Slash-and-mulch: exploring the role of shrub-based agroforestry systems for smallholder farmers in the Sahel / Georges F. Félix Lancelloti

Thesis Doctor Wageningen University 2019

Bibliografía: páginas 121-144

Chapter 1: General Introduction.. Chapter 2: Enhancing agroecosystem productivity with woody perennials in semi-arid West Africa. A meta-analysis.. Chapter 3: Ramial wood amendments (Piliostigma reticulatum) mitigate degradation of tropical soils but do not replenish nutrient exports.. Chapter 4: On-farm experimentation with shrub-based agroforestry mulches in dryland Burkina Faso: Making sense of heterogeneity.. Chapter 5: Use and management of biodiversity by smallholder farmers in semi-arid West Africa.. Chapter 6: General Discussion.. References.. Summary.. Samenvatting.. Resumen.. Résumé.. Acknowledgements.. About the author.. List of publications.. PE&RC Training and Education Statement.. Fundin

Acceso en línea sin restricciones

Esta tesis tiene como objetivo explorar el papel que juegan los sistemas agroforestales con arbustos nativos y el uso de enmiendas leñosas a base de arbustos para pequeños agricultores en el Sahel. Se exploraron opciones efectivas y de bajo costo para restaurar la capacidad productiva del suelo, abordadas como la combinación entre una mejor calidad del suelo y un mejor rendimiento del cultivo. A través de revisión de literatura y con resultados experimentales, tanto en la estación como en la granja, la tesis examina la viabilidad de las enmiendas del suelo de origen arbustivo para los agricultores de subsistencia de secano en Burkina Faso. Los cuellos de botella y las limitaciones de la práctica se discuten y analizan críticamente desde una perspectiva agroecológica. En el Capítulo 1, Introducción general, se describen los problemas relacionados con la degradación del suelo para los países de África occidental semiárida. El enfoque científico utilizado para analizar y explorar las opciones de rediseño para los sistemas agrícolas del Sahel se basa en principios ecológicos (es decir, diversidad, sinergias, interacciones, reciclaje y eficiencia) aplicados a la producción agrícola. Los sistemas agroforestales se consideran una opción prometedora para desarrollar resistencia a la sequía en las tierras secas. Si bien se ha documentado mucho sobre el impacto de los árboles en los campos agrícolas, no se ha publicado mucho sobre el uso de especies de arbustos nativos en combinación con cultivos anuales. La degradación del suelo en África occidental semiárida puede revertirse mediante una aplicación intensificada de materia orgánica, especialmente en suelos pesados. Las plantas perennes leñosas han sido utilizadas en la región para asegurar fuentes renovables de materia orgánica y mejorar la capacidad productiva del suelo, sin embargo, los mecanismos por los cuales las plantas perennes proporcionan beneficios a los suelos y cultivos siguen siendo poco conocidos, y no existen recomendaciones agronómicas generalizables y eficientes. Los efectos de los árboles y arbustos en las propiedades del suelo y en los rendimientos de los cultivos en África occidental semiárida (<1000 mm año1) se revisaron y los datos se compilaron en un meta-análisis en el Capítulo 2. Los objetivos específicos de este meta-análisis fueron (i) describir y (ii) cuantificar los efectos de la presencia de plantas perennes leñosas y de enmiendas de madera y hojas en la productividad del cultivo y las características del suelo, e (iii) identificar recomendaciones generales sobre la integración de plantas perennes con cultivos. Se realizó una búsqueda sistemática en base de datos con palabras clave para recopilar literatura relevante. La cadena de búsqueda constaba de cuatro partes: fuente, práctica, respuestas y países de interés. En total, 26 referencias sobre parques agroforestales y 21 sobre enmiendas leñosas se incluyeron en la meta-base de datos (314 entradas, 155 para parques y 159 para madera y hojas). Se demostró que: (1) la presencia de arbustos y árboles en los campos agrícolas tuvo un efecto generalmente positivo pero variable sobre el C total del suelo (es decir, +20 a 75%); (2) los rendimientos de mijo y sorgo a menudo fueron mayores en presencia de arbustos (-25 a + 120%); (3) se observó una mayor variabilidad del rendimiento en presencia de árboles (-100 a + 200%); y (4) el uso de madera y hojas a base de arbustos y árboles dio como resultado rendimientos de cereales iguales o mayores en comparación con el control (-30 a + 100%). Mejorar el uso de los procesos impulsados por la biodiversidad en los sistemas agrícolas de África occidental puede proporcionar beneficios para los ecosistemas en general, pero la elección de las especies y las compensaciones percibidas a nivel de granja, incluida la gestión laboral y la baja disponibilidad de madera y hojas como enmiendas, deberían abordarse a través de investigaciones futuras. El objetivo del estudio presentado en el Capítulo 3 fue evaluar en la estación experimental la técnica de un agricultor local que utiliza madera y hojas (RW, por sus siglas en inglés) como enmienda del suelo (especies de arbustos Piliostigma reticulatum). Se aplicaron tres tratamientos en una parcela experimental en Burkina Faso: control (sin enmiendas), poco-RW (3 Mg FM ha-¹ año-¹) y mucho-RW (12 Mg FM ha-¹ año-¹). El RW se troceó en piezas de <5 cm y se enterró o cubrió con mantillo, según el tratamiento. El carbono de la capa superficial del suelo (C), el nitrógeno (N) y el fósforo (P) en los tratamientos de control y bajo RW disminuyeron después de siete años de cultivo continuo de sorgo. El uso de la enmienda de alto RW estabilizó el contenido de C del suelo mientras que el N y el P disminuyeron, por lo que no reponían las exportaciones de nutrientes. spa

La contribución neta al suelo C en la capa de 0-15 cm fue del 15% del C aplicado en las enmiendas de alto RW. Si bien los rendimientos de biomasa y granos fueron más altos en los tratamientos de alto RW, la productividad del cultivo disminuyó durante todo el experimento para todos los tratamientos. Los moldes de termitas en los tratamientos de RW evidenciaron el papel potencial de las termitas recolectoras de madera para diluir el impacto de RW en la acumulación de fertilidad del suelo y el contenido de agua del suelo. Por lo tanto, mitigar la degradación del suelo en condiciones semiáridas en Burkina Faso requeriría grandes cantidades de enmiendas leñosas, particularmente si el nivel de actividad de termitas es alto. Se podrían necesitar fuentes de nutrientes adicionales para compensar la eliminación en los productos exportados de forma que la producción de biomasa y granos se pueda estabilizar o aumentar. En el Capítulo 4, se probó el impacto de las enmiendas de madera y hojas (RW) en los rendimientos de los cultivos en los parques agroforestales basados en arbustos de Piliostigma reticulatum en el semiárido de Burkina Faso, utilizando cantidades variables de material de arbusto. La prueba comparó resultados entre ocho parcelas experimentales dirigidas por agricultores. Las propiedades del suelo y la productividad del cultivo fueron monitoreadas durante tres años consecutivos. Los métodos participativos permitieron caracterizar tres "clases locales de suelo" que describen la heterogeneidad espacial. El conocimiento local del suelo permitió dar sentido a los efectos heterogéneos observados del acolchado en el rendimiento del cultivo. Los acolchados a base de arbustos mejoraron la productividad de los cultivos en suelos "poco profundos" y "arenosos", pero su uso no se recomendó en suelos "arcillosos" ya que las inversiones en mano de obra adicional no se ven compensadas por los beneficios de rendimiento de los cultivos a corto y mediano plazo. Rara vez la investigación se ha dirigido al rediseño de prácticas de manejo agrícola basadas en el conocimiento del suelo indígena. Las estrategias que fortalecen y utilizan la biodiversidad son cruciales para la producción alimentaria sostenida y los medios de vida en el África occidental semiárida. El objetivo del Capítulo 5 era examinar el papel de la biodiversidad en el mantenimiento de diversas formas de prácticas agrícolas multifuncionales y al mismo tiempo proporcionar servicios ecológicos a las familias de agricultores orientados a la subsistencia en la región de estudio a través de mecanismos tales como (a) la diversificación de especies de cultivos, (b) la gestión de la heterogeneidad espacial, y (c) la diversificación de paisajes sensibles a la nutrición. El análisis muestra que las asociaciones de cultivos entre cereales y leguminosas o entre plantas perennes y anuales tienen efectos positivos generales sobre las características del suelo y a menudo mejoran los rendimientos de los cultivos. La heterogeneidad del suelo es producida por plantas perennes leñosas y termitas. La gestión local brinda oportunidades para recolectar una diversidad de especies ricas en nutrición durante todo el año y mantener la nutrición del hogar. En el Capítulo 6, Discusión General, se examinan críticamente los hallazgos de los capítulos anteriores. Los ecosistemas sudano-sahelianos producen una cantidad limitada de biomasa aérea que se puede utilizar para la degradación del suelo. En conclusión, los beneficios percibidos por los agricultores de las perennes leñosas dispersas en los parques agroforestales presentan varios aspectos, que incluyen la mejora de la capacidad productiva del suelo, la contribución a la nutrición de los hogares y la provisión de oportunidades para que la biodiversidad prospere en los campos agrícolas. En comparación con los árboles, los arbustos leñosos nativos muestran menos desventajas para el crecimiento de los cultivos. Además, el uso de enmiendas de madera y hojas a base de arbustos mejora las condiciones del suelo y no es perjudicial para los rendimientos de los cultivos a corto plazo. Las cantidades de material arbustivo necesarias como mantillo para detectar un efecto de mitigación en la degradación del suelo, particularmente el mantenimiento del carbono del suelo, son mucho mayores que las disponibles en la vegetación natural. Además, el efecto de las enmiendas de madera y hojas en los rendimientos de los cultivos no compensa necesariamente el esfuerzo realizado en la recolección de grandes cantidades de material leñoso. Por lo tanto, el conocimiento de los agricultores debería ser una parte integral de los procesos de investigación y un requisito previo para la intensificación ecológica de los sistemas agrícolas en el Sahel. Los sistemas agroforestales basados en arbustos son una opción deseable para los pequeños agricultores en el Sahel, pero su integración en el agroecosistema debe rediseñarse con los agricultores para mejorar la prestación de servicios ecosistémicos en los campos agrícolas. spa

This thesis aims to explore the role of native shrub-based agroforestry systems and the use of shrub-based woody amendments for smallholder farmers in the Sahel. Low-cost and effective options need to be explored and tested in order to restore soil productive capacity, addressed as the combination between improved soil quality and enhanced crop performance. Through literature reviews and experimental results, both on-station and on-farm, the thesis examines the viability of shrub-sourced soil amendments for rain-fed subsistence farmers in Burkina Faso. Bottlenecks and limitations of the practice are discussed and critically analysed from an agroecological perspective. In Chapter 1, the General Introduction, the issues related to soil degradation are described for countries of semi-arid West Africa. The scientific approach used to analyse and explore re-design options for Sahelian farming systems is based on ecological principles (i.e. diversity, synergies, interactions, recycling and efficiency) applied to agricultural production. Agroforestry systems are considered a promising option for building up drought resistance on drylands. Whereas much has been documented about the impact of trees on agricultural fields, not so much has been published on the use of native shrub species in combination with annual crops. Soil degradation in semi-arid West Africa can be reversed through an intensified application of organic matter, especially on coarse soils. Woody perennials have been promoted in the region to secure organic matter sources and improve soil productive capacity, yet the mechanisms by which perennials provide benefits to soils and crops remain poorly understood, and no effective, generalizable agronomic recommendations exist. The effects of trees and shrubs on soil properties and on crop yields in semi-arid West Africa (<1000 mm year-¹) were reviewed and compiled in the form of a metaanalysis in Chapter 2. Specific objectives of this meta-analysis were to (i) describe and (ii) quantify the effects of the presence of woody perennials and of ramial wood amendments on crop productivity and soil characteristics, and (iii) identify general recommendations on the integration of perennials with crops. An iterative keyword search was conducted to gather relevant literature. The search string consisted of four parts: source, practice, responses, and countries of interest. In total, 26 references on agroforestry parklands and 21 on woody amendments were included in the metadatabase (314 entries, 155 for Parklands and 159 for ramial wood). It was shown that: (1) the presence of shrubs and trees on agricultural fields had an overall positive but variable effect on soil total C (i.e. +20 to 75%); (2) millet and sorghum yields were often higher in the presence of shrubs (-25 to +120%); (3) more yield variability was observed in presence of trees (-100 to +200%); and (4) the use of shrub- and tree-based ramial wood resulted in equal or higher cereal yields as compared to the control (-30 to +100%). Upscaling the use of biodiversity-driven processes in farming systems of West Africa may provide benefits to overall ecosystems but species’ choice and trade-offs perceived at the farm level, including labour management and low ramial wood availability should be addressed through future research. The objective of the study presented in Chapter 3 was to evaluate on-station a local farmer’s technique that uses ramial wood (RW) as soil amendment (Piliostigma reticulatum shrub species). Three treatments were applied in an experimental plot in Burkina Faso: control (no amendment), low-RW (3 Mg FM ha-¹ yr-¹), and high-RW (12 Mg FM ha-¹ yr-¹), RW was chipped to <5 cm pieces and either buried or mulched. Topsoil carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) in control and low-RW treatments declined after seven years of continuous sorghum cultivation. Use of high-RW amendment stabilized soil C content while N and P declined, thus not replenishing nutrient exports. eng

Net contribution to soil C in the 0-15 cm layer was 15% of the applied C in the high-RW amendments. Although biomass and grain yields were higher in high-RW treatments, crop productivity declined throughout the experiment for all treatments. Termite casts on RW treatments evidenced the potential role of wood-foraging termites in diluting the impact of RW on soil fertility build-up and soil water content. Thus, mitigating soil degradation under semi-arid conditions in Burkina Faso would require large amounts of woody amendments, particularly if the level of termite activity is high. Additional nutrient sources could be needed to compensate for removal in exported products so that biomass and grain production can be stabilized or increased. In Chapter 4, the impact of ramial wood (RW) amendments on crop yields within Piliostigma reticulatum shrub-based agroforestry parklands of semi-arid Burkina Faso was tested using varying amounts of shrub material. The test compared results between eight farmer-led experimental plots. Soil properties and crop productivity were monitored during three consecutive years. Participatory methods allowed characterizing three “local soil classes” that describe spatial heterogeneity. Local soil knowledge allowed to make sense of observed heterogeneous effects of mulch on crop performance. Shrubbased mulches improved crop productivity on “shallow” and “sandy” soils, but their use was not recommended on “clayey” soils since the extra labour investments are not compensated by short to medium-term crop yield benefits. Rarely has research targeted the re-design of agricultural management practices based on indigenous soil knowledge. Strategies that strengthen and use biodiversity are crucial for sustained food production and livelihoods in semi-arid West Africa. The objective of Chapter 5 was to examine the role of biodiversity in sustaining diverse forms of multifunctional farming practices while at the same time providing ecological services to subsistence-oriented farming families in the region of study through mechanisms such as (a) crop species diversification, (b) management of spatial heterogeneity, and (c) diversification of nutrition-sensitive landscapes. The analysis shows that crop associations between cereals and legumes or between perennials and annuals, have overall positive effects on soil characteristics and often improve crop yields. Soil heterogeneity is produced by woody perennials and termites. Local management provides opportunities to collect a diversity of nutrition-rich species year-round and sustain household nutrition. In Chapter 6, the General Discussion, the findings from the previous chapters are critically examined. Sudano-Sahelian ecosystems produce a limited amount of aboveground biomass which can be used for soil aggradation. In conclusion, the benefits perceived by farmers from scattered woody perennials in parklands feature several aspects, including improvement of soil productive capacity, contribution to household nutrition, and provision of opportunities for biodiversity to thrive on agricultural fields. Compared to trees, native woody shrubs show less trade-offs for crop growth. Also, the use of shrub-based ramial wood amendments improves soil conditions and is not detrimental to short-term crop yields. The amounts of shrub material needed as mulch to detect a mitigation effect on soil degradation, particularly the maintenance of soil carbon, are far larger than available in the natural vegetation. Also, the effect of ramial wood amendments on crop yields does not necessarily compensate the effort put into gathering great amounts of ramial wood. Farmer knowledge should thus, be an integral part of research processes and a pre-requisite for ecological intensification of agricultural systems in the Sahel. Shrub-based agroforestry systems are a desirable option for smallholder farmers in the Sahel but their integration in the agroecosystem should be redesigned with farmers in order to improve delivery of ecosystem services on agricultural fields. eng

Dit proefschrift heeft als doel de rol te onderzoeken van inheemse struikgebaseerde agroforestry-systemen en het gebruik van houtachtige aanpassingen op struikbasis voor kleine boeren in de Sahel. Goedkope en effectieve opties moeten worden onderzocht en getest om de bodemproductieve capaciteit te herstellen, aangepakt als de combinatie tussen verbeterde bodemkwaliteit en verbeterde gewasprestaties. Door middel van literatuuroverzichten en experimentele resultaten, zowel op het station als op het bedrijf, onderzoekt het proefschrift de levensvatbaarheid van bodemaanpassingen van struikgewassen voor door regen gevoede zelfvoorzienende boeren in Burkina Faso. Knelpunten en beperkingen van de praktijk worden besproken en kritisch geanalyseerd vanuit een agro-ecologisch perspectief. In hoofdstuk 1, de algemene inleiding, worden de problemen met betrekking tot bodemdegradatie beschreven voor landen in semi-aride West-Afrika. De wetenschappelijke benadering die wordt gebruikt voor het analyseren en verkennen van herontwerpopties voor Saheliaanse landbouwsystemen is gebaseerd op ecologische principes (d.w.z. diversiteit, synergieën, interacties, recycling en efficiëntie) toegepast op landbouwproductie. Agroforestry-systemen worden beschouwd als een veelbelovende optie voor het opbouwen van droogteweerstand op droge gebieden. Hoewel er veel is gedocumenteerd over de impact van bomen op landbouwvelden, is er niet zo veel gepubliceerd over het gebruik van inheemse struiksoorten in combinatie met eenjarige gewassen. Bodemdegradatie in semi-droog West-Afrika kan worden teruggedraaid door een intensievere toepassing van organisch materiaal, vooral op grove gronden. Houtachtige vaste planten zijn in de regio gepromoot om bronnen van organische stoffen veilig te stellen en de productiecapaciteit van de bodem te verbeteren, maar de mechanismen waardoor vaste planten voordelen bieden voor bodems en gewassen blijven slecht begrepen en er bestaan geen effectieve, generaliseerbare agronomische aanbevelingen. De effecten van bomen en struiken op bodemeigenschappen en gewasopbrengsten in semi-aride West-Afrika (<1000 mm jaar-¹) werden beoordeeld en verzameld in de vorm van een meta-analyse in hoofdstuk 2. Specifieke doelstellingen van deze meta-analyse moesten (i) beschrijven en (ii) kwantificeren van de effecten van de aanwezigheid van houtachtige vaste planten en van ramiale houtamendementen op gewasproductiviteit en bodemkenmerken, en (iii) algemene aanbevelingen identificeren voor de integratie van vaste planten met gewassen. Er werd een iteratief zoeken op trefwoord uitgevoerd om relevante literatuur te verzamelen. De zoekreeks bestond uit vier delen: bron, praktijk, antwoorden en interessante landen. In totaal werden 26 referenties over agroforestryparkland en 21 over houtachtige wijzigingen opgenomen in de meta-database (314 ingangen, 155 voor Parklands en 159 voor ramial wood). Er werd aangetoond dat: (1) de aanwezigheid van struiken en bomen op landbouwvelden een algemeen positief maar variabel effect had op de totale C-bodem (d.w.z. +20 tot 75%); (2) gierst- en sorghumopbrengsten waren vaak hoger in aanwezigheid van struiken (-25 tot + 120%); (3) meer opbrengstvariabiliteit werd waargenomen in aanwezigheid van bomen (-100 tot + 200%); en (4) het gebruik van struik- en boomgebaseerd ramiaal hout resulteerde in gelijke of hogere graanopbrengsten in vergelijking met de controle (-30 tot + 100%). Opschaling van het gebruik van door biodiversiteit aangedreven processen in landbouwsystemen in West-Afrika kan voordelen opleveren voor de algehele ecosystemen, maar de keuze van soorten en afwegingen waargenomen op bedrijfsniveau, inclusief arbeidsbeheer en lage ramiale beschikbaarheid van hout, moeten worden aangepakt door toekomstig onderzoek. dut

Het doel van de in hoofdstuk 3 gepresenteerde studie was om op locatie een techniek van een lokale boer te evalueren die ramial wood (RW) gebruikt als bodemaanpassing (Piliostigma reticulatum heestersoort). Drie behandelingen werden toegepast in een experimenteel plot in Burkina Faso: controle (geen wijziging), low-RW (3 Mg FM ha-¹ jr-¹) en high-RW (12 Mg FM ha-¹ jr-¹), RW werd afgebroken tot <5 cm stukken en begraven of gemulleerd. Bovengrondse koolstof (C), stikstof (N) en fosfor (P) in controle- en laag-RWbehandelingen namen af na zeven jaar van continue sorghumteelt. Het gebruik van een high-RW-amendement stabiliseerde het bodem-C-gehalte terwijl N en P daalden, waardoor de export van nutriënten niet werd aangevuld. De netto bijdrage aan bodem C in de laag van 0-15 cm was 15% van de toegepaste C in de hoge RW-wijzigingen. Hoewel biomassa en graanopbrengsten hoger waren bij behandelingen met hoge RW, daalde de gewasproductiviteit gedurende het experiment voor alle behandelingen. Termietafgietsels op RW-behandelingen hebben de potentiële rol aangetoond van termieten voor het foerageren van hout bij het verdunnen van de impact van RW op de opbouw van de bodemvruchtbaarheid en het bodemwatergehalte. Aldus zou het verzachten van bodemdegradatie onder semi-aride omstandigheden in Burkina Faso grote hoeveelheden houtachtige wijzigingen vereisen, met name als het niveau van de termietactiviteit hoog is. Aanvullende voedingsbronnen kunnen nodig zijn om de verwijdering in geëxporteerde producten te compenseren, zodat de productie van biomassa en graan kan worden gestabiliseerd of verhoogd. In hoofdstuk 4 werd de impact van wijzigingen in ramial wood (RW) op gewasopbrengsten in Piliostigma reticulatum struikgebaseerde agroforestry parklanden van semi-aride Burkina Faso getest met verschillende hoeveelheden struikmateriaal. De test vergeleek resulteer ligt tussen acht door boeren geleide experimentele percelen. Bodemeigenschappen en gewasproductiviteit werden gedurende drie opeenvolgende jaren gemonitord. Met participatieve methoden konden drie "lokale bodemklassen" worden gekarakteriseerd die ruimtelijke heterogeniteit beschrijven. Lokale bodemkennis maakte het mogelijk om de waargenomen heterogene effecten van mulch op de gewasprestaties te begrijpen. Op mulches gebaseerde struiken verbeterden de gewasproductiviteit op "ondiepe" en "zandige" gronden, maar het gebruik ervan werd niet aanbevolen op "kleiachtige" gronden, omdat de extra arbeidsinvesteringen niet worden gecompenseerd door voordelen voor de opbrengst van de korte tot middellange termijn. Zelden is onderzoek gericht op het opnieuw ontwerpen van landbouwbeheerspraktijken op basis van inheemse bodemkennis. Strategieën die de biodiversiteit versterken en gebruiken, zijn cruciaal voor duurzame voedselproductie en middelen van bestaan in semi-aride West-Afrika. Het doel van hoofdstuk 5 was om de rol van biodiversiteit te onderzoeken bij het in stand houden van verschillende vormen van multifunctionele landbouwmethoden en tegelijkertijd ecologische diensten te bieden aan op levensonderhoud gerichte boerenfamilies in het onderzoeksgebied via mechanismen zoals (a) diversificatie van gewassoorten, (b) beheer van ruimtelijke heterogeniteit, en (c) diversificatie van voedingsgevoelige landschappen. De analyse toont aan dat gewasassociaties tussen granen en peulvruchten of tussen vaste planten en eenjarigen over het algemeen positieve effecten hebben op de bodemkenmerken en vaak de gewasopbrengsten verbeteren. Bodemheterogeniteit wordt geproduceerd door houtachtige vaste planten en termieten. Lokaal management biedt kansen om het hele jaar door een verscheidenheid aan voedingsrijke soorten te verzamelen en huishoudelijke voeding te ondersteunen. In hoofdstuk 6, de algemene discussie, worden de bevindingen uit de vorige hoofdstukken kritisch onderzocht. Sudano-Saheliaanse ecosystemen produceren een beperkte hoeveelheid bovengrondse biomassa die kan worden gebruikt voor bodemverergering. Kortom, de voordelen die boeren ervaren van verspreide houtachtige vaste planten in parkgebieden, hebben verschillende aspecten, waaronder verbetering van de bodemproductieve capaciteit, bijdrage aan huishoudelijke voeding en het bieden van kansen voor biodiversiteit om te gedijen op landbouwvelden. In vergelijking met bomen vertonen inheemse houtachtige struiken minder afwegingen voor gewasgroei. Het gebruik van struikgewassen op ramiaal hout verbetert ook de bodemgesteldheid en is niet schadelijk voor de opbrengst van de korte termijn. De hoeveelheden struikmateriaal die nodig zijn als mulch om een verzachtend effect op bodemafbraak te detecteren, met name het onderhoud van bodemkoolstof, zijn veel groter dan beschikbaar in de natuurlijke vegetatie. Ook compenseert het effect van ramiale houtaanpassingen op gewasopbrengsten niet noodzakelijk de inspanning die wordt geleverd om grote hoeveelheden ramiaal hout te verzamelen. Kennis van boeren zou dus een integraal onderdeel moeten zijn van onderzoeksprocessen en een voorwaarde voor ecologische intensivering van landbouwsystemen in de Sahel. Op struik gebaseerde agroforestrysystemen zijn een wenselijke optie voor kleine boeren in de Sahel, maar hun integratie in het agro-ecosysteem moet opnieuw worden ontworpen met boeren om de levering van ecosysteemdiensten op landbouwgebieden te verbeteren. dut

Cette thèse vise à explorer le rôle des systèmes agroforestiers à base d'arbustes indigènes et l'utilisation d’amendements ligneux à base d'arbustes pour les petits producteurs agricoles du Sahel. Des options efficaces et peu coûteuses doivent être explorées et testées afin de restaurer la capacité de production du sol, considérée comme la combinaison entre l'amélioration de la qualité du sol et l'amélioration des performances des cultures. À travers des revues de la littérature et des résultats expérimentaux, en station et à la ferme, cette thèse examine la viabilité d’utilisation d'amendements du sol provenant d'arbustes pour les agriculteurs de subsistance pluviaux au Burkina Faso. Les goulots d'étranglement et les limites de la pratique sont discutés et analysés de manière critique dans une perspective agroécologique. Au chapitre 1, Introduction générale, les problèmes liés à la dégradation des sols sont décrits pour les pays d'Afrique de l'Ouest semi-aride. L’approche scientifique utilisée pour analyser et explorer les options de reconfiguration des systèmes agricoles sahéliens s’appuie sur des principes écologiques (diversité, synergies, interactions, recyclage et efficacité) appliqués à la production agricole. Les systèmes agroforestiers sont considérés comme une option prometteuse pour renforcer la résistance à la sécheresse dans les zones arides. Alors que beaucoup d’informations ont été documentées sur l’impact des arbres sur les terres agricoles, il n’en a pas été autant pour l’utilisation des espèces d’arbustes indigènes en combinaison avec les cultures annuelles. La dégradation des sols dans l’Afrique de l’Ouest semi-aride peut être inversée par une application intensive de la matière organique, en particulier sur les sols lourds. Les plantes pérennes ligneuses ont été encouragées dans la région pour sécuriser les sources de matière organique et améliorer la capacité de production des sols. Cependant, les mécanismes par lesquels les plantes pérennes apportent des avantages aux sols et aux cultures restent mal compris et il n'existe aucune recommandation agronomique efficace et généralisable. Les effets des arbres et des arbustes sur les propriétés du sol et le rendement des cultures en Afrique de l'Ouest semi-aride (<1000 mm par an) ont donc été examinés et compilés sous la forme d'une méta-analyse au chapitre 2. Les objectifs spécifiques de cette méta-analyse étaient de (i) décrire et (ii) quantifier les effets de la présence de plantes vivaces ligneuses et d'amendements en bois raméaux sur la productivité des cultures et les caractéristiques du sol, et de (iii) dégager des recommandations générales sur l'intégration des plantes pérennes sur les cultures. Une recherche systématique par mot clé a été réalisée pour rassembler la littérature pertinente. La chaîne de recherche était composée de quatre parties: source, pratique, réponses et pays d'intérêt. Au total, 26 références sur les parcs agroforestiers et 21 sur les amendements ligneux ont été prises en compte dans la méta-base de données (314 entrées, 155 pour les parcs et 159 pour le bois raméal). Il a été démontré que: (1) la présence d’arbustes et d’arbres sur les terres agricoles avait un effet globalement positif mais variable sur la teneur totale en carbone du sol (+20 à 75%); (2) les rendements de mil et de sorgho étaient souvent plus élevés en présence d'arbustes (-25 à + 120%); (3) une plus grande variabilité de rendement a été observée en présence d'arbres (-100 à + 200%); et (4) l'utilisation de bois raméal à base d'arbustes et d'arbres a permis d'obtenir des rendements céréaliers égaux ou supérieurs à ceux du témoin (-30 à + 100%). Augmenter l’utilisation des processus liés à la biodiversité dans les systèmes de production d’Afrique de l’Ouest pourrait être bénéfique pour l’ensemble des écosystèmes, mais les recherches futures devraient porter sur le choix des espèces et les compromis perçus au niveau de la ferme, y compris sur la gestion de la main-d’œuvre et la faible disponibilité en bois. L’étude présentée au chapitre 3 avait pour objectif d’évaluer sur place la technique d’un agriculteur local qui utilise le bois raméal (RW, sigle en anglais) comme amendement de sol (espèce arbustive Piliostigma reticulatum). Trois traitements ont été appliqués dans une parcelle expérimentale au Burkina Faso: contrôle (sans amendement), faible doseRW (3 Mg FM ha-¹ an-¹) et forte dose-RW (12 Mg FM ha-¹ an-¹), RW était fragmenté en morceaux de moins de 5 cm et enterré ou paillé. Le carbone de la couche supérieure (C), l'azote (N) et le phosphore (P) dans les traitements témoin et à faible-RW ont diminué après sept ans de culture continue de sorgho en monoculture. L'utilisation de la teneur élevée en C du sol a été stabilisée par l'amendement, tandis que les teneurs en N et en P ont diminué, ne reconstituant ainsi pas les exportations d'éléments nutritifs. La contribution nette au C du sol dans la couche de 0-15 cm était de 15% du C appliqué dans les amendements à haute RW. Bien que les rendements en biomasse et en grains aient été plus élevés avec les traitements à forte RW, la productivité des cultures a diminué tout au long de l'expérience pour tous les traitements. Les traitements anti-RW mis en évidence par les termites ont démontré le rôle potentiel des termites en quête de bois dans l'atténuation de l'impact des RW sur l'accumulation de fertilité et la teneur en eau du sol. Ainsi, pour atténuer la dégradation des sols dans des conditions semi-arides au Burkina Faso, il faudrait beaucoup d'amendements ligneux, en particulier si le niveau d'activité des termites est élevé. Des sources de nutriments supplémentaires pourraient être nécessaires pour compenser l'élimination des produits exportés, de sorte que la production de biomasse et de céréales puisse être stabilisée ou accrue. fra

Au chapitre 4, l'impact des amendements du bois ramial sur les rendements des cultures dans les parcs agroforestiers à arbustes de Piliostigma reticulatum du Burkina Faso semiaride a été testé avec différentes quantités d'arbustes. Le test a comparé les résultats entre huit parcelles expérimentales dirigées par des agriculteurs eux-mêmes. Les propriétés du sol et la productivité des cultures ont été surveillées pendant trois années consécutives. Les méthodes participatives ont permis de caractériser trois «classes de sol locales» décrivant l'hétérogénéité spatiale. Les connaissances locales sur les sols ont permis de comprendre les effets hétérogènes observés du paillis sur les performances des cultures. Les paillis à base d'arbustes ont amélioré la productivité des cultures sur les sols «peu profonds» et «sableux», mais leur utilisation n'a pas été recommandée sur les sols «argileux», car les investissements supplémentaires en main-d'œuvre ne sont pas compensés par des avantages de rendement à court et à moyen terme. Les recherches ont rarement été axées sur la co-conception des pratiques de gestion agricole fondées sur les connaissances des sols des autochtones. Les stratégies qui renforcent et utilisent la biodiversité sont cruciales pour une production alimentaire durable et des moyens de subsistance en Afrique de l'Ouest semiaride. L’objectif du chapitre 5 était d’examiner le rôle de la biodiversité dans la préservation de diverses formes de pratiques agricoles multifonctionnelles tout en fournissant des services écologiques aux familles d’agriculteurs de subsistance de la région à travers des mécanismes tels que: a) la diversification des espèces cultivées, b) la gestion de l'hétérogénéité spatiale et c) la diversification des paysages sensibles à la nutrition. L'analyse montre que les associations de cultures entre céréales et légumineuses ou entre plantes pérennes et annuelles ont des effets globalement positifs sur les caractéristiques du sol et améliorent souvent les rendements des cultures. L'hétérogénéité des sols est produite par les plantes pérennes ligneuses et les termites. La gestion locale des ressources naturelles offre la possibilité de collecter toute l’année une diversité d’espèces riches en nutrition et de soutenir la nutrition des ménages. Au chapitre 6, Discussion Générale, les conclusions des chapitres précédents sont examinées de manière critique. Les écosystèmes Soudano-Sahéliens produisent une quantité limitée de biomasse aérienne qui peut être utilisée pour l'aggradation des sols. En conclusion, les avantages perçus par les agriculteurs de plantes pérennes ligneuses dispersées dans les parcs présentent plusieurs aspects, notamment l’amélioration de la capacité de production des sols, la contribution à la nutrition des ménages et la possibilité pour la biodiversité de s’épanouir dans les champs agricoles. Comparés aux arbres, les arbustes ligneux indigènes présentent moins de compromis pour la croissance des cultures. De plus, l'utilisation d'amendements de bois raméaux à base d'arbustes améliore les conditions du sol et ne nuit pas aux rendements des cultures à court terme. Les quantités d'arbustes nécessaires comme paillis pour détecter un effet d'atténuation sur la dégradation du sol, en particulier le maintien de son carbone, sont beaucoup plus importantes que celles disponibles dans la végétation naturelle. En outre, l’effet des amendements raméaux sur le rendements des cultures ne compense pas nécessairement les efforts consacrés à la collecte de grandes quantités de bois raméal. Les connaissances des agriculteurs devraient donc faire partie intégrale des processus de recherche et constituer une condition préalable à l'intensification écologique des systèmes agricoles au Sahel. Les systèmes agroforestiers à base d'arbustes sont une option souhaitable pour les petits exploitants agricoles du Sahel, mais leur intégration dans l'agroécosystème devrait être repensée avec les agriculteurs afin d'améliorer la fourniture de services écosystémiques sur les terres agricoles. fra