Models for sustainable management of agroecological systems in Central America in a changing climate era

Los sistemas agrícolas minifundistas tienen un papel importante en la producción mundial de alimento (proporcionando en torno al 70% del alimento global, e involucrando sobre 500 millones de familias). Los pequeños agricultores de las zonas montañosas del corredor seco Mesoamericano son fundamentales para poder mejorar los sistemas agrícolas. La clave está en que los pequeños agricultores de subsistencia son a la vez productores y consumidores, con una producción de alimento insuficiente debido a las condiciones climáticas y medioambientales extremas o a ingresos escasos como para suplementar su producción con productos del mercado. La modelización ofrece una manera de ensayar y mejorar nuestro conocimiento sobre los complejos sistemas agrícolas. Para abordar los problemas de los pequeños agricultores, en primer lugar desarrollamos, describimos y evaluamos un modelo biofísico y socioeconómico de los sistemas agrícolas minifundistas basado en el cultivo intercalado de maíz y frijol en las zonas montañosas de Centro América. Una vez el modelo para la seguridad alimentaria sostenible y la reducción de la pobreza en Smallholder Agricultural Systems in Highland Areas of Central America (SASHACA) hubo sido desarrollado y evaluado, se aplicó en Guatemala para evaluar el impacto de las dotaciones de los pequeños agricultores en su bienestar. Finalmente, el modelo SASHACA se utilizó en Guatemala y Nicaragua para establecer una definición de agricultura familiar adaptada al contexto regional y centrada en pequeños agricultores de subsistencia o semi-subsistencia. El modelo SASHACA integra conocimiento científico y practico del manejo de cultivos, mano de obra, contenido de agua en el suelo, nitrógeno, consumo de alimento y componentes económicos del sistema. La evaluación del modelo se realizó por medio de un amplio conjunto de ensayos para la valoración de modelos dinámicos y mediante la comparación estadística de datos simulados frente a observados en las encuestas. El modelo simula de manera realista las variables de salida y muestra una representación conductual lógica. La máxima incertidumbre relativa de las variables de salida varía de un 30% a un 53% para los análisis univariables y multivariables (MVSS) respectivamente. El modelo se presenta como adecuado para la simulación de una amplia gama de sistemas agrícolas minifundistas en las áreas montañosas de América Central, y potencialmente en otras localizaciones. Para la primera aplicación en Guatemala, nuestro esfuerzo se centró en aumentar el conocimiento y comprensión sobre las oportunidades y desafíos a los que se enfrentan los pequeños agricultores, y los inextricables vínculos entre humanos y sus ambientes biofísicos, sociales y económicos. Examinamos los efectos del cambio de dotaciones de los pequeños agricultores en la trayectoria a largo plazo de los factores asociados con la pobreza y la seguridad alimentaria. Se realizaron simulaciones univariables y MVSS para evaluar la variabilidad en las dotaciones de los pequeños agricultores. Los resultados respaldan la hipótesis de la existencia de umbrales en la disponibilidad de tierras, fuerza de trabajo familiar, disponibilidad de empleo en otras explotaciones, y la adquisición de insumos, los cuales determinan la trayectoria de bienestar de los pequeños agricultores. Los hogares en la región confían parcialmente en los ingresos obtenidos del empleo en otras explotaciones como parte de su estrategia de subsistencia. Los descubrimientos de este estudio confirman que los hogares necesitan una superficie de 0.6 ha de cultivo asociado de maíz y frijol complementado con ingresos del trabajo en otras explotaciones (2.2 meses al año) para conseguir los requerimientos de alimento anuales. Por otro lado, existe también una fuerte interacción entre un manejo agrícola eficiente y la capacidad de trabajo, la cual a su vez depende de la tecnología implementada. Por encima de 0.75 ha de cultivo de maíz y frijol asociados, la escasez en disponibilidad de fuerza de trabajo conlleva caídas de rendimiento de 13% en maíz y 21% en frijol. Además, el modelo SASHACA se usó para evaluar cómo factores tales como el tamaño familiar y su composición, la productividad, la capacidad de trabajo, o la superficie y la distribución de los cultivos afectan los resultados de bienestar a largo plazo en las zonas montañosas de Guatemala y Nicaragua. Los niveles de seguridad alimentaria de los hogares empeoran a medida que el tamaño familiar crece. Sin embargo, la evolución de los ratios de dependencia a lo largo del tiempo puede modificar la situación de bienestar familiar. La disponibilidad de trabajo y terreno interactúa afectando al bienestar del hogar. El tamaño deseable de la finca para un pequeño agricultor de subsistencia en las zonas montañosas de Guatemala se establece en el rango de 1.25-3.05 ha y entre 2.05-3.25 ha para el contexto Nicaragüense, dependiendo de la fuerza de trabajo disponible. ABSTRACT Smallholder agricultural systems have an important role in world food production (providing about the 70% of food globally, and involving over 500 million families). Agricultural smallholders in highland areas of the Mesoamerican dry-corridor are central to improve farming systems. The key issue is that the subsistence smallholders are joint producer-consumers, with insufficient food production due to extreme environmental and weather conditions or scarce incomes to supplement their own production from market sources. Modelling offers an approach for testing and improving knowledge about complex agricultural systems. To tackle smallholder famers problems we firstly developed, described and assessed a biophysical and socio-economic model of the smallholder agricultural systems based on maize-bean intercropping in highland areas of Central America. Once the model was developed and evaluated, the sustainable food security and poverty alleviation in Smallholder Agricultural Systems in Highland Areas of Central America (SASHACA) model was used in Guatemala to assess the impact of smallholder endowments on their welfare. Eventually, SASHACA model was used in Guatemala and Nicaragua to establish a family farming definition adapted to regional context with a focus on subsistence or near-subsistence smallholders. The SASHACA model integrates scientific and practical knowledge of crop management, labour, soil water content, soil nitrogen, food consumption and economic components of the system. Model evaluation was conducted through a wide set of tests for assessment of dynamic models and statistical comparison of simulated versus observed data derived from surveys. The model simulates realistic outputs and presents logical behavioural representation. The maximum relative uncertainty of output variables ranged from 30% to 53% for univariate and multivariate sensitivity analyses (MVSS) respectively. The model proved to be adequate for assessing food security under scenarios in low data availability areas. The SASHACA model proves to be adapted to simulate a wide range of smallholder agricultural systems in highland areas of Central America, and potentially in other locations. For the first model application in Guatemala, our effort aimed to increase awareness and understanding about the opportunities and challenges faced by smallholder farmers, and the inextricable links between humans and their biophysical, social, and economic environments. We examined the effects of changing smallholder endowments on the long-term trajectory of factors associated with poverty and food security. Univariate and MVSS were carried out to evaluate the variability in smallholder endowments. The results support the hypothesis of thresholds in land availability, family labour force, off-farm labour availability, and purchased inputs determining the welfare trajectory of the smallholders. Households in the region rely partly on off-farm labour as a subsistence strategy. The findings of the study confirm that households need an area of 0.6 ha of maize and bean intercrop complemented with income from off-farm labour (2.2 months a year) to provide annual food requirements. There is also a strong interaction between land management efficiency and labour capacity which depends in turns on the technology implemented. Above 0.75 ha of maize and bean intercrop, a shortage in labour availability causes yield reductions of 13% in maize and 21% in bean. Additionally, SASHACA model was used to assess how factors such as family size and composition, field productivity, labour capacity, or area and crop allocation affect household long term welfare results in highland areas of Guatemala and Nicaragua. The food security levels of the household worsen as the household size grows. However, evolution of dependency ratios over time might modify the welfare situation of the family. Labour and land availability interact affecting household welfare. The resulting desirable farm size for subsistence smallholder farms in the highlands of Guatemala is established in the range of 1.25-3.05 ha and 2.05-3.25 ha for the Nicaraguan context depending on the household workforce