بررسی مؤلفه‌های انرژی و اثرات زیست‌محیطی در سامانه‌های مختلف زراعی تولید برنج (Oryza sativa L.) با استفاده از روش ارزیابی چرخه‌ زندگی در مازندران

بوم شناسی کشاورزی

مقاله 4، دوره 14، شماره 3 - شماره پیاپی 53، مهر 1401، صفحه 429-448   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/agry.2021.68179.1010

نویسندگان

زهرا صابر¹؛ محمدعلی اسماعیلی²؛ همت اله پیردشتی^{* 3}؛ علی متولی⁴؛ اشکان نبوی پله سرائی⁵

¹دانشکده علوم زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

²دانشکده علوم زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

³پژوهشکده ژنتیک و زیست‌فناوری کشاورزی طبرستان، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

⁴گروه مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

⁵گروه مهندسی مکانیزاسیون کشاورزی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران

چکیده

برنج (Oryza sativa L.) به‌عنوان دومین محصول راهبردی پس از گندم، از جمله مهم‌ترین گونه­های غلات در سراسر دنیا به‌شمار می­رود. با توجه به افزایش نهاده­های مصرفی در سامانه­های متداول برنج، کنترل شیمیایی علف­های هرز، آفات و بیماری­های برنج و به تبع آن افزایش هزینه­های مصرفی، آسیب­های جبران‌ناپذیر زیست‌محیطی این دست از سامانه­ها، همواره بر لزوم توجه هر چه بیشتر به سامانه­های جایگزین از جمله کم‌نهاده و ارگانیک می­افزاید. این پژوهش در مزارع برنج واقع در استان مازندران در شهرستان­های بابل، فریدون­کنار و آمل به‌عنوان قطب­های تولید برنج استان مازندران در سال 1398 انجام شد. هر یک از سامانه­های مورد نظر به لحاظ مؤلفه­های انرژی و اثرات زیست­محیطی بررسی شدند. در این پژوهش، اثرات زیست‌محیطی تولید برنج در سامانه­های گوناگون زراعی با استفاده از روش ارزیابی چرخه زندگی (LCA) و همچنین بررسی مؤلفه­های انرژی و بهره­وری انرژی در این سامانه­ها طبقه­بندی و کمّی­سازی شده است. برای ارزیابی نشر گازهای گلخانه­ای و مصرف انرژی در شالی‌زارها، اطلاعات مورد نیاز به‌صورت مصاحبه از تعداد 212 شالی­کار با وسعت یک هکتار زمین زراعی گردآوری و مورد بررسی قرار گرفت. یافته­های این پژوهش نشان داد که حداکثر میزان انرژی ورودی معادل 42/60225 مگاژول بر هکتار در سامانه­های متداول و حداقل مقادیر آن معادل 14/18662 مگاژول بر هکتار به سامانه ارگانیک تعلق یافت. انرژی ورودی سوخت دیزل بیشترین سهم را در کل انرژی­های ورودی دارا بود. بالاترین میزان بهره­وری انرژی 17/0 کیلوگرم بر مگاژول و نسبت انرژی 57/2 به سامانه ارگانیک اختصاص یافت. همچنین، ارزیابی چرخه­ی زندگی در تولید برنج نشان داد در گروه­ تأثیر زیست‌محیطی گرمایش جهانی با روش CML2 baseline به‌ازای تولید هر تن شلتوک در سامانه­های متداول، کم‌نهاده و ارگانیک به‌ترتیب در حدود 90/2408، 85/1777 و 79/1193 کیلوگرم دی­اکسیدکربن معادل به اتمسفر انتشار می­یابد. انتشارات مستقیم ناشی از فعالیت­های درون مزرعه­ای در هر سه سامانه مورد مطالعه سهم عمده و اصلی را در افزایش گرمایش جهانی داشته­اند. منشأ این نوع آلایندگی­ها احتراق دیزل مصرفی در ادوات کشاورزی و ماشین­آلات و نیز انتشار دی‌اکسید نیتروژن، اکسیدهای نیتروژن­دار و دیگر ترکیبات نیتروژن­دار حاصل از مصرف کود نیتروژن می­باشند. همچنین، نتایج نشان داد در جمع کل انتشارات، سامانه متداول بیشترین میزان انتشارات را داشته است و بعد از آن سامانه کم­نهاده در جایگاه بعدی قرار دارد. بر اساس یافته­ها، دو سامانه ارگانیک و کم‌نهاده به لحاظ زیست­محیطی از اثرات منفی کمتری برخودار هستند. در این راستا، می­توان از راهبردهای پایدار اکولوژیک از جمله کاهش خاک­ورزی، استفاده از کودهای آلی و بیولوژیک به‌منظور کاهش اثرات زیست‌محیطی ناشی از مصرف بیش از حد نهاده­ها به‌ویژه در سامانه­های متداول بهره گرفت.

کلیدواژه‌ها

ارزیابی چرخه زندگی؛ شلتوک؛ سامانه ارگانیک؛ سامانه کم‌نهاده؛ کارایی مصرف انرژی؛ کیفیت اکوسیستم

مراجع

AghaAlikhani, M.., Kazemi Poshtmasari, H. and Habibzadeh, F., 2013. Energy use pattern in rice production: A case study from Mazandaran province. Iran. Energy Conversion and Management 69: 157-162. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.01.034

Bacenetti, J., Fusi, A., Negri, M., Bocchi, S., and Fiala, M., 2016. Organic production systems: Sustainability assessment of rice in Italy. Agriculture, Ecosystem and Environment 225: 33–44. https://doi.org/10.1016/j.agee.2016.03.046

Banaeian, N., and Zangeneh, M., 2011. Study on energy efficiency in corn production of Iran. Energy 36: 5394-5402. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.06.052

Baruah, D., and Dutta, P., 2007. An investigation into the energy use in relation to yield of rice (Oryza sativa) in Assam, India. Agriculture, Ecosystems and Environment 120: 185-191. https://doi.org/10.1016/j.agee.2006.09.003

Bautista E.G., and Minowa T., 2010. Analysis of the energy for different rice production systems in the Philippines. The Philippine Agricultural Scientist 93(3): 346-57.

Blengini, G.A., and Busto, M., 2009. The life cycle of rice: LCA alternative agri-food chain management systems in Vercelli (Italy). Journal of Environmental Management 90(3): 1512-22. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2008.10.006

Bockari-Gevao, S.M., Bin Wan Ismail, W.I., Yahya, A., and Wan, C.C., 2005. Analysis of energy consumption in lowland rice-based cropping system of Malaysia. Songklanakarin Journal of Science and Technology 27(4): 820-826.

Brentrup, F., Küsters, J., Kuhlmann, H., and Lammel, J., 2004 a. Environmental impact assessment of agricultural production systems using the life cycle assessment methodology: I. Theoretical concept of a LCA method tailored to crop production. European Journal of Agronomy 20(3): 247-264.  https://doi.org/10.1016/S1161-0301(03)00024-8

Brentrup, F., Küsters, J., Lammel, J., Barraclough, P., and Kuhlmann, H., 2004 b. 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. https://doi.org/10.1016/S1161-0301(03)00039-X

Chamsing, A., Salokhe, V.M., Gajendra, S., 2006. Energy consumption analysis for selected crops in different regions of Thailand. Agricultural Engineering International: The CIGR E Journal 2006: 8.

Chauhan, N.S., Mohapatra, P.K.J., and Pandey, K.P., 2006. Improving energy productivity in paddy production through bench markingd an application of data envelopment analysis. Energy Conversion and Management 47: 1063-85. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.07.004

Dalgaard, T., Halberg, N., and Fenger, J., 2000. Fossil energy use and emissions of greenhouse gases – three scenarios for conversion to 100% organic farming in Denmark. In: E. Van Lerland, A.Q. Lansink, and E. Schmieman. (Eds.), Proceedings of the International Conference on Sustainable Energy: New Challenges for Agriculture and Implications for Land Use, Wageningen, The Netherlands. Chapter 7.2.1, 11 p.

Erdal, G., Esengun, K., Erdal, H., and Gunduz, O., 2007. Energy use and economical analysis of sugar beet production in Tokat province of Turkey. Energy 32: 35–41. https://doi.org/10.1016/j.energy.2006.01.007

Eskandari Cherati, F., Bahrami, H., and Asakereh, A., 2011. Energy survey of mechanized and traditional rice production system in Mazandaran Province of Iran. African Journal of Agricultural Research 6(11): 2565-70. DOI: 10.5897/AJAR11.516

Eskandari, H., and Attar, S., 2015. Energy comparison of two rice cultivation systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 42: 666-671. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.10.050

Esitken, A., Ercisli, S., Karlidag, H., and Sahin, F., 2005. Potential use of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) in organic apricot production. In: Proceedings of the international scientific conference of environmentally friendly fruit growing, Tartu-Estonia pp. 90–97.

Esengun, K., Gunduz, O., and Erdal, G., 2007. Input–output energy analysis in dry apricot production of Turkey. Energy Conversation Management 48: 592–598. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2006.06.006

FAO., 2018. FAO statistical year book, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.

Fangueiro, D., Becerra, D., Albarrán, Á., Peña, D., Sanchez-Llerena, J., Rato-Nunes, J.M., and López-Piñeiro, A., 2017. Effect of tillage and water management on GHG emissions from Mediterranean rice growing ecosystems. Atmospheric Environment 150: 303-312. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.11.020

Finkbeiner, M., Inaba, A. Tan, R., Christiansen, K., and Klüppel, H.J., 2006. The new international standards for life cycle assessment: ISO 14040 and ISO 14044. International Journal of Life Cycle Assessment 11(2): 80-85.

Gajaseni, J., 1995. Energy analysis of wetland rice systems in Thailand. Agriculture, Ecosystems and Environment 52: 173e8. https://doi.org/10.1016/0167-8809(94)00536-N

Hatcho, N., Matsuno, Y., Kochi, K., and Nishishita, K., 2012. Assessment of environment-friendly rice farming through life cycle assessment (LCA). Chiang Mai University. Journal of Natural Science 11: 403–408.

He, X., Qiao, Y., Liang, L., Knudsen, M.T., and Martin, F., 2018. Environmental life cycle assessment of long-term organic rice production in subtropical China. Journal of Cleaner Production 176: 880-888. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.12.045

Heijungs, R., Guiné e, J.B., Huppes, G., Lankreijer, R.M., Udo de Haes, H.A., Wegener Sleeswijk, A., Ansems, A.M.M., Eggels, P.G., Van Duin, R., de Goede, H.P., 1992. Environmental life cycle assessment of productsÐBackgrounds and Environmental life cycle assessment of productsÐGuide. CML, TNO, B&G, Leiden.

Hokazono, S., Hayashi, K., and Sato, M., 2009. Potentialities of organic and sustainable rice production in Japan from a life cycle perspective. Agronomy Research 7 (Special issue I): 257–262.

Hokazono, S., and Hayashi, K., 2012. Variability in environmental impacts during conversion from conventional to organic farming: A comparison among three rice production systems in Japan. Journal of Cleaner Production 28: 101-112. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.12.005

Hokazono, S., and Hayashi, K., 2015. Life cycle assessment of organic paddy rotation systems using land and product-based indicators: a case study in Japan. The International Journal of Life Cycle Assessment 20(8): 1061–1075.

Kazemi, H., Kamkar, B., Lakzaei, S., Badsar, M., and Shahbyki, M., 2015. Energy flow analysis for rice production in different geographical regions of Iran. Energy 84: 390-396. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.03.005

Khan, M.A., Awan, I.U., and Zafar, J., 2009. Energy requirement and economic analysis of rice production in the western part of Pakistan. Soil and Environmental 28(1): 60-70.

Khorramdel, S., Shabahang, J., and Amin­ Ghafouri., A., 2017. Evaluation of environmental impacts for Rice agroecosystems using Life Cycle Assessment (LCA). Iranian Journal of Applied Ecology 5(18): 1-14 (In Persian). DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.18.1

Kizilaslan, H., 2009. Input-output energy analysis of cherries production in Tokat Province of Turkey. Applied Energy 86: 1354-1358. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.07.009

Koga, N., and Tajima, R., 2011. Assessing energy efficiencies and greenhouse gas emissions under bioethanol-oriented paddy rice production in northern Japan. Journal of Environmental Management 92: 967-973. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.11.008

IPCC. 2006. IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. 2 Inst Glob Environ Strateg Hayama, Japan.

ISO, 1997. ISO 14040-Environmental management-Life cycle assessment-principles and framework. p. 14.

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. Journal of Cleaner Production 278: 123788. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123788

Mohammadi, A., Rafiee, S., Jafari, A., Keyhani, A., Dalgaard, T., Trydeman Knudsen, M., Nguyen, T., Borek, R., and Hermansen, J.E., 2015. Joint life cycle assessment and data envelopment analysis for the benchmarking of environmental impacts in rice paddy production. Journal of Cleaner Production 106: 521-532. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.05.008

Mousavi-Avval, S.H., Rafiee, S., Jafari, A., and Mohammadi, A., 2011. Improving energy use efficiency of canola production using data envelopment analysis (DEA) approach. Energy 36: 2765-2772. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.02.016

Nabavi-Pelesaraei, A., Rafiee, S., Mohtasebi, S.S., Hosseinzadeh-Bandbafha, H. and Chau, K.W., 2018. Integration of artificial intelligence methods and life cycle assessment to predict energy output and environmental impacts of paddy production. Science of the Total Environment 631: 1279-1294. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.088

Nabavi-Pelesaraei, A., Rafiee, S., Mohtasebi, S.S., Hosseinzadeh-Bandbafha, H., and Chau, K.W., 2019. Comprehensive model of energy, environmental impacts and economic in rice milling factories by coupling adaptive neuro-fuzzy inference system and life cycle assessment. Journal of Cleaner Production 217: 742-756. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.01.228

Nassiri, M.S., and Singh, S., 2009. Study on energy use efficiency for paddy crop using data envelopment analysis (DEA) technique. Applied Energy 86: 1320-1325. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.10.007

Nemecek, T., Kägi, T., and Blaser, S., 2007. Life cycle inventories of agricultural production systems. Final report ecoinvent v2. 0 No 15. https://db.ecoinvent.org/

Nemecek, T., Huguenin-Elie, O., Dubois, D., Gaillard, G., Schaller, B., and Chervet, A., 2011. Life cycle assessment of Swiss farming systems: II. Extensive and intensive production. Agricultural System 104: 233-245. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2010.07.007

Ovtit-Canavate, J., and Hernanz, J.L., 1999. Energy analysis and saving. In CIGR Handbook of Agricultural Engineering. Energy and Biomass Engineering. ASAE Publication. MI., p. 13-23.

Ozkan, B, Fert, C, and Karadeniz, F., 2007. Energy and cost analysis for greenhouse and open-field grape production. Energy 32: 1500e4. https://doi.org/10.1016/j.energy.2006.09.010

Ozkan, B., Akcaoz, H., and Fert, C., 2011. Energy inputs and crop yield relationships in greenhouse winter crop tomato production. Renewable Energy 36(11): 3217-3221. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.03.042

Pennington, D.W., Potting, J., Finnveden, G., Lindeijer, E., Jolliete, O., Rydberg, T., and Rebitzer, G., 2004. Life cycle assessment Part 2: Current impact assessment practice. Environmental. International 30: 721–739.

Pishgar-Komleh, S.H., Sefeedpari, P., and Rafiee, S., 2011. Energy and economic analysis of rice production under different farm. Energy 36: 5824-5831. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.08.044

Rathke, G.W., and Diepenbrock, W., 2006. Energy balance of winter oil seed rape cropping as related to nitrogen supply and preceding crop. European Journal of Agronomy 24: 35-44. https://doi.org/10.1016/j.eja.2005.04.003

Rebitzer, G., Ekvall, T., Frischknecht, R., Hunkeler, D., Norris, G., Rydberg, T., Schmidt, W., Suh, S., Weidema, B.P., and Pennington, D.W., 2004. Life cycle assessment. Part 1: Framework, goal and scope definition, inventory analysis, and applications. Environmental International 30: 701-720. https://doi.org/10.1016/j.envint.2003.11.005

Risoud, B., 2000. Energy efficiency of various French farming systems: Questions and sustainability. In: International Conference on Sustainable Energy: New Challenges for Agriculture and Implications for Land Use, Organized by Wageningen University, Netherlands, May PP: 18-20.

Saenjan, P., and Saisompan, C., 2004. Economic return of rice production from methane mitigated rice yields. Agriculture 20(3): 259-271.

Sahle, A., and Potting, J., 2013. Environmental life cycle assessment of Ethiopian rose cultivation. Science of the Total Environment 443: 163-172. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.10.048

Salami, P., and Ahmadi, H., 2010. Energy inputs and outputs in a chickpea production system in Kurdistan, Iran. African Crop Science Journal 18(2): 51-57. DOI: 10.4314/acsj.v18i2.65796

Schröder, J.J., Aarts, H.F.M., Ten Berge, H.F.M., Van Keulen, H., and Neeteson, J.J., 2003. An evaluation of whole farm nitrogen balances and related indices for efficient nitrogen use. European Journal of Agronomy 20: 33-44. https://doi.org/10.1016/S1161-0301(03)00070-4

Steiner, A., Martonakova, H., and Guziova, Z., 2003. Environmental Governance Sourcebook. Bratislava, Slovakia: UNDP Regional Bureau for Europe and the Commonwealth of Indepencent States.

Tabatabaie, S.M.H., Rafiee, S., Keyhani, A., and Ebrahimi, A., 2013. Energy and economic assessment of prune production in Tehran province of Iran. Journal of Cleaner Production 39: 280-284. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.07.052

Truong, T.T.A., Fry, J., Van Hoang, P., and Ha, H.H., 2017. Comparative energy and economic analyses of conventional and System of Rice Intensification (SRI) methods of rice production in Thai Nguyen Province, Vietnam. Paddy and Water Environment1 5(4): 931-941.

Xu, X., Zhang, B., Liu, Y., Xue, Y., and Di, B., 2013. Carbon footprints of rice production in five typical rice districts in China. Acta Ecologica Sinica 33: 227-232. https://doi.org/10.1016/j.chnaes.2013.05.010

Yodkhum, S., Gheewala, S.H., and Sampattagul, S., 2017. Life cycle GHG evaluation of organic rice production in northern Thailand. Journal of Environmental Management 196: 217-223. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.03.004

Yousefi, M., Khoramivafa, M. and Damghani, A.M., 2017. Water footprint and carbon footprint of the energy consumption in sunflower agroecosystems. Environmental Science and Pollution Research 24: 19827-19834.

Yousefi, M., and Mohammadi, A., 2011. Economical analysis and energy use efficiency in alfalfa production systems in Iran. Scientific Research and Essays 6: 2332–2336. DOI: 10.5897/SRE11.015

Yuan, S., and Peng, S., 2017. In put-output energy analysis of rice production in different crop management practices in central China. Energy 141: 1124-1132. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.10.007