Diss. ETH No. 19184 An Ecosystem Service Approach to Coffee Production in a Complex Landscape Mosaic A dissertation submitted to ETH Zurich for the degree of Doctor of Sciences presented by Virginie Elsa BOREUX Master of Science, University of Edinburgh born 19 th December 1980 Citizen of France accepted on the recommendation of Prof. Dr. Jaboury Ghazoul, examiner Dr. Philippe Vaast, co-examiner Prof. Dr. Harald Bugmann, co-examiner 2010
Abstract Ecosystem services were defined by the Millennium Ecological Assessment (2005), as an economic benefit provided by nature to human society, and encompass services such as carbon sequestration, climate regulation, natural pest control, insect pollination of wild species (for genetic conservation and biodiversity) or crops for productivity. Agricultural systems are, however, subject to a variety of management interventions, such as fertilisation or pesticide application, which benefit production even if they also impact ecosystem services. Moreover, environmental variables such as soil quality or rainfall also influence crop production and might limit the extent to which ecosystem services can benefit production. Therefore, pollination might not necessarily be translated into improved crop production owing to environmental factors or management interventions. In consequence, when assessing the role of pollination for crop production, it is imperative that we also investigate the relative impacts and benefits of management practices and environmental variables, as well as their interaction with the service concerned, pollination. It is within the context of planters management interventions that the present research evaluated the interaction between coffee production and pollination as an ecosystem service. We investigated pollination services in coffee agroforestry systems, in Kodagu district, India, where coffee plantations present a wide variety of management systems. Data collection took place in 123 plantations, from which 113 had complete data sets and were retained for the analysis. In the first chapter, we identify the management practices and environmental variables which influence the most coffee production. A range of management practices, including fertilisation, lime application, coffee pruning, weeding and irrigation, are used in coffee agroforestry systems in Kodagu, where shade cover is highly variable among plantations and where there has been a recent trend towards less shaded coffee plantations. We examine the relative role of these management practices, as well as shade and shade tree density, for coffee production. Environmental variables such as rainfall and soil quality were also included. Native shade tree density improved coffee production and quality (although shade itself did not), while the widely planted exotic xiii
shade tree Grevillea robusta had no direct benefit on coffee yield or quality. Other management interventions, including irrigation and lime application, had, however, a far more substantial affect on coffee production and quality than native shade tree density. While the dependency of coffee production on pollination has been repeatedly proved, virtually no study included management practices in its analysis, thereby failing to account for activities having a major impact on yield. The second chapter investigates the impact of pollination on coffee production considering management strategies on fertilisation, irrigation, shade, as well as environmental variables, based on the results from Chapter 1. Our results show that even taking into account management decisions, bee abundance positively influence coffee production in terms of number of berries harvested. However, bee abundance at any one site was mainly driven by irrigation, which triggered asynchronous flowering and concentrated bee foraging. Raising awareness among coffee growers of the role of asynchronously irrigating can potentially contribute to improved quantity and quality of coffee yields. In the third chapter, we examine the influence of the landscape, and particularly forest remnants, on bee abundance at coffee plantations on the flowering day. Indeed, the role of forest fragments in providing pollination services to adjoining agricultural landscapes has received considerable recognition in recent years. In most studies, bee abundance at coffee flowers was reduced with increasing distance from a forest. However, none of the studies identified forest size as an important factor even though the extent of natural habitats impacts the amount of nesting sites and forage for bees. We investigate the combined effect of distance from forest and forest size on bee abundance at coffee plantations in two contrasting scenarios. The analysis was carried out on plantations which were irrigated, leading to scattered flowering, and on plantations which received rainfall, leading to flowering of a large part of the landscape (mass flowering). We performed bee observation and collected data on production in 83 plantations, of which 32 were irrigated. Forest size varied from 0.2 ha to more than 400 ha, while distance from forest ranged from 3 to 3500 m. Forest size and distance to forest did not influence pollinator abundance or coffee production, but under mass flowering, shade tree species richness had a negative influence on bee abundance at coffee flowers, due to competition of simultaneously flowering trees with coffee flowers. We confirm that bee population in Kodagu is not enough to pollinate mass flowering coffee. Although we cannot conclude that this limited bee population is the result of a loss of forest cover, forest remnants need to be protected to limit potential adverse effect of forest removal on bee population. xiv
Résumé Les services des écosystèmes ont été définis par le Millennium Ecological Assessment (2005) comme un avantage économique fournis par la nature à la société humaine, et comprennent des services tels que la séquestration du carbone, la régulation du climat, le contrôle naturel des ravageurs, la pollinisation par les insectes de la flore sauvage (pour la conservation génétique et la biodiversité) ou des cultures agricoles pour la production. Les systèmes agricoles sont toutefois soumis à une série d interventions de gestion, comme l application de fertiliseurs ou de pesticides, qui soutient la production, même si ces interventions peuvent aussi avoir un impact sur les services environnementaux. En outre, des variables environnementales aussi variées que la qualité du sol ou les précipitations influent également sur la production agricole et peuvent limiter la mesure dans laquelle les services environnementaux peuvent bénéficier la production. Par conséquent, la pollinisation peut ne pas nécessairement se traduire par une amélioration de la production en raison de ces facteurs environnementaux ou du management de la plantation. Lors de l évaluation du rôle de la pollinisation dans la production agricole, il est impératif d étudier également les impacts et les avantages relatifs du management et des variables environnementales, ainsi que leur interaction avec le service environnemental concerné, la pollinisation. C est dans le cadre des interventions de gestion effectuées par les planteurs que la présente thèse évalue l interaction entre la production de café et la pollinisation. Nous avons étudié la pollinisation du café dans les systèmes agroforestiers du district de Kodagu, en Inde, où les plantations de café présentent une grande variété de systèmes de management. La collecte des données a eu lieu dans 123 plantations, pour 113 desquelles nous avons pu obtenir les données complètes et qui ont donc été retenues pour l analyse. Dans le premier chapitre, nous identifions les pratiques de gestion et les variables environnementales qui influencent le plus la production de café. Une gamme de pratiques de management, comprenant entre autres la fertilisation, l application de chaux, la taille des caféiers, le désherbage et l irrigation, est utilisée dans les systèmes caféiers de Kodagu, où l ombrage est très variable entre les plantations et où il y a une tendance xv
récente à diminuer l ombrage des plantations. Nous examinons le rôle relatif de ces pratiques de gestion, de l ombre et la densité des arbres d ombrage, dans la production de café. Les variables environnementales, telles que les précipitations et la qualité du sol, sont également inclues. La densité des espèces d ombrage natives a amélioré la production ainsi que la qualité du café (bien que l ombre elle-même n ait pas d influence), alors que l espèce exotique Grevillea robusta, largement plantée comme ombrageant, n a eut aucune influence directe sur le rendement et la qualité du café. D autres interventions, comme l irrigation et l application de chaux, ont toutefois un effet beaucoup plus important sur la production de café et sur sa qualité que la densité des espèces d ombrage natives. Bien que la dépendance de la production de café sur la pollinisation a été prouvée à maintes reprises, pratiquement aucune étude sur ce sujet n a inclu le management dans son analyse, omettant ainsi de rendre compte d activités ayant un impact majeur sur le rendement. Le deuxième chapitre analyse l impact de la pollinisation sur la production de café, en considérant également les stratégies de gestion en matière de fertilisation, d irrigation et d ombrage ainsi que certaines variables environnementales, basées sur les résultats du chapitre 1. Nos résultats montrent que même en tenant compte des décisions de gestion, l abondance des abeilles a une influence positive sur la production de café en termes de nombre de baies récoltées. Toutefois, l abondance des abeilles est principalement liée à l irrigation, qui déclenche la floraison asynchrone de la plantation et concentre ainsi le nombre d abeilles. Sensibiliser les producteurs de café au rôle de l irrigation asynchrone peut potentiellement contribuer à une amélioration de la quantité et de la qualité du café. Dans le troisième chapitre, nous examinons l influence du paysage, en particulier celui des fragments de forêt, sur l abondance des abeilles dans les plantations de café le jour de la floraison. En effet, le rôle des fragments de forêt dans la pollinisation de cultures agricoles a reçu une attention considérable ces dernières années. Dans la plupart des études, l abondance des abeilles sur les fleurs de café réduisait avec l augmentation de la distance à la forêt la plus proche. Cependant, aucune de ces études n a identifié la surface de la forêt comme un facteur critique, alors même que l ampleur des habitats naturels peut avoir un impact important sur la quantité de sites de nidification et de butinage à disposition des abeilles. Nous étudions l effet combiné de la distance et de la surface de la forêt la plus proche sur l abondance des abeilles dans les plantations de café. L analyse a été réalisée de manière indépendante sur les plantations qui ont été irriguées, menant à une floraison dispersée à l échelle du paysage, et dans les plantations qui ont reçu des précipitations, déclenchant la floraison d une grande partie du paysage (floraison de masse). Nous avons effectué des observations d abeilles et xvi
recueilli des données sur la production dans 83 plantations, dont 32 étaient irriguées. La surface des fragments de forêt variait de 0,2 à plus de 400 ha, tandis que la distance plantation-fragment variait de 3 à 3500 m. La surface et la distance de la forêt n ont pas eu d influence sur l abondance des pollinisateurs ou la production de café. Cependant, lors de la floraison de masse, la richesse en espèces des arbres d ombrage a eu une influence négative sur l abondance des abeilles, en raison de la concurrence de la floraison de certains arbres avec les fleurs de café. Nous confirmons que la population d abeilles dans Kodagu ne suffit pas à la pollinisation de masse du café à fleurs, et que l irrigation peut augmenter le nombre d abeilles visitant les fleurs de café. Bien que nous ne puissions pas conclure que la population limitée est le résultat d une perte de couvert forestier, les vestiges des forêts doivent être protégés afin de limiter l effet potentiellement négatif de la perte de forêt sur la population d abeilles. xvii