Le désherbage mécanique améliore la multifonctionnalité et les bénéfices de l'écosystème dans le palmier à huile industriel

Nature Durabilité (2023)Citer cet article

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Le palmier à huile est la culture oléagineuse la plus productive, mais sa productivité élevée est associée à une gestion conventionnelle (c'est-à-dire à des taux de fertilisation élevés et à l'application d'herbicides), ce qui a des effets néfastes sur l'environnement. À l'aide d'une expérience factorielle à 22, nous avons évalué les effets des taux de fertilisation conventionnels vs réduits (égal aux nutriments éliminés par la récolte des fruits) et des herbicides vs désherbage mécanique sur les fonctions de l'écosystème, la biodiversité et la rentabilité. En analysant plusieurs fonctions écosystémiques, le désherbage mécanique a montré une multifonctionnalité plus élevée que le traitement herbicide, bien que cet effet ait été dissimulé lors de l'évaluation uniquement pour les fonctions individuelles. La biodiversité a également été renforcée, tirée par 33 % d'espèces végétales en plus sous désherbage mécanique. Par rapport à la gestion conventionnelle, la fertilisation réduite et le désherbage mécanique ont augmenté le bénéfice de 12 % et la marge brute relative de 11 % en raison de la réduction des coûts de matériaux, tout en atteignant des rendements similaires. Le désherbage mécanique avec une fertilisation compensatoire réduite dans les plantations de palmiers à huile matures est une option de gestion viable pour améliorer la multifonctionnalité et la biodiversité de l'écosystème et augmenter les bénéfices, offrant des situations gagnant-gagnant.

La production de palmiers à huile s'est de plus en plus développée dans de vastes régions d'Asie du Sud-Est, l'Indonésie étant actuellement le plus grand producteur mondial d'huile de palme1, ce qui coïncide également avec l'augmentation des taux de déforestation dans le pays2. On estime qu'entre 2001 et 2019, les plantations de palmiers à huile étaient responsables de 32 % de la superficie forestière totale perdue en Indonésie3. Malgré les coûts environnementaux élevés, la production de palmiers à huile est très attrayante en raison de ses rendements économiques à court terme et de la demande mondiale croissante de nourriture, de carburant et de cosmétiques4.

On estime actuellement que les plantations industrielles de palmiers à huile (> 50 ha de superficie plantée et détenues par des sociétés5) représentent environ 60 % de la superficie totale cultivée de palmiers à huile en Indonésie6. Par rapport aux petites exploitations agricoles (généralement <50 ha de terres et détenues par des particuliers5), la productivité des plantations industrielles de palmiers à huile est supérieure d'environ 50 %7 mais est largement stimulée par des applications élevées d'engrais et d'herbicides pour optimiser la productivité8 au détriment d'autres processus écosystémiques. Contrairement aux forêts, les plantations industrielles de palmiers à huile ont tendance à être structurellement simplifiées et fortement perturbées9,10,11 et ont une capacité réduite à fournir plusieurs fonctions écosystémiques simultanément (ce que l'on appelle la « multifonctionnalité » des écosystèmes)4,12. Bien que diverses études aient abordé les effets délétères de l'expansion du palmier à huile sur les forêts et les pertes de biodiversité4,12,13, à ce jour, il n'y a pas eu d'évaluation holistique pluriannuelle et spatialement répliquée de l'effet des différentes stratégies de gestion du palmier à huile sur les fonctions écosystémiques, la biodiversité et la biodiversité. productivité économique. Les études de recherche primaires et expérimentales qui évaluent l'effet de la gestion sur plusieurs résultats, bien qu'actuellement rares, sont pertinentes pour fournir des recommandations plus claires en matière de gestion du palmier à huile14 parce que les plantations de palmiers à huile sont des systèmes agricoles intrinsèquement complexes. L'application d'engrais et d'herbicides à des fréquences élevées est sans doute les activités de gestion les plus importantes dans les plantations industrielles de palmiers à huile en raison de leur effet sur le rendement du palmier à huile. Ainsi, un levier majeur pour une production d'huile de palme plus durable sur le plan environnemental consiste à identifier les taux d'application d'engrais et la méthode de désherbage optimaux pour maintenir une productivité et une rentabilité économique suffisamment élevées tout en minimisant les pertes associées de fonctions écosystémiques et de biodiversité.

La fertilisation contribue à maintenir des niveaux de productivité élevés mais représente également une part importante des coûts de gestion dans les plantations industrielles. Des taux de fertilisation élevés sont associés à des pertes importantes de nutriments par lessivage15 et à des émissions de gaz à effet de serre (GES)11,16. De plus, la surfertilisation peut avoir de multiples effets délétères sur le sol, notamment des réductions de la biomasse microbienne du sol17, du pH, de la disponibilité des cations basiques18 et des changements notables dans la composition des communautés bactériennes et fongiques19. Sur le plan économique, la fertilisation excessive du palmier à huile peut réduire la rentabilité en raison de la saturation de la courbe de rendement malgré l'augmentation de l'application d'engrais, de sorte que l'augmentation linéaire des coûts des engrais pourrait réduire considérablement les rendements nets20. Il est essentiel d'en tenir compte compte tenu de la disponibilité mondiale réduite et de l'augmentation conséquente des prix des engrais21. Les effets de la surfertilisation pourraient être réduits en ajustant les taux de fertilisation à des niveaux qui ne compensent que la quantité de nutriments exportés par la récolte et par la fertilisation organique en remettant la litière de palmier22 et d'autres sous-produits de transformation (par exemple, les effluents des moulins à huile de palme et grappes de fruits vides)23. Une telle réduction de l'intensité de la fertilisation peut par conséquent favoriser une rétention et un recyclage efficaces des éléments nutritifs du sol, diminuer l'acidification du sol et le besoin associé d'application de chaux et généralement augmenter la rentabilité en raison des économies de coûts d'engrais et donc présenter une option plus attrayante sur le plan écologique et économique.

Une autre pratique de gestion importante dans les plantations industrielles de palmiers à huile est le contrôle des mauvaises herbes, nécessaire pour équilibrer les effets positifs et négatifs potentiels de la végétation du sous-étage et pour faciliter l'accès aux opérations de gestion. Les plantations industrielles utilisent classiquement l'utilisation d'herbicides pour éliminer facilement et plus rapidement la végétation du sous-étage, mais cela est souvent complété par un désherbage mécanique, par exemple, pendant les périodes de pluie et pour éliminer les plantes ligneuses. Le contrôle des mauvaises herbes par les herbicides entraîne une diversité de la végétation du sous-étage inférieur24 tout en favorisant l'invasion des mauvaises herbes résistantes aux herbicides25. Elle réduit également la complexité de l'habitat, impactant fortement la biodiversité végétale26,27,28. Une alternative plus durable pourrait être le désherbage mécanique, qui permet une régénération rapide de la végétation du sous-étage grâce à la préservation de leurs racines. Cela conduit par conséquent à une augmentation de la couverture et de la diversité des plantes du sous-étage, ce qui peut favoriser le cycle des nutriments29,30 et améliorer la complexité de l'habitat, soutenant l'abondance et la diversité des animaux26,27,28. Néanmoins, ces effets écologiquement souhaitables peuvent avoir des effets économiques négatifs car le désherbage mécanique nécessite une main-d'œuvre plus importante que l'application d'herbicides, ce qui peut réduire les bénéfices. De plus, la concurrence entre les palmiers à huile et la végétation du sous-étage peut mettre en péril les rendements, en particulier pendant les périodes de sécheresse, compte tenu de la sensibilité de la fructification et du poids des régimes de fruits au stress hydrique31,32.

Dans cette étude, nous rapportons les données primaires d'une expérience de gestion multidisciplinaire dans une plantation industrielle de palmiers à huile appartenant à l'État à Jambi, en Indonésie, qui évalue si la gestion réduite (c'est-à-dire la réduction des taux de fertilisation et le désherbage mécanique) comme alternative à la gestion conventionnelle ( c'est-à-dire des taux de fertilisation élevés et l'utilisation d'herbicides) peuvent réduire les impacts négatifs sur les fonctions des écosystèmes et la biodiversité tout en maintenant des niveaux de production élevés et stables8. Une expérience de terrain factorielle complète de deux taux de fertilisation × deux pratiques de désherbage, avec des taux de fertilisation conventionnels vs réduits (c'est-à-dire égaux aux nutriments exportés avec la récolte) et un herbicide vs désherbage mécanique (c'est-à-dire une débroussailleuse), a été établie en 2016 dans un plantation industrielle mature (≥16 ans) de palmiers à huile. Les traitements comportaient quatre parcelles répétées de 50 m × 50 m chacune. Au cours des quatre premières années de l'expérimentation, nous avons mesuré des indicateurs de huit fonctions écosystémiques, sept indicateurs de biodiversité et six indicateurs économiques liés au niveau et à la stabilité du rendement et du profit (tableaux complémentaires 1 et 2). Nous avons émis l'hypothèse que, par rapport au taux de fertilisation élevé conventionnel et au traitement herbicide, un taux de fertilisation réduit et un désherbage mécanique amélioreront les fonctions de l'écosystème et la biodiversité tout en maintenant une productivité élevée et un profit accru.

La multifonctionnalité de l'écosystème, une mesure agrégée des multiples fonctions de l'écosystème, était, en moyenne, plus élevée dans le désherbage mécanique que dans le traitement herbicide (Fig. 1 et Tableau 1). De même, la multifonctionnalité seuil, calculée comme le nombre de fonctions écosystémiques au-dessus d'un seuil spécifique (Méthodes et Fig. 3 supplémentaire), a montré un nombre plus élevé de fonctions dans le désherbage mécanique que le traitement herbicide qui étaient au-dessus des seuils de 70% et 90% et légèrement significatifs à seuils de 50 % et 80 % (tableau 1 et Fig. 3 supplémentaire). Bien que ni la fertilisation ni l'effet de désherbage n'aient été détectés lors de l'analyse uniquement pour chaque fonction individuelle de l'écosystème (tableau 1 et figure supplémentaire 1), la multifonctionnalité plus élevée du désherbage mécanique par rapport au traitement herbicide a été provoquée par les valeurs z moyennes plus élevées des indicateurs mesurés de la décomposition de la litière. , la fertilité des sols, la filtration de l'eau et le refuge des plantes (Fig. 2 supplémentaire).

Les diagrammes en boîte (25e centile, médiane et 75e centile) et les moustaches (1,5 × intervalle interquartile) sont basés sur les valeurs standardisées z ((valeur réelle - valeur moyenne sur des parcelles répétées) / écart type) des indicateurs pour une fonction écosystémique spécifiée. N = 4 parcelles. Les lignes horizontales noires indiquent la multifonctionnalité moyenne de huit fonctions écosystémiques. 22 traitements factoriels : + indique une fertilisation conventionnelle et un traitement herbicide ; − dénote une fertilisation réduite et un désherbage mécanique. Différentes lettres indiquent que la multifonctionnalité de l'écosystème était plus élevée dans le désherbage mécanique que dans le traitement herbicide (modèle linéaire à effets mixtes à P = 0,03 ; tableau 1).

La biodiversité, estimée comme la moyenne des indicateurs de richesse taxonomique sur sept groupes trophiques, était également plus élevée dans le désherbage mécanique que dans le traitement herbicide (Fig. 2 et Tableau 1). Cet effet était principalement dû à la forte augmentation de la richesse en espèces de la végétation du sous-étage lors du désherbage mécanique au cours des mesures de quatre ans (2017-2020 ; Fig. 2 et Tableau supplémentaire 2). Néanmoins, en retirant la richesse en espèces végétales du sous-étage de l'indice de biodiversité, il y avait encore un effet marginal positif du désherbage mécanique sur la biodiversité (P = 0,09). Sur les 126 espèces végétales de sous-étage de la plantation, 33 % d'espèces végétales de plus étaient présentes dans la gestion réduite que dans la gestion conventionnelle. Au fil des ans, les espèces végétales les plus abondantes étaient l'arbuste envahissant résistant aux herbicides Clidemia hirta (L.) D.Don, l'herbe envahissante Asystasia gangetica subsp. micrantha (Nees) Ensermu, l'herbe indigène Centotheca lappacea (L.) Desv. et la fougère indigène Christella dentata (Forssk.) Brownsey & Jermy. Par rapport au traitement herbicide, le désherbage mécanique a augmenté la couverture du sol de toutes ces espèces végétales (P < 0,04) à l'exception de C. hirta pour laquelle la couverture du sol a été réduite de 55 % (P = 0,01).

Les diagrammes en boîte (25e centile, médiane et 75e centile) et les moustaches (1,5 × intervalle interquartile) sont basés sur les valeurs standardisées z ((valeur réelle - valeur moyenne sur les parcelles répétées) / écart type) des indicateurs pour un groupe trophique spécifié. N = 4 parcelles. Les lignes horizontales noires indiquent la richesse moyenne de la biodiversité de sept groupes multitrophiques. 22 traitements factoriels : + indique une fertilisation conventionnelle et un traitement herbicide ; − dénote une fertilisation réduite et un désherbage mécanique. Différentes lettres indiquent que la richesse de la biodiversité était plus élevée dans le désherbage mécanique que dans le traitement herbicide (modèle linéaire à effets mixtes à P = 0,01 ; tableau 1).

Le rendement cumulé sur quatre ans ne différait pas entre les traitements (Fig. 3a et Tableau 1). Pour évaluer la notion selon laquelle une fertilisation réduite (avec ou sans désherbage mécanique) aura moins de stabilité de rendement qu'une fertilisation conventionnelle (avec ou sans traitement herbicide), nous avons examiné l'extrémité gauche de la distribution des rendements. Nous avons constaté que le rendement cumulé des palmiers ayant les performances les plus faibles (c'est-à-dire le cinquième quantile inférieur du rendement par palmier et par parcelle) ne différait pas entre les traitements (Fig. 3b). De plus, la probabilité que le rendement des palmiers tombe en dessous de 75 % du rendement moyen (c'est-à-dire la probabilité de manque de rendement ; Fig. 3c) était similaire entre les traitements, ce qui indique que le remplacement de l'herbicide par le désherbage mécanique n'a pas eu d'effet négatif sur les pires rendement des caisses. Lors de l'analyse séparée pour 2017-2018 et 2019-2020, nous n'avons trouvé aucun effet des traitements sur les indicateurs de rendement et de profit (Fig. 4 supplémentaire), ce qui signifie qu'il n'y avait aucune preuve d'éventuelles réductions de rendement retardées en réponse à un traitement de gestion réduit pendant les mesures quadriennales.

Rendement du palmier à huile (a), rendement par palmier le moins performant (b), part de palmiers par parcelle qui est passée en dessous de 75 % du rendement moyen (c), coûts (d), profit (e) et marge brute relative ( f) (valeurs cumulées pour 2017-2020) dans différents traitements de fertilisation et de désherbage (N = 4 parcelles) dans une plantation industrielle de palmiers à huile à Jambi, Indonésie. Les boîtes à moustaches indiquent le 25e centile, la médiane et le 75e centile, et les moustaches sont 1,5 × l'intervalle interquartile. 22 traitements factoriels : + Fert, + Herb sont des fertilisations conventionnelles avec traitement herbicide ; − Fert, + Herb sont une fertilisation réduite avec un traitement herbicide ; + Fert, − Herb sont une fertilisation conventionnelle avec désherbage mécanique ; − Fert, − Herb sont une fertilisation réduite avec désherbage mécanique.

Les principaux coûts de gestion pris en compte dans la plantation étaient les coûts de matériel (produits chimiques) et les coûts de main-d'œuvre pour les opérations de récolte et de désherbage. Les coûts matériels de la fertilisation réduite et du traitement de désherbage mécanique étaient inférieurs de 41 % (Fig. 3d) à ceux de la fertilisation conventionnelle et du traitement aux herbicides (tableau 1 et tableau supplémentaire 2). À l'inverse, les coûts de main-d'œuvre étaient 10 % plus élevés dans le désherbage mécanique que dans le traitement herbicide (Fig. 3d et Tableau supplémentaire 2). L'activité de main-d'œuvre la plus intensive était la récolte (représentant 39 à 45 % des coûts de main-d'œuvre totaux) et le nettoyage du cercle de palmiers (12 à 14 % des coûts de main-d'œuvre totaux), qui étaient les mêmes dans les deux traitements de désherbage. Par conséquent, le profit était 12% plus élevé (Fig. 3e) dans le désherbage mécanique que dans le traitement herbicide (Tableau 1 et Tableau supplémentaire 2). Il y a eu une augmentation de la marge brute relative dans la fertilisation réduite et le désherbage mécanique de 11 % (Fig. 3f) par rapport à la fertilisation conventionnelle et au traitement herbicide (tableau 1 et tableau supplémentaire 2).

Une gestion réduite (taux de fertilisation réduits et désherbage mécanique) a favorisé le fonctionnement de l'écosystème et maintenu des niveaux élevés de rendement et de profit, offrant une situation gagnant-gagnant (Fig. 4). En particulier, l'élimination mécanique des mauvaises herbes au lieu d'utiliser des herbicides s'est avérée être une pratique de gestion viable qui améliorait la multifonctionnalité de l'écosystème et la diversité des plantes du sous-étage, ce qui, combiné à une fertilisation réduite, augmentait les bénéfices.

Pour chaque pétale, le centre (cinquième quantile) et le bord extérieur (95e quantile) sont basés sur les valeurs standardisées z de huit fonctions écosystémiques (violet ; Fig. 1), sept richesses multitrophiques pour la biodiversité (vert ; Fig. 2) et six indicateurs de rendement et de profit (orange ; Fig. 3). 22 traitements factoriels : + indique une fertilisation conventionnelle et un traitement herbicide ; − dénote une fertilisation réduite et un désherbage mécanique.

Plusieurs fonctions écosystémiques dans les plantations de palmiers à huile ont tendance à être interdépendantes23, ce qui rend difficile l'évaluation de l'effet des pratiques de gestion sur des fonctions individuelles. En analysant plusieurs fonctions écosystémiques, le désherbage mécanique présentait clairement une multifonctionnalité plus élevée que le traitement herbicide (Fig. 1 et Fig. 3 supplémentaire), qui était dissimulée lors de l'analyse d'une seule fonction écosystémique (Fig. 1 supplémentaire). À noter, les indicateurs de la fonction de régulation des GES ont révélé que cette plantation mature située sur des sols minéraux était une légère source de C16 (c'est-à-dire, comme l'indique la productivité nette de l'écosystème (NEP) dont la récolte de fruits a été soustraite ; tableau supplémentaire 2). De plus, il avait également d'importantes émissions de N2O dans le sol en raison du taux élevé de fertilisation azotée, qui est d'environ 50 à 75 % supérieur aux engrais azotés appliqués dans les plantations de palmiers à huile des petits exploitants11. Néanmoins, l'absence d'effets de gestion sur la fonction de régulation des GES ou sur toute fonction écosystémique peut être due à la durée relativement courte de cette expérience de gestion, qui était de 2016 à 2020 contre au moins 16 ans de gestion conventionnelle lorsque cette plantation a été établie. (1998–2000). L'effet d'héritage des pratiques de gestion conventionnelles à long terme (méthodes) peut avoir atténué les effets des pratiques de gestion réduites. De plus, certains des indicateurs écosystémiques ont été mesurés dès un an après le début de l'expérience de gestion (tableau supplémentaire 1). En effet, les études qui ont étudié les effets de la réduction de la fertilisation et du désherbage mécanique sur le biote du sol associé aux racines un an après le début de l'expérience n'ont trouvé aucun effet significatif du traitement, qu'elles ont attribué à l'effet hérité de la fertilisation conventionnelle et de l'utilisation d'herbicides33. De même, les différents traitements de désherbage n'ont pas affecté la couverture végétale (notre indicateur pour la prévention de l'érosion), les taux de décomposition de la litière (un de nos indicateurs pour la décomposition de la matière organique) et les caractéristiques physiques et biochimiques du sol au cours de la première à deux années suivant le traitement15,26. Lors de l'examen des huit fonctions de l'écosystème, dans les quatre années suivant le passage de l'herbicide au désherbage mécanique, une multifonctionnalité accrue de l'écosystème a été obtenue (Fig. 1 et Fig. 3 supplémentaire). L'élimination mécanique des mauvaises herbes a favorisé une repousse rapide de la végétation en raison de la préservation de la biomasse racinaire, ce qui peut avoir entraîné des effets de rétroaction positifs sur la diversité végétale24 et, finalement, sur la multifonctionnalité (Figs. 1 et 2). Des études expérimentales dans des plantations de palmiers à huile matures qui ont comparé l'utilisation d'herbicides à l'élimination manuelle des mauvaises herbes ont signalé des niveaux de biomasse végétale et de couverture sensiblement plus élevés dans le désherbage manuel24, avec un plus grand potentiel de soutien des fonctions écosystémiques26. Nous nous attendons à ce que la récupération rapide de la végétation du sous-étage sous désherbage mécanique fournisse un apport élevé en matière organique34 et un microclimat plus adapté à l'activité microbienne et faunique du sol26, qui ensemble favorisent la décomposition26 et la rétention des éléments nutritifs du sol35,36. En effet, l'effet positif du désherbage mécanique sur la multifonctionnalité dans notre étude était largement lié à son effet sur les fonctions du sol, telles que la décomposition, la fertilité du sol et la filtration de l'eau et sur les fonctions de refuge des plantes (Figs. 2 et 3 supplémentaires).

L'effet positif du désherbage mécanique sur la biodiversité était principalement dû aux effets sur la diversité végétale avec un léger effet positif sur les autres groupes trophiques (micro-organismes du sol, invertébrés du sol et insectes aériens ; Fig. 2). Nous avons trouvé une forte augmentation de la richesse en espèces de la végétation du sous-étage dans le désherbage mécanique (Fig. 2), ce qui était similaire à d'autres résultats des plantations de palmiers à huile24 et d'eucalyptus29 lors du passage des herbicides au désherbage manuel. Une augmentation de la diversité végétale améliore l'efficacité et la disponibilité des éléments nutritifs37 grâce à une décomposition accrue de la diversité de la litière végétale et a été associée à une diversité fonctionnelle accrue, favorisant la multifonctionnalité38. Une grande diversité végétale est susceptible de créer plusieurs réseaux trophiques complexes capables de supporter une forte abondance de macrofaune, ce qui peut, en partie, stimuler les communautés de décomposeurs et de pollinisateurs26,39. Ainsi, une augmentation de la diversité végétale peut favoriser la biodiversité à des niveaux trophiques supérieurs en raison d'effets ascendants, avec des avantages directs pour les consommateurs primaires et les microbes du sol en raison de la diversité accrue du substrat40.

La méthode de désherbage peut également avoir des effets considérables sur la composition des espèces végétales en raison de l'empiètement d'espèces végétales envahissantes non indigènes8,24. En particulier, l'effet suppresseur des herbicides sur la diversité de la végétation est bien documenté car il provoque une pression sélective sur les mauvaises herbes et favorise les espèces résistantes aux herbicides41. Ainsi, la communauté végétale dans les parcelles traitées aux herbicides était dominée par la mauvaise herbe résistante aux herbicides C. hirta, mais le désherbage mécanique a été efficace pour ralentir la propagation de cette espèce. Cela a des implications importantes pour la gestion durable des plantations de palmiers à huile car cette espèce exotique très envahissante, en plus d'être problématique pour la gestion des mauvaises herbes dans la plantation, peut également envahir les forêts tropicales et menacer leur biodiversité42. La réduction de C. hirta dans le désherbage mécanique était également concomitante avec une couverture plus élevée de la plante envahissante A. gangetica subsp. micrantha, une plante attrayante pour les pollinisateurs43, et de certaines espèces indigènes (telles que l'herbe C. lappacea et la fougère C. dentata), ce qui a entraîné une fonction de refuge végétale plus élevée (Fig. 2 supplémentaire).

Compte tenu de la durée de quatre ans de cette expérience de gestion, les effets positifs du désherbage mécanique sur la biodiversité et la multifonctionnalité ont signifié que de telles pratiques de terrain facilement adoptables peuvent récolter des avantages substantiels en peu de temps. Les effets significatifs sur la diversité végétale mettent un certain temps à se propager à travers les niveaux trophiques, qui ont tendance à augmenter considérablement avec la durée expérimentale44. Il est donc possible que les effets positifs du désherbage mécanique sur la biodiversité et les fonctions écosystémiques se renforcent avec le temps, notamment sur les invertébrés du sol et les insectes aériens45. L'utilisation du désherbage mécanique au début de l'établissement du palmier à huile peut générer des avantages opportuns sur la multifonctionnalité et la biodiversité de l'écosystème, bien qu'aucune étude n'ait jusqu'à présent étudié cela dans les jeunes plantations.

La gestion réduite (taux de fertilisation réduits et désherbage mécanique) a été aussi efficace pour atteindre un rendement similaire que la gestion conventionnelle, mais à moindre coût (Fig. 3, Tableau 1 et Fig. 5 supplémentaire). Le rendement annuel moyen de 29,6 Mg ha−1 an−1 dans le cadre du système de gestion réduit était très proche du « rendement atteignable » récemment publié de 30,6 Mg ha−1 an−1 pour les plantations de palmiers à huile à grande échelle, défini comme le rendement atteint avec l'adoption d'intrants et de pratiques de gestion économiquement optimales1. Les rendements similaires entre les traitements suggèrent une utilisation plus efficace des engrais appliqués dans le système de gestion réduite, en particulier sur N, comme le montre une diminution de 56 % des pertes de N dissous dans la fertilisation réduite et le désherbage mécanique par rapport à la gestion conventionnelle (tableau supplémentaire 2) 15. Compte tenu du temps nécessaire à la différenciation du sex-ratio et au développement des fruits du palmier à huile20, on estime que les effets des pratiques de gestion sur le rendement peuvent avoir une réponse retardée d'environ deux ans46. Nos mesures de rendement couvraient quatre années de cette expérience de gestion, et l'absence d'effet de traitement sur le rendement cumulé sur quatre ans et des rendements similaires entre deux périodes distinctes (c'est-à-dire 2017-2018 et 2019-2020 ; Fig. 4a supplémentaire) suggèrent que la réduction la fertilisation était une alternative plus durable aux régimes de fertilisation conventionnels existants qui peuvent conduire à une rentabilité plus élevée. Cela a été encore renforcé par nos conclusions selon lesquelles la gestion réduite n'a pas entraîné un risque accru de n'obtenir que des rendements très faibles, par exemple, pendant une période sèche de fin 2018 à début 2019 causée par El Niño/Oscillation australe, comme le montre notre indicateurs de stabilité des rendements (Fig. 3b,c). La gestion réduite a même eu tendance à montrer un rendement plus élevé dans le pire des cas et une probabilité plus faible de tomber sous le seuil de 75 % du rendement moyen par rapport à la gestion conventionnelle. Il est important de mentionner que notre notion de risques de production ne se réfère qu'aux rendements alors que nous avons fait abstraction des fluctuations des prix aux producteurs des régimes de fruits du palmier à huile d'une part et de l'évolution des prix des intrants d'autre part. Alors que la baisse des prix à la production n'entraînerait aucun changement dans le classement des alternatives de gestion, la rareté croissante et l'augmentation consécutive des prix des engrais minéraux pourraient même accroître la supériorité économique des traitements de fertilisation réduite. Nous avons constaté que les taux de fertilisation réduits surpasseraient les taux de fertilisation conventionnels en termes de profit si les coûts des engrais augmentaient de 100 % (Fig. 6 supplémentaire). Les prix mondiaux des engrais sont actuellement à des niveaux quasi records21, dépassant ceux observés lors de la crise alimentaire et énergétique de 2008. Les prix élevés des engrais pourraient durer longtemps, en particulier compte tenu de la rareté du P47, du K largement surévalué dans l'agriculture48 et du consensus croissant sur le les coûts sociaux d'une fertilisation azotée excessive49, qui n'ont pas été monétisés ici.

Le rendement élevé sous fertilisation réduite suggère que cette plantation pourrait être surfertilisée. Cependant, cette affirmation est valable pour les plantations de palmiers à huile matures qui ont été fortement fertilisées depuis la plantation, comme la plantation de cette étude, mais peut ne pas être vraie pour les plantations plus jeunes dans lesquelles le sol n'a pas accumulé d'éléments nutritifs provenant de la fertilisation et de la décomposition des plantes sénescentes. frondes22. Par conséquent, les taux de fertilisation peuvent devoir être ajustés au cours du cycle de vie de la plantation, compte tenu des différentes accumulations de nutriments et des besoins en nutriments au cours du cycle de vie du palmier à huile50.

Enfin, le bénéfice plus élevé et la marge brute relative en baisse par rapport aux traitements de gestion conventionnels étaient principalement dus à une réduction du coût des matériaux et au maintien d'un rendement élevé (Fig. 3 et Supplémentaire Fig. 5). En raison du faible salaire minimum en Indonésie (184 USD par mois et par personne), le coût de la main-d'œuvre ne représentait qu'une petite part du coût total de gestion (Fig. 3d) et ne s'est pas traduit par un faible profit dans le traitement de gestion réduite. Pourtant, une augmentation du salaire minimum en Indonésie ou des salaires plus élevés dans d'autres zones de production ne se traduirait probablement pas par une différence marquée des coûts de main-d'œuvre entre les traitements. En effet, la variation relative de la différence de coût de la main-d'œuvre entre les traitements serait encore faible car les principales activités chronophages, telles que la récolte et le nettoyage du cercle de palmiers, nécessitaient le même temps dans tous les traitements. Notre analyse de sensibilité démontre que les différences relatives de rentabilité semblent robustes face aux changements d'hypothèses sur les coûts salariaux unitaires. Ce n'est qu'avec une augmentation des coûts de main-d'œuvre de 1 250 % que le traitement aux herbicides (avec des taux de fertilisation réduits) deviendrait plus rentable que le désherbage mécanique respectif (Fig. 6 supplémentaire). Néanmoins, en cas de pénurie de main-d'œuvre, il faut considérer que même si la différence d'heures de travail était faible (environ 12 heures-homme supplémentaires ha-1 an-1), le désherbage mécanique augmente les heures de travail totales de gestion des plantations.

Cette expérience de gestion a été menée dans une plantation industrielle, tous les travaux étant effectués par des membres du personnel de la plantation dans le cadre de la gestion commune de la plantation. Bien que nous ne puissions totalement exclure tout biais, par exemple, le temps de travail tel qu'enregistré par les chercheurs observant les opérations, nous sommes toujours convaincus que cette variation inhérente sera inférieure aux différences de coût total de gestion, de profit et de marge brute relative que nous avons trouvées entre réduit et traitements de gestion conventionnels (tableau 1).

Dans l'ensemble, les résultats de notre expérience de gestion de quatre ans ont fourni des indications précoces selon lesquelles le désherbage mécanique, associé à des taux de fertilisation compensatoires réduits dans les plantations de palmiers à huile industrielles matures, peut aider à minimiser le lessivage des éléments nutritifs du sol, à réduire le risque de pollution de l'eau, à éliminer l'effet de herbicide sur la végétation indigène et d'autres groupes trophiques du sol non ciblés33, réduisent les risques pour la santé des travailleurs des plantations et contribuent ainsi aux directives de durabilité des organismes de certification tels que Roundtable of Sustainable Oil Palm51. Nous reconnaissons que lors de l'analyse de plusieurs fonctions écosystémiques, les effets positifs de la gestion réduite sur la multifonctionnalité peuvent être encore faibles au cours des quatre premières années de cette expérience, car il n'y a eu aucun effet significatif lors de l'analyse des fonctions écosystémiques individuelles. Cependant, la multifonctionnalité améliorée de l'écosystème grâce au désherbage mécanique illustre une situation gagnant-gagnant, étant donné son rendement et son profit élevés d'une part et les coûts environnementaux associés à l'utilisation d'herbicides d'autre part. La gestion réduite est donc une option de gestion viable pour maintenir un rendement optimal, réduire le coût des matériaux et améliorer la biodiversité et la multifonctionnalité des écosystèmes dans les plantations industrielles de palmiers à huile situées sur des sols minéraux.

Aucune approbation éthique n'était requise pour cette étude. Notre étude a été menée dans une plantation de palmiers à huile industrielle appartenant à l'État où nous avons établi une coopération avec le propriétaire du domaine pour accéder au site et collecter des données. Aucune espèce menacée ou protégée n'a été échantillonnée. Des permis de recherche ont été obtenus auprès du Ministère de la recherche, de la technologie et de l'enseignement supérieur, et des permis de collecte et d'exportation d'échantillons ont été obtenus auprès du Ministère de l'environnement et des forêts de la République d'Indonésie.

Notre étude a été menée dans une plantation de palmiers à huile industrielle appartenant à l'État (PTPN VI) située à Jambi, en Indonésie (1.719° S, 103.398° E, 73 m d'altitude). La plantation initiale de palmiers à huile dans la zone de plantation de 2 025 ha a commencé en 1998 et s'est terminée en 2002 ; la densité de plantation était de 142 palmiers ha-1, espacés de 8 m dans chaque rangée et entre les rangées, et les palmiers avaient ≥ 16 ans au cours de notre période d'étude de 2016 à 2020. Les sites d'étude ont une température annuelle moyenne de 27,0 ± 0,2 °C et des précipitations annuelles moyennes de 2 103 ± 445 mm (2008-2017, aéroport Sultan Thaha, Jambi). Les pratiques de gestion dans les plantations de palmiers à huile à grande échelle se traduisent généralement par trois zones de gestion contrastées : (1) un rayon de 2 m autour de la base du palmier qui a été désherbé (quatre fois par an) et ratissé avant l'application d'engrais, ci-après appelé le ' cercle de palmiers ; (2) une zone survenant tous les deux inter-rangs, où les feuilles de palmier sénescentes taillées étaient empilées, ci-après appelées « piles de frondes » ; et (3) la superficie restante de la plantation où moins de désherbage (deux fois par an) et aucun engrais n'ont été appliqués, ci-après appelée 'inter-rangs'.

Au sein de cette plantation de palmiers à huile, nous avons mis en place une expérimentation de gestion en novembre 2016 avec des traitements factoriels complets de deux taux de fertilisation × deux pratiques de désherbage : taux de fertilisation conventionnels à PTPN VI et autres plantations à grande échelle (260 kg N–50 kg P–220 kg K ha−1 an−1), taux de fertilisation réduits basés sur l'exportation quantifiée d'éléments nutritifs par récolte (136 kg N–17 kg P ha−1 an−1–187 kg K ha−1 an−1), herbicide et désherbage mécanique15. Le traitement de fertilisation réduite était basé sur l'exportation quantifiée d'éléments nutritifs de la récolte des fruits, calculée en multipliant la teneur en éléments nutritifs des régimes de fruits avec les données de rendement à long terme de la plantation. Des engrais ont été appliqués chaque année en avril et en octobre après le désherbage et le ratissage du cercle de palmiers. La pratique courante à PTPN VI et dans d'autres plantations à grande échelle sur des sols acides d'Acrisol consiste à appliquer de la chaux et des micronutriments, et ceux-ci sont restés inchangés dans notre expérience de gestion. Avant chaque application d'engrais N–P–K, de la dolomie et des micronutriments ont été appliqués au cercle de palmiers dans toutes les parcelles de traitement en utilisant les taux communs)52 : 426 kg ha−1 an−1 dolomie et 142 kg Micro-Mag ha−1 an− 1 (contenant 0,5 % B2O3, 0,5 % CuO, 0,25 % Fe2O3, 0,15 % ZnO, 0,1 % MnO et 18 % MgO). Le traitement herbicide a été réalisé avec du glyphosate dans le cercle des palmiers (1,50 l ha−1 an−1, réparti en quatre applications par an) et dans les inter-rangs (0,75 l ha−1 an−1, réparti en deux applications par an ). Le désherbage mécanique a été effectué à l'aide d'une débroussailleuse dans les mêmes zones de gestion et à la même fréquence que le traitement herbicide.

Le plan factoriel à 22 a abouti à quatre combinaisons de traitement : fertilisation conventionnelle avec traitement herbicide, fertilisation réduite avec traitement herbicide, fertilisation conventionnelle avec désherbage mécanique et fertilisation réduite avec désherbage mécanique. Les quatre traitements ont été répartis au hasard sur des parcelles de 50 m ×\ 50 m répliquées en quatre blocs, totalisant 16 parcelles. La zone de mesure effective était la zone intérieure de 30 m × 30 m dans chaque placette répétée afin d'éviter tout effet de bordure possible. Pour les indicateurs (ci-dessous) qui ont été mesurés dans les sous-parcelles, ces sous-parcelles ont été réparties de manière aléatoire dans les 30 m × 30 m intérieurs d'une parcelle. Toutes les parcelles répétées étaient situées sur un terrain plat et sur un sol Acrisol avec une texture de limon argilo-sableux.

Notre étude comprenait plusieurs indicateurs pour chacune des huit fonctions écosystémiques23, décrites en détail ci-dessous (tableaux supplémentaires 1 et 2). Tous les paramètres ont été exprimés au niveau de la parcelle en prenant la moyenne des sous-parcelles (c'est-à-dire les paramètres biologiques) ou la moyenne pondérée surfacique des trois zones de gestion par parcelle (c'est-à-dire les paramètres du sol). (1) La régulation des gaz à effet de serre (GES) a été indiquée par le NEP, le C organique du sol (COS) et les flux de GES du sol. (2) La prévention de l'érosion a été signifiée par la couverture végétale du sous-étage au cours des mesures de quatre ans. (3) La décomposition de la matière organique a été indiquée par la décomposition de la litière de feuilles et l'activité de décomposition des animaux du sol. (4) La fertilité du sol était signifiée par le taux de minéralisation brute de N, la capacité d'échange cationique effective (ECEC), la saturation en bases et la biomasse microbienne N. (5) Le potentiel de pollinisation était désigné par l'abondance d'arthropodes piégés et l'activité des oiseaux se nourrissant de nectar. En tant que tel, il ne quantifie pas le potentiel de pollinisation du palmier à huile, qui est principalement pollinisé par une seule espèce de charançon, mais plutôt comme un proxy pour un potentiel de pollinisation général pour d'autres plantes co-occurrentes. (6) La filtration de l'eau (la capacité à fournir de l'eau propre) a été indiquée par les pertes par lessivage des principaux éléments. (7) Refuge végétal (capacité à fournir un habitat convenable pour les plantes) tel qu'indiqué par le pourcentage de couverture du sol de plantes envahissantes par rapport à la couverture totale du sol de la végétation du sous-étage au cours des mesures de quatre ans. (8) Le contrôle biologique (la régulation des herbivores via la prédation) a été indiqué par les activités des oiseaux insectivores et des chauves-souris et l'activité des prédateurs des arthropodes du sol.

Toutes les fonctions écosystémiques ont été fusionnées dans un indice de multifonctionnalité en utilisant les approches de moyenne et de seuil établies12. Pour la multifonctionnalité moyenne, nous avons d'abord fait la moyenne des valeurs standardisées z (statistiques) des indicateurs pour chaque fonction écosystémique et calculé la moyenne des huit fonctions écosystémiques pour chaque parcelle. Pour la multifonctionnalité à seuil, celle-ci a été calculée à partir du nombre de fonctions qui dépasse un seuil fixé, qui est un pourcentage du niveau de performance maximum de chaque fonction12 ; nous avons étudié la gamme de seuils de 10% à 90% pour avoir un aperçu complet. La performance maximale a été prise comme la moyenne des trois valeurs les plus élevées pour chaque indicateur par fonction écosystémique sur toutes les parcelles afin de réduire l'effet des valeurs aberrantes potentielles. Pour chaque parcelle, nous avons compté le nombre d'indicateurs qui dépassaient un seuil donné pour chaque fonction et divisé par le nombre d'indicateurs pour chaque fonction12.

Nous avons calculé le NEP annuel pour chaque parcelle comme suit : échange net de C de l'écosystème - C de la biomasse des fruits récoltés (réf. 16), où échange net de C de l'écosystème = Cout (ou respiration hétérotrophe) - Cin (ou productivité primaire nette)53. La productivité primaire nette des palmiers à huile dans chaque parcelle était la somme de la production de biomasse aérienne (biomasse aérienne C + apport de biomasse de litière de frondes C + biomasse de fruits C) et de la production de biomasse souterraine. La production de biomasse aérienne a été estimée à l'aide d'équations allométriques développées pour les plantations de palmiers à huile en Indonésie54, en utilisant la hauteur des palmiers mesurée chaque année de 2019 à 2020. L'apport annuel de biomasse de la litière de frondes a été calculé à partir du nombre et de la masse sèche de frondes taillées lors des récoltes d'un année dans chaque parcelle et a été moyennée pour 2019 et 2020. La production de biomasse aérienne a été convertie en C sur la base des concentrations de C dans le bois et la litière de feuilles55. La production annuelle de C de la biomasse fruitière (qui est également l'exportation de la récolte) a été calculée à partir du rendement annuel moyen en 2019 et 2020 et des concentrations mesurées de C des régimes de fruits. La biomasse racinaire souterraine et la production de C de la litière ont été tirées de travaux antérieurs dans notre zone d'étude55, et elles ont été supposées constantes pour chaque parcelle. La respiration hétérotrophe a été estimée pour chaque parcelle comme suit : émission annuelle de CO2 C du sol (ci-dessous) × 0,7 (sur la base d'une contribution de 30 % de la respiration des racines à la respiration du sol d'une forêt tropicale à Sulawesi, Indonésie56) + apport annuel de C de la biomasse de la litière des frondes × 0,8 (~ 80% de la litière de frondes est décomposée en un an dans cette plantation de palmiers à huile8). Le COS a été mesuré en mars 2018 à partir d'échantillons composites prélevés dans deux sous-parcelles dans chacune des trois zones de gestion par parcelle jusqu'à une profondeur de 50 cm. Les échantillons de sol ont été séchés à l'air, finement broyés et analysés pour le COS à l'aide d'un analyseur CN (Vario EL Cube, Elementar Analysis Systems). Les stocks de COS ont été calculés à l'aide de la densité apparente mesurée dans chaque zone de gestion, et les valeurs pour chaque parcelle étaient la moyenne pondérée en fonction de la surface des trois zones de gestion (18 % pour le cercle de palmiers, 15 % pour les tas de frondes et 67 % pour les inter-rangs) 15,22.

De juillet 2019 à juin 2020, nous avons effectué des mesures mensuelles des flux de CO2, CH4 et N2O dans le sol à l'aide de chambres statiques ventilées installées en permanence dans les trois zones de gestion au sein de deux sous-parcelles par parcelle11,57. Les flux annuels de CO2, CH4 et N2O dans le sol étaient des interpolations trapézoïdales entre les périodes de mesure pour toute l'année, et les valeurs pour chaque parcelle étaient la moyenne pondérée en fonction de la surface des trois zones de gestion (ci-dessus).

La diversité et l'abondance des plantes vasculaires ont été évaluées une fois par an de 2016 à 2020 avant le désherbage en septembre-novembre. Dans cinq sous-parcelles par parcelle, nous avons enregistré la présence de toutes les espèces de plantes vasculaires et estimé le pourcentage de couverture de la végétation du sous-étage. Le pourcentage de couverture et la richesse en espèces végétales de chaque année de mesure ont été exprimés par rapport à celui de 2016 pour tenir compte des différences initiales entre les parcelles avant le début de l'expérimentation. Par exemple, le pourcentage de couverture en 2017 était :

Les valeurs de cinq sous-parcelles ont été moyennées pour représenter chaque parcelle.

La décomposition de la litière de feuilles a été déterminée à l'aide de sacs à litière (20 cm × 20 cm avec un maillage de 4 mm) contenant 10 g de litière sèche de feuilles de palmier à huile8. Trois sacs de litière par parcelle ont été placés sur le bord des tas de frondes en décembre 2016. Après huit mois d'incubation sur le terrain, nous avons calculé la décomposition de la litière de feuilles comme la différence entre la masse sèche de la litière initiale et la masse sèche de la litière après incubation. L'activité de décomposition des animaux du sol est décrite ci-dessous (arthropodes du sol).

Tous ces indicateurs ont été mesurés en février-mars 2018 dans les trois zones de gestion au sein de deux sous-parcelles par parcelle22. Le taux de minéralisation brute de N dans le sol a été mesuré dans les 5 premiers cm de profondeur sur des carottes de sol intactes incubées in situ en utilisant la technique de dilution en bassin 15N58. L'ECEC et la saturation en bases ont été mesurées dans les 5 premiers centimètres de profondeur car c'est la profondeur qui réagit rapidement aux changements de gestion22. Les concentrations en cations échangeables (Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, Mn) ont été déterminées par percolation du sol avec 1 mol l−1 de NH4Cl non tamponné, suivie d'une analyse des percolats à l'aide d'un spectromètre d'émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP-AES ; spectromètre ICP iCAP 6300 Duo view, Thermo Fisher Scientific). La saturation en bases a été calculée comme le pourcentage de bases échangeables (Mg, Ca, K et Na) sur ECEC. La biomasse microbienne de N a été mesurée à partir d'échantillons de sol frais en utilisant la méthode de fumigation-extraction59. Les valeurs pour chaque parcelle étaient la moyenne des deux sous-parcelles qui étaient la moyenne pondérée par la surface des trois zones de gestion (ci-dessus)15,22.

Des pièges jaunes fluorescents ont été utilisés pour échantillonner des arthropodes aériens (pour déterminer les communautés de pollinisateurs60) en novembre 2016, septembre 2017 et juin 2018. Les pièges étaient fixés à une plate-forme à la hauteur de la végétation environnante dans une grille 2 × 3 centrée dans l'inter - rangées de chaque parcelle en six grappes de trois pièges, totalisant 18 pièges par parcelle. Les pièges ont été exposés au champ pendant 48 h. Nous avons stocké tous les arthropodes piégés dans de l'éthanol à 70 %, puis les avons comptés et identifiés au niveau de l'ordre et de l'espèce. L'abondance des arthropodes piégés en 2017 et 2018 a été calculée comme le rapport à l'abondance en 2016 pour tenir compte des différences initiales entre les parcelles avant le début de l'expérience. L'activité des oiseaux nectarivores est décrite ci-dessous (Oiseaux et chauves-souris).

Les pertes par lessivage des éléments ont été déterminées à partir d'analyses d'eau interstitielle du sol échantillonnées mensuellement à 1,5 m de profondeur à l'aide de lysimètres à ventouse (céramique P80, taille maximale des pores 1 μm ; CeramTec) au cours d'une année (2017-2018)15. Des lysimètres ont été installés dans les trois zones de gestion au sein de deux sous-parcelles par parcelle. Le N dissous a été analysé par colorimétrie à injection en flux continu (SEAL Analytical AA3, SEAL Analytical), tandis que ces autres éléments ont été déterminés par ICP-AES. Les valeurs pour chaque parcelle étaient la moyenne des deux sous-parcelles qui étaient la moyenne pondérée en fonction de la surface des trois zones de gestion15,22.

Dans cinq sous-parcelles par parcelle, le pourcentage de couverture et la richesse spécifique des espèces végétales envahissantes du sous-étage ont été évalués une fois par an de 2016 à 2020 avant le désherbage en septembre-novembre. Nous avons défini les espèces envahissantes comme les plantes non indigènes à Sumatra61 et parmi les dix espèces dominantes (hors palmier à huile) dans la plantation chaque année. Le pourcentage de couverture d'espèces végétales envahissantes de sous-bois de chaque année de mesure a été exprimé dans un rapport à celui de 2016 pour tenir compte des différences initiales entre les parcelles avant le début de l'expérimentation. Les valeurs pour chaque placette ont été représentées par la moyenne de cinq sous-placettes.

Les activités des oiseaux insectivores et des chauves-souris sont décrites ci-dessous (Oiseaux et chauves-souris). Dans cinq sous-parcelles par parcelle, les invertébrés du sol ont été collectés (arthropodes du sol), comptés, identifiés au niveau de l'ordre taxonomique et ensuite classés selon leurs groupes trophiques qui incluent les prédateurs60. Les valeurs de cinq sous-parcelles étaient des moyennes pour représenter chaque parcelle.

La biodiversité a été mesurée par la richesse taxonomique de sept groupes multitrophiques, décrits en détail ci-dessous (tableaux supplémentaires 1 et 2).

La méthode est décrite ci-dessus (Indicateurs de prévention de l'érosion), en utilisant le nombre d'espèces comme indicateur (Tableau complémentaire 2).

Cela a été déterminé en mai 2017 en co-extrayant l'ARN et l'ADN de trois carottes de sol (5 cm de diamètre, 7 cm de profondeur) dans cinq sous-parcelles par parcelle62. Alors que l'extraction d'ADN décrit l'ensemble de la communauté microbienne, l'ARN représente la communauté active. La région v3–v4 du gène de l'ARNr 16S a été amplifiée et séquencée avec un séquenceur MiSeq (Illumina). La classification taxonomique a été effectuée en cartographiant les séquences organisées par rapport à la base de données non redondante (NR) SILVA small subunit (SSU) 13863 avec l'outil de recherche d'alignement local de base (BLASTN)64.

Pour la détermination des arthropodes du sol, nous avons collecté des échantillons de sol (16 cm × 16 cm, 5 cm de profondeur) dans cinq sous-parcelles par parcelle en octobre-novembre 2017. Nous avons extrait les animaux du sol à l'aide d'un extracteur à gradient de chaleur65, les avons collectés dans du diméthylèneglycol -solution aqueuse (1:1) et conservée dans de l'éthanol à 80 %. Les animaux extraits ont été comptés et identifiés au niveau de l'ordre taxonomique61. Ils ont également été affectés aux groupes trophiques décomposeurs, herbivores et prédateurs sur la base des ressources alimentaires prédominantes enregistrées dans les revues précédentes et une étude locale66,67. Les ordres ayant des habitudes alimentaires diverses ont été divisés en plusieurs groupes d'alimentation, par exemple, les coléoptères ont été divisés en familles principalement prédatrices (Staphylinidae, Carabidae), familles herbivores (par exemple, Curculionidae) et familles de décomposeurs (par exemple, Tenebrionidae). Le nombre total d'individus par groupe taxonomique dans chaque sous-parcelle a été multiplié par le taux métabolique spécifique au groupe, qui a été additionné pour calculer l'activité de décomposition des animaux du sol. Les valeurs de cinq sous-parcelles étaient des moyennes pour représenter chaque parcelle.

En plus des pièges jaunes fluorescents décrits ci-dessus (Indicateurs du potentiel général de pollinisation), des échantillonnages au filet fauchoir et au piège Malaise ont été effectués en juin 2018, ciblant les communautés générales d'arthropodes volants et vivant en sous-bois. Un échantillonnage au filet fauchoir a été effectué dans la végétation du sous-étage le long de deux transects de 10 m de long par parcelle, avec dix coups de balayage effectués par transect. Dans chaque parcelle, nous avons installé un seul piège Malaise entre deux palmiers choisis au hasard et l'avons exposé pendant 24 h. Les arthropodes ont été comptés, identifiés au niveau de l'ordre taxonomique et les insectes au niveau de la famille taxonomique et les valeurs des trois méthodes ont été additionnées pour représenter chaque parcelle.

Les oiseaux et les chauves-souris passant à chaque parcelle répliquée ont été échantillonnés en septembre 2017 à l'aide d'enregistreurs sonores SM2Bat + (Wildlife Acoustics) avec deux microphones (SMX-II et SMX-US) placés à une hauteur de 1,5 m au milieu de chaque parcelle68. Nous avons attribué la vocalisation des oiseaux aux espèces avec Xeno-Canto69 et la bibliothèque de Macaulay70. La richesse spécifique des chauves-souris insectivores a été calculée en les divisant en morphoespèces en fonction des caractéristiques de leur cri (fréquence, durée, forme). De plus, nous avons recueilli des informations sur les préférences alimentaires proportionnelles des espèces d'oiseaux à l'aide de la base de données EltonTrait71. Nous avons défini les oiseaux se nourrissant d'invertébrés (agents potentiels de lutte biologique) comme les espèces ayant un régime alimentaire d'au moins 80 % d'invertébrés et se nourrissant de nectar (pollinisateurs potentiels), si le régime comprenait au moins 20 % de nectar.

Nous avons utilisé six indicateurs liés au niveau et à la stabilité du rendement et du profit : rendement, cinquième quantile inférieur du rendement par palmier et par parcelle, probabilité de manque à gagner, frais de gestion, profit et marge brute relative. Nous avons évalué le rendement en fruits en pesant les régimes de fruits récoltés de chaque palmier dans la zone intérieure de 30 m × 30 m de chaque parcelle. La récolte a suivi le calendrier et les pratiques habituelles de l'entreprise de plantation : chaque palmier a été récolté environ tous les dix jours et les frondes inférieures ont été taillées. Pour chaque parcelle, nous avons calculé le rendement moyen en fruits par palmier et l'avons étendu à un hectare, en considérant la densité de plantation de 142 palmiers par ha. Étant donné que les palmiers de chaque parcelle ont des cycles de fructification différents et ont été récoltés en continu, le calcul d'un rendement annuel peut conduire à des différences trompeuses entre les traitements. Nous avons donc calculé le rendement cumulé du début de l'expérimentation à quatre ans (2017-2020), qui devrait rendre compte des variations inter et intra-annuelles de la production de fruits des palmiers dans les parcelles et permettre ainsi la comparaison entre les traitements. . Comme les effets des pratiques de gestion sur le rendement peuvent être retardés46, nous avons également calculé le rendement cumulé pendant deux années consécutives (2017-2018 et 2019-2020) et vérifié séparément les effets du traitement sur les indicateurs de rendement et de profit pour ces deux périodes.

Nous avons calculé des indicateurs de risque sur le rendement cumulé et sur le rendement entre les deux périodes. Nous avons utilisé le cinquième quantile le plus bas du rendement par palmier par parcelle (côté gauche de la distribution) pour indiquer la production des palmiers les moins performants. De plus, nous avons déterminé la probabilité de manque de rendement (moment partiel inférieur d'ordre 0), définie comme la part de palmiers qui est tombée en dessous d'un seuil de rendement prédéfini ; les seuils retenus sont de 630 kg−1 par palmier pour le rendement cumulé et de 300 kg−1 par palmier par an pour le rendement sur deux ans, ce qui correspond à 75 % du rendement moyen.

Les revenus et les coûts ont été calculés sous forme de valeurs cumulées pendant les quatre années de l'expérience (2017-2020) en utilisant les mêmes prix et coûts pour toutes les années. En effet, nous souhaitions évaluer les conséquences économiques de différents traitements de gestion, et elles pourraient être difficiles à interpréter lorsque les changements de prix et de coûts entre les années civiles sont inclus, qui sont motivés par des pouvoirs de marché externes plutôt que par les pratiques de gestion sur le terrain. Pour la même raison, nous nous sommes abstenus d'actualiser les bénéfices. Compte tenu des taux d'actualisation généralement élevés appliqués à la zone d'étude, de légères différences dans les activités de récolte entre les années civiles ou les mois peuvent entraîner des différences systématiques élevées entre les traitements de gestion, qui sont associées à la variation du calendrier de travail au sein de la plantation plutôt qu'à la différence réelle. parmi les traitements de gestion. Les revenus ont été calculés à partir du rendement et du prix moyen des régimes de fruits en 2016 et 201761. Les coûts matériels étaient la somme des coûts des engrais, des herbicides et de l'essence pour la débroussailleuse. Les coûts de main-d'œuvre ont été calculés à partir du salaire minimum à Jambi et du temps (en heures de travail) nécessaire aux opérations de récolte, de fertilisation et de désherbage, qui ont été enregistrés en 2017 pour chaque parcelle. Le travail de désherbage comprenait le travail de ratissage du cercle de palmiers avant la fertilisation, qui était égal dans tous les traitements, et le désherbage dans le cercle de palmiers et entre les rangs soit avec un herbicide, soit avec une débroussailleuse. De plus, nous avons inclus le temps d'élimination de C. hirta, qui doit être éliminé mécaniquement de toutes les parcelles une fois par an, calculé à partir du temps moyen de désherbage dans le cercle de palmiers et du pourcentage de couverture de C. hirta dans chaque parcelle pour chaque année. Nous avons ensuite calculé le profit comme la différence entre les revenus et les frais de gestion totaux et la marge brute relative comme la proportion de profit brut des revenus.

Pour tester les différences entre les traitements de gestion pour chaque fonction écosystémique et entre les indicateurs de biodiversité, la valeur au niveau de la parcelle de chaque indicateur a d'abord été standardisée z (z = (valeur réelle - valeur moyenne sur les parcelles) / écart type)4. Cela évite la dominance d'un ou de quelques indicateurs sur les autres, et la standardisation z permet à plusieurs indicateurs distincts de caractériser au mieux une fonction écosystémique ou la biodiversité4. Les valeurs standardisées ont été inversées (multipliées par -1) pour les indicateurs dont les valeurs élevées signifient un effet indésirable (c'est-à-dire NEP, flux de N2O et de CH4 du sol, pertes par lessivage des éléments, couverture végétale envahissante, manque de rendement, coûts de gestion) pour des interprétations intuitives. Pour une fonction écosystémique spécifique (Figs. 1 et 2 supplémentaires) et à travers les indicateurs de biodiversité (Fig. 2), des modèles linéaires à effets mixtes (LME) ont été utilisés pour évaluer les différences entre les traitements de gestion (fertilisation, désherbage et leur interaction) comme fixes. effets avec des parcelles et des indicateurs répétés (tableaux supplémentaires 2 et 3) comme effets aléatoires. La significativité des effets fixes a été évaluée par ANOVA72. Les performances du modèle LME ont été évaluées à l'aide de diagrammes résiduels diagnostiques73. Comme les variables indicatrices peuvent systématiquement différer dans leurs réponses aux traitements de gestion, nous avons également testé l'interaction entre l'indicateur et le traitement (tableau 1). Pour tester les différences entre les traitements de gestion à travers les fonctions écosystémiques (c'est-à-dire la multifonctionnalité ; Fig. 1), nous avons utilisé pour chaque parcelle répliquée la moyenne des indicateurs standardisés z de chaque fonction écosystémique et les plages de seuils (c'est-à-dire le nombre de fonctions qui dépasse un pourcentage défini de la performance maximale de chaque fonction12 ; Fig. 3 supplémentaire). Les modèles LME avaient des traitements de gestion (fertilisation, désherbage et leur interaction) comme effets fixes et reproduisaient les parcelles et les fonctions écosystémiques comme effets aléatoires ; l'interaction entre la fonction de l'écosystème et le traitement a également été testée pour évaluer s'il y avait des différences systématiques dans leurs réponses aux traitements de gestion (tableau 1). Comme nous nous attendions à ce que le type de désherbage influence la végétation au sol, nous avons testé les différences de couverture du sol de la végétation du sous-étage, mesurées de 2016 à 2020, en utilisant LME avec des traitements de gestion comme effet fixe et des parcelles et des années répétées comme effets aléatoires. Différences entre les traitements de gestion (fertilisation, désherbage et leur interaction) dans les indicateurs de rendement et de profit, qui étaient des valeurs cumulées sur quatre ans (Fig. 3) ou pour deux périodes distinctes (2017-2018 et 2019-2020 ; Fig. 4 supplémentaire), ont été évalués à l'aide du modèle linéaire ANOVA (tableau 1). Pour une comparaison visuelle claire entre les traitements de gestion à travers les fonctions écosystémiques, les groupes multitrophiques pour la biodiversité et les indicateurs de rendement et de profit, les cinquième et 95e centiles de leurs valeurs standardisées z ont été présentés dans un diagramme en pétales (Fig. 4 et Supplémentaire Fig. 5). Les données ont été analysées à l'aide de R (version 4.0.4), en utilisant les packages R 'nlme' et 'influence.ME'73.

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports sur le portefeuille Nature lié à cet article.

Les données sur les indicateurs des fonctions écosystémiques, de la biodiversité et de la productivité économique sont accessibles au public dans le référentiel Göttingen Research Online : https://doi.org/10.25625/MZJLUM (réf. 74). La classification taxonomique de l'ARN ribosomal a été effectuée en cartographiant les séquences organisées par rapport à la base de données SILVA SSU 138 NR (https://doi.org/10.1093/nar/gks1219). Les données sur les préférences alimentaires proportionnelles des espèces d'oiseaux ont été recueillies à partir de la base de données EltonTrait (https://doi.org/10.1890/13-1917.1). Les vocalisations des oiseaux ont été attribuées au niveau de l'espèce à l'aide de Xeno-Canto (Xeno-Canto Foundation, 2012) et de la bibliothèque Macaulay (https://www.macaulaylibrary.org).

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Cette étude a été financée par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, numéro de projet 192626868–SFB 990/2-3) dans le cadre du projet de recherche collaboratif germano-indonésien CRC990 EFForTS. La société PT Perkebunan Nusantara VI n'a fourni aucun financement et n'a eu aucune influence sur la conception de l'étude, la collecte, l'analyse ou l'interprétation des données. Nous sommes reconnaissants à PTPN VI de nous avoir permis de mener des recherches dans leur plantation et d'avoir aidé à la récolte des palmiers. Nous sommes reconnaissants à tous nos assistants de recherche indonésiens sur le terrain et en laboratoire, en particulier A. Farzi et le projet Z01 pour avoir géré la mise en œuvre sur le terrain de cette expérience. Nous sommes reconnaissants à RISTEKDIKTI d'avoir fourni des permis de recherche.

Greta Formaglio

Adresse actuelle : Université de Montpellier, CIRAD, INRAE, Institut Agro, IRD, Montpellier, France

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Iddris, NA, Formaglio, G.

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Najeeb Al-Amin Iddris, Greta Formaglio, Guantao Chen, Edzo Veldkamp et Marife D. Corre

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Arne Wenzel

Faculté de foresterie, Université de Jambi, Jambi City, Indonésie

Bambang Irakien

Faculté des sciences et de la technologie, Université de Jambi, Jambi, Indonésie

Mohamed Damris

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Ingo Herbe

Faculté d'agriculture, Université de Tadulako, Palu, Indonésie

Aiyen Tjoa

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NAI et GF ont dirigé la rédaction du manuscrit avec MDCGF, NAI, CP et VvG ont effectué l'analyse des données. MDC, EV et TT ont conçu l'expérience. SS, AT, KD et BI ont soutenu la mise en place de l'expérience. NAI et AT ont coordonné les activités de terrain de l'expérience. AT, MD et BI ont facilité l'accès sur le terrain, le soutien logistique et les accords de collaboration. GF, NAI, GC, FB, AP, VK, AW, DB, AT, AA-R., KD, MDC et EV ont fourni des données et participé aux discussions sur la conception, l'analyse et l'interprétation de l'étude. Tous les auteurs ont écrit des parties ou commenté le manuscrit.

Correspondance à Najeeb Al-Amin Iddris.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Sustainability remercie Erik Meijaard, Tse seng chuah et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Fig. supplémentaires. 1 à 6 et tableaux 1 et 2.

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Réimpressions et autorisations

Iddris, N.AA., Formaglio, G., Paul, C. et al. Le désherbage mécanique améliore la multifonctionnalité et le profit de l'écosystème dans le palmier à huile industriel. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01076-x

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Reçu : 30 juin 2022

Accepté : 01 février 2023

Publié: 02 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41893-023-01076-x

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