بررسی انرژی مصرفی و پتانسیل گرمایش جهانی درکشت مستقیم برنج تحت سیستم‌های آبیاری بارانی و قطره‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار پژوهش، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان گلستان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، گرگان، ایران

2 دانش‌آموخته دکتری، گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

چکیده

مقدمه: مصرف بی‌رویه انرژی به‌ویژه سوخت‌های فسیلی در بخش کشاورزی منجر به انتشار گازهای گلخانه‌­ای و آلاینده‌های زیست‌محیطی شده است که مهم‌ترین اثرات آن گرمایش جهانی و تغییر اقلیم است. تجزیه ­و ­تحلیل جریان انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌­ای در بوم‌نظام‌های کشاورزی می‌تواند از طریق بهینه‌سازی عملیات تولید به کاهش اثرات زیست‌محیطی­ کمک کند. مقایسه کارآیی انرژی گیاهان زراعی یکی از روش‌هایی است که می‌تواند در اولویت‌بندی کشت گیاهان مختلف زراعی در هر منطقه به‌کار گرفته شود. در این مطالعه، سیر انرژی و پتانسیل گرمایش جهانی تولید برنج به‌شیوه خشکه‌کاری تحت دو روش آبیاری بارانی و قطره‌ای مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق از طریق مصاحبه با کشاورزان مختلف (از طریق تکمیل پرسش‌نامه در محدوده شهرستان گرگان) اقدام به جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز از جمله ماشین‌آلات و نهاده‌های مصرفی شامل بذر، کود، سوخت و سموم شد. پرسش‌نامه‌ها طی فصل رشد در سال 1399 تکمیل شدند. دلیل انتخاب آبیاری بارانی و قطره‌ای تشابهات متعدد از جمله تاریخ کاشت مشابه، عملیات زراعی و مصرف نهاده‌ها است که در این دو روش آبیاری وجود دارد. رقم کشت شده در این مزارع رقم فجر بود. برای برآورد مقدار مصرف انرژی در نهاده‌های مصرفی مثل کود، آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها، میزان انرژی هر گرم ماده مؤثره در ضرایب مربوطه و وزن مخصوص آن‌ها ضرب شد. سایر محاسبات انرژی مصرفی و پتانسیل گرمایش جهانی برای ورودی‌ها و خروجی‌های مورد استفاده در تولید و عملیات زراعی برای هر یک از روش‌ها با استفاده از ضرایب به‌دست آمده از منابع مختلف انجام شد.
یافته‌های تحقیق: نتایج این مطالعه نشان داد که میانگین انرژی ورودی تحت سیستم‌های آبیاری بارانی و قطره‌ای به‌ترتیب برابر با 27.8 و 28.6 گیگاژول در هکتار بود. بیش‌ترین درصد انرژی ورودی در مزارع تحت سیستم‌های آبیاری بارانی و قطره‌ای به‌ترتیب با 27 و 26.4 درصد مربوط به مصرف کود نیتروژن و کم‌ترین درصد در هر دو روش آبیاری مربوط به مصرف قارچ‌کش‌ها به‌میزان 0.14 درصد بود. میزان انرژی ورودی مستقیم در روش آبیاری بارانی و قطره‌ای به‌ترتیب برابر با 7.2 و 8.8 گیگاژول در هکتار به‌دست آمد. این در حالی بود که سهم انرژی‌های ورودی غیرمستقیم در دو روش آبیاری بارانی و قطره‌ای به‌ترتیب برابر با 20.6 و 19.8 گیگاژول در هکتار بود. کارآیی انرژی در دو روش آبیاری بارانی و قطره‌ای به‌ترتیب برابر با 7.3 و 9.2 و پتانسیل گرمایش جهانی از مزارع تحت سیستم‌های آبیاری بارانی و قطره‌ای نیز به‌ترتیب برابر با 1582.4 و 1764.7 کیلوگرم CO2 در هکتار محاسبه شد.
نتیجه‌گیری: مقایسه بین انرژی‌های ورودی و پتانسیل گرمایش جهانی ناشی از آن نشان داد که بین انرژی‌های ورودی و پتانسیل گرمایش جهانی ناشی از آن ارتباط مستقیمی وجود داشت. نتایج نشان داد که در هر دو روش آبیاری بارانی و قطره‌ای، بیش‌ترین سهم انرژی ورودی به‌ترتیب مربوط به کود نیتروژن، آبیاری و سوخت مصرفی بود که متعاقب آن باعث افزایش گاز‌های گلخانه‌ای شدند. بر اساس نتایج به‌دست آمده از این تحقیق می‌توان نتیجه‌گیری کرد که با کاهش مصرف سوخت، افزایش کارآیی سیستم‌­های آبیاری و استفاده بهینه از کود­های شیمیایی، می‌­توان میزان مصرف انرژی و انتشار گاز­های گلخانه‌ای را کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating of energy consumption and global warming potential of direct rice cultivation under rain and drip irrigation systems

نویسندگان [English]

  • Mohammad Taghi Feyzbakhsh 1
  • Seyede Tayyebeh Hosseini 2
1 Research Assistant Professor, Golestan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Gorgan, Iran
2 Graduate Ph. D., Faculty of Water and Soil Engineering, Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Introduction
Excessive consumption of energy, especially fossil fuels, in the agricultural sector has led to the release of greenhouse gases and environmental pollutants, the most important of which are global warming and climate change. Analyzing energy flow and greenhouse gas emissions in agricultural ecosystems can help reduce environmental impacts by optimizing production operations.Comparing the energy efficiency of crops is one of the methods that can be used in prioritizing the cultivation of different crops in each region. In this study, the energy flow and global warming potential of direct rice cultivation method in dry bed under rain and drip irrigation methods were investigated.

Materials and methods
In this research, by interviewing different farmers (by completing a questionnaire in Gorgan city), required data was collected for machinery and consumables including seeds, fertilizers, fuel and poisons during growing seasen in the year of 2020. The reason for choosing these two methods is several similarities (including similar planting dates, agricultural operations and consumption of inputs) that exist in these two irrigation methods and the largest area of ​​dry rice cultivation is done by these two methods. The variety cultivated in these farms was Fajr. To estimate the amount of energy consumption in consumables such as fertilizers, pesticides, insecticides, the amount of energy per gram of effective substance was multiplied by the relevant coefficients and their specific weight. Other calculations of energy consumption and global warming potential for inputs and outputs used in agricultural production and operations for each of the methods were done using coefficients obtained from different sources.

Research findings
The results of this study showed that the average input energy under rain and drip irrigation systems was 27.8 and 28.6 GJ per hectare, respectively. The highest percentage of input energy in the fields under rain and drip irrigation systems with 27 and 26.4% respectively was related to the use of nitrogen fertilizer and the lowest percentage in both irrigation methods was related to the use of fungicides with 014 percent. The amount of direct input energy in rain and drip irrigation methods was 7.2 and 8.8 GJ per hectare, respectively, while the share of indirect input energy in both irrigation methods (rain and drip) was order was 20.6 and 19.8 GJ/ha). Energy efficiency in rain and drip irrigation method was calculated as 7.3 and 9.2, respectively.Global warming potential was obtained from fields under rain and drip irrigation systems (1582.4 and 1764.7 kg CO2 per hectare, respectively).

Conclusion
The results of the comparison between the input energy and global warming potential showed that there is a direct relationship between the input energy and global warming potential. The results indicated that the largest share of input energy in both irrigation methods was related to nitrogen fertilizer, irrigation and fuel consumption, which subsequently causes an increase in greenhouse gases. Based on the results of this research, it can be concluded that by reducing fuel consumption, increasing the efficiency of irrigation systems and optimal use of chemical fertilizers, energy consumption and greenhouse gas emissions can be reduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Agricultural operations
  • Fuel
  • Indirect energy
  • Specific energy
Acaroglu, M. (1998). Energy from Biomass, and Applications. University of Selcuk, Graduate School of Natural and Applied Sciences. Textbook.##Akcaoz, H., Ozcatalbas, O., & Kizilay, H. (2009). Analysis of energy use for pomegranate production in Turkey. Journal of Food, Agriculture & Environment, 7, 475-480.##Bali, A. S., & Uppal, H. S. (1999). Irrigation schedule in producing quality basmati rice (Oryza sativa). Indian Journal of Agricultural Sciences, 69(5), 325-328.##Basavalingaiah, K., Ramesha, Y. M., Paramesh, V., Rajanna, G. A., Lal Jat, Sh., Misra, S., Gaddi, Girisha, H. C., Yogesh, G. S., Raveesha, S., Roopa, T. K., Shashidhar, K. S., Kumar, B., El-Ansary, D. O., & Elansary, H. O. (2020). Energy budgeting, data envelopment analysis and greenhouse gas emission from rice production system: A case study from puddled transplanted rice and direct-seeded rice system of Karnataka, India. Sustainability, 12(16), 6439.  doi: 10.3390/su12166439.##Belder, P., Bouman, B. A. M., Spiertz, J. H. J., Peng, S., Castaneda, A. R., & Visperas, R. M. (2005). Crop performance, nitrogen and water use in flooded and aerobic rice. Plant & Soil, 273, 167-182. doi: 1007/s11104-004-7401-4.##Bouman, B. A. M., & Tuong, T. P. (2001). Field water management to save water and increase its productivity in irrigated lowland rice. Agricultural Water Management, 49(1), 11-30.  doi: 10.1016/S0378-3774(00)00128-1.##Chaudhary, V. P., Singh, K. K., Pratibha, G., Bhattacharyya, R., Shamim, M., Srinivas, I., & Patel, A. (2017). Energy conservation and greenhouse gas mitigation under different production systems in rice cultivation. Energy, 130, 307-317. doi: 10.1016/j.energy.2017.04.131.##Chauhan, B. S. & Opeña, J. (2012). Effect of tillage systems and herbicides on weed emergence, weed growth, and grain yield in dry-seeded rice systems. Field Crops Research, 137, 56-69. doi: 1016/j.fcr.2012.08.016.##Dastan, S., Soltani, A., Noormohammadi, G., & Madani, H. (2014). CO2 emissions and global warming potential due to energy consumption in rice planting systems. Journal of Agroecology, 6(4), 823-835. [In Persian]. doi: 10.22067/jag.v6i4.27517.##Dastan, S., Soltani, A., Noormohammadi, G., Madani, H., & Yadi, R. (2015). Estimation of the carbon footprint and global warming potential in rice production systems. Environmental Sciences, 14(1), 19-28. [In Persian].##Deike, S., Pallutt, B., & Christen, O. (2008). Investigation on the energy efficiency of organic and integrated farming with specific emphasis on pesticide use intensity. European Journal of Agronomy, 28(3), 461-470. doi: 1016/j.eja.2007.11.009.##Eskandari Cherati, F. A., Bahrami, H., & Asakereh, A. (2011). Energy survey of mechanized and traditional rice production system in Mazandaran province of Iran. African Journal of Agricultural Research, 6(11), 2565-2570. doi: 10.5897/AJAR11.516.##Feyzbakhsh, S., & Alizadeh, P. (2018). Comparison of silage corn (Zea mays L.) and forage sorghum (Sorghum bicolor L.) production in terms of energy consumption and global warming potential in Golestan region. Journal of Agroecology, 10(1), 218-233. [In Persian]. doi: 10.22067/jag.v10i1.56517.##Feyzbakhsh, M. T., & Soltani, A. (2013). Energy flow and global warming potential of corn farm (Gorgan city). Electronic Journal of Crop Production, 6(2), 89-107. [In Persian]. dor: 20.1001.1.2008739.1392.6.3.6.6.##Franzluebbers, A. J., & Francis, C. A. (1995). Energy output-input ratio of maize and sorghum management systems in Eastern Nebraska. Agriculture, Ecosystems & Environment, 53, 271-278.  doi: 10.1016/0167-8809(94)00568-Y.##Ghorbani, R., Mondani, F., Amirmoradi, S., Feizi, H., Khorramdel, S., Teimouri, M., Sanjani, S., Anvarkhah, S., & Aghel, H. (2011). A case study of energy use and economical analysis of irrigated and dryland wheat production systems. Applied Energy, 88(1), 283-288. doi: 10.1016/j.apenergy.2010.04.028.##Guo, J. H., Liu, X. J., Zhang, Y., Shen, J. L., Han, W. X., Zhang, W. F., Christie, K. W. T., Goulding, P. M., Vitousek, P. M., & Zhang, S. (2010). Significant acidification in major Chinese croplands. Science, 327(5968), 1008-1010. doi: 10.1126/science.1182570.##Hosseini, S. T., Sharifan, H., Kiani, K., Abyar, N. M., & Feyzbakhsh, M. T. (2022). Energy flow and global warming potential in direct seeded and transplantation of rice under different irrigation systems. Journal of Water Research in Agriculture, 35(4), 337-356. [In Persian]. doi: 10.22092/jwra.2021.355385.885.##Jat, M. L., Gathala, M. K.,  Ladha, J. K., Saharawat, Y. S., Jat, A. S., Kumar, V., Sharma, A. S., & Gupta, R. K. (2009). Evaluation of precision land leveling and double zero-till systems in the rice-wheat rotation: Water use, productivity, profitability and soil physical properties. Soil Tillage Research, 105(1), 112-121. doi: 10.1016/j.still.2009.06.003.##Kaltsas, A. M., Mamolos, A. P.,  Tsatsarelisb, C. A., Nanosc, G. D., & Kalburtji, K. L. (2007). Energy budget in organic and conventional olive groves. Agriculture, Ecosystems & Environment, 122(2), 243-251. doi: 10.1016/j.agee.2007.01.017.##Kazemi, H., & Zare, S. (2014). Investigation and comparison of energy flow in wheat fields of Gorgan and Marvdasht townships. Cereal Research, 4(3), 211-227. dor: 20.1001.1.22520163.1393.4.3.3.1.##Kosemani, B. S., & Bamgboye, I. (2020). Energy input-output analysis of rice production in Nigeria. Energy, 27, 118258. doi: 10.1016/j.energy.2020.118258.##Khoshnevisan, B., Rafiee, M., 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, 52, 333-338. doi: 10.1016/j.energy.2013.01.028.##Kiani, A. R., Yazdani, M. R., & Feyzbakhsh, M. T. (2022). Comparison of rice direct seeding and transplanting methods under different irrigation methods. Journal of Water & Soil, 35(6), 779-790. [In Persian]. doi: 10.22067/jsw.2021.69302.1036.##Mansoori, H., Rezvani Moghadam, P., & Moradi, R. H. (2012). Energy budget and economic analysis in conventional and organic rice production systems and organic scenarios in the transition period in Iran. Frontiers in Energy, 6, 341-350.doi: 10.1007/s11708-012-0206-x.##Monaco, F., Sali, G., Ben Hassen, M., Facchi, A., Romani, M., & Valè, G. (2016). Water management options for rice cultivation in a temperate area: A multi-objective model to explore economic and water saving results. Water, 8(8), 336. doi: 10.3390/w8080336.##Ozkan, B., Akcaoz, H., & Fert, C. (2004). Energy input-output analysis in Turkish agriculture. Renewable Energy, 29(1), 39-51. doi: 10.1016/S0960-1481(03)00135-6.##Pathak, H., & Wassmann, R. (2007). Introducing greenhouse gas mitigation as a development objective in rice-based agriculture: I. Generation of technical coefficients. Agricultural Systems, 94(3), 807-825. doi: 10.1016/j.agsy.2006.11.015.##Pishgar-Komleh, S. H., Sefeedpari, P., & Rafiee, S. (2011). Energy and economic analysis of rice production under different farm levels in Guilan province of Iran. Energy, 36(10), 5824-5831. doi: 10.1016/j.energy.2011.08.044.##Rajabi, M. H., Soltani, A., Vhidnia, B., Zeinali, E., & Soltani, E. (2012). Evaluation of fuel consumption in wheat fields in Gorgan. Environmental Sciences, 9(2), 143-164. [In Persian].##Rathke, G. W., Wienhold, B. J., Wilhelm, W. W., & Diepenbrock, W. (2007). Tillage and rotation effect on corn-soybean energy balances in eastern Nebraska. Soil & Tillage Research, 97(1), 60-70. doi: 10.1016/j.still.2007.08.008.##Ren, L. T., Liu, Z. X., Wei, T. Y., & Xie, G. H. (2012). Evaluation of energy input and output of sweet sorghum grown as a bioenergy crop on coastal saline-alkali land. Energy, 47(1), 166-173. doi: 10.1016/j.energy.2012.09.024.##Sharma, P. K., Bhushan, L., Ladha, J. K., Naresh, R. K., Gupta, R. K., Balasubramanian, B. V., & Bouman, B. A. M. (2002). Crop-water relations in rice-wheat croppings under different tillage systems and water management practices in a marginally sodic, medium-textured soil. In: Bouman, B. A. M., Hengsdijk, H., Hardy, B., Bindraban, P. S., Tuong, T. P., & Ladha, J. K. (Eds.). Water-wise Rice Production. International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines. pp. 223-235.##Singh, A. K., Choudhury, B. U., & Bouman, B. A. M. (2002). Effects of rice establishment methods on crop performance, water use, and mineral nitrogen. In: Bouman, B. A. M., Hengsdijk, H., Hardy, B., Bindraban, P. S., Tuong, T. P., & Ladha, J. K. (Eds.). Water-wise Rice Production. International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines. pp. 237-246.##Soltani, A., Rajabi, M. H., Zeinali, E., & Soltani, E. (2009). Evaluation of environmental impact of crop production using LCA: Wheat in Gorgan. Electronic Journal of Crop Production, 3(3), 201-218. [In Persian]. dor: 20.1001.1.2008739.1389.3.3.12.1.##Soltani, A., Rajabi, M. H., Zeinali, E., & Soltani, E. (2013). Energy inputs and greenhouse gases emissions in wheat production in Gorgan, Iran. Energy, 50, 54-61. doi: 10.1016/j.energy.2012.12.022.##Vitousek, P. M., Naylor, R., Crews, T., David, M. B., Drinkwater, E. L., Holand, E., Jhones, P. J., Katzenberger, J., Martinelli, L. A., & Zhang, F. S. (2009). Nutrient imbalances in agricultural development. Science, 324(5934), 1519-1520. doi: 10.1126/science.1170261.##Wan, C. C., Ismail, W. I., Yahya, A., & Bockari-Gevao, S. M. (2005). Energy consumption in lowland rice-based cropping system of Malaysia. Songklanakarin Journal of Science and Technology, 27(4), 819-826.##Yousefi, M., Darijani, F., & Alipour Jahangiri, A. (2012). Comparing energy flow of greenhouse and open-field cucumber production systems in Iran. African Journal of Agricultural Research, 7(4), 624-628. doi: 10.5897/AJAR11.1787.##Yuan, S., & Peng, S. (2017). Input-output energy analysis of rice production in different crop management practices in central China. Energy, 141, 1124-1132. doi: 10.1016/j.energy.2017.10.007.##Zentner, R. P., Lafond, G. P., Derksen, D. A., Nagy, C. N., Wall, D. D., & May, W. E. (2004). Effects of tillage method and crop rotation on non-renewable energy use efficiency for a thin Black Chernozem in the Canadian Prairies. Soil and Tillage Research, 77(2), 125-136. doi: 10.1016/j.still.2003.11.002.