مدیریت آب در کشاورزی

مدیریت آب در کشاورزی

ردپای محیط زیستی آب گندم در سیستم های مختلف آبیاری در اقلیم های مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
4 محقق ارشد، پایداری آب های زیرزمینی و امنیت غذایی سیستم های زمین و تغییرات جهانی، دانشگاه Wageningen، هلند
5 استاد، رئیس مدیریت چند رشته ای آب، گروه مهندسی عمران و مدیریت، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه Twente، هلند
10.22034/wmaj.2025.210405
چکیده
ارزیابی ردپای محیط زیستی آب (WF) محصولات کشاورزی اهمیت زیادی در شناسایی پتانسیل‌های بهبود در چرخه عمر محیط زیستی آن‌ها دارد. در این مطالعه، با استفاده از مفهوم ارزیابی چرخه حیات (LCA)، میزان WF محیط زیستی گندم در پنج اقلیم فراخشک (HA)، خشک (A)، نیمه‌خشک (SA)، نیمه مرطوب (DSH) و مرطوب (H) و روش‌های آبیاری فارو (FI)، قطره‌ای (DI) و بارانی (SI) بررسی شد. برای هر اقلیم و روش آبیاری، شاخص‌های کلیدی شامل مقدار آب مصرفی، تأثیرات محیط زیستی ناشی از مصرف منابع آب و پایداری منابع آب برای تولید یک تن گندم بررسی شد. بالاترین آسیب به سلامتی بشر، کیفیت اکوسیستم و منابع ‌محیط زیستی به روش Pfister به میزان (DALY) 0014/0 ، (PDF*m2yr) 2109 و (MJ urplus) 13254 و شاخص ردپای آب در روش Hoekstra (m3) 3216، تخریب آب شیرین در روش Berger به میزان (m3) 1792 و ردپای کمبود آب در روشAWARE (m3) 125107در گزینه HA.SI بدست آمد. در سناریوی DI.SA شرایط مساعد جهت افزایش عملکرد و کاهش نهاده‌های مصرفی و همچنین در سناریوی DSH.SI و H.SI استفاده بیشتر از آب سبز باعث کاهش 60%-50% ردپای آب نسبت به میانگین در تمام روش‌های مورد بررسی شد. با توجه به شاخص‌های عملکرد محصول، بهره‌وری آب و ردپای مستقیم و غیرمستقیم آب و اثرات زیست محیطی گزینه SA.DI به‌عنوان پایدارترین شرایط جهت کشت گندم است. هر رویکرد، از Pfister تا Hoekstra، بینش‌های منحصر به فردی را در مورد مصرف آب و تأثیرات کمبود ارائه می‌دهد لذا نتایج این مطالعه نیاز به در نظر گرفتن چندین دیدگاه برای دریافت یک تصویر کامل از ردپای آب محصولات را برجسته می‌کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Environmental Water Footprint in Different Wheat Irrigation Systems Across Various Climates

نویسندگان English

Fereshteh Batoukhteh 1
Abdullah Darzi‑Naftchali 2
Ali motevali 3
Fatemeh karandish 4
Markus berger 5
1 Ph.D Student, Water Engineering Department, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
2 Associated Professor, Water Engineering Department, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
3 Associated Professor, Department of Biosystem Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
4 Senior Researcher, Groundwater Sustainability and Food Security Earth Systems and Global Change, Wageningen University & Research, Netherlands
5 Professor, Chair of Multidisciplinary Water Management, Department of Civil Engineering & Management, Faculty of Engineering Technology, University of Twente, Netherlands
چکیده English

Considering the importance of selecting appropriate irrigation methods to reduce water consumption and improve its efficiency in agriculture, the environmental water footprint (WF) using the Life Cycle Assessment (LCA) method, as an indicator for measuring water consumption and productivity throughout all stages of a product's life cycle, can significantly contribute to evaluating the environmental impacts of different irrigation methods. In this study, to assess the environmental water footprint and water resource depletion in five climates (hyper-arid (HA), arid (A), semi-arid (SA), semi-humid (DSH), and humid (H)) and irrigation methods (furrow irrigation (FI), drip irrigation (DI), and sprinkler irrigation (SI)), the Hoekstra, Berger, AWARE, and Pfister indices were used with SimaPro 9.4 software. For each climate and irrigation method, key indicators including the amount of water consumed, the environmental impacts of water resource consumption, and the sustainability of water resources to produce one ton of wheat were analyzed. The results obtained from the environmental impact indicators of water consumption in wheat cultivation showed that the highest damage to human health, ecosystem quality, and environmental resources was found using the Pfister method with values of 0.0014 (DALY), 2109 (PDF*m²yr), and 13254 (MJ surplus). The water footprint index using the Hoekstra method was 3216 (m³), freshwater depletion using the Berger method was 1792 (m³), and the water scarcity footprint using the AWARE method was 125107 (m³) in the HA.SI scenario. In the DI.SA scenario, due to favorable conditions for increasing yield and reducing input consumption, and in the DSH.SI and H.SI scenarios, greater utilization of green water resulted in a 50%-60% reduction in the water footprint compared to the average across all evaluated methods. Considering performance indicators, water productivity, and direct and indirect footprints, the SA. DI scenario was found to be the most sustainable condition for wheat cultivation.

کلیدواژه‌ها English

Resource Depletion
Sustainability of resources
Water Footprint
Water Stress
آمارنامه کشاورزی. 1402 . جلد اول. مرکز فناوری اطلاعات و ارتباطات معاونت برنامه‌ریزی و امور اقتصادی وزارت جهاد کشاورزی. https://www.maj.ir
پورمحمد، ی.، موسوی بایگی،س.م.، علیزاده،ا.، ضیایی، ع.ن. و بنایان اول،م. 1396. برآورد بهره‌وری آب محصولات عمده نیشابور  و بهینه‌سازی سطح زیرکشت محصولات. نشریه آب‌وخاک (علوم و صنایع کشاورزی). 31(1): 126-112
جناب، م. و نظری،ب. 1397. مطالعه شکاف عملکرد و شکاف بهره‌وری آب گندم، جو و ذرت در استان قزوین. تحقیقات آب و خاک ایران. 49(6): 1417-1405
حیدری، ن. 1400. بهره‌وری آب گندم در ایران و مقایسه آن با مقادیر چند کشور. نشریه پژوهش آب در کشاورزی. 35 (4): 421-436
درگاهی، ز.، نظری، ب.، رمضانی اعتدالی، ه. و مازندرانی زاده، ح. 1397. ارزیابی سامانه‌های نوین آبیاری با مفاهیم بهره‌وری اقتصادی آب و راندمان آبیاری در استان قزوین. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 695-683 : (3) 12
سیاوشی، م. و دستان، س. 1400. مقایسه ردپای بوم‌شناختی، ردپای آب و اثرات محیط‌زیستی نظام‌های تولید گندم (Triticum aestivum L.) آبی و دیم بر اساس اندازه مزرعه (مطالعه موردی: منطقه بوشهر). بوم‌شناسی کشاورزی. 13 (1): 135-155
علیقلی نیا، ت.، شیبانی، ح.، محمدی،ا. و حسام، م. 1398. مقایسه و ارزیابی ردّ پای آب آبی، سبز و خاکستری گندم در اقلیم‌های مختلف ایران. تحقیقات منابع آب. 15(3): 234-245.
قیاسی، ح. و شیخ زین‌الدین، آ. 1401. سنجش کارایی اقتصادی-محیط زیستی گندم بر مبنای ردپای آب. اقتصاد کشاورزی. 16 (3): 1-31
متولی، ع.، یاسور، ص.، تیموری عمران، م. و موسوی سیدی، س.ر. 1398. بررسی شاخص‌های ‌محیط زیستی  ردپای آب و تخلیه منابع در سناریوهای مختلف کشت برنج. آبیاری و زهکشی ایران. 13 (2): 512-527.
واعظی، ب.، نامداری، ا. و کشاورزی، ک. 1399. رویکردها و راهبردهای تولید پایدار گندم. سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی. مؤسسه آموزش و ترویج کشاورزی. نشر آموزش کشاورزی. 88 ص.
Angnes, G., Diotto, A.V., Rodias, E. and Romanelli, T.L. 2023. Water and Carbon Footprints of Biomass Production Assets: Drip and Center Pivot Irrigation Systems. Sustainability. 15: 8199
Ashoori, D., Bagheri, A., Allahyari, M. S. and Al-Rimawi, A. S. 2016. An examination of soil and water conservation practices in the paddy fields of Guilan province, Iran. Anais da Academia Brasileira de Ciencias. 88: 959–971.
Ashraf, B., AghaKouchak, A., Alizadeh, A., Baygi, M.M., Moftakhari, H.R., Mirchi, A., Anjileli, H. and Madani, K. 2017. Quantifying anthropogenic stress on groundwater resources. Scientific reports. 7: 1–9.
Aujla, M., Thind, H. and Buttar, G. 2007. Fruit yield and water use efficiency of eggplant (Solanum melongema L.) as influenced by different quantities of nitrogen and water applied through drip and furrow irrigation. Scientia Horticulturae. 112(2):142–148.
Brentrup, F., Kusters, J., Lammel, J., Barraclough, P. and Kuhlmann, H. 2004. Environmental impact assessment of agricultural production systems using the life cycle assessment (LCA) methodology– II, the application to N fertilizer use in winter wheat production systems. European Journal of Agronomy. 20(3): 265-279.
Berger, M., Ent, R., Eisner, S., Bach, V. and Finkbeiner, M. 2014. Water Accounting and Vulnerability Evaluation (WAVE): Considering Atmospheric Evaporation Recycling and the Risk of Freshwater Depletion in Water Footprinting. Environmental Science and Technology. 48 (8): 4521–4528.
Boulay, A. M., Bare, J., Benini, L., Berger, M., Lathuillière, M. J.  Manzardo, A. and Margni, M. 2018. The WULCA consensus characterization model for water scarcity footprints: Assessing impacts of water consumption based on available water remaining (AWARE). International Journal of Life Cycle Assessment. 23(2): 368-378
CEC, December, 2008. Follow up Communication on Water Scarcity and Droughts in the European Union COM (2007) 414 final, [SEC(2008) 3069]. Commission of the European Communities, Brussels.
Cochran, W.G. 1977. The estimation of sample size. Sampling Techniques. (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons.
Chang, Y.-C., Lee, W. J., Wang, L. C., Yang, H. H., Cheng, M. T., Lu, J. H., Tsai, Y.I. and Young, L.H. 2014. Effects of waste cooking oil-based biodiesel on the toxic organic pollutant emissions from a diesel engine. Energy. 113: 631–638.
Chen, X., Thorp, K.R., van Oel, P.R., Xu, Z., Zhou, B. and Li, Y. 2020. Environmental impact assessment of water-saving irrigation systems across 60 irrigation construction projects in northern China. J. Clean. Prod. 245:118883.
Doosti Sabzi, B., Yazdi, N. and Maleki, A. 2023. Technological solutions for adaptation with Iran’s water resources crisis. Urban Climate Adaptation and Mitigation. Chapter. 15: 327-343. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85552-5.00002-6
EP, 2008. Addressing the challenge of water scarcity and droughts in the EuropeanUnion. European Parliament resolution of 9 October 2008 on addressing thechallenge of water scarcity and droughts in the European Union (2008/2074(INI).
Eranki, P.L.,  El-Shikha, D., Hunsaker, D.J.  Bronson, K.F.and Landis, A.E. 2017. A comparative life cycle assessment of flood and drip irrigation for guayule rubber production using experimental field data. Industrial Crops and Products. 99: 97–108.
Fang, Q., Zhang, X., Shao,L., Chen,S. and Sun, H. 2018. Assessing the performance of different irrigation systems on winter wheat under limited water supply. Agricultural Water Management. 196:133–143.
Gholamrezai, S. and Sepahvand, F. 2017. Farmers’ participation in water user association in western Iran. Journal of Water and Land Development, 35: 49–56.
Hoekstra, A.Y. 2009.  Human appropriation of natural capital: A comparison of ecological footprint and water footprint analysis. Ecological Economics. 68(7): 1963-1974.
Hoekstra, A.Y. (ed.). 2003. Virtual water trade: Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade, Delft, The Netherlands, 12-13 December 2002, Value of Water Research Report Series No.12, UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands. www.waterfootprint.org/Reports/Report12.pdf.
Hoekstra, A.Y., Mekonnen, M.M., Chapagain, A.K., Mathews, R.E. and Richter, B.D .2012. Global Monthly Water Scarcity: Blue Water Footprints versus Blue Water Availability. PLoS ONE 7(2): e32688. doi:10.1371/journal.pone.0032688
Hoekstra, A.Y. and Chapagain, A.K. 2008. Globalization of Water: Sharing the Planet’s Freshwater Resources, Blackwell, Oxford.
ICID (The International Commission on Irrigation and Drainage). Annual Report. 2020-21. https://icid-ciid.org/publication/info/33
ISO (International Organization for Standardization). 2006. ISO 14040: 2006 (E) Environmental Management – Life Cycle Assessment – Principles and Framework.
Jamali, M., Soufizadeh, S.,Yeganeh, B. and Emam, Y. 2021. A comparative study of irrigation techniques for energy flow and greenhouse gas (GHG) emissions in wheat agroecosystems under contrasting environments in south of Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 139:110704. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.110704
Kaab, A., Khanali, M., Shadamanfar, S. and Jalalvand, M. 2024.  Assessment of energy audit and environmental impacts throughout the life cycle of barley production under different irrigation systems. Environmental and Sustainability Indicators 22: 100357. https://doi.org/10.1016/j.indic.2024.100357.
Karandish, F. 2021. Socioeconomic benefits of conserving Iran’s water resources through modifying agricultural practices and water management strategies. AMBIO A Journal of the Human Environment. https://www.researchgate.net/publication/350336291
Mekonnen, M. M. and Hoekstra, A. Y. 2011. The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products. Hydrology and Earth System Sciences. 8: 763–809
Mostashari-Rad, F., Ghasemi-Mobtaker, H., Taki, M., Ghahderijani, M., Kaab, A., Chau, K.W. and Nabavi-Pelesaraei, A. 2021. Exergoenvironmental damages assessment of horticultural crops using ReCiPe2016 and cumulative exergy demand frameworks. J. Clean. Prod. 278: 123788.
Pakravan-Charvadeh, M.R., Mohammadi-Nasrabadi, F., Gholamrezai, S., Vatanparast, H., Flora, C. and Nabavi-Pelesaraei, A. 2021. The short-term effects of COVID-19 outbreak on dietary diversity and food security status of Iranian households (a case study in tehran province). J. Clean. Prod. 281: 124537.
Pfister, S., Koehler, A. and Hellweg, S. 2009. Assessing the environmental impacts of freshwater consumption in LCA. Environmental Science and Technology, 43(11): 4098–4104. DOI: 10.1021/es802423e
Pike, A., Rodrıguez-Pose, A. and Tomaney, J. 2016. Local and regional development. Routledge.
Ridoutt, B.G. and Pfister, S. 2010. A revised approach to water footprinting to make transparent the impacts of consumption and production on global freshwater scarcity. Global Environmental Change 20: 113-120.
Saemian, P., Tourian , M.J.,  AghaKouchak, A., Madani, K. and Sneeuw, N.  2022. How much water did Iran lose over the last two decades?. Journal of Hydrology: Regional Studies. 41:101095.
Song, J. and Chen, X. 2019. Eco-efficiency of grain production in China based on water footprints: A stochastic frontier approach. Journal of Cleaner Production. 236:117685.
Taguta,C., Dirwai, T.L., Senzanje, A., Sikka, A. and Mabhaudh, T. 2022. Sustainable irrigation technologies: a water-energy-food (WEF) nexus perspective towards achieving more crop per drop per joule per hectare. Environmental Research
 
Taki, M., Ajabshirchi, Y. and Ghobadifar, A. 2016. Application of nonparametric method for optimization of energy consumption and greenhouse gas emission in wheat production. J. Environ. Sci. Technol. 18(2): 101-114.
UNEP. 2007. Global Environment Outlook GEO 4: Environment for Development; UNEP: Malta.
WCED (World Commission on Environment and Development). 1987. “From One Earth to One World: An Overview”. Oxford: Oxford University Press.
Yuan, S. and Peng, S. 2017. Trends in the economic return on energy use and energy use efficiency in China’s crop production. Renewable and Sustainable Energy Reviews.70:836–844.
Zhuo, L., Mekonnen, M.M., Hoekstra, A.Y. and Wada, Y. 2016. Inter- and intra-annual variation of water footprint of crops and blue water scarcity in the Yellow River basin (1961-2009). Advances in Water Resources. 87: 29-41.