Effect of plant diversity on the production of multi-species cropping systems, case of agroforestry systems in Talamanca, Costa Rica
Effet de la diversité végétale sur la production des systèmes de culture multi-espèces, cas des systèmes agroforestiers de Talamanca, Costa Rica
Résumé
Adding plant diversity is increasingly presented as a mean to improve the sustainability of agrosystems. However, there is still a lack of knowledge on how plant functional diversity alters processes that support production. Because they cover a broad range of plant diversity, agroforestry systems in the tropics are a good case study to better understand the diversity-production relation. Agroforestry systems in the Talamanca region in Costa Rica are particularly interesting because among the cultivated plants they encompass, banana and cacao are two cash crops of major importance and for which production can easily be quantified and analyzed. Another specificity of these systems is that their vertical and horizontal organization is particularly diverse. Understanding how plant diversity and its organization alter the performances of these complex systems is particularly challenging and requires developing new approaches. The objectives of this thesis were to address the following questions: i) Which factors affect the relationship between plant diversity and productivity? ii) How plant diversity influences the global productivity of agroforestry systems? and iii) How the spatial structure of the plant community affects yields?First, a meta-analysis was carried out to address the diversity-production issue among a very broad range of systems world-wide. This analysis focused on how latitude, climate, and canopy structure modify the effect of plant richness on productivity of agricultural and natural ecosystems. It showed that the gain per unit of diversity added decreased as plant richness increased. Our findings also showed that the response of productivity to plant richness largely depends on the type of plants in the community, especially if the community includes trees.Then, we extensively studied the diversity and the productivity of 180 plots located within 20 fields in the Talamanca region. A global evaluation of the productivity of these systems was possible with the estimation of the production of each plant during 1 year. This production was converted into income according to local market prices. While we observed a global positive effect of plant diversity on global income, this effect was contrasted according to the functional group considered (banana, cacao, other fruits, timber, firewood. When considering the functional group separately, there was a positive effect of plant diversity for higher strata groups and a negative effect for lower strata groups. This suggested that complementarity between plants was stronger than competition for those plants occupying the higher strata of the canopy but that competition was stronger than complementarity for plants occupying the lower strata of the canopy.The second part of the analysis of the Talamanca fields dataset focused on the effect of neighbouring plants on the production of banana and cacao plants. An individual-based analysis was developed to determine whether the number of neighbouring plants of a given functional groups explained the potential yield of each banana or cacao plant. We found that the distance at which other plants alters the yield of banana or cacao plants was greater for larger functional groups (fruit or wood trees) than for smaller ones (cacao trees or banana plants). Interestingly, higher strata trees had a smaller effect than lower strata trees, suggesting that moderate densities of tall trees could be compatible with high banana and cacao production. These findings were discussed in terms of complementary and competition with respect to the availability of light at higher and lower strata of the canopy. On an applied perspective, our results suggest that productivity could be maximized by a reasonably number of plant species, and then we proposed new direction to organize fields in order to maximize the production of cash crops while providing supplementary income for farmers and ecosystem services.
L’ajout de diversité végétale est présenté comme un moyen d’améliorer la durabilité des agrosystèmes. Cependant, il y a encore des manques importants de connaissances sur l’effet de la diversité végétale sur les processus à la base de l’élaboration des rendements. Les systèmes agroforestiers tropicaux couvrent une large gamme de diversité végétale ; ce sont donc de bons modèles pour étudier la relation entre diversité et productivité. Les systèmes agroforestiers de la région de Talamanca au Costa Rica sont particulièrement intéressants car au sein de communautés végétales complexes, ils comprennent des bananiers et des cacaoyers qui sont des cultures de rente importantes et dont la production peut facilement être quantifiée et analysée. Une autre spécificité de ces systèmes est qu’ils présentent des organisations spatiales particulièrement diverses. Analyser comment la diversité des plantes et son organisation influe sur les performances de ces systèmes est particulièrement complexe et nécessite le développement de nouvelles approches. Les objectifs de cette thèse étaient d’étudier : i) quels facteurs affectent la relation entre diversité végétale et productivité ? ii) Comment la diversité végétale influence la productivité globale des systèmes agroforestiers ? et iii) Comment la structure spatiales des communautés de plantes cultivées influence leurs rendements ?Tout d’abord, une méta-analyse a été menée afin d’étudier la relation entre diversité végétale et production dans une très large gamme de systèmes naturels et cultivés. Cette analyse a notamment traité du rôle de la latitude, du climat et de la structure de la canopée sur cette relation. Elle a montré que le gain lié à la diversité végétal tend à diminuer avec la magnitude de cette diversité. Nos résultats montrent également que la réponse de la productivité à la richesse spécifique en plantes dépend énormément du type de communauté considéré, notamment si la communauté comprend des arbres.Ensuite, un réseau de 180 placettes situées dans 20 parcelles d’agriculteurs a été étudié dans la région de Talamanca. Pendant un an, la production de chaque plante a été évaluée. Cette production a ensuite été convertie en revenus en accord avec les prix du marché local. Alors qu’un effet positif de la diversité végétale cultivée a été observé sur le revenu globale (de chaque placette), cet effet était très contrasté si on le considérait séparément pour les différents groupes fonctionnels. Cet effet était positif pour les plantes des groupes appartenant aux strates hautes et négatif pour les plantes des groupes appartenant aux strates basses. Ces résultats suggèrent que la complémentarité entre plantes était plus forte pour les plantes des strates hautes et qu’inversement la compétition était plus forte dans les strates plus basses.La seconde phase de l’analyse des données de ce réseau de parcelles a visé à étudier l’effet du voisinage de chaque bananier ou cacaoyer sur leur production. Une approche d’analyse individu-centrée a été développée afin de déterminer si le nombre de voisins d’un groupe donné dans un rayon donné était un bon prédicteur de la croissance ou du rendement de chaque bananier ou cacaoyer. Les résultats montrent que la distance à laquelle la production d’un bananier ou d’un cacaoyer est affectée par ses voisins dépend de la taille de ces. De manière surprenante, les grands arbres ont eu un effet plus faible que les arbres plus petits. Cela suggère que des densités modérées de grands arbres pourraient être compatibles avec une production de bananiers et de cacaoyer avec un haut niveau de rendement. Ces résultats ont été discutés en termes de complémentarité et compétition pour la lumière. Des pistes d’organisation sont proposées et discutées au regard de la maximisation des rendements des cultures de rente et des autres cultures mais aussi dans la provision de services écosystémiques au sens large.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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