El deshierbe mecánico mejora la multifuncionalidad del ecosistema y las ganancias en la palma de aceite industrial

Jul 27, 2023

Nature Sustainability volumen 6, páginas 683–695 (2023)Cite este artículo

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La palma aceitera es el cultivo oleaginoso más productivo, pero su alta productividad está asociada con el manejo convencional (es decir, altas tasas de fertilización y aplicación de herbicidas), causando impactos ambientales nocivos. Utilizando un experimento de 22 factores, evaluamos los efectos de las tasas de fertilización convencional versus reducida (igual a los nutrientes eliminados por la cosecha de la fruta) y el herbicida versus el deshierbe mecánico sobre las funciones del ecosistema, la biodiversidad y la rentabilidad. Al analizar múltiples funciones del ecosistema, el deshierbe mecánico mostró una mayor multifuncionalidad que el tratamiento con herbicidas, aunque este efecto se ocultó al evaluar solo funciones individuales. También se mejoró la biodiversidad, impulsada por un 33% más de especies de plantas sometidas a deshierbe mecánico. En comparación con el manejo convencional, la reducción de la fertilización y el deshierbe mecánico aumentaron las ganancias en un 12 % y el margen bruto relativo en un 11 % debido a las reducciones en los costos de materiales, al tiempo que se lograron rendimientos similares. El deshierbe mecánico con fertilización compensatoria reducida en plantaciones maduras de palma aceitera es una opción de gestión sostenible para mejorar la multifuncionalidad y la biodiversidad del ecosistema y aumentar las ganancias, proporcionando situaciones en las que todos ganan.

La producción de palma aceitera se ha expandido cada vez más en grandes áreas del sudeste asiático, siendo actualmente Indonesia el mayor productor mundial de aceite de palma1, lo que también coincide con mayores tasas de deforestación en el país2. Se estima que entre 2001 y 2019, las plantaciones de palma aceitera fueron responsables del 32% del área forestal total perdida en Indonesia3. A pesar de los altos costos ambientales, la producción de palma aceitera es muy atractiva debido a sus beneficios económicos a corto plazo y a la creciente demanda mundial de alimentos, combustible y cosméticos4.

Se estima que las plantaciones industriales de palma aceitera (>50 ha de área plantada y propiedad de corporaciones5) representan alrededor del 60% del área total cultivada de palma aceitera en Indonesia6. En comparación con las granjas de pequeños propietarios (normalmente <50 ha de tierra y propiedad de individuos5), la productividad de las plantaciones industriales de palma aceitera es ~50% mayor7 pero está impulsada en gran medida por altas aplicaciones de fertilizantes y herbicidas para optimizar la productividad8 a expensas de otros procesos ecosistémicos. A diferencia de los bosques, las plantaciones industriales de palma aceitera tienden a ser estructuralmente simplificadas y altamente perturbadas9,10,11 y tienen una capacidad reducida para proporcionar varias funciones ecosistémicas simultáneamente (la llamada 'multifuncionalidad' de los ecosistemas)4,12. Aunque varios estudios han abordado los efectos nocivos de la expansión de la palma aceitera sobre las pérdidas de bosques y biodiversidad4,12,13, hasta la fecha, no ha habido una evaluación holística multianual y replicada espacialmente del efecto de las diferentes estrategias de manejo de la palma aceitera sobre las funciones de los ecosistemas, la biodiversidad y la biodiversidad. productividad económica. Los estudios de investigación primarios y experimentales que evalúan el efecto del manejo en múltiples resultados, aunque actualmente son raros, son pertinentes para brindar recomendaciones más claras sobre el manejo de la palma aceitera14 porque las plantaciones de palma aceitera son sistemas agrícolas inherentemente complejos. La aplicación de fertilizantes y herbicidas con alta frecuencia es posiblemente la actividad de manejo más importante en las plantaciones industriales de palma aceitera debido a su efecto sobre el rendimiento de la palma aceitera. Por lo tanto, una importante palanca para una producción de aceite de palma más sustentable desde el punto de vista ambiental es identificar tasas óptimas de aplicación de fertilizantes y métodos de desmalezado para mantener una productividad y rentabilidad económica suficientemente altas y al mismo tiempo minimizar las pérdidas asociadas de funciones ecosistémicas y biodiversidad.

La fertilización contribuye a mantener altos niveles de productividad pero también representa una parte sustancial de los costos de gestión en las plantaciones industriales. Las altas tasas de fertilización están asociadas con altas pérdidas por lixiviación de nutrientes15 y emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)11,16. Además, la fertilización excesiva puede tener múltiples efectos nocivos en el suelo, incluidas reducciones en la biomasa microbiana del suelo17, el pH, la disponibilidad de cationes básicos18 y cambios notables en la composición de las comunidades bacterianas y fúngicas19. Económicamente, el exceso de fertilización de la palma aceitera puede reducir la rentabilidad debido a la saturación de la curva de rendimiento a pesar del aumento de la aplicación de fertilizantes, de modo que el aumento lineal en los costos de los fertilizantes podría disminuir sustancialmente los retornos netos20. Es vital tener esto en cuenta dada la reducida disponibilidad global y el consiguiente aumento de los precios de los fertilizantes21. Los efectos de la sobrefertilización podrían reducirse ajustando las tasas de fertilización a niveles que compensen sólo la cantidad de nutrientes exportados a través de la cosecha y mediante la fertilización orgánica, devolviendo la hojarasca de palma22 y otros subproductos del procesamiento (por ejemplo, efluentes de las fábricas de aceite de palma y racimos de fruta vacíos)23. En consecuencia, tal reducción en la intensidad de la fertilización puede promover la retención y el reciclaje eficiente de los nutrientes del suelo, disminuir la acidificación del suelo y la necesidad asociada de aplicación de cal y, en general, aumentar la rentabilidad debido al ahorro de costos de fertilizantes y, por lo tanto, presentar una opción más atractiva desde el punto de vista ecológico y económico.

Otra práctica de manejo importante en las plantaciones industriales de palma aceitera es el control de malezas, necesario para equilibrar los efectos positivos y potenciales negativos de la vegetación del sotobosque y facilitar el acceso para las operaciones de manejo. Las plantaciones industriales emplean convencionalmente el uso de herbicidas para una eliminación fácil y rápida de la vegetación del sotobosque, pero esto a menudo se complementa con un deshierbe mecánico, por ejemplo, durante los períodos de lluvia y para eliminar las plantas leñosas. El control de malezas con herbicidas da como resultado una menor diversidad de la vegetación del sotobosque24 al tiempo que promueve la invasión de malezas resistentes a los herbicidas25. También reduce la complejidad del hábitat, impactando fuertemente la biodiversidad que habita en la vegetación26,27,28. Una alternativa más sustentable podría ser el desmalezado mecánico, que permite una rápida regeneración de la vegetación del sotobosque debido a la preservación de sus raíces. En consecuencia, esto conduce a una mayor cobertura y diversidad de plantas del sotobosque, lo que puede promover el ciclo de nutrientes29,30 y mejorar la complejidad del hábitat, apoyando la abundancia y diversidad animal26,27,28. Sin embargo, estos efectos ecológicamente deseables pueden tener efectos económicos adversos, ya que el deshierbe mecánico requiere una mayor cantidad de mano de obra en comparación con la aplicación de herbicidas, lo que puede reducir las ganancias. Además, la competencia entre las palmas aceiteras y la vegetación del sotobosque puede poner en riesgo los rendimientos, particularmente durante los períodos de sequía, dada la sensibilidad de la fructificación y el peso de los racimos de frutos al estrés hídrico31,32.

En este estudio, reportamos datos primarios de un experimento de manejo multidisciplinario en una plantación industrial de palma aceitera de propiedad estatal en Jambi, Indonesia, que evalúa si el manejo reducido (es decir, tasas de fertilización reducidas y deshierbe mecánico) como alternativa al manejo convencional ( es decir, altas tasas de fertilización y uso de herbicidas) pueden reducir los impactos negativos sobre las funciones de los ecosistemas y la biodiversidad manteniendo al mismo tiempo niveles de producción altos y estables8. En 2016 se estableció en un experimento de campo factorial completo de dos tasas de fertilización × dos prácticas de deshierbe, con tasas de fertilización convencional versus reducida (es decir, iguales a los nutrientes exportados con la cosecha) y herbicida versus desmalezado mecánico (es decir, desbrozadora). Plantación industrial madura (≥16 años) de palma aceitera. Los tratamientos tuvieron cuatro parcelas replicadas de 50 m × 50 m cada una. Durante los primeros cuatro años del experimento, medimos indicadores de ocho funciones de los ecosistemas, siete indicadores de biodiversidad y seis indicadores económicos vinculados al nivel y la estabilidad del rendimiento y las ganancias (Tablas complementarias 1 y 2). Nuestra hipótesis es que, en comparación con las altas tasas de fertilización y el tratamiento con herbicidas convencionales, una tasa de fertilización reducida y el deshierbe mecánico mejorarán las funciones del ecosistema y la biodiversidad, manteniendo al mismo tiempo una alta productividad y mayores ganancias.

La multifuncionalidad del ecosistema, una medida agregada de múltiples funciones del ecosistema, fue, en promedio, mayor en el deshierbe mecánico que en el tratamiento con herbicidas (Fig. 1 y Tabla 1). De manera similar, la multifuncionalidad del umbral, calculada como el número de funciones del ecosistema por encima de un umbral específico (Métodos y Figura complementaria 3), mostró una mayor cantidad de funciones en el deshierbe mecánico que en el tratamiento con herbicidas que estaban por encima de los umbrales del 70% y el 90% y eran marginalmente significativas en umbrales de 50% y 80% (Tabla 1 y Figura complementaria 3). Aunque no se detectaron efectos de fertilización ni de deshierbe al analizar solo cada función individual del ecosistema (Tabla 1 y Figura 1 complementaria), la mayor multifuncionalidad del deshierbe mecánico sobre el tratamiento con herbicidas se debió a los valores z medios más altos de los indicadores medidos de descomposición de la hojarasca. , fertilidad del suelo, filtración de agua y refugio de plantas (Figura complementaria 2).

Los diagramas de caja (percentil 25, mediana y percentil 75) y bigotes (1,5 × rango intercuartil) se basan en los valores estandarizados z ((valor real - valor medio en los diagramas replicados) / desviación estándar) de los indicadores para una función del ecosistema específica. N = 4 parcelas. Las líneas horizontales negras indican la multifuncionalidad media de ocho funciones del ecosistema. 22 tratamientos factoriales: + indica fertilización convencional y tratamiento herbicida; − indica fertilización reducida y deshierbe mecánico. Letras diferentes indican que la multifuncionalidad del ecosistema fue mayor con el desmalezado mecánico que con el tratamiento con herbicidas (modelo lineal de efectos mixtos en P = 0,03; Tabla 1).

La biodiversidad, estimada como el promedio de los indicadores de riqueza taxonómica en siete grupos tróficos, también fue mayor en el desmalezado mecánico que en el tratamiento con herbicidas (Fig. 2 y Tabla 1). Este efecto se debió principalmente al fuerte aumento en la riqueza de especies de vegetación del sotobosque en el deshierbe mecánico durante las mediciones de cuatro años (2017-2020; Fig. 2 y Tabla complementaria 2). Sin embargo, al eliminar la riqueza de especies de plantas del sotobosque del índice de biodiversidad, todavía hubo un efecto marginal positivo del deshierbe mecánico sobre la biodiversidad (P = 0,09). De las 126 especies de plantas del sotobosque en la plantación, un 33% más de especies de plantas ocurrieron en el manejo reducido que en el manejo convencional. A lo largo de los años, las especies de plantas más abundantes fueron el arbusto invasor resistente a herbicidas Clidemia hirta (L.) D.Don, la hierba invasora Asystasia gangetica subsp. micrantha (Nees) Ensermu, la hierba nativa Centotheca lappacea (L.) Desv. y el helecho nativo Christella dentata (Forssk.) Brownsey & Jermy. En comparación con el tratamiento con herbicidas, el desmalezado mecánico aumentó la cobertura del suelo de todas estas especies de plantas (P <0,04), excepto para C. hirta, cuya cobertura del suelo se redujo en un 55% (P = 0,01).

Los diagramas de caja (percentil 25, mediana y percentil 75) y bigotes (1,5 × rango intercuartil) se basan en los valores z estandarizados ((valor real - valor medio en gráficos replicados) / desviación estándar) de indicadores para un grupo trófico específico. N = 4 parcelas. Las líneas horizontales negras indican la riqueza media de biodiversidad de siete grupos multitróficos. 22 tratamientos factoriales: + indica fertilización convencional y tratamiento herbicida; − indica fertilización reducida y deshierbe mecánico. Letras diferentes indican que la riqueza de biodiversidad fue mayor con el desmalezado mecánico que con el tratamiento con herbicidas (modelo lineal de efectos mixtos en P = 0,01; Tabla 1).

El rendimiento acumulado de cuatro años no difirió entre los tratamientos (Fig. 3a y Tabla 1). Para evaluar la noción de que la fertilización reducida (con o sin deshierbe mecánico) tendrá menos estabilidad del rendimiento que la fertilización convencional (con o sin tratamiento herbicida), observamos el extremo izquierdo de la distribución del rendimiento. Encontramos que el rendimiento acumulado de las palmas con el rendimiento más bajo (es decir, el quinto cuantil inferior de rendimiento por palma por parcela) no difirió entre los tratamientos (Fig. 3b). Además, la probabilidad de que el rendimiento de la palma cayera por debajo del 75% del rendimiento promedio (es decir, probabilidad de déficit de rendimiento; Fig. 3c) fue similar entre los tratamientos, lo que indica que reemplazar el herbicida con deshierbe mecánico no tuvo un efecto negativo en las peores condiciones. rendimiento del caso. Al analizar por separado para 2017-2018 y 2019-2020, no encontramos ningún efecto de los tratamientos sobre los indicadores de rendimiento y ganancias (Figura 4 complementaria), lo que significa que no hubo evidencia de posibles reducciones retrasadas del rendimiento en respuesta al tratamiento de gestión reducido durante las mediciones de cuatro años.

Rendimiento de palma aceitera (a), rendimiento por palma con menor desempeño (b), proporción de palmas por parcela que cayó por debajo del 75% del rendimiento promedio (c), costos (d), ganancia (e) y margen bruto relativo ( f) (valores acumulados para 2017-2020) en diferentes tratamientos de fertilización y desmalezado (N = 4 parcelas) en una plantación industrial de palma aceitera en Jambi, Indonesia. Los diagramas de caja indican el percentil 25, la mediana y el percentil 75, y los bigotes son 1,5 × el rango intercuartil. 22 tratamientos factoriales: + Fert, + Herb son fertilización convencional con tratamiento herbicida; − Fert, + Herb son fertilización reducida con tratamiento herbicida; + Fert, − Herb son fertilización convencional con deshierbe mecánico; − Fert, − Herb se fertiliza con deshierbe mecánico.

Los principales costos de manejo considerados en la plantación fueron costos de materiales (productos químicos) y costos de mano de obra para las operaciones de cosecha y desmalezado. Los costos de material en el tratamiento de fertilización reducida y desmalezado mecánico fueron un 41% más bajos (Fig. 3d) que en el tratamiento de fertilización y herbicida convencional (Tabla 1 y Tabla complementaria 2). Por el contrario, los costos de mano de obra fueron un 10% más altos en el deshierbe mecánico que en el tratamiento con herbicida (Fig. 3d y Tabla complementaria 2). La actividad laboral más intensiva fue la cosecha (que representa entre el 39% y el 45% de los costos laborales totales) y la limpieza del círculo de palma (entre el 12% y el 14% de los costos laborales totales), que fueron las mismas en ambos tratamientos de desmalezado. En consecuencia, la ganancia fue un 12% mayor (Fig. 3e) con el deshierbe mecánico que con el tratamiento con herbicidas (Tabla 1 y Tabla complementaria 2). Hubo un aumento en el margen bruto relativo con la fertilización reducida y el deshierbe mecánico en un 11% (Fig. 3f) en comparación con el tratamiento convencional de fertilización y herbicida (Tabla 1 y Tabla complementaria 2).

El manejo reducido (tasas de fertilización reducidas y deshierbe mecánico) promovió el funcionamiento del ecosistema y mantuvo altos niveles de rendimiento y ganancias, proporcionando una situación en la que todos ganan (Fig. 4). En particular, se encontró que la eliminación mecánica de malezas en lugar de usar herbicidas era una práctica de manejo sostenible que mejoraba la multifuncionalidad del ecosistema y la diversidad de las plantas del sotobosque, lo que, junto con la reducción de la fertilización, aumentaba las ganancias.

Para cada pétalo, el centro (quinto cuantil) y el borde exterior (cuantil 95) se basan en los valores z estandarizados de ocho funciones ecosistémicas (púrpura; Fig. 1), siete riquezas multitróficas para la biodiversidad (verde; Fig. 2). y seis indicadores de rendimiento y beneficio (naranja; Fig. 3). 22 tratamientos factoriales: + indica fertilización convencional y tratamiento herbicida; − indica fertilización reducida y deshierbe mecánico.

Varias funciones de los ecosistemas en las plantaciones de palma aceitera tienden a estar interrelacionadas23, lo que dificulta evaluar el efecto de las prácticas de manejo en funciones individuales. Al analizar múltiples funciones del ecosistema, el deshierbe mecánico mostró claramente una mayor multifuncionalidad que el tratamiento con herbicidas (Fig. 1 y Fig. 3 complementaria), que se ocultó cuando se analizó solo una función del ecosistema (Fig. 1 complementaria). Cabe señalar que los indicadores de la función de regulación de GEI revelaron que esta plantación madura ubicada en suelos minerales era una ligera fuente de C16 (es decir, como lo indica la productividad neta del ecosistema (PNE) de la cual se restó la cosecha de frutas; Tabla complementaria 2). Además, también tuvo grandes emisiones de N2O en el suelo debido a la alta tasa de fertilización con N, que es entre un 50 % y un 75 % más alta que los fertilizantes N aplicados en las plantaciones de palma aceitera de pequeños agricultores11. Sin embargo, la falta de efectos de la gestión en la función de regulación de los GEI o en cualquier función del ecosistema puede deberse a la duración relativamente corta de este experimento de gestión, que fue de 2016 a 2020, frente a al menos 16 años de gestión convencional cuando se estableció esta plantación. (1998-2000). El efecto heredado de las prácticas de gestión convencionales (Métodos) a largo plazo puede haber amortiguado los efectos de las prácticas de gestión reducidas. Además, algunos de los indicadores del ecosistema se midieron tan pronto como un año después del inicio del experimento de gestión (Tabla complementaria 1). De hecho, los estudios que investigaron los efectos de la fertilización reducida y el deshierbe mecánico en la biota del suelo asociada a las raíces un año después del inicio del experimento no encontraron efectos significativos del tratamiento, lo que atribuyeron al efecto heredado de la fertilización convencional y el uso de herbicidas33. De manera similar, los diferentes tratamientos de desmalezado no afectaron la cubierta vegetal (nuestro indicador para la prevención de la erosión), las tasas de descomposición de la hojarasca (uno de nuestros indicadores para la descomposición de la materia orgánica) ni las características físicas y bioquímicas del suelo durante el primer o segundo año después del tratamiento15,26. Al considerar las ocho funciones del ecosistema, dentro de los cuatro años posteriores al cambio del herbicida al deshierbe mecánico, se logró una mayor multifuncionalidad del ecosistema (Fig. 1 y Fig. complementaria 3). La eliminación mecánica de malezas promovió un rápido crecimiento de la vegetación debido a la preservación de la biomasa de las raíces, lo que puede haber resultado en efectos de retroalimentación positiva sobre la diversidad de las plantas24 y, en última instancia, sobre la multifuncionalidad (Figs. 1 y 2). Estudios experimentales en plantaciones maduras de palma aceitera que compararon el uso de herbicidas con la eliminación manual de malezas han reportado niveles sustancialmente más altos de biomasa y cobertura vegetal en el deshierbe manual24, con mayor potencial para apoyar las funciones del ecosistema26. Esperamos que la rápida recuperación de la vegetación del sotobosque bajo el deshierbe mecánico proporcione un alto aporte de materia orgánica34 y un microclima más adecuado para la actividad microbiana y faunística del suelo26, que en conjunto promueven la descomposición26 y la retención de nutrientes del suelo35,36. De hecho, el efecto positivo del deshierbe mecánico sobre la multifuncionalidad en nuestro estudio estuvo relacionado en gran medida con su efecto sobre las funciones del suelo, como la descomposición, la fertilidad del suelo y la filtración del agua, y sobre las funciones de refugio de las plantas (Figuras complementarias 2 y 3).

El efecto positivo del deshierbe mecánico sobre la biodiversidad fue impulsado principalmente por los efectos de la diversidad de plantas con un pequeño efecto positivo sobre otros grupos tróficos (microorganismos del suelo, invertebrados del suelo e insectos aéreos; Fig. 2). Encontramos un fuerte aumento en la riqueza de especies de vegetación del sotobosque en el deshierbe mecánico (Fig. 2), que fue similar a otros hallazgos en plantaciones de palma aceitera24 y eucalipto29 al cambiar de herbicidas a deshierbe manual. Un aumento en la diversidad de plantas mejora la eficiencia y la disponibilidad del uso de nutrientes37 a través de una mayor descomposición de diversos desechos vegetales y se ha relacionado con una mayor diversidad funcional, promoviendo la multifuncionalidad38. Es probable que una alta diversidad de plantas cree varias redes alimentarias complejas capaces de sustentar una gran abundancia de macrofauna, lo que puede, en parte, estimular a las comunidades de descomponedores y polinizadores26,39. Por lo tanto, un aumento en la diversidad de plantas puede promover la biodiversidad en niveles tróficos más altos debido a efectos ascendentes, con beneficios directos para los consumidores primarios y los microbios del suelo debido a una mayor diversidad de sustrato40.

El método de deshierbe también puede tener efectos considerables en la composición de las especies de plantas debido a la invasión de especies de plantas invasoras no nativas8,24. En particular, el efecto supresor de los herbicidas sobre la diversidad de la vegetación está bien documentado, ya que provoca una presión selectiva sobre las malezas y promueve especies resistentes a los herbicidas41. En consecuencia, la comunidad vegetal en las parcelas de tratamiento con herbicidas estaba dominada por la maleza resistente a los herbicidas C. hirta, pero el deshierbe mecánico fue eficaz para frenar la propagación de esta especie. Esto tiene implicaciones importantes para el manejo sostenible de las plantaciones de palma aceitera, ya que esta especie exótica altamente invasiva, además de ser problemática para el manejo de malezas en la plantación, también puede invadir los bosques tropicales y amenazar su biodiversidad42. La reducción de C. hirta en el deshierbe mecánico también fue concomitante con una mayor cobertura de la planta invasora A. gangetica subsp. micrantha, una planta atractiva para los polinizadores43, y de algunas especies nativas (como la hierba C. lappacea y el helecho C. dentata), lo que resultó en una mayor función de refugio de la planta (Figura complementaria 2).

Dado el período de cuatro años de este experimento de manejo, los efectos positivos del deshierbe mecánico sobre la biodiversidad y la multifuncionalidad significaron que estas prácticas de campo fácilmente adoptables pueden generar beneficios sustanciales en un corto período. Los efectos significativos en la diversidad de las plantas tardan algún tiempo en propagarse a través de los niveles tróficos, que tienden a aumentar considerablemente con la duración del experimento44. Por lo tanto, es posible que los efectos positivos del deshierbe mecánico sobre la biodiversidad y las funciones de los ecosistemas se intensifiquen con el tiempo, especialmente en los invertebrados del suelo y los insectos aéreos45. El empleo de deshierbe mecánico durante la etapa inicial del establecimiento de la palma aceitera puede generar beneficios oportunos en la multifuncionalidad y la biodiversidad del ecosistema, aunque hasta el momento no hay ningún estudio que investigue esto en plantaciones jóvenes.

El manejo reducido (tasas de fertilización reducidas y deshierbe mecánico) fue tan efectivo para lograr un rendimiento similar al del manejo convencional pero a costos más bajos (Fig. 3, Tabla 1 y Fig. 5 complementaria). El rendimiento anual promedio de 29,6 Mg ha-1 año-1 bajo el sistema de manejo reducido estuvo muy cerca del 'rendimiento alcanzable' publicado recientemente de 30,6 Mg ha-1 año-1 para plantaciones de palma aceitera a gran escala, definido como el rendimiento se logra con la adopción de insumos y prácticas de gestión económicamente óptimas1. Los rendimientos similares entre los tratamientos sugieren un uso más eficiente de los fertilizantes aplicados en el sistema de manejo reducido, particularmente en N, como lo muestra una disminución del 56% en las pérdidas de N disuelto en el sistema de fertilización reducida y deshierbe mecánico en comparación con el manejo convencional (Tabla complementaria 2). 15. Dado el tiempo necesario para la diferenciación de la proporción de sexos y el desarrollo del fruto de la palma aceitera20, se estima que los efectos de las prácticas de manejo sobre el rendimiento pueden tener un retraso en la respuesta de aproximadamente dos años46. Nuestras mediciones de rendimiento cubrieron cuatro años de este experimento de manejo, y la falta de efecto del tratamiento en el rendimiento acumulado de cuatro años y rendimientos similares entre dos períodos separados (es decir, 2017-2018 y 2019-2020; Figura complementaria 4a) sugieren que la reducción La fertilización era una alternativa más sostenible a los regímenes de fertilización convencionales existentes y que puede conducir a una mayor rentabilidad. Esto se vio reforzado aún más por nuestros hallazgos de que la gestión reducida no condujo a un mayor riesgo de obtener solo rendimientos muy bajos, por ejemplo, durante un período seco desde finales de 2018 hasta principios de 2019 causado por El Niño/Oscilación del Sur, como lo muestra nuestro indicadores de estabilidad del rendimiento (Fig. 3b, c). La gestión reducida incluso tendió a mostrar un mayor rendimiento en el peor de los casos y una menor probabilidad de caer por debajo del umbral del 75% del rendimiento promedio en comparación con la gestión convencional. Es importante mencionar que nuestra noción de riesgos de producción se refiere únicamente a los rendimientos, mientras que no tomamos en cuenta las fluctuaciones de los precios al productor de los racimos de frutos de palma aceitera, por un lado, ni las tendencias de los precios de los insumos, por el otro. Si bien las caídas en los precios al productor no conducirían a ningún cambio en la clasificación de las alternativas de manejo, la creciente escasez y el consiguiente aumento de los precios de los fertilizantes minerales podrían incluso aumentar la superioridad económica de los tratamientos de fertilización reducida. Descubrimos que las tasas de fertilización reducidas superarían a las tasas de fertilización convencionales en términos de ganancias si los costos de los fertilizantes aumentaran en un 100% (Figura complementaria 6). Los precios mundiales de los fertilizantes se encuentran actualmente en niveles casi récord21, superando los observados durante la crisis alimentaria y energética de 2008. Los altos precios de los fertilizantes pueden durar mucho tiempo, especialmente dada la escasez de P47, el sobreprecio del K en la agricultura48 y el creciente consenso sobre la costos sociales de la fertilización excesiva con N49, que no fueron monetizados aquí.

El alto rendimiento con una fertilización reducida sugiere que esta plantación puede estar sobrefertilizada. Sin embargo, esta afirmación es válida para plantaciones maduras de palma aceitera que han sido fuertemente fertilizadas desde su siembra, como la plantación de este estudio, pero puede no ser cierta para plantaciones más jóvenes en las que el suelo no ha acumulado nutrientes provenientes de la fertilización y de la descomposición de la palma aceitera. frondas22. Por lo tanto, es posible que sea necesario ajustar las tasas de fertilización durante el ciclo de vida de la plantación, considerando las diferentes acumulaciones y necesidades de nutrientes a lo largo del ciclo de vida de la palma aceitera50.

Por último, el mayor beneficio y el margen bruto relativo reducido en comparación con los tratamientos de gestión convencionales se debieron principalmente a una reducción en el costo del material y al mantenimiento de un alto rendimiento (Fig. 3 y Fig. complementaria 5). Debido al bajo salario mínimo en Indonesia (USD 184 por mes por persona), el costo laboral constituyó sólo una pequeña parte del costo total de gestión (Fig. 3d) y no se tradujo en bajas ganancias en el tratamiento de gestión reducido. Sin embargo, un aumento del salario mínimo en Indonesia o salarios más altos en otras áreas de producción probablemente no se traduciría en una diferencia marcada en los costos laborales entre los tratamientos. Esto se debe a que el cambio relativo en la diferencia de costos laborales entre tratamientos aún sería pequeño porque las principales actividades que consumen mucho tiempo, como la cosecha y la limpieza del círculo de palma, requirieron el mismo tiempo en todos los tratamientos. Nuestro análisis de sensibilidad demuestra que las diferencias relativas en rentabilidad parecen sólidas frente a cambios en los supuestos sobre los costos laborales unitarios. Sólo con un aumento de los costes laborales del 1.250% el tratamiento herbicida (con tasas de fertilización reducidas) sería más rentable que el respectivo deshierbe mecánico (Figura 6 complementaria). Sin embargo, en condiciones de escasez de mano de obra, es necesario considerar que incluso si la diferencia en las horas de trabajo fuera pequeña (aproximadamente 12 horas-hombre adicionales ha-1 año-1), el deshierbe mecánico aumenta el total de horas de trabajo en el manejo de la plantación.

Este experimento de gestión se llevó a cabo en una plantación industrial y todos los trabajos fueron realizados por miembros del personal de la plantación dentro del curso de la gestión común de la plantación. Si bien no podemos excluir por completo cualquier sesgo, por ejemplo, el tiempo de trabajo registrado por los investigadores que observan las operaciones, todavía estamos convencidos de que esta variación inherente será menor que las diferencias en el costo total de gestión, las ganancias y el margen bruto relativo que encontramos entre los reducidos y los tratamientos de manejo convencionales (Tabla 1).

En general, los resultados de nuestro experimento de gestión de cuatro años proporcionaron indicaciones tempranas de que el deshierbe mecánico, junto con tasas reducidas de fertilización compensatoria en plantaciones industriales de palma aceitera maduras, pueden ayudar a minimizar la lixiviación de nutrientes del suelo, disminuir el riesgo de contaminación del agua y eliminar el efecto de herbicida sobre vegetación nativa y otros grupos tróficos del suelo no objetivo33, reducen los riesgos para la salud de los trabajadores de las plantaciones y contribuyen así a las directrices de sostenibilidad de organismos de certificación como la Mesa Redonda de Palma Aceitera Sostenible51. Reconocemos que al analizar múltiples funciones del ecosistema, los efectos positivos de la gestión reducida sobre la multifuncionalidad pueden ser aún pequeños durante los primeros cuatro años de este experimento, ya que no hubo ningún efecto significativo al analizar las funciones individuales del ecosistema. Sin embargo, la multifuncionalidad mejorada del ecosistema gracias al deshierbe mecánico ejemplifica una situación en la que todos ganan, dado su alto rendimiento y ganancias, por un lado, y los costos ambientales asociados con el uso de herbicidas, por el otro. Por lo tanto, el manejo reducido es una opción de manejo viable para mantener un rendimiento óptimo, reducir el costo de los materiales y mejorar la biodiversidad y la multifuncionalidad del ecosistema en las plantaciones industriales de palma aceitera ubicadas en suelos minerales.

No se requirió aprobación ética para este estudio. Nuestro estudio se llevó a cabo en una plantación industrial de palma aceitera de propiedad estatal, donde establecimos una cooperación con el propietario de la finca para acceder al sitio y recopilar datos. No se muestrearon especies protegidas o en peligro de extinción. Los permisos de investigación se obtuvieron del Ministerio de Investigación, Tecnología y Educación Superior, y los permisos de recolección y exportación de muestras se obtuvieron del Ministerio de Medio Ambiente y Silvicultura de la República de Indonesia.

Nuestro estudio se realizó en una plantación industrial de palma aceitera de propiedad estatal (PTPN VI) ubicada en Jambi, Indonesia (1.719° S, 103.398° E, 73 m sobre el nivel del mar). La plantación inicial de palma aceitera dentro del área de plantación de 2.025 ha comenzó en 1998 y finalizó en 2002; La densidad de plantación fue de 142 palmas ha-1, espaciadas 8 m en cada hilera y entre hileras, y las palmas tenían ≥16 años durante nuestro período de estudio de 2016-2020. Los sitios de estudio tienen una temperatura media anual de 27,0 ± 0,2 °C y una precipitación media anual de 2103 ± 445 mm (2008-2017, aeropuerto Sultan Thaha, Jambi). Las prácticas de manejo en las plantaciones de palma aceitera a gran escala generalmente resultan en tres zonas de manejo contrastantes: (1) un radio de 2 m alrededor de la base de la palma que se desyerba (cuatro veces al año) y se rastrilla antes de la aplicación de fertilizante, en adelante denominado ' círculo de palma'; (2) un área situada cada dos hileras, donde se amontonaban hojas de palma senescentes podadas, en lo sucesivo denominadas "montones de hojas"; y (3) el área restante de la plantación donde se desmalezó menos (dos veces al año) y no se aplicó fertilizante, en lo sucesivo denominada "entre hileras".

Dentro de esta plantación de palma aceitera, establecimos un experimento de manejo en noviembre de 2016 con tratamientos factoriales completos de dos tasas de fertilización × dos prácticas de deshierbe: tasas de fertilización convencionales en PTPN VI y otras plantaciones a gran escala (260 kg N–50 kg P–220 kg K ha-1 año-1), tasas de fertilización reducidas basadas en la exportación cuantificada de nutrientes por cosecha (136 kg N-17 kg P ha-1 año-1-187 kg K ha-1 año-1), herbicidas y deshierbe mecánico15. El tratamiento de fertilización reducida se basó en la exportación cuantificada de nutrientes de la cosecha de fruta, calculada multiplicando el contenido de nutrientes de los racimos de fruta por los datos de rendimiento a largo plazo de la plantación. Los fertilizantes se aplicaron anualmente en abril y octubre después de desmalezar y rastrillar el círculo de palmeras. La práctica común en PTPN VI y otras plantaciones a gran escala en suelos ácidos de Acrisol es aplicar cal y micronutrientes, y estos no se modificaron en nuestro experimento de manejo. Antes de cada aplicación de fertilizante N–P–K, se aplicaron dolomita y micronutrientes al círculo de la palma en todas las parcelas de tratamiento utilizando las dosis comunes)52: 426 kg ha-1 año-1 dolomita y 142 kg Micro-Mag ha-1 año- 1 (que contiene 0,5% B2O3, 0,5% CuO, 0,25% Fe2O3, 0,15% ZnO, 0,1% MnO y 18% MgO). El tratamiento herbicida se realizó con glifosato en el círculo de palmeras (1,50 l ha−1 año−1, dividido en cuatro aplicaciones por año) y en los entre surcos (0,75 l ha−1 año−1, dividido en dos aplicaciones por año ). El deshierbe mecánico se realizó mediante desbrozadora en las mismas zonas de manejo y con la misma frecuencia que el tratamiento herbicida.

El diseño factorial 22 resultó en cuatro combinaciones de tratamientos: fertilización convencional con tratamiento herbicida, fertilización reducida con tratamiento herbicida, fertilización convencional con deshierbe mecánico y fertilización reducida con deshierbe mecánico. Los cuatro tratamientos fueron asignados al azar en parcelas de 50 m ×\ 50 m replicadas en cuatro bloques, totalizando 16 parcelas. El área de medición efectiva fue el área interior de 30 m × 30 m dentro de cada parcela replicada para evitar posibles efectos de borde. Para los indicadores (a continuación) que se midieron dentro de las subparcelas, estas subparcelas se distribuyeron aleatoriamente dentro de los 30 m × 30 m internos de una parcela. Todas las parcelas replicadas se ubicaron en terreno plano y en suelo Acrisol con textura franco arcillosa arenosa.

Nuestro estudio incluyó múltiples indicadores para cada una de las ocho funciones del ecosistema23, que se describen en detalle a continuación (Tablas complementarias 1 y 2). Todos los parámetros se expresaron a nivel de parcela tomando las medias de las subparcelas (es decir, parámetros biológicos) o el promedio ponderado por área de las tres zonas de manejo por parcela (es decir, parámetros del suelo). (1) La regulación de los gases de efecto invernadero (GEI) estuvo indicada por la NEP, el C orgánico del suelo (COS) y los flujos de GEI del suelo. (2) La prevención de la erosión estuvo representada por la cubierta vegetal del sotobosque durante las mediciones de cuatro años. (3) La descomposición de la materia orgánica estuvo indicada por la descomposición de la hojarasca y la actividad descomponedora de los animales del suelo. (4) La fertilidad del suelo estuvo representada por la tasa bruta de mineralización de N, la capacidad efectiva de intercambio catiónico (ECEC), la saturación de bases y la biomasa microbiana de N. (5) El potencial de polinización fue designado por la abundancia de artrópodos atrapados en bandejas y la actividad de las aves que se alimentan de néctar. Como tal, no cuantifica el potencial de polinización de la palma aceitera, que es polinizada principalmente por una sola especie de gorgojo, sino más bien como un indicador del potencial de polinización general de otras plantas concurrentes. (6) La filtración de agua (la capacidad de proporcionar agua limpia) estuvo indicada por las pérdidas por lixiviación de los elementos principales. (7) Refugio vegetal (la capacidad de proporcionar un hábitat adecuado para las plantas), expresado por el porcentaje de cobertura del suelo de plantas invasoras respecto de la cobertura total del suelo de la vegetación del sotobosque durante las mediciones de cuatro años. (8) El control biológico (la regulación de los herbívoros a través de la depredación) estuvo indicado por las actividades de las aves insectívoras y los murciélagos y la actividad de los depredadores artrópodos del suelo.

Todas las funciones del ecosistema se fusionaron en un índice de multifuncionalidad utilizando los enfoques de umbral y promedio establecidos12. Para la multifuncionalidad promedio, primero promediamos los valores estandarizados z (Estadísticas) de los indicadores para cada función del ecosistema y calculamos la media de las ocho funciones del ecosistema para cada parcela. Para el umbral de multifuncionalidad, este se calculó a partir del número de funciones que excede un umbral establecido, que es un porcentaje del nivel máximo de desempeño de cada función12; Investigamos el rango de umbrales del 10% al 90% para tener una descripción completa. El rendimiento máximo se tomó como el promedio de los tres valores más altos para cada indicador por función del ecosistema en todas las parcelas para reducir el efecto de posibles valores atípicos. Para cada gráfico, contamos el número de indicadores que excedieron un umbral determinado para cada función y lo dividimos por el número de indicadores para cada función12.

Calculamos la NEP anual para cada parcela como: intercambio neto de C del ecosistema - biomasa C del fruto cosechado (ref. 16), donde intercambio neto de C del ecosistema = Cout (o respiración heterótrofa) - Cin (o productividad primaria neta)53. La productividad primaria neta de las palmas aceiteras en cada parcela fue la suma de la producción de biomasa aérea (biomasa aérea C + entrada de biomasa C de hojarasca + biomasa frutal C) y la producción de biomasa subterránea. La producción de biomasa aérea se estimó utilizando ecuaciones alométricas desarrolladas para plantaciones de palma aceitera en Indonesia54, utilizando la altura de las palmas medida anualmente entre 2019 y 2020. La entrada anual de biomasa de hojarasca se calculó a partir del número y la masa seca de las hojas podadas durante los eventos de cosecha de un área entera. año en cada parcela y se promedió para 2019 y 2020. La producción de biomasa aérea se convirtió en C en función de las concentraciones de C en la madera y la hojarasca55. La producción anual de C de la biomasa de fruta (que también es la exportación de la cosecha) se calculó a partir del rendimiento anual promedio en 2019 y 2020 y las concentraciones de C medidas en los racimos de fruta. La biomasa de las raíces subterráneas y la producción de C de la hojarasca se tomaron de trabajos previos en nuestra área de estudio55 y se supusieron constantes para cada parcela. La respiración heterótrofa se estimó para cada parcela como: emisión anual de CO2 C del suelo (abajo) × 0,7 (basado en la contribución del 30% de la respiración de las raíces a la respiración del suelo de un bosque tropical en Sulawesi, Indonesia56) + entrada anual de C de la biomasa de hojarasca × 0,8 (~ En esta plantación de palma aceitera, el 80% de la hojarasca se descompone en un año8). El COS se midió en marzo de 2018 a partir de muestras compuestas recolectadas en dos subparcelas en cada una de las tres zonas de manejo por parcela hasta 50 cm de profundidad. Las muestras de suelo se secaron al aire, se molieron finamente y se analizaron para determinar el COS utilizando un analizador CN (Vario EL Cube, Elementar Analysis Systems). Las reservas de COS se calcularon utilizando la densidad aparente medida en cada zona de manejo, y los valores para cada parcela fueron el promedio ponderado por área de las tres zonas de manejo (18% para el círculo de palma, 15% para los montones de hojas y 67% para las hileras). 15,22.

Desde julio de 2019 hasta junio de 2020, realizamos mediciones mensuales de los flujos de CO2, CH4 y N2O del suelo utilizando cámaras estáticas ventiladas instaladas permanentemente en las tres zonas de manejo dentro de dos subparcelas por parcela11,57. Los flujos anuales de CO2, CH4 y N2O del suelo fueron interpolaciones trapezoidales entre períodos de medición para todo el año, y los valores para cada parcela fueron el promedio ponderado por área de las tres zonas de manejo (arriba).

La diversidad y abundancia de plantas vasculares se evaluaron una vez al año entre 2016 y 2020 antes del desmalezado en septiembre-noviembre. En cinco subparcelas por parcela, registramos la presencia de todas las especies de plantas vasculares y estimamos el porcentaje de cobertura de la vegetación del sotobosque. El porcentaje de cobertura y riqueza de especies de plantas de cada año de medición se expresaron en relación con el de 2016 para tener en cuenta las diferencias iniciales entre las parcelas antes del inicio del experimento. Por ejemplo, el porcentaje de cobertura en 2017 fue:

Se promediaron los valores de cinco subparcelas para representar cada parcela.

La descomposición de la hojarasca se determinó utilizando bolsas de hojarasca (20 cm x 20 cm con un tamaño de malla de 4 mm) que contenían 10 g de hojarasca seca de palma aceitera8. Se colocaron tres bolsas de hojarasca por parcela en el borde de los montones de hojas en diciembre de 2016. Después de ocho meses de incubación en el campo, calculamos la descomposición de la hojarasca como la diferencia entre la masa seca inicial de la hojarasca y la masa seca de la hojarasca después de la incubación. La actividad descomponedora de los animales del suelo se describe a continuación (Artrópodos del suelo).

Todos estos indicadores se midieron entre febrero y marzo de 2018 en las tres zonas de manejo dentro de dos subparcelas por parcela22. La tasa de mineralización bruta de N en el suelo se midió en los 5 cm superiores de profundidad en núcleos de suelo intactos incubados in situ utilizando la técnica de dilución en piscina 15N58. La ECEC y la saturación de bases se midieron en los 5 cm superiores de profundidad, ya que es la profundidad que reacciona rápidamente a los cambios en el manejo22. Las concentraciones de cationes intercambiables (Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, Mn) se determinaron percolando el suelo con 1 mol l-1 de NH4Cl sin tampón, seguido del análisis de los percolados utilizando un espectrómetro de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente. (ICP-AES; espectrómetro ICP iCAP 6300 Duo view, Thermo Fisher Scientific). La saturación de bases se calculó como el porcentaje de bases intercambiables (Mg, Ca, K y Na) en ECEC. La biomasa microbiana N se midió a partir de muestras frescas de suelo utilizando el método de fumigación-extracción59. Los valores para cada parcela fueron la media de las dos subparcelas que fueron el promedio ponderado por área de las tres zonas de manejo (arriba)15,22.

Se utilizaron trampas de bandeja amarilla fluorescente para tomar muestras de artrópodos aéreos (para determinar las comunidades de polinizadores60) en noviembre de 2016, septiembre de 2017 y junio de 2018. Las trampas se conectaron a una plataforma a la altura de la vegetación circundante dentro de una cuadrícula de 2 × 3 centrada en el inter -filas de cada parcela en seis grupos de tres trampas, totalizando 18 trampas por parcela. Las trampas estuvieron expuestas en el campo durante 48 h. Almacenamos todos los artrópodos atrapados en etanol al 70% y luego los contamos e identificamos por orden y nivel de especie. La abundancia de artrópodos atrapados en 2017 y 2018 se calculó como la relación con la abundancia en 2016 para tener en cuenta las diferencias iniciales entre las parcelas antes del inicio del experimento. La actividad de las aves que se alimentan de néctar se describe a continuación (Aves y murciélagos).

Las pérdidas por lixiviación de elementos se determinaron a partir de análisis de agua de los poros del suelo muestreados mensualmente a 1,5 m de profundidad utilizando lisímetros de ventosa (cerámica P80, tamaño máximo de poro 1 μm; CeramTec) durante el transcurso de un año (2017-2018)15. Se instalaron lisímetros en las tres zonas de manejo dentro de dos subparcelas por parcela. El N disuelto se analizó mediante colorimetría de inyección de flujo continuo (SEAL Analytical AA3, SEAL Analytical), mientras que estos otros elementos se determinaron utilizando ICP-AES. Los valores para cada parcela fueron la media de las dos subparcelas que fueron el promedio ponderado por área de las tres zonas de manejo15,22.

En cinco subparcelas por parcela, el porcentaje de cobertura y la riqueza de especies de plantas invasoras del sotobosque se evaluaron una vez al año entre 2016 y 2020 antes del desmalezado en septiembre-noviembre. Definimos especies invasoras como aquellas plantas no nativas de Sumatra61 y entre las diez especies dominantes (excluyendo la palma aceitera) en la plantación para cada año. El porcentaje de cobertura de especies de plantas invasoras del sotobosque de cada año de medición se expresó en proporción al de 2016 para tener en cuenta las diferencias iniciales entre las parcelas antes del inicio del experimento. Los valores de cada parcela estuvieron representados por el promedio de cinco subparcelas.

Las actividades de las aves y murciélagos insectívoros se describen a continuación (Aves y murciélagos). En cinco subparcelas por parcela se recolectaron invertebrados del suelo (artrópodos del suelo), se contaron, se identificaron a nivel de orden taxonómico y posteriormente se clasificaron según sus grupos tróficos que incluyen depredadores60. Los valores de cinco subparcelas fueron promedio para representar cada parcela.

La biodiversidad se midió mediante la riqueza taxonómica de siete grupos multitróficos, que se describen en detalle a continuación (Tablas complementarias 1 y 2).

El método se describe anteriormente (Indicadores de prevención de la erosión), utilizando el número de especies como indicador (Tabla complementaria 2).

Esto se determinó en mayo de 2017 mediante la coextracción de ARN y ADN de tres núcleos de suelo (5 cm de diámetro, 7 cm de profundidad) en cinco subparcelas por parcela62. Mientras que la extracción de ADN describe a toda la comunidad microbiana, el ARN representa la comunidad activa. La región v3-v4 del gen 16S rRNA se amplificó y secuenció con un secuenciador MiSeq (Illumina). La clasificación taxonómica se realizó mapeando secuencias seleccionadas contra la base de datos no redundante (NR) de subunidad pequeña (SSU) 13863 de SILVA con la herramienta de búsqueda de alineación local básica (BLASTN)64.

Para la determinación de artrópodos del suelo, recolectamos muestras de suelo (16 cm × 16 cm, 5 cm de profundidad) en cinco subparcelas por parcela entre octubre y noviembre de 2017. Extrajimos los animales del suelo usando un extractor de gradiente de calor65 y los recolectamos en dimetilenglicol. -solución de agua (1:1) y se almacenó en etanol al 80%. Los animales extraídos fueron contados e identificados a nivel de orden taxonómico61. También fueron asignados a los grupos tróficos descomponedores, herbívoros y depredadores con base en los recursos alimentarios predominantes registrados en revisiones anteriores y en un estudio local66,67. Los órdenes con diversos hábitos alimentarios se dividieron en varios grupos alimentarios; por ejemplo, los coleópteros se dividieron en familias principalmente depredadoras (Staphylinidae, Carabidae), familias herbívoras (por ejemplo, Curculionidae) y familias de descomponedores (por ejemplo, Tenebrionidae). El número total de individuos por grupo taxonómico en cada subparcela se multiplicó por la tasa metabólica específica del grupo, que se sumaron para calcular la actividad descomponedora de los animales del suelo. Los valores de cinco subparcelas fueron promedio para representar cada parcela.

Además de las trampas de color amarillo fluorescente descritas anteriormente (indicadores del potencial de polinización general), en junio de 2018 se realizaron muestreos de redes de barrido y trampas Malaise, que se dirigieron a las comunidades generales de artrópodos voladores y que habitan en el sotobosque. El muestreo con red de barrido se realizó dentro de la vegetación del sotobosque a lo largo de dos transectos de 10 m de largo por parcela, con diez barridos realizados por transecto. En cada parcela, instalamos una única trampa Malaise entre dos palmas elegidas al azar y la expusimos durante 24 h. Se contaron los artrópodos, se identificaron a nivel de orden taxonómico y los insectos a nivel de familia taxonómica y se sumaron los valores de los tres métodos para representar cada parcela.

Se tomaron muestras de aves y murciélagos que pasaban por cada parcela replicada en septiembre de 2017 utilizando grabadores de sonido SM2Bat + (Wildlife Acoustics) con dos micrófonos (SMX-II y SMX-US) colocados a una altura de 1,5 m en el medio de cada parcela68. Asignamos la vocalización de las aves a especies con Xeno-Canto69 y la biblioteca Macaulay70. La riqueza de especies de murciélagos insectívoros se calculó dividiéndolas en morfoespecies según las características de su llamado (frecuencia, duración, forma). Además, recopilamos información sobre las preferencias dietéticas proporcionales de las especies de aves utilizando la base de datos EltonTrait71. Definimos aves que se alimentan de invertebrados (potenciales agentes de biocontrol) como las especies con una dieta de al menos 80% de invertebrados y que se alimentan de néctar (potenciales polinizadores), si la dieta incluye al menos un 20% de néctar.

Utilizamos seis indicadores vinculados al nivel y la estabilidad del rendimiento y las ganancias: rendimiento, quinto cuantil inferior del rendimiento por palma por parcela, probabilidad de déficit, costos de gestión, ganancias y margen bruto relativo. Evaluamos el rendimiento de frutos pesando los racimos de frutos cosechados de cada palma dentro del área interior de 30 m × 30 m de cada parcela. La cosecha siguió el cronograma y prácticas estándar de la empresa plantadora: cada palma se cosechó aproximadamente cada diez días y se podaron las hojas inferiores. Para cada parcela, calculamos el rendimiento promedio de frutos por palma y lo ampliamos a una hectárea, considerando la densidad de siembra de 142 palmas por ha. Debido a que las palmas en cada parcela tienen diferentes ciclos de fructificación y fueron cosechadas continuamente, el cálculo del rendimiento anual puede llevar a diferencias engañosas entre tratamientos. Por lo tanto, calculamos el rendimiento acumulado desde el inicio del experimento hasta cuatro años (2017-2020), lo que debería tener en cuenta las variaciones interanuales e intraanuales en la producción de frutos de las palmas en las parcelas y así permitir la comparación entre tratamientos. . Como los efectos de las prácticas de gestión sobre el rendimiento pueden retrasarse46, también calculamos el rendimiento acumulado durante dos años consecutivos (2017-2018 y 2019-2020) y verificamos los efectos del tratamiento en los indicadores de rendimiento y ganancias por separado para estos dos períodos.

Calculamos indicadores de riesgo sobre el rendimiento acumulado y sobre el rendimiento entre los dos períodos. Usamos el quinto cuantil más bajo del rendimiento por palma por parcela (lado izquierdo de la distribución) para indicar la producción de las palmas con menor rendimiento. Además, determinamos la probabilidad de déficit de rendimiento (momento parcial inferior de orden 0), definida como la proporción de palmas que cayeron por debajo de un umbral de rendimiento predefinido; Los umbrales elegidos fueron 630 kg-1 por palma para el rendimiento acumulativo y 300 kg-1 por palma por año para el rendimiento de dos años, lo que correspondió al 75% del rendimiento promedio.

Los ingresos y costos se calcularon como valores acumulativos durante los cuatro años del experimento (2017-2020) utilizando los mismos precios y costos para todos los años. Esto se debió a que estábamos interesados ​​en evaluar las consecuencias económicas de diferentes tratamientos de gestión, y podrían ser difíciles de interpretar cuando se incluyen los cambios en los precios y costos entre años calendario, que son impulsados ​​por poderes de mercado externos más que por las prácticas de gestión de campo. Por la misma razón nos abstuvimos de descontar beneficios. Dadas las tasas de descuento generalmente altas aplicadas al área de estudio, ligeras diferencias en las actividades de cosecha entre años o meses calendario podrían conducir a altas diferencias sistemáticas entre los tratamientos de manejo, que están asociadas con la variación en el cronograma de trabajo dentro de la plantación más que con la diferencia real. entre los tratamientos de manejo. Los ingresos se calcularon a partir del rendimiento y el precio promedio de los racimos de fruta en 2016 y 201761. Los costos de materiales fueron la suma de los costos de fertilizantes, herbicidas y gasolina para la desbrozadora. Los costos laborales se calcularon a partir del salario mínimo en Jambi y el tiempo (en horas de trabajo) necesario para las operaciones de cosecha, fertilización y deshierbe, que se registraron en 2017 para cada parcela. La labor de desmalezado incluyó la labor de rastrillar el círculo de palma antes de la fertilización, que fue igual en todos los tratamientos, y el desmalezado en el círculo de palma y entre hileras ya sea con herbicida o desbrozadora. Además, incluimos el tiempo para eliminar C. hirta, que debe eliminarse mecánicamente de todas las parcelas una vez al año, calculado a partir del tiempo promedio de eliminación de malezas en el círculo de palma y el porcentaje de cobertura de C. hirta en cada parcela para cada año. Luego calculamos la ganancia como la diferencia entre los ingresos y los costos totales de gestión y el margen bruto relativo como la proporción de la ganancia bruta de los ingresos.

Para probar las diferencias entre los tratamientos de manejo para cada función del ecosistema y entre los indicadores de biodiversidad, primero se estandarizó el valor a nivel de parcela de cada indicador (z = (valor real − valor medio entre parcelas) / desviación estándar)4. Esto evita el predominio de uno o pocos indicadores sobre los demás, y la estandarización permite que varios indicadores distintos caractericen mejor una función del ecosistema o la biodiversidad4. Los valores estandarizados se invirtieron (multiplicados por -1) para indicadores cuyos valores altos significan efectos indeseables (es decir, NEP, flujos de N2O y CH4 del suelo, pérdidas por lixiviación de elementos, cobertura vegetal invasora, déficit de rendimiento, costos de gestión) para interpretaciones intuitivas. Para una función ecosistémica específica (Figuras complementarias 1 y 2) y para todos los indicadores de biodiversidad (Figura 2), se utilizaron modelos lineales de efectos mixtos (LME) para evaluar las diferencias entre los tratamientos de manejo (fertilización, deshierbe y su interacción) como valores fijos. efectos con gráficos replicados e indicadores (Tablas complementarias 2 y 3) como efectos aleatorios. La importancia de los efectos fijos se evaluó mediante ANOVA72. El rendimiento del modelo LME se evaluó mediante gráficos de residuos de diagnóstico73. Como las variables indicadoras pueden diferir sistemáticamente en sus respuestas a los tratamientos de manejo, también probamos la interacción entre el indicador y el tratamiento (Tabla 1). Para probar las diferencias entre los tratamientos de gestión entre las funciones del ecosistema (es decir, la multifuncionalidad; Fig. 1), utilizamos para cada gráfico replicado el promedio de los indicadores estandarizados en z de cada función del ecosistema y los rangos de umbrales (es decir, el número de funciones que excede un porcentaje establecido del rendimiento máximo de cada función12 (Figura complementaria 3). Los modelos LME tuvieron tratamientos de manejo (fertilización, desmalezado y su interacción) como efectos fijos y replicaron parcelas y funciones ecosistémicas como efectos aleatorios; También se probó la interacción entre la función del ecosistema y el tratamiento para evaluar si había diferencias sistemáticas en sus respuestas a los tratamientos de manejo (Tabla 1). Como esperábamos que el tipo de deshierbe influyera en la vegetación del suelo, probamos las diferencias en la cobertura del suelo de la vegetación del sotobosque, medidas de 2016 a 2020, utilizando LME con tratamientos de manejo como efecto fijo y parcelas replicadas y año como efectos aleatorios. Diferencias entre los tratamientos de manejo (fertilización, deshierbe y su interacción) en los indicadores de rendimiento y ganancias, que fueron valores acumulados durante cuatro años (Fig. 3) o para dos períodos separados (2017-2018 y 2019-2020; Fig. complementaria 4), se evaluaron utilizando el modelo lineal ANOVA (Tabla 1). Para una comparación visual clara entre los tratamientos de manejo de las funciones del ecosistema, los grupos multitróficos de la biodiversidad y los indicadores de rendimiento y ganancias, los percentiles quinto y 95 de sus valores z estandarizados se presentaron en un diagrama de pétalos (Fig. 4 y Fig. complementaria 5). Los datos se analizaron utilizando R (versión 4.0.4), utilizando los paquetes R 'nlme' e 'influence.ME'73.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen del informe de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Los datos sobre los indicadores de las funciones de los ecosistemas, la biodiversidad y la productividad económica están disponibles públicamente en el repositorio Göttingen Research Online: https://doi.org/10.25625/MZJLUM (ref. 74). La clasificación taxonómica del ARN ribosomal se realizó mediante el mapeo de secuencias seleccionadas en la base de datos SILVA SSU 138 NR (https://doi.org/10.1093/nar/gks1219). Los datos sobre las preferencias dietéticas proporcionales de las especies de aves se obtuvieron de la base de datos EltonTrait (https://doi.org/10.1890/13-1917.1). Las vocalizaciones de las aves se asignaron a nivel de especie utilizando Xeno-Canto (Fundación Xeno-Canto, 2012) y la biblioteca Macaulay (https://www.macaulaylibrary.org).

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Descargar referencias

Este estudio fue financiado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, número de proyecto 192626868–SFB 990/2-3) en el marco del proyecto de investigación colaborativo alemán-indonesio CRC990 EFForTS. La empresa PT Perkebunan Nusantara VI no proporcionó financiación y no tuvo ninguna influencia en el diseño del estudio, la recopilación de datos, el análisis o la interpretación. Agradecemos a PTPN VI por permitirnos realizar investigaciones en su plantación y ayudar con la cosecha de palma. Agradecemos a todos nuestros asistentes de investigación de laboratorio y de campo de Indonesia, especialmente a A. Farzi y al Proyecto Z01 por gestionar la implementación de campo de este experimento. Agradecemos a RISTEKDIKTI por proporcionar los permisos de investigación.

Greta Formaglio

Dirección actual: Universidad de Montpellier, CIRAD, INRAE, Institut Agro, IRD, Montpellier, Francia

Estos autores contribuyeron igualmente: Iddris, NA, Formaglio, G.

Ciencias del suelo de ecosistemas tropicales y subtropicales, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

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

Economía forestal y planificación sostenible del uso de la tierra, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Carola Paul y Volker von Groß

Departamento de Biología de la Conservación, Instituto Blumenbach de Zoología y Antropología, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Andres Angulo-Rubiano

Departamento de Agroecología, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Andrés Ángulo-Rubiano & Tile Tscharntke

Microbiología genómica y aplicada, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Dirk Berkelmann y Rolf Daniel

Biodiversidad, Macroecología y Biogeografía, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Fabián Brambach y Holger Kreft

Laboratorio de Tecnología y Agricultura Sostenible, Facultad de Ingeniería, Universidad Westlake, Hangzhou, China

Kevin FA Darras

Instituto JF Blumenbach de Zoología y Antropología, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Valentyna Krashevska, Anton Potapov y Stefan Scheu

Agrobiodiversidad Funcional, Universidad de Goettingen, Goettingen, Alemania

Arne Wenzel

Facultad de Silvicultura, Universidad de Jambi, ciudad de Jambi, Indonesia

Bambang Irawan

Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad de Jambi, Jambi, Indonesia

Muhammad Damris

Ecología de Sistemas Agrícolas Tropicales, Universidad de Hohenheim, Stuttgart, Alemania

Hierba Ingo

Facultad de Agricultura, Universidad Tadulako, Palu, Indonesia

Aiyen Tjoa

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NAI y GF dirigieron la redacción del manuscrito junto con MDCGF, NAI, CP y VvG realizaron el análisis de datos. MDC, EV y TT diseñaron el experimento. SS, AT, KD y BI apoyaron el establecimiento del experimento. NAI y AT coordinaron las actividades de campo del experimento. AT, MD y BI facilitaron el acceso al campo, el apoyo logístico y los acuerdos de colaboración. GF, NAI, GC, FB, AP, VK, AW, DB, AT, AA-R., KD, MDC y EV contribuyeron con datos y participaron en discusiones sobre el diseño, análisis e interpretación del estudio. Todos los autores escribieron partes o comentaron el manuscrito.

Correspondencia a Najeeb Al-Amin Iddris.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Sustainability agradece a Erik Meijaard, Tse seng chuah y los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Higos suplementarios. 1–6 y Tablas 1 y 2.

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Reimpresiones y permisos

Iddris, N.AA., Formaglio, G., Paul, C. et al. El deshierbe mecánico mejora la multifuncionalidad del ecosistema y las ganancias en la palma de aceite industrial. Nat Sustain 6, 683–695 (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01076-x

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Recibido: 30 de junio de 2022

Aceptado: 01 de febrero de 2023

Publicado: 02 de marzo de 2023

Fecha de emisión: junio de 2023

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

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