Agrobiodiversity and climate adaptation: insights for risk management in small-scale farming

Abstract

Agriculture is a dynamic activity that sustains food and other goods for global human population. Aiming to ensure global food security, the sector has evolved dramatically, especially over the last century with the introduction of high-yielding crops, improved technology and pathogen resistant varieties, to name a few. According to the Food and Agriculture Organisation of the United Nations (FAO), the food security issue is still present. In 2019, around 26% of the world population experienced either a moderate or severe level of food insecurity. Climate change makes the challenge of food security even more pressing. It is argued that increased agrobiodiversity through farm diversification and varietal selection can help farmers to cope with the negative effects of climate change while ensuring food security. However, such approaches have been difficult to scale up. One could argue that we often lack information to understand the contexts that drive farmers’ adaptation decisions and how to develop recommendations for adaptation. In this thesis, I developed methods and tools to support farmers and stakeholders in adapting to a changing climate. I present results from three continents to improve the understanding of the food systems at the farm level, and specifically in smallholder farming. I provide insights for the different biological levels: species level, focusing on trees as slow grower organisms for interspecific diversification; varieties level, looking for locally adapted phenotypes; and genotype level, focusing on G × E interactions to support crop breeding for intraspecific diversification. From the first part of the study, conducted in Central America, the results showed that farmers have a clear preference to a set of adaptation strategies, with reforestation (agroforestry) as the first choice (Paper 1). Crop variety management is the least preferred choice of the top-5. In the second part of the study, I assessed the impacts of climate change on the habitats of the 100 most common tree species used in coffee (Coffea arabica L.) and cocoa (Theobroma cacao L.) agroforestry in Central America (Paper 2). The results showed that the most preferred trees are the most vulnerable, but farmers could re-think the agroforestry designs using a portfolio of underutilised species already present in low densities at the current systems. In the third part of the study, I employed a citizen science approach that can scale variety testing and help farmers to select the right crop variety for their farms (Paper 3). I tested this approach with common bean (Phaseolus vulgaris L.) in Nicaragua, bread wheat (Triticum aestivum L.) in India and durum wheat (Triticum durum Desf.) in Ethiopia. The results showed that the approach reduces geographic sampling bias and could be scaled to provide tailored recommendations for crop variety management. I also show, with durum wheat genotypes in Ethiopia, that linking the farmer-generated data to scientist-generated data can support breeding programs targeting challenging crop production environments using a data-driven decentralised approach (Paper 4). The approach is fully replicable, and part of its workflow is presented in this thesis (Paper 5 and Paper 6). Overall, the results of this thesis should be seen as starting point to develop lines of research that support recommendations to adapt agricultural systems to a changing climate.

Landbruk er en dynamisk aktivitet som skal sikre mat og andre varer som verdens befolkning til enhver tid trenger. Med global matsikkerhet som mål har landbruket utviklet seg mye, særlig det siste århundre, blant annet ved å ta i bruk høytytende grøder, forbedret dyrkningsteknikk og sorter som er resistente mot sykdommer. I følge FNs organisasjon for ernæring og landbruk (FAO) er matsikkerhet fortsatt et aktuelt tema. I 2019 opplevde rundt 26% av verdens befolkning en moderat eller alvorlig grad av usikkerhet rundt tilgangen på mat. Klimaendringer gjør utfordringene rundt matsikkerhet enda mer krevende. Hele matvaresystemet må endres for å takle klimaendringer og samtidig sikre nok mat til alle. Det hevdes at økt biologisk mangfold i landbruket kan hjelpe bønder i å takle klimaendringene og samtidig sikre matproduksjonen, dette gjennom mer variasjon i hva som dyrkes på gårdsnivå og gjennom et bedre utvalg av sorter. Slike tilnærminger har imidlertid vist seg å være vanskelige å skalere opp. Man kan hevde at vi ofte mangler tilstrekkelig med informasjon for fullt ut kunne forstå hva som avgjør bønders valg knytta til klimatilpasning - og videre hvordan man så skal kunne utvikle rådgivingen for dette. I denne avhandlingen har jeg utviklet metoder og verktøy som kan brukes for å hjelpe bønder og andre i å tilpasse seg til endringer i klima. Jeg presenterer resultater fra tre ulike kontinent, dette for gi eksempel på hvordan en økt forståelse av matvaresystemene kan fungere på gårdsnivå, og særlig på små gårder. Jeg går inn på ulike biologiske nivå: på artsnivå, med fokus på trær som vokser langsomt og som gir stor diversitet mellom arter; på sortsnivå, ved å søke å finne lokalt tilpassa fenotyper; og på genotypenivå, ved å fokusere på samspillet mellom gener og miljø (G × E), dette for å støtte foredlingsarbeid for økt diversitet innenfor arter. Resultater fra første delen av studiet som ble gjennomført i Mellom-Amerika viste at bønder har en klar preferanse for et sett av strategier i forhold til klimatilpasning, med agroskogbruk som førstevalg (Artikkel 1). Sortsvalg er det minst foretrukne valget av topp fem. I andre del av studiet undersøkte jeg hvor egnet dagens vokseplasser i Mellom-Amerika er for de 100 vanligste trærne som anvendes innenfor agroskogbruket med kaffe (Coffea arabica L.) og kakao (Theobroma cacao L.), dette med tanke på framtidige klimascenarier (Artikkel 2). Resultatene viste at de mest foretrukne trærne er de mest sårbare og at bøndene burde tenke nytt i forhold til utforming av agroskogbruket, dette ved å ta i bruk en rekke mindre anvendte arter som likevel finnes i dagens system. I tredje del av studiet anvendte jeg grasrotforskning som tilnærming for å skalere opp sortsforsøk og hjelpe bønder med å velge riktig sort for gårdene sine (Artikkel 3). Jeg undersøkte dette i bønner (Phaseolus vulgaris L.) i Nicaragua, vanlig brødhvete (Triticum aestivum L.) i India og durumhvete (Triticum durum Desf.) i Etiopia. Resultatene viste at en slik tilnærming reduserer feilkilder knyttet til geografisk representasjon og kan skaleres opp for å gi mer skreddersydde løsninger for bruk av sorter. I arbeidet med ulike genotyper av durumhvete i Etiopia viser jeg at foredlingsprogrammer kan styrkes at ved å koble grasrot-genererte data til forsker-genererte data gjennom en desentralisert tilnærming (Artikkel 4). Tilnærmingen er fullt mulig å gjenta, og en del av arbeidsflyten er presentert i avhandlingen (Artikkel 5 og 6). Samlet sett bør resultatene fra denne avhandlingen sees som en start på å utvikle en forskningen som kan bistå med anbefalinger slik at landbruket bedre kan tilpasse seg til et klima i endring.