Mediterranean cropping systems diversification in time and space: empirical and modelling approaches

• Autores: Louise Blanc
• Directores de la Tesis: Daniel Plaza Bonilla (dir. tes.), Jorge Lampurlanés Castel (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Lleida ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Número de páginas: 210
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen
  • español

    La agricultura mediterránea está ampliamente especializada en la producción de cereales, lo que conlleva riesgos agronómicos y medioambientales y aumenta la dependencia en insumos externos. Los sistemas de cultivo de invierno, en particular, están basados en muchos casos en el cultivo continuado de cereales, especialmente trigo blando (Triticum aestivum L.) y cebada (Hordeum vulgare L.). Esta tesis tuvo como objetivo evaluar sistemas de cultivo diversificados temporalmente (rotación de cultivos) y espacialmente (cultivos asociados), a través del co-diseño con actores locales, la modelización y la experimentación de campo. Las rotaciones se evaluaron mediante modelización aplicada a sistemas co-diseñados con actores locales (Capítulo I). La diversificación espacial se estudió a través de un enfoque empírico – centrado en la productividad de los cultivos asociados (Capítulo II) y el control de malas hierbas (Capítulo III) bajo riego – y mediante simulaciones para evaluar el rendimiento bajo una menor disponibilidad de agua (Capítulo IV). Se llevó a cabo un experimento en una finca comercial durante tres años en Sucs, en la provincia de Lleida (NE España), en una zona de regadío. Se compararon tres sistemas de cultivos asociados con sus respectivos cultivos en solitario: trigo duro (Triticum turgidum subsp. durum)–guisante (Pisum sativum L.) (TG), trigo duro–haboncillo (Vicia faba L.) (TH), y colza (Brassica napus L.)–guisante (CG). Se utilizó un diseño de reemplazo en líneas 50/50 con dos niveles de fertilización nitrogenada: 0N (sin N mineral) y +N (75 kg N mineral ha-1). Las variables clave incluyeron el rendimiento en grano, la eficiencia en el uso del suelo (EUS), el índice de sobreproducción (TOI), el índice de área foliar, la fijación de N atmosférico por las leguminosas, y la biomasa y su concentración de N (Capítulo II). También se evaluó el impacto del uso de herbicida en los cultivos asociados (no vs. sí), midiendo densidad y cobertura de malas hierbas, y biomasa y rendimiento del cultivo (Capítulo III). Los datos de cultivos en solitario se utilizaron en la calibración del modelo STICS para las cuatro especies. Se incorporaron datos adicionales de dos experimentos en secano y uno en regadío para calibrar el trigo blando y la cebada, y así mejorar la precisión de las simulaciones. Los datos de cultivos asociados permitieron evaluar la precisión del modelo para simularlos. Posteriormente, se simularon cultivos asociados en distintos escenarios de regadío y de secano (Capítulo IV), considerando el rendimiento, la EUS, el N en grano, el índice de sobreproducción y el estrés hídrico. Los sistemas diversificados co-diseñados consistían en introducir guisante y/o colza en una rotación de cuatro años, junto con la reducción del laboreo y la sustitución parcial del N mineral por purines de cerdo. La simulación de la rotación incluyendo guisante cada cuatro años mostró los mejores resultados agronómicos (rendimientos, disponibilidad de N) y económicos (+12% de margen bruto). Sin embargo, la inclusión de guisante y colza conllevó mayores pérdidas de N y una disminución del carbono orgánico del suelo al cabo de 21 años. Las asociaciones trigo–leguminosa mostraron rendimientos reducidos en las leguminosas debido a mecanismos de competición, sin aumento de la eficiencia en el uso del suelo en el experimento (EUS = 0.94 en TG y 0.86 en TH). Sin herbicida, el rendimiento disminuyó aún más: hasta un 37% en TG y un 67% en TH. Estas asociaciones, compuestas por especies de altura similar, se simularon con menor precisión, dadas las limitaciones de STICS para simular la competición por la radiación, sobreestimando los rendimientos. En cambio, la asociación CG (especies de distinta altura) mostró mayores valores de EUS en el experimento (promedio de 1.43) y sobreproducción (+9%) en un año con siembra de relevo. Sin herbicidas, el rendimiento disminuyó un 13% cuando la colza emergió adecuadamente, y un 30% cuando la emergencia fue baja, pero compensada parcialmente por un mayor crecimiento del guisante. La simulación de esta asociación fue más precisa. Un lapso de dos meses entre la siembra de la colza y la del guisante mejoró los rendimientos y el EUS, tanto en secano (1.11) como en regadío (1.26), mostrando sobreproducción sólo bajo riego (+6%). Aumentar el rendimiento de los sistemas de cultivo mediterráneos de invierno en regadío mediante la diversificación de cultivos sigue siendo un reto. Se deben priorizar rotaciones con baja intensidad de diversificación para reducir las pérdidas de rendimiento y los impactos medioambientales. El éxito del cultivo asociado depende de la selección de especies: combinar fisiologías y morfologías contrastadas, como colza y guisante, favorece los mecanismos de compensación – particularmente bajo riego – y reduce pérdidas en ausencia de herbicidas. En cambio, asociar especies con más similitudes, como trigo y leguminosas aumenta la competencia entre ambas y los riesgos de pérdida de rendimiento en ausencia de herbicidas.

  • català

    L’agricultura mediterrània està àmpliament especialitzada en la producció de cereals, fet que comporta riscos agronòmics i mediambientals, i incrementa la dependència d’inputs externs. Els sistemes de cultiu d’hivern, en particular, estan basats en el cultiu continuat de cereals, especialment blat tou (Triticum aestivum L.) i ordi (Hordeum vulgare L.). Aquesta tesi va tenir com a objectiu avaluar sistemes de cultiu diversificats – mitjançant el co-disseny amb actors locals, la modelització i experiments de camp – basats en la diversificació temporal (rotació de cultius) i espacial (associació de cultius). Les rotacions es van avaluar mitjançant un model aplicat a sistemes co-dissenyats amb actors locals (Capítol I). La diversificació espacial es va estudiar empíricament – focalitzant en la productivitat dels cultius associats (Capítol II) i el seu control de males herbes (Capítol III) en condicions de regadiu – i a través de modelització, per avaluar-ne el rendiment en escenaris amb menys disponibilitat d’aigua (Capítol IV). Es va dur a terme un experiment de camp durant tres anys a Sucs, Lleida (NE d’Espanya), en condicions de reg. Es van comparar tres sistemes de cultius associats amb els seus respectius cultius en solitari: blat dur (Triticum turgidum subsp. durum)–pèsol (Pisum sativum L.) (BP), blat dur–favó (Vicia faba L.) (BF), i colza (Brassica napus L.)–pèsol (CP). Es va utilitzar un disseny de reemplaçament en línies a 50/50, amb dues dosis de fertilització nitrogenada (N): 0N (sense N mineral) i +N (75 kg N mineral ha-1). Les variables clau van incloure el rendiment, l’eficiència en l’ús del sòl (EUS), l’índex de sobreproducció (TOI), l’índex d’àrea foliar, la fixació de N atmosfèric per les lleguminoses, i la biomassa i la seva concentració de N (Capítol II). També es va avaluar l’aplicació d’herbicida (no vs. si) per quantificar el control de males herbes mitjançant l’associació de cultius (Capítol III). Les dades dels cultius en solitari es van usar per calibrar el model STICS per a les quatre espècies. Es van utilitzar dades addicionals de dos assaigs de secà i un de regadiu per a calibrar el blat tou i l’ordi, i per millorar la precisió de les simulacions. Les dades dels cultius associats van servir per comprovar la precisió del model en simular-les. Les simulacions es van utilitzar per comparar escenaris de secà i de regadiu (Capítol 4), avaluant el rendiment, l‘EUS, el N en gra, l’índex de sobreproducció i l’estrès hídric. Els sistemes diversificats co-dissenyats van consistir en introduir pèsol i/o colza en una rotació de quatre anys, amb reducció del treball del sòl i substitució parcial de N mineral per purí porcí. D’acord amb les simulacions, el sistema amb pèsol va presentar els millors resultats agronòmics (rendiments, disponibilitat de N) i econòmics (+12% de marge brut). En canvi, incloure pèsol i colza va comportar més pèrdues de N i disminució del carboni orgànic del sòl després de 21 anys. Les associacions blat–lleguminosa van mostrar pèrdues de rendiment, l’absència d’increment de l’EUS (0.94 per a BP i 0.86 per a BF) i competència elevada. Sense herbicida, les pèrdues van arribar al 37% (BP) i al 67% (BF). Aquestes combinacions, incloent espècies de mida similar, van ser difícils de simular, ja que STICS presentà limitacions per a simular la competició per la llum, sobreestimant els rendiments. En canvi, l’associació CP (espècies de mida diferenciada) va mostrar millor comportament en l’experiment: mitjana de l’EUS de 1.43 i sobreproducció del 9% en un any amb sembra de relleu. Sense herbicida, la pèrdua de rendiment va ser moderada (−13%) quan la colza va emergir adequadament i més elevada (−30%) en emergències mediocres, tot i la compensació del pèsol en producció. Aquesta associació es va modelitzar amb més precisió. Un lapse de dos mesos entre la sembra de la colza i la del pèsol va millorar els resultats tant en regadiu (EUS de 1.26) com en secà (1.11), tot i que la sobreproducció (+6%) només es va assolir amb reg. Augmentar el rendiment dels sistemes de cultiu mediterranis d’hivern de regadiu amb la diversificació de cultius continua sent un repte. Cal afavorir rotacions amb baixa intensitat de diversificació per minimitzar les pèrdues de rendiment i els impactes mediambientals. L’èxit dels cultius associats depèn de l’elecció d’espècies: combinar morfologies i fisiologies diferents (colza i pèsol), afavoreix mecanismes de compensació – en particular en condicions de regadiu – i minimitza riscos de pèrdues de rendiments quan no s’aplica herbicida. En canvi, espècies més semblants (blat i llegums) augmenten la competència i els riscos de pèrdues quan no s’apliquen herbicides.

  • English

    Mediterranean agriculture is strongly based on cereal production, which presents environmental and agronomic risks and increases dependence on external inputs. Winter cropping systems, in particular, are dominated by continuous cereal cropping, especially bread wheat (Triticum aestivum L.) and barley (Hordeum vulgare L.). This dissertation aimed to assess diversified cropping systems – through co-design with stakeholders, modelling and on-farm experiments – based on temporal (crop rotation) and spatial (intercropping) diversification. Rotations were assessed using modelling, applied to systems co-designed with local stakeholders (Chapter I). Spatial diversification was studied through an empirical approach – focusing on intercrop productivity (Chapter II) and weed control (Chapter III) under irrigation – and through modelling to assess performance under reduced water availability (Chapter IV). A three-year on-farm field experiment was conducted in Sucs, Lleida (NE Spain) under irrigated conditions. Three intercropping (IC) systems were compared with their respective sole crops: durum wheat (Triticum turgidum subsp. durum)-pea (Pisum sativum L.) (WP), durum wheat-faba bean (Vicia faba L.) (WF) and rapeseed (Brassica napus L.)-pea (RP). A 50/50 row replacement was used, with two nitrogen (N) fertilisation treatments: 0N (no mineral N) and +N (75 kg mineral N ha−1). Key variables included grain yield, land equivalent ratio (LER), overyielding index, leaf area index, N derived from atmosphere in legumes, biomass and N concentration (Chapter 2). Herbicide application (no vs. yes) was tested to assess weed control in intercrops, by measuring variables such as weed density, weed coverage, crop biomass and grain yield (Chapter 3). Sole crops data were used to calibrate the STICS soil-crop model for the four species. Additional data from two rainfed and one irrigated experiments were used to calibrate bread wheat and barley, and to enhance simulations accuracy. Intercrops data were used to assess the model’s accuracy in simulating intercropping. Modelling was then used to compare intercropping performance under rainfed and irrigated scenarios (Chapter 4), focusing on grain yield, LER, grain N, overyielding index, and water stress. The co-designed diversified systems introduced pea and/or rapeseed in a 4-year rotation, along with reduced tillage and partial substitution of mineral N fertilisation with pig slurry. According to the simulations, the system including pea once every four years showed the best agronomic (grain yield, N availability) and economic performance (+12% gross margin). However, including both pea and rapeseed increased environmental trade-offs, such as N losses, and decreased soil organic carbon over 21 years. Intercropping wheat with legumes (IC-WP and IC-WF) reduced legume yields due to competition and showed no overyielding or increased land use efficiency in the field trial (LER = 0.94 and 0.86, respectively). Without herbicides, yields dropped further: until 37% in IC-WP and 62% in IC-WF. These systems, composed of species of similar height, were difficult to model, as STICS tended to overestimate yield by underestimating competition for light interception. Conversely, the IC-RP, by pairing species of contrasting height, showed better performance: increased LER (average of 1.43), and overyielding (+9 %) in one year of the field trial (when relay sown). Without herbicides, grain yields decreased moderately when rapeseed emerged well (-13%), and more importantly (-30%) when poor rapeseed emergence was partly compensated by enhanced pea growth. Modelling this intercrop showed higher accuracy. Simulations confirmed that relay sowing (rapeseed followed by pea with a 2-month delay) lead to the highest yields and LER under both rainfed (1.11) and irrigated (1.26) conditions, achieving overyielding (+6%) only under irrigation. Increasing yields in irrigated Mediterranean winter cropping systems by diversification remains challenging. Rotations with a low intensity of crop diversification should be favoured to mitigate yield losses and environmental impacts. Intercropping success depends heavily on species selection: pairing crops with contrasting physiology and morphology, like rapeseed and pea, promotes compensation mechanisms – particularly in irrigated systems – and reduces the risk of yield losses in herbicide-free systems. Conversely, intercropping closely matched species like wheat and legumes increases competition and the risk of yield losses in herbicide-free systems.