An Ecosystem Service Approach to Coffee Production in a Complex Landscape Mosaic

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 19th 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 pollina-
tion 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 ecosys-
tem services can benefit production. Therefore, pollination might not necessarily be
translated into improved crop production owing to environmental factors or manage-
ment 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 inter-
ventions 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, includ-
ing 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 plan-
tations. We examine the relative role of these management practices, as well as shade
and shade tree density, for coffee production. Environmental variables such as rain-
fall 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 ac-
count 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 har-
vested. 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 nat-
ural 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 per-
formed 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 influ-
ence 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 produc-
tion, même si ces interventions peuvent aussi avoir un impact sur les services environ-
nementaux. 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 produc-
tion. Par conséquent, la pollinisation peut ne pas nécessairement se traduire par une
amélioration de la production en raison de ces facteurs environnementaux ou du man-
agement de la plantation. Lors de l’évaluation du rôle de la pollinisation dans la produc-
tion 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 ser-
vice 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 envi-
ronnementales 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 pra-
tiques 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 pro-
duction 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 inter-
ventions, 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 ma-
jeur 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 environnemen-
tales, 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 pos-
itive 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