Cattle Ranching in Eco-efficient Landscape. Understanding and modeling livestock intensification dynamics in Eastern Brazilian Amazon farms

Après 50 ans d’avancée des fronts pionniers, l’Amazonie orientale brésilienne aborde une phase de transition agraire. Face à la fermeture de la frontière limitant l’accès au foncier et à la fertilité forestière, les éleveurs bovins ont initié un mouvement d’intensification de l’usage des sols. Malgré les enjeux environnementaux que soulèvent de tels changements, cette dynamique d’intensification est encore mal comprise, notamment dans sa dimension spatiale et dans sa capacité à favoriser des paysages éco-efficients, c’est-à-dire des paysages au sein desquels les pratiques et leur localisation optimiseraient l’utilisation des ressources naturelles. Pour adresser ces questions, cette thèse propose de décrire et modéliser les interactions entre le système de décision des exploitants, les paysages et leurs ressources dans une diversité de fermes d’élevage.Dans un premier temps, un travail de terrain a été conduit dans deux territoires au sud et sud-est de l’Etat du Pará, Paragominas et Redenção. A partir d’enquêtes et d’une analyse des trajectoires d’exploitation et des paysages, nous avons caractérisé six types de stratégies d’intensification, qualifié leurs effets sur un certain nombre de ressources naturelles et étudié les perceptions des éleveurs sur ces ressources. Dans un deuxième temps, nous avons développé un modèle multi-agents afin de simuler sur 20 ans les effets des stratégies d’intensification sur les paysages et leurs ressources et évaluer la faisabilité d’adoption de ces stratégies dans différentes situations agraires. Le modèle a été utilisé pour explorer deux scénarios d’intensification : l’un semi-intensif basé uniquement sur une conduite améliorée des pâturages, et l’autre intensif basé sur l’intégration agriculture-élevage et l’irrigation.Les résultats montrent que le processus d’intensification conduit à une reconfiguration des usages des sols dans les paysages. Après une phase de colonisation où l’occupation des sols était essentiellement guidée par l’appropriation du foncier, les éleveurs ont tendance à intensifier les parcelles aux conditions biophysiques les plus favorables à la production fourragère et les plus proches et accessibles. Ces stratégies visent à mieux valoriser diverses ressources naturelles (topographie, fertilité et drainage des sols, eau de surface ou souterraine pour l’irrigation) et à optimiser les déplacements. Les éleveurs choisissent toutefois différentes pratiques et agencements spatiaux en fonction de la situation agraire de l’exploitation et du degré d’hétérogénéité de l’environnement biophysique. Par ailleurs, les sorties des simulations soulignent que le processus d’intensification permet de réduire les besoins en surface fourragère pour un même niveau de production animale. Les éleveurs sont ainsi capables d’augmenter la taille de leur troupeau tout en régénérant des forêts sur les zones sensibles et marginales. Cependant, faute de main d’œuvre disponible, le processus d’intensification reste limité dans l’espace. En termes d’évolution des paysages, les éleveurs positionnent différemment les usages des sols en fonction du type d’unités géomorphologiques, ce qui se traduit par une dynamique spatio-temporelle des ressources naturelles contrastée.Concilier élevage et forêt dans des paysages éco-efficients constitue un défi important pour la région amazonienne. A cet effet, cette thèse montre l’importance de raisonner les espaces voués à l’intensification et à la conservation en tenant compte des projets des exploitations et des effets de leurs pratiques et de leur agencement sur les ressources naturelles. Elle identifie plusieurs leviers et blocages pour accompagner cette transition. Enfin, elle suggère de futures perspectives de recherche portant sur la compréhension des décisions, la modélisation et l’élargissement de l’échelle d’analyse afin d’apprécier l’influence de facteurs externes sur les stratégies et intégrer un plus grand nombre d’interactions écologiques et sociales.After 50 years of agricultural expansion in Eastern Brazilian Amazon, environmental policy to reduce deforestation and a set of socio-economic drivers are putting constraints on extensive cattle ranching systems. In response, land use intensification has been gaining momentum as a way to improve livestock production in limited land areas and conserve forest. The process of land-use intensification is poorly understood in this region, particularly in its spatial dimension and in its contribution towards building eco-efficient landscapes, i.e. landscapes where practices and their spatial distribution optimize the use of natural resources. In this regard, the purpose of this research is to document and model the interactions between cattle ranchers’ decisions, landscapes and natural resources in a diversity of cattle farms.Firstly, we conducted a field research in two livestock-oriented regions of Pará state, Paragominas and Redenção. Drawing on interviews, landscape and farm trajectories analysis, we characterized six patterns of intensification, studied what perceptions cattle ranchers have on certain types of natural resources and described the effects of land-use management on such resources. Secondly, we developed an Agent-Based Model to simulate over 20 years the effects of intensive farming strategies on landscape and their natural resources, and assess the feasibility of adopting such management in various agrarian situations. We used the model to compare two scenarios of intensification: one semi-intensive solely based on improved pasture managenement and one intensive based on crop-livestock integration and irrigation.The results show that the process of intensification has led to a spatial rearrangement of land uses. Cattle ranchers prefer to intensify fields with the best biophysical conditions for forage production, as well as those closest to and most accessible from the farmstead. The intensification strategies aim at enhancing the use of multiple natural resources (topography, soil fertility, soil drainage, access to surface and groundwater for irrigation) and optimizing land-use configuration at farm scale. By contrast, during the colonization period, land-use organization was much less correlated to the spatial distribution of natural resources (except for soil fertility from forest ash and surface water), the main goal of farmers being land appropriation. Nevertheless, choice of farming practices and their spatial location differ among farms and according to the degree of heterogeneity of biophysical conditions. Moreover, simulation results show that the process of intensification can reduce the area necessary for animal production. Thus, cattle ranchers can increase herd size while sparing land for forest regeneration. However, low labor availability limits the spatial extent of land-use intensification at farm scale. In terms of landscape dynamics, cattle ranchers locate land-uses according to geomorphological units differently, which leads to various spatio-temporal dynamics of natural resources.Reconciling cattle ranching production and forest conservation in eco-efficient landscape remains an important challenge for Brazilian Amazon. The findings illustrate the importance of assessing the landscape areas most suitable for agricultural intensification and for conservation drawing on knowledge about cattle ranchers projects and the effects of their practices and spatial location on natural resources. Several opportunities and challenges are identified to tackle such challenge. New research perspectives related to decisions understanding, modeling and extension of the scale of analysis are proposed in order to take into account the influence of external factors on decisions and include more ecological and social interactions

Élever des bovins dans des paysages éco-efficients. Comprendre et modéliser le processus d’intensification dans les fermes d’élevage d’Amazonie orientale brésilienne

After 50 years of agricultural expansion in Eastern Brazilian Amazon, environmental policy to reduce deforestation and a set of socio-economic drivers are putting constraints on extensive cattle ranching systems. In response, land use intensification has been gaining momentum as a way to improve livestock production in limited land areas and conserve forest. The process of land-use intensification is poorly understood in this region, particularly in its spatial dimension and in its contribution towards building eco-efficient landscapes, i.e. landscapes where practices and their spatial distribution optimize the use of natural resources. In this regard, the purpose of this research is to document and model the interactions between cattle ranchers’ decisions, landscapes and natural resources in a diversity of cattle farms.Firstly, we conducted a field research in two livestock-oriented regions of Pará state, Paragominas and Redenção. Drawing on interviews, landscape and farm trajectories analysis, we characterized six patterns of intensification, studied what perceptions cattle ranchers have on certain types of natural resources and described the effects of land-use management on such resources. Secondly, we developed an Agent-Based Model to simulate over 20 years the effects of intensive farming strategies on landscape and their natural resources, and assess the feasibility of adopting such management in various agrarian situations. We used the model to compare two scenarios of intensification: one semi-intensive solely based on improved pasture managenement and one intensive based on crop-livestock integration and irrigation.The results show that the process of intensification has led to a spatial rearrangement of land uses. Cattle ranchers prefer to intensify fields with the best biophysical conditions for forage production, as well as those closest to and most accessible from the farmstead. The intensification strategies aim at enhancing the use of multiple natural resources (topography, soil fertility, soil drainage, access to surface and groundwater for irrigation) and optimizing land-use configuration at farm scale. By contrast, during the colonization period, land-use organization was much less correlated to the spatial distribution of natural resources (except for soil fertility from forest ash and surface water), the main goal of farmers being land appropriation. Nevertheless, choice of farming practices and their spatial location differ among farms and according to the degree of heterogeneity of biophysical conditions. Moreover, simulation results show that the process of intensification can reduce the area necessary for animal production. Thus, cattle ranchers can increase herd size while sparing land for forest regeneration. However, low labor availability limits the spatial extent of land-use intensification at farm scale. In terms of landscape dynamics, cattle ranchers locate land-uses according to geomorphological units differently, which leads to various spatio-temporal dynamics of natural resources.Reconciling cattle ranching production and forest conservation in eco-efficient landscape remains an important challenge for Brazilian Amazon. The findings illustrate the importance of assessing the landscape areas most suitable for agricultural intensification and for conservation drawing on knowledge about cattle ranchers projects and the effects of their practices and spatial location on natural resources. Several opportunities and challenges are identified to tackle such challenge. New research perspectives related to decisions understanding, modeling and extension of the scale of analysis are proposed in order to take into account the influence of external factors on decisions and include more ecological and social interactions.Après 50 ans d’avancée des fronts pionniers, l’Amazonie orientale brésilienne aborde une phase de transition agraire. Face à la fermeture de la frontière limitant l’accès au foncier et à la fertilité forestière, les éleveurs bovins ont initié un mouvement d’intensification de l’usage des sols. Malgré les enjeux environnementaux que soulèvent de tels changements, cette dynamique d’intensification est encore mal comprise, notamment dans sa dimension spatiale et dans sa capacité à favoriser des paysages éco-efficients, c’est-à-dire des paysages au sein desquels les pratiques et leur localisation optimiseraient l’utilisation des ressources naturelles. Pour adresser ces questions, cette thèse propose de décrire et modéliser les interactions entre le système de décision des exploitants, les paysages et leurs ressources dans une diversité de fermes d’élevage.Dans un premier temps, un travail de terrain a été conduit dans deux territoires au sud et sud-est de l’Etat du Pará, Paragominas et Redenção. A partir d’enquêtes et d’une analyse des trajectoires d’exploitation et des paysages, nous avons caractérisé six types de stratégies d’intensification, qualifié leurs effets sur un certain nombre de ressources naturelles et étudié les perceptions des éleveurs sur ces ressources. Dans un deuxième temps, nous avons développé un modèle multi-agents afin de simuler sur 20 ans les effets des stratégies d’intensification sur les paysages et leurs ressources et évaluer la faisabilité d’adoption de ces stratégies dans différentes situations agraires. Le modèle a été utilisé pour explorer deux scénarios d’intensification : l’un semi-intensif basé uniquement sur une conduite améliorée des pâturages, et l’autre intensif basé sur l’intégration agriculture-élevage et l’irrigation.Les résultats montrent que le processus d’intensification conduit à une reconfiguration des usages des sols dans les paysages. Après une phase de colonisation où l’occupation des sols était essentiellement guidée par l’appropriation du foncier, les éleveurs ont tendance à intensifier les parcelles aux conditions biophysiques les plus favorables à la production fourragère et les plus proches et accessibles. Ces stratégies visent à mieux valoriser diverses ressources naturelles (topographie, fertilité et drainage des sols, eau de surface ou souterraine pour l’irrigation) et à optimiser les déplacements. Les éleveurs choisissent toutefois différentes pratiques et agencements spatiaux en fonction de la situation agraire de l’exploitation et du degré d’hétérogénéité de l’environnement biophysique. Par ailleurs, les sorties des simulations soulignent que le processus d’intensification permet de réduire les besoins en surface fourragère pour un même niveau de production animale. Les éleveurs sont ainsi capables d’augmenter la taille de leur troupeau tout en régénérant des forêts sur les zones sensibles et marginales. Cependant, faute de main d’œuvre disponible, le processus d’intensification reste limité dans l’espace. En termes d’évolution des paysages, les éleveurs positionnent différemment les usages des sols en fonction du type d’unités géomorphologiques, ce qui se traduit par une dynamique spatio-temporelle des ressources naturelles contrastée.Concilier élevage et forêt dans des paysages éco-efficients constitue un défi important pour la région amazonienne. A cet effet, cette thèse montre l’importance de raisonner les espaces voués à l’intensification et à la conservation en tenant compte des projets des exploitations et des effets de leurs pratiques et de leur agencement sur les ressources naturelles. Elle identifie plusieurs leviers et blocages pour accompagner cette transition. Enfin, elle suggère de futures perspectives de recherche portant sur la compréhension des décisions, la modélisation et l’élargissement de l’échelle d’analyse afin d’apprécier l’influence de facteurs externes sur les stratégies et intégrer un plus grand nombre d’interactions écologiques et sociales

Analysis of Fallow Land Dynamics

Python scripts for CDL data processin

Cartografia da textura dos solos à partir do relevo na Amazônia oriental

International audienc

A systematic review of methods for assessing the performance of conservation agriculture and its ability to cope with climate change in temperate zones

International audienceCropping systems in temperate zones are suffering from climate change, which is expected to cause even more damage in the future. Beyond the changes in mean conditions of temperature and rainfall, the increased intensity and frequency of extreme weather events (e.g. droughts, heat waves, heavy rainfall or windy episodes) are expected to increase. Historical intensive farming practices, including deep inversion tillage and monoculture, are known to increase vulnerability of cropping systems to such climate hazards, for example by increasing soil erosion or hydric stress. Conservation Agriculture (CA), based on three crop management principles (minimum mechanical soil disturbance, soil cover, and crop diversification), has received strong attention as an alternative for addressing the negative impacts of climate change on cropping systems. The effects of CA on the performance of cropping systems have been discussed in an increasing number of studies and some meta-analysis has evaluated its potential on crop productivity or soil protection. But no recent synthesis provides a description of the research activity on CA’s ability to cope with climate hazards.This systematic literature review (SLR) aims to gather studies assessing the effectiveness of CA in the face of climate change in temperate zones and synthesize information related to a diversity of contexts (type of soil, geographic location), study design, set of practices, and evaluated performance.Our SLR approach was guided by Cochrane and Prisma protocols. We first conducted a bibliographic search in the Web of Science to retrieve peer-reviewed English articles on the topic. After screening their titles and abstracts, we excluded off-topic papers and selected the ones that meet five eligibility criteria: (i) study has been conducted in a temperate zone; (ii) it involved one of the nine crops of interest (maize, wheat, barley, sorghum, sunflower, soybean, canola, triticale, pea); (iii) it included at least one CA practice; (iv) it was performed at the plot or farm scale, and (v) it assessed the effectiveness of CA to limit the negative impacts of climate change on cropping systems. A final subset of 163 articles was analyzed and we present here a synthesis of the information we extracted.Preliminary results showed that most of the selected studies rely on experimental data collected at the plot level over short periods of time (< 5 years) in past and current climatic conditions. Model-based approaches in future conditions are still scarce. With regards to the choice of CA practices to be evaluated, few studies combined simultaneously the three principles of CA. A very large number of studies have evaluated the effects of tillage reduction, often in combination with increased organic soil cover, while very few studies have tested crop sequences with at least three crops. In terms of performance, we found a broad range of indicators. However, most studies focused on crop productivity and/or soil physical performance. Yet, few studies used an integrated assessment of the farming systems including social and economic attributes such as income, work time, or farmer satisfaction.Thanks to this synthesis of methods, contexts, and indicators used to assess CA performance in the face of climate change, we were able to identify advances and gaps, as well as new priorities for CA research. The SLR revealed a need for both (i) a system approach to better understand the combined effects of the three different CA practices and their dynamics over time, and (ii) an integrated assessment of CA multi-performance. An interdisciplinary approach could help to address these two points, and would provide more comprehensive information for agricultural advising and public policies

Linking landscape patterns and farm trajectories: a prerequisite to design eco-efficient landscapes in agricultural frontiers of Brazilian Eastern Amazon

International audienc

Soil texture derived from topography in North-eastern Amazonia

International audienceWe present a 1:100,000 scale soil texture map of the Paragominas county (Pará, Brazil), covering 19,330 km². The method allows rapid production of a soil texture map of a large area where the strength of a duricrust controls the relief. It is based on an easily accessible explanatory variable, topography, which is represented by a Digital Elevation Model. The method makes it possible to map the spatial distribution of the texture of the topsoil layer. Modelling was complemented by field observations to identify the laws governing the spatial organisation of soil textures. The spatial variability of the elevation above sea level of the duricrust was obtained by Kriging. The error rate of the resulting map is 26%, and the observations of the four soil texture units were respectively 78%, 90%, 41% and 60% accurately located