Session 2,1 - Research structure in biological farming: general view, justification, development
Session 2,2 - Etudes comparatives en production végétale
Session 2,3 - Animal breeding within ecological constraints: taking dairy cattle and pig as examples
Summary
1. General view
2. Justification
3. Development
4. Specific consideration for research
References
H. Vogtmann
University of Kassel, Division of Alternative Agricultural Methods
Nordbahnhofstrasse 1, 3430 Witzenhausen, FRG
Over the last decade, the topic of organic/biological/ecological farming has gained considerable interest and became a serious field of research within the scientific community worldwide. This was triggered to some extent by the increasing environmental and social problems caused by today's technologically dominated chemical and capital intensive agriculture. This high-external-input agriculture has come to considerable cost and is the reason for overproduction on one side, and underdevelopment and underproduction on the other side. The realization of the correlation of these problems has led to new research programmes in the field of low-external-input type (e.g. organic, biological, ecological, sustainable) agriculture and with appropriate funding available, an increasing number of researchers would certainly enter into this new field of research. Unfortunately, besides the promising beginnings of Government funding, these are only minute amounts compared to the research money that still goes into the high-external-input farming approach.
Anyone who observes nature can easily perceive the decline in the number of flowers, insects, birds, and animals in the open landscape. It has been shown in several European studies that agriculture, once responsible for a considerable enrichment of both landscape and nature, is one of the major causes of this situation. In Holland it has been estimated that at least 53% of the flower species have undergone net range losses in the course of this century (1). The British Nature Conservancy Council (2) estimated 50 % for England. The reclamation of land and its agricultural use does not necessarily bring about range loss in flora and fauna, as a study by Westhoff (3) on the impact of nineteenth-century agricultural practices on species diversity has shown. A combination of animal husbandry with crop farming, differential intensity of grazing and fertilizing, and the absence of chemical pesticides allowed an increase of species diversity within reclaimed areas.
However, increasing applications of chemical fertilizers and pesticides have had a significant influence on agro-ecosystems. Some characteristics like scarce "plant-societies" have already been lost. This situation is deplorable not only from the point of view of nature conservation but also from an economic point of view. Disrupted ecosystems are very unstable and vulnerable to a wide range of adverse environmental influences, and that might lead to a breakdown of the entire ecosystem - with dramatic economic consequences not only for the farmer but for society as a whole.
Modern, increasingly more industrialized, large-scale agricultural farms are unstable ecosystems in which the opportunity for maximum yields is inevitably associated with the danger of total failure. Industrialized forms of agriculture do not build their productivity on a primarily cyclic production system: rather, they are dependent upon large inputs such as fertilizers and pesticides from outside the farm ecosystem. This situation was enhanced by the development of improved analytical methods that allowed measurement of previously inaccessible phenomena. Epoch-making discoveries in various scientific disciplines facilitated systematic research of the most complex forms of life. Quantification was important, but quality was neglected. This led to the belief that "modern-style" agricultural developments were both inevitable and beneficial in socioeconomic terms. Environmental side-effects were considered less important, and nature reserves were thought to be a sufficient instrument for 'preservation of newly endangered species.
Under these circumstances the farmer was caught in a very touchy situation because only one thing was important - the amount of staple farm produce obtained from his land. The importance of yield alone threatened nature and landscape, but very few people realized the danger. Soil fertility and the sustainability of agricultural production in general was also threatened. This danger was a consequence of agricultural policy, not a decision made voluntarily by the farmer. The basic problem a farmer must cope with is the decreasing margin between costs and product prices: the costs, especially labor, are rising more quickly than product prices. If there is no way to avoid it, the farmer has to live with a relative or with an absolute decrease in income. Three options open to, the farmer in this struggle are mechanization, intensification, and specialization. By following these options, some drastic changes in land use, landscape, nature, and socio-economic factors have occurred.
Although the mainstream of farming in the Western world followed the industrialized agriculture pattern, there are examples of other trends. These trends do not necessitate a return to a backward way of farming that uses uneconomic, old-fashioned methods; they look ahead to a modern type of ecological agriculture that utilizes scientific knowledge for the development of appropriate technology and that advances traditional farming practices that are applicable for an agriculture that considers ecological concepts in addition to short-term economics.
Some Governments and other funding bodies have realized an urgent need for research in the field of low-external-input agriculture. The Swedish Government for example, offered large funds for this kind of research and practical development, gained from taxes for synthetic N-fertilizers and pesticides. The Danish Government, with its goal of 10% of the area in ecological agricultural production in 10 years, is also very much inclined to increase its funding.
An expression of this development in research in low-external-input farming is the number of professorships in this field over the last decade. In Germany, the first country to establish an university chair in this field, there are going to be four chairs and one professorship at a Comprehensive University. Other countries like Holland, Sweden and Denmark already have or will have university chairs to cover research and teaching. In North America, after the early beginning at the University of California, Santa Cruz, a number of new professorships are being filled in the USA and also Canada.
There is certainly a number of university staff at various levels already involved at the research of various aspects of low-external-input-farming-systems, even if their official status is not directly linked to this research field. Governmental research institutions have devoted some, usually a very small proportion, of their research funds for this field. A small number of privately funded (usually foundations) research institutes a very actively working in the field of ecological/biological farming throughout the world. Although always financially fighting for their existence, they have been instrumental to push forward and allow today's development.
During the early beginnings and unfortunately in some cases still today, emphasis was given to comparative trials (ecological vs. conventional) rather than to gain more knowledge and work on improvements of present low-external-input systems of farming. This has, however, changed during the last few years, because it became clear, that the static element in such a research approach would hinder rather than enhance a better understanding of a more ecological way of farming, and therefore, would not lead to the urgently needed development of such type of farming worldwide (4,5). In view of the scarce resources, which are largely wasted in today's agricultural systems, the worldwide dissemination of ecological farming, which very much takes also into consideration the social impacts of farming developments, has become an urgent need also for developing countries. Therefore, considerably more research emphasis needs to be given to this aspect, than presently undertaken (and funded by government bodies).
The research needs in all aspects of low-external-input-systems of farming are great, because the agricultural scientific community for too long has concentrated on one mode of production, which was high-external-inputs. The areas to be covered are manifold: crop science with nutrient flows, soil biology etc., biological pest control, food and water quality, animal husbandry, to name only some general fields, and therefore, a great portion of Public Research Funds has to go towards this kind of research, which also needs a more wholistic approach, not exclusively to agricultural techniques. This is necessary because it is very unlikely to attract big industrial grants for this type of research, which would lead to an agriculture very much less dependent (and therefore no longer a big consumer) upon a number of inputs provided by these industries.
When entering into the field of research in ecological agriculture it is important, that some general requirements are met by the researchers involved:
* Thorough introduction of scientists into the ecological approach to agriculture (e.g. "way of thinking")* Knowledge of the relevant literature (Production Standards)
* All members of a research team must be convinced of the value of such projects
* Leading personnel must be in a position to independently carrying out the research work
Before any research project is conducted, there are certain questions that need to be answered to prevent sometimes rather misleading discussions at a later point. These preconditions are:
* What do we mean by organic/biological/ecological agriculture?* What do we mean by "success"?
* What criteria and methodology do we use to evaluate performance factors?
* How do we evaluate and interpret the results in a way, which can make positive contribution to the development of organic/biological/ecological (low-external-input) farming systems?
The development of an appropriate research methodology and its application in the day-to-day research work is of great importance. During extensive discussions at various meetings of scientists involved in the research of organic farming (5) the following methods were thought to be useful:
* SURVEYS* COMPARISONS
Problems:
- little indication of the potential or organic farming systems- little contribution to the understanding and even less to the development of such systems; static element
- systems-sub-systems-part of sub-systems
* CASE STUDIES (farming systems research)
OPPORTUNITY FOR DIAGNOSTIC + DEVELOPMENTAL RESEARCH:
- identify problem areas, then try to find solutions
- identify factors, which make some systems work successfully and others not
- study the farm as a whole organism (including socio-economic factors)* SPECIFIC EXPERIMENTS
- field studies will be generally required for developmental work arising from case studies- plot trials under specific conditions
With view to specific experiments it was thought that a number of aspects with regard to the experimental design would need to be considered rather rigorously (4):
* Preparatory period ("conversion" of exptl. area)
* Duration of experiments..
* Fields and/or plots on sufficiently large area
* Microecology to be considered
* Minimum of 4 better 6 replicates
* Seeds: varieties/cultivars are important
* Time of harvest (physiological date, time?)
* Value of- pot experiments - extremely low
- plot experiments - limited value
- field experiments - acceptable value
* Typical designs are possible (block, latin square - rectangular, split plot etc.)
* Analogy for animal experiments with- breed
- housing
- feed
- health treatments
When studying organic or low-external-input farming systems it is of utmost importance to realize, that in view of a wholistic approach to the problems only a multi-disciplinary-approach will allow a wider view and possible answers. In this respect for example it is necessary to study:
* Nutrient cycling (within and from outside the farming system) and soil fertility
* Yield and quality of farm produce (incl. quality of processed food, human health)
* Livestock (housing, feeding, health)
* Economics and sociology
* Wider environmental issues
* Interactions (influence of agricultural practices on the other factors)
The parameters involved in such studies might be rather large in numbers to gain a complete picture, or sometimes not yet recognized (e.g. Biophotones) in the "official" scientific world. To illustrate this situation, examples for detailed systems of observations are given for soil and food quality.
* SOIL:- chemistry/physics
- nutrient status/dynamics/flow
- soil biology
-enzymatic measurements
-phytotoxicity
-predators* FOOD QUALITY:
- "normal" analytical methods
- taste/flavor, "trained" panels
- storage/keeping quality
- technological (processing) quality
- physiological quality (tests)
- "alternative" methods (e.g. biophotones, copper chloride)
- inclusion of other dimensions (e.g. environmental, political)
(1) Plate, C.L. (1978). De achternitgang van Nederlandse flora. Contactblad voor Oecologen, Amsterdam.
(2) British Nature Conservancy Council (1977). Nature Conservation and Agriculture, London.
(3) Westhoff, V. (1956). De verarming van flora en fauna. Vigifting jaar naturbescherming in Nederland, Vereniging tot Behoud van Naturmonumenten.
(4) Lampkin, N. (1986). Case studies of biological farming systems, Report of the Research Colloquium of the international Federation of Organic Agriculture Movements, Sutton Courtenay - Elm Farm Research Centre, Great Britain.
(5) Vogtmann, H. (1983). Experiences and views on comparative experiments in the field of biological agriculture. Rapport 124, p.107-108. University of Uppsala, Sweden.
Résume
1. Introduction
2. Quelques résultats de recherches comparatives
Summary - Comparative studies in plant production
Bibliographie
J.-M. Besson 1, N. Maire 2 et H. Suter 3
1 Station fédérale de recherches en chimie agricole et sur l'hygiène de l'environnement, CH - 3097 Liebefeld - Berne2 ORLAB SA, Les Ducats, CH - 1350 Orbe
3 Union suisse des paysans, Laurstrasse 10, CH - 5200 Brugg (Directeur de l'Institut suisse de recherches en agriculture biologique de 1981 à 1989, Bernhardsberg, CH - 4104 Oberwil)
L'agriculture biologique est située par rapport à ses caractéristiques dans le contexte de la production agricole.
Les recherches en agriculture biologique sont de deux types principaux: les unes sont comparatives, les autres ont pour but d'améliorer le système de production.
Les résultats de nos recherches comparatives montrent que non seulement les teneurs en éléments nutritifs hydrosolubles sont plus faibles mais aussi que l'activité biologique est plus élevée dans les sols cultivés en mode biologique qu'en mode conventionnel. La phase de conversion pour les sols dure nettement plus longtemps qu'intuitivement admis, l'équilibre stabilisé des sols n'étant atteint qu'après 20 ans environ de pratique culturale biologique. Les résultats obtenus par expérimentation en champ et dans des exploitations agricoles de la pratique sont complémentaires et se confirment mutuellement.
A longue échéance, l'agriculture biologique fournit un système de production agricole valable quant au maintien, voire à l'amélioration de la fertilité du sol et de façon plus générale, quant à la sauvegarde de l'environnement. L'appréhension du compartiment "vie du sol" apparaît indispensable, à côté des mesures physico-chimiques, pour la compréhension des phénomènes en cause.
1.1 L'agriculture biologique et sa position dans la production agricole
Parmi les méthodes d'agriculture à faibles intrants (agricultures douce, écologique, organique, productions extensive, intégrée, etc.), l'agriculture dite biologique (Matile, 1971) occupe au moins en Europe une place de choix qui est en expansion. Une place de choix car les agriculteurs qui la pratiquent, même s'ils sont encore peu nombreux et si la surface qu'ils cultivent est relativement faible, disposent déjà d'une solide et riche expérience pratique qu'ils ont surtout développée empiriquement au cours de nombreuses années. De plus, ils sont doués d'un sens aigu d'observations qu'ils savent intégrer à leurs connaissances et expériences dans le but d'optimiser leurs interventions.
Plusieurs méthodes d'agriculture biologique ont été développées (Anonyme, 1977). Elles ont toutes en commun le fait que l'exploitation agricole est considérée comme la plus petite unité fonctionnelle de production, en tant qu'entité, tel un organisme vivant (Graf, 1973, 1977). L'exploitation entière est englobée dans un système structuré des différentes branches de production en harmonie les unes avec les autres et dont l'ensemble représente plus que la somme de chacune d'elle (synergisme).
Le but de toute forme d'agriculture vise ce qu'on appelle la production nette en vue de la nutrition humaine, en dernier ressort. L'agriculture biologique intervient donc elle aussi dans les cycles naturels, mais les interventions nécessaires sont mesurées en fonction de la complexité et des limites écologiques (Koblet, 1973) des milieux concernés. La nature est exploitée mais avec respect et en collaboration avec elle (Besson, 1978). La production est réalisée selon des cycles proches des cycles naturels, le plus fermé possible. Pour y parvenir, l'agriculture biologique dispose de méthodes culturales spécifiques touchant la rotation et l'assolement des cultures, les travaux du sols, la fumure et la protection des végétaux (Graf, 1977).
Tous les moyens de production sont mis en oeuvre de façon restrictive afin de préserver à long terme l'équilibre des agro-écosystèmes ainsi créés et de leur environnement: mécanisation, énergie, ressources naturelles non renouvelables, produits auxiliaires, etc. (ASOAB, 1989). La durabilité de la production agricole dépend directement de cet équilibre et elle passe obligatoirement par la pérennité de la fertilité du sol. La poursuite de ce but, qui n'est d'ailleurs pas l'apanage exclusif de l'agriculture biologique, a toujours été, est et restera la préoccupation primordiale de ce système de production agricole.
Ainsi vue, l'agriculture biologique se démarque des formes d'agriculture dites conventionnelle, traditionnelle, classique ou usuelle et qui se veulent modernes évolutives. L'agriculture biologique échappe en effet au concept traditionnel de la maximalisation emprunté et copié par l'agriculture usuelle à la production industrielle. Cette maximalisation de la production agricole a voulu faire fi de la capacité de charge des agro-écosystèmes exploités. Lorsque ceux-ci sont déséquilibrés, les coûts du rétablissement de l'équilibre, pour autant que les processus engagés soient encore réversibles, ne sont généralement pas portés en compte dans le calcul de rentabilisation des exploitations agricoles, mais reportés sur la collectivité: l'agriculture, à ce titre, a jusqu'à présent bénéficié plus à raison qu'à tort d'un statut privilégié. L'agriculture biologique, elle, ne prenant sciemment que les risques qu'elle peut assumer à long terme à l'égard de l'agro-écosystème qu'elle exploite, alourdit de façon nettement plus faible la facture sociale due aux répercussions de son système de production sur l'environnement.
Certains milieux agricoles conventionnels qui ont qualifié l'agriculture biologique de dilettante, l'ont considérée avec condescendance parfois teintée de raillerie. D'autres y ont vu un ennemi auquel il fallait faire front. Comment peut-on prendre au sérieux des systèmes de production qui se réclament de courants philosophiques voire religieux? Le côté éthique de ces systèmes ont dérangé en particulier certains milieux scientifiques agronomiques traditionnels dogmatiques se situant en-dessus de telles contingences. Dieu sait - l'expression est ici choisie sciemment - Dieu sait pourtant si la civilisation européenne est imprégnée du judéo-christianisme. Est-ce un mal? Non, tant qu'on ne cède pas aux guerres de religion! Est-ce un bien? Oui, tant qu'on cherche à se comprendre! Pour ma part, le côté éthique des systèmes de production agricole biologique ne m'a jamais dérangé. En revanche, pouvoir s'étonner et transformer cet étonnement en hypothèse de travail à vérifier ou à réfuter sur la base d'études scientifiques neutres et objectives est certainement l'attitude qui sied au chercheur dans le domaine des sciences naturelles, y compris l'agronomie, et des sciences exactes de façon plus générale. L'agriculture biologique invite à l'ouverture d'esprit - et non à son blocage - qualité que tout chercheur devrait posséder s'il veut mériter le nom de scientifique (Besson, 1978).
1.2 Les recherches en agriculture biologique
Les recherches en agriculture biologique se répartissent en deux catégories principales. La première s'occupe essentiellement de la caractérisation des systèmes de production agricole biologique par la mesure de leurs performances (rendements, qualité des produits récoltés, vie du sol, etc.) en comparaison aux méthodes usuelles de production, tout en cherchant à comprendre leur fonctionnement respectif. Ce type de recherches est aujourd'hui encore surtout entrepris par les milieux officiels de la recherche agronomique. La seconde catégorie a pour but d'améliorer en soi ces systèmes en essayant de mieux gérer leur fonctionnement par rapport aux conditions écologiques et socio-économiques du lieu où ils sont pratiqués. Cette catégorie de recherches se rencontre plus fréquemment dans les milieux de l'agriculture biologique proprement dits. Dans sa recherche d'un optimum aussi global que possible, elle s'estime perfectible dans les différents secteurs et branches de production, d'où son dynamisme.
Dans les milieux officiels de la recherche, la première catégorie précède généralement la seconde dans le temps. Les travaux entrepris à notre Station en collaboration avec d'autres institutions confirment cette règle: ils font principalement partie de la première catégorie, à savoir des recherches comparatives. Les résultats présentés ici proviennent de l'essai "DOC" et d'une étude réalisée en majeur partie dans des exploitations agricoles biologiques et conventionnelles de la pratique. Nous nous limitons volontairement à la seule présentation de nos résultats. Le but d'une telle Consultation consiste précisément à prendre connaissance du développement des travaux dans divers secteurs de l'agriculture biologique par la rencontre et l'échange directs entre participants
2.1 L'essai "DOC"
2.11 Présentation
L'essai en champ "DOC", réalisé sur mandat et grâce au soutien financier de l'Office fédéral de l'agriculture à Berne et en collaboration avec l'Institut suisse de recherches en agriculture biologique à Oberwil, traite de la comparaison entre les trois modes culturaux biologique-dynamique, organique-biologique et conventionnel, d'où son sigle DOC. H. Vogtmann, actuellement Professeur à l'Université Technique de Kassel (D) a participé à la conception et conduite de cet essai depuis sa genèse jusqu'en 1981 en tant que premier Directeur de l'Institut mentionné.
La conception de l'essai DOC, mis en place à Therwil (BL, CH) en 1978, a déjà été présentée (Besson et al., 1978 et 1987). Seuls la rotation de culture, les procédés expérimentaux et le sol du lieu d'essai sont donc présentés ici.
Rotation de 7 cultures: pommes de terre, blé d'automne 1, chou blanc (choucroute), blé d'automne 2, orge d'automne, prairie temporaire 1 et prairie temporaire 2. Entre le blé d'automne 1 et le chou, on cultive une dérobée fourragère à base de seigle et de vesce. Trois rotations identiques sont mises en place, mai s décalées dans le temps les unes par rapport aux autres. Ainsi trois cultures différentes figurent chaque année dans l'essai. En 1978, on a installé la pomme de terre (Série a de parcelles), le blé d'automne 2 (Série b de parcelles) et l'orge d'automne (Série c de parcelles).
Procédés expérimentaux: l'accent ayant été mis sur la fumure dans cet essai, chacun des trois modes culturaux biologique-dynamique D, organique-biologique O et conventionnel C, comportent deux niveaux d'apports en éléments nutritifs. On leur a ajouté deux variantes témoins sans fumure, l'une biologique-dynamique, l'autre conventionnelle. Ces deux variantes se distinguent donc essentiellement par les travaux du sol et la protection des végétaux. Les huit procédés sont présentés dans le Tableau 1.
Sol du lieu d'essai: Il s'agit d'un sol parabrun qui s'est développé sur un loess, légèrement pseudogleyfié et sans squelette. Sa profondeur varie entre 95 et 130 cm. En fonction de ses caractéristiques physico-chimiques, il est à classer parmi les sols moyens à lourds et pauvres en calcium de réserve. Au printemps, il se réchauffe difficilement mais sa capacité de rétention de chaleur est élevée. Malgré des teneurs médiocres en éléments nutritifs soluble au début de l'expérimentation, sa fertilité, exprimée par le pouvoir de mobiliser les ressources nutritives, est élevée. Ce phénomène s'observe au cours du printemps en particulier lors de la minéralisation de l'azote organique, parallèlement au réchauffement du sol.
Tableaux 1. Procédés expérimentaux de l'essai DOC
|
Procédés expérimentaux |
Niveaux de fumure | ||||
|
1 |
D0 |
biologique-dynamique |
0 |
pas d'apport en éléments nutritifs | |
|
2 |
C0 |
conventionnel |
0 |
pas d'apport en éléments nutritifs | |
|
3 |
D1 |
biologique-dynamique |
1 |
0.6 UGBF/ha/an + préparations D | |
|
4 |
O1 |
organique-biologique |
1 |
0.6 UGBF/ha/an 1) | |
|
5 |
C1 |
conventionnel |
1 |
0.6 UGBF/ha/an 1) | |
|
|
|
|
|
|
1) + 0.6 "norme de fumure" O et C resp. |
|
6 |
D2 |
biologique-dynamique |
2 |
1.2 UGBF/ha/an + préparations D | |
|
7 |
O2 |
organique-biologique |
2 |
1.2 UGBF/ha/an 2) | |
|
8 |
C2 |
conventionnel |
2 |
1.2 UGBF/ha/an 2) | |
|
|
|
|
|
|
2) + 1.2 "norme de fumure" O et C resp. |
2.12 Rendements des cultures de la première rotation
Les rendements des cultures pour la première rotation (1978 - 1984) sont présentés dans le Tableau 2 (moyennes des trois années, en fonction des trois séries a, betc de parcelles).
L'influence des procédés culturaux sur les rendements est fonction de la culture. Comparativement au procédé C2, la baisse la plus faible se rencontre en céréaliculture et la plus forte pour les cultures sarclées, les prairies temporaires occupant une place intermédiaire. Pour les sarclées et les prairies, les rendements sont fonction des apports en éléments nutritifs selon les procédés culturaux et leurs niveaux de fumure respectifs. La différenciation est la plus marquée pour les pommes de terre, suivie par le chou, la prairie de seconde année et enfin celle de première année. Pour toutes les cultures, les rendements de D1 et O1 d'une part ainsi que D2 et O2 d'autre part sont voisins. C1 produit des rendements de sarclées et de prairie entre C2 d'une part et D2 et O2 d'autre part. En céréaliculture, l'influence de la verse, en relation étroite avec le pouvoir élevé de mobilisation des ressources nutritives dans le sol et plus particulièrement de la minéralisation de l'azote organique, explique pour part majeure les rendements observés. Pour le blé, la production de grain la plus élevée est fournie par 1e procédé C1 et les variantes sans fumure atteignent quasi le niveau des procédés biologiques. Dans l'ensemble, les rendements du blé sont cependant relativement faibles. L'ancienne variété Probus choisie en première rotation, a un potentiel de production plus faible que les variétés récentes et la verse n'a certes pas, comme déjà évoqué, amélioré la situation. C'est la raison pour laquelle la variété Sardona, avec un potentiel de production plus élevé et une meilleure résistance à la verse, a remplacé le Probus en deuxième rotation de cultures (à partir de 1985).
Tableau 2. Rendements en matière sèche des sept cultures principales de l'essai DOC, première rotation (1978 - 84; moyennes des trois années, en fonction des trois séries a, b et c de parcelles)
|
Procédés |
|
D0 |
C0 |
D1 |
O1 |
C1 |
D2 |
O2 |
C2 |
|
Pdt |
abs |
45.0 |
49.9 |
58.4 |
73.2 |
98.3 |
74.1 |
83.9 |
106.8 |
|
rel |
42.1 |
46.8 |
54.7 |
68.5 |
92.1 |
69.4 |
78.6 |
100.0 |
|
|
Blé 1 |
|||||||||
|
grain |
abs |
31.3 |
30.9 |
34.7 |
35.2 |
36.9 |
33.7 |
36.2 |
33.2 |
|
rel |
94.5 |
93.1 |
104.6 |
106.2 |
111.3 |
101.6 |
109.1 |
100.0 |
|
|
paille |
abs |
45.3 |
44.3 |
51.4 |
52.0 |
53.2 |
50.4 |
54.2 |
56.0 |
|
rel |
80.8 |
79.1 |
91.8 |
92.9 |
94.9 |
89.9 |
96.7 |
100.0 |
|
|
Chou |
|||||||||
|
MC |
abs |
25.5 |
25.3 |
29.8 |
26.0 |
34.4 |
31.4 |
28.9 |
40.2 |
|
rel |
63.6 |
62.9 |
74.1 |
64.7 |
85.6 |
78.3 |
72.0 |
100.0 |
|
|
DR |
abs |
31.9 |
41.0 |
36.3 |
34.8 |
48.3 |
40.0 |
37.9 |
54.8 |
|
rel |
58.2 |
74.8 |
66.3 |
63.5 |
88.0 |
72.9 |
69.2 |
100.0 |
|
|
Blé 2 |
|||||||||
|
grain |
abs |
37.0 |
41.3 |
39.0 |
38.0 |
45.9 |
35.2 |
35.3 |
41.2 |
|
rel |
89.7 |
100.2 |
94.6 |
92.2 |
111.3 |
85.4 |
85.7 |
100.0 |
|
|
paille |
abs |
54.9 |
51.8 |
64.5 |
60.7 |
61.9 |
66.5 |
64.8 |
62.4 |
|
rel |
88.0 |
83.1 |
103.4 |
97.3 |
99.2 |
106.6 |
103.8 |
100.0 |
|
|
Orge |
|||||||||
|
grain |
abs |
32.1 |
38.0 |
35.1 |
33.3 |
41.7 |
35.5 |
33.6 |
39.1 |
|
rel |
82.2 |
97.3 |
89.8 |
85.1 |
106.6 |
90.8 |
86.0 |
100.0 |
|
|
paille |
abs |
32.7 |
31.3 |
35.5 |
35.3 |
37.0 |
37.9 |
37.7 |
39.6 |
|
rel |
82.5 |
79.0 |
89.5 |
89.2 |
93.4 |
95.7 |
95.0 |
100.0 |
|
|
PT 1 |
abs |
133.4 |
131.7 |
142.1 |
142.4 |
145.7 |
148.4 |
147.0 |
150.3 |
|
rel |
88.7 |
87.6 |
94.5 |
94.7 |
96.9 |
98.7 |
97.8 |
100.0 |
|
|
PT 2 |
abs |
101.5 |
100.4 |
118.1 |
112.8 |
133.7 |
124.6 |
121.0 |
144.3 |
|
rel |
70.3 |
69.6 |
81.8 |
78.2 |
92.6 |
86.4 |
83.8 |
100.0 |
|
Pdt = pommes de terre
PT = prairie temporaire
DR = déchets de récolte
MC = marchandise commercialisable
abs = rendements absolus
rel = rendements relatifs (C = 100)
De façon générale, les baisses de rendements entre procédés conventionnels et biologiques (C2 - D2, O2) sont de Tordre de grandeur signalé par Steinmann (1983) et, comme on Ta vu, fonction de la culture.
Une étude détaillée de chaque culture en fonction de sa position dans la rotation et de l'année (évolution dans le temps) est en cours. Celle concernant le blé est terminée et les conclusions en sont présentées ci-dessous.
2.13 Cas particulier des rendements du blé
Concernant les rendements, le blé est certes la culture la mieux documentée. En effet, l'évolution de la formation du rendement a été suivie depuis 1e semis jusqu'au delà de la récolte. Les paramètres suivants ont été mesurés: densité de semis, dépendante du système cultural; levée du semis; nombre de plantes au sortir de l'hiver; tallage: nombre de brins fertiles (épis) et stériles; nombre d'épillets fertiles et stériles par épis; nombre de grains par épillets et par épi. Lors de la récolte, on a déterminé le rendement (poids du grain à l'unité de surface) et après celle-ci, le poids de 1000 grains, la densité (poids à l'hl) et la proportion du blé de première qualité. En outre, le blé apparaît six fois au cours de la rotation.
La mise en valeur détaillée des résultats conduit aux constatations principales suivantes (Oberson et Gwerder, 1990):
Au cours de la première rotation (1978 - 1984), l'effet de l'année sur toutes les composantes du rendement et sur le rendement en grain qui en résulte, est hautement significatif. En outre, le nombre de grains par épillet, le poids de 1000 grains et Te rendement en grain sont aussi influencés par la position du blé dans la rotation.
En revanche, l'influence répétée des procédés culturaux ne s'est marquée que sur la densité de peuplement et le rendement en grain. Les procédés C2, C1, O2 et D2 ont produit un nombre d'épis à l'unité de surface supérieur à la moyenne générale des huit procédés. Ces quatre procédées sont cependant restés homogènes entre eux. On peut donc en déduire que jusqu'à ce stade, l'effet des apports plus élevés en éléments nutritifs s'est manifesté, mais il ne s'est pas différencié entre les procédés conventionnels, biologiques-dynamiques et organiques-biologiques. Concernant les rendements en grain, ils sont supérieurs à la moyenne générale pour les procédés C1, C2, D1 et O1, mais homogènes entre eux. Donc de nouveau aucune différenciation entre les trois modes culturaux. On a constaté également que le potentiel de rendement créé dans les procédés D2 et O2 jusqu'à la densité de peuplement y compris n'a pas pu être pleinement exploité: l'effet de la verse n'a pas été minimisé par l'application d'un raccourcisseur de paille utilisé dans les parcelles C1 et C2.
L'effet significatif de l'année est essentiellement dû à la verse qui a sévi à différents degrés 5 fois sur 6: seul 1983 en a été exempt. La différenciation entre les procédés qui a pu s'ébaucher en particulier jusqu'à la montaison a été faussée par le piétin-verse. Il a pénalisé les procédés concernés dans la constitution du rendement des épis, d'où le masquage de l'effet pressenti de ces procédés et l'ordre des rendements a été nouvellement distribué, fonction pour une part importante de l'ampleur de la verse.
Les problèmes de la verse ont pu être expliqués par le pouvoir élevé de mobilisation des ressources nutritives dans le sol. La manifestation de ce phénomène est la plus nette dans les parcelles témoins en 1984, après sept années sans application de fumure: 45 et 51 dt de matière sèche grain ont été récoltées dans les procédés D0 et C0 respectivement.
L'étude de la structure du rendement en fonction des années prises une à une a permis, de plus, à tirer des conclusions sur l'évolution de la mobilisation quantitative des ressources nutritives dans 1e soi au cours de la période de végétation. Cette étude montre que la minéralisation de l'azote organique n'a pas conduit à une limitation carentielle temporaire dans la nutrition azotée des plantes; au contraire, celle-ci a été suffisante, même lors des besoins très élevés en période de tallage. Les rendements des parcelles sans fumure en témoignent. Comme autre conséquence de ce phénomène il faut mentionner qu'il, a fallu apprendre durement à restreindre les doses de fertilisants azotés minéraux dans les parcelles conventionnelles. Enfin, en raison de ce pouvoir élevé de mobilisation des ressources nutritives, il n'a pas été possible de tirer des conclusions quant à l'effet des apports en éléments nutritifs par la fumure (relation dosage dés engrais - rendements).
L'effet de la protection des végétaux a pu être mis en évidence grâce à la comparaison des deux variantes sans fumure. L'une cultivée selon les principes biologiques-dynamiques, l'autre selon le mode conventionnel se sont avérés être la base de référence la plus valable. L'absence de l'une ou de l'autre aurait conduit immanquablement à des conclusions erronées quant à l'efficacité des éléments nutritifs appliqués.
2.14 Influence des procédés culturaux et de la fumure sur quelques paramètres du soi
Pour la mesure de quelques paramètres du sol, les prélèvements des échantillons de terre ont été effectués immédiatement après la récolte des cultures principales respectives de l'année en cours. De 1979 à 1984, les paramètres suivants ont été mesurés: pH, teneurs en carbone organique et en azote-Kjeldahl, les tests P et K (phosphore et potassium extraits à l'eau carbonatée saturée) ainsi que les teneurs en calcium et magnésium échangeables (extractions à l'acétate d'ammonium 2N et au chlorure de calcium 0.025 N, respectivement). Les données obtenues ont été soumises à l'analyse discriminante en fonction des huit procédés expérimentaux. Le résultat de cette valorisation statistique est présenté à la Figure 1.
Premièrement, on constate que les niveaux de fumure 0, 1 et 2 se différencient clairement les uns des autres. D'une part DO et CO sont séparés des deux autres niveaux de fumure et d'autre part, C1 se distance de C2 tout comme D1 et O1 de D2 et O2. Deuxièmement, si la distance qui sépare les niveaux de fumure est reconnue comme significative, on est logiquement obligé de reconnaître que celle qui dissocie les procédés conventionnels des procédés biologiques l'est également: ces distances sont en effet du même ordre de grandeur. On en déduit que non seulement les niveaux de fumure (on pouvait s'y attendre), mais aussi les modes culturaux influencent de façon différentielle les processus qui se développent dans le sol. Ce résultat est à l'origine de deux travaux de recherches, l'un terminé, l'autre en cours, qui ont pour but d'étudier qualitativement et quantitativement cette différenciation de processus. En voici la présentation succincte.
2.2 Comparaisons au niveau de l'exploitation agricole de la pratique
La première recherche, réalisée en majeure partie dans des exploitations agricoles de la pratique, est consacrée à l'étude de l'influence des pratiques culturales sur l'équilibre physico-chimique et biologiques des sols agricoles (Maire et al., 1990 a et b). La seconde relève de la dynamique du phosphore en fonction du mode cultural, de la forme et du dosage de la fumure, effectuée dans les conditions expérimentales contrôlées de l'essai DOC et dans le cadre d'une thèse de doctorat à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (CH) en collaboration avec notre Station de recherches (Oberson, 1989). Etant donné que ce travail est encours, nous n'en dirons rien de plus pour le moment.
Revenons donc à la présentation de la première étude. La diminution de la productivité occasionnée par le passage d'un mode de production agricole dit conventionnel au système dit biologique (phase de conversion) est-elle liée à une déstabilisation des conditions écologiques des sols et, le cas échéant, observe-t-on une réorganisation progressive vers un nouvel équilibre? La recherche entreprise aborde cette question par l'analyse de sols qui est un moyen d'appréhender la notion de fertilité, celle-ci étant définie comme l'expression globale des conditions physico-chimiques et biologiques qui caractérisent cet écosystème.
L'aspect qualitatif est appréhendé par le choix des paramètres analysés: dans ce sens, l'accès expérimental au compartiment "vie du sol" est un atout indispensable à l'approche des phénomènes en cause. L'aspect évolutif est abordé pair le biais de la répétition des mesures dans le temps, de manière coordonnée au cycle naturel de la végétation. Enfin, l'aspect quantitatif est le résultat des valeurs pondérales des différents paramètres analysés.
La conception de l'expérimentation et les domaines d'investigation donnent les bases de l'hypothèse à vérifier: les pratiques culturales, considérées dans leur ensemble, influencent de manière significative l'équilibre des sols cultivés. Trois études partielles et complémentaires (volets) ont été mises en place de manière à couvrir l'ensemble de la problématique.
Volet 1: Situation équilibrée. Une campagne d'échantillonnages de sol et d'analyses a été menée à la fin des étés respectifs de 1986 et 1987 dans des cultures de blé et de pommes de terre auprès d'une soixantaine d'exploitations agricoles biologiques de longue durée (10 ans de pratique au minimum). Les résultats obtenus ont été comparés aux situations conventionnelles similaires existantes provenant de la banque de données du Service Migros-Sano.
Volet 2: Situation en conversion. Le suivi analytique et la comparaison de sols au cours de la période de végétation de quatre cultures (blé, orge, pommes de terre et prairie temporaire) a été effectué en 1986 et 1987 dans des sols échantillonnés dans cinq paires d'exploitations, les unes en pleine phase de conversion (4 et 5 ans de pratique culturale biologique), les autres conventionnelles.
Volet 3: Situation expérimentale. Les 96 parcelles de l'essai DOC ont été inventoriées selon le schéma du premier volet.
Les principaux résultats du volet 1 se résument comme suit. Concernant les aspects quantitatifs, les teneurs en éléments solubles à l'eau sont dans leur grande majorité plus élevées dans les sols conventionnels, reflétant l'influence manifeste de la fertilisation minérale. La teneur en sels, mesure synthétique de la richesse en éléments hydrosolubles est de ce point de vue parfaitement explicite. De façon moins marquée, ce résultat se retrouve pour les éléments de réserves. Quant à l'aspect qualitatif, c'est-à-dire de l'équilibre fonctionnel des sols, il ressort trois grands groupes de paramètres significatifs pour les sols biologiques. Dans le premier, on constate que les principaux paramètres qui reflètent l'activité biologique, sont liés au complexe argilo-humique. Le deuxième est constitué des cations bivalents (Ca et Mg) ainsi que des paramètres synthétiques de la salinité et du pH. Dans le troisième groupe, on rencontre le phosphore, élément lié à la fertilisation exogène. Pour les sols conventionnels, le groupe de la salinité et des cations bivalents a pratiquement disparu. Seul subsiste le calcium qui se mélange à certains paramètres liés au complexe argilo-humique. Les paramètres de l'activité biologique (respirométrie, minéralisation du carbone organique, etc.) se détachent des autres paramètres auxquels ils sont habituellement liés (biomasse, argile, humus) pour se regrouper avec l'azote nitrique qui semble ainsi conditionner l'activité biologique de ces sols. De plus cette image n'est pas constante dans les sols conventionnels, ce qui indique qu'ils ne se trouvent pas dans un état d'équilibre stabilisé.
Le résultat principal du volet 2 met en évidence l'aspect évolutif. L'étude détaillée des données récoltées permet de démontrer des différences significatives entre sols biologiques et conventionnels au fur et à mesure qu'on avance dans la période de végétation. Lors de la mise en place des techniques culturales biologiques, l'abandon de l'utilisation des fertilisants minéraux solubles entraîne une diminution de la teneur en éléments nutritifs dans la solution du sol qui se traduit par une salinité plus basse. Au réveil printanier de la végétation, alors que Tes cultures conventionnelles peuvent puiser les éléments nécessaires à leur croissance dans la solution du sol, les cultures biologiques doivent compter sur la mobilisation biologique pour subvenir à leurs besoins. L'activité biologique du sol est donc particulièrement importante à cette période, ce qui explique la minéralisation du carbone organique significativement plus élevée. On comprend ainsi que l'apport de fertilisants minéraux atténue le fonctionnement biologique du sol. Au cours des années, la situation biologique printanière observée dans les sols des situations culturales en conversion finit par induire une réactivation générale de l'humus qui se traduit progressivement par une augmentation de la biomasse et de l'activité biologique, pour aboutir finalement aux situations stabilisées des exploitations en croisière (volet 1).
Au vu de ce qui précède, on est en droit de se poser la question de la durée probable de la conversion. La Figure 2 présente l'ajustement d'une courbe obtenue entre les années de pratique culturale biologique et la biomasse des sols. L'évolution régulière de cette courbe est ascendante pendant les huit premières années pour se stabiliser par la suite. La phase de stabilité (régime de croisière) n'est véritablement atteinte qu'après 20 ans environ. Ce laps de temps est largement plus long que ce qui est intuitivement admis.
Les résultats du volet 3 en provenance de l'essai DOC ont été acquis lors des prélèvements de sol en automne 1986, c'est-à-dire à la fin de la neuvième période de végétation de cet essai. Procédés culturaux et cultures (blé, orge et prairie) influencent de manière significative les aspects quantitatifs et le fonctionnement des sols. La gestion du pool d'azote minéral du sol (nitrates et ammonium) est la résultante de l'effet combiné de la culture et de la nature de la fumure qui lui est appliquée.
Figure 2 Ajustement d'une courbe entre le nombre d'années de pratique en mode biologique et la teneur en ATP des sols
2.3 Discussion
Les résultats de nos recherches comparatives montrent que la première rotation de culture d'une durée de sept ans dans l'essai DOC, est à considérer comme phase de conversion, en particulier pour les procédés biologiques, mais aussi pour les conventionnels. En effet, la parcelle d'essai avant 1977 était exploitée en cultures maraîchères, qualifiées a priori d'intensives, et les procédés conventionnels de l'essai DOC sont conduits le plus possible selon les principes de la production intégrée. Une Station fédérale de recherches agronomiques telle que la nôtre se devait de travailler sur cette base, même si elle n'a pas toujours été comprise de la part de nos partenaires des milieux de l'agriculture biologique. De plus, la fertilité du sol de l'essai DOC caractérisé par un pouvoir élevé de mobilisation des ressources nutritives qu'il contient ainsi que les résultats obtenus dans la recherche comparative dans des exploitations agricoles de la pratique sur la durée probable de la conversion, confirment que la première rotation de l'essai DOC est bien à inscrire dans cette phase.
Concernant le sol, les résultats des deux recherches sont concordants. La différenciation en fonction des procédés de l'essai DOC est nettement amorcée dans le sens des résultats obtenus dans les exploitations de la pratique.
Quant aux rendements, les résultats en production céréalière et plus particulièrement ceux du blé au cours de la première rotation sont à certains égards plutôt décevants. La deuxième rotation semble plus prometteuse ainsi que les résultats des rendements du blé pour 1989 (12ème année d'expérimentation DOC) le montrent. Dans les procédés conventionnels, on a récolté 60 dt/ha de matière sèche grain, 53 et 47 dans les procédés biologiques de second et de premier niveaux de fumure respectivement et 35 lorsqu'aucune fumure n'a été appliquée. Cette année, le piétin-verse n'a pas sévi, preuve que les différentes mesures culturales ont été mieux maîtrisées en fonction des conditions écologiques du lieu d'essai. De plus, la différenciation entre procédés avec et sans fumure est nette. Enfin, au vu de la différence entre procédés biologiques et conventionnels, une étude détaillée étendue à toutes les cultures sur l'efficacité des modes culturaux (intrants, rendements, bilan) se justifie pleinement.
3. CONCLUSIONS
Du point de vue du maintien, voire de l'amélioration à long terme de la fertilité des sols agricoles et, partant, de la sauvegarde de l'environnement, l'agriculture dite biologique offre une plus grande sécurité, donc moins de risques, que l'agriculture dite conventionnelle. Car les méthodes d'intervention dans les cycles naturels de la première exploitent les processus qui s'y déroulent en les respectant, c'est-à-dire en les perturbant le moins possible.
Les recherches entreprises montrent en outre que la prise en considération du facteur temps pour la mise en évidence de tels phénomènes, est indispensable.
Enfin, toute étude qui aborde analytiquement la notion de fertilité du sol doit obligatoirement appréhender le compartiment de sa vie, au même titre que toute étude caractérise habituellement déjà son aspect physico-chimique.
The biological agriculture is presented with its properties in the context of the agricultural production.
The research in biological farming is based on two principles: some are comparative, the others try to improve the system of production. The results of our comparative research show that not only the contents of water soluble nutrients are lower but also the biological activity is higher in the biological soils compared to the conventional ones. The time of conversion for the soils is much longer than intuitively assumed. The stabilized equilibrium of the soils is not reached before approximately 20 years of biological farming. The results by field experimentation are complementary to the ones in farms and are confirmed mutually.
At long sight, the biological agriculture provides a sustainable, even improving system of production with regard to soil 'fertility and more generally spoken, to the protection of the environment. In addition to the physico-chemical measurements it is absolutely necessary to perceive the "soil life" in order to understand the mentioned phenomena.
ASOAB (Association Suisse des Organisations d'Agriculture Biologique): Cahier des charges pour la commercialisation des produits de l'agriculture biologique. Fondation suisse pour l'encouragement de l'agriculture biologique, Oberwil (CH), 6e édition, 1-20, 1989.
ANONYME: Alternatieve landbouwmethoden. Inventarisatie, evaluatie en aanbeve-lingen voor onderzoek. Eindrapport, Oktober 1976. Comitie Onderzoek Biologische Landbouwmethoden. PUDOC, Wageningen (NL), 1977.
BESSON J.-M.: Agriculture biologique: méthodes et expérimentation. Revue suisse Agric., 10, 159-166, 1978.
BESSON J.-M., VOGTMANN H., LEHMANN V. UND AUGSTBURGER F.: DOK: Versuchsplan und erste Ergebnisse eines Projektes zum Vergleich von drei verschiedenen Anbaumethoden. Schweiz. Landw. Forsch., 17, 191-209, 1978.
BESSON J.-M., LEHMANN V., SODERM., LISCHER P., SUTER H. UND ZUELLIGM.: Vergleich biologisch-dynamischer, organisch-biologischer und konventioneller Wirtschaftsweisen anhand des DOK-Versuchs (seit 1978). In: Lösungsansätze eines zukunftsorientierten Pflanzenbaus, Arbeitsgruppe 1: Alternativer Landbau. Bericht der 31. Jahrestagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften, 1.-2.10.1987, Freising-Weihenstephan (D), Hrgb.: K. Baeumer, 1-14, 1987.
GRAF U.: Methoden des biologischen Landbaues - Versuch einer vergleichenden Darstellung. Schweiz. Landw. Monatshefte, 51, 299-309, 1973.
GRAF U.: Darstellung verschiedener biologischer Landbaumethoden und Abklärung des Einflusses kosmischer Konstellationen auf das Pflanzenwachstum. Diss. ETH Nr. 5964, Zürich (CH),228 S., 1977.
KOBBLET R.: Pflanzenbau und Umwelt. Schweiz. Landw. Forsch., 12, 1-19, 1973.
MAIRE N., BESSON J.-M., SUTER H., HASINGER G. ET PALASTHY A.: La conversion des domaines agricoles en mode biologique: effet sur l'équilibre physico-chimique et biologique des sols. Programme National de Recherches Sol, Liebefeld-Berne (CH), rapport No 43, sous presse, 1990 a.
MAIRE N., BESSON J.-M., SUTER H., HASINGER G. ET PALASTHY A.: Influence des pratiques culturales sur l'équilibre physico-chimique et biologique des sols agricoles. Rech. Agron. Suisse, 29, sous presse, 1990 b.
MATILE PH.: Biologie und Landwirtschaft. In: Umweltprobleme und Landwirtschaft. Symposium Bern (CH), 13.-14.10.1971, Symposiumsbericht, 179-192, 1971.
OBERSON A.: Auswirkungen der in verschiedenen Bewirtschaftungssystemen eingesetzten Düngerquellen of dem Phosphorhaushalt im Boden des DOK-Versuchs. Disposition der ETH-Dissertation. Unveröffentlichter interner Arbeitsbericht, 1-11, 1989.
OBERSON A. UND GWERDER M.: Einfluss des Bewirtschaftungs verfahrens auf den Ertragsaufbau von Winterweizen im DOK-Versuch während der ersten Fruchtfolgeperiode 1978-1984. Unveröffentlichter interner Arbeitsbericht, 1-11, 1990.
STEINMANN R.: Der biologigische Landbau - Ein betriebswirtschaftlicher Vergleich. Schriftenreihe FAT Nr. 19, Tänikon (CH), 78 S.,1983.
Liebefeld, Orbe et Oberwil, 31 mars 1990.
Summary
1. Introduction
2. Dairy cattle breeding
3. Pig breeding
Acknowledgment
Résumé
References
A. HAIGER
Institut für Nutztierwissenschaften
Universität für Bodenkultur Wien
The main drive for agricultural animal breeding in the industrial age is to select animals which convert feedstuffs into high-quality food at a maximum rate. Animal agriculture in a country is determined by the feedstuffs that may be produced. In the long run, actions are only economic if they are also ecologic, i.e. fitting into the household of nature. This is also true for animal breeding, where the economic value of an animal is mainly determined by its production potential. The main question for the "ecological animal breeding" is therefore what is the justified upper limit of performance.
Farm animals are descendants of feral animals which were formed by evolution, a process of selection acting over millions of years. Those organisms stand out by numerous well organized physiological processes determined by the body (enzymes and hormones) and environmental forces by the way of "regulation circles". All processes are connected so that it is virtually impossible to change a single trait of interest by breeding, without influencing other traits as well. If we try-to improve characters of economic interest (milk yield, beef performance, egg number, wool crop etc.) without deteriorating characters of reproduction and viability (fitness), selection must only act on characters where the physiological processes are at least not antagonistic and if possible synergistic. As this ecologic principle is violated in most breeding programmes, short time performances have increased in most populations, but longevity, reproduction and product quality have deteriorated simultaneously. Examples for antagonisms in cattle are early maturity vs. longevity or milk yield vs. beef performance, in pigs we have lean content vs. circulatory health or lean content vs. meat quality.
Responsible breeding involves thinking in generations and reacting on demands of the market only as far as the biological foundations of reproduction and viability (fitness) are not violated. We should therefore work together (scientists, animal breeders and consumers) for a way of animal breeding that is in harmony with nature.
In the ecosystem soil - plant - animal - man - soil, fueled by the sun, the farm animal acts as energy transformator between plant and man. The type of soil usage (arable land or pasture land) determines the nature-oriented (soil dependent) animal husbandry. If we are to accept that the human is omnivore and needs some animal protein for normal development, then we may see animal husbandry as a refinement process.
1.1 Basis: the type of feed available
Worldwide, one third of the agricultural land is arable land, whereas the other two thirds are pasture land. Therefore, globally, the ruminants cattle, sheep and goat are more important than pig or poultry. The feedstuffs produced on grassland and some products from arable land (e.g. the whole maize plant, beet-leaves) are high in crude fibre and may only be converted into food for man by ruminants by the way of microorganisms in a highly specialized digestive system. Ruminants, and cattle in particular, are therefore important for their role of transforming feedstuffs otherwise useless for human nutrition into two types of food rich in protein, namely milk and meat. Ruminants may as well be fed grains or feedstuffs rich in protein.
Pig and poultry produce meat and eggs for human nutrition, but they need "concentrated" feedstuffs like potatoes or turnips, but nowadays mostly grain, maize and feedstuffs rich in protein (soya-bean, faba-bean, pea, fishmeal, etc.). Those feedstuffs could be used for human nutrition directly. We may therefore subdivide the farm animals into a group of "crude fibre converters" and a group of "concentrate users". The latter are in competition for food with man in times of undersupply (crisis).
With respect to the ecological adaptation of farm animal species to nature-oriented farming it has to be seen that ruminants are adapted to use grasses, legumes, herbes and "wastes" from arable farming (e.g. beet-leaves). Grasses, legumes and herbes are clearly soil meliorators and help avoid the long time damage (humus degradation, deterioration of soil structure) caused by a one-sided cultivation of grains and maize. Pigs have a digestive tract very similar to that of man and may therefore be favourably used as converters of wastes from human nutrition. Owing to their early age at slaughter, the little labour needed and the necessity to produce some manure a certain number of pigs should be seen as ecological and economical necessity on an arable farm. The same could be said for poultry as far as it is kept according to its own needs. From a total view (effectively of feed conversion, competition for food in times of undersupply and effect on soil condition), cattle - dairy cattle in particular - is the most important farm animal in Europe (1).
1.2 Efficiency of feedstuff conversion
Livestock species not only differ in the type of feed they need but also in the efficiency of converting feedstuffs into nutrients for humans. As shown in Table 1, protein is transformed into milk or eggs about twice as effectively as compared to meat production; the results for energy conversion are similar 1,000 g feed protein are converted into 430 g milk protein by a cow yielding an average of 4,500 kg milk over five years but into only 120 g of meat protein in bull fattening (2). With increasing milking performance the efficiency increases due to the smaller share for maintenance requirements. Comparing three cows with 650 kg live weight and lactation yields of 4,000, 6,000 and 7,000 kg milk, the second cow needs 25 percent and the third one as much as 30 percent less energy per kilogram milk with 4 percent fat content than the first cow (Fig. 1). The main prerequirement for high milk yield is a high feed intake capacity. Cows are able to eat between 2 and 3 percent, in some cases even 4 percent of feed (on a dry matter basis) of their own live weight. For a cow with 650 kg live weight this is 13 to 20 kg (in extreme cases up to 25 kg). Two cows of the same weight can produce, depending on their feed intake capacity, very different amounts of milk out of roughage (differences up to 50 percent). Apart from the efficiency of producing milk out of roughage, length of productive live is the second main factor for the economic efficiency of a cow. As shown in Fig. 2, the profitability of a cow increases up to the 9th lactation and by no means only up to the lactation where the maximum milk yield is to be expected (between 4th and 6th lactation) (3). Moreover, it has to be kept in mind that only with an adequate number of progeny per cow, selection intensity on the female side may be maintained at a desirable level.
Table 1: Nutrient conversion of different livestock species (1)
|
Species |
Performance |
Assumptions |
Conversion Rate (percent) |
|
|
Protein |
Energy |
|||
|
Cattle |
Milk |
5 × 4,500 kg/year |
43 |
36 |
|
Milk |
10 × 6,000 kg/year |
53 |
46 |
|
|
Beef |
1,000 g/day |
12 |
16 |
|
|
Pig |
Meat |
600 g/day |
18 |
24 |
|
Poultry |
Meat |
1.5 kg weight |
26 |
6 |
|
Eggs |
250 eggs/year |
36 |
16 |
|
Figure 1: Energy requirement per 1 kg milk in starch unit depending on total production
Figure 2: Profitability of dairy cows depending on length of productive life (3)
In the last three decades, pigs have been transformed by breeding from animals desired for their fat into animals desired for their meat exclusively. This was done to meet market requirements, which may be seen from the differences in prices for lean and fat cuts of the carcass. The demands of the consumer for meat low in fat met the interests of the producer in low production costs, because to produce one unit of fat is about twice as expensive as to produce one unit of muscle.
1.3 Principles of animal breeding
The domestication of feral animals, which began several thousand years ago, must be seen as one of the most important actions in the culture of manhood. By the farm animal, man gained independence from the changing luck of hunting. The farm animal provided nutrients, raw materials for clothing, working force for labour and transport, substantial provisions for life. The animals, on the other hand, gained shelter from predators and bad weather, and man provided feedstuffs and helped rearing their progeny. Since man is keeping livestock, he tries to change various characters (coat colour, type, performance) by selection. Hand in hand with the cultural advancement farm animal husbandry changed in different ways. The main results are increased animal numbers and, most of all, large increases of individual performance. The impressive achievements by breeding should, however, not veil the fact that with modern animal production the ecological aspect of endurance ("evolutionary breeding") is often overlooked and given up in favour of the high performances dictated by the market.
Farm animals are descendants of feral animals which were formed by evolution, a process of selection acting over millions of years. Those organisms stand out by numerous well organized physiological processes determined by the body (enzymes and hormones) and environmental forces by the way of "regulation circles". Characters like body size, behavior and various quantitative performances may be seen as mirrors of the genetic disposition of an animal, modified by environmental' factors. In a healthy organism, the huge number of physiological processes are not working independently, but in a genetically determined hierarchy in time and space. It is therefore impossible to change a single important trait high in the hierarchy without changing various others. Those scientific findings from the last few decades lead to the following conclusions for practical animal breeding: if we do not want fitness (viability and reproduction) to deteriorate through selection for other traits, the breeding goal has to be defined in a way that selection must only act on characters where the physiological processes are at least not antagonistic and if possible synergistic. The heavy task of giving the appropriate weights (from an evolutionary viewpoint) to different traits in the process of selection is best solved by choosing the one character that is on the top of the hierarchy of characters (hierarchy of genes).
It is impossible to combine high milk yield and very good beef performance in healthy cows with a good longevity. A few show cows, chosen from thousands, cannot be used as counter-evidence but should rather be seen as the exception from the rule. The metabolic reasons for this have been discussed in several papers (4,5,6,7).
2.1 Growth, fat content of the milk, breeding of show-types
Growth is a central feature of living nature and certainly stands close to the top of the hierarchy of life processes. If the breeder tries to change growth rate or body proportions, many other subordinate characters will be changed as well. A deviation from the type of body which was selected by nature over millions of years will be the result. As has been seen from archeological comparison of bones, the feral predecessors of our cattle showed a larger dimorphism of sexes, the bulls having a height at withers of 200 cm and the cows having one of 160 cm. Males and females had fine tubular bodes and a long rump but there was a big difference in muscularity. Starting from the thirties, selection in most European breeds was for small animals ("economic type"). This was wrong, as wrong as the tendency nowadays, to select large animals. Body size should not be selected for at all, because selection for production efficiency will regulate body size by itself and some variation in body size is quite natural. A long growth period implies long youth, and a long immature stage delays the aging process, which is a necessary precondition for a long life.
At the turn of the century, most European cattle breeds had a fat content between 2.5 and 3.5 percent. The Dutch were the first cattle breeders to select for fat content. In 1981, the average fat content of all black-and-white cows in the Netherlands was 4.1 percent compared with an average of only 3.8 percent for the 17 living cows with a lifetime yield of more than 100,000 kg milk. The black-and-white (Holstein Friesian) herdbook cows in the United States, which are of pure Dutch descent, have been selected for milk yield rather than fat content and between 1950 and 1980 the fat content was stable between 3.6 and 3.7 percent, although in the same period the fat quantity increased from 190 kg to 300 kg per lactation. It is this same population which has the most cows with superior lifetime production. "Breeding for fat content of the milk leads to disturbances in metabolism implying higher health costs, a lower lifetime production and (therefore) economic disadvantages in milk production" (8). Similar things may be said about selection for protein content of the milk.
Even when formalism as a breeding epoche has been overcome, there are still today many breeding efforts inconsistent with breeding for long production. As before, animal breeders cannot agree about coat colour, a straight back and level rump are preferred in many populations, the haunch muscles, even in the cow, are seen as an important selection criterion. This happens, even though nobody disagrees that coat colour is not causally connected with production and that the other characteristics are generally riot found in long-living cows. Yet there is even talk about show breeding (USA) and genetic constructions (GDR), and at an exhibition (FRG, 1978) one could read: "Breeders have succeeded, by outwitting nature, in shaping a cow according to their own wishes". In the long run, it is completely impossible to breed successfully against nature, therefore reflection and a turnaround are necessary.
2.2 Breeding for high lifetime yields
A more nature-oriented breeding for production - milk from the cow and meat from her sons - can in some areas be traced back over a very long period. Pictures exist in the Pyramids (Egypt) showing large framed cows with well developed udders from as early as 2000 BC. Historical documents from the European North Sea region report that in 1586, a bullock weighed 1350 kg and good cows in the same period produced daily milk yields between 22 and 35 kg. As early as 1300, not only large cattle markets (Brussels, Amsterdam), but also significant butter markets are reported in this region. International markets can only exist where surpluses are being produced (9). Another centre of early performance breeding is Switzerland. Already in 1600, good cows yielded 12 kg milk per day and fully grown bullocks weighed 1300 kg. In 1820, individual yields up to 18 kg per day were recorded. At the turn of the century, there were numerous herd averages at 4000 kg milk and 3.8 percent fat (10). From 1918 to 1931 a Simmental cow, called "Rosalia", yielded a lifetime performance of 92,212 kg milk, 3,560 kg fat and 3.86 percent fat. In this grassland region as well, cattle trade had been going on for hundreds of years. If one compares the numerous illustrations of cattle from those centuries and feral cattle with the modern dairy-type cow from high lifetime production families, the conclusion is that body size and shape did not change much at all and only udder size and milk yield increased significantly.
Figure 3: Relation between first lactation yield and lifetime production (12)
Since the development of a quantitative genetic theory of animal breeding in our century, the relationship between first lactation milk yield and longevity was examined repeatedly, and mostly positive correlation were found. Therefore, many animal breeders concluded that one may well use the first lactation of bull progeny for selection of bulls (i.e. short generation interval). There is evidence, however, in virtually all populations, that first lactation yields increased over time, whereas length of productive life (herdlife) decreased. Several papers examined the reasons for this contradiction (11,12,13) and only recently (14) it has been shown that the genetic correlation between first lactation milk yield and herdlife as estimated from half-sib analyses is severely biased. When early-maturing (from a growth perspective) bulls are selected as sires of the next generation of bulls on basis of the first lactation of their daughters, selection is biased against the lifespan and thus against lifetime production. Evidence for this fact is given in a study (12), where the rate of increase in production in the first three lactations and its implication on longevity is investigated. From 800 cows, all of which had at least 4 lactations, the best 200 cows were chosen according to their first, second and third lactation and the development of production in later lactations investigated. "Early maturing" cows (high first lactations) showed the smallest increase in performance and a higher drop out rate; in the 10th lactation, 31 "early maturing" cows and 42 "late maturing" cows were present (Fig. 3).
Even though there are vastly different opinions about the necessity and possibility of breeding for high lifetime yields among scientists and practical animal breeders, one will agree on the fact that a cow with a high lifetime performance is a very economic, healthy, vital and fertile animal. As the probability of carrying certain genes coding for such characteristics depends largely on the number of relatives (ancestors and sibs) carrying the same genes, the reasonable way of breeding for lifetime production is based on families where high lifetime yields are found more frequently than normal. In a special line breeding programme, including at least 3 unrelated lines, it was indeed possible to increase safety of transmission of a gene complex coding for high lifetime yields without encountering problems with inbreeding depression. The frequency of cows having lifetime yields greater than 50,000 kg has been multiplied (Table 2). The proportion of living cows with a lifetime milk production grater than 50,000 kg in the FRG ranges from 1.0 to 3.2 percent for different breeds. In the Styrian Holstein-Friesian-Herdbook, where the sire selection is based most consequently on lifetime performance lines, the corresponding value (as an average of 5 years) is 8.4 percent. In a number of herds, where the use of sires is supervised by the author (LTB == Lifetime-breeders in Gröbming), the figure is 14.4 percent. In Bavaria, the 4 herds joining the line breeding programme from the early sixties (16) held (as an average of years 1974 to 1978) 1.75 percent of all black-and-white cows under test in the performance recording scheme. 27 percent of all cows having a lifetime yield of more than 50,000 kg milk were in those herds, this is more than 15 times the expected value. All those results prove that breeding for high lifetime yield is possible, if people do breed for it (and not only talk about it).
Table 2: Proportion of living cows with a lifetime milk yield of more than 50,000 kg in different populations (LTB = Lifetime breeders in Gröbming, Styria)
|
Population area |
Simmental |
Brown cattle |
Holstein Friesian |
LTB |
|
FRG |
1.0 |
2.1 |
2.7 |
|
|
Styria |
2.5 |
3.2 |
8.4 |
14.4 |
The developments in pig breeding in the last 30 years may be taken as a perfect example for what happens when breeding goals are one-sided, without taking into reference the whole organism. The lean content of the carcass increased in this time by a rate of 50 percent. This radical change of pigs from animals desired for their fat to animals desired for their meat exclusively brought changes in the life of the animals and in the meat quality.
3.1 Physiological changes
Whereas in the fifties reports about poor meat quality were rare, a large number of papers were published recently, showing that in animals with a high proportion of muscle weight (lean content), poor meat quality is more frequent than in animals with a high proportion of body fat. The most frequent aberration is called PSE (pale - soft - exudative) meat. This type of meat has a pale colour, is soft of consistency and tends to loose tissue liquid. It shows a bad quality for preservation and roasting, where it looses a lot of water so that it tastes tough and stringy (17).
As compared to cattle or horse, pigs have a lower relative heart weight and blood volume, a labile circulation system and a poor heat regulation system. Breeding only according to market demands drastically increased this disposition to functional deficiencies. Relationships between high lean content, low meat quality, poor circulation system and small hormonal glands were shown by Unshelm et al. (18, see Table 3 for major results). One-sided breeding for pigs with carcasses low in fat and high in muscle resulted in a lower fitness, expressed by a higher stress susceptibility, more dead animals during fattening or transport and a lower reproductive performance (17).
There is some indication (7), that in countries like Denmark or the U.K., where longer and higher types of pigs were bred for bacon production, lean content of pigs is high and still less problems with meat quality (PSE) are encountered. Obviously it is also the type of animal which accounts for meat quality, and short, sturdy animals with big muscles in shoulder and joint have bigger problems. The feed intake capacity of such animals is also reduced, resulting in a low fattening performance. As has been said for cattle breeding, mature body size or body proportions should not be bred for but breeding should concentrate on important performance traits not in contrast to reproduction and viability. The appearance of the animals bred that way should be accepted as the "natural" type.
Table 3: Comparison of two breeds (types) of pigs (18)
|
Trait |
Unit |
Mangalica |
Pietrain |
Mangalica |
|
Heart weight |
g/kg live weight |
20 |
15 |
75 |
|
Blood volume |
1/100 kg meat |
44 |
33 |
75 |
|
Hormonal glands |
g/100 kg meat |
103 |
61 |
60 |
|
Meat content |
percent |
13 |
20 |
154 |
|
Meat quality |
colour scale |
67 |
57 |
85 |
3.2 Breeding strategies (pig)
The profitability of weaner production is mainly determined by the number of weaners per sow and year. In pig fattening the dominant cost factor is feed consumption. Carcass price is now determined by the lean content only. In an "ecologic" pricing system, meat quality should be paid for as well. The breeding goal may therefore be comprised in fertile sows with high longevity (lifetime number of weaners), whose progeny combine high feed efficiency with a satisfactory lean content and good meat quality. Instead of the muscle:fat-ratio, used as selection criterion for a long time, muscle gain per day should be used together with a meat quality trait in a selection index. This would allow for a certain proportion of fat which is obviously important with respect to meat quality and fitness (19).
Even highly complicated crossbreeding systems do not change the fact that highly irritable animals with watery meat are no advancement but retrogression from the point of an enduring (evolutionary) breeding strategy. Responsible breeding involves thinking in generations and reacting on demands of the market only as far as the biological foundations of reproduction and viability (fitness) are not violated.
I am grateful to Dr. Sölkner for translating the manuscript from German into English.
L'élevage du bétail et les contraintes écologiques: les exemples des vaches laitières et des porcs
L'importance de l'élevage des animaux domestiques de rente est basée presque exclusivement sur la faculté des animaux de transformer les fourrages en denrées alimentaires de haute valeur. Pour les formes d'élevage des animaux d'un pays, les vocations de productions agricoles qui déterminent l'offre des fourrages sont de première importance écologique. Car, à longue échéance, une production ne peut être économique que si elle est écologique, c'est-à-dire qu'elle doit s'adapter aux conditions naturelles. Ceci est aussi valable pour l'élevage des animaux de rente dont la productivité économique dépend du niveau de production. Les questions centrales de l'élevage conforme aux conditions naturelles sont donc liées aux limites de productions que l'on peut assumer et, à ce propos, les réflexions suivantes s'imposent.
Les animaux domestiques descendent des animaux sauvages et ont évolué en raison de processus sélectifs sévères qui s'étendent sur un période d'une durée d'un million d'années. Les organismes ainsi développés sont caractérisés par des processus innombrables du métabolisme qui se sont adaptés entre eux et qui sont régis par des substances que le corps produit lui-même (enzymes et hormones) et par des facteurs externes sous forme de crises régulatrices. Tout, dans un être vivant, est donc en connexion avec tout et, de ce fait, on ne peut pas changer à volonté la productivité rentable sans aussi en même temps influencer d'autres caractéristiques. Si la fertilité et la santé ("fitness") ne doivent pas se dégrader par la sélection d'une productivité plus élevée (lait, viande oeufs, laine etc.), on ne peut prendre en considération dans la sélection que des caractères qui n'inhibent au moins pas les processus du métabolisme et, mieux encore, qui les favorisent. Comme on déroge généralement à ce principe écologique, on enregistre bien des productivités croissantes voire maximales, mais dans de nombreux domaines, la longévité, la fertilité et la qualité des produits s'en ressentent. Quelques exemples chez le bétail bovin: précocité - longévité ou engraissement - production laitière. Chez le porc: relation viande-graisse - santé de la fonction circulatoire ou quantité de viande - qualité de la viande. Une Sélection pleinement assumée signifie penser dans la dimension des génération set ne prendre en considération les désirs du marché que si l'on ne porte pas préjudice aux bases biologiques de la fertilité et de la santé ("fitness"). Nous devrions donc tous (scientifiques, éleveurs et consommateurs) nous appliquer à ce que l'élevage des animaux domestiques de rente se réalise plus avec la nature et moins contre elle.
(1) HAIGER, A. (1989): Umweltbericht-Tierwelt (122-132). Österr. Bundesinstitut für Gesundheitswesen, Wien.
(2) SCHÜRCH, A. (1963): Über den Wirkungsgrad der Stoff - und Energie - Umwandlung durch das landw. Nutztier. Schweiz. Landw. Monatshefte 41, 161-181.
(3) ZEDDIES, J. (1972): Ökonomische Entscheidungshilfen für die Selektion in Milchviehherden. Züchtungskunde 44, 149-171.
(4) LÖBE, W. (1852): Die Lehre von der Rindviehzucht. O. Wiegand Verlag, Leipzig.
(5) BAUER, H. und BAKELS, F. (1958): Zur Problematik der Genetik der Milchleistung. Zuchthygiene 2, 329-334.
(6) HAIGER, A. (1973): Das Zuchtziel beim Rind. Jubiläumsschrift 31-46, Univ. Bodenkultur, Wien.
(7) HAIGER, A., STORHAS, R. und BARTUSSEK, H. (1988): Naturgemäße Viehwirtschaft, Ulmer Verlag, Stuttgart.
(8) HAYD, H. (1973): Betrachtungen zur züchtungsbiologischen Bedeutung des prozentigen Fettgehaltes der Kuhmilch. Dissertation, Univ. München.
(9) BAKELS, F. (1969): Rinderzucht im Wandel der Zeit. Dt. Tierärztl. Wochenschrift 76, 473-476.
(10) ENGELER, W. (1947): Das Schweizerische Braunvieh. Verlag Huber u. Co., Frauenfeld, Schweiz.
(11) BAKELS, F. (196D): Untersuchungen über die Beziehung zwischen Milchleistung und Nutzungsdauer einer Allgäuer Herde. Arbeiten des Institutes für Tierzucht der Univ. München. Heft 1, 1-30.
(12) ESSL, A. (1982): Untersuchungen zur Problematik einer auf hohe Lebensleistung ausgerichteten Zucht bei Milchkühen. 1. und 2. Mitteilung. Züchtungskunde 54, 267-275 bzw. 361-377.
(13) SÖLKNER, J. (1989): Genetic relationships between level of production in different lactations, rate of maturity and longevity in a dual purpose cattle population. Livestock Production Sci. 23, 33-45.
(14) ESSL, A. (1989): Estimation of the genetic correlation between first lactation milk yield and length of productive life by means of half-sib analysis: a note on the estimation bias. J. Animal Breeding and Genetics 1D6, 4D2-4D8.
(15) HAIGER, A. (1989): Rinderzucht im Rahmen ökologischer Grenzen. Europ. Schwarzbunttagung, Villach (17.-2D.7.), Östeireich.
(16) BAKELS, F. (1981): Rinderzucht auf Lebensleistung. Vortragsmanuskript, Besamungsstation Uelzen, BRD.
(17) EICHINGER, H.M. (1978): Streß und Fleischqualität beim Schwein. Bayer. Landw. Jahrbuch 55 (Sdb. 1), 62-69.
(18) UNSHELM, J., HOHNS, H., OLDIGS, B. und RUEHL, B. (1971): Konstitutionskriterien bei Schweinen unterschiedlicher Nutzungsrichtung und Größe. EAAP-Report, Paris.
(19) KONRAD, S. (1981): Parameterschätzung und Diskussion verschiedener Indexmodelle für die Eberselektion in Österreich. Dissertation, Univ. Bodenkultur, Wien.
