherches !


Rendement maximal durable

21.2 Aquaculture, sécurité alimentaire et systèmes HACCP

Selon les statistiques, les pêches de capture sauvages ont un rendement maximal durable et de futures augmentations sont peu probables. La pêche commerciale sauvage ne peut pas continuer à répondre à la demande mondiale croissante de produits de la pêche de haute qualité/sûrs ( FAO, 2004 Martin, 2002 ). L'aquaculture contribuera, d'autre part, à répondre aux futurs besoins mondiaux en protéines ( Martin, 2002 ). La production aquacole, avec un taux de croissance annuel de 8,8 % depuis 1970, est le secteur d'approvisionnement alimentaire qui connaît la croissance la plus rapide ( figure 21.1). Bien que des indications récentes indiquent un plafonnement de la production ( FAO, 2006 ), l'Organisation pour l'alimentation et l'agriculture (FAO) estime qu'un poisson sur trois consommé est issu de l'aquaculture, environ 90 % de tous les produits de la pêche aquacole étant produits en Asie ( FAO, 2004 ). En 2004, 59,9 millions de tonnes de produits de la pêche aquacoles, y compris les plantes aquatiques, ont été aquacoles pour une valeur de 70,3 milliards de dollars américains ( FAO, 2006 ).

21.1 . Tendance de la production aquacole mondiale par grands groupes d'espèces ( FAO, 2006 ).

La Chine est le leader mondial de la production aquacole représentant 69,6 % de la quantité totale produite et plus de la moitié de la valeur mondiale ( Fig. 21.2 ) ( FAO, 2006 ). Une grande partie de la production en Chine et dans les pays en développement est destinée à la consommation intérieure, mais des quantités croissantes sont collectées pour l'exportation vers les États-Unis, l'Europe et le Japon.

21.2. Production aquacole : principaux pays producteurs 2004 ( FAO, 2006 ).

La valeur du commerce international des produits de la pêche est passée de 15,4 milliards de dollars EU en 1980 à 71,5 milliards de dollars EU en 2004 ( FAO, 2006 ). Dans huit des onze pays étudiés, le commerce international a eu un impact positif sur la sécurité alimentaire de ces pays ( FAO, 2006 ). Le commerce international des produits de la mer est une question complexe, et les attentes des pays et de leurs citoyens sont que les produits de la pêche sont sûrs et de haute qualité. À cet égard, de plus en plus de pays et d'organisations douanières régionales prennent des mesures pour contrôler les risques pour la sécurité sanitaire des aliments à un niveau de protection acceptable ( Garrett, 2002 ). De nombreux pays ont mis en place des systèmes de gestion du contrôle des aliments tels que l'analyse des risques et maîtrise des points critiques (HACCP) pour garantir la sécurité sanitaire des aliments ( Garrett, 2002 ). Hazard Analysis Critical Control Point est un système scientifique de gestion de la sécurité alimentaire développé par Pillsbury Food Company USA à la fin des années 1960 pour assurer la sécurité alimentaire des astronautes pendant le programme Apollo Moon de la NASA aux États-Unis. Depuis lors, il a été accepté par les pays du monde entier comme un outil scientifique de gestion des risques pour aider à assurer la sécurité sanitaire des aliments de la production à la consommation ( Lima dos Santos, 2002 ). Récemment, son utilisation a été élargie pour inclure le contrôle des dangers potentiels pour les humains, les animaux et l'environnement associés à l'aquaculture ( Jahncke et Schwarz, 2002 Lima dos Santos, 2002 ).

Partout dans le monde, des pays retiennent et rejettent des produits de la pêche contaminés par des agents pathogènes tels que Salmonelle spp., ou contiennent des produits chimiques tels que des résidus d'antibiotiques ( Anonyme, 2005b , 2006, 2007 Garrett et al., 1997 , 2000 ). Plusieurs pays exportateurs de produits de la pêche ont vu leurs produits de la pêche placés en détention sans examen physique (DWPE) par les États-Unis et d'autres pays en raison d'antécédents de problèmes liés aux agents pathogènes et à la contamination chimique. En réponse, des pays comme le Vietnam, la Thaïlande, la Chine et d'autres, mettent en œuvre des protocoles d'essai stricts de leurs produits de la pêche pour aider à garantir leur capacité à exporter leurs produits vers des pays comme les États-Unis, le Japon, l'Europe, la Russie, etc. ( Anonyme, 2005b , 2006 , 2007 ).

Une enquête menée par la Food and Drug Administration des États-Unis (USFDA) en 1998, a montré que 6,4 % des produits de la mer aquacoles importés contenaient Salmonelle, tandis que moins de 1% des produits de la pêche capturés dans la nature étaient contaminés par Salmonelle ( Koonse, 2008 ). Entre 2000 et 2003, l'USFDA a analysé 1744 échantillons de crevettes crues importées, provenant principalement d'exploitations aquacoles. Environ 10 % de ces échantillons étaient positifs pour Salmonelle et ont été détenus ( Koonse, 2008 ). Les résidus d'antibiotiques trouvés dans de nombreux produits de la pêche aquacoles sont également une raison majeure de détention et de rejet par les pays importateurs ( Anonyme, 2005a ). Les épidémies dans les exploitations aquacoles sont courantes. Malheureusement, de nombreux aquaculteurs se tournent vers l'utilisation aveugle et inappropriée des antibiotiques pour traiter les problèmes de maladies dans leurs fermes aquacoles. Par exemple, l'utilisation d'antibiotiques pour traiter les maladies virales des crevettes n'est pas appropriée, car les virus ne peuvent pas être traités avec succès avec des antibiotiques. En outre, la plupart des pays ont des réglementations concernant l'utilisation approuvée d'antibiotiques spécifiques, des niveaux d'utilisation appropriés, des délais d'attente pouvant être utilisés sous la supervision d'un vétérinaire ou d'un professionnel équivalent, pour traiter des maladies spécifiques et des espèces spécifiques ( FDA, 2005 JSA, 1997 , 2004 ). Les pays exportateurs doivent connaître et comprendre les exigences réglementaires des pays importateurs concernant l'utilisation appropriée et acceptée des produits chimiques et chimiothérapeutiques pour les espèces aquacoles traitées, ou leurs produits seront retenus et rejetés par le pays importateur. La clé pour réduire l'utilisation d'antibiotiques en aquaculture est d'intégrer l'utilisation appropriée des applications de médicaments aux Bonnes Pratiques d'Aquaculture (GAqP) ( Jensen et Greenless, 1997 ). L'application des principes HACCP peut également être utilisée pour contrôler les agents pathogènes et les produits chimiques dans les produits aquacoles ( JIFSAN, 2007 Jahncke et Schwarz, 2002 ).

La FAO a joué un rôle déterminant dans la fourniture de programmes de formation sur l'utilisation des principes HACCP en aquaculture dans les pays du monde entier. Plusieurs fermes aquacoles au Brésil, avec les encouragements du gouvernement, ont introduit les principes HACCP pour contrôler les contaminants chimiques, les additifs alimentaires, les médicaments vétérinaires, les pesticides, les métaux lourds et les bactéries pathogènes ( Lima dos Santos, 2002 ). Le gouvernement chilien a élaboré des directives sur le contrôle des résidus de médicaments vétérinaires dans les produits aquacoles ( SERNAPESCA, 2000 ). Plusieurs pays d'Asie du Sud-Est appliquent les principes HACCP et les meilleures pratiques de gestion (BMP) pour contrôler l'utilisation de médicaments et de produits chimiques et pour protéger l'environnement ( Suwanrangsi, 1997 Tookwinas et Suwanrangsi, 1997 Lima dos Santos, 2002 Koonse, 2006). Il a également été utilisé par la FAO au Laos, au Vietnam et au Cambodge pour contrôler avec succès les infestations de carpes d'aquaculture d'eau douce (Puntius goniotus) poisson par le parasite Opisthorchis viverrini (Kamboonruang et al., 1997 Lima dos Santos, 1994 ).

Les sept principes HACCP ont également été appliqués aux opérations d'aquaculture de crevettes pour contrôler les virus pathogènes de la crevette tels que le virus du syndrome de Taura (TSV) (Picornaviridae), la maladie du virus de la tête jaune (YHV) (Baculorviridae) et le complexe de baculovirus du syndrome des points blancs (WSSV). ( Jahncke et al., 2002 ). L'USFDA Joint Institute of Food Safety and Applied Nutrition (JIFSAN) a récemment mis au point un cours de formation des formateurs sur les bonnes pratiques d'aquaculture (GAqP) pour aider à réduire l'utilisation de produits chimiques et d'antibiotiques en aquaculture. L'utilisation des principes HACCP comme outil de gestion des risques pour contrôler l'utilisation des antibiotiques en aquaculture a été identifiée dans l'atelier de formation comme une méthode efficace pour contrôler l'utilisation chimiothérapeutique en aquaculture ( JIFSAN, 2007 ). Une formation est également offerte par le Pennsylvania Sea Grant et le US Fish and Wildlife Service USA sur l'utilisation des principes généraux du HACCP pour contrôler la propagation des espèces aquatiques envahissantes dans l'environnement ( Faulds, 2007 ).


Agriculture durable : Garantir le rendement tout en réduisant les gaz à effet de serre

Mario Corrochano-Monsalve. Crédit : UPV/EHU

Le groupe NUMAPS de l'UPV/EHU a analysé les bénéfices de l'ajout d'inhibiteurs de nitrification aux engrais à base d'ammonium. L'étude a été menée sur une culture de blé et a comparé un système de gestion du travail du sol conventionnel avec un système de travail minimum du sol. Pour ce faire, des paramètres tels que le rendement et la qualité des grains, l'efficacité d'utilisation de l'azote et les émissions de gaz à effet de serre, entre autres, ont été mesurés.

La croissance des cultures est limitée par la disponibilité de l'azote dans le sol, l'un des éléments primaires des plantes, dont la carence entraîne une baisse des rendements agricoles. Il faut donc ajouter de l'azote au sol sous forme d'engrais azotés. Pourtant, cet azote appliqué peut ne pas être utilisé efficacement par la culture. Ce fait entraîne non seulement des pertes économiques importantes pour le secteur agricole, mais cause des problèmes environnementaux, tels que l'eutrophisation de l'eau due au lessivage des nitrates, la volatilisation de l'ammoniac et la production d'oxyde d'azote (oxyde nitrique et oxyde nitreux) produit par les micro-organismes du sol. . L'émission de protoxyde d'azote (N2O) est extrêmement important, car il s'agit d'un gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement global 265 fois supérieur à celui du CO2.

Afin d'atténuer ces pertes d'azote en agriculture, « la recherche agronomique doit se concentrer sur l'optimisation de l'utilisation des engrais azotés en développant de meilleures pratiques agricoles qui permettront non seulement d'éviter le lessivage et les pertes gazeuses, mais aussi d'obtenir un rendement et une qualité maximale des cultures, " dit Ph.D. étudiant Mario Corrochano-Monsalve, l'un des chercheurs du groupe NUMAPS (NUtrition MAnagement in Plant and Soil) de l'UPV/EHU.

À cet égard, les chercheurs ont mené une étude portant sur l'utilisation d'inhibiteurs de nitrification. Les inhibiteurs de ce type ralentissent l'activité de certaines bactéries qui peuplent les sols agricoles et qui utilisent l'azote ammoniacal fourni par les engrais pour leur propre croissance, concurrençant ainsi la culture végétale pour cela. "L'utilisation d'inhibiteurs permet à la plante d'avoir plus de temps pour absorber l'azote du sol et l'assimiler sous forme d'acides aminés et de protéines, réduisant ainsi sa perte sous forme de nitrates ou d'azote gazeux", a expliqué le chercheur.

Vers une agriculture efficace

Le groupe a mené une expérience sur le terrain « pour voir l'effet de l'utilisation d'un engrais ammoniacal combiné à un type d'inhibiteur de nitrification (acide 3,4-diméthylpyrazole-succinique DMPSA) sur deux systèmes de conduite des cultures : le travail du sol conventionnel (sillons profonds avec versoir) et travail du sol (labour minimum, les graines étant semées dans de petits trous) », selon Corrochano-Monsalve.

Les parcelles ont fait l'objet d'un suivi exhaustif. Corrochano-Monsalve précise : « Sur chaque parcelle, nous avons mesuré le rendement du blé, sa qualité en farine panifiable, l'évolution de la teneur en azote du sol et les émissions de gaz à effet de serre (GES) (CO2, N2O et CH4) du sol cultivé les indicateurs génétiques de la variation des populations bactériennes dans le sol responsables de l'oxydation/réduction de l'azote et donc de son émission en GES ont également été analysés."

La principale conclusion de l'étude est que « l'utilisation de l'inhibiteur de nitrification en combinaison avec un travail minimum du sol a amélioré l'efficacité des cultures et réduit les émissions de GES sans affecter le rendement », explique Corrochano-Monsalve. « L'aspect le plus nouveau du travail est la confirmation que l'utilisation d'inhibiteurs de nitrification sur les cultures avec un système de travail minimum du sol favorise la croissance de certaines populations de bactéries qui réduisent le N2O à l'azote moléculaire (N2), la forme la plus abondante et qui ne réagit pas avec l'azote de l'atmosphère. De cette façon, la perte d'azote sous forme de gaz serait inoffensive."

Dans des conditions climatiques méditerranéennes humides, comme celle d'Álava, où l'étude a été menée, « dans de nombreuses phases du cycle de culture, nous trouvons des niveaux élevés d'humidité du sol qui peuvent augmenter les pertes d'azote par lessivage. Pourtant, le degré élevé d'humidité génère également un environnement hautement anaérobie qui favorise la réduction des oxydes d'azote en N2", dit-il. " On peut s'attendre à ce que l'utilisation d'inhibiteurs de nitrification permette d'appliquer une plus petite quantité d'engrais, ce qui, en plus de réduire l'impact environnemental, entraînerait des économies économiques pour les agriculteurs.

« L'agriculture, comme beaucoup d'autres secteurs, doit être de plus en plus efficace. Il s'agit de parvenir à une agriculture durable qui combine la sécurité alimentaire (de la nourriture pour tous) avec un impact environnemental minimum », conclut-il. Jusqu'à présent, des recommandations générales ont été formulées pour chaque zone géographique (quantité d'engrais, formulation chimique, quand et comment l'appliquer, type de produits phytopharmaceutiques, etc.). Cependant, l'idéal, et qui est de plus en plus tendance, est de personnaliser beaucoup plus les recommandations. En d'autres termes, même chaque parcelle au sein d'une même zone géographique a ses caractéristiques uniques, et l'idéal serait avant le début d'une saison de croissance que chaque parcelle soit analysée au préalable pour déterminer exactement quels sont ses besoins et éviter ainsi le gaspillage de Ressources."


Adaptation du test d'activité de la nitrate réductase pour le criblage à haut débit des cultures

  • G. I. Karlov
  • , D. Y. Litvinov
  • , P.N. Kharchenko
  • , P. Yu. Krupin
  • , S. Yu. Shirnin
  • , A. .G Chernook
  • , L. А. Nazarova
  • & M. G. Divashuk

Herald sibérien des sciences agricoles (2020)

Nutrition et production minérales de Marandu Palisadegrass liées à l'approvisionnement en azote et en potassium

Journal de la nutrition des plantes (2015)

Effet des effluents industriels de la biomasse sur les glucides, les acides aminés, les nitrites et les activités enzymatiques de nitrite d'Arachis hypogaea L.

  • PC Nagajyoti
  • , N Dinakar
  • , S Suresh
  • , Y Udaykiran
  • , C Suresh
  • , TNVKV Prasad
  • & T Damodharam

Sciences agronomiques en Chine (2009)

Impact des applications de génotype et de micronutriments sur l'activité de la nitrate réductase des feuilles de thé

Journal de la science de l'alimentation et de l'agriculture (2005)

Facteurs affectant l'activité de la nitrate réductase chez certaines espèces monocotylédones et dicotylédones

Journal de biologie végétale (2003)


DÉPENDANCE DES ENGRAIS

Le rendement en grains dépend de nombreux facteurs – sol, irrigation, génétique, climat, pratiques culturales, lutte contre les ravageurs et les maladies et application d'engrais. Les cultures développées pendant la Révolution verte sont des variétés à haut rendement – ​​des plantes domestiquées sélectionnées spécifiquement pour répondre aux engrais afin de produire une quantité accrue de céréales par acre planté. En fait, ces variétés à haut rendement ne peuvent pas pousser avec succès sans l'aide d'engrais.

En fait, la recherche montre que les engrais peuvent représenter 30 à 70 % du rendement. Cette contribution très importante explique pourquoi de nombreux agriculteurs pensent que s'ils appliquent plus d'engrais, ils obtiendront des rendements plus élevés. Cependant, il y a une limite à l'efficacité des engrais.

La relation entre les taux d'application d'engrais et le rendement potentiel est schématiquement décrite dans le schéma suivant :

Sur la base d'essais sur le terrain abondants et de l'analyse des données qui en découle, la courbe démontre la réponse du rendement à l'application d'engrais. Nous pouvons apprendre quelques choses en regardant le graphique.

Lorsqu'aucun engrais n'est appliqué, le rendement atteint un niveau minimal de potentiel. Ensuite, le rendement augmente avec une augmentation du taux d'application d'engrais.

Finalement, le rendement atteint son niveau maximum de potentiel. Notamment, nous voyons qu'une plante ne peut pas accepter plus de nutriments qu'elle n'en a besoin, après quoi l'ajout d'engrais n'augmente pas le rendement.

En fait, lorsque les taux d'application d'engrais deviennent trop élevés, les plantes subissent des dommages dus à la salinité et une toxicité des nutriments spécifiques, ce qui entraîne une baisse du rendement.

De plus, nous avons constaté que puisque les conditions locales peuvent varier considérablement entre les champs, une courbe de rendement en engrais qui a été établie pour un champ ne sera pas valable pour un autre, même sur la même ferme.

De plus, la même culture peut nécessiter des taux d'application d'engrais différents à différents moments de l'année et dans différents endroits. Par exemple, le rendement maximal potentiel du blé sur cette ferme peut changer d'une année à l'autre en raison des fluctuations météorologiques.

En d'autres termes, essayer d'appliquer une recommandation générale d'engrais à tous les niveaux n'est pas beaucoup mieux qu'une supposition sauvage.

Pour obtenir des résultats optimaux, vous devez planifier un programme de fertilisation spécifique à votre champ à une certaine saison. Étant donné que chaque champ a sa propre composition en éléments nutritifs, l'approche appropriée serait d'utiliser l'analyse du sol, des plantes et de l'eau, et d'adapter le programme d'engrais en fonction des conditions spécifiques.

La courbe de réponse au rendement que nous avons présentée ci-dessus montre comment les taux d'application d'engrais affectent le rendement des cultures. Mais, en fait, ce n'est pas seulement le taux d'application d'engrais total qui est en jeu ici, c'est aussi le taux d'application de chaque élément nutritif individuel.

Selon la loi du minimum de Leibig, le rendement des cultures est déterminé par le facteur le plus limitatif dans le champ. Cela implique que si un seul élément nutritif est déficient, le rendement sera sous-optimal, même si tous les autres éléments nutritifs sont disponibles en quantités suffisantes.


Résultats

Étendue des frontières agricoles induites par le climat

Les frontières agricoles liées au climat telles que définies ici couvrent entre 10,3 et 24,1 millions de km 2 de la surface de la planète, avec une valeur médiane d'ensemble de 15,1 millions de km 2 selon le RCP 8.5 d'ici 2060-2080 (Fig 1, S2 Fig). Les cultures qui composent les frontières sont présentées dans les figures supplémentaires S3 et S4 et sont principalement des cultures tempérées plus tolérantes au froid telles que les pommes de terre, le blé, le maïs, le soja. Pour mettre l'ampleur de ces frontières agricoles en perspective, la superficie médiane d'ensemble des frontières agricoles à la fin du siècle, le scénario RCP 8.5 équivaut à 59 % de la superficie mondiale actuelle des terres cultivées et gérées de la végétation, tandis que la superficie maximale d'ensemble équivaut à 93 %. % de la culture actuelle. Dans un scénario RCP 4.5, avec un forçage radiatif plus atténué, les frontières agricoles couvrent 8,1 à 20,0 millions de km2 de la surface de la terre (équivalent à 31 à 77 % de la superficie actuellement cultivée (voir S2 Fig)). La qualité du sol, le terrain et l'infrastructure, cependant, seront des déterminants majeurs de laquelle de ces frontières sera réellement cultivée et en tant que tels, les résultats présentés ici représentent une estimation de la limite supérieure de l'endroit où l'expansion des terres cultivées peut être attendue.

Les zones qui passent d'aucune aptitude actuelle pour les principales cultures de base à l'aptitude à une ou plusieurs cultures sont représentées en bleu, tandis que les zones actuellement non cultivées qui passent à l'aptitude à plusieurs grandes cultures de base sont représentées en rouge. L'intensité de la couleur indique le niveau de concordance entre les simulations pilotées par différents MCG pour la voie de concentration radiative RCP 8.5. Les zones terrestres en blanc sont soit actuellement adaptées à au moins une culture modélisée, soit ne conviennent à aucune culture modélisée dans les conditions climatiques projetées. L'adéquation sous les climats actuels et projetés est définie comme un accord universel des méthodes d'adéquation (EcoCrop, Maxent, Fréquence des températures extrêmes).

Répartition géographique des frontières agricoles induites par le climat

Les frontières devraient être plus étendues dans les régions boréales de l'hémisphère nord et dans les zones montagneuses du monde entier, car les zones propices à la production de matières premières s'étendent généralement vers le haut et vers les pôles en réponse à la hausse des températures. Les pommes de terre, le blé et le maïs contribuent le plus à la surface des terres frontalières (S4 Fig). Le Canada (4,2 millions de km 2 ) et la Russie (4,3 millions de km 2 ) abritent la plus grande superficie de frontière agricole (RCP 8,5, médiane d'ensemble). Parmi les régions montagneuses, les montagnes d'Asie centrale et les montagnes Rocheuses des États-Unis et du Canada ont la plus grande superficie frontalière (0,1 et 0,9 millions de km 2 , respectivement). Les frontières sur les franges des déserts australiens et africains sont le résultat d'augmentations prévues des précipitations, pour lesquelles il existe un accord MCG relativement faible, y compris des tendances divergentes dans les signes de changement des précipitations entre les MCG. Cela rend les conclusions sur le potentiel d'expansion agricole dans ces zones très incertaines. En revanche, il y aura une petite perte de la superficie cultivée existante. Nous avons estimé qu'environ 0,2% de la superficie cultivée existante deviendra impropre à toutes les cultures modélisées sans irrigation ou autres intrants intensifs pour le scénario RCP 8.5 2060-2080.

Impacts environnementaux des frontières agricoles induites par le climat

Les impacts environnementaux du changement d'utilisation des terres agricoles lié au climat comprennent les impacts sur les services climatiques (par exemple, la réduction du stockage de carbone), les effets de la pollution agricole sur les zones en aval et la dégradation des habitats naturels avec la perte de biodiversité qui en découle [47–52]. L'impact le plus significatif est probablement la réduction des services climatiques fournis par le stockage du carbone dans les sols frontières, en particulier dans les vastes frontières des hautes latitudes.

Impact sur les services climatologiques

La quantité totale de carbone qui réside dans le premier mètre de sol sous les frontières agricoles a une valeur médiane de 632 GtC (gigatonnes de carbone) (RCP 8.5, ensemble) et 539 GtC (RCP 4.5, ensemble), avec un RCP minimum 8.5 valeur d'ensemble de 400 et une valeur maximale de 991 GtC (tableau 2). Cela équivaut à 47-116% de tout le carbone actuellement dans l'atmosphère terrestre (Fig 2). La libération de carbone des sols des hautes latitudes due au réchauffement est déjà une préoccupation majeure mais peut être faible par rapport aux quantités de carbone qui pourraient être libérées si ces zones sont cultivées [53].

Les zones avec >50% des frontières des produits d'accord MCG sont affichées. La couverture des terres agricoles existante >10 % de chaque pixel est représentée en marron clair.

Les rangs grisés appliquent les contraintes générales d'aptitude du sol et les exigences du sol de GAEZ pour chaque culture aux zones frontalières climatiquement adaptées.

On pense que la libération de carbone après le labour des sols précédemment labourés se produit rapidement et les estimations suggèrent que 25 à 40 % du carbone total du sol est libéré dans les cinq ans suivant le labour [54]. Par conséquent, une estimation de la limite supérieure de la quantité totale de carbone qui pourrait être libérée par la culture des frontières induites par le climat serait de l'ordre de 177 GtC, ce qui équivaut à 119 années de CO actuel.2 émissions des États-Unis [55]. La superficie réelle affectée serait plus petite que la frontière en raison de facteurs économiques et physiques, mais les émissions pourraient être plus importantes car bon nombre des sols potentiellement affectés sont de la tourbe, qui peut se dégrader lorsqu'elle est perturbée, libérant plus et plus de carbone. Dans les deux cas, l'ampleur du rejet potentiel indique que les politiques visant à restreindre le développement de ces zones sont d'une importance vitale. D'un point de vue mondial, 177 GtC représentent plus des deux tiers des 263 GtC dans lesquels les émissions futures totales doivent être limitées pour limiter l'augmentation de la température moyenne mondiale à l'objectif de l'accord de Paris convenu au niveau international de 2°C d'augmentation de la température moyenne mondiale au-dessus de la température préindustrielle. niveaux [56].

Une façon de relever le défi posé par la culture des frontières consiste à promouvoir des pratiques de gestion agricole qui conservent le carbone lié au sol. En particulier, les politiques qui incitent à laisser les sols tourbeux intacts et à promouvoir le travail du sol de conservation pourraient réduire considérablement la quantité de carbone libérée et ralentir la vitesse à laquelle il est libéré [57-58]. Ainsi, alors que les estimations spécifiques quant à la vitesse ou à l'ampleur avec laquelle ces sources de carbone pourraient affecter l'atmosphère dépassent le cadre de cette étude, il est fort probable que le développement de telles régions pour l'agriculture aura des impacts significatifs sur les émissions de gaz à effet de serre qui doivent être contrebalancé par les avantages d'un approvisionnement alimentaire accru et limité par des politiques environnementales saines.

Impacts sur la biodiversité

Les impacts sur la biodiversité des frontières induites par le climat se produisent là où les frontières se croisent avec des écosystèmes et des habitats importants (tableau 3). Parmi les priorités mondiales pour la conservation de la biodiversité, 56 % des points chauds de la biodiversité mondiale, 22 % des zones endémiques pour les oiseaux (ZBE) et 13 % des zones clés pour la biodiversité (ZCB) croisent des frontières agricoles induites par le climat (ensemble médian RCP8.5 2060-2080 voir Tableau 3). Les points chauds de la biodiversité qui ont la plus grande intersection avec les frontières sont les Andes tropicales, les montagnes d'Asie centrale, la Corne de l'Afrique et les précipitations hivernales chiliennes et les forêts de Valdivian.

Les zones de ressources de biodiversité importantes évaluées sont les points chauds de la biodiversité, les zones d'oiseaux endémiques (EBA) et les zones clés pour la biodiversité (KBA). Les nombres présentés pour les ressources de la biodiversité sont le nombre médian [plage] de zones qui se croisent avec des frontières à travers toutes les MCG. Les impacts potentiels sur les espèces d'oiseaux à aire de répartition restreinte sont présentés comme le nombre médian [de l'aire de répartition] d'espèces avec une intersection de l'aire de répartition modélisée avec les frontières dans la projection climatique actuelle et 2060-2080. Les aires de répartition futures modélisées sont évaluées sous l'hypothèse d'une absence de dispersion et d'un taux de dispersion de 10 km/décennie.

Les aires de répartition des espèces peuvent se déplacer en réponse au changement climatique, provoquant des changements dans les modèles de biodiversité, en même temps que les frontières s'ouvrent. Pour tester l'effet des frontières sur les modèles de biodiversité futurs et présents, les aires de répartition de tous les oiseaux à aire de répartition restreinte mondiale, un ensemble d'espèces à haute priorité de conservation trouvées dans les hotspots, les ZCB et les ZES, ont été modélisées [59]. Ces résultats montrent que le nombre d'oiseaux à aire de répartition restreinte touchés par les frontières augmente à l'avenir de 409 espèces à 491 espèces sous RCP8.5 représentant 20 % des 2 451 espèces mondiales d'oiseaux à aire de répartition restreinte et de 409 à 362 sous RCP4.5 (tableau 3) . Ainsi, les changements d'aire de répartition dus au changement climatique accentuent l'intersection des frontières avec un climat approprié pour les espèces rares, car l'aptitude des cultures et le climat approprié pour les espèces se déplacent vers le haut. Cependant, cet effet dépend de la capacité des espèces à occuper des zones nouvellement adaptées. Les espèces potentiellement impactées par les frontières sont les plus nombreuses en Amérique centrale et dans le nord des Andes, avec des concentrations secondaires dans l'Himalaya et les hautes terres de Nouvelle-Guinée.

Impacts sur la qualité de l'eau

L'impact potentiel des frontières agricoles induites par le climat sur la qualité de l'eau en aval peut affecter un grand nombre de personnes et leurs infrastructures hydrauliques. L'empreinte qualité des eaux agricoles (QAE) des frontières englobe les foyers de 0,4 à 1,0 milliard de personnes (RCP 4,5, ensemble minimum et maximum) et 1,2 à 1,8 milliard de personnes (RCP 8.5, ensemble minimum et maximum), dont 900 millions- 1,6 milliard (RCP 8,5, ensemble minimum et maximum) vivent dans des zones dans lesquelles plus de la moitié de l'approvisionnement en eau devrait être impacté (tableau 4). Les changements de la qualité de l'eau dans ces zones en aval dus au ruissellement d'engrais et de biocides peuvent affecter la santé humaine, la santé des écosystèmes, la production de la pêche et le coût du traitement de l'eau.

Un AWQ élevé correspond à plus de 50 % de l'approvisionnement en eau avec des impacts AWQ.

Le tableau 4 montre que les frontières agricoles augmentent la quantité de terres potentiellement affectées par les changements de AWQ de 9 % à 16 % (médiane 12 %) par rapport à l'impact actuel (RCP 8.5, ensemble minimum et maximum). Étant donné que certaines de ces nouvelles terres agricoles (dans les zones arides) ne généreront pas de ruissellement important, selon le RCP 8.5, la superficie des terres avec AWQ varie d'un maximum supplémentaire de 7 à 12 % (médiane de 9 %) avec la population mondiale supplémentaire maximale affectée variant de 9 à 10 % (médiane 9 %). Niveaux élevés d'AWQ (>50%), affectant 3 à 6 % de la surface terrestre supplémentaire (médiane 4 %), affectant 2 à 3 % supplémentaires (médiane 2 %) de la population mondiale actuelle. L'AWQ supplémentaire par unité de superficie des nouvelles terres cultivées varie entre les membres de l'ensemble et reflète la répartition des terres cultivées dans les zones génératrices de ruissellement par rapport à non, ainsi que le mélange différentiel en aval du ruissellement des terres agricoles et non agricoles sous différents résultats de frontière spatiale.

Hydrologic infrastructure, including the global estate of reservoirs created by dams that are essential for urban water supply, irrigation and hydropower are also potentially affected by the AWQ footprint of agricultural frontiers. 6.4–8% (median 7.3%, RCP8.5) or 5.5–6.9% (median 6.3% RCP4.5) of global reservoirs would experience increased AWQ impacts as a result of agricultural frontiers and 2.0–3.8% (median 2.9%, RCP 8.5) or 1.7–3.1% (median 2.4% RCP4.5) of reservoirs would be exposed to elevated impacts (AWQ >50%). These are in addition to the 63.3% of reservoirs already with AWQ>0 under the current distribution of crop suitability (50.2% at >50% AWQ) (Table 4).

Incertitude

To account for the uncertainty of future climate projections, all impacts of climate driven agricultural frontiers were assessed on an individual GCM/RCP/time period basis and results are presented as ensembles across all climate projections. The choice of binary threshold is a possible source of uncertainty, but in this analysis that uncertainty is constrained by choosing a threshold that is conservative from the perspective of frontiers. For instance, in EcoCrop a threshold of 20 (“very marginal to marginal”) includes areas that are possible but not optimal for cultivation [22–23]. The total area of frontiers is largely insensitive to adjustments to the choice of threshold across all methods used, because under a more permissive threshold the currently suitable area will expand, but there will be an accompanying expansion of frontiers poleward—and vice versa for a less permissive threshold. Uncertainty is more difficult to constrain in precipitation-driven frontiers where there is high disagreement on sign of change in GCMs. This makes Sahelian and Australian precipitation-driven frontiers much more uncertain than other frontiers, as noted above. The greatest uncertainty is in actual cultivation of frontiers, as discussed below. Comparison of the modeled crop distributions for both current and future climates including the possible reduction of frontier areas due to soil constraints as defined by the union of GAEZ soil resource classifications are shown in S5–S8 Figs.


Advantages of Soilless Agriculture

  • Soilless agriculture does not require the use of toxic chemicals. Unlike soil-based agriculture, where farmers have to use fertilizers to increase crop yield and spray pesticides to keep weeds and pests away, crops are somewhat protected from pests and weeds.
  • Soilless agriculture is ideal in urban areas where space is too limited for soil-based gardens.
  • Nutrient and growing media loss is significantly reduced with soilless cultivation because the nutrient requirements for crops are determined in advance.
  • Soilless cultivation is believed to cause less pollution.
  • Compared to soil cultivation, the yields from soilless cultivation are significantly higher as a result of intensive practices and the possibilities of continuous, year-round production.

Optimal agriculture: maximum yield with minimum environmental impact - Biology

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Matériaux et méthodes

Data used for this study is obtained from the Global Agro-ecological Zones (GAEZv3.0), the detailed methodology of which is presented in the GAEZv3.0 model documentation [26]. In short, based on principles of land evaluation, GAEZv3.0 estimates crop production potential described as the agronomically possible upper limit of crop yields for individual crops under given agro-climatic, soil, and terrain conditions for a specific level of agricultural inputs and management conditions. For crop production potential, GAEZv3.0 defines three generic input levels (low, intermediate, and high input levels). Under a low-input level, the farming system is considered largely subsistence and labor intensive based on traditional management, using local crop varieties. Under an intermediate-input level, the farming system is considered partly market oriented with a mixture of subsistence based and commercial scale production. Under a high-input level, the farming system is assumed to be mainly commercial agriculture with mechanized management, using adequate nutrients, agro-chemicals, and high yielding crop varieties. Additionally, to supplement potential yield information, GAEZv3.0 also provides downscaled crop yields and area harvested for the year 2000.

Production Gaps and Calorie Deficits

We defined crop production gaps as a ratio between the potential and the current crop calorie production. To estimate the calorie productions, we used data on current and potential crop yields, and area harvested in 2000 for 19 crop types from GAEZv3.0 [26] and nutritive factors for converting crop mass into calories from FAO [27] (S1 Table). GAEZv3.0 provides in a global raster grid of 5 arc minutes resolution information on both current and potential crop yields for two types of water supply (irrigated and rain-fed), and potential crop yields for the three input levels. We estimated the potential crop calorie production using crop yield data under high-input levels (S1 Text).

We analyzed crop calorie deficits based on the demand and supply of crop calories. The demand side consists of human vegetal product consumption and crop-based feed provided to livestock, which were calculated from gridded feed data [28], countrywide per capita vegetal product intake [29], and gridded population data [30] for the year 2000. The supply side includes crop calorie production that was derived from GAEZv3.0 [26] (S1 Text). Since agricultural production constraints and management vary with agro-climatic conditions, crop calorie deficits and production gap analysis was conducted in sub-national moisture regime units [26]. The seven moisture regime categories used here are: hyper-arid, arid, dry semi-arid, moist semi-arid, sub-humid, humid, and per-humid. We identified regions with crop calorie deficits considering the current and the potential crop calorie production (S1 Text). Afterwards, we classified these regions into six groups based on prevalence and depth of crop production gaps and crop calorie deficits (S1 Text). By doing so, we located regions where closing production gaps results in FSS or significantly reduces calorie deficit status in a single global map.

Scenario analysis for two scenarios (scenario A and B) were used to identify regions where closing the production gaps matters and ensures future FSS by 2050 applying the above described method. Scenario A in which population changes but dietary patterns remain constant at in the year 2000 level, is a baseline scenario. Scenario B accounts for country specific changes in dietary patterns in addition to the population growth maintaining a minimum calorie intake of 2,535 kcal/cap/day, representing the average for high calorie diets [3]. In this way, we accounted for changes in population [31] and dietary patterns [3] that drive future food and feed demand [1, 2, 28], and progress on closing crop yield gaps that influence future food and feed supply [10, 12] (S1 Text).

Yield Gap Factors

We observed substantially larger yield gaps for rain-fed farming than for irrigated farming (S1 Fig). Globally, rain-fed farming covers 74% of cultivated land. So far it produces only 44% of the potential calorie production while irrigated farming has attained 60% of the potential calorie production. Hence, we focus this analysis on rain-fed cultivated land as it has a larger potential of additional crop production by closing yield gaps than irrigated land.

A number of biophysical and socioeconomic factors puts constraints on crop yields [32, 33], resulting in yield gaps that can be tackled with adequate agricultural input and management (Fig 1). Initially, we analyzed the biophysical factors that can be overcome by shifting farming practices from traditional low-input to high-input advanced management. We started the analysis looking at agro-climatic constraints related to yield losses due to pests, diseases, weeds, and workability. The first three of the constraints can be reduced by improved pest management. However, the workability constraint related to weather conditions affecting the efficiency of farming operation (e.g., excessive wetness causing problems in harvesting and handling of crop products) is hard to tackle.

The light green boxes represent the input data obtained from GAEZv3.0 [26]. The applied procedures are symbolized by the light orange diamonds, which are explained in S2 Text. The light red box shows the obtained result.

We obtained data on crop specific agro-climatic constraints for low and high input levels at a 5′ resolution from GAEZv3.0. The constraints are characterized through the attainable percentage of the crop yields. Crop yields are determined by radiation and temperature regimes and water availability for a specific input level. The attainable percentage of crop yields is higher for high-input level, closing crop yield gaps, compare to that for low-input level. This is because improved pest management can reduce agro-climatic constraints related to yield losses due to pests, diseases, and weeds. We estimated the difference between the agro-climatic constraints for low and high input levels. The differences were calculated for crops in the two major crop groups (cereals and roots-tubers) and averaged with weights based on harvested area. In the year 2000, these two crop groups combined contributed around 80% of the total crop calorie production. By this, we identified regions where agro-climatic constraints could be attenuated by shifting from low to high input farming based on the weighted difference between agro-climatic constraints larger than 5% (Fig 1 and S2 Text).

As the second factor, we identified regions where crop production is hampered by soil quality constraints. GAEZv3.0 differentiates seven soil qualities and classifies them into four spatially explicit categories: no or slight, moderate, severe, and very severe constraints. Among them, constraints related to three soil qualities (rooting conditions, excess salt, and toxicity) are difficult to overcome using high inputs. Moreover, nutrient availability is an essential soil quality to attain high yields and is assessed separately as described in the next section. Hence, we identified regions where constraints related to one or more of the remaining three soil qualities (nutrient retention capacity, soil drainage, and soil workability) are moderate to very severe. These are the regions where crop yields can be increased by soil and land management that improves the soil qualities.

Next, we attempted to capture socioeconomic factors playing important roles in closing yield gaps based on two indicators: yield variability and travel time to the nearest market. The yield variability due to weather conditions may make farmers reluctant to take risks in terms of input applications without which crop yield increments are difficult [34]. GAEZv3.0 provides data on the coefficient of variation of agro-climatically attainable yields for the baseline period of 1961–1990 [26]. We used this data for crops in two crop groups (cereals and roots-tubers) to estimate the weighted yield variations based on irrigated and rain-fed harvested area, and identified regions with overall year-to-year yield variations larger than 20% (S2 Text).

Travel time to the nearest market is an important factor in enhancing agricultural productivity as it determines farmers’ accessibility to inputs and influences market approachability for selling agricultural products. Consequently, we used spatially explicit accessibility data presenting travel time to the nearest market with a population of around 50,000 [26] to identify regions with a connecting time longer than 6 hours to markets. We used the traveling time of 6 hours as threshold because the numbers of smaller cities and towns decreases subsequently with increase in the travel time beyond 6 hours [35].

We integrated the information from the four constraints (agro-climate constraints, soil quantity constraints, weather induced yield variability, and market accessibility) by identifying regions with similar dominant constraints. For each combination of dominant constraints, we identified management strategies needed to tackle the prevailing single or multiple constraints (Fig 1 and S2 Text). These management strategies are a novel approach to overcome and reduce yield gaps considering the biophysical and socioeconomic factors that have an impact on crop yields. For attaining high-input yields, implementation of these strategies is needed in addition to application of adequate nutrients and use of high yielding crop varieties. Moreover, we estimated additional crop calories that can be produced by implementing these strategies based on the differences between the current and the high-input potential crop calorie production.

Required Nutrients

Nutrient management plays a crucial role in closing yield gaps [10]. To obtain crop yields constantly above the low-input levels, fertilizer application is needed in addition to natural nutrient regeneration. Hence, we quantified the amount of fertilizers required to attain high-input potential crop yields considering differences in crop production under low and high input levels. As nutrients absorbed by crops are stored in crop products (e.g., grain) and residues (e.g., straw), we considered differences between yields and residues of the 16 crop types from GAEZv3.0 for high and low input levels, also accounting for fallow period requirements. GAEZv3.0 provides crop specific fallow period requirements for high and low input levels by crop group, by soil type and by climatic condition. A low-input farming system requires a longer fallow period for natural nutrient regeneration that is substituted by fertilizer application in high-input agriculture, shortening the fallow period requirement. We calculated residue for a crop type based on its yield and harvest index [26]. Afterwards, we estimated the amount of additional crop nutrient uptake in crop yields and residues while attaining high-input potential yields. For this, we multiplied the crop harvested area by the differences in crop yields and residues between low and high input levels, and by the crop specific nutrients uptake in yield and in residue, respectively (S1 Table). We assumed that both crop products and residues are removed from the fields. Hence, nutrient removal that has to be replenished by fertilizers (organic or chemical), is equal to the total nutrient uptake in yields and residues. Since fertilizers applied to crops may get lost due to leaching and volatilization, the total fertilizers required also varies depending on fertilizer application efficiencies. By this, we estimated the quantities of three macro-nutrients required (N, P2O5, and K2O) to achieve the potential high-input yields (see S3 Text) assuming that micro nutrient constraints are tackled in fertilizer specific nutrient compositions.


5 CONCLUSION

Here, we showed that climate patterns, specifically spring precipitation and average summer and winter temperatures, were key drivers of interannual and spatial variation in abundance of wild bees in temperate ecosystems. In the Northeast USA, past trends and future predictions show a changing climate with warmer winters, more intense precipitation in winter and spring, and longer growing seasons with higher maximum temperatures (Easterling et al., 2017 Lynch et al., 2016 Thibeault & Seth, 2014 ). In almost all our analyses, these conditions were associated with lower abundance of wild bees. Wild-bee richness results were more mixed, including neutral and positive relationships with temperature and precipitation patterns predicted to increase in the future. In the Northeast USA, combined with continued urbanization, changing climate imposes a significant threat to wild-bee communities.

The relationship between climate conditions and wild-bee abundance and richness deserves more research attention. We especially recommend research to elucidate the mechanisms underlying these variable relationships and implications for fluctuating wild-bee abundance for pollination service provisioning. A more mechanistic understanding of direct and indirect effects of temperature and precipitation on wild bees, and how these interact with land use, is crucial to inform climate-resilient conservation of bee populations. By including climate variables, landscape pollination models and decision-support tools would likely more accurately predict interannual variation in wild-bee abundance and effects on pollination services for crops and wild-plant communities.


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