Document Type : Research Paper
Authors
1 faculty member at ramin agriculture and natural resources university of khouzestan
2 Department of Agricultural Machinery and Mechanization, Agricultural Sciences and Natural Resources University of Khuzestan, Mollasani, Iran
3 Agricultural Sciences and Natural Resources university of Khuzestan
Abstract
Keywords
مقدمه
بـا افــزایش روزافــزون جمعیــت جهــان و محــدویت انــرژی، دسترسی به انرژی به مقدار کافی از بسیاری جهات در آینــده مشکلتر خواهـدبود. همچنین پیشبینی میشـود که در کشورهای جهان سوم به علت جوان بـودن جمعیـت، پتانـسیل بیشتری برای رشد جمعیت در طی سالهای آینده وجود داشـته و ورود این نسل جدید به بازار اقتصاد کشورهای در حال توسعه موجـب افزایش تقاضای کالا، خدمات و انرژی گردد. در حال حاضر تأمین امنیت غذایی برای جمعیت فزاینده جهان با حفظ منابع پایه زمین و آب و با حداقل اثرات محیط زیستی به یکی از چالشهای اساسی در کشاورزی پایدار تبدیل شده است (محمدزاده و همکاران 2017). مباحث مربوط به موازنه انرژی از زمانی شروع گردید که بشر متوجه محدود بودن منابع انرژی فسیلی شد. در نتیجه تلاش برای برنامهریزی دقیق مصرف و برآورد مصرف آن در بخشهای مختلف بیشتر شد (پلاتیس و همکاران 2019).
محـدودیت منـابع انـرژی و اثـرات سـوءمصـرف منـابع انـرژی تجدیدناپذیر همچون سوختهای فسـیلی بـر محـیط زیسـت و سلامت انسان به دلیل استفاده نادرست از انرژی امری مسلم است که مطالعه الگوی مصرف انرژی و نهادههای انرژیبـر را در بـوم نظـامهـا، ضـروری سـاختهاسـت (سنایدر و همکاران 2009). همچنـین استفاده کارآمد از منابع انرژی یکی از مهمترین اصـول بـرای توسـعة پایدار در کشاورزی است که منجـر بـه کـاهش چـالشهـای زیسـت محیطی، جلوگیری از تخریب منابعطبیعی و افت سـودمندی اقتصـادی در بومنظامهای پایدار تولید محصولات زراعی خواهـد شـد (رجبی و همکاران 2012). در توسعه پایدار از منـابع بایـد بـه گونـهای استفاده کرد که نه تنها نیاز نسل فعلی را برآورده سـازد، بلکـه امکـان تأمین نیازهای نسل آینده را نیز فراهم آورد (سماواتیان و همکاران 2011).
ارزیابی کارایی مصرف نهادهها در بوم نظامهای کشاورزی در طراحی بوم نظامهای پایدار و سازگار با محیط زیست نقـش بسـزایی دارد. هدف از مطالعه روند انرژی ورودی و خروجی نظامهای زراعی، بهینهسازی مصرف انرژی، کاهش هزینـههـای عملکـرد و تولید از طریق کاهش هزینههای مصرف انـرژی اسـت. تمام روشهایی که انسان برای افزایش کارایی تثبیت انـرژی بـه کار میگیرد، با استفاده از انرژیهای کمکـی یـا بـه اصـطلاح یارانـه انرژی است. انرژی مصرفی بـه طور مستقیم در عملیات کاشت، داشت، برداشت و بطور غیـر مـستقیم در تولید نهادههایی از قبیل آفتکـشها، کودهـای شـیمیایی و ماشـینآلات، ذخیرهسازی و خشککردن محصولات و سایر نهادههایی کـه در ارتباط با تولید محصول می باشند، مورد استفاده قرار میگیرند.
یکی از رویکردهای مناسب در جهت کاهش انرژی های ورودی و از سوی دیگر افزایش انرژی خروجی، بررسی و ارزیابی شاخصهای به دست آمده از مطالعات منطقهای میباشد. این که چه عواملی چگونه و به چه میزان بیشترین تأثیر را در مقدار این شاخصها میگذارند در کنار بررسی امکان جایگزینی آنها با سایر عوامل و با در نظر گرفتن ملاحظات اقتصادی و فنی، در نهایت میتواند منجر به بهینه سازی الگوی مصرف انرژی در تولیدات کشاورزی گردد.
در بررسی جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانهای تولید گندم دیم در منطقه کالپوش استان سمنان، امیدمهر (2016) نشانداد که کل مصرفی ناشی از کاربرد نهادهها در سه روش کشت رایج، کمخاکورزی و مستقیم بین 13900 تا 18713 مگاژول بر هکتار متغیر بود. بیشترین و کمترین مقدار ظرفیت گرمایش جهانی بهترتیب مربوط به کشت رایج و کشت مستقیم بود. همچنین روش کمخاکورزی بیشترین عملکرد را ایجاد کرد. اصغریپور و همکاران (2015) در پژوهشی الگوی مصرف انرژی در تولید گندم آبی شهرستان کرمانشاه را بررسی کردند. نتایج نشانداد که کل انرژی ورودی حدود 8/41921 مگاژول در هکتار بوده و در بین نهادههای ورودی انرژی، کود نیتروژن با 38 درصد و پس از آن سوخت دیزل با 13 درصد بیشترین سهمها را دارا بودند. کل انتشارCO2 ، N2O و CH4 در مزارع گندم به ترتیب 1/1248، 6/855 و 6/1 کیلوگرم در هکتار بود. کاظمی و زارع (2014) در مطالعهی جریان انرژی در مزارع گندم شهرستانهای گرگان و مرودشت نشاندادند که از انرژی ورودی کل در دو بومنظام زراعی، کودهای شیمیایی و سوخت بالاترین مصرف انرژی را داشتند و متغیرهای ماشینآلات و آبیاری در مکان بعدی قرار گرفتند. در این تحقیق کارایی مصرف انرژی برای مزارع گرگان 91/2 و در مزارع مرودشت 56/2 محاسبه شد. در مطالعه صورت گرفته توسط حبیبیزاده و غلامی پرشکوهی (2016) در خصوص بررسی مصرف انرژی در دو روش سنتی و مکانیزه برای تولید برنج رقمهای هاشمی و گوهر در شهرستان صومعهسرا مجموع کل انرژی نهاده در روش سنتی و مکانیزه تولید برنج گوهر به ترتیب برابر 12312 و 21112 مگاژول در هکتار و در تولید برنج هاشمی بهترتیب برابر 12266 و 13121 مگاژول در هکتار بود. بیشترین میزان مصرف انرژی مربوط به نهاده بذر، سم و کود شیمیایی بود.
در ایران گندم مهمترین گیاه زراعی به شمار میرود به طوری که هر ساله بیش از 50 درصد از کل زمینهای قابل کشت را به خود اختصاص داده است. استان خوزستان یکی از مهمترین قطبهای تولید گندم در کشور بوده و سالانه حدود 19 درصد تولید گندم کل کشور را به خود اختصاص میدهد. در همین حال در سالهای اخیر به طور میانگین 535 هزار هکتار زمین در استان خوزستان زیر کشت گندم بوده است (احمدی و همکاران 2019). همچنین در سالهای اخیر با توجه به کمبود منابع روغنهای گیاهی، سطح زیر کشت کلزا در کشور وخوزستان افزایش یافتهاست. در حال حاضر کلزا با داشتن ویژگـی هـای زراعـی مناسب به ویژه امکان کشت پائیزه آن، قرار گرفتن در تناوب با غلات، درصد روغن مناسب دانه و پروتئین کنجاله دانـه یکی از مهمترین محصولات دانه روغنی ایران میباشد (قاسمی و همکاران 2020).
کشتهای رایج منطقه خرمشهر در فصل زمستان گندم، جو و کلزا و در فصل تابستان صیفی، سبزی و شلتوک و در جنوب آن و بخش مینو شامل نخیلات و میانهکاری آن با گیاهانی مانند یونجه است. سطح زیرکشت گندم و کلزا در شهرستان در سال زراعی97-1396 به ترتیب 12668 و 527 هکتار و میزان برداشت آن 30502 و 922 تن بوده است که نشان دهنده اهمیت آن ها در الگوی کشت منطقه میباشد (احمدی و همکاران 2019). با توجه به سطح زیر کشت و مقدار تولید قابل توجه گندم و کلزا در خرمشهر و از آنجا که تاکنون بررسی راندمان مصرف انرژی در بوم سامانههای این دو محصول انجام نشده است، این مطالعه بـه منظـور بررسـی وضـعیت جریـان انـررژی ورودی و خروجـی، بهـرهوری مصـرف انـرژی، عملکرد انرژی خالص، میزان انتشار گازهای گلخانهای، پتانسیل گرمایش جهانی و شاخص پایداری در بومنظامهـای فاریاب گندم و کلزا در منطقه خرمشهر و به منظور بهینه سازی الگوی مصرف انرژی انجام شد.
مواد و روشها
مطالعه مورد نظر در شهرستان خرمشهر انجام گرفت. مختصات جغرافیایی این شهرستان °30.4256 E °48.1891 N بوده و متوسط دما و میانگین بارش 60 ساله در شهرستان خرمشهر به ترتیب 2/28 درجه سیلسیوس و 3/153 میلیمتر میباشد. به منظور برآورد جریان انرژی، پایش مزارع در 60 مزرعه گندم و 57 مزرعه کلزا منطقه خرمشهر در سال زراعی 98-1397 انجام و اطلاعات مورد نیاز جمعآوری شد. دادهها از طریق پایش مستمر مزارع در طول فصل رشد و همچنین مصاحبه شخصی با کشاورزان جمعآوری شدند. مزارع با کمک مراکز خدمات کشاورزی شهرستان خرمشهر انتخاب شدند.
پس از جمعآوری دادهها، برای بدست آوردن انرژی حاصل از هر ورودی و خروجی، از ضرایب معادلسازی انرژی برای هرکدام از نهادههای ورودی و خروجی در زراعت گندم و کلزا، استفاده گردید (جدول 1). بدینترتیب انرژی حاصل از هر کدام از نهادههای ورودی و خروجی بر حسب مگاژول بهدست آمده و دادهها بر این اساس تجزیه و تحلیل شدند.
جدول 1- معادل های انرژی ورودی های موجود در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
منبع |
معادل انرژی |
واحد |
ورودی/خروجی |
|
|
|
|
ورودی |
|
ازکان و همکاران،2004 |
7/15 |
کیلوگرم |
بذر گندم |
|
ازکان و همکاران،2004 |
25 |
کیلوگرم |
بذر کلزا |
|
ازکان و همکاران،2004 |
96/1 |
ساعت |
نیروی انسانی |
|
سینگ و همکاران، 2007 |
7/142 |
ساعت |
ماشین آلات |
|
آکاز مکاران، 2009 |
6/60 |
کیلوگرم |
نیتروژن |
|
آکاز مکاران، 2009 |
1/11 |
کیلوگرم |
فسفر |
|
آکاز مکاران، 2009 |
7/6 |
کیلوگرم |
پتاسیم |
|
سینگ و همکاران، 2007 |
38 |
لیتر |
سوخت |
|
کالتستز و همکاران، 2007 |
1/12 |
کیلووات ساعت |
الکتریسیته |
|
تیلیواکیس و همکاران، 2005 |
278 |
لیتر |
علف کش |
|
|
|
|
خروجی |
|
ازکان و همکاران،2004 |
7/15 |
کیلوگرم |
بذر گندم |
|
ازکان و همکاران،2004 |
25 |
کیلوگرم |
بذر کلزا |
|
رجبی و همکاران، 2012 |
25/9 |
کیلوگرم |
کاه گندم |
|
ازکان و همکاران،2004 |
3/14 |
کیلوگرم |
کاه کلزا |
در مزارع تولید گندم و کلزا، انرژیهای خروجی شامل دانه و کاه و کلش است که انرژی حاصل از تولید هرکدام از آنها جداگانه محاسبه شد. در این پژوهش برای محاسبه مولفههای مختلف از روابط 1 تا 4 بهره گرفته شد (فیضبخش و سلطانی، 2013).
ER = Eou / EIn رابطه (1)
EP = Y / EIn رابطه (2)
EI = EIn / Y رابطه (3)
NEG = EOu - EIn رابطه (4)
در این روابط Eou انرژی خروجی (مگاژول بر هکتار)، EIn انرژی ورودی (مگاژول بر هکتار)، ER کارایی مصرف
انرژی[1] (درصد)، Y عملکرد (کیلوگرم در هکتار)، EI شدت انرژی[2] (مگاژول بر کیلوگرم)، EP بهرهوری انرژی[3] (کیلوگرم بر مگاژول) و NEG انرژی خالص[4] (مگاژول بر هکتار) است.
در این مطالعه براساس نوع فعالیتهای کشاورزی و نهادههای ورودی که در سیستمهای مختلف استفاده میشوند، سهم انرژیهای مستقیم و غیرمستقیم و همچنین سهم انرژیهای تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر از انرژی کل مصرفی محاسبهگردید. براساس نوع نهادهها، انرژیهای مستقیم شامل نیرویکارگری، سوخت، انرژی برق و آب و انرژیهای غیرمستقیم شامل بذر، کوددامی، کودهای شیمیایی، علفکشها، آفتکشها، قارچکشها و ماشینآلات بودند. انرژیهای نیرویکارگری، بذر، آب و کود دامی، انرژی تجدیدپذیر و انرژیهای سوخت، برق، کودهای شیمیایی، علفکشها، آفتکشها، قارچکشها و ماشینآلات متعلق به انرژیهای تجدیدناپذیر میباشند. انرژی ماشینآلات از تقسیم جرم ماشین (کیلوگرم) به عمر تخمینی (ساعت) ضربدر ساعت کارکرد ماشین در انرژی معادل ساخت هر کیلوگرم بهدستآمد. متغیر نیروی انسانی، از مجموع ساعات نیروی کارگری که صرف عملیاتهای مختلف زراعی از جمله شخم، دیسک، تسطیح، مرزبندی، کاشت بذر، کودپاشی، سمپاشی، آبیاری، برداشت و حمل و نقل میشود، محاسبه گردید. نهاده ماشینآلات به عنوان یکی از متغیرهای ورودی به مزرعه، شامل ساعات کار ماشینآلات و ادواتی میباشد که از کاشت تا برداشت و حمل و نقل مورد استفاده قرار میگیرند. مقدار گازوئیل و روغنی که جهت سوخت ماشینآلات مختلف برای شخم، کاشت، آبیاری، کودهی، برداشت و نیز حملونقل در یک هکتار مزرعه گندم مصرف گردید، در زیر مجموعه متغیر سوخت قرار گرفت.
یکی از مهمترین متغیرهای ورودی به بومنظامهای کشاورزی کودهای شیمیایی است. از کودهای شیمیایی مورد استفاده در مزارع میتوان به نیتروژن، فسفر و پتاسیم اشاره کرد. مقادیر این کودها بهصورت خالص در محاسبات مورد استفاده قرار گرفت. مقادیر مصرف سموم کشاورزی شامل علفکشها، قارچکشها و حشرهکشها مورد استفاده در مناطق مورد مطالعه نیز جمعآوری شد و تحت متغیر مواد شیمیایی ارزیابی گردیدند. یکی از نهادههای ورودی در این منطقه آب است. بخش زیادی از اراضی این مناطق برای تأمین آب از پمپهای الکتریکی استفاده میکنند. میزان الکتریسیته مورد استفاده در مزرعه (کیلووات در ساعت) براساس کارکرد کنتور برق در طول رشد محصول ثبت شد و سپس با استفاده از ضریب تبدیل، مقدار انرژی ورودی الکتریسیته برحسب مگاژول در هکتار بهدست آمد. مقدار بذر مصرفی در هر هکتار مزرعه گندم و کلزا نیز ثبت و پس از ضرب در واحد تبدیل آن بصورت مگاژول در هکتار محاسبه گردید. عملکرد دانه و میزان کاه و کلش نیز در مزارع مختلف ثبت و سپس برای شهرستان میانگین گرفتهشد. این متغیرها به عنوان خروجیها مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای محاسبه میزان خالص کاه و کلش خروجی از مزارع با احتساب این که 25 درصد از کاهوکلش در مزرعه باقی میمانند، از روش رجبی و همکاران (2012) استفاده گردید. بدینترتیب که میزان انرژی موجود در کاه و کلش خالص از حاصلضرب کل خروجی کاهوکلش در عدد 75/0 بهدست آمد. برای بررسی میزان انتشار گازهای گلخانهای حاصل از کاربرد نهادههای شیمیایی شامل نیتروژن، فسفر، پتاسیم، علفکش، حشرهکش و قارچکش نیاز به اطلاعات مربوط به میزان مصرف این نهادهها برای محصولات مورد بررسی بود. انتشار گاز گلخانهای دیاکسیدکربن با استفاده از ضرایب انتشار به شرح جدول 2 که از طریق روابط استخراج شده از منابع گوناگون بهدست آمد، محاسبه گردید.
پتانسیل گرمایش جهانی، میزان انتشار دیاکسیدکربن، متان و اکسیدنیتروژن براساس جدول 3 محاسبه شد. تأثیر هر کدام از گازهای دیاکسیدکربن، متان و اکسیدنیتروژن بر گرمایش زمین متفاوت میباشد، بهطوریکه هر واحد متان و اکسیدنیتروژن به ترتیب حدود 21 و 310 برابر دیاکسیدکربن در گرمایش زمین نقش دارند. واحد این شاخص به صورت معادل دیاکسیدکربن بیان گردید. میزان پتانسیل گرمایش جهانی بر اساس رابطه 5 محاسبهشد.
GWP = CO2flux + (N2Oflux ×310) + (CH4flux ×21) رابطه (5)
جدول 2- معادل گازهای گلخانهای در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
منبع
|
ضریب انتشار گازهای گلخانهای |
واحد
|
ورودی
|
|
پیشگارکمله و همکاران، 2013 |
95/1 |
ساعت |
نیروی انسانی |
|
دیر و دسجاردینز، 2003 |
071/0 |
مگاژول |
ماشین آلات |
|
لال، 2004 |
3/1 |
کیلوگرم |
کود نیتروژن |
|
لال، 2004 |
2/0 |
کیلوگرم |
کود فسفر |
|
لال، 2004 |
2/0 |
کیلوگرم |
کود پتاسیم |
|
لال، 2004 |
3/6 |
کیل گرم |
علفکش |
|
لیو و همکاران، 2013 |
608/0 |
کیلووات ساعت |
الکتریسیته |
|
دیر و دسجاردینز، 2003 |
76/2 |
لیتر |
سوخت |
در این معادله، GWP پتانسیل گرمایش جهانی (کیلوگرم معادل دیاکسیدکربن در هکتار)، CO2flux انتشار دیاکسیدکربن حاصل از مصرف نهادههای شیمیایی، N2Oflux انتشار اکسید نیتروژن حاصل از مصرف نهادههای شیمیایی و CH4flux انتشار متان حاصل از مصرف نهادههای شیمیایی میباشند.
جدول 3- معادل پتانسیل گرمایش جهانی در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
منبع |
متان |
اکسیدنیتروژن |
دیاکسیدکربن |
ورودی |
|
کرامر و همکاران، 1999 |
20/5 |
70/0 |
3560 |
سوخت (لیتر) |
|
سنایدر و همکاران، 2009 |
80/3 |
03/0 |
3100 |
کود نیتروژن (کیلوگرم) |
|
سنایدر و همکاران، 2009 |
70/1 |
02/0 |
100 |
فسفات (کیلوگرم) |
|
سنایدر و همکاران، 2009 |
1 |
01/0 |
700 |
پتاسیم (کیلوگرم) |
|
تیلیواکیس و همکاران، 2005 |
02/0 |
82/8 |
2/61 |
الکتریسیته (کیلوواتساعت) |
|
تیلیواکیس و همکاران، 2005 |
21 |
310 |
1 |
ضریب پتانسیل گرمایش جهانی (معادل دی اکسیدکربن) |
در این مطالعه ارزیابی مصرف کربن و انتشار گازهای گلخانهای و شاخص پایداری طبق رابطه 6 پیشبینی شد (یوسفی و همکاران، 2014).
IS = (CO – CI) / CI رابطه (6)
در این معادله IS شاخص پایداری، CO میزان کل کربن خروجی شامل دانه، ساقه و ریشه و CI میزان کل کربن ورودی که نشاندهنده کل محتوای کربن ناشی از ورودیهای شیمیایی، سوخت و الکتریسیته میباشد. جهت محاسبه CI از حاصلضرب میزان دیاکسیدکربن ناشی از نهادههای ورودی در وزن مولکولی کربن نسبت به CO2 که حدود 27/0 استفاده شد. میزان کل کربن خروجی (CO) از حاصل جمع میزان کربن دانه، ساقه، ریشه و ترشحات ریشه طبق روابط 10-7 بهدست آمد (یوسفی و همکاران 2014).
CP = YP × 0.45 رابطه (7)
CS = [YP (1 – HI) / HI] × 0.45 رابطه (8)
CR = [YP / S:R × HI] × 0.45 رابطه (9)
CR = CR × 0.65 رابطه (10)
در معادلات 7 تا 10 CP میزان کربن خروجی دانه، CS میزان کربن خروجی ساقه، CR میزان کربن خروجی ریشه و CR میزان کربن خروجی ترشحات ریشه میباشد. ضریب 45/0، درصد کربن هر گرم ماده خشک بوده و شاخص برداشت از حاصل تقسیم عملکرد دانه به عملکرد بیولوژیک میباشد.
نتایج و بحث
کارایی مصرف انرژی
مقادیر انرژی ورودی نهادههای مختلف و سهم هر کدام از آنها در جدول 4 نشان داده شدهاست. میزان انرژی مربوط به هر نهاده از حاصل ضرب مقدار مصرف در معادل انرژی هر نهاده محاسبهشد. بر اساس نتایج بهدست آمده کارائی مصرف انرژی، بهرهوری انرژی، شدت انرژی و انرژی خالص برای گندم به ترتیب 32/1، 09/0 کیلوگرم بر مگاژول، 44/11 مگاژول بر کیلوگرم و 51223 مگاژول بر هکتار و کلزا 15/2، 06/0 کیلوگرم بر مگاژول، 24/16 مگاژول بر کیلوگرم و 38547 مگاژول بر هکتار بهدستآمد.
انرژی معادل الکتریسیته بیشترین سهم انرژی ورودی معادل 69/35 درصد در گندم و 23/41 درصد در کلزا از کل انرژی ورودی را به خود اختصاصداد. خسروی و ایمانی (2011) سهم انرژی الکتریسیته در یک مزرعه گندم را 36 درصد برآورد نمودند. انرژی ورودی الکتریسیته صرف تامین آب مزارع توسط پمپهای برقی میشود که براساس دبی، دفعات آبیاری و مدت زمان هر آبیاری محاسبه گردید. در مقایسه با سایر نهادهها کود نیتروژن با 26 درصد از کل در گندم و 32 درصد از کل در کلزا، در رده دوم بیشترین سهم انرژی ورودی قرار گرفت که از دلایل آن بالا بودن مصرف این کود در مزارع و معادل انرژی بیشتر آن است. ازکان و همکاران (2004) مصرف انرژی در تولید میوه های لیمو، پرتقال، نارنگی را مورد بررسی قرار دادند که بر طبق نتایج در تولید لیمو، بیشترین تمرکز انرژی مربوط به انرژی نهاده کود شیمیایی (68/49 درصد) به خصوص کود نیتروژن بود.
سوخت مصرفی به عنوان یکی از ورودیهای انرژی برای عملیات آمادهسازی زمین، عملیات زراعی و حمل و نقل استفاده میشود. نتایج این تحقیق نشانداد که در تولید گندم و کلزا انرژی معادل سوخت بهترتیب برابر 6765 (19/16 درصد) و 5060 مگاژول در هکتار (10/15 درصد) بود. متوسط مقدار انرژی سوخت مصرفی در مزارع گندم و کلزا مورد مطالعه بهترتیب به ازاء 5/141 و 8/105 لیتر سوخت مصرفی بود که بخش اعظم این سوخت صرف عملیات خاکورزی و برداشت محصول میگردد. یکی از روشهای کاهش مصرف سوخت و بهینه سازی آن استفاده از اداوات زراعی مناسب مانند دستگاه کمبینات است. این دستگاه تردد تراکتور را در مزرعه کاهش داده و منجر به کاهش استهلاک تراکتور و مصرف سوخت میشود (رجبی و همکاران، 2012). ارزیابی دادههای جمعآوری شده نشانداد در مزارع تولید گندم، حداقل به میزان 36/51 مگاژول (12/0 درصد) کود پتاسیم استفاده شده است که کمترین مقدار انرژی ورودی به مزارع در منطقه به همین متغیر تعلق داشت. از کل مزارع مورد مطالعه فقط پنج مزرعه با متوسط 92 کیلوگرم در هکتار از این نوع کود استفاده کردند که نشان از عدم رغبت کشاورزان به استفاده از آن میباشد که از دلایل آن میتوان به بالا بودن قیمت و عدم ترویج استفاده از این نوع کود و کودهای میکرو در منطقه است.
برای محاسبه انرژی خروجی از نظر بیولوژیک، کل زیست ماده (بیوماس) تولیدی در سطح زمین و در محاسبات اقتصادی، محصول دارای ارزش اقتصادی را در نظر گرفتهمیشود. میانگین انرژی خروجی در مزارع مورد مطالعه گندم و کلزا، پس از تعیین میزان عملکرد محصول و ضرایب تبدیل بهترتیب 93033 و 72065 مگاژول در هکتار محاسبه گردید (جدول 5).
جدول 4- مقادیر انرژی ورودی در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
% |
میانگین (MJ.ha-1) |
ورودی |
||
|
کلزا |
گندم |
کلزا |
گندم |
|
|
27/0 |
25/0 |
92 |
103 |
نیروی انسانی |
|
37/1 |
95/1 |
42/460 |
81/815 |
حمل و نقل |
|
67/0 |
01/13 |
36/222 |
58/5443 |
بذر |
|
05/32 |
03/26 |
30/10742 |
02/10884 |
کود نیتروژن |
|
74/4 |
41/3 |
12/1586 |
95/1425 |
کود فسفات |
|
32/0 |
12/0 |
106 |
36/51 |
کود پتاسیم |
|
59/0 |
78/0 |
84/198 |
49/322 |
علفکش |
|
23/41 |
69/35 |
14/13821 |
14922 |
الکتریسیته |
|
10/15 |
19/16 |
02/5060 |
80/6765 |
سوخت |
|
66/3 |
57/2 |
02/1228 |
15/1076 |
ساخت و استهلاک |
|
100 |
100 |
22/33517 |
16/41810 |
مجموع |
جدول 5- مقادیر انرژی خروجی در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
درصد |
میانگین (MJ.ha-1) |
خروجی |
||
|
کلزا |
گندم |
کلزا |
گندم |
|
|
6/28 |
5/40 |
20590 |
37665 |
کاه |
|
4/71 |
5/59 |
51475 |
55368 |
دانه |
|
100 |
100 |
72065 |
93033 |
مجموع |
میانگین انرژی مصرف شده در هر هکتار مزرعه گندم آبی مورد مطالعه 41810 مگاژول در هکتار بود. در جدول 6 مقادیر انرژی ورودی مستقیم و غیرمستقیم و سهم هر کدام ارائه شده است. میانگین انرژی ورودی مستقیم و غیر مستقیم بهترتیب 22607 (54 درصد) و 19204 (46 درصد) مگاژول در هکتار بهدست آمد. از منظر انرژی ورودی مستقیم سوخت و الکتریسیته به ترتیب با میانگین 6766 و 14922 مگاژول در هکتار (92/95 درصد) بیشترین سهم را داشتند. میانگین انرژی ورودی مزارع کلزا 33517 مگاژول بر هکتار بود که از این مقدار 19434 مگاژول در هکتار مستقیم و 14083 مگاژول در هکتار غیرمستقیم بهدست آمد.
میانگین بهرهوری در مزارع گندم و کلزا مورد بررسی 09/0 و 06/0 کیلوگرم بر مگاژول بهدست آمد که نشان از مصرف بالای انرژی در عملکرد برابر است. امیدمهر (2016) گزارش داد که در سه روش کاشت رایج، کمخاکورزی و مستقیم، روش کشت مستقیم گندم به دلیل مصرف کمتر انرژی نسبت به دو روش دیگر دارای بهرهوری بالاتری بود. بهرهوری انرژی نشاندهنده این است که در هر زمان برای هر نوع محصول مشخص در هر منطقه، به ازای هر واحد انرژی مصرفی، چه میزان تولید میشود و رابطه مستقیم با شاخص دارد (حبیبیزاده و غلامی 2017).
جدول 6- مقدار انرژی مستقیم و غیرمستقیم در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
درصد |
میانگین (MJ.ha-1) |
ورودی |
||
|
کلزا |
گندم |
کلزا |
گندم |
|
|
|
|
|
|
انرژی مستقیم |
|
03/26 |
92/29 |
02/5060 |
80/6765 |
سوخت |
|
48/0 |
48/0 |
92 |
103 |
نیروی انسانی |
|
37/2 |
60/3 |
42/460 |
81/815 |
حمل و نقل |
|
12/71 |
66 |
14/13821 |
14922 |
الکتریسیته |
|
100 |
100 |
19434 |
61/22606 |
مجموع |
|
|
|
|
|
انرژی غیرمستقیم |
|
58/1 |
34/28 |
36/222 |
58/5443 |
بذر |
|
28/76 |
68/56 |
30/10742 |
02/10884 |
کود نیتروژن |
|
26/11 |
42/7 |
12/1586 |
95/1425 |
کود فسفر |
|
75/0 |
27/0 |
106 |
36/51 |
کود پتاسیم |
|
41/1 |
69/1 |
84/198 |
49/322 |
علف کش |
|
72/8 |
60/5 |
02/1228 |
15/1076 |
ساخت و استهلاک مجموع |
|
100 |
100 |
22/14083 |
55/19203 |
|
|
100 |
100 |
22/33517 |
16/41810 |
مجموع کل |
شدت انرژی بیان کننده انرژی صرف شده برای تولید هر واحد از محصول است. میانگین شدت انرژی بهدست آمده در زراعت گندم و کلزا بهترتیب 5/11 و 24/16 مگاژول بر کیلوگرم بود. در مطالعه بورین و همکاران (1997) شدت انرژی مصرفی با افزایش عملیات خاکورزی رابطه مستقیم داشت که میتوان با استفاده از روشهای کمخاکورزی شدت مصرف انرژی را کاهش داد. بازده انرژی برای تولید گندم عدد 2/2 را نشان داد که بیانکننده این است که به ازاء هر یک مگاژول انرژی ورودی 2/2 مگاژول انرژی معادل محصول تولید شده است. در کلزا رقمی معادل 15/2 بهدست آمد. از دلایل بالابودن بازده انرژی استفاده از تناوب زراعی است. کشت مداوم یک محصول در یک زمین علاوه بر کاهش عملکرد محصول باعث هجوم علفهای هرز، آفات و بیماریها میشود که این عوامل باعث استفاده بیشتر از نهادههای مصرفی میگردد که علاوه بر کاهش کارایی انرژی باعث افزایش آلودگیهای زیست محیطی میشود. مورنو و همکاران (2011) در ارزیابی 15 ساله جریان انرژی در تناوبهای زراعی بر مبنای جو در نظامهای مختلف کشت در منطقه نیمه خشک کاستیلا لامانچا در اسپانیا نشاندادند که تناوب جو- ماشک تحت نظام کشت ارگانیک، دارای بیشترین نسبت انرژی خروجی به ورودی و کارائی مصرف انرژی بیشتر نسبت به بقیه نظامهای کشت بود.
سهم انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر در کشتزارهای گندم به ترتیب 3/13 و 7/86 درصد و در مزارع مورد مطالعه کلزا این ارقام بهترتیب 1 و 99 درصد محاسبه شد (جدول 7). از دلایل پایین بودن درصد انرژی تجدیدپذیر در کلزا مصرف کمتر بذر در در این محصول است. نتایج حاصل نشاندهنده وابستگی شدید این نظامهای کشت به منابع تجدید ناپذیر انرژی است که خود بیانگر ناپایداری این سامانههای تولیدی میباشد. استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به جای منابع تجدیدناپذیر یکی از عوامل مهم در بالا بردن پایداری نظامهای تولید میباشد. وابستگی شدید به منابع تجدید ناپذیر انرژی موجب افزایش آلودگیهای زیست محیطی میگردد. یکی از مهمترین اقدامات در جهت کاهش مصرف منابع تجدیدناپذیر انرژی در تولید محصولات زراعی، کاهش مصرف کود شیمیایی نیتروژن از طریق روشهای اکولوژیک، مدیریت آبیاری، قرار دادن بقولات در تناوب زراعی، استفاده از کود سبز واستفاده از کود دامی میباشد. استفاده از سامانههای آبیاری مدرن، تعویض پمپ های آبیاری کمبازده و همچنین استفاده از ماشینآلات مدرن و کارآمد از نظر مصرف سوخت و نیز بهرهگیری از روشهای خاکورزی حفاظتی همچون کم خاکورزی از دیگر راهکارهای پیش رو جهت کاهش مصرف منابع تجدید ناپذیر انرژی در تولید محصولات زراعی میباشد.
جدول 7- میزان انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
% |
میانگین (MJ.ha-1) |
ورودی |
||
|
کلزا |
گندم |
کلزا |
گندم |
|
|
|
|
|
|
تجدیدپذیر |
|
73/70 |
14/98 |
36/222 |
58/5443 |
بذر |
|
27/29 |
86/1 |
92 |
103 |
نیروی انسانی |
|
100 |
100 |
36/314 |
58/5546 |
مجموع |
|
|
|
|
|
تجدیدناپذیر |
|
63/41 |
14/41 |
14/13821 |
14922 |
الکتریسیته |
|
35/32 |
02/30 |
30/10742 |
02/10884 |
کود نیتروژن |
|
78/4 |
93/3 |
12/1586 |
95/1425 |
کود فسفر |
|
39/1 |
24/2 |
42/460 |
81/815 |
حمل و نقل |
|
24/15 |
65/18 |
02/5060 |
80/6765 |
سوخت |
|
32/0 |
16/0 |
106 |
36/51 |
کود پتاسیم |
|
59/0 |
90/0 |
84/198 |
49/322 |
علف کش |
|
70/3 |
96/2 |
02/1228 |
15/1076 |
ساخت و استهلاک |
|
100 |
100 |
86/33202 |
58/36263 |
مجموع |
|
100 |
100 |
22/33517 |
41810 |
مجموع کل |
انتشار گازهای گلخانهای
سهم نهادههای ورودی در انتشار گازهای گلخانهای در جدول 8 آورده شده است. بر اساس نتایج بهدست آمده میزان کل انتشار گازهای گلخانهای در یک هکتار زراعت گندم و کلزا برابر با 5/1438 و 8/1465 کیلوگرم معادل دیاکسیدکربن بوده که الکتریسیته، کود نیتروژن و سوخت بیشترین سهم از کل انتشار گلخانهای را به خود اختصاص دادند.
نتایج نشانداد که میزان انتشار گازهای گلخانهای حاصل از الکتریسیته بالاتر از دیگر نهادهها بود که از دلایل آن استفاده از الکتروپمپها در آبیاری مزارع است. در این راستا میتوان با احداث شبکههای آبیاری، پوشش انهار و استفاده از لوله، نسبت به کاهش تلفات در سیستم انتقال آب و افزایش بازده آبیاری در سطح مزرعه با استفاده از روشهای نوین آبیاری، مصرف الکتریسیته و به تبع آن انتشار گازهای گلخانهای را کاهش داد. طبق یافتههای جدول 8، رتبه دوم با بالاترین میزان انتشار دیاکسیدکربن ناشی از کاربرد کود نیتروژن میباشد که از دلایل آن بالا بودن ضریب انتشار کود نیتروژن نسبت به بقیه کودهاست (لال 2004). بیشتر ضریب انتشار گازهای گلخانهای حاصل از نهاده کود نیتروژن مربوط به فرایند تثبیت و تولید نیتروژن میباشد (تیپی و همکاران 2009). کارل و همکاران (2010) در بررسی میزان انتشار گازهای گلخانهای ناشی از مصرف کود نیتروژن در کشور چین نشاندادند که با افزایش مصرف کود شیمیایی نیتروژن میزان انتشار گازهای گلخانهای به شدت افزایش یافت و اعلام نمودند که کاهش مصرف کودهای شیمیایی یکی از مهمترین راهبردهای کاهش اثرات منفی تغییر اقلیم میباشد. رجبی و همکاران (2012) یکی از مهمترین نهادههای دخیل در انتشار گازهای گلخانهای در کشاورزی را کود نیتروژن اعلام کردند. اسنایدر و همکاران (2009) تأکید نمودند که کاربرد کود شیمیایی نیتروژن به عنوان یک منبع اصلی تولید گازهای گلخانهای بوده و در بین کودهای مختلف نیتروژن، کود اوره بیشترین میزان انتشار گازهای گلخانهای را باعث شد که از دلایل آن بالا بودن میزان انتشار گازهای گلخانهای در فرآیند تولید کود اوره در کارخانه است. همچنین کودهای شیمیایی، منجر به فعالیت و در نتیجه تنفس بیشتر ریشه و ریز موجودات خاک شده و افزایش انتشار گاز دیاکسیدکربن را باعث میگردند (گویلو و همکاران 2011).
جدول 8- انتشار دیاکسیدکربن (کیلوگرم) ورودی در سیستم های تولید گندم و کلزا
|
درصد |
معادل (kg CO2) |
ضریب
|
میزان
|
ورودی |
|||
|
کلزا |
گندم |
کلزا |
گندم |
|
کلزا |
گندم |
|
|
70/6 |
7 |
18/98 |
4/101 |
95/1 |
35/50 |
52 |
نیروی انسانی (ساعت) |
|
23/2 |
5 |
66/32 |
5/71 |
071/0 |
460 |
1008 |
ماشینآلات (مگاژول) |
|
22/20 |
9/20 |
4/296 |
3/300 |
3/1 |
228 |
231 |
کود نیتروژن (کیلوگرم) |
|
36/1 |
3/1 |
07/20 |
18 |
2/0 |
35/100 |
90 |
کود فسفر(کیلوگرم) |
|
36/1 |
3/1 |
20 |
4/18 |
2/0 |
100 |
92 |
کود پتاسیم(کیلوگرم) |
|
36/0 |
6/0 |
22/5 |
2/8 |
3/6 |
83/0 |
3/1 |
علفکش(لیتر) |
|
63/47 |
6/55 |
698 |
7/800 |
608/0 |
1148 |
1317 |
الکتریسیته(کیلووات ساعت) |
|
14/20 |
3/8 |
32/295 |
120 |
76/2 |
107 |
5/43 |
سوخت (لیتر) |
|
100 |
100 |
85/1465 |
5/1438 |
|
|
مجموع |
|
نهاده سوخت در رده بعدی بالاترین عامل انتشار گازهای گلخانهای قرار گرفت. انتشار گازهای گلخانهای از طریق مصرف سوخت های فسیلی در طی اجرای عملیات زراعی (کاشت تا برداشت) به دست می آیند (وود و کووی 2004). رجبی و همکاران (2012) بیشترین سهم در مصرف سوخت در بین عملیات زراعی مختلف در تولید گندم را عملیات خاک ورزی اعلام کردند. در نتیجه میتوان با استفاده از روشهای مناسب خاکورزی از جمله کمخاکورزی و استفاده از گاوآهن قلمی به جای گاوآهن برگرداندار انتشار گازهای گلخانهای حاصل از این نهاده را کاهش داد (رحیمزاده و همکاران 2007).
پتانسیل گرمایش جهانی
نتایج نشان داد که پتانسیل گرمایش جهانی در نتیجه مصرف نهادههای مختلف درمزارع مورد مطالعه گندم (2674 هکتار) سالانه 12644 تن معادل دیاکسیدکربن است (جدول 9). همچنین گرمایش جهانی حاصل از کشت گندم در مزارع شهرستان خرمشهر (12668 هکتار) 59902 تن معادل دیاکسیدکربن بود. نتایج نشان داد که حدود 72 درصد از پتانسیل گرمایش جهانی ناشی از مصرف نهادههای شیمیایی در زراعت کلزا، مربوط به نهاده الکتریسیته بود (جدول 10). کود نیتروژن و سوخت نیز به ترتیب حدود 3/16 و 3/9 درصد این شاخص را شامل شدند. نهاده های شیمیایی پتاسیم و فسفر نیز در مجموع 4/2 درصد از پتانسیل گرمایش جهانی مربوط به زراعت کلزا در شهرستان خرمشهر را به خود اختصاص دادند.
نتایج مقایسه بین انرژی های ورودی و پتانسیل گرمایش جهانی ناشی از آن ها نشان داد که بین انرژی های ورودی و پتانسل گرمایش جهانی ناشی از آن ارتباط مستقیمی وجود دارد. به دلیل حفظ منابع طبیعی، توسعه نظامهای کشاورزی با حداقل انرژی ورودی می تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در کشاورزی کمک شایانی نماید.
جدول 9- پتانسیل گرم شدن کره زمین (GWP) (معادل کیلوگرم دیاکسیدکربن) برای سیستم های تولید گندم
|
درصد
|
پتانسیل گرمایش جهانی |
متان |
اکسید نیتروژن |
دی اکسیدکربن |
ورودی
|
|
6/3 |
99/168 |
23/0 |
03/0 |
86/154 |
سوخت (لیتر) |
|
6/15 |
75/736 |
88/0 |
007/0 |
10/716 |
کود نیتروژن (کیلوگرم) |
|
2/0 |
53/11 |
09/0 |
002/0 |
02/9 |
کود فسفر (کیلوگرم) |
|
8/2 |
131 |
09/0 |
001/0 |
80/128 |
کود پتاسیم (کیلوگرم) |
|
8/77 |
32/3680 |
03/0 |
61/11 |
59/80 |
الکتریسیته (کیلووات ساعت) |
|
100 |
59/4728 |
32/1 |
65/11 |
37/1089 |
مجموع |
|
100 |
59/4728 |
72/27 |
5/3611 |
37/1089 |
پتانسیل گرمایش جهانی (معادل دی اکسید کربن) |
جدول 10- پتانسیل گرم شدن کره زمین (GWP) (معادل کیلوگرم دیاکسیدکربن) برای سیستم های تولید کلزا
|
درصد پتانسیل گرمایش جهانی |
پتانسیل گرمایش جهانی |
متان |
اکسید نیتروژن |
دی اکسیدکربن |
ورودی
|
|
|
3/9 |
38/414 |
56/0 |
07/0 |
92/380 |
سوخت (لیتر) |
|
|
3/16 |
93/726 |
87/0 |
006/0 |
80/706 |
کود نیتروژن (کیلوگرم) |
|
|
3/0 |
22/14 |
17/0 |
002/0 |
03/10 |
کود فسفر (کیلوگرم) |
|
|
1/2 |
3/93 |
13/0 |
002/0 |
95/89 |
کود پتاسیم (کیلوگرم) |
|
|
72 |
9/3207 |
02/0 |
12/10 |
28/70 |
الکتریسیته (کیلووات ساعت) |
|
|
100 |
73/4456 |
75/1 |
20/10 |
98/1257 |
مجموع |
|
|
100 |
73/4456 |
75/36 |
3162 |
98/1257 |
پتانسیل گرمایش جهانی (معادل دی اکسید کربن) |
|
جدول 11- پتانسیل گرمایش جهانی در هر هکتار، مزارع مورد مطالعه و کل اراضی خرمشهر
|
پتانسیل گرمایش جهانی |
هکتار (kg CO2.ha-1) |
مزارع مورد مطالعه (ton CO2) |
کل سطح زیرکشت (ton CO2) |
|
گندم |
59/4728 |
12644 |
59902 |
|
کلزا |
73/4456 |
4310 |
6819 |
شاخص پایداری
در این مطالعه اجزای عملکرد به صورت دانه، اندام هوایی و ریشه در دو گیاه گندم و کلزا محاسبه شد. همچنین محتوای کربن در دانه، ساقه و ریشه در جدول 12 نشان داده شده است. محتوای کربن دانه، ساقه و ریشه در هر هکتار زراعت گندم بهترتیب 1679، 1819 و 957 و در زراعت کلزا بهترتیب 1282، 432 و 2643 کیلوگرم محاسبه شد. کل تولید کربن در سیستمهای زراعی گندم و کلزا بهترتیب 64/5745 و 59/3858 کیلوگرم در هکتار بود. بیشترین سهم تولید کربن مربوط به عملکرد دانه و اندام هوایی بود (85%). از طرف دیگر کل کربن ورودی در در دو زراعت گندم و کلزا بهترتیب 61/1289 و 47/1215مربوط به کاربرد ورودیهای شیمیایی و الکتریسیته بهدست آمد. میانگین ترسیب کربن در دو سیستم فوق 42/3166 و 65/1427 کیلوگرم کربن در هکتار محاسبه شد. شاخص پایداری در کشت گندم 45/2 و در کشت کلزا 17/1 بهدست آمد که نشاندهنده پایداری بیشتر بومسامانههای گندم نسبت به کلزا در منطقه خرمشهر است. با توجه به برابری تقریبی کربن ورودی در دو گیاه از دلایل پایداری بیشتر کشت گندم نسبت به کلزا میتوان به بالاتر بودن میزان کربن خروجی آن به دلیل عملکرد بالاتر آن نسبت به کلزا اشاره کرد.
جدول 12- محتوای کربن و شاخص پایداری سیستم های تولید گندم و کلزا
|
میزان |
واحد |
شاخص |
|
|
کلزا |
گندم |
|
|
|
68/2063 |
12/3732 |
کیلوگرم در هکتار |
متوسط عملکرد دانه |
|
42/2851 |
33/4105 |
کیلوگرم در هکتار |
متوسط عملکرد ساقه |
|
22/834 |
90/1332 |
کیلوگرم در هکتار |
متوسط عملکرد ریشه |
|
65/928 |
45/1679 |
کیلوگرم در هکتار |
محتوای کربن دانه |
|
43/1282 |
40/1819 |
کیلوگرم در هکتار |
محتوای کربن ساقه |
|
04/432 |
18/957 |
کیلوگرم در هکتار |
محتوای کربن ریشه |
|
12/2643 |
03/4456 |
کیلوگرم در هکتار |
مجموع کربن خروجی |
|
47/1215 |
61/1289 |
کیلوگرم در هکتار |
مجموع کربن ورودی |
|
17/1 |
45/2 |
|
شاخص پایداری |
نتیجهگیری
نتایج این پژوهش نشان دهنده کارایی مصرف انرژی بهتر تولید دانه کلزا نسبت به گندم به دلیل بالاتر بودن معادل انرژی دانه کلزا بود. با توجه به اینکه انرژی خروجی مربوط به کاه بالای 40 درصد می باشد، میتوان بااستفاده مناسب از بقایای این محصولات، بهره وری تولید را افزایش داد. بیشترین انرژی ورودی به ترتیب مربوط به الکتریسیته، کود نیتروژن و سوخت بود. انتشار گازهای گلخانهای براساس مقادیر متغیرهای مختلف در هر هکتار به دلیل یکسان بودن میزان و نوع نهادههای استفاده شده در بومسامانههای گندم و کلزا در منطقه تقریبا مشابه بود. باتوجه به کشت 14198 هکتار گندم و کلزا در سال زراعی مورد مطالعه پتانسیل گرمایش جهانی 66721 تن معادل دیاکسیدکربن محاسبه شد که با بهینهسازی ورودیهای مزرعه میتوان باعث کاهش انتشار گازهای گلخانهای گردید. شاخص پایداری بهدست آمده براساس میزان کربن ورودی و خروجی در دو بومسامانه گندم و کلزا نشاندهنده پایداری بیشتر زراعت گندم نسبت به کلزا میباشد.
سپاسگزاری
بدین وسیله از معاونت پژوهشی و فناوری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان که هزینههای این آزمایش را تأمین کرده‌اند (طرح پژوهشی شماره 21/981)، تشکر و قدردانی میگردد.
[1] - Energy Ratio
[2] - Energy intensity
[3] - Energy productivity
[4] - Net Energy Gain
)
