Investigating Water-Energy-Food Nexus in the Production of Summer Agricultural Products in Dehloran County

فصلنامه آب و توسعه پایدار

Article 11, Volume 11, Issue 4 - Serial Number 34, March 2025, Pages 99-114   

Document Type: Applied Article

DOI: 10.22067/jwsd.v11i4.2406-1337

Authors

Ehsan Bahmani; Ali Asghar Mirakzadeh^* ; Shahpar Geravandi; Faranak Karamiyan

Department of Agricultural Extension and Education, Faculty of Agriculture, Razi University, Kermanshah, Iran

Abstract

An integrated perspective between the three sources of water, energy, and food is necessary for agricultural management and policies adapted to climate change in order to prevent anomalies and promote sustainable development. The goal of this study was to examine how Dehloran county's four summer agricultural products—watermelon, sesame, mung, and maize—are produced in relation to the water-energy-food nexus. Farmers were given a questionnaire to complete in order to obtain the necessary data. The questions focused on water and energy consumption, physical and economic energy efficiency, and, lastly, the water-energy-food correlation index (WEFNI) for each product. The findings indicated that the production of summer crops in Dehloran City uses 1167.14 m3.ha-1 of water; watermelon (7641 m3.ha-1) and sesame (994 m3.ha-1) had the highest and lowest respective water consumption. The total energy used in product cultivation was 205093 MJ.ha-1. Maize (103558.85 MJ.ha-1) and sesame (17306.73 MJ.ha-1) had the highest and lowest input energy consumption, respectively. Additionally, the two energy-intensive industries in the agriculture sector are electricity and chemical fertilizers. According to the data, sesame had the highest economic productivity of water (297000Rls.m-3) and energy (17050Rls.MJ-1), while watermelon had the highest physical productivity (6.67 Kg.m-3) and energy (0.90 Kg.MJ-1). The most sustainable product in terms of resource consumption was watermelon (WEFNI = 0.71), while the least stable product was mung beans (WEFNI = 0.035), according to correlation index values. The outcomes of this study can support the region's agricultural industry's sustainable growth by implementing appropriate resource management practices and cultivation patterns.

Keywords

Virtual Water; Local Governance; Crisis Scenario; Isfahan Province

References

احتشامی، مجید، قدیمی، حامد، و قدیمی، آرش. (1394). راهبرد مدیریت یکپارچه آب و انرژی در تأمین امنیت آبی در شرایط خشکسالی. فصلنامه راهبرد اجتماعی فرهنگی، 4(15)، 39-64. dor: 20.1001.1.22517081.1394.4.2.2.2
اروندی، سمانه، زارع، عباس، و افشار اصل، محمد. (1400). همبست آب، غذا و انرژی در سامانه‌‏های نوین آبیاری. فصلنامه علمی تخصصی مهندسی آب، 9(4)، 55-66. https://journals.iau.ir/article_687578.html
اسلامی، زینب، جنت رستمی، سمیه، اشرف‏زاده، افشین و پورمحمد، یاور. (1399). تأثیر رویکرد همبستی آب، انرژی و غذا در مدیریت یکپارچه منابع آب شبکه آبیاری و زهکشی سفیدرود. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 34(1)، 11-25. https://doi.org/10.22067/jsw.v34i1.81897
امیرزاده مرادآبادی، سمیرا، ضیایی، سامان، مهرابی بشرآبادی، حسین، و کیخا، احمد علی. (1399). تأثیر پایداری کشاورزی بر امنیت غذایی خانوارهای شهری ایران: تحلیل فضایی در سطح استانی. اقتصاد کشاورزی و توسعه، 28(2)، 25-48. doi: 10.30490/AEAD.2020.262222.1005
امینی، شروین، و رونده، هادی. (1394). بررسی و تعیین شاخص‏‌‏های انرژی برای تولید هندوانه و ارائه مناسب‌‏ترین مزرعه با استفاده از تحلیل سلسله مراتبی، مطالعه موردی: شهرستان کنارک. اولین کنگره سالیانه جهان و بحران انرژی. موسسه عالی علم و صنعت حکیم عرفی، شیراز، ایران.
امینی، عباس، نوری، سیدهدایت‌‏الله، و اصلانی سنگده، بیتا. (1394). ارزیابی و سنجش پایداری زراعت برنج با استفاده از روش‌‏های تصمیم‌‏گیری چند معیاره (مورد مطالعه: شهرستان رضوانشهر). مجله علوم ترویج و آموزش کشاورزی ایران، 11(1)، 101-126.  dor: 20.1001.1.20081758.1394.11.1.8.2
آزادی، یونس، و بیک محمدی، حسن. (1390). تحلیلی بر شاخص‌های توسعه کشاورزی در شهرستان‌های استان ایلام. فصلنامه جغرافیا و مطالعات محیطی، 1(1)، 43-59. https://journals.iau.ir/article_550436.html
بوگری، عیسی، آسودار، محمدامین، مرزبان، افشین، و کاظمی، نواب. (1399). بررسی کارایی مصرف آب، بهره‌وری انرژی، اقتصادی و عملکرد سیستم‌‏های مختلف کشت گندم-ذرت در شمال خوزستان. نشریه علمی پژوهشی دانش کشاورزی و تولید پایدار، 30(4)، 295-310. https://civilica.com/doc/1592507
بیات، ناصر، رستگار، ابراهیم، و عزیزی، فاطمه. (1390). حفاظت محیط‏زیست و مدیریت منابع خاکی روستایی در ایران. فصلنامه برنامه‌‏ریزی منطقه‏‌ای، 1(2)، 63-78.  https://jzpm.marvdasht.iau.ir/article_962.html
جلینی، محمد، کریمی، محمد، ذوالفقاران، اردلان، و فاضلی کاخکی، سیدفاضل. (1400). بررسی آلودگی خاک به نیترات و تجمع نیترات در محصول سیب‏‏‌زمینی و گوجه فرنگی در مزارع کشاورزان دشت مشهد. نشریه علمی پژوهش‌‏های خاک، 35(2)، 172-155. doi: 10.22092/ijsr.2021.351417.543
خیرالهی، محبوبه. (1399). تبیین سازوکارهای توسعه کشاورزی چندکارکردی در شهرستان دهلران. رساله دکتری، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران. 
رحیمی‏کیا، مرتضی، و عمادی، باقر. (1389). بررسی و تعیین شاخص‌‏های کارایی انرژی برای تولید کنجد در منطقه جنوب استان فارس (مطالعه موردی: شهرستان لامرد). ششمین کنگره ملی مهندسی ماشین‏‌های کشاورزی و مکانیزاسیون. سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران. https://civilica.com/doc/156053
روحانی، حسین، قربانی، محمد، و کهنسال، محمدرضا. (1400). تحلیل عوامل مؤثر بر توسعه پایدار کشاورزی در استان خراسان رضوی: کاربرد معادلات رگرسیون به ظاهر نامرتبط. مجله تحقیقات اقتصاد و توسعه کشاورزی ایران، 52(1)، 33-52. https://doi.org/10.22059/ijaedr.2021.308780.668977
زکی، یاشار، و شیراوند، صارم. (1400). تبیین رویکرد همبست در مناسبات هیدرو پلیتیک منطقه آسیای مرکزی. فصلنامه مطالعات آسیای مرکزی و قفقاز، 27(114)، 63-34. http://ca.ipisjournals.ir/article_247322.html
سازمان جهاد کشاورزی استان ایلام. (1401). آمارنامه کشاورزی سال 1401 استان ایلام. ایلام، ایران.
سیدان، سیدمحسن، و متقی، مهدی. (1398). تعیین بهره‌‏‏وری فیزیکی و اقتصادی آب در زراعت ذرت دانه‌ای و علوفه‌ای تحت سامانه‌های آبیاری مدرن و سنتی در استان همدان. آب و توسعه پایدار، 6(1)، 1-8. https://doi.org/10.22067/jwsd.v6i1.69891
صادقی، سیدحمیدرضا، شریفی مقدم، احسان، دلاور، مجید، و ضرغامی، مهدی. (1399). کاربست همبست آب، غذا و انرژی در مدیریت منابع آب کشاورزی در حوزه آبخیز شازند. چهاردهمین همایش ملی علوم و مهندسی آبخیزداری در ایران. دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران. https://civilica.com/doc/1011934
عزیزپناه، امیر، فتحی، رستم، و یوسفی‏ نژاد، شکوفه. (1399). ارزیابی شاخص‏‌های اقتصادی، انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌‏ای در تولید هندوانه (مطالعه موردی: استان ایلام). نشریه تولید گیاهان زراعی، 13(2)، 37-50. https://doi.org/10.22069/ejcp.2020.17613.2297
غلامحسینی، مجید، اسدی، هرمز، و داوودی، محمدحسین. (1401). تعیین بهره‌‏وری فیزیکی و اقتصادی آب و نیتروژن در تولید کنجد. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 16(4)، 841-851. https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.20087942.1401.16.4.12.5
کرمیان، فرانک. (1400). توسعه مدل کشاورزی ایدار در دهستان میادربند با رویکرد همبست آب-انرژی-غذا. رساله دکتری، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران. 
کرمیان، فرانک، میرک‌‏زاده، علی‏اصغر، و آذری، آرش. (1400). تحلیل میزان مصرف آب و انرژی و اثرات محیط‏زیستی تولید محصولات کشاورزی در دشت میاندربند استان کرمانشاه. نشریه بوم‌شناسی کشاورزی، 14(4)، 712-693. https://doi.org/10.22067/agry.2021.67227.0
کوچکی، علیرضا، نصیری محلاتی، مهدی، مرادی، روح‏الله، و منصوری، حامد. (1392). پهنه‏‌بندی وضعیت توسعه کشاورزی پایدار در ایران و ارائه راهبردهای پایداری. نشریه دانش کشاورزی و تولید پایدار، 23(4)، 179-197. https://sustainagriculture.tabrizu.ac.ir/article_800.html
گودرزی، محمدرضا، پیریائی، رضا، و موسوی، میررحیم. (1399). درک پیوند آب-غذا-انرژی و مدیریت برای بهره‌‏وری از منابع آب موجود. نشریه آب و خاک، 34(2)، 255-268. https://doi.org/10.22067/jsw.v34i2.78589
گورویی، آرام، آینه بند، امیر، و راهنما، افراسیاب. (1399). تأثیر نظام‏‌های کشاورزی رایج، پایدار و زیستی بر عملکرد دانه و کارآیی استفاده از انرژی در گیاهان کنجد، ماش و ذرت. تولیدات گیاهی، 47(2)، 179-193.  https://doi.org/10.22055/ppd.2020.32356.1871
محمدی، سلیم، و میسمی، محمدعلی. (1400). الگوی مصرف انرژی در تولید ذرت دانه‌‏ای در ایران. نشریه مکانیزاسیون کشاورزی، 6(1)، 49-55. https://doi.org/10.22034/jam.2021.13121
مرکز آمار ایران. (1395). نتایج تفصیلی گزارش آب و هوای ایران. ایلام، ایران. 
مریدالسادات، پگاه، رکن‏‌الدین افتخاری، عبدالرضا، پورطاهری، مهدی، و شعبانعلی فمی، حسین. (1397). تحلیل پایداری سیاست‏‌های کلان و بخشی کشاورزی در برنامه‌‏های پنج ساله جمهوری اسلامی ایران. مجله تحقیقات اقتصاد و توسعه کشاورزی، 49(1)، 43-58. https://doi.org/10.22059/ijaedr.2018.66035
مفاخری، صلاح، ویسی، هادی، خوشبخت، کورس، و نظری، محمدرضا. (1400). ارزیابی پایداری پیوند سیستم‌‏های آب-انرژی - غذا در محصولات کشاورزی (مطالعه موردی: شهرستان دهگلان). فصلنامه علوم محیطی، 19(4)، 287-306. https://doi.org/10.52547/envs.2021.222630.1078
یوسفی، محمد، و مهدوی دامغانی، عبدالمجید. (1392). بررسی بهره‏‌وری مصرف آب و انرژی در بوم نظام‏‌های فاریاب استان کرمانشاه. نشریه بوم‌شناسی کشاورزی، 5(2)، 113-121.  https://doi.org/10.22067/jag.v5i2.24462
Ahmad, A., & Khan, S. (2009). On comparison of water and energy productivities in pressurized irrigation systems. 18th World IMACS/ MODSIM Congress. Cairns, Australia.  
Akcaoz, H., Ozcatalbas, O., & Kizilay, H. (2009). Analysis of energy use for pomegranate production in Turkey. Journal of Food Agriculture and Environment, 7, 475-480. https://doi.org/10.1016/j.inpa.2017.10.002
Alluvione, F., Moretti, B., Sacco, D., & Grignani, C. (2011). EUE (energy use efficiency) of cropping systems for a sustainable agriculture. Energy, 36, 4468-4481. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.03.075
Al-Said, F.A., Ashfaq, M., Al-Barhi, M., Hanjra, M.A., & Khan, I. (2012). Water productivity of vegetables under modern irrigation methods in Oman. Irrigation and Drainage, 61(4), 477-489. https://doi.org/10.1002/ird.1644
Buttinelli, R., Cortignani, R., & Caracciolo, F. (2024). Irrigation water economic value and productivity: An econometric estimation for maize grain production in Italy. Agricultural Water Management, 295, 108757. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2024.108757
Canakci, M., Topakci, M., Akinci, I., & Ozmerzi, A. (2005). Energy use pattern of some field crops and vegetable production: Case study for Antalya Region, Turkey. Energy Conversion and Management, 46(4), 655–666. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2004.04.008
Cansino-Loeza, B., & Ponce-Ortega, J.M. (2021). Sustainable assessment of Water-Energy-Food Nexus at regional level through a multi-stakeholder optimization approach. Journal of Cleaner Production, 290, 125194. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125194
Chamas, Z., Abou Najm, M., Al-Hindi, M., Yassine, A., & Khattar, R. (2021). Sustainable resource optimization under water-energy-food-carbon nexus. Journal of Cleaner Production, 278, 123894. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123894
Chiun, L.P., & Hwong, W. (2020). Evaluating the environmental impacts of the water-energy-food nexus with a life-cycle approach. Resources, Conservation and Recycling, 157, 104789. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.104789
Dupar, M., & Oates, N. (2012). Getting to grips with the water–energy–food ‘nexus’. Climate and Development Knowledge Network. London, England. 
Elbehri, A., & Sadiddin, A. (2016). Climate change adaptation solutions for the green sectors of selected zones in the MENA region. Future of Food: Journal on Food, Agriculture and Society, 4(3), 39-54. http://thefutureoffoodjournal.com/index.php/FOFJ/article/view/79
El-Gafy, I. (2017). Water–food–energy nexus index: analysis of water-energy-food nexus of crop's production system applying the indicators approach. Applied Water Science, 7, 2857–2868. https://doi.org/10.1007/s13201-017-0551-3
Enyew, A., Tewabe, D., & Tsige, A. (2020). Determining the irrigation regime of watermelon at Koga and Rib irrigation schemes in Amhara Region, Ethiopia. Cogent Food & Agriculture, 6(1), 1730108, 1-11. https://doi.org/10.1080/23311932.2020.1730108
Erdal, G., Esengun, K., Erdal, H., & Gunduz, O. (2007). Energy use and economical analysis of sugar beet production in Tokat province of Turkey. Energy, 32(1), 35–41. https://doi.org/10.1016/j.energy.2006.01.007
Fabiani, S., Vanino, S., Napoli, R., & Nino, P. (2020). Water energy food nexus approach for sustainability assessment at farm level: An experience from an intensive agricultural area in central Italy. Environmental Science & Policy, 104, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2019.10.008
 Fan, X., Zhang, W., Chen, W., & Chen, B. (2020). Land–water–energy nexus in agricultural management for greenhouse gas mitigation. Applied Energy, 265, 114796, 1-11. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114796
Fuentes, C., Enciso, J., Nelson, S.D., Anciso, J., Setamou, M., & Elsayed-Farag, S. (2018). Yield production and water use efficiency under furrow and drip irrigation systems for watermelon in South Texas. Subtropical Agriculture and Environments, 69, 1-7. doi: 10.13140/RG.2.2.19605.42720
Hama-Aziz, Z.Q., Mustafa, R.A., & Neima, H.A. (2023). Water productivity of mulched and drip irrigated watermelon in Kurdistan Region of Iraq. Research Square, 4, 1-13. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2887425/v1
Jat, H.S., Jat, R.D., Nanwal, R.K., Lohan, S.K., Yadav, A.K., Poonia, T., Sharma, P.C., & Jat, M.L. (2020). Energy use efficiency of crop residue management for sustainable energy and agriculture conservation in NW India. Renewable Energy, 155, 1372–1382. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.04.046
Juwana, I., Muttil, N., & Perera, C. (2012). Indicator-based water sustainability assessment—a review. Science of The Total Environment, 438, 357–371. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.08.093
Karamian, F., Mirakzadeh, A.A., & Azari, A. (2021). The water-energy-food nexus in farming: Managerial insights for a more efficient consumption of agricultural inputs. Sustainable Production and Consumption, 27, 1357–1371. https://doi.org/10.1016/j.spc.2021.03.008
Karamian, F., Mirakzadeh, A.A., & Azari, A. (2023). Application of multi-objective genetic algorithm for optimal combination of resources to achieve sustainable agriculture based on the water-energy-food nexus framework. Science of The Total Environment, 860, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160419
Khalifa, R.M. (2020). Effect of different irrigation water levels and bio-minerals fertilization on fruit yield, quality and water productivity of watermelon grown on sandy soil, Egypt. Egyptian Journal of Soil Science, 60(3), 231–246. https://doi.org/10.21608/ejss.2020.29343.1355
Krejci, R., & Morgan, D. (1970). Determining sample size for research activities. Educational and Psychological Measurement, 30(3), 607-610. https://doi.org/10.1177/001316447003000308
Lee, S.H., Choi, J.Y., Hur, S.O., Taniguchi, M., Masuhara, N., Kim, K.S., Hyun, S., Choi, E., Sung, J.h., & Yoo, S.H. (2020). Food-centric interlinkages in agricultural food-energy-water nexus under climate change and irrigation management. Resources, Conservation and Recycling, 163, 105099. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.105099
Li, Y., Liu, C., Zhang, L., & Luo, S. (2016). How smallholder farmers adapt to agricultural drought in achanging climate: A case study in southern China. Land Use Policy, 55, 300-308. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2016.04.012
Liu, J., Zehnder, A.J.B., & Yang, H. (2008). Drops for crops: Modelling crop water productivity on a global scale. Global Nest Journal, 10(3), 295-300. https://doi.org/10.30955/gnj.000486
M.El-Marsafawy, S., Swelam, A., & Ghanem, A. (2018). Evolution of crop water productivity in the Nile Delta over three decades (1985–2015). Water, 10, 1168. https://doi.org/10.3390/w10091168
Mohamoud, M.A., Abdalla , A.S., Elhag , M.M, & Yousif, L.A. (2019). Estimation of Water Requirement and Water Productivity of Sesame Crop (Sesamum indicum L.) in Dryland Areas of Sennar State, Sudan. Sudan Juornal Des. Reserch, 11(1), 1-16.
Pekarou Pemi, B.A., Njomo, D., Tchinda, R., Calvin Seutche, J., Zambou Kenfack, A., Babikir, M.H., & Chara-Dackou, V.S. (2023). Sectoral Assessment of Energy, Water, Waste and Land Nexus in the Sustainability of Agricultural Products in Cameroon. Sustainability, 16(2), 565, 1-31. https://doi.org/10.3390/su16020565
Sánchez, J.A., Reca, J., & Martínez, J. (2015). Water productivity in a Mediterranean semi-arid greenhouse district. Water Resources Management, 29, 5395–5411. https://doi.org/10.1007/s11269-015 1125-5
Schindler, J., Greaf, F., Konig, H.j., Mchau, D., Paul Saidia, D., & Sieber, S. (2016). Sustainability impact assessment to improve food security of small holders in tanzania. Environ. Environmental Impact Assessment Review, 60, 52-63. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2016.04.006
Smith, C., Petty, B., & Hill, P. (2009). Work Ethic Characteristics: Perceivedwork ethics of supervisors and workers, Journal of STEM Teacher Education, 42(2), 1210-1228. https://ir.library.illinoisstate.edu/jste/vol42/iss2/2
Tarkalson, D.D., King, B.A., & Bjorneberg. D.L. (2022). Maize grain yield and crop water productivity functions in the arid Northwest U.S. Agricultural Water Management, 264, 107513. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2022.107513
Umar, H.S., & Ibrahim, H.Y. (2012). Energy use and gross margin analysis for sesame production in organic and inorganic fertilizer user farms in Nigeria. African Crop Science Journal, 20(1), 39-45. https://www.ajol.info/index.php/acsj/article/view/78606
Van Halsema, G.E., & Vincent, L. (2012). Efficiency and productivity terms for water management: A matter of contextual relativism versus general absolutism. Agricultural Water Management,108, 9-15. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2011.05.016
Vazifedoust, M., Van Dam, J.C., Feddes, R.A., & Feizi, M. (2008). Increasing water productivity of irrigated crops under limited water supply at field scale. Agricultural Water Management, 95, 89-102. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2007.09.007
Vito, R., Portoghese, I., Pagano, A., Fratino, U., & Vurro, M. (2017). An index-based approach for the sustainability assessment of irrigation practice based on the Water-Energy-Food Nexus framework. Advances in Water Resources, 110, 423-436. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2017.10.027
Yousefi, M., Damghani, A., & Khoramivafa, M. (2016). Comparison greenhouse gas (GHG) emissions and global warming potential (GWP) effect of energy use in different wheat agroecosystems in Iran. Environmental Science and Pollution Research, 23(8), 7390–7397. doi: 10.1007/s11356-015-5964-7
Yu, L., Xiao, Y., Zeng, X.T., Li, Y.P., & Fan, Y.R. (2020). Planning water-energy-food nexus system management under multi-level and uncertainty. Journal of Cleaner Production, 251, 119658. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119658