Plant species diversity for sustainable management of crop pests and diseases in agroecosystems: a review

Farmers are facing serious plant protection issues and phytosanitary risks, in particular in the tropics. Such issues are food insecurity, lower income in traditional lowinput agroecosystems, adverse effects of pesticide use on human health and on the environment in intensive systems and export restrictions due to strict regulations on quarantine pests and limits on pesticide residues. To provide more and better food to populations in both the southern and northern hemispheres in a sustainable manner, there is a need for a drastic reduction in pesticide use while keeping crop pest and disease damage under control. This can be achieved by breaking with industrial agriculture and using an agroecological approach, whose main pillar is the conservation or introduction of plant diversity in agroecosystems. Earlier literature suggest that increasing vegetational biodiversity in agroecosystems can reduce the impact of pests and diseases by the following mechanisms: (1) resource dilution and stimulo-deterrent diversion, (2) disruption of the spatial cycle, (3) disruption of the temporal cycle, (4) allelopathy effects, (5) general and specific soil suppressiveness, (6) crop physiological resistance, (7) conservation of natural enemies and facilitation of their action against aerial pests and (8) direct and indirect architectural/ physical effects. Here we review the reported examples of such effects on a broad range of pathogens and pests, e.g. insects, mites, myriapods, nematodes, parasitic weeds, fungi, bacteria and viruses across different cropping systems. Our review confirms that it is not necessarily true that vegetational diversification reduces the incidence of pests and diseases. The ability of some pests and pathogens to use a wide range of plants as alternative hosts/reservoirs is the main limitation to the suppressive role of this strategy, but all other pathways identified for the control of pests and disease based on plant species diversity (PSD) also have certain limitations. Improving our understanding of the mechanisms involved should enable us to explain how, where and when exceptions to the above principle are likely to occur, with a view to developing sustainable agroecosystems based on enhanced ecological processes of pest and disease control by optimized vegetational diversification. (Résumé d'auteur

A summary of CIRAD research on pest control (R. reniformis, nematode, and D. brevipes, mealybug associated with wilt), based on the stimulation of natural defenses of the MD2 pineapple in pesticide-free cropping system

We hypothesized that priming pineapple plants could contribute to pest control in a more ecological production system based on rotation with cover crops to benefit from a low initial inoculum (Soler at 2013, a). Here, two examples of present experiments show the potential management of R. reniformis and D. brevipes on the MD2 variety with SAR and ISR induced by appropriate stimulations. The possibility of using them as components of pesticide-free biocontrols is discussed. This is a synthetic presentation of CIRAD's research on this subject; detailed data have recently been published (Soler et al., 2021) or will be published soon, such as during the next ISHS Pineapple Symposium in 2023

L'agriculture brésilienne des fronts pionniers : I. La méthode de création-diffusion agricole. II. La gestion de la fertilité par le système de culture. III. Le semis direct, un mode de gestion agrobiologique des sols

Les fronts pionniers agricoles du Brésil ont atteint la zone tropicale humide de l'Ouest en bordure du bassin amazonien, en savanes (cerrados) : sols acides, sous une pluviométrie annuelle comprise entre 2 000 et 3000 millimètres. Les agriculteurs pionniers ont apporté leur pratique de travail du sol aux disques et la monoculture de soja, en mettant en valeur des exploitations fortement motorisées. Ce système conduit à une érosion catastrophique du sol. Une démarche agronomique participative, appelée création-diffusion, a été élaborée dans différentes régions brésiliennes, dont les cerrados de l'Ouest. Elle a pour but de proposer des systèmes de culture compatibles avec un développement régional durable, reproductibles à grande échelle et au moindre coût. Sur le plan de la diversification des cultures, ils s'appuient sur la production de grains ou de fourrages (soja, riz pluvial, maïs, sorgho, mil, légumineuses et graminées fourragères, plantes de couverture...). Les successions annuelles sont intégrées dans des rotations triennales ou quadriennales. Les systèmes les plus performants et novateurs utilisent systématiquement le semis direct : les cultures principales commerciales ¿ soja, riz pluvial, maïs ¿ sont implantées en semis direct sur d'importantes couvertures végétales fournies par des cultures de mil, de sorgho ou de Crotalaria. Celles-ci fournissent grains ou fourrages et surtout une grande quantité de biomasse nécessaire à l'entretien de la fertilité. Du point de vue de l'agriculteur, ces systèmes apparaissent productifs, lucratifs, stables et offrent une capacité accrue des équipements et une meilleure flexibilité d'utilisatio

Options for Climate-Smart Agriculture at Kaptumo Site in Kenya

This report identifies and assesses climate-smart agricultural practices through participatory appraisal tools with experts and farmers, as part of the MICCA pilot project in Kaptumo, Kenya. The aim is to highlight and add climate-smart practices within the ongoing development programme which aims to integrate climate change adaptation and mitigation with improving livelihoods and productivity of the dairy farming system

Practical Challenges of Using Sunn Hemp as a Cover Crop in the Lower Rio Grande Valley

Sunn hemp (Crotalaria junceae) is an emerging cover crop with many reported benefits such as nitrogen fixation, carbon sequestration, and suppression of weeds and nematodes. Relatively little is known about appropriate ways to inoculate sunn hemp ensuring nitrogen fixation, and diseases that affect sunn hemp within the Lower Rio Grande Valley of Texas. Four sticking agents, peanut oil, jaggery, gum arabic, and water used to aid inoculation of Bradyrhizobium japonicum in sunn hemp was checked on nodulation. Water treatment was least effective. Peanut oil and jaggery treatment showed better performance in overall total nodules, and active nodules. Gum arabic exhibited better main root nodulation and jaggery exhibited best lateral root nodulation. Survey of diseased sunn hemp pathogens found many fungal isolates from diseased sunn hemp, and cross inoculation studies and pathogenicity assays on healthy sunn hemp and sorghum determined some fungal isolates could host on both suggesting a green bridge

Klimasmart jordbruk på små gårder i den etiopiske riftdalen : muligheter for bedre produktivitet, klimatilpasning og redusert utslipp av klimagasser

Climate Smart Agriculture (CSA) is an approach that aims at achieving sustainable food production and security through providing flexible but socially acceptable cultivation methods. For this, CSA seeks to sustainably increase yields, to build resilience to climate variability and change, and to reduce net greenhouse gas (GHG) emissions. Practices commonly subsumed under CSA are, among others, conservation agriculture (CA), agroforestry, inclusion of legumes, use of drought tolerant crop varieties and stress adapted livestock breeds, crop diversification and integrated soil fertility management. The success of implementing CSA practices is context specific and has to be adapted to fit local conditions. Hence, CSA has to be studied under specific regional settings. In my PhD thesis, I set up two conservation tillage plot experiments (Paper I) in the Ethiopian rift valley on soils with contrasting management histories, a high input field at the University farm of Hawassa and a low input field run by smallholders in Lokabaya. The experiments tested increasing levels of maize intensification under zero and conventional tillage, using split plot design, with tillage practices assigned to main plots and intensification levels to sub plots. Maize yields and selected soil properties were studied throughout two seasons. Seed priming with or without compost addition had no effect on maize yields at neither location, whereas mineral fertilizer addition increased yields, particularly when combined with mulching of maize residues at the drier Lokabaya site. However, mulching at a rate of 3 ton ha-1 did not significantly affect yields compared to mineral fertilizer addition alone, despite an increasing trend at Lokabaya. The effect of tillage practice was mixed, with zero tillage showing better (Lokabaya farm 1 in 2015 and Hawassa in 2016) or comparable (Lokabaya both farms 2016, farm 2 in 2015) yields with conventional tillage, with the exception of significantly lower yields at the humid Hawassa site with zero tillage during the dry 2015 season. In general, zero tillage did not lead to a consistent yield penalty at any of the sites (except at Hawassa in the dry 2015 season), suggesting that smallholder farmers in the area could achieve reasonable yields without having to till, thereby saving significant amounts of labor and money. Being a short-term experiment over just two growing seasons, there was no significant effect on soil properties like SOC, TN, bulk density and moisture content. The rift valley region is characterized by a mixed farming system, which faces severe feed shortage for livestock. As a result, there is little if any crop residue retention on the farm level. Together with the very low fertilizer use in the region, this has caused gradual nutrient depletion and soil degradation. Intercropping cereals with forage legumes could remedy this to some degree by contributing good quality fodder for livestock. Together with the retention of N-rich legume residues, this could improve soil quality over time. An experiment was set up (Paper II) using two forage legumes, lablab (Lablab purpureus) and crotalaria (Crotalaria juncea) as intercrop to maize. To explore how intercrops would compete with maize, the intercrops were sown either three or six weeks after sowing maize. Maize yields and land equivalent ratios (LER) were evaluated. The experiment also included plots with forage legumes grown as sole crops in 2015, followed by monocrop maize in 2016 to assess the residual effect of a legume-maize rotation. To account for potential N carryover from legumes grown in the previous year, fertilization rates were reduced by half in 2016 in both maize following sole forage legumes and maize-forage legume intercropping,. LER values up to 1.78 and 1.48 for Hawassa and Lokabaya, respectively, were found for combined lablab and crotalaria intercropped three weeks after maize. This suggests that by integrating these forage legumes into maize, smallholder farmers could benefit by achieving reasonable maize yields, harvesting additional biomass for livestock fodder, improving soil quality over time, and reduce the pressure on crop residues, particularly in dry years. In the 2016 season, with mineral fertilization reduced by 50%, there was no significant maize grain yield loss in any of the treatments involving legumes compared with fully fertilized maize monocrop, despite reduced biomass yields of the forage legumes due to early shading by maize. This suggests that smallholders could achieve reasonable maize yields with reduced fertilization levels while reducing mineral N input, thus contributing to CSA goals. However, the study also showed that rainfall variability has a large impact on legume growth, so that the overall effects of legume intercropping are difficult to predict. Grain legumes are vital sources of cheap protein and cash for smallholder farmers, but their yields are low due to numerous climatic and biophysical constraints. To address these constraints, two field experiments with each two varieties of Haricot bean (Phaseolus vulgaris) and mung bean (Vigna radiata) were set up at Hawassa and Lokabaya to test artificial inoculation with commercially available rhizobia (2015 and 2016) and P addition with and without inoculation (in 2016 only) (Paper III). Symbiotic performance (i.e. biological N fixation) was estimated by the 15N natural abundance method. Inoculation did not significantly affect symbiotic performance or yields irrespective of location or growing season. By contrast, addition of 20 kg P ha-1 together with inoculation resulted in 50% increase of biologically fixed N by both grain legumes at the low-input Lokabaya site but not at the Hawassa site in 2016. Overall, haricot bean fixed 71 to 99 kg ha-1 N at the more fertile Hawassa site but only 17 to 36 kg ha-1 N at the less fertile Lokabaya site. This means that while rhizobial inoculation and P addition may increase the amount of N derived from the atmosphere to >50%, N yields remained small at Lokabaya, suggesting that in order to close the yield gap commonly experienced by smallholder farmers in the rift valley, long term integrated nutrient management would be needed. The yield difference between the sites was smaller for mung bean and the response to P addition more positive at the low-input Lokabaya site, suggesting that mung bean could be a suitable grain legume for smallholders with marginal soils. As highlighted in Paper II, inclusion of legumes could be an important component of CSA by improving overall productivity and yield stability as well as soil fertility in the long run. However, using legumes to intensify maize production also entails increased risk of nutrient losses to water and atmosphere, including emission of the strong climate gas nitrous oxide (N2O). Intensified maize production could also reduce the soil’s ability to take up and oxidize atmospheric methane. N2O emissions and CH4 uptake were therefore measured throughout two cropping seasons in selected treatments of the maize-legume intercropping experiment at Hawassa (Paper IV). In the first season (2015), representing a drought year, cumulative N2O emissions were largest in lablab intercropped 3 weeks after sowing maize, with all other treatments being equal or lower than the fertilized maize monocrop. After reducing mineral N input to intercropped systems by 50 % in the second season, N2O emissions were comparable with the fully fertilized maize monocrop. Maize yield-scaled N2O emissions in the first season increased linearly with aboveground legume N-yield (p = 0.01), but not in the second season (p = 0.31), when early rains resulted in less legume biomass because of shading by maize. Growing season N2O-N emission factors varied from 0.02 to 0.25 and 0.11 to 0.20 % of the estimated total N input in 2015 and 2016, respectively. Growing season CH4 uptake ranged from 1.0 to 1.5 kg CH4-C ha−1 with no significant differences between treatments or years, but setting off the N2O-associated global warming potential by up to 69 %. These results suggest that leguminous intercrops entail some risk for increased N2O emissions when developing high aboveground biomasses in dry years. In return legume N can replace some of the fertilizer N without compromising maize yields in the following year, thus supporting CSA goals while intensifying crop production in the region.Klimasmart jordbruk er veien til bærekraftig og robust matproduksjon gjennom fleksible og sosialt akseptable dyrkingsmetoder. Felles mål er en planteproduksjon som er robust mot variasjon og endringer i klima og gir økte avlinger, samt reduserte utslipp av klimagasser. Dyrkingspraksis som vanligvis assosieres med begrepet klimasmart jordbruk omfatter bl.a. miljøvennlig jordbruk, agro-skogbruk, bruk av belgvekster og tørketolerante vekster/sorter, tørketilpassete husdyrraser, bredde i vekstvalg og integrert jordkultur praksis. Implementering av klimasmart dyrkingspraksis må tilpasses lokale naturgeografiske og sosiale forhold. Dette betyr at klimasmarte jordbruksmetoder må studeres på et regionalt nivå. I min PhD-avhandling har jeg utført sammenlignende feltforsøk i den etiopiske Riftdalen på arealer med ulik dyrkingshistorie (artikkel I) på gårdsbruket til Universitet i Hawassa hvor det har vært rikelig tilførsel av næringsstoffer og organisk materiale over lang tid og i et felt drevet av lokale bønder i Lokabaya som tradisjonelt har tilført jord lite næring og organisk materiale. På begge stedene ble det gjennomført forsøk med gradvis intensifiering av maisdyrking ved å legge til flere og flere innsatsfaktorer. Intensiveringen ble prøvd ut i ruteforsøk med og uten jordarbeiding (ingen vs. konvensjonell pløying). Avlinger av mais og utvalgte jordparametere ble registret gjennom to vekstsesonger. Bløtlegging av såfrø i kombinasjon «med» og «uten» kompost hadde ingen innvirkning på maisavlingene. Tilførsel av mineralgjødsel økte avlingene, spesielt når det i tillegg ble tilført planterester av mais som dekke under de tørre forholdene i Lokabaya men tilførsel av 300 kg planterester pr dekar alene førte til ingen signifikant avlingsøkning sammenlignet med mineralgjødsel. Virkningen av jordarbeidingsmetode varierte med år og sted. Upløyd jord ga enten større eller lik avling sammenlignet med pløyd jord, med unntak av i Hawassa i det tørre året 2015. Total sett, ga upløyd jord vel så gode avlinger som konvensjonell jordarbeiding. Dette indikerer at bønder i Riftdalen kan oppnå brukbare avlinger uten konvensjonell jordarbeiding og dermed spare både arbeidstid og penger. I disse kortvarige feltforsøkene var det imidlertid ingen signifikante effekter på innhold av organisk materiale, total nitrogen, tetthet eller vanninnhold i jorda. Riftdalen er dominert av allsidig dyrkingspraksis med mye dyrehold. Stort fôrbehov fører til at lite eller ingen planterester føres tilbake til jorda. Når det i tillegg brukes lite gjødsel, fører dette til utarming av jorda og redusert jordkvalitet. I denne situasjonen kan belgvekster spille en viktig rolle ved å gi fôr av god kvalitet og i tillegg produsere nitrogenrike planterester som over tid gi bedre jordkvalitet. Det ble derfor etablert feltforsøk med to fôrbelgvekster, lablab (Lablab purpureus) and crotalaria (Crotalaria juncea) som undervekst i mais (artikkel II). For å undersøke hvordan underveksten konkurrerte med hovedveksten, ble underveksten sådd tre eller seks uker etter at maisen ble sådd. Avlingen av mais og arealeffektivitet av dyrkingssystemet ble målt. Forsøket inkluderte også fôrbelgvekster sådd som eneste vekst i 2015 og fulgt av mais i 2016 for å studere virkningen av forgrøden. I dette forsøket ble gjødselmengden redusert til det halve i 2016 både i fôrbelgvekst-mais vekstskiftet og ved bruk av fôrbelgvekst som undervekst i mais for å ta hensyn til belgvekstenes nitrogenfiksering. Lablab og crotalaria som undervekst førte i 2015 til en arealeffektivitet på 1,78 og 1,48 for henholdsvis Hawassa og Lokabaya når underveksten ble sådd 3 uker etter hovedveksten. Dette indikerer at bruk av en fôrbelgvekst som undervekst kan være fordelaktig fordi bøndene oppnår brukbare avlinger av mais, samtidig som de kan høste fôr til husdyra, oppnå bedre jordkvalitet over tid og redusere bortføring av planterester, spesielt i tørre år. Reduksjon av mengden mineralgjødsel til 50% in 2016 førte ikke til signifikant avlingsnedgang for behandlinger som inkluderte bruk av fôrbelgvekster sammenlignet med normal mengde mineralgjødsel alene til tross for reduserte avlinger av fôrbelgveksten på grunn av tidlig skyggevirkning fra maisbestanden. Dette tilsier at belgvekster, både som undervekst og i vekstskifte kan være et viktig bidrag til klimasmart jordbruk i Riftdalen. Variasjonen i nedbør hadde imidlertid stor innvirkning på avlingen av fôrbelgvekster, noe som gjør det vanskelig å forutsi effekten av underveksten. Belgvekster er en viktig protein- og inntektskilde for lokale bønder, men avlingene er ofte lave. For å studere om mangel av smitte (inokulering) med nitrogenfikserende rhizobiebakterier og/eller fosforgjødsling virker begrensende på belgvekster i Riftdalen, ble det anlagt toårige feltforsøk (2015 og 2016) med hver to sorter av kenyabønner (Phaseolus vulgaris) and mungbønner (Vigna. radiata) i Hawassa og Lokabya (artikkel III). Symbiotisk nitrogenfiksering ble estimert fra forskjellen i naturlig 15N forekomst i belgvekstene og ikke-leguminøse referanseplanter. Smitte med kommersielt tilgjengelig rhizobium hadde ikke noe signifikant effekt på symbiotisk aktivitet (i.e. biologisk nitrogenfiksering) eller tørrstoffavlinger på noen av stedene. Tilførsel av 2 kg fosfor pr dekar sammen med inokulering ga derimot ~50% økning i biologisk nitrogenfiksering for begge belgvekstene på den næringsfattige jorda i Lokabaya, men ikke på Hawassa i det mer fuktige år 2016. I gjennomsnitt fikserte kenyabønner 7.1 til 9.9 kg nitrogen pr dekar på den fruktbare jorda på Hawassa, men bare 1.7 til 3.6 kg nitrogen pr dekar på den næringsfattige jorda i Lokabaya. Dette betyr at mens inokulering med rhizobium og tilførsel av fosfor kan øke mengden fiksert nitrogen fra atmosfæren med mer enn 50%, så forblir den fikserte nitrogenmengden lav i den næringsfattige jorda i Lokabaya. For å redusere avlingsgapet for belgvekster som bønder erfarer i Riftdalen, er det derfor nødvendig med langsiktig integrert tilførsel av næringsstoffer som fosfor. Avlingsforskjellen mellom forsøksstedene var mindre for mungbønner og responsen for fosfortilførsel mer positiv på den næringsfattig jorden i Lokabaya. Dette indikerer at mungbønner kan være en passende belgvekst for bønder med næringsfattig jord. Som pekt på i artikkel II, kan inkludering av belgvekster i dyrkingssystemet bli en viktig faktor i klimasmart jordbruk ved å forbedre produktiviteten og stabilitet av avlinger så vel som å bedre jordas kvalitet over tid. Imidlertid vil bruk av belgvekster for å intensifiere maisproduksjonen også øke risikoen for tap av næringsstoffer til vann og utslipp av lystgass (N2O) til atmosfæren. Videre kan økt bruk av belgvekster påvirke jordas evne å ta opp metan (CH4). Utslipp av N2O og opptak av CH4 ble derfor målt studert over to vekstsesonger i utvalgte behandlinger i mais-belgvekst samdyrkingssystemet i Hawassa (Paper IV). I første vekstsesong som var et tørt år, ble det observert høyest utslippet av N2O der lablab ble sådd tre uker etter hovedveksten. Alle andre behandlinger hadde likt eller lavere utslipp sammenlignet med gjødslet mais. Etter å ha redusert mengden nitrogen i mineralgjødsel med 50% i samdyrkingssystemet i andre vekstsesong var N2O utslippene sammenlignbare med gjødslet mais. I forhold til avlingene av mais økte N2O utslippene lineært med nitrogenmengden i avlingene av belgvekstene i første vekstsesong. Dette var ikke tilfelle i andre vekstsesong da tidlig regn resulterte i mindre vekst av belgvekstene på grunn av skyggevirkning fra maisen. Utslippet av N2O-N i løpet av vekstsesongen varierte fra 0.02 til 0.25% og 0.11 til 0.20% av estimert nitrogentilførsel i henholdsvis 2015 og 2016. Opptak av CH4 i vekstsesong varierte fra 0.10 to 0.15 kg CH4-C daa−1, dog uten noen signifikante forskjeller mellom behandlinger og år. Likevel så motvirker CH4 opptaket det samlete klimagasutslipp med 69%. Resultatene tyder på at høytytende belgvekster som undervekst innebærer noe risiko for økt utslipp av N2O når belgvekstene utvikler mye biomasse i tørre år. Derimot kan behovet for nitrogengjødsel reduseres uten å redusere avlingene av mais i det påfølgende år, noe som gir en klimagevinst. Dette passer godt inn i klimasmart jordbruk samtidig som en produserer mer fôr og mat i regionen

The agroecological transition of agricultural systems in the Global South

Food security, jobs, ecological transition of agricultural production models and consumption patterns... Agroecology could be one of the solutions to meet the future challenges of humanity. Part of the United Nation's 17 Sustainable Development Goals, it requires a lasting commitment from all of us. To meet the food and economic needs of growing rural and urban communities, fulfil increasingly demanding consumer requirements, conserve natural resources and adapt to climate change, we have to find new ways of agricultural production. Over the last decade, CIRAD and AFD have conducted experiments in agroecological transitions with farmers, researchers, development agents and policymakers in many countries of the Global South. In this book, they reflect on the future of agroecology as a way for agriculture in the developing world to adapt to global changes and they examine the conditions necessary for a successful agroecological transition