原始研究的文章

前面。阿格龙。,01 December 2022
秒。农业生态的种植制度
卷4 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fagro.2022.999960

保护性农业系统的多准则评估

Guillaume Adeux^__

美Guinet ^__

埃默里克库森

莎拉Lecaulle

尼古拉斯Munier-Jolain ^__

Stephane Cordeau ^{__ *}

Agroecologie INRAE,农业研究所,大学勃艮地,大学勃艮地什孔泰,法国第戎

保护性农业(CA)依赖于三个基本和不可分割的支柱:没有土壤扰动,多元化的作物轮作,永久的土壤覆盖层。然而,很少有研究评估的互动效应这三个基本支柱多准则的基础上。在这里,我们从法国AGROSYST动员数据数据库,收集所有3000个农场的农业实践和表演参与法国DEPHY农民的网络。线性混合效应模型被用来比较的性能指标(13)CA (CAs, N = 36)和pseudo-CA系统(N = 19日,pseudo-CAs允许一个偶尔的肤浅的耕作)传统耕作(犁,CTs, N = 135)和表面基于耕作(STs, N = 90)的系统在生产类似的情况下(气候、土壤类型、牲畜或灌溉,等等)。CAs(分别相比,STs和CTs)需要更多的除草剂(+ 27 + 90%),但略低于杀虫剂非标准(-50%和-64),减少时间的牵引/公顷/年(-25 -32%),燃料消耗(-21 -39%),以及机械化成本(-26%和-20),往往稍微降低盈利能力/公顷(7 -19%,非重要)由于效率略低(-19%和-25%),但导致更好的盈利能力每小时字段牵引(+ 23%和+ 18%)。Pseudo-CAs没有实现三个CA原则尽可能多样化和覆盖作物轮作以来频繁的STs和CTs,耕作发生,尽管很少。然而,pseudo-CAs少用杀虫剂(STs和CTs,相比-92年和-83%),降低燃料消耗CTs相比(-25%),导致类似的生产力和经济利润(每公顷和每小时字段牵引)。需要进一步的研究来确定反应的多样性在生产情况下,multi-performance在给定生产情况下的决定因素,并跟踪解决罕见的创新系统优化多个表演和明显的权衡。

1介绍

农业必须迎接挑战的生产在数量和质量,没有有害对环境和人类健康的影响,同时提供适合农民的收入。农业生态系统的目标是达到这些目标通过生物和生态过程的增强动员导致作物生产(Gliessman et al ., 1998;Wezel et al ., 2009)。其中农业生态系统,保护农业(CA)特别重视免耕、永久土壤覆盖,和多样化的作物轮作。这三个支柱的同时植入CA对多个生态系统服务的交付(霍布斯et al ., 2008;夏伯特Sarthou, 2020)。开始在美国在1950年代,在欧洲在1960年代,然后在拉美在1970年代(Derpsch 1998)、水土保持技术迅速发展对CA的发展直接播种机和无选择性的,有效的和廉价的叶面除草剂(氨基三唑、百草枯、草甘膦和glufosinate)。后几十年的发展先锋农民,CA面积增加全球指数(Kassam et al ., 2019),尽管很少有研究多准则的基础上评估其性能,包括环境、经济和社会方面(Craheix et al ., 2016)。根据Kassam et al。(2019)CA的采用增加了,因为农民寻求可持续加强作物生产的新范式。他们还报告,解释采用CA的主要动力继续“需要增加输入要素生产率,产量和总农业产量,改进的可持续性生产和农田,更好的收入,及时性的耕作实践,缓解农业、减少摩擦,和改善生态系统服务,如干净的水,控制水土流失和土地退化,碳封存,清洁大气和恢复退化的农业土地”。虽然一些生态系统服务农民采用CA的目标,他们仍有待评估和量化。科学文献的系统回顾揭示了存在的9个荟萃分析CA系统(即。同时实现三大支柱)比较参考系统——后者是不同的根据研究。这些荟萃分析关注收益率(Rusinamhodzi 2015;Corbeels et al ., 2020;Jat et al ., 2020;帝国et al ., 2021),水分利用效率(Jat et al ., 2020),经济可持续性(Jat et al ., 2020;帝国et al ., 2021)、食品安全(帝国et al ., 2021)、碳封存(Powlson et al ., 2016;Mondal et al ., 2020;董et al ., 2021;Nicoloso和大米,2021年;帝国et al ., 2021),温室气体排放(赵et al ., 2016;Jat et al ., 2020)和土壤质量和肥力(Mondal et al ., 2020;Nicoloso和大米,2021年;帝国et al ., 2021)。他们强调,CA系统的影响对作物生产力和土壤健康(固碳、土壤质量、土壤结构、土壤生物活性)被广泛研究的其他维度的耕作制度的可持续性。

CA系统结合一组不同的耕作方式,这可能会成为系统的成熟(Derrouch et al ., 2020)。停止耕作(初级和二级耕作操作,如耕作、留茬种植,假种子床实践,机械除草,等等)可以减少牵引时间和燃料消耗(西方和Marland, 2002年;安德烈•柯特兹和Madarasz, 2014)。然而,并不是所有的作物都适合直接播种(如。工业甜菜等作物或土豆),仍然要求浅耕的建立(如。起垄),放弃可能对农民造成严重的经济后果。此外,三大支柱的CA的实现,特别是停止耕作可以有负面影响对作物生产力(Pittelkow et al ., 2015),至少在短期内,当经济作物播种日期/率、受精,除草剂不优化未耕种的土壤条件(El-Gizawy 2009)。然而,CA系统的相对性能,tillage-based系统相比,不同生产情况的研究也报道积极的对农作物产量的影响(Scopel et al ., 2013;Jat et al ., 2020)。

此外,CA系统也面临着杂草管理中存在的问题(Derrouch et al ., 2020),它不再受耕作。无杂草的管理工具比tillage-based更有限的CA系统,这通常反映在除草剂使用的增加后采用CA (Adeux et al ., 2019;Derrouch et al ., 2020)。免耕预计将减少杂草丰富因为杂草种子保持在土壤表面上,一个条件被认为不利于杂草种子萌发,但这似乎是真的只有一组限制的物种(Cordeau et al ., 2015)。另一方面,通过增强作物肥田可以抑制杂草竞争(Osipitan et al ., 2019;史密斯et al ., 2020)和作物多样化可以减少杂草大量通过多样化的选择压力(韦斯伯格et al ., 2019)。CA的农民常常声称减少杀虫剂使用CA,农作物的多样性,他们解释的旋转和同伴植物的使用限制昆虫损害(Cadoux et al ., 2015)。他们也报告减少杀菌剂使用,可解释为在土壤表面覆盖物的存在。根据Mulumba和拉尔(2008),覆盖物增加18 - 35%的土壤含水量和土壤水分保留从29日至70%,条件视为加强真菌的生长和孢子萌发。然而,覆盖物还可以防止土壤颗粒被溅在作物降水发生时(McCalla和军队,1961年),因此限制了培养液的飞溅传播负责初始污染(蒂斯代尔et al ., 2002)。

大量研究量化的影响的三大支柱之一,如。对土壤属性(Blanco-Canqui Wortmann, 2020)、碳封存(Powlson et al ., 2014),温室气体排放(Rochette 2008),地下的多样性和活动(Rincon-Florez et al ., 2016)或农作物产量(Pittelkow et al ., 2015;Jat et al ., 2020)。一些研究评估了种植制度当保护性农业组件实践实施单独或同时(Craheix et al ., 2016;Jat et al ., 2020)。然而,很少有研究评估,在多标准的基础上,CA系统同时实现三个基本支柱,(Craheix et al ., 2016;夏伯特Sarthou, 2020;Jat et al ., 2020)当他们组合成一个真正的CA系统(Reicosky 2015;粮农组织2021)。使用德文多标准评价工具的一项研究显示,减少耕作倾向于减少耕作制度的整体性能,除非它是结合作物多样化(Craheix et al ., 2016)。这些结果表明,CA必须看到,共同研究和量化系统,同时实现了三大支柱(Reicosky 2015)。最近的一项研究直播系统相比传统(CA)——和减少耕作系统,得出结论,尽管高可变性的表达生态系统服务,提供生态系统服务在CA仍然很高,转换开车以来的许多服务(夏伯特Sarthou, 2020)。转换开车以来表现因为之前花时间寻找自己的本地农民适应实践的框架内CA和它的三大支柱(Derrouch et al ., 2020)。例如,是需要时间适应的轮作(经济作物,同伴作物,覆盖作物,间作,relay-cropping,等等),并严格停止耕作,这可能导致偶尔浅耕操作。此外,它并不排除CA农民可能面临高害虫压力如蛞蝓(Scaccini et al ., 2020),田鼠(Ruscoe et al ., 2022)和/或杂草(Derrouch et al ., 2021),迫使它们包含这些问题偶尔浅耕操作,以下称为pseudo-CA。因此,CA和pseudo-CA系统的表现,相对于参考系统,依靠传统的(即。耕作)或肤浅的耕作在同一生产环境和从多目标的角度看,仍不清楚。

本研究的目的是评估经济和环境表现的CA和pseudo-CA系统,使用数据从法国DEPHY农场网络,网络设置在2010年代初,由3000名志愿者激励农民减少农药(Lechenet et al ., 2016;Lechenet et al ., 2017 b他们收入),尽管没有负面影响。详细描述的基础上,农民种植制度,我们确定了36 CA 19 pseudo-CA系统(分别命名为以后CAs和pseudo-CAs)和评估他们的multiperformance(13个指标)。他们与传统相比——和肤浅tillage-based系统(分别命名以下CTs和STs)位于相同的生产情况(定义为类似的气候、土壤类型特点和牲畜或灌溉)的存在。

2材料和方法

2.1 DEPHY网络和可用的数据

DEPHY农场网络成立于2010年ECOPHYTO国家行动计划的一部分。两年后,网络收集1900个农场和一个新的扩展阶段在2016年可以达到3000农场,一半以上由耕地作物或耕地作物和牲畜。网络是由志愿动机是农民减少农药的使用,虽然没有负面的经济后果。的网络结构组10到15农场,地理上接近对方,由作物顾问帮助农民在重新设计他们的害虫管理策略。农业实践监控和聚集在AGROSYST数据库(Ancelet et al ., 2014),包括每个作物轮作和详细的实践中实现。农业实践的描述是在情节层面完成与多个情节每种植制度和农场,或者以更综合的方式。对于后者,轮作的描述和管理实践相关的每个组件代表平均几块(对于一个给定的年或跨多个年),通过农民的问卷调查。这样的描述是因此应该将时间和空间变化的农业实践。

对于这个工作,数据来源都是使用(即。情节和合成描述)”来形容种植制度(见细节补充表S1,S2),计算多个性能指标在耕作制度层面,因此考虑的所有情节耕作制度不管数据源——情节或合成描述——因此避免任何偏见由于数据源计算指标。指标的计算是在三年内完成平和潜在的年际变化由于气候条件。在罕见的情况下,种植制度与某一年收集的数据描述,但多个字段描述,以确保整个种植系统的描述(即。6领域某一年6旋转来描述)。此外,中科院和pseudo-CAs比较参考CTs和STs(见2.3节)在同一时间框架(尽我们最大的能力,看细节补充表S1,S2和2.3节的末尾),因为每年天气条件影响害虫压力和农作物产量。

2.2 CA和pseudo-CA系统的识别

初步分析耕作实践确定36严格免耕种植制度(CAs),即。连续三年没有任何耕作干预在所有相应的情节,和19种植制度没有深耕干预和最大一个浅耕作(即。< 10厘米深度)干预/情节(或一组块合成描述)每年在三年内(pseudo-CAs)。滚动干预(无论哪一类型的辊)并不认为是耕作干预措施。当种植制度描述时间超过3年,在耕作的策略是确定没有变化,只保留最近的三年分析,为了最大化的机会描述系统,通过了最初的过渡阶段,在这期间众所周知不是最佳实践(Derrouch et al ., 2020)。

CAs识别主要是位于熟知区域要数普瓦图-夏朗德大中心,勃艮地什孔泰和洛林,即。主要的地区浅钙质粘土土壤和有限的产量潜力(Schauberger et al ., 2018;Schils et al ., 2018),和一些系统在巴黎盆地的深层土壤,诺曼底和西南部(图1)。Pseudo-CAs在同一个地区,外加三个系统在法国的东南部。这些系统是位于法国的主要耕地地区CA在哪里练习(劳伦特,2015)。

图1

图1地理位置的保护性农业(CAs, N = 36), pseudo-CAs (N = 19),及其参考常规耕作(CTs, N = 135)和表面基于耕作(STs, N = 90)的系统,都是法国DEPHY农场网络的一部分。

2.3参考系统的识别

为了优化系统的比较相似的生产情况(即。pedo-climatic和经济约束,超越农民的战略决策),参考CTs和STs搜索根据以下规则:

——类似的气候:对于每个CAs或pseudo-CAs,我们寻找CTs和STs地理50公里半径内。这条规则不仅确保了系统在相当类似的气候相比,即使是知道降雨更本地化,同时最大化的概率相同的社会技术环境(如。接近一个糖工厂或其他行业提供媒体对特定作物:甜菜、蔬菜,等等)。

——类似的土壤类型:土壤类型信息了解甚少在AGROSYST数据库中,我们近似土壤类型的每个系统的基础上,法国土壤地图(Inra 2018)。这个法国土壤数据库表明土壤类型单位(STU),可以映射。相交的地理位置系统和土壤在GIS的地图工具,我们分配给每个种植制度最常见的土壤类型的城市农场所在地。只有CTs和STs分享相似的土壤类型与每个焦点CAs或pseudo-CAs保留(在先前建立的50公里半径)。

——相似年:同样的三年是用来描述重点CAs和pseudo-CAs及其参考CTs和STs(尽我们最大的能力,看细节补充表S1,S2),最大化的机会,气候条件和害虫的压力是相同的。

——在农场牲畜的存在很大程度上决定了实践(Lechenet et al ., 2016)、中科院重点和pseudo-CAs只有与CTs和STs类似农业上下文(谷物或谷物/牲畜混合农业)。

——访问灌溉是主要的驱动程序的性能(如。提高生产率和/或生产成本,可能种植某些作物),只有CTs和STs类似访问灌溉(yes / no)重点CAs或pseudo-CAs保留。

在可能的情况下,即。CTs或STs > 6数量相同的中科院重点生产情况或pseudo-CAs,基于距离的第二个过滤器只应用为了保持六个最亲密的CTs和STs会议之前所有其他条件。

这些上下文变量的基础上,我们确定集群的种植制度共享相同的生产情况,每个集群是由中科院重点或pseudo-CAs及其参考CTs和STs (即。类似的气候、土壤类型、时间框架的描述,牲畜的背景下,访问灌溉)。在一些罕见的情况下,中科院或pseudo-CAs地理位置相近,因此相比,相同的CTs和STs。每个“集群”因此由一到两个CAs(集群2 ca的数量= 3)或pseudo-CAs(集群数量2 pseudo-CAs = 1),从0到6参考CTs(平均3.3的比较与中科院和3.7比较pseudo-CAs)和从0到6 STs(平均1.8的比较与中科院和1.9比较pseudo-CAs)。因此,总共36个CAs或19 pseudo-CAs总共135 CTs和90 STs相比,分成33和18集群CAs和pseudo-CAs分别(补充表1,2)。统计分析(参见下面的细节)允许我们来区分“集群效应”(即。影响土壤、气候和社会技术环境)的影响农业战略(即。CTs, STs,中科院和pseudo-CAs)每个指标考虑。

子数据集包括只种植制度描述在给定集群也是常见的年创建探索的结果是否合理的参考作物体系描述在一个稍微不同的时间段。

2.4种植系统的性能指标

从AGROSYST数据库中提取数据,它提供了信息对作物的身份和他们的继承顺序,序列相关的干预措施对每个作物(从收获了先前研究作物的收获),设备,输入(农药、化肥、种子、灌溉等),日期和剂量的应用程序,和作物产量。然后,AGROSYST自动计算几个性能指标。在这项研究中,我们专注于两种类型的指标:

——指标,旨在验证是否CA和pseudo-CA系统,最初确定基于耕作策略,实际实现的其他两个支柱,即。作物多样化和永久土壤覆盖。为每个系统(CAs, pseudo-CAs CTs, STs),我们计算不同作物的数量的旋转(两种作物种植和收获的一年一个接一个被算作2)和夏季休耕的频率覆盖作物。种植制度通过情节的方法描述时,这两个指标计算的平均描述过去三年的监测和阴谋。当阴谋的数量:年还不到9 (即。每年少于3块描述),这些指标并不计算。

——技术经济和环境绩效指标,计算规模种植制度(平均每个组件的轮作)。计算出的指标AGROSYST是:

(TFI治疗频率指数,平均每公顷(推荐剂量的剂量Gravesen 2003),其不同的组件:总TFI(包括种子处理),Herbicide-TFI, Fungicide-TFI Insecticide-TFI。评估是常用的在欧洲种植制度依赖农药(经合组织,2001年;Strehlow et al ., 2020)。参考剂量的农药应用在整个情节表面产生一个值为1。AGROSYST计算TFI使用两种不同的方法:TFI参考剂量的“作物”被定义为每个商业产品和作物,与TFI“目标害虫“参考剂量定义为每个商业产品的组合,作物和害虫的目标。例如,草甘膦是一个认可的活性成分出现在许多除草剂剂量取决于目标杂草(年度或多年生杂草物种)。之间的皮尔逊积矩相关TFI造成这两种方法进行测试(补充表S3)。此外,除草剂TFI分区成草甘膦TFI和没有草甘膦除草剂TFI,法国E-Phy使用开放数据库目录的植物保护产品(答,2021)来量化系统的依赖这个活跃的化合物(anty et al ., 2020)。

机械化的工作时间(h /公顷/年),计算了AGROSYST使用国家参考数据库(沃尔特2020),根据工作效率的工具用于机械化干预中列出给定的种植制度,占联合作战。

燃料消耗(L /公顷/年),计算了AGROSYST使用国家参考数据库(沃尔特2020),设备的工作效率的函数,而且牵引力和负载率,根据推荐的方法APCA——此类d 'Agriculture法国(2020)。

经济指标也计算:生产总值(€/公顷/年),运营成本(€/公顷/年),机械化成本(€/公顷/年),semi-net保证金(€/公顷/年计算,生产总值-运营成本机械化成本)和semi-net保证金每小时的牵引(€/ h /公顷/年)。农作物产量相比基于冬小麦籽粒产量(吨/公顷)冬小麦作物共享了绝大多数的种植制度。这些指标的计算是通过AGROSYST 10的基础上价格场景反映价格波动(农产品、化肥和燃料)在2005年和2017年之间。指标计算,然后平均价格为每一个场景,这使得它可以比较种植制度的经济表现没有相同的多年的特点。

2.5统计分析

所有响应变量分别介绍分析了以上四个数据集(CAs pseudo-CAs,完整数据集或子数据集包括种植制度描述在相同的时间内集群)与线性混合模型,使用lme()函数R包{nlme} (ibsen Pinheiro et al ., 2017)。这些模型集成一个固定部分(农业战略,一个三级因素,即。CAs / CTs / STs或pseudo-CAs / CTs / STs)和一个随机的部分占数据的结构(集群效应占生产情况效果)。这个过程相当于概括配对t检验(内部集群比较)两组,每个组合与数据集群:农业战略集群级别的平均。

占内在变异性表现在每个农业战略和满足方差分析的先决条件之一(即。残差的方差齐性)、方差结构是在需要时添加到模型(ibsen Pinheiro和贝茨,2006年;Zuur et al ., 2009)。模型与农业战略一样固定因素和集群随机效果,只有通过不同的方差结构(包含或不即。= ~ 1重量= varIdent(形式| farming_strategy)),进行了比较通过似然比检验。最可能的模型保留,re-fitted限制极大似然,然后被一个方差分析为了测试农业战略的固定效应(野生)。

对比农业战略调整使用{emmeans}包(披散下来,2019)。农业的边际效应的策略是强调通过最小二乘方法。确定系数(R²),显示的比例方差的统计模型,提出作为一种诊断工具。对于混合模型,它分为R²m(方差的比例用固定效应来解释,农业策略),和R²c(比例的方差解释为整个模型,固定+随机效应)。所有的变量(频率和semi-net间作保证金除外)日志转换。

3的结果

3.1多准则CA系统的性能

3.1.1遵守CA支柱

5.1作物的平均旋转(表1;图2),中科院多元化明显多于他们参考CTs STs(4.3)或(4.4)。然而,只有CAs的区别和CTs仍然重要的子数据集包括常见的年时使用(补充表S4)。休耕的频率覆盖作物在中科院也显著大于在参考系统(表1;图2)。只专注于子数据集包括农业普遍年取得了类似的排名策略但没有明显的农业战略效应或治疗之间的显著差异显示(补充表S4)。总的来说,严格的免耕是伴随着其他的实现两个CA支柱(表1),即。作物多样化和土壤覆盖,虽然一些系统偏离这个趋势,用更少的作物和/或覆盖作物比CTs和STs的集群(图2)。

表1

表1保护性农业系统之间的比较指标(CAs)及其参考传统耕作制(CTs)和表面基于耕作(STs)的系统,而占生产情况的影响。

图2

图2分布之间的差异响应变量保护性农业系统(CAs)及其参考传统耕作制(CTs、蓝箱线图)和肤浅的耕作(STs,绿色箱线图)系统为基础:作物的数量(一)和休耕的频率覆盖作物(B)。灰色圆点代表系统之间的个体差异。黑点代表每个集群的平均差异。红色恒星显示ca之间的显著差异及其参考系统(CTs或STs) p < 0.05,集群占生产情况作为一个随机效应模型中(见细节表1)。

3.1.2杀虫剂的使用

结果非常相似的TFI是否计算使用“作物”或“目标害虫”方法(见表1对于价值观”目标害虫”,补充表S5值“作物”方法,补充表3这两种方法之间的相关性)。总TFI (图3中科院)没有不同于STs,但较高的(显著差异,+ 52%的目标害虫的TFI方法)比CTs (表1)。然而,只有CAs的区别和CTs仍然显著时只关注子数据集包括常见的年(补充表S4)。区别主要是解释为除草剂使用CAs高于CTs(+ 0.9除草剂TFI点,+ 90%,表1和图3)和STs(+ 0.4除草剂TFI点,+ 27%,只有在整个数据集的情况下,补充表S4)。一些除草剂CAs采取低于STs(2除草剂TFI点)和CTs(-0.8除草剂TFI分)相同的集群。中科院更多依赖使用草甘膦(0.26草甘膦TFI点,表1比STs和CTs),但草甘膦使用整体低(图3)。没有草甘膦除草剂TFI相似在中科院和STs但高于CTs (表1和图3)。然而,只有CAs的区别和CTs仍然显著时只关注子数据集包括常见的年(补充表S4)。有一个趋势降低杀虫剂中使用CAs (图3)相比,STs(-64%)和CTs(-50%),但差异不显著(表1)。杀菌剂使用三种类型的系统之间的相似(表1和图3)。

图3

图3农药的使用在保护农业(CAs)。分布之间的差异响应变量保护性农业系统(CAs)及其参考传统耕作制(CTs、蓝箱线图)和肤浅的耕作(STs,绿色箱线图)系统为基础:总治疗频率指数(TFI包括种子的治疗方法,一个),杀菌剂TFI(B)、杀虫剂TFI(C)、除草剂TFI(D)、glyphosate-based除草剂TFI(E),没有草甘膦除草剂TFI(F)。TFI的计算”的害虫目标”的方法。灰色圆点代表系统之间的个体差异。黑点代表每个集群的平均差异。红色恒星显示ca之间的显著差异及其参考系统(CTs或STs) p < 0.05。集群作为一个随机效应的统计模型占生产情况的影响(见细节表1)。

3.1.3技术和经济指标

分别用3 h /公顷/年和57 L /公顷/年平均(表1)、牵引时间和油耗明显降低CAs相比STs(分别为-21%和-25)和CTs(-39%和-32,分别图4)。然而,中科院和STs之间的差异不太明显的对于这两个变量时只关注子数据集包括常见的年(补充表S4)。生产总值是中科院的19%和25%显著低于在STs和CTs,分别为(表1和图4)。只专注于子数据集包括农业普遍年取得了类似的排名策略但没有明显的农业战略效应或治疗之间的显著差异显示(补充表S4)。毛利率较低部分补偿通过显著降低机械化成本相比,中科院STs(-20%,只有在整个数据集的情况下,表1和图4)和CTs (-36%)。然而,成本更低的机械化产品总值的足以弥补损失,semi-net保证金没有差别(表1)之间的策略(图4)。中科院的冬小麦生产力是低于STs(-13%)和CTs(-11%),表明减少生产总值一方面是由于减少一些作物的产量(表1)。每小时semi-net保证金的机械化工作的三种策略没有显著差异(表1和图4中科院)尽管明显的优势在STs(+ 52%)和CTs (+ 42%)。

图4

图4保护性农业系统的技术和经济性能(CAs)。分布CAs和他们之间的差异响应变量引用传统耕作制(CTs、蓝箱线图)和肤浅的耕作机械化(基于STs,绿色箱线图)系统工作时间(h /公顷/年,一个),生产总值(€/公顷/年,B)、机械化成本(€/公顷/年,C),运营成本(€/公顷/年,D),燃料消耗(L /公顷/年,E),semi-net保证金(€/公顷/年,F每小时)和semi-net保证金的字段牵引(€/ h /公顷/年,G)。灰色圆点代表系统之间的个体差异。黑点代表每个集群的平均差异。红色恒星显示ca之间的显著差异及其参考系统(CTs或STs) p < 0.05。集群作为一个随机效应的统计模型占生产情况的影响(见细节表1)。

3.2多准则pseudo-CA系统的性能

3.2.1遵守CA支柱

Pseudo-CAs没有采取一个更加多样化的作物轮作比引用系统(表2和图5)。休耕的频率覆盖作物在pseudo-CAs高于参考系统,但是这些差异又不显著(表2和图5)。因此,pseudo-CAs倾向于实现的两个支柱CA但是差异与CTs和STs同行并不明确与CAs(3.1.1节)。

表2

表2pseudo-conservation农业系统之间的比较指标(pseudo-CAs)及其参考传统耕作制(CTs)和表面基于耕作(STs)的系统,而占生产情况的影响。

图5

图5分布之间的差异响应变量pseudo-conservation农业系统(pseudo-CAs)及其参考传统耕作制(CTs、蓝箱线图)和肤浅的耕作(STs,绿色箱线图)系统为基础:作物的数量(一)和夏季休耕的频率覆盖作物(B)。灰色圆点代表系统之间的个体差异。黑点代表每个集群的平均差异。红色恒星显示显著差异pseudo-CAs及其参考系统(CTs或STs) p < 0.05,集群占生产情况作为一个随机效应模型中(见细节表2)。

3.2.2杀虫剂的使用

总的来说,除草剂和杀虫剂之间使用不同的农业战略但pseudo-CAs显示显著差异与参考系统只用于杀虫剂(STs和CTs,相比-91年和-80%表2和图6)。作为中科院的观察,结果非常相似的使用与TFI TFI计算时在作物和害虫目标的方法(见表2“害虫目标”的价值观,补充表S5“在农作物价值观”,补充表3这两种方法之间的相关性)。总TFI pseudo-CAs (图6)是介于STs(最高)和CTs(最低),但没有明显不同(表2)。然而,只专注于子数据集包括常见的年收益率只STs和CTs之间的显著差异(补充表S6)。的差异又主要是由于除草剂(表2和图6),与除草剂TFI pseudo-CAs在STs(-7%)低于和高于CTs(+ 40%),但没有观察到显著差异。然而,只专注于子数据集包括常见的年除草剂用于pseudo-CAs和STs显示显著高于在CTs (补充表S6)。Pseudo-CAs和STs同样依赖草甘膦的使用不仅CTs,虽然草甘膦使用整体低(表2和图6)。有趣的是,没有草甘膦除草剂TFI中科院与CTs STs或没有明显不同,虽然是中科院的情况下分别高和低。(表2和图6)。明显高于没有草甘膦除草剂TFI pseudo-CAs和STs CTs时却发现只专注于子数据集包括常见的年(补充表S6)。杀虫剂TFI (图6)在pseudo-CAs极低,接近0,显著低于参考系统(表2)。杀菌剂TFI是0.3,而不是农业战略之间明显不同(表2,图6)。重点突出显示的子数据集包括常见的年pseudo-CAs和CTs(之间的显著差异补充表S6)。

图6

图6农药的使用在pseudo-conservation农业(pseudo-CAs)。分布之间的差异响应变量pseudo-CAs及其参考传统耕作制(CTs、蓝箱线图)和肤浅的耕作(STs,绿色箱线图)系统为基础:总治疗频率指数(TFI包括种子的治疗方法,(一),杀菌剂TFI(B)、杀虫剂TFI(C)、除草剂TFI(D)、glyphosate-based除草剂TFI(E),没有草甘膦除草剂TFI(F)。TFI的计算”的害虫目标”的方法。灰色圆点代表系统之间的个体差异。黑点代表每个集群的平均差异。红色恒星显示显著差异pseudo-CAs及其参考系统(CTs或STs) p < 0.05,集群占生产情况作为一个随机效应模型中(见细节表2)。

3.2.3技术和经济指标

没有区别pseudo-CAs和STs的任何technico-economic指标研究(表2)。然而,燃料消耗在pseudo-CAs(-25%)和STs(-17%)明显低于CTs (表2和图7)。只有pseudo-CAs之间的区别和CTs仍显著时只关注子数据集包括常见的年(补充表S6)。生产总值,冬小麦产量、运营成本和semi-net保证金(每小时的机械化工作)不随农业战略,全面以及减少数据集(表2;图7和补充表S6)。

图7

图7pseudo-conservation农业系统的技术和经济性能(pseudo-CAs)。分布之间的差异响应变量pseudo-CAs及其参考传统耕作制(CTs、蓝箱线图)和肤浅的耕作机械化(基于STs,绿色箱线图)系统工作时间(h /公顷/年,一个),生产总值(€/公顷/年,B)、机械化成本(€/公顷/年,C),运营成本(€/公顷/年,D),燃料消耗(L /公顷/年,E),semi-net保证金(€/公顷/年,F每小时)和semi-net保证金的字段牵引(€/ h /公顷/年,G)。灰色圆点代表系统之间的个体差异。黑点代表每个集群的平均差异。红色恒星显示显著差异pseudo-CA及其参考系统(CTs或STs) p < 0.05。集群中计入随机效应模型中,集群占生产情况作为一个随机效应模型中(见细节表2)。

4讨论

4.1多准则的CA和pseudo-CA

研究证实和量化假设经常对CA,通常支持农民的观察。我们的研究是原始的罕见的研究评估CA基于表演在法国进行的多个指标(Craheix et al ., 2016;夏伯特Sarthou, 2020)。的确,Craheix et al。(2016)包括系统实施中偶尔的肤浅的耕作CA的定义,我们在这里描述如下pseudo-CA耕作类型的分类Reicosky (2015)。此外,Craheix et al。(2016)基于耕作,识别和分类系统的策略,因为我们做了,但没有检查的实施第三支柱,即。永久的土壤覆盖,通常被认为是由先锋作为第一个系统中实现。相反Craheix et al。(2016),这表明,作物轮作在CA帮助控制杂草但不是害虫和疾病,我们的结果表明,CA采取更多的除草剂,杀虫剂glyphosate-based与否,但略低于参考表面(STs)和传统的基于(CTs)耕作的系统。耕作,甚至肤浅的,仍然是一个主要杂草管理工具,虽然它显示的缺点刺激新军团毁灭后的初始社区(蒂斯代尔et al ., 1991;Cordeau et al ., 2017)。这可以解释为什么基于non-glyphosate除草剂TFI相似在中科院和STs和略高(尽管不明显)在STs pseudo-CAs在我们的研究中。然而,中科院更多的依赖比STs和CTs草甘膦,因为即使在免耕,常年甚至年度杂草仍出现和维持种群随时间(Trichard et al ., 2013),仍然是一个主要关注对CA农民(Derrouch et al ., 2020)。总的来说,glyphosate-based除草剂的使用很低(即。0.26和0.13为中科院和pseudo-CAs TFI分,分别),对应于一个参考剂量应用每四年或第四个参考剂量的应用每年对所有块给定中科院的耕作制度。

我们的研究结果还表明,停止耕作在CA允许减少牵引/公顷/年,燃料消耗,以及机械化成本。它往往会稍微降低盈利能力每公顷(由于效率略低),也观察到在全球范围内(Pittelkow et al ., 2015)。然而,排名系统扭转时的专注于盈利能力每小时的牵引。CA是每小时的盈利领域牵引其他系统。CA是一种创新的农业,与一些传统的农业支柱,因此需要训练,野外观察,一个新组织的工作时间,更深度的选择种子和供应商、种子管理股票,等等,这不是占场牵引时间。

这些结论画一般课程基于平均跨不同的生产情况,但面具农业战略之间的相互作用的多样性和集群(“独特”的生产情况)。有时候在我们观察更多的营养特性的教训(Verret et al ., 2020;Salembier et al ., 2021)。例如,我们的结果表明,几个中科院使用除草剂(除草剂TFI)低于参考CTs和STs位于相同的生产情况。我们假设特定元素的生产情况(地区,土壤类型、市场出口)和/或初始害虫压力的差异可以解释跨集群响应的变化大,但认为数据集不是旨在调查这些假设与其他研究相比如。看到Lechenet et al . (2017)]。例如,停止耕作表示强烈扰动生态栖息地的杂草,只有经过一些研究过渡阶段估计5 - 6年,杂草管理成为最佳,当CA农民优化他们的选择的作物和覆盖作物(Derrouch et al ., 2020)。最后,它是可能的,经济利润每公顷每小时的工作(和/或)更有利的中科院在中间生产力较低的地区,在浅clay-limestone土壤产量潜力有限。我们分析了冬小麦生产力为中科院低于参考系统在相同的生产情况,如图所示Pittelkow et al。(2015),可以部分解释为什么总产品在中科院较低。然而,这个结论不能吸引所有作物生产情况,深入分析了集群之间的差异,即。生产情况,将允许验证这一假说,但需要更大的数据集(Munier-Jolain Lechenet, 2020)。

4.2探索大数据集的值

中科院和pseudo-CAs最初选择根据他们的耕作策略(免耕在中科院和不到一个肤浅的耕作在3年期间每年pseudo-CAs)。然而,我们的分析表明,中科院,pseudo-CAs相反,实现作物多样化和土壤覆盖的原则,两个CA的三大支柱(Reicosky 2015;Kassam et al ., 2019;粮农组织2021),通常被认为是与第一个在产品化阶段(实现Derrouch et al ., 2020)。Pseudo-CAs没有实现三个CA原则尽可能多样化和覆盖作物轮作以来频繁的STs和CTs,耕作发生,尽管很少。目前的研究再次证明大型数据集记录详细的农业实践的巨大价值实现跨广泛的生产情况(Noack拉森和,2017年;Lechenet et al ., 2017 a;Munier-Jolain Lechenet, 2020)。他们的分析可以产生原始的农艺知识支持农民的农业生态转型,即。适应实践增加种植制度multi-performance (Munier-Jolain Lechenet, 2020)。这里开发的方法是原始的,不同的数据挖掘方法(车、随机森林)成为常见的大型农业数据集的分析(Tittonell et al ., 2008;威廉姆斯et al ., 2009)。我们研究不同系统之间的性能指标在同一生产情况,参照系统邻近目标CAs和pseudo-CAs。像所有的系统在同一集群共享相同的生产环境(土壤类型、气候类型、技术经济背景下,等等,即。所有元素的上下文所经历的农民和农业战略(不能修改的Lechenet et al ., 2017 a),比较系统的方法允许没有混杂效应的生产情况,确保强调农民的影响策略。

4.3未来研究的方向多准则评估保护农业

不可能在这项研究中提炼分析通过增加可用的指标范围。例如,尽管越来越对这个问题的兴趣(党et al ., 2015;Blanco-Canqui Wortmann, 2020;Cordeau et al ., 2020),使用战略耕作领域实现CA原则多年仍有待评估从一个多准则的角度。Pseudo-CAs要么由表面偶尔耕作的实现战略(种植根甜菜、马铃薯等农作物,这需要耕作)或战术原因(包含害虫问题,如蛞蝓,田鼠和/或杂草)。然而,实现表面耕作后免耕阶段通常被认为是危险的杂草管理自旋转的免耕阶段集中在表层土壤杂草seedbank层(Swanton et al ., 2000),然后浅耕刺激萌发,导致高感染(Cordeau et al ., 2020)。这不是“旋转免耕”的策略,而替代长免耕耕作阶段(米尔斯基et al ., 2013),但其性能广泛的指标,我们在这里做的,仍然未知的(Cordeau et al ., 2020)。

最后,本研究相比,种植制度基于表现在多个情节和年平均。DEPHY农场网络成立于2010年代初,由志愿动机是农民减少农药的使用,虽然没有负面经济后果,因此从事改变耕作方式。因此,表演将改变随着时间的推移优化新的实践针对农民减少农药的使用,即使在CA和pseudo-CA。因此它应该有趣的分析性能的轨迹识别路径允许农民实现multi-performance尽可能快。CA在法国农业仍然是一个新的和不断发展的形式,因为它是在世界范围内,不断创新,已经完全不同于由先锋几十年前它是如何实现的(劳伦特,2015)。确保继续DEPHY农民网络将允许未来的研究深入挖掘性能轨迹,而不是平均移动策略的表现。

5的结论

基于13个指标的分析技术、经济和环保性能,计算280年种植制度实施保护性农业(CAs), pseudo-CAs(实现偶尔浅耕操作),常规耕作(CTs,即。plowing-based)和基于表面的耕作(STs)的策略,我们发现CAs (i)需要更多的除草剂,但略低于杀虫剂,(2)减少牵引/公顷/年,燃料消耗,以及机械化成本,每公顷(iii)往往略降低盈利能力(由于效率略低),但类似的盈利能力每小时的牵引。需要进一步分析确定multi-performance的决定因素在一个给定的生产情况和跟踪解决创新系统优化多个表演和明显的权衡,如耕作强度和除草剂使用和/或有限的生产力。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,要求。

作者的贡献

GA、SC NM-J设计研究。SC和NM-J资助了这项研究。GA和DEPHY NM-J要求数据网络。GA、镁、SL和EC编码不同的功能所必需的数据分析。GA准备所有初步和最终执行的数据和分析,帮助毫克。所有作者都参与的解释结果,导致写作的原始版本的手稿和改善后续的。

资金

作者希望承认金融支持Casdar订婚(“保护性农业没有草甘膦杂草管理”),是由法国外交部负责农业和食品(Ministere de l 'Agriculture et de l 'Alimentation),与金融专用账户的贡献“法国农业发展银行等农村”。作者也希望承认金融支持从INRAE ANR PPR具体项目(ANR - 20 - pcpa - 0008)和欧盟的地平线2020根据授权协议(没有研究和创新项目。727321 - IWM赞扬)。

确认

我们感谢DEPHY的农民和农业顾问网络,和感谢(国家DEPHY网络的协调单位)使用网络数据接受我们的要求。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fagro.2022.999960/full补充材料

引用

Adeux G。,Munier-Jolain N。莫尼耶,D。,皮疽病P。,Carlesi S., Barberi P., et al. (2019). Diversified grain-based cropping systems provide long-term weed control while limiting herbicide use and yield losses.阿格龙。维持。Dev。39、42。doi: 10.1007 / s13593 - 019 - 0587 - x