Characterisation of herbicide use and its optimisation through Conservation Agriculture in Europe

Abstract

Since the beginning of agriculture, farmers have been using different tools to control weeds to reduce competition with crops and thus prevent yield losses. The study of active substances and the development and use of synthetic herbicides date back to the early 20th century, when farmers began seeking chemical alternatives to mechanical and manual weed control methods. This thesis examines the current and future role of glyphosate in European agriculture, with a particular focus on its use within Conservation Agriculture systems and its implications for sustainability. The study analyses the evolution of soil management practices, from conventional agriculture based on intensive tillage to the adoption of more sustainable approaches rooted in the principles of Conservation Agriculture: minimal soil disturbance, permanent soil cover, and crop diversifi cation. This management system is therefore presented as a key strategy for preventing soil degradation, enhancing biodiversity, restoring agricultural ecosystems, and increasing resilience to climate change. Firstly, the thesis explores the current use of glyphosate in European agriculture, where it plays a crucial role in weed control. Through a comprehensive survey conducted across 21 European countries, with 1,677 responses received, glyphosate application patterns are analysed, assessing its use in different soil management systems and various climatic regions. The results indicate that while glyphosate remains widely used for weed control before sowing and in early crop growth stages, Conservation Agriculture systems can achieve similar or even lower application rates compared to conventional tillage systems. This is largely due to the implementation of integrated weed management strategies, including cover cropping, crop rotation, and the use of precision agriculture technologies. Another key aspect addressed is the regulatory challenges surrounding glyphosate use in the European Union, where initiatives are in place to reduce its usage as part of broader agricultural sustainability strategies. However, herbicide restrictions must be carefully balanced to avoid unintended consequences, such as a return to intensive tillage, which can accelerate soil erosion, reduce carbon sequestration, and negatively impact agroecosystem biodiversity. The optimisation of glyphosate use within Conservation Agriculture systems represents a viable alternative to minimising its environmental impact without compromising farm profitability. Therefore, to assess the impact of glyphosate use in agricultural systems, it is essential to consider the effects of Conservation Agriculture on sustainability from economic, social, and environmental perspectives. Economically, Conservation Agriculture reduces production costs, optimises input use, and increases gross profit margins by up to 11.9%. Socially, its adoption decreases labour demands by up to 65%, facilitates work-life balance, and fosters community development through farmer training and organisation. Environmentally, Conservation Agriculture contributes to soil conservation by reducing erosion by up to 80%, improving soil structure and water retention, and increasing agroecosystem biodiversity in both quantity and species variety. Additionally, it plays a crucial role in climate change mitigation by enhancing soil carbon sequestration (up to 4.75 t CO2 ha-¹ year-¹) and significantly reducing CO2 emissions associated with conventional tillage. Chapter 5 presents a comprehensive bibliometric analysis of global scientific research on Conservation Agriculture and its relationship with climate change mitigation, using Scopus and Web of Science as primary data sources. Based on an analysis of 650 scientific articles, the study reveals a significant increase in publications over the past 30 years, reflecting the growing global interest in sustainable agricultural practices and their role in combating climate change. The findings highlight the evolution of key research areas in this field, identifying major themes such as no-till farming, soil organic carbon, and greenhouse gas emission reduction. The study also identifies the United States, Brazil, and China as leading contributors to scientific research on this topic. Furthermore, the analysis reveals the emergence of thematic research clusters focusing on soil management and carbon sequestration, suggesting a growing emphasis on developing climate mitigation strategies through sustainable agriculture based on the principles of Conservation Agriculture. The findings demonstrate that research on Conservation Agriculture has evolved from productivity-focused approaches to a more holistic perspective integrating environmental, climatic, and socio-economic aspects.

Desde el comienzo de la actividad agrícola se han utilizado herramientas que permitieran controlar las malas hierbas con el fi n de disminuir la competencia que estas desarrollan con los cultivos y así, por tanto, evitar pérdidas en la producción. El estudio de las materias activas y la creación y uso de herbicidas sintéticos se remonta a principios del siglo XX, cuando los agricultores comenzaron a buscar alternativas químicas a los métodos mecánicos y manuales de control de malas hierbas. Esta tesis examina el papel actual y futuro del glifosato en la agricultura europea, con un enfoque especial en su uso dentro de los sistemas de Agricultura de Conservación y sus implicaciones para la sostenibilidad. A lo largo del estudio realizado, se analiza la evolución de las prácticas de manejo del suelo, desde la agricultura convencional basada en un laboreo intensivo hasta la adopción de enfoques más sostenibles, basados en un manejo del cultivo bajo los principios de la Agricultura de Conservación: mínima alteración del suelo, cobertura permanente de la superfi cie del suelo y la diversifi cación de cultivos. Este sistema de manejo se presenta, por tanto, como una estrategia clave para evitar la degradación del suelo, mejorar la biodiversidad, restaurar ecosistemas agrarios y aumentar la resiliencia frente al cambio climático. En primer lugar, se aborda en esta tesis el estado actual de uso del glifosato en la agricultura europea, donde desempeña un papel crucial en el control de las malas hierbas. A través de una encuesta exhaustiva realizada en 21 países europeos y con 1677 respuestas recibidas, se analizan los patrones de aplicación del glifosato, evaluando su uso en distintos sistemas de manejo del suelo y en diversas regiones climáticas. Los resultados muestran que, si bien el glifosato sigue siendo ampliamente utilizado para el control de malezas antes de la siembra y en las etapas tempranas del cultivo, los sistemas de Agricultura de Conservación pueden lograr tasas de aplicación similares o incluso menores que los sistemas de laboreo convencional. Esto se debe, en gran parte, a la implementación de estrategias de manejo integrado de malas hierbas, así como la utilización de cultivos de cobertura, la rotación de cultivos y el uso de tecnologías de agricultura de precisión. Otro de los aspectos que se destacan son los desafíos regulatorios en torno al uso del glifosato en la Unión Europea, donde existen iniciativas para reducir su uso como parte de estrategias más amplias de sostenibilidad agrícola. No obstante, las restricciones a los herbicidas deben ser cuidadosamente equilibradas para evitar consecuencias no deseadas, como el retorno del laboreo intensivo, que puede acelerar la erosión del suelo, reducir la captura de carbono y afectar la biodiversidad de los agroecosistemas. La optimización del uso del glifosato dentro de los sistemas de Agricultura de Conservación, representa una alternativa viable para minimizar su impacto ambiental sin comprometer la rentabilidad de las explotaciones agrarias. Por lo tanto, y para comprobar el impacto que tiene el uso de glifosato en los sistemas agrarios hay que tener en cuenta el efecto que la Agricultura de Conservación tiene en la sostenibilidad desde un punto de vista económico, social y ambiental. En términos económicos, la Agricultura de Conservación reduce los costes de producción, optimiza el uso de insumos, con lo que aumenta los márgenes brutos de rentabilidad hasta en un 11.9%. A nivel social, su adopción disminuye la carga de trabajo en hasta un 65%, facilita la conciliación laboral y familiar, y promueve el desarrollo de las comunidades mediante la capacitación y la organización de agricultores. Desde el punto de vista ambiental, la AC contribuye a la conservación del suelo al reducir la erosión hasta en un 80%. Asimismo, mejora la estructura del suelo, las propiedades hídricas del mismo y contribuye a un aumento de la biodiversidad de los ecosistemas agrarios tanto en cantidad como en variedad de especies. Además, juega un papel clave en la mitigación del cambio climático al incrementar la captura de carbono en el suelo (hasta 4.75 t CO2 ha-¹ año-¹) y reducir significativamente las emisiones de CO2 derivadas del laboreo convencional. En el capítulo 5 se lleva a cabo un análisis bibliométrico exhaustivo de la producción científica mundial sobre Agricultura de Conservación y su relación con la mitigación del cambio climático, utilizando como fuentes principales las bases de datos Scopus y Web of Science. Este estudio, basado en el análisis de 650 artículos científicos, evidencia un notable crecimiento en el número de publicaciones durante los últimos treinta años, lo que refleja el creciente interés global en la adopción de prácticas agrícolas sostenibles y su papel en la lucha contra el cambio climático. Los resultados del análisis destacan la evolución de las principales líneas de investigación en este campo, identificando temas clave como la siembra directa, el carbono orgánico del suelo y la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Asimismo, se observa que los países con mayor producción científica en este ámbito son Estados Unidos, Brasil y China, consolidándose como referentes en la investigación sobre este tema. Además, el estudio revela la existencia de grupos temáticos emergentes centrados en la gestión del suelo y el secuestro de carbono, lo que sugiere una orientación cada vez más marcada hacia el desarrollo de estrategias de mitigación climática a través de la agricultura sostenible basada en los principios de la Agricultura de Conservación. El análisis pone de manifiesto que la investigación sobre AC ha evolucionado desde enfoques centrados en la productividad agrícola hacia una perspectiva más holística que integra aspectos ambientales, climáticos y socioeconómicos.