Highlighting the role of diversity in driving weed community dynamics and weed:crop interactions
Mise en évidence du rôle de la diversité dans la dynamique des communautés d'adventices et des interactions adventices/cultures
Résumé
The main challenge of 21st century agriculture is to provide sufficient food for a growing to identify cropping systems which maintain crop productivity, minimize reliance on synthetic herbicides and nitrogen fertilizers, and promote weed diversity. We hypothesized that cropping system diversification, either at the annual scale through the introduction of cover crops, or at the plurennial scale through a diversification of the crop sequence and associated weed management tools, could be a viable means to reach these objectives. More specifically, we hypothesized that cropping system diversification could (i) contain weed abundance and thereby, allow a reduction of herbicide use and an increase in weed diversity, and (ii) alleviate weed:crop competition through a modification of weed communities or available resources. Three experiments were mobilized or implemented to test these hypotheses: (i) a long-term integrated weed management cropping system experiment focusing on contrasted agronomic pathways to reduce herbicide reliance (2001 2017, Dijon, France), (ii) a longterm factorial experiment focusing on the interaction between cover crops, nitrogen fertilization, and tillage systems (1993 onwards, Pisa, Italy), and (iii) a three year experiment focusing on the effect of contrasted weed communities on winter cereal productivity (2016 2018, Dijon, France). Firstly, results highlighted that low herbicide use, long-term weed management, and high crop productivity can be reconciled in grain-based cropping systems provided that a diversified crop rotation integrating a diverse suite of tactics (herbicides included) is implemented. Strict no-till was not able to achieve significant reductions in herbicide use, mainly due to the use of glyphosate for burndown weed control. All alternative cropping systems tested were able to increase weed diversity at both the annual and plurennial scale but each pathway selected distinct weed community characteristics. Tillage, crop type and weeding strategy appeared as the main factors structuring weed communities. Secondly, we identified that the weed suppressive potential of cover crops could not simply be summarized to biomass production: the slopes between cover crop and weed biomass depended on cover crop species. However, modifications in weed community abundance or structure during the fallow period did not carry over to the subsequent crops, possibly due to the combined effect of tillage and herbicides. Nevertheless, the introduction of cover crops, such as Vicia villosa Roth, allowed to reach maximum maize productivity while significantly reducing nitrogen fertilization. Finally, analysis of weed:crop competitive relationships showed that (i) not all weed communities were capable of generating yield losses, (ii) weed communities can generate yield losses through contrasted processes in time or space, and that (iii) weed diversity was highly correlated to low weed biomass and therefore, a reduced effect on winter cereal productivity. All results point out that ecological intensification in agriculture can maintain crop productivity while limiting chemical herbicides and nitrogen fertilizers, and that this generally favors higher weed diversity. Benefits associated to cropping system diversification were mainly visible when management intensity was reduced. The transition towards more environmentally sound cropping systems will require deep changes for farmers and the farming sector, and in the way farmers are rewarded for the agroecosystem services they provide.
Le principal défi de l'agriculture du 21e siècle est de fournir suffisamment de nourriture à une population croissante pour identifier les systèmes de culture qui maintiennent la productivité des cultures, minimisent la dépendance aux herbicides synthétiques et aux engrais azotés, et favorisent la diversité des mauvaises herbes. Nous avons émis l'hypothèse que la diversification des systèmes de culture, soit à l'échelle annuelle par l'introduction de plantes de couverture, soit à l'échelle pluriannuelle par une diversification de la séquence de cultures et des outils de gestion des adventices associés, pourrait être un moyen viable d'atteindre ces objectifs. Plus précisément, nous avons émis l'hypothèse que la diversification des systèmes de culture pourrait (i) contenir l'abondance des adventices et ainsi, permettre une réduction de l'utilisation des herbicides et une augmentation de la diversité des adventices, et (ii) atténuer la compétition adventices/cultures par une modification des communautés d'adventices ou des ressources disponibles. Trois expériences ont été mobilisées ou mises en œuvre pour tester ces hypothèses : (i) une expérience de système de culture de gestion intégrée des adventices à long terme axée sur des voies agronomiques contrastées pour réduire la dépendance aux herbicides (2001 2017, Dijon, France), (ii) une expérience factorielle à long terme axée sur l'interaction entre les plantes de couverture, la fertilisation azotée et les systèmes de travail du sol (depuis 1993, Pise, Italie), et (iii) une expérience de trois ans axée sur l'effet de communautés d'adventices contrastées sur la productivité des céréales d'hiver (2016 2018, Dijon, France). Tout d'abord, les résultats ont mis en évidence qu'une faible utilisation d'herbicides, une gestion à long terme des adventices et une productivité élevée des cultures peuvent être conciliées dans les systèmes de culture à base de céréales, à condition de mettre en œuvre une rotation culturale diversifiée intégrant une suite variée de tactiques (herbicides inclus). Le semis direct strict n'a pas permis de réduire de manière significative l'utilisation d'herbicides, principalement en raison de l'utilisation de glyphosate pour le désherbage par brûlage. Tous les systèmes de culture alternatifs testés ont été capables d'augmenter la diversité des adventices à l'échelle annuelle et pluriannuelle, mais chaque voie a sélectionné des caractéristiques de communauté d'adventices distinctes. Le travail du sol, le type de culture et la stratégie de désherbage sont apparus comme les principaux facteurs structurant les communautés d'adventices. Deuxièmement, nous avons identifié que le potentiel de suppression des adventices des cultures de couverture ne pouvait pas être simplement résumé à la production de biomasse : les pentes entre les cultures de couverture et la biomasse des adventices dépendaient des espèces de cultures de couverture. Cependant, les modifications de l'abondance ou de la structure des communautés de mauvaises herbes pendant la période de jachère ne se sont pas reportées sur les cultures suivantes, peut-être en raison de l'effet combiné du travail du sol et des herbicides. Néanmoins, l'introduction de plantes de couverture, telles que Vicia villosa Roth, a permis d'atteindre une productivité maximale du maïs tout en réduisant significativement la fertilisation azotée. Enfin, l'analyse des relations de compétition adventices/cultures a montré que (i) toutes les communautés d'adventices n'étaient pas capables de générer des pertes de rendement, (ii) les communautés d'adventices peuvent générer des pertes de rendement par des processus contrastés dans le temps ou l'espace, et que (iii) la diversité des adventices était fortement corrélée à une faible biomasse d'adventices et donc à un effet réduit sur la productivité des céréales d'hiver. Tous les résultats soulignent que l'intensification écologique de l'agriculture peut maintenir la productivité des cultures tout en limitant les herbicides chimiques et les engrais azotés, et que cela favorise généralement une plus grande diversité des adventices. Les avantages associés à la diversification des systèmes de culture étaient principalement visibles lorsque l'intensité de la gestion était réduite. La transition vers des systèmes de culture plus respectueux de l'environnement nécessitera de profonds changements pour les agriculteurs et le secteur agricole, ainsi que dans la manière dont les agriculteurs sont récompensés pour les services agroécosystémiques qu'ils fournissent.