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

Naturaleza Sostenibilidad (2023)Citar 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), lo que provoca impactos ambientales nocivos. Usando un experimento factorial 22, evaluamos los efectos de las tasas de fertilización convencional versus reducida (igual a los nutrientes eliminados por la cosecha de la fruta) y herbicida versus deshierbe mecánico en las funciones del ecosistema, la biodiversidad y la rentabilidad. Al analizar múltiples funciones del ecosistema, el deshierbe mecánico exhibió una mayor multifuncionalidad que el tratamiento con herbicida, aunque este efecto se ocultó cuando se evaluó solo para funciones individuales. También se mejoró la biodiversidad, impulsada por un 33 % más de especies de plantas bajo deshierbe mecánico. En comparación con el manejo convencional, la fertilización reducida y el deshierbe mecánico aumentaron las ganancias en un 12 % y el margen bruto relativo en un 11 % debido a la reducción de 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 manejo sostenible para mejorar la multifuncionalidad del ecosistema y la biodiversidad y aumentar las ganancias, proporcionando situaciones beneficiosas para todos.

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

Actualmente 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 fincas de pequeños propietarios (generalmente <50 ha de tierra y propiedad de individuos5), la productividad de las plantaciones industriales de palma aceitera es ~50 % más alta7, pero en gran parte se debe a las altas aplicaciones de fertilizantes y herbicidas para optimizar la productividad8 a expensas de otros procesos del ecosistema. En contraste con 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 en los bosques y las pérdidas de 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 en las funciones de los ecosistemas, la biodiversidad y la salud. productividad económica. Los estudios de investigación experimentales primarios 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. Podría decirse que la aplicación de fertilizantes y herbicidas con alta frecuencia son las actividades de manejo más importantes en las plantaciones industriales de palma aceitera debido a su efecto sobre el rendimiento de la palma aceitera. Por lo tanto, una ventaja importante para una producción de aceite de palma más sostenible desde el punto de vista ambiental es identificar las tasas óptimas de aplicación de fertilizantes y el método de deshierbe para mantener una productividad y una rentabilidad económica lo suficientemente altas, al tiempo que se minimizan las pérdidas asociadas de las funciones del ecosistema y la biodiversidad.

La fertilización contribuye a mantener altos niveles de productividad, pero también representa una parte sustancial de los costos de manejo 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. Desde el punto de vista económico, el exceso de fertilización de la palma de aceite puede reducir la rentabilidad debido a la saturación de la curva de rendimiento a pesar de aumentar la aplicación de fertilizantes, de modo que el aumento lineal en los costos de los fertilizantes podría disminuir sustancialmente los rendimientos netos20. Es vital tener esto en cuenta dada la reducción de la disponibilidad global y el consiguiente aumento del precio de los fertilizantes21. Los efectos de la fertilización excesiva podrían reducirse ajustando las tasas de fertilización a niveles que compensen solo la cantidad de nutrientes exportados a través de la cosecha y a través de la fertilización orgánica al devolver la hojarasca de palma22 y otros subproductos del procesamiento (por ejemplo, efluentes de molinos de aceite de palma y racimos de fruta vacíos) 23. Tal reducción en la intensidad de la fertilización puede, en consecuencia, promover la retención y el reciclaje eficientes 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 a los ahorros en costos de fertilizantes y, por lo tanto, presentar una opción más atractiva desde el punto de vista ecológico y económico.

Otra práctica de gestión importante en las plantaciones industriales de palma aceitera es el control de malezas, necesario para equilibrar los efectos positivos y negativos potenciales de la vegetación del sotobosque y para facilitar el acceso para las operaciones de gestión. Las plantaciones industriales emplean convencionalmente el uso de herbicidas para la eliminación fácil y rápida de la vegetación del sotobosque, pero esto a menudo se complementa con el 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 vegetación del sotobosque24 al mismo 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 sostenible podría ser el deshierbe mecánico, que permite una rápida regeneración de la vegetación del sotobosque gracias a la conservación de sus raíces. En consecuencia, esto conduce a una mayor cobertura y diversidad de plantas del sotobosque que pueden promover el ciclo de nutrientes29,30 y mejorar la complejidad del hábitat, apoyando la abundancia y diversidad de animales26,27,28. Sin embargo, estos efectos ecológicamente deseables pueden tener efectos económicos adversos, ya que el deshierbe mecánico requiere una mayor 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 del racimo de frutos al estrés hídrico31,32.

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

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

Los diagramas de caja (percentil 25, mediana y percentil 75) y los bigotes (1,5 × rango intercuartílico) se basan en los valores estandarizados z ((valor real − valor medio en los gráficos repetidos) / desviación estándar) de los indicadores para una función específica del ecosistema. 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; − denota fertilización reducida y deshierbe mecánico. Letras diferentes indican que la multifuncionalidad del ecosistema fue mayor en el deshierbe mecánico que en el tratamiento con herbicida (modelo lineal de efectos mixtos en P = 0,03; Tabla 1).

La biodiversidad, estimada como el promedio de indicadores de riqueza taxonómica en siete grupos tróficos, también fue mayor en el deshierbe mecánico que en el tratamiento con herbicida (Fig. 2 y Tabla 1). Este efecto fue impulsado principalmente por el 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, 33% más 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 herbicida, el deshierbe mecánico aumentó la cobertura del suelo de todas estas especies de plantas (P < 0,04), excepto para C. hirta, para la cual la cobertura del suelo se redujo en un 55 % (P = 0,01).

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

El rendimiento acumulado de cuatro años no difirió entre tratamientos (Fig. 3a y Cuadro 1). Para evaluar la noción de que la fertilización reducida (con o sin deshierbe mecánico) tendrá menos estabilidad de rendimiento que la fertilización convencional (con o sin tratamiento con herbicida), observamos el extremo izquierdo de la distribución de rendimiento. Encontramos que el rendimiento acumulativo 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 caiga 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 el deshierbe mecánico no tuvo un efecto negativo en los peores resultados. rendimiento del caso. Al analizar por separado para 2017-2018 y 2019-2020, no encontramos ningún efecto de los tratamientos en los indicadores de rendimiento y ganancias (Figura 4 complementaria), lo que significa que no hubo evidencia de posibles reducciones de rendimiento retrasadas en respuesta al tratamiento de manejo reducido durante las mediciones de cuatro años.

Rendimiento de palma aceitera (a), rendimiento por palma con el rendimiento más bajo (b), proporción de palmas por parcela que cayó por debajo del 75% del rendimiento promedio (c), costos (d), utilidad (e) y margen bruto relativo ( f) (valores acumulados para 2017–2020) en diferentes tratamientos de fertilización y deshierbe (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 intercuartílico. 22 tratamientos factoriales: + Fert, + Herb son fertilización convencional con tratamiento herbicida; − Fert, + Herb son fertilización reducida con tratamiento herbicida; + Fert, − Hierba son fertilización convencional con deshierbe mecánico; − Fert, − Las hierbas son fertilización reducida 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 deshierbe. Los costos de materiales en la fertilización reducida y el tratamiento de deshierbe mecánico fueron un 41% más bajos (Fig. 3d) que en el tratamiento convencional de fertilización y herbicida (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 representó el 39-45% de los costos laborales totales) y la limpieza del círculo de palmeras (12-14% de los costos laborales totales), que fueron iguales en ambos tratamientos de deshierbe. En consecuencia, la ganancia fue un 12% mayor (Fig. 3e) en el deshierbe mecánico que en el tratamiento con herbicida (Tabla 1 y Tabla complementaria 2). Hubo un aumento en el margen bruto relativo en la fertilización reducida y el deshierbe mecánico en un 11% (Fig. 3f) en comparación con la fertilización convencional y el tratamiento con herbicida (Tabla 1 y Tabla complementaria 2).

La gestión reducida (tasas de fertilización reducidas y deshierbe mecánico) promovió el funcionamiento del ecosistema y mantuvo altos niveles de rendimiento y ganancias, proporcionando una situación beneficiosa para todos (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 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 (95.° cuantil) se basan en los valores estandarizados z de ocho funciones del ecosistema (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; − denota fertilización reducida y deshierbe mecánico.

Varias funciones de los ecosistemas en las plantaciones de palma aceitera tienden a estar interrelacionadas23, lo que dificulta la evaluación del efecto de las prácticas de manejo en funciones individuales. Al analizar múltiples funciones del ecosistema, el deshierbe mecánico claramente exhibió una mayor multifuncionalidad que el tratamiento con herbicida (Fig. 1 y Fig. 3 complementaria), que se ocultó al analizar 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 fuente leve de C16 (es decir, como lo indica la productividad neta del ecosistema (NEP) de la cual se restó la cosecha de frutos; Tabla complementaria 2). Además, también tenía grandes emisiones de N2O en el suelo debido a la alta tasa de fertilización con N, que es ~50–75 % más alta que los fertilizantes con N aplicados en las plantaciones de palma aceitera de pequeños propietarios11. Sin embargo, la falta de efectos de manejo en la función de regulación de GEI o en cualquier función individual del ecosistema puede deberse al período relativamente corto de este experimento de manejo, que fue de 2016 a 2020 frente a al menos 16 años de manejo convencional cuando se estableció esta plantación. (1998-2000). El efecto heredado de las prácticas de gestión convencionales a largo plazo (Métodos) 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, que atribuyeron al efecto heredado de la fertilización convencional y el uso de herbicidas33. De manera similar, los diferentes tratamientos de deshierbe no afectaron la cobertura 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) y las características físicas y bioquímicas del suelo durante los primeros dos años después del tratamiento15,26. Al considerar las ocho funciones del ecosistema, dentro de los cuatro años de un cambio de herbicida a deshierbe mecánico, se logró una mayor multifuncionalidad del ecosistema (Fig. 1 y Fig. 3 complementaria). La remoción mecánica de malezas promovió un rápido crecimiento de la vegetación debido a la preservación de la biomasa de raíces, lo que puede haber resultado en efectos de retroalimentación positivos sobre la diversidad de plantas24 y, en última instancia, sobre la multifuncionalidad (Figs. 1 y 2). Los estudios experimentales en plantaciones maduras de palma aceitera que compararon el uso de herbicidas con la eliminación manual de malezas han informado niveles sustancialmente más altos de biomasa vegetal y cobertura en el deshierbe manual24, con un mayor potencial para apoyar las funciones del ecosistema26. Esperamos que la rápida recuperación de la vegetación del sotobosque mediante el deshierbe mecánico proporcione un alto aporte de materia orgánica34 y un microclima más adecuado para la actividad microbiana y faunística del suelo26, que juntas 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 se relacionó en gran medida con su efecto sobre las funciones del suelo, como la descomposición, la fertilidad del suelo y la filtración de agua, y sobre las funciones de refugio de las plantas (Figuras complementarias 2 y 3).

El efecto positivo del deshierbe mecánico en la biodiversidad fue impulsado principalmente por los efectos de la diversidad de plantas con un pequeño efecto positivo en otros grupos tróficos (microorganismos del suelo, invertebrados del suelo e insectos de la superficie; 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 de plantaciones de palma aceitera24 y eucalipto29 al cambiar de herbicidas a deshierbe manual. Un aumento en la diversidad de plantas mejora la eficiencia en el uso de nutrientes y la disponibilidad37 a través de una mayor descomposición de la diversa hojarasca vegetal y se ha relacionado con una mayor diversidad funcional, promoviendo la multifuncionalidad38. Es probable que la alta diversidad de plantas cree varias redes alimenticias complejas capaces de soportar una gran abundancia de macrofauna, lo que puede, en parte, estimular las comunidades de descomponedores y polinizadores26,39. Por lo tanto, un aumento en la diversidad de plantas puede promover la biodiversidad en los niveles tróficos más altos debido a los efectos ascendentes, con beneficios directos para los consumidores primarios y los microbios del suelo debido a una mayor diversidad de sustratos40.

El método de deshierbe también puede tener efectos considerables en la composición de 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 de plantas 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 gramínea C. lappacea y el helecho C. dentata), lo que resultó en una mayor función de refugio de la planta (Fig. 2 complementaria).

Dado el lapso 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 período corto. Los efectos significativos en la diversidad de plantas tardan algún tiempo en propagarse a través de los niveles tróficos, que tienden a aumentar considerablemente con la duración experimental44. 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 sobre los invertebrados del suelo y los insectos de la superficie45. Emplear el deshierbe mecánico durante la etapa temprana del establecimiento de la palma aceitera puede generar beneficios oportunos en la multifuncionalidad del ecosistema y la biodiversidad, 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 como el 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 manejo 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 demuestra una disminución del 56 % en las pérdidas de N disuelto en la fertilización reducida y el deshierbe mecánico en comparación con el manejo convencional (Tabla complementaria 2) 15. Dado el tiempo 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 una respuesta retardada 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 acumulativo de cuatro años y rendimientos similares entre dos períodos separados (es decir, 2017–2018 y 2019–2020; Fig. 4a complementaria) sugieren que la reducción la fertilización era una alternativa más sostenible a los regímenes de fertilización convencionales existentes 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 a fines de 2018 y principios de 2019 causado por El Niño/Oscilación del Sur, como lo muestra nuestro estudio. 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 medio en comparación con la gestión convencional. Es importante mencionar que nuestra noción de riesgos de producción se refiere solo a los rendimientos, mientras que ignoramos las fluctuaciones de los precios al productor de los racimos de palma aceitera, por un lado, y las tendencias en los precios de los insumos, por el otro. Si bien las disminuciones 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 en P47, el K muy sobrevalorado en la agricultura48 y el creciente consenso sobre la costos sociales de la fertilización excesiva con N49, que no se monetizaron aquí.

El alto rendimiento bajo fertilización reducida sugiere que esta plantación puede estar sobre fertilizada. Sin embargo, esta afirmación es válida para plantaciones de palma aceitera maduras que han sido fuertemente fertilizadas desde la plantación, como la plantación de este estudio, pero puede no ser cierto para plantaciones más jóvenes en las que el suelo no ha acumulado nutrientes de la fertilización y de la descomposición de los árboles senescentes. frondas22. Por lo tanto, es posible que sea necesario ajustar las tasas de fertilización durante el ciclo de vida de la plantación, teniendo en cuenta las diferentes acumulaciones de nutrientes y los requisitos de nutrientes a lo largo del ciclo de vida de la palma aceitera50.

Por último, la mayor ganancia y el margen bruto relativo 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. 5 complementaria). Debido al bajo salario mínimo en Indonesia (US$184 por mes por persona), el costo laboral constituyó solo una pequeña parte del costo total de gestión (Fig. 3d) y no se tradujo en una baja ganancia en el tratamiento de gestión reducida. Sin embargo, un aumento en el salario mínimo en Indonesia o salarios más altos en otras áreas de producción probablemente no se traduciría en una gran diferencia en los costos laborales entre los tratamientos. Esto se debe a que el cambio relativo en la diferencia del costo de la mano de obra entre los tratamientos seguiría siendo pequeño debido a que las principales actividades que consumen mucho tiempo, como la cosecha y la limpieza del círculo de palmeras, requirieron el mismo tiempo en todos los tratamientos. Nuestro análisis de sensibilidad demuestra que las diferencias relativas en la rentabilidad parecen sólidas frente a los cambios en los supuestos sobre los costos laborales por unidad. Solo con un aumento de los costos de mano de obra en un 1250 %, el tratamiento con herbicidas (con tasas de fertilización reducidas) sería más rentable que el respectivo deshierbe mecánico (Fig. 6 complementaria). Sin embargo, bajo la escasez de mano de obra, se debe 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 ningún 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, la ganancia y el margen bruto relativo que encontramos entre reducido y tratamientos de manejo convencionales (Cuadro 1).

En general, los resultados de nuestro experimento de manejo de cuatro años proporcionaron indicaciones tempranas de que el deshierbe mecánico, junto con tasas de fertilización compensatorias reducidas en plantaciones de palma aceitera industriales maduras, pueden ayudar a minimizar la lixiviación de nutrientes del suelo, disminuir el riesgo de contaminación del agua, eliminar el efecto de herbicida en la vegetación nativa y otros grupos tróficos del suelo no objetivo33, reduce los riesgos para la salud de los trabajadores de las plantaciones y, por lo tanto, contribuye a las pautas de sostenibilidad de los organismos de certificación como la Mesa Redonda de Palma de Aceite Sostenible51. Reconocemos que al analizar múltiples funciones del ecosistema, los efectos positivos de la gestión reducida en la multifuncionalidad pueden ser aún pequeños durante los primeros cuatro años de este experimento, ya que no hubo un efecto significativo al analizar las funciones individuales del ecosistema. Sin embargo, la multifuncionalidad mejorada del ecosistema bajo el 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, la gestión reducida es una opción de gestión 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 que se encuentran en suelos minerales.

No se requirió aprobación ética para este estudio. Nuestro estudio se llevó a cabo en una plantación de palma aceitera industrial de propiedad estatal donde establecimos una cooperación con el propietario de la finca para acceder al sitio y recopilar datos. No se tomaron muestras de 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 2025 ha comenzó en 1998 y finalizó en 2002; la densidad de plantación fue de 142 palmas ha−1, separadas 8 m en cada hilera y entre hileras, y las palmeras 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 fue desherbada (cuatro veces al año) y rastrillada antes de la aplicación de fertilizantes, en lo sucesivo denominada ' círculo de palmeras'; (2) un área que se presentaba cada dos hileras, donde se amontonaban hojas de palmeras senescentes podadas, en lo sucesivo denominadas 'montones de hojas'; y (3) el área restante de la plantación donde se aplicó menos maleza (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 de nutrientes cuantificada por cosecha (136 kg N–17 kg P ha−1 año−1–187 kg K ha−1 año−1), herbicida y deshierbe mecánico15. El tratamiento de fertilización reducida se basó en la exportación de nutrientes cuantificada de la cosecha de frutas, calculada multiplicando el contenido de nutrientes de los racimos de frutas con los datos de rendimiento a largo plazo de la plantación. Los fertilizantes se aplicaron anualmente en abril y octubre después de deshierbar 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 cambiaron en nuestro experimento de manejo. Antes de cada aplicación de fertilizante N-P-K, se aplicaron dolomita y micronutrientes al círculo de palmeras en todas las parcelas de tratamiento usando las tasas 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, repartido en cuatro aplicaciones al año) y entre hileras (0,75 l ha−1 año−1, repartido en dos aplicaciones al año). ). El deshierbe mecánico se realizó con desmalezadora 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 se asignaron al azar en parcelas de 50 mx\ 50 m replicadas en cuatro bloques, con un total de 16 parcelas. El área de medición efectiva fue el área interna 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 subparcelas, estas subparcelas se distribuyeron aleatoriamente dentro de los 30 m × 30 m interiores de una parcela. Todas las parcelas replicadas se ubicaron en terreno plano y en un suelo Acrisol con una 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 del área de las tres zonas de manejo por parcela (es decir, parámetros del suelo). (1) La regulación de gases de efecto invernadero (GEI) fue indicada por NEP, C orgánico del suelo (SOC) y flujos de GEI del suelo. (2) La prevención de la erosión estuvo indicada por la cubierta vegetal del sotobosque durante las mediciones de cuatro años. (3) La descomposición de la materia orgánica fue indicada por la descomposición de la hojarasca y la actividad de descomposición animal del suelo. (4) La fertilidad del suelo se determinó mediante la tasa bruta de mineralización de N, la capacidad efectiva de intercambio de cationes (ECEC), la saturación de bases y el N de la biomasa microbiana. (5) El potencial de polinización se determinó mediante la abundancia de artrópodos atrapados y la actividad de las aves que se alimentan de néctar. Como tal, no cuantifica el potencial de polinización de la palma de aceite, 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 del agua (la capacidad de proporcionar agua limpia) se indicó mediante las pérdidas por lixiviación de los elementos principales. (7) Refugio de plantas (la capacidad de proporcionar un hábitat adecuado para las plantas) como lo indica el porcentaje de cobertura del suelo de plantas invasoras con respecto a la cobertura total del suelo de vegetación del sotobosque durante las mediciones de cuatro años. (8) El control biológico (la regulación de los herbívoros a través de la depredación) fue indicado por las actividades de pájaros insectívoros y murciélagos y la actividad de depredadores de artrópodos del suelo.

Todas las funciones del ecosistema se fusionaron en un índice de multifuncionalidad utilizando los enfoques de promedio y umbral 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 supera un umbral establecido, que es un porcentaje del nivel máximo de rendimiento de cada función12; investigamos el rango de umbrales del 10% al 90% para tener una visión general 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 parcela, contamos el número de indicadores que excedieron un umbral dado para cada función y lo dividimos por el número de indicadores para cada función12.

Calculamos el NEP anual para cada parcela como: intercambio neto de C del ecosistema – biomasa C de la fruta cosechada (ref. 16), donde el intercambio neto de C del ecosistema = Cout (o respiración heterótrofa) – Cin (o productividad primaria neta)53. La productividad primaria neta de las palmas de aceite en cada parcela fue la suma de la producción de biomasa aérea (biomasa aérea C + biomasa de hojarasca entrada de C + biomasa de frutos C) y la producción de biomasa subterránea. La producción de biomasa aérea se estimó utilizando ecuaciones alométricas desarrolladas para las 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 todo un año en cada parcela y se promedió para 2019 y 2020. La producción de biomasa aérea se convirtió a C en función de las concentraciones de C en la madera y la hojarasca55. La producción anual de C en la biomasa de la 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 frutas. La biomasa de raíces subterráneas y la producción de hojarasca C se tomaron de trabajos previos en nuestra área de estudio55, y se supuso constante para cada parcela. La respiración heterótrofa se estimó para cada parcela como: emisión anual de CO2 C del suelo (abajo) × 0,7 (basado en el 30 % de la contribución de la respiración de la raíz a la respiración del suelo de un bosque tropical en Sulawesi, Indonesia56) + entrada anual de C de la biomasa de la hojarasca × 0,8 (~ El 80% de la hojarasca se descompone en un año en esta plantación de palma aceitera8). El COS se midió en marzo de 2018 a partir de muestras compuestas recolectadas de dos subparcelas en cada una de las tres zonas de gestión por parcela hasta una profundidad de 50 cm. Las muestras de suelo se secaron al aire, se molieron finamente y se analizaron para SOC utilizando un analizador CN (Vario EL Cube, Elementar Analysis Systems). Las existencias de SOC se calcularon usando la densidad aparente medida en cada zona de manejo, y los valores para cada parcela fueron el promedio ponderado del área de las tres zonas de manejo (18 % para círculo de palmeras, 15 % para montones de hojas y 67 % para hileras intermedias) 15,22.

Desde julio de 2019 hasta junio de 2020, realizamos mediciones mensuales de los flujos de CO2, CH4 y N2O en el 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 en el suelo fueron interpolaciones trapezoidales entre períodos de medición para todo el año, y los valores para cada parcela fueron el promedio ponderado del área de las tres zonas de manejo (arriba).

La diversidad y abundancia de plantas vasculares se evaluó una vez al año desde 2016 hasta 2020 antes de deshierbar en septiembre-noviembre. En cinco subparcelas por parcela, registramos la ocurrencia de todas las especies de plantas vasculares y estimamos el porcentaje de cobertura de la vegetación del sotobosque. El porcentaje de cobertura y la 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:

Los valores de cinco subparcelas se promediaron para representar cada parcela.

La descomposición de la hojarasca se determinó usando bolsas de hojarasca (20 cm × 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 las pilas de frondas 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 de descomposición de los animales del suelo se describe a continuación (Artrópodos del suelo).

Todos estos indicadores se midieron en febrero-marzo de 2018 en las tres zonas de manejo dentro de dos subparcelas por parcela22. La tasa bruta de mineralización de N en el suelo se midió en los primeros 5 cm de profundidad en núcleos de suelo intactos incubados in situ usando la técnica de dilución de la piscina 15N58. La EAPI y la saturación de bases se midieron en los primeros 5 cm de profundidad, ya que esta 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 filtrando el suelo con 1 mol l−1 de NH4Cl no tamponado, seguido de un 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. El N de la biomasa microbiana se midió a partir de muestras de suelo fresco 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.

En noviembre de 2016, septiembre de 2017 y junio de 2018, se utilizaron trampas de bandeja de color amarillo fluorescente para muestrear artrópodos sobre el suelo (para determinar las comunidades de polinizadores60). Las trampas se colocaron en una plataforma a la altura de la vegetación circundante dentro de una cuadrícula de 2 × 3 centrada en -hileras de cada parcela en seis grupos de tres trampas, totalizando 18 trampas por parcela. Las trampas se expusieron en el campo durante 48 h. Almacenamos todos los artrópodos atrapados en etanol al 70% y luego los contamos e identificamos a nivel de orden y especie. La abundancia de artrópodos atrapados en 2017 y 2018 se calculó como la proporción de 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 del agua de los poros del suelo muestreados mensualmente a 1,5 m de profundidad usando lisímetros de ventosa (cerámica P80, tamaño máximo de poro 1 μm; CeramTec) en 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 mediante 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 desde 2016 hasta 2020 antes de desmalezar en septiembre y noviembre. Definimos especies invasoras como aquellas plantas no nativas de Sumatra61 y entre las diez especies dominantes (excluyendo la palma aceitera) en la plantación de cada año. El porcentaje de cobertura de especies de plantas invasoras del sotobosque de cada año de medición se expresó en una proporción con respecto a 2016 para tener en cuenta las diferencias iniciales entre las parcelas antes del inicio del experimento. Los valores para cada parcela fueron representados por el promedio de cinco subparcelas.

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

La biodiversidad se midió por 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 extracción conjunta 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 a 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) 138 de la subunidad pequeña (SSU) SILVA63 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 en octubre-noviembre de 2017. Extrajimos los animales del suelo usando un extractor de gradiente de calor65, los recolectamos en dimetilenglicol -solución de agua (1:1) y almacenada 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 previas y un estudio local66,67. Los órdenes con hábitos alimenticios diversos se dividieron en varios grupos de alimentación, por ejemplo, los coleópteros se dividieron en familias mayoritariamente depredadoras (Staphylinidae, Carabidae), familias herbívoras (por ejemplo, Curculionidae) y familias de descomposición (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 de descomposición animal del suelo. Los valores de cinco subparcelas fueron promedio para representar cada parcela.

Además de las trampas de bandeja amarillas fluorescentes descritas anteriormente (Indicadores del potencial de polinización general), se realizaron muestreos con redes de barrido y trampas Malaise en junio de 2018, que se dirigieron a las comunidades generales de artrópodos voladores y del 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 sola trampa Malaise entre dos palmas elegidas al azar y la exponemos 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.

Las aves y los murciélagos que pasaban en cada parcela replicada se muestrearon en septiembre de 2017 utilizando grabadoras de sonido SM2Bat + (Wildlife Acoustics) con dos micrófonos (SMX-II y SMX-US) colocados a una altura de 1,5 m en el centro de cada parcela68. Asignamos la vocalización de las aves a las 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 llamada (frecuencia de llamada, duración, forma). Además, recopilamos información sobre las preferencias dietéticas proporcionales de las especies de aves utilizando la base de datos EltonTrait71. Definimos a las aves que se alimentan de invertebrados (potenciales agentes de control biológico) como las especies con una dieta de al menos un 80 % de invertebrados y que se alimentan de néctar (potenciales polinizadores), si la dieta incluía al menos un 20 % de néctar.

Se utilizaron seis indicadores vinculados al nivel y estabilidad de rendimiento y utilidad: rendimiento, quinto cuantil inferior del rendimiento por palma por parcela, probabilidad de déficit, costos de manejo, utilidad y margen bruto relativo. Evaluamos el rendimiento de la fruta pesando los racimos de fruta cosechados de cada palma dentro del área interior de 30 m × 30 m de cada parcela. La cosecha siguió el cronograma y las prácticas estándar de la plantadora: cada palma se cosechó aproximadamente cada diez días y se podaron las hojas inferiores. Para cada parcela se calculó el rendimiento promedio de frutos por palma y se amplió 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 se cosecharon continuamente, el cálculo de un rendimiento anual puede generar diferencias engañosas entre los tratamientos. Por lo tanto, calculamos el rendimiento acumulado desde el comienzo 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, por lo tanto, permitir la comparación entre tratamientos. . Como los efectos de las prácticas de gestión sobre el rendimiento pueden demorarse46, también calculamos el rendimiento acumulado durante dos años consecutivos (2017–2018 y 2019–2020) y verificamos los efectos del tratamiento sobre 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 el rendimiento más bajo. 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 acumulado y 300 kg-1 por palma por año para el rendimiento de dos años, lo que corresponde al 75% del rendimiento promedio.

Los ingresos y costos se calcularon como valores acumulados 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 los diferentes tratamientos de manejo, y podrían ser difíciles de interpretar cuando se incluyen los cambios en los precios y costos entre años calendario, que son impulsados ​​por los poderes del mercado externo en lugar de las prácticas de manejo de campo. Por la misma razón, nos abstuvimos de descontar utilidades. Dadas las tasas de descuento generalmente altas que se aplican al área de estudio, las ligeras diferencias en las actividades de cosecha entre los años o meses del calendario podrían conducir a grandes diferencias sistemáticas entre los tratamientos de manejo, que están asociadas con la variación en el horario 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 frutas en 2016 y 201761. Los costos de materiales fueron la suma de los costos de fertilizantes, herbicida y gasolina para la desbrozadora. Los costos laborales se calcularon a partir del salario mínimo en Jambi y el tiempo (en horas de mano de obra) necesario para las operaciones de cosecha, fertilización y deshierbe, que se registraron en 2017 para cada parcela. La labor de deshierbe incluyó la labor de rastrillado del círculo de palmeras antes de la fertilización, que fue igual en todos los tratamientos, y el deshierbe en el círculo de palmeras y entre hileras ya sea con herbicida o con desbrozadora. Además, incluimos el tiempo de remoción de C. hirta, que debe ser removido mecánicamente de todas las parcelas una vez al año, calculado a partir del tiempo promedio de remoción de malezas en el círculo de palmeras 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 gestión para cada función del ecosistema y entre los indicadores de biodiversidad, el valor a nivel de parcela de cada indicador se estandarizó primero en z (z = (valor real − valor medio entre parcelas) / desviación estándar)4. Esto evita el predominio de uno o unos pocos indicadores sobre los demás, y la estandarización z permite que varios indicadores distintos caractericen mejor la función de un ecosistema o la biodiversidad4. Los valores estandarizados se invirtieron (multiplicaron por −1) para los indicadores cuyos valores altos significan un efecto indeseable (es decir, NEP, flujos de N2O y CH4 del suelo, pérdidas por lixiviación de elementos, cubierta vegetal invasiva, déficit de rendimiento, costos de manejo) para interpretaciones intuitivas. Para una función específica del ecosistema (Figs. 1 y 2 complementarias) y entre indicadores de biodiversidad (Fig. 2), se usaron modelos lineales de efectos mixtos (LME) para evaluar las diferencias entre los tratamientos de manejo (fertilización, deshierbe y su interacción) como fijos. efectos con gráficos e indicadores replicados (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 residuales 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 manejo a través de las funciones del ecosistema (es decir, multifuncionalidad; Fig. 1), usamos para cada parcela replicada el promedio de indicadores estandarizados z de cada función del ecosistema y rangos de umbrales (es decir, número de funciones que supera un porcentaje establecido del rendimiento máximo de cada función12 (Fig. 3 complementaria). Los modelos LME tenían tratamientos de manejo (fertilización, deshierbe y su interacción) como efectos fijos y parcelas replicadas y funciones del ecosistema 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 influiría en la vegetación del suelo, probamos las diferencias en la cobertura del suelo de la vegetación del sotobosque, medidas de 2016 a 2020, usando LME con tratamientos de manejo como efectos fijos y réplicas de parcelas 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. 4 complementaria), se evaluaron utilizando el modelo lineal ANOVA (Tabla 1). Para una comparación visual clara entre los tratamientos de manejo en las funciones del ecosistema, los grupos multitróficos para la biodiversidad y los indicadores de rendimiento y ganancias, los percentiles quinto y 95 de sus valores estandarizados en z se presentaron en un diagrama de pétalos (Fig. 4 y Suplementario Fig. 5). Los datos se analizaron utilizando R (versión 4.0.4), utilizando los paquetes de R 'nlme' e 'influence.ME'73.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes 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 en línea de Göttingen Research: https://doi.org/10.25625/MZJLUM (ref. 74). La clasificación taxonómica del ARN ribosómico 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 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, número de proyecto 192626868–SFB 990/2-3) en el marco del proyecto de investigación colaborativo germano-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 por 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 administrar la implementación de este experimento en el campo. 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 por igual: Iddris, NA, Formaglio, G.

Ciencia del suelo de los 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 Angle-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, Escuela de Ingeniería, Universidad de Westlake, Hangzhou, China

Kevin FA Darrás

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 Ciencias y Tecnología, Universidad de Jambi, Jambi, Indonesia

Mohamed Damris

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

Hierba Ingo

Facultad de Agricultura, Universidad Tadulako, Palu, Indonesia

Ayyen 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 a campo, apoyo logístico y convenios de colaboración. GF, NAI, GC, FB, AP, VK, AW, DB, AT, AA-R., KD, MDC y EV contribuyeron con datos y participaron en debates sobre el diseño, el análisis y la 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 a 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 los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Figs suplementarias. 1 a 6 y las tablas 1 y 2.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Iddris, NAA., Formaglio, G., Paul, C. et al. El deshierbe mecánico mejora la multifuncionalidad del ecosistema y las ganancias en la palma aceitera industrial. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01076-x

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Recibido: 30 junio 2022

Aceptado: 01 febrero 2023

Publicado: 02 marzo 2023

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

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