Reconciling food production and biodiversity in farmlands : the role of agricultural intensity and its spatial allocation

L’intensification de l’agriculture a joué un rôle crucial pour augmenter la production alimentaire au cours des dernières décennies. Plusieurs processus liés à l’intensification ont aussi causé d’importants dommages environnementaux, sur la biodiversité en particulier. L’agriculture doit aujourd’hui faire face au défi de satisfaire à une demande alimentaire croissante tout en améliorant son impact environnemental et sa durabilité. Il est nécessaire de connaître la forme de la relation entre biodiversité et intensité agricole pour déterminer où les politiques de conservation seront les plus efficaces et quelles allocations spatiales de l’intensité permettront de concilier production et biodiversité. Il existe peu de preuves empiriques de la forme de cette relation, de plus, l’influence de l’arrangement spatial de l’intensité sur la biodiversité demeure inconnue. Cette thèse avait pour objectif de déterminer comment cibler l’intensité agricole et son allocation spatiale afin d’atteindre des objectifs `a la fois productifs et environnementaux. Afin de répondre à cette question, nous avons adopté une approche à l’échelle de la France entière, en couplant des bases de données décrivant l’agriculture et des oiseaux spécialistes des milieux agricoles à cette échelle. Nous avons caractérisé un gradient d’intensité à l’´échelle du pays et étudié une communauté d’oiseaux spécialistes des milieux agricoles tout au long de ce gradient. Plusieurs descripteurs de cette communauté ont été utilisés, renseignant sa taille (richesse spécifique) mais aussi sa composition (spécialisation, niveau trophique, habitat). L’intensité agricole et les communautés d’oiseaux ont ´et´e reliées au niveau de la Petite Région Agricole (PRA; largeur moyenne = 22.4 km). Tout d’abord, nous avons développé une méthode permettant d’estimer un indicateur d’intensité agricole basé sur le coût intrant par hectare, au niveau de la PRA. Cet indicateur fournit une valeur d’intensité continue, pertinente à la fois pour les systèmes d’élevage et de culture. Ensuite, nous avons examiné les effets d’un gradient d’utilisation des sols (des prairies aux grandes cultures) et de leur hétérogénéité, sur la communauté d’oiseaux. L’hétérogénéité a un effet négatif sur les espèces spécialistes car elle entraine la perte de leur habitat. En revanche, elle avantage les espèces généralistes. Lors d’une troisième étape, nous avons montré que la communauté d’oiseaux était significativement influencée par l’intensité. Le long du gradient des espèces “gagnantes” remplacent des espèces “perdantes”, ce changement étant plus marqué aux faibles intensités. L’effet de l’intensité sur la communauté d’oiseaux est renforcé par son agrégation spatiale. Enfin, les relations entre l’intensité, la communauté d’oiseaux, et les performances productives et économiques ont été intégrées dans un modèle d’optimisation de l’allocation de l’intensité. Les allocations optimales révèlent des solutions gagnant-non-perdant entre les trois critères de performance (biodiversité, production et économie). Ces allocations optimales correspondent à des modifications d’intensité ciblées: beaucoup de petits changements, favorisant des zones homogènes et extensives dans le cas d’un scénario d’extensification, à l’opposé de changements importants et moins nombreux, favorisant plus d’hétérogénéité, dans le cas d’un scénario d’intensification. Cette thèse apporte une des premières démonstrations de l’influence de l’agrégation spatiale de l’intensité sur la relation entre biodiversité et intensité. Nos résultats révèlent une opportunité pour améliorer l’efficacité des politiques de conservation de la biodiversité à l’échelle nationale. Il s’agit d’un ciblage de ces politiques, qui devra être différent pour maximiser la biodiversité à coût productif réduit ou pour augmenter la production tout en limitant les dommages sur la biodiversité. Nos résultats soulignent aussi l’importance de considérer des stratégies d’allocations intermédiaires, entre les deux extrêmes que sont le land sparing (ségrégation) et le land sharing (coexistence). Afin de tirer profit de ces opportunités, de futures recherches devront dévoiler les solutions techniques permettant de modifier l’intensité au niveau des exploitations agricoles, et concevoir les politiques ciblées permettant de bénéficier à la biodiversité et à d’autres critères environnementaux.

During the past several decades, agricultural intensification has been crucial to increase the food supply. Several processes related to intensification are very detrimental to the environment, particularly biodi- versity. Today, agriculture is facing the challenge of satisfying its demand for food while improving its environmental sustainability. Knowledge of the shape of the relationship between biodiversity and inten- sity is necessary to determine both where conservation policies will be most effective and how to allocate intensity to reconcile production and biodiversity. Few empirical studies on this relationship exist, and the influence of the spatial arrangement of intensity on biodiversity remains untested. This Ph.D. thesis determined how to target both agricultural intensity and its spatial allocation for meeting production and conservation objectives of farmlands. To answer this research question, we used a country-scaled approach that combined two France- scaled databases that describe agriculture and farmland birds. We characterized a nationwide gradient of agricultural intensity and studied a farmland bird community along this gradient, using several trait- based descriptors (specialization, trophic level, and species main habitat). Agricultural intensity and bird communities were described at the Small Agricultural Region (SAR; mean width = 22.4 km) level. As a first step, we developed a novel method to estimate an intensity indicator that was based on Input Costs/ha, with SAR resolution. This indicator provides a continuous intensity measure that is relevant across different types of agricultural systems. Secondly, we investigated the effects of a gradient of land uses (grassland to arable land) and its heterogeneity on the bird community. We found habitat specialists suffered from habitat loss, while generalists benefited from heterogeneity. Thirdly, we showed that the community responded significantly to intensity, with winner species replacing loser species along the gradient. The shift between losers and winners was sharper at low intensities. Interestingly, spatial aggregation of intensity had a strengthening effect on the bird community. Finally, the relationships linking intensity to the bird community, food production, and economic performance were integrated into a model aimed at optimizing intensity allocation. Optimal allocations reached win-no-lose solutions with the three criteria. They corresponded to targeted intensity modifications: many small changed, favoring homogeneous, extensive clusters, were optimal within an extensification scenario; while a few large changes, favoring heterogeneity, were optimal within an intensification scenario. We provide one of the first studies demonstrating that spatial aggregation of intensity can influence the biodiversity/intensity relationship. Our results also provide an opportunity to improve the effec- tiveness of conservation policies, at national scales, with spatial targeting: opposite targeting should be performed either to maximize biodiversity benefits or to increase production, while mitigating biodiversity impacts. Our results highlight the importance of mixed allocation strategies between land sparing/sharing extremes. In order to put these opportunities into effect, further research should address the technical solutions that achieve intensity modification at the farm level and design targeted policies that benefit biodiversity and other environmental criteria.