بررسی جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در نظام‌های تولید برخی محصولات زراعی استان خراسان جنوبی

مقاله پژوهشی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و چهارم، شماره ده، دی ماه 1401 (1-17)

بررسی جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در نظام‌های تولید برخی محصولات زراعی استان خراسان جنوبی

حامد جوادی[1] ^*

h_javadi@pnu.ac.ir

سید محمد جعفر اصفهانی[2]    

چکیده

زمینه و هدف: در سال‌های اخیر مصرف بی‌رویه نهاده‌های کشاورزی موجب افزایش انرژی مصرفی و انتشار گازهای گلخانه‌ای شده است. لذا هدف این مطالعه بررسی جریان و انتشار گازهای گلخانه‌ای در نظام‌های تولید برخی محصولات زراعی خراسان جنوبی است.

روش بررسی: در این پژوهش، جهت جمع‌آوری اطلاعات مورد نیاز شامل عملیات زراعی، نوع و میزان نهاده‌های مصرفی و عملکرد محصول از داده‌های سازمان جهاد کشاورزی خراسان جنوبی، پرسشنامه و مصاحبه حضوری با کشاورزان منطقه در سال 1398 استفاده شد. همچنین شاخص‌های انرژی ورودی، انرژی خروجی، انرژی خالص، انرژی مخصوص، کارایی مصرف انرژی، بهره‌وری انرژی، اشکال مختلف انرژی و پتانسیل گرمایش جهانی محاسبه و ارزیابی شد.

یافته‌ها: نتایج نشان داد در بین محصولات زراعی مورد مطالعه، بیشترین انرژی در فرآیند تولید یونجه (213101 مگا ژول در هکتار) استفاده شده است. همچنین بیشترین انرژی خروجی به‌ترتیب متعلق به محصولات چغندرقند (571200 مگا‌ژول در هکتار)، سورگوم علوفه‌ای (391920 مگا‌ژول در هکتار) و یونجه (120870 مگا‌ژول در هکتار) بود. بیشترین کارایی مصرف انرژی مربوط به محصولات چغندر‌قند (77/3) و سورگوم علوفه‌ای (72/2) بود. بوم نظام‌های یونجه (41566 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار)، چغندرقند (29179 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار) و سورگوم علوفه‌ای (27396 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار) به ترتیب بیشترین مقدار پتانسیل گرمایش جهانی را داشتند. مقایسه سهم ورودی‌های مختلف از کل پتانسیل گرمایش جهانی محصولات نشان داد که در تمام محصولات مورد مطالعه، نیروی الکتریسیته، کود نیتروژن و گازوئیل بیشترین نقش را در انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا می‌کنند.

بحث و نتیجه‌گیری: با توجه به این‌که نیروی الکتریسیته و کود نیتروژن بیشترین سهم در انتشار گازهای گلخانه‌ای محصولات زراعی خراسان جنوبی را داشتند، لذا مدیریت و بهینه‌سازی آبیاری و استفاده از عملیات زراعی مناسب از جمله کشت کود سبز یا قرار دادن لگوم برای افزایش حاصلخیزی خاک به‌عنوان جایگزین کودهای شیمیایی به‌ویژه نیتروژن می‌تواند به‌عنوان راهکاری جهت کاهش انتشار گازهای‌ گلخانه‌ای در منطقه خراسان جنوبی باشد.  

 واژه‌های کلیدی: انرژی مستقیم، انرژی غیر‌مستقیم، پایداری نظام‌های زراعی، پتانسیل گرمایش جهانی.

Energy Flow and Greenhouse Gases Emission of Crop Production Systems in South Khorasan Province

Hamed Javadi  [3] ^*

h_javadi@pnu.ac.ir

Seyyed Mohammad Jafar Esfahani[4]

Abstract

Background and Objective: In recent years, excessive use of agricultural inputs has increased energy consumption and greenhouse emissions. This study aims to investigate the energy flow and greenhouse gases emissions in the production systems of some crops in South Khorasan province.

Material and Methodology: In the current research, a questionnaire, as well as face-to-face interviews with the farmers in this region (2018), were used to collect the required information, including agricultural operations, the type and amount of consumed inputs and product performance. In the present research, input energy, output energy, net energy, specific energy, optimal energy consumption, energy efficiency indices, different forms of energy, and Global warming potential were calculated and evaluated.

Findings: The results showed that the process of alfalfa production had the highest energy consumption. On the other hand, Sugar beet (571,200 MJ.ha^-1), fodder sorghum (391,920 MJ.ha^-1) and alfalfa (120,870 MJ.ha^-1) have the highest energy output, respectively. A comparison of the studied products showed that rapeseed (27.6 MJ.kg^-1) and cotton (15.3 MJ.kg^-1) have the maximum specific energy index. The ecosystems of alfalfa (41566 kg CO²eq.ha^-1), sugar beet (29179 kg CO²eq.ha^-1), fodder sorghum (27396 kg CO²eq.ha^-1) had the maximum of global warming potential (GWP), respectively. Comparing the share of different inputs from the total global warming potential of the products showed that electricity, nitrogen fertilizer, and diesel play the greatest role in greenhouse gas emissions in all the studied products.

Discussion and Conclusions: Since electricity and nitrogen fertilizer had the greatest role in the greenhouse gases emission from crops in South Khorasan province, management and optimization of irrigation performance and appropriate agricultural activities such as green manure crops or legumes cultivation to increase soil fertility, can be a solution to reduce greenhouse gas emissions in the South Khorasan region.

Keywords: Direct energy, indirect energy, sustainability of farming systems, global warming potential.

مقدمه

به دلیل رشد روزافزون جمعیت و افزایش تقاضا برای غذا و تولیدات کشاورزی، مصرف انرژی در این بخش به‌شدت افزایش یافته است. کمیابی منابع انرژی، افزایش قیمت جهانی و حامل‌های انرژی، نگرانی‌های جهانی و توجه به مقوله توسعه پایدار موجب شده محققان به دنبال راهکارهایی برای مصرف بهینه انرژی در بخش کشاورزی باشند (1).

هر چند مصرف انرژی در بوم نظام‌های زراعی منجر به افزایش بهره‌وری تولید و رشد اقتصادی شده اما در نظام‌های کشاورزی فشرده که به‌شدت به کودهای شیمیایی، سموم و نهاده‌هایی از قبیل سوخت‌های فسیلی، الکتریسیته و ماشین‌آلات وابسته هستند تولید گازهای گلخانه‌ای افزایش یافته است (2). نتایج برخی تحقیق‌ها حاکی از آن است که در مقیاس جهانی، حدود پنج درصد از کل انرژی در بخش کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرد و حدود 11 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز متعلق به این بخش می‌باشد (3). یکی از راهکارهای مناسب جهت افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش اثر ردپای محیط‌زیستی انرژی‌های ورودی، ارزیابی جریان انرژی در نظام‌های تولید محصولات کشاورزی است (4).  

در تحقیقی که به‌منظور مطالعه جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در نظام‌های تولید محصولات زراعی دشت شریف‌آباد استان قم انجام شد، بیشترین کارایی مصرف انرژی مربوط به محصولات جو، ذرت علوفه‌ای و گندم و کمترین آن مربوط به پنبه بود. بیشترین مقدار پتانسیل گرمایش جهانی از کشت یونجه و کمترین آن از محصولات جو، کلزا و گندم حاصل شد (5). در تحقیقی دیگر، برای تولید سورگوم علوفه‌ای در منطقه سیستان به انرژی ورودی 37695 مگا‌ژول در هکتار نیاز بود که در بین نهاده‌های ورودی به‌ترتیب الکتریسیته، کودهای شیمیایی و گازوئیل بیشترین سهم را داشتند. همچنین کارایی مصرف انرژی در مزارع سورگوم علوفه‌ای 3/7 برآورد شد. در این تحقیق، الکتریسیته با 27/2981 کیلوگرم در هکتار گاز گلخانه‌ای معادل دی‌اکسید کربن، بیشترین میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای را از مجموع 7/3746 کیلوگرم در هکتار گاز گلخانه‌ای معادل دی‌اکسید کربن به خود اختصاص داد و پس از آن کود دامی و گازوئیل بیشترین میزان آلودگی را ایجاد کردند (6). در تحقیقی مشخص شد که در کشت آبی عدس 45/930 کیلوگرم معادل دی‌اکسید کربن در هکتار به اتمسفر آزاد می‌شود که بیشترین میزان به الکتریسیته و سوخت دیزل اختصاص داشت (7). ارزیابی شاخص‌های انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در تولید گندم استان گلستان نشان داد که برای کشت یک هکتار گندم به 16231 مگا‌ژول انرژی نیاز بوده که از هر هکتار گندم 1414 کیلوگرم معادل دی‌اکسید کربن در هکتار به اتمسفر آزاد می‌شود. در این پژوهش مصرف کودهای نیتروژنی و سوخت‌های فسیلی 70 درصد از مصرف انرژی کل و 78 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای کل را به خود اختصاص دادند (8). در تحقیقی دیگر، برای تولید گندم در استان اردبیل به انرژی ورودی 34/38755 مگا‌ژول در هکتار نیاز بود که در بین نهاده‌های ورودی کود نیتروژن با 38/37 درصد و سوخت دیزل با 19 درصد بیشترین سهم را داشتند. سهم انرژی مصرفی مستقیم و غیر‌مستقیم به ترتیب 88/39 و 12/60 و انرژی‌های تجدید پذیر و غیر تجدید پذیر به ترتیب 31 و 99/68 درصد از کل انرژی ورودی بود. بر اساس نتایج این پژوهش و به‌منظور کاهش اثرات زیست‌محیطی نظام تولید گندم در استان اردبیل پیشنهاد شد که از روش‌های مدیریت زراعی همچون کاربرد نهاده‌های آلی، تناوب زراعی، کم‌خاکورزی و بی‌خاکورزی استفاده شود (9).

نتایج تحقیقات انجام شده حاکی از آن است که الگوی مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در بوم نظام‌های کشاورزی تحت تأثیر نوع نظام زراعی، الگوی کشت، سطح فناوری، جمعیت شاغل در کشاورزی، دانش کشاورزان، نوع و مقدار مصرف کودهای شیمیایی و میزان عملکرد محصول قرار می‌گیرد (10). همچنین بررسی این مطالعات نشان می‌دهد که شاخص‌های انرژی و میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای در فرآیند تولید محصولات کشاورزی در مناطق مختلف بسیار متفاوت است. با توجه به این‌که در اغلب مطالعات انجام شده در خصوص سیر انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای تنها یک محصول مورد بررسی گرفته و بررسی‌های انجام شده بیانگر خلأ تحقیقاتی در استان خراسان جنوبی است، لذا این مطالعه با هدف ارزیابی جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در نظام‌های تولید برخی محصولات زراعی استان خراسان جنوبی اجرا شد.

مواد و روش‌ها

این تحقیق در سال 1398 و در استان خراسان جنوبی انجام شد. محل آزمایش از نظر اقلیمی و بر اساس سیستم طبقه‌بندی آمبرژه جزء مناطق خشک محسوب می‌شود. سطح زیر کشت محصولات زراعی این استان 3/73343 هکتار است که محصولات گندم، جو و پنبه به‌ترتیب با سطح زیر کشت 19605، 18170 و 7170 هکتار بیشترین سطح زیر کشت را به خود اختصاص داده‌اند (11). در این پژوهش، جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در برخی محصولات زراعی استان خراسان جنوبی شامل گندم (Triticum aestivum L.)، جو (Hordeum vulgare L.)، ذرت علوفه‌ای (Zea mays L.)، سورگوم علوفه‌ای (Sorghum bicolor L.)، یونجه (Medicago sativa L.)، چغندرقند (Beta vulgaris L.)، کلزا (Brassica napus L.)، پنبه (Gossypium hirsutum L.)، نخود (Cicer arietinum L.)، عدس (Lens culinaris L.)، پیاز (Allium cepa L.) مورد ارزیابی قرار گرفت. اطلاعات مورد نیاز تحقیق شامل عملیات زراعی (نوع و دفعات عملیات در آماده‌سازی زمین، آبیاری، مبارزه با آفات و برداشت)، نوع و میزان نهاده‌های مصرفی (شامل کودهای شیمیایی و آلی، سموم شیمیایی، بذر و سوخت مصرفی) و میزان عملکرد محصولات زراعی با استفاده از داده‌های مربوط به سازمان جهاد کشاورزی خراسان جنوبی، پرسشنامه و مصاحبه حضوری با 162 کشاورز منطقه مورد مطالعه به دست آمد. داده‌های مربوط به عملکرد و مصرف نهاده‌ها در محصولات چندساله (مانند یونجه) به‌صورت میانگین سالانه بیان شد. تعداد پرسشنامه‌ها به روش نمونه‌گیری تصادفی ساده بر اساس رابطه 1 که توسط کوکران پیشنهاد شده محاسبه گردید (5).

 (1)                                        

در رابطه فوق، N: اندازه جامعه آماری یا تعداد کشاورزان، t: ضریب اطمینان قابل قبول که با فرض نرمال بودن توزیع صفت مورد نظر از جدول t استیودنت به دست می‌آید،  s²: برآورد واریانس متغیر مورد مطالعه در جامعه، d: دقت احتمالی مطلوب (نصف فاصله اطمینان) و n: حجم نمونه می‌باشد. 

برای محاسبه شاخص‌های انرژی در محصولات مورد مطالعه، انرژی نهاده‌های مصرفی شامل نیروی انسانی، کود، ماشین‌آلات، بذر، آفت‌کش‌ها، آب و غیره که طی عملیات زراعی مورد استفاده قرار می‌گیرند و همچنین عملکرد محصول مطابق معادل‌های انرژی آن‌ها که در جدول 1 آمده محاسبه شد. به‌منظور امکان مقایسه شاخص‌های مورد بررسی، تمامی ورودی‌ها و خروجی‌های سیستم تولید محصولات چند‌ساله به‌صورت میانگین سالانه بیان شد. شاخص‌های انرژی بر اساس روابط 2، 3، 4 و 5 محاسبه شدند (12):

در این روابط، Ee = کارایی مصرف انرژی، EO= انرژی خروجی (مگا ژول در هکتار)، EI= انرژی ورودی (مگا ژول در هکتار)، Y= عملکرد محصول (کیلوگرم در هکتار)، Ne= انرژی خالص و Se= انرژی ویژه می‌باشد. 

انرژی‌های ورودی در نظام‌های زراعی را می‌توان به دو صورت مستقیم و غیر‌مستقیم یا تجدید ‌پذیر و تجدید ‌ناپذیر تقسیم‌بندی کرد. بر این اساس، انرژی مستقیم شامل نیروی انسانی، سوخت دیزلی، آب آبیاری و الکتریسیته و انرژی غیر‌مستقیم شامل بذر، کودهای شیمیایی، کود حیوانی، آفت‌کش‌ها و ماشین‌آلات می‌باشد (13). همچنین نیروی انسانی، بذر، آب آبیاری و کود دامی به‌عنوان انرژی تجدید پذیر و الکتریسیته، کودهای شیمیایی، سوخت دیزلی، آفت‌کش‌ها و ماشین‌آلات جزو انرژی تجدید ناپذیر در نظر گرفته می‌شود (13).

جدول 1- معادل انرژی ورودی و خروجی در نظام‌های تولید محصولات مورد مطالعه

Table 1.Energy equivalents of input and output in studied crop production systems

میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای بر اساس نهاده‌های شیمیایی مطابق ضرایب انتشار CO₂، N₂O و CH₄ در هر یک از نهاده‌ها که در جدول 2 نشان داده شده محاسبه شدند. سپس پتانسیل گرمایش جهانی در یک هکتار بر اساس میزان انتشار هر یک از گازهای گلخانه‌ای و ضریب اثر آن‌ها برای یک دوره 100 ساله که برای CO₂، N₂O و CH₄ به ترتیب برابر 1، 310 و 21 بود محاسبه شد (14). درنهایت، پتانسیل گرمایش جهانی گازهای گلخانه‌ای انتشار یافته برای یک هکتار محصولات مورد مطالعه بر اساس معادل CO₂ بیان شد. برای محاسبه شاخص‌های انرژی و رسم نمودار‌ها از نرم‌افزار  اکسل استفاده شد.

نتایج و بحث

شاخص‌های انرژی

مقایسه محصولات زراعی مختلف از لحاظ اجزای انرژی ورودی نشان داد که محصولات پیاز (744 ساعت در هکتار معادل 1458 مگا‌ژول در هکتار) ، چغندرقند (518 ساعت در هکتار معادل 1015 مگا‌ژول در هکتار) و نخود (369 ساعت در هکتار معادل 723 مگا‌ژول در هکتار) نسبت به بقیه محصولات به نیروی انسانی بیشتری نیاز دارند و کمترین نیروی انسانی مربوط به تولید جو (92 ساعت در هکتار معادل 180 مگا‌ژول در هکتار) و گندم (92 ساعت در هکتار معادل 180 مگا‌ژول در هکتار) بود (جدول 3). استفاده از کارگر و دستی بودن عملیات کاشت، داشت و برداشت در محصولاتی مانند پیاز و نخود و همچنین برداشت نیمه مکانیزه در خصوص چغندرقند سبب افزایش سهم نیروی انسانی در انرژی ورودی این محصولات شده است، اما در محصولاتی مانند گندم و جو که بخش زیادی از عملیات زراعی توسط ماشین‌آلات انجام می‌شود نیاز به استفاده از نیروی انسانی کمتر می‌باشد.

جدول 2- انتشار گازهای گلخانه‌ای به ازای مصرف هر واحد نهاده ورودی

Table 2. Gaseous emissions (g) per unit of input

نتایج نشان داد که بیشترین و کمترین تعداد ساعات کار ماشین‌آلات به‌ترتیب مربوط به محصولات پیاز (30 ساعت در هکتار معادل 1881 مگا‌ژول در هکتار) و عدس (14 ساعت در هکتار معادل 924 مگا‌ژول در هکتار) بود (جدول 3). در محصول پیاز به دلیل ریز بودن بذر نیاز به بستر مناسب و نرم است، لذا در مرحله آماده‌سازی زمین برای این محصول تعداد ساعت بیشتری برای کار ماشین‌آلات دیده شده است و از طرفی دلیل کاهش تعداد ساعت کار ماشین‌آلات در خصوص عدس، برداشت دستی این محصول می‌باشد. در بین محصولات غلات و علوفه‌ای نیز کمترین تعداد ساعات کار با ماشین‌آلات متعلق به جو و گندم (به‌ترتیب 20 ساعت در هکتار معادل 1254 مگا‌ژول در هکتار و 5/20 ساعت در هکتار معادل 1285 مگا‌ژول در هکتار) بود (جدول 3). نتایج مطالعات برخی محققان نیز بیانگر کمتر بودن ساعات کار ماشین‌آلات در جو و گندم نسبت به سایر محصولات زراعی می‌باشد (5 و 10). نتایج مطالعات انجام شده در ایران حاکی از آن است که سهم انرژی ورودی ماشین‌آلات از کل انرژی‌های ورودی به مزارع در تولید محصولاتی از جمله جو (27) و گندم (28) معمولاً کمتر از 5 درصد است.  

در بین محصولات، بیشترین و کمترین مصرف گازوئیل به‌ترتیب در تولید محصولات یونجه (302 لیتر معادل 14445 مگا‌ژول در هکتار) و عدس (141 لیتر معادل 6758 مگا‌ژول در هکتار) حاصل شد (جدول 3). سوخت‌های فسیلی به‌خصوص سوخت گازوئیل مهم‌ترین منبع تأمین انرژی مورد نیاز ماشین‌آلات کشاورزی و بخشی از موتور پمپ‌های آب برای پمپاژ آب آبیاری از چاه‌ها می‌باشند. لذا، حجم گازوئیل مصرفی در فرآیند تولید محصولات کشاورزی به‌طور مستقیم تحت تأثیر ساعات کار ماشین‌آلات، نوع ماشین‌آلات مورد استفاده و نیز در صورت دیزلی بودن موتور پمپ‌های آب به میزان آبیاری محصول بستگی دارد (5). علت مصرف بالای گازوئیل در تولید یونجه میزان آب آبیاری مصرفی بیشتر در این محصول و علت مصرف کمتر گازوئیل در تولید عدس تعداد ساعات کار کمتر ماشین‌آلات و میزان آب آبیاری مصرفی کمتر این محصول نسبت به سایر محصولات است. نتایج مطالعه‌ای در دشت شریف‌آباد استان قم نیز حاکی از آن بود که بیشترین مصرف گازوئیل مربوط به تولید یونجه می‌باشد. در این تحقیق، عملیات زراعی بیشتر در این محصول و افزایش تعداد ساعات کار ماشین‌آلات نسبت به سایر محصولات از دلایل افزایش مصرف گازوئیل ذکر شد (5). در تحقیقی، با ارزیابی مصرف سوخت در مزارع تولید گندم در گرگان گزارش کردند که بیشترین مصرف گازوئیل در تولید محصول در مرحله آماده‌سازی بستر کاشت و آبیاری محصول صورت می‌گیرد (4).

مقایسه بین محصولات زراعی نشان داد که بیشترین انرژی مصرفی از لحاظ بذر مربوط به بذور محصولات ذرت (3640 مگا‌ژول در هکتار) و گندم (3458 مگا‌ژول در هکتار) و کمترین آن متعلق به پیاز (4/6 مگا‌ژول در هکتار) بود (شکل 1). نتایج تحقیق وفا‌بخش و محمد‌زاده (5) نیز حاکی از این بود که بین محصولات زراعی مورد مطالعه بیشترین مصرف انرژی بذر مربوط به گندم بود. 

مقایسه محصولات زراعی مختلف حاکی از آن بود که بیشترین مصرف کودهای شیمیایی در محصولات علوفه‌ای مانند یونجه (700 کیلوگرم در هکتار NPK معادل 29994 مگا‌ژول در هکتار)، ذرت علوفه‌ای و سورگوم علوفه‌ای (600 کیلوگرم در هکتار NPK معادل 23380 مگا‌ژول در هکتار) و محصول کلزا (600 کیلوگرم در هکتار NPK معادل 20695 مگا‌ژول در هکتار) حاصل شد. کمترین مصرف کودهای شیمیایی در گروه حبوبات از جمله نخود (300 کیلوگرم در هکتار NPK معادل 6223 مگا‌ژول در هکتار) و عدس (325 کیلوگرم در هکتار NPK معادل 11969 مگا‌ژول در هکتار) به دست آمد (جدول 3 و شکل 1). در بین کودهای شیمیایی مورد استفاده سهم کود نیتروژن از سایر کودها بیشتر بود (جدول 3). نتایج برخی مطالعات نیز حاکی از آن است که در تولید محصولات زراعی، سهم کودهای نیتروژنی از انرژی ورودی بیش از کودهای فسفر، پتاسیم و گوگرد است (5، 27 و 29).

نتایج مطالعه حاضر نشان می‌دهد که در بین محصولات مورد مطالعه، بیشترین انرژی ناشی از مصرف الکتریسیته مربوط به تولید یونجه (14400 کیلووات ساعت در هکتار معادل 171792 مگا‌ژول در هکتار) و کمترین آن متعلق به نخود (4830 کیلووات ساعت در هکتار معادل 57621 مگا‌ژول در هکتار) و عدس (4900 کیلووات ساعت در هکتار معادل 58457 مگا‌ژول در هکتار) بودند (جدول 3 و شکل 1). نتایج تحقیق وفا‌بخش و محمد‌زاده (5) نیز حاکی از آن بود که بین محصولات زراعی مورد مطالعه بیشترین مصرف الکتریسیته مربوط به یونجه بود.

در بین محصولات مورد مطالعه بیشترین مصرف آب در تولید یونجه (20000 مترمکعب در هکتار معادل 12600 مگا‌ژول در هکتار) و کمترین آن در تولید عدس (7000 مترمکعب در هکتار معادل 4410 مگا‌ژول در هکتار) و گندم و جو (7200 مترمکعب در هکتار معادل 4536 مگا‌ژول در هکتار) حاصل شد (جدول 3 و شکل 1). در مطالعه وفا‌بخش و محمد‌زاده (5) نیز بیشترین مصرف آب در تولید یونجه (21000 مترمکعب در هکتار معادل 21420 مگا‌ژول در هکتار) و کمترین آن در تولید جو (5271 مترمکعب در هکتار معادل 5377 مگا‌ژول در هکتار) و گندم (5400 مترمکعب در هکتار معادل 5508 مگا‌ژول در هکتار) حاصل شد.

شاخص‌های انرژی در نظام تولید محصولات زراعی مورد مطالعه در جدول 4 نشان داده شده است. نتایج این پژوهش نشان داد که بیشترین مصرف انرژی ورودی در بین محصولات زراعی مورد مطالعه متعلق به یونجه (213101 مگا‌ژول در هکتار) و کمترین آن متعلق به نخود (76739 مگا‌ژول در هکتار) و عدس (78082 مگا‌ژول در هکتار) بودند (جدول 4). افزایش سهم ورودی‌هایی مانند گازوئیل، کودهای شیمیایی به‌ویژه نیتروژن، آب و الکتریسیته در تولید یونجه باعث شد این محصول در مقایسه با سایر محصولات زراعی بیشترین انرژی ورودی را به خود اختصاص دهد (جدول 3 و شکل 1).

شکل 1- سهم ورودی‌های مختلف انرژی در نظام‌های تولید محصولات زراعی استان خراسان جنوبی

Figure 1. The proportion of different inputs of energy for crop production systems in South Khorasan province

شکل 2- سهم ورودی‌های مختلف انرژی از کل انرژی ورودی در نظام‌های تولید محصولات زراعی استان خراسان جنوبی

Figure 2. The proportion of different inputs of total input energy for crop production systems in South Khorasan province

همچنین نتایج نشان داد که بیشترین سهم از ورودی‌های مختلف انرژی در تولید محصولات زراعی استان خراسان جنوبی مربوط به انرژی الکتریسیته (69 درصد) بود و پس از آن کود نیتروژن (12 درصد)، گازوئیل (9 درصد) و آب آبیاری (5 درصد) قرار داشتند. سهم حشره‌کش، آفت‌کش و علف‌کش نسبت به سایر ورودی‌های انرژی بسیار اندک بود (شکل 2). انرژی الکتریکی در بخش کشاورزی عمدتاً برای به کار انداختن موتور پمپ‌های چاه‌های کشاورزی، گرم کردن و روشنایی گلخانه‌ها و مراکز پرورش دام و طیور استفاده می‌شوند. نتایج تحقیق حاکی از آن است که در سال‌های گذشته سیاست تغییر سوخت پمپ‌های آبیاری در مزارع کشاورزی از گازوئیل به منبع برق موجب شده تا از مصرف سوخت گازوئیل کاسته شده و نیروی الکتریسیته روند صعودی داشته باشد (30).  

مقایسه محصولات مورد مطالعه از نظر شاخص انرژی خروجی نشان می‌دهد که بیشترین میزان این شاخص به‌ترتیب متعلق به محصولات چغندرقند (571200 مگا‌ژول در هکتار)، سورگوم علوفه‌ای (391920 مگا‌ژول در هکتار) و یونجه (120870 مگا‌ژول در هکتار) بوده و کمترین آن مربوط به نخود (12495 مگا‌ژول در هکتار) و عدس (13744 مگا‌ژول در هکتار) است (جدول 4). بالا بودن میزان انرژی خروجی در یک محصول را می‌توان به میزان زیست‌توده تولید شده و انرژی هر واحد از زیست‌توده آن نسبت داد (5). در تحقیقات مشابه انجام گرفته، میزان انرژی خروجی برای سورگوم علوفه‌ای 275208 مگا‌ژول در هکتار (6)، عدس آبی 29746 مگا‌ژول در هکتار (7)، گندم 103700 مگا‌ژول در هکتار (21)، کلزا 85556 مگا‌ژول در هکتار (31)، جو 71525 مگا‌ژول در هکتار (27)، ذرت سیلویی 148380 مگا‌ژول در هکتار (22)، یونجه 115971 مگا‌ژول در هکتار (32)، گزارش شده است.

نتایج به دست آمده در مورد انرژی خالص محصولات مورد مطالعه نشان می‌دهد که انرژی ورودی در اغلب محصولات از جمله گندم، جو، ذرت علوفه‌ای، یونجه، کلزا، پنبه، نخود، عدس و پیاز بیشتر از انرژی خروجی بوده و در نتیجه بیلان انرژی در این محصولات منفی می‌باشد (جدول 4). این در حالی بود که انرژی خالص سورگوم علوفه‌ای و چغندرقند مثبت بود (جدول 4). فرتوت عنایت و همکاران (6) انرژی خالص سورگوم علوفه‌ای در منطقه سیستان و بلوچستان را مثبت و 237513 مگا‌ژول در هکتار گزارش کردند. بیشترین کارایی مصرف انرژی که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را نشان می‌دهد مربوط به چغندرقند (77/3) و سورگوم علوفه‌ای (72/2) و کمترین آن به‌ترتیب مربوط به محصولات نخود (16/0) و عدس (18/0) می‌باشد. مقایسه محصولات مورد مطالعه نشان می‌دهد که بیشترین شاخص انرژی مخصوص متعلق به کلزا (6/27 مگا‌ژول بر کیلوگرم) و پنبه (3/15 مگا‌ژول بر کیلوگرم) و کمترین آن نیز متعلق به پیاز (36/1 مگا‌ژول بر کیلوگرم)، ذرت علوفه‌ای (56/2 مگا‌ژول بر کیلوگرم) و سورگوم علوفه‌ای (23/5 مگا‌ژول بر کیلوگرم) می‌باشد (جدول 4). بررسی اشکال مختلف انرژی ورودی نشان داد که در نظام تولید محصولات زراعی مورد مطالعه، سهم انرژی مستقیم بیشتر از انرژی غیر‌مستقیم و سهم انرژی تجدید ناپذیر بیشتر از انرژی تجدید پذیر است (جدول 4). این نتیجه با گزارش‌های سایر محققان مطابقت داشت (5 و 27).

پتانسیل گرمایش جهانی

پتانسیل گرمایش جهانی محصولات مورد مطالعه و سهم ورودی‌های مختلف در شکل 3 نشان داده شده است. مقایسه محصولات زراعی استان خراسان جنوبی حاکی از آن است که بیشترین میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای و پتانسیل گرمایش جهانی ناشی از آن به ترتیب در بوم نظام‌های یونجه (41566 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار)، چغندرقند (29179 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار) و سورگوم علوفه‌ای (27396 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار) مشاهده شد و کمترین آن متعلق به نخود (14357 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار) و عدس (14741 کیلوگرم معادل CO₂ در هکتار) می‌باشد (شکل 3). مقایسه سهم ورودی‌های مختلف از کل پتانسیل گرمایش جهانی محصولات نشان می‌دهد که در تمام محصولات زراعی مورد مطالعه، مصرف نیروی الکتریسیته (92 درصد)، کود نیتروژن (4 درصد)گازوئیل (3 درصد) بیشترین نقش در انتشار گازهای گلخانه‌ای را به خود اختصاص دادند (شکل 4). سهم نیروی الکتریسیته از کل پتانسیل گرمایش جهانی در بوم نظام‌های یونجه، چغندرقند و سورگوم علوفه‌ای به ترتیب 1/94، 8/93 و 8/92 درصد بود (شکل 3). همان‌گونه که قبلاً اشاره شد، نیروی الکتریسیته برای پمپاژ آب از چاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. لذا در محصولات با نیاز آبی بالا مانند یونجه و چغندرقند که با دفعات بیشتری آبیاری می‌شوند، انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از الکتریسیته به بیشترین مقدار خود خواهد رسید. همچنین، در محصولاتی که مصرف کودهای شیمیایی به‌ویژه کودهای نیتروژنی بیشتر است میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای قابل توجه می‌باشد. لذا تولید محصولاتی که نیاز آبی بالا داشته و مصرف کودهای نیتروژنی بالایی دارند در مقایسه با سایر محصولات بیشترین تأثیر را در انتشار گازهای گلخانه‌ای و پتانسیل گرمایش جهانی خواهند داشت.

نتیجه‌گیری

نتایج این پژوهش نشان داد که در بین محصولات زراعی مورد مطالعه در استان خراسان جنوبی، بیشترین انرژی در فرآیند تولید یونجه مورد استفاده قرار گرفته و بیشترین انرژی خروجی نیز به‌ترتیب متعلق به محصولات چغندرقند، سورگوم علوفه‌ای و یونجه بود. انرژی ورودی در محصولاتی مانند گندم، جو، ذرت علوفه‌ای، یونجه، کلزا، پنبه، نخود، عدس و پیاز بیشتر از انرژی خروجی آن محصولات بوده و در نتیجه بیلان انرژی در این محصولات منفی بود. این در حالی بود که بیلان انرژی در سورگوم علوفه‌ای و چغندرقند مثبت بود. بیشترین کارایی مصرف انرژی مربوط به محصولات چغندرقند و سورگوم علوفه‌ای و کمترین آن به‌ترتیب مربوط به محصولات نخود و عدس بود. محصولات کلزا و پنبه به ازای تولید هر کیلوگرم محصول انرژی بیشتری نسبت به سایر محصولات مورد استفاده قرار دادند و کمترین آن مربوط به محصولات پیاز، ذرت علوفه‌ای و سورگوم علوفه‌ای بود.

نتایج نشان داد که در نظام تولید محصولات زراعی مورد مطالعه، سهم انرژی مستقیم بیشتر از انرژی غیر‌مستقیم و سهم انرژی تجدید ناپذیر بیشتر از انرژی تجدید پذیر بود. بوم نظام‌های یونجه، چغندرقند و سورگوم علوفه‌ای به‌ترتیب بیشترین مقدار پتانسیل گرمایش جهانی را داشته و کمترین آن متعلق به محصولات نخود و عدس بود. مقایسه سهم ورودی‌های مختلف از کل پتانسیل گرمایش جهانی محصولات نشان داد که در اکثر محصولات مورد مطالعه، مصرف نیروی الکتریسیته، گازوئیل و کود نیتروژن بیشترین نقش را در انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا می‌کنند. بنابراین، تولید محصولاتی که نیاز آبی بالایی داشته و کود شیمیایی بیشتری در مقایسه با سایر محصولات زراعی در تولید آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، بیشترین تأثیر را در مصرف انرژی و گرمایش جهانی خواهند داشت. لذا مدیریت و بهینه‌سازی آبیاری در جهت افزایش کارایی مصرف آب و استفاده از عملیات زراعی مناسب، کودهای آلی و کود سبز برای افزایش حاصلخیزی خاک به‌عنوان جایگزین کودهای شیمیایی جهت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای پیشنهاد می‌شود.

شکل 3- سهم ورودی‌های مختلف در پتانسیل گرمایش جهانی در نظام‌های تولید محصولات زراعی خراسان جنوبی

Figure 3. The share of different input of global warming potential for crop production systems in South Khorasan province

شکل 4- سهم ورودی‌های مختلف از کل پتانسیل گرمایش جهانی در نظام‌های تولید محصولات زراعی خراسان جنوبی

Figure 4. The share of different input of total global warming potential for crop production systems in South Khorasan province

References

1. Mehrabi Boshr Abadi, H., Esmaeeli, A., 2011. Input-Output analysis of energy in agricultural sector of Iran. Agricultural Economics and Development. Vol. 19, pp. 1-28.
2. Li, T., Baležentis, T., Makutėnienė, D., Streimikiene, D., Kriščiukaitienė, I., 2016. Energy-related CO₂ emission in European Union agriculture: Driving forces and possibilities for reduction. Applied Energy.Vol. 180, pp. 682-694.
3. Smith, P., Bustamante, M., Ahammad, H., Clark, H., Dong, H., Elsiddig, E., Haberl, H., Harper, R., House, J., Jafari, M., 2014. Agriculture, Forestry and Other Land Use (AFOLU). Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press.
4. Rajaby, M.H., Soltani, A., Zeinali, E., Soltani, E., 2012. Evaluation of energy use in wheat production in Gorgan. Journal of of Plant Production. Vol. 19, pp. 143-172. (In Persian)
5. Vafabakhsh, J., Mohammadzadeh, A., 2019. Energy flow and GHG emissions in major field and horticultural crop production systems (Case Study: Sharif Abad Plain). Journal of Agroecology. Vol. 11, pp. 365-382. (In Persian)
6. Fartout Enayat, F., Mousavinik, S., Asgharipour, M., 2017. Evaluation of energy use efficiency, greenhouse gases emission and economic analysis of sorghum production in Sistan. Journal of Agricultural Science and Sustainable Production. Vol. 27, pp. 33-43. (In Persian)
7. Elhami, B., Akrami, A., Khanali, M., 2017. Optimization of energy consumption and mitigation of greenhouses gas emissions of irrigated lentil production using data envelopment analysis. Iranian Journal of Biosystems Engineering. Vol. 47, pp. 710-701. (In Persian)
8. Rezvantalab, N., Soltani, A., Zeinali E., Foroughnia, A., 2019. Study of energy indicators and greenhouse gas emissions in wheat production in Golestan Province. Journal of Agroecology. Vol. 9, pp. 17-38. (In Persian)
9. Taghinazhad, J., Vahedi, A., Ranjbar, F., 2019. Economic assessment of energy consumption and greenhouse gas emissions from wheat production in Ardabil Province. Environmental Science. Vol. 17, pp. 137-150. (In Persian)
10. Mohammadzadeh, A., Damghani, A.M., Vafabakhsh, J., Deihimfard, R., 2017. Assessing energy efficiencies, economy, and global warming potential (GWP) effects of major crop production systems in Iran: a case study in East Azerbaijan province. Environmental Science and Pollution Research. Vol. 24, pp. 16971-16984.
11. Ahmadi, K., Ebadzadeh, H.R., Hatami, F., Abd Shah, H., Kazemian, A., 2020. Agricultural Statistics of 2018-2019: Crops (Volume 1). Publications of the Ministry of Jihad Agriculture, Deputy of Program and Budget, General Directorate of Statistics and Information.
12. Mohammadi, A., Omid, M., 2010. Economic analysis and relation between energy inputs and yield of greenhouse cucumber production in Iran. Applied Energy. Vol. 87, pp. 191-196.
13. Yilmaz, I., Akcaoz, H., Ozkan, B., 2005. An analysis of energy use and input costs for cotton production in Turkey. Renewable Energy. Vol. 30, pp. 145-155.
14. 1995. Climate Change, the Science of Climate Change. In: Houghton, J.T., Meira Filho, L.G., Callander, B.A., Harris, N., Kattenberg, A., and Maskell, K. (Eds). Intergovernmental panel on climate change. Cambridge: Cambridge University Press.
15. Kramer, K.J., Moll, H.C., Nonhebel, S., 1999. Total greenhouse gas emissions related to the dutch crop production system. Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 72, pp. 9-16.
16. Snyder, C., Bruulsema, T., Jensen, T., Fixen, P., 2009. Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects. Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 133, pp. 247-266.
17. Tzilivakis, J., Warner, D., May, M., Lewis, K., Jaggard, K., 2005. An assessment of the energy inputs and greenhouse gas emissions in sugar beet (Beta vulgaris) production in the UK. Agricultural Systems. Vol. 85, pp. 101-119.
18. Lal, R., 2004. Carbon emission from farm operations. Environment International.Vol. 30, pp. 981-990.
19. Zangeneh, M., Omid, M., Akram , A., 2010. A comparative study on energy use and cost analysis of potato production under different farming technologies in Hamadan Province of Iran. Energy. Vol. 35, pp. 2927-2933.
20. Ozkan, , Kurklu, A., Akcaoz, H., 2004. An input-output energy analysis in greenhouse vegetable production: a case study for Antalya region of Turkey. Biomass Bioenergy. Vol. 26, pp.189-195.
21. Mohammadi, A., Rafiee, Sh., Jafari, A., Keyhani, A., Mousavi Avval, S. H., Nonhebel, S., 2014. Energy use efficiency and greenhouse gas emissions of farming systems in north Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 30, pp. 724–733.
22. Pishgar Komleh, S. H., Keyhani, A., Rafiee, S., Sefeedpary, P., 2011. Energy use and economic analysis of corn silage production under three cultivated area levels in Tehran Province of Iran. Energy. Vol. 36, pp. 3335-3341.
23. Ghaderpour, O., Rafiee, S., Sharifi, M., 2017. Analysis and modeling of energy and the production cost of alfalfa using multi-layer adaptive neuro-fuzzy inference system in Bukan Township. Iranian Journal of Biosystems Engineering. Vol. 48, pp. 190-179.
24. Gholami-Ghajelo, J., Ghanbarian, D., Maleki, A., Torki, M., 2015. Energy use efficiency and economic analysis of sugar beet fields in Miandoab city, West Azerbaijan Province. Journal of Sugar beet. Vol. 31, pp. 109-122.
25. Ghaderpour, O., Gerami, K., Dehghan, E., 2020. Life cycle assessment and energy consumption optimization in rainfed chickpea west Azarbayjan Province. Iranian Journal of Biosystems Engineering. Vol. 51, pp. 611-628.
26. Molaee, M., Khanali, M., Mousavi, S. A., 2017. Energy flow analysis in crop production- case study of onion prodaction. In: 1^st International and 5^th National Conference on Organic vs. Conventional Agriculture, 16-17 August 2017, Ardabil, Iran.
27. Ghasemi Mobtaker, H., Keyhani, A., Mohammadi, A., Rafiee, S., Akram, A., 2010. Sensitivity analysis of energy inputs for barley production in Hamedan province of Iran. Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 137, pp. 367-372.
28. Khoshnevisan, B., Rafiee, S., Omid, M., Yousefi, M., Movahedi, M., 2013. Modeling of energy consumption and GHG (greenhouse gas) emissions in wheat production in Esfahan province of Iran using artificial neural networks. Energy. Vol. 52, pp. 333-338.
29. Mousavi-Avval, S.H., Rafiee, S., Jafari, A., Mohammadi, A., 2011. Energy flow modeling and sensitivity analysis of inputs for canola production in Iran. Journal of Cleaner Production. Vol. 19, pp. 1464-1470.
30. Boshrabadi, H., Naghavi, S., 2011. Estimating energy demand in agricultural sector of Iran. Journal of Agricultural Economics Research. Vol. 3, pp. 147-162.
31. Unakitan, G., Hurma, H., Yilmaz, F., 2010. An analysis of energy use efficiency of canola production in Turkey. Energy. Vol. 35, pp. 3623-3627.
32. Tsatsarelis, C., Koundouras, D., 1994. Energetics of baled alfalfa hay production in northern Greece. Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 49, pp. 123-130.

1- استادیار گروه کشاورزی، دانشگاه پیام نور. ^*(مسوول مکاتبات)

[2] - استادیارموسسه پژوهش‌های برنامه‌ریزی، اقتصاد کشاورزی و توسعه روستایی.

1- Assistant Professor, Department of Agriculture, Payame Noor University (PNU), Iran. *(Corresponding Author)

2- Assistant Professor of Agricultural Planning, Economic and Rural Development Research Institute (APERDRI), Iran.