اصلاح الگوی کشت در چارچوب کشاورزی اقلیم-هوشمند و نقش آن در مدیریت پایدار منابع آب: کاربرد مدل برنامه ریزی چندهدفه و پویایی شناسی سیستم

رنجبر, مجید; موسوی, سید نعمت الله; نجفی, بهاالدین

doi:10.48308/envs.2025.237671.1460

	اصلاح الگوی کشت در چارچوب کشاورزی اقلیم-هوشمند و نقش آن در مدیریت پایدار منابع آب: کاربرد مدل برنامه ریزی چندهدفه و پویایی شناسی سیستم
فصلنامه علوم محیطی
مقاله 12، دوره 23، شماره 4، دی 1404، صفحه 1009-1032 اصل مقاله (1.12 M)
نوع مقاله: مقاله پژوهشی
شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/envs.2025.237671.1460
نویسندگان
مجید رنجبر^* ؛ سید نعمت الله موسوی؛ بهاالدین نجفی
گروه اقتصاد کشاورزی دانشگاه آزاد واحد مرودشت، مرودشت، ایران
چکیده
روند افزایشی تولید گازهای گلخانه‌ای، در کنار خشکسالی‌های متوالی و شدید به دلیل اثرهایی که بر نیاز، افزایش تبخیر و تعرق، کمبود منابع آب و همچنین رشد علف‌های هرز در مزارع دارند بر راندمان تولید امنیت غذایی کشور اثر داشته و در نتیجه تاثیرهای منفی اقتصادی بر معیشت و ناپایداری منابع درآمدی فعالان بخش کشاورزی دارد. کشاورزی یکی از حساس‌ترین بخش‌ها و سیستم‌ها در مقابل تغییرات اقلیمی است. یکی از راهبردهای انطباق با تغییر اقلیم اصلاح الگوی کشت بر اساس چارچوب کشاورزی-اقلیم هوشمند است. با توجه به سهم بالای تقاضای آب کشاورزی از کل تقاضا آب، اعمال سیاست‌های مؤثر بر بخش کشاورزی، تأثیر بیشتری بر بحران آب در کشور خواهد داشت. بنابراین در این مطالعه تلاش شد تا ابتدا بر اساس روش پویایی شناسی سیستم (System Dynamics)، رفتار سیستم منابع آب در حوضه آبریز سد کوثر طی دوره 1420-1400 شبیه‌سازی شود. به‌طورکلی با توجه به پیچیده بودن سیستم منابع آبی، یکی از بهترین ابزاری که بتوان با آن ارتباط بین همه‌ی اجزای داخل یک سیستم پیچیده را بررسی کرد روش پویایی شناسی سیستم است. سپس تلاش شد تا با یک رویکرد مدل برنامه ریزی چند هدفه مبتنی بر چارچوب کشاورزی اقلیم-هوشمند، بر اساس اطلاعات سال زراعی 1400-1399، الگوی کشت بهینه‌ای برای محصول‌های زراعی حوضه مورد مطالعه پیشنهاد دهد. هدف‌های مورد نظر در این تحقیق شامل بیشینه کردن سودمندی اقتصادی، کمینه کردن مصرف آب، کمینه کردن مصرف کودها و کمینه کردن انتشار گازهای گلخانه‌ای است. نتایج نشان داد حجم آب سطحی در دسترس در طول دوره دارای روند کاهشی است و میانگین تغییرات سالانه این متغیر 94/0- درصد است. با توجه به روند افزایش تقاضای آب در بخش‌های مختلف و کاهش حجم آب در دسترس در طول دوره مورد مطالعه، شاخص کمیابی منابع آب در منطقه مورد بررسی در حال رشد و شاخص تعادل در حال نزول است و در انتهای دوره به ترتیب معادل 51/0 و 413 میلیون مترممکعب پیش بینی شد. به بیان دیگر وضعیت منابع آب حوضه مورد مطالعه در آینده وضعیت نامطلوبی را تجربه خواهد کرد و توان سیستم در پاسخگویی به تقاضای فزآینده آب در کشور کاهش خواهد یافت. برنامه ریزی الگوی کشت در این حوضه نشان داد که مجموع سطح زیرکشت با 5/11 درصد کاهش به 28167 هکتار می‌رسد. سطح زیرکشت اکثر محصولات با کاهش همراه است و لوبیا در اولویت کشت قرار نگرفت. اصلاح الگوی کشت منجر شد تا شاخص کمیابی نسبت به شرایط پایه در سطح پایین‌تری قرار گیرد. به طوری که اعمال سناریو مورد نظر منجر شد تا به طور میانگین این شاخص سالانه 14 درصد در سطح پایین‌تری باشد. بنابراین اصلاح الگوی کشت در چارچوب کشاورزی اقلیم-هوشمند می‌تواند نقش موثری در مدیریت پایدار منابع آب داشته باشد. تغییر الگوی کشت راهکار اساسی برای اصلاح الگوی مصرف آب در بخش کشاورزی است. با تغییر الگوی کشت در مناطق با پتانسیل آبی کم‌تر از محصولاتی که به آب زیاد در طول دوره رشد خود نیازمند هستند، مانند برنج، به سمت محصولات با مقاومت بالاتر نسبت به کم آبی و محصولاتی که سازگاری بیش‌تری با شرایط اقلیمی و منطقه‌ای دارند می‌‌توان در راستای مدیریت صحیح مصرف آب و افزایش بهره وری گام برداشت.
کلیدواژه‌ها
پویایی شناسی سیستم؛ برنامه ریزی چند هدفه؛ کشاورزی اقلیم-هوشمند؛ مدیریت منابع آب
عنوان مقاله [English]
Optimal Crop Pattern Base on Climate-Smart Agriculture and Sustainable Water Resources Management
نویسندگان [English]
Majid Ranjbar؛ Seyeb Nematohah Mousavi؛ Najafi Bahaeddin
Department of Agricultural Economics, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran
چکیده [English]
The escalating trend in greenhouse gas emissions, coupled with recurrent and severe drought conditions, significantly impacts agricultural efficiency and food security within the nation. These environmental stressors contribute to heightened demand, increased rates of evaporation and transpiration, depletion of water resources, and an upsurge in weed proliferation, ultimately undermining the livelihoods of agricultural practitioners. To address these challenges, climate change mitigation and adaptation strategies must be prioritized by both farmers and policymakers. Effective climate change adaptation strategies present practical avenues for the agricultural sector and its stakeholders to enhance resilience. adaptation approach involves the modification of cropping patterns within the framework of climate-smart agriculture. This paradigm not only supports national food security and development objectives but also targets three critical outcomes: bolstering agricultural productivity and income, enhancing resilience and adaptation to climate change, and significantly reducing or eliminating greenhouse gas emissions. Agriculture remains one of the most vulnerable sectors in the face of climate change. Adapting cultivation patterns through a climate-smart agriculture framework is critical to enhance resilience. Since agriculture accounts for a significant proportion of total water demand, implementing targeted policies in this sector is crucial for alleviating the water crisis. This study employs system dynamics to simulate the water resources system in the Kosar Dam catchment area over the period from 2021 to 2040. The complexity inherent in water resource systems necessitates robust analytical tools and system dynamics to effectively delineate the interrelationships among system components. System dynamics (SD) is a quantitative modeling method for analyzing complex systems, focusing on feedback loops and time delays. It reveals the interrelationships among system components, aiding in performance enhancement and informed decision-making in both academic and business spheres. Adopting a multi-objective optimization approach informed by climate-smart agriculture principles, we propose an optimal cropping pattern based on data from the 2020-2021 crop year. The research objectives include maximizing economic returns, minimizing water and fertilizer usage, and reducing greenhouse gas emissions. The analysis revealed a consistent decline in the volume of surface water throughout the study period, with an average annual reduction of -0.94%. This trend coincides with an escalating demand for water across various sectors, resulting in a growing scarcity index for water resources in the region and a diminishing water balance index. By the end of the assessment, the predicted scarcity index was 0.51, and the water balance index stood at 413 million cubic meters. These indicators suggest that the water resource situation in the basin is likely to worsen, impairing the system's ability to meet increasing national water demands. The evaluation of cropping patterns indicated an 11.5% reduction in the total cultivated area, down to 28167 hectares. Most crops exhibited a decline in cultivation, with beans being deprioritized. However, adjustments in the cultivation strategy resulted in a lower scarcity index compared to baseline conditions. Notably, the implementation of the proposed cultivation scenario achieved a 14% reduction in the average annual scarcity index. Consequently, adopting climate-smart agricultural practices can significantly enhance the sustainable management of water resources in the basin. Changing the cropping pattern is a fundamental solution for improving the water consumption pattern in the agricultural sector. By changing the cropping pattern in areas with lower water potential from crops that require a lot of water during their growth period, such as rice, to crops with higher resistance to water shortages and crops that are more adaptable to climatic and regional conditions, we can take steps towards proper management of water consumption and increasing productivity.
کلیدواژه‌ها [English]
System Dynamics, Multi-objective, Climate-smart, Water management
سایر فایل های مرتبط با مقاله 12 1460 Mousavi.pdf
مراجع
References Bai, X., Huang, Y., Ren, W., Coyne, M., Jacinthe, P. A., Tao, B., ... & Matocha, C. (2019). Responses of soil carbon sequestration to climate‐smart agriculture practices: A meta‐analysis. Global change biology, 25(8), 2591-2606. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.14658 Darzi-Naftchali, A., Motevali, A., Layani, G., Keikha, M., Bagherian-Jelodar, M., Nadi, M., ... & Pirdashti, H. (2024). Optimizing cropping pattern through reducing environmental issues and improving socio-economic indicators. Environment, Development and Sustainability, 26(5), 13041-13068. https://link.springer.com/article/10.1007/ s10668-023-04074-3 Duckstein, L. (1984). Multiobjective optimization in structural design: The model choice problem. New directions in optimum structural design, 459-481. Etemadi, M., Mousavi, S. N., & Aminifard, A. (2022). Evaluating factors affecting adoption of climate-smart agricultural strategies with emphasis on the characteristics of social and capital psychological. Etemadi, Mehdi, MOUSAVI, Seyed Nematollah, &, Aminifard, A. (2022). Evaluating factors affect on adoption of climate-smart agricultural strategies with emphasis on the characteristics of social and capital psychological. Agricultural Economics: Iranian Journal of Agricultural Economics (Economics And Agriculture Journal), 16(1), 1-33. https://sid.ir/paper/1053861/en https://www.sid.ir/paper/1053861/en Gohari, A., Mirchi, A., & Madani, K. (2017). System Dynamics Evaluation of Climate Change Adaptation Strategies for Water Resources Management in Central Iran. Water Resources Management, 31, 1413-1434. https://link.springer.com/article/10.1007/s11269-017-1575-z Guemouria, A., Chehbouni, A., Belaqziz, S., Epule Epule, T., Ait Brahim, Y., El Khalki, E. M., ... & Bouchaou, L. (2023). System dynamics approach for water resources management: A case study from the Souss-Massa Basin. Water, 15(8), 1506. https://www.mdpi.com/2073-4441/15/8/1506 Halkidis, I. & Papadimos, D. (2007). Technical report of life environment project: Ecosystem based water resources manegment to minimize environmental impacts from agriculture using state of the art modeling tools in Strymonas basian. Greek Biotope/Wetland Center (EKBY). Jahangirpour, D., & Zibaei, M. (2022). Cropping Pattern Optimization in the Context of Climate-Smart Agriculture: A Case Study for Doroodzan Irrigation Network-Iran. Journal of Economics and Agricultural Development, 35(4), 407-422. https://www.sid.ir/paper/1053935/en Karimi, V., Karami, E., & Keshavarz, M. (2018). Climate change and agriculture: Impacts and adaptive responses in Iran. Journal of Integrative Agriculture, 17(1), 1-15. https://www.sciencedirect .com/science/article/pii/ S2095311917617945 Kotir, J. H., Smith, C., Brown, G., Marshall, N., & Johnstone, R. (2016). A system dynamics simulation model for sustainable water resources management and agricultural development in the Volta River Basin, Ghana. Science of the Total Environment, 573, 444-457. www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S0048969716317740 Langsdale, S., Beall, A., Carmichael, J., Cohen, S., & Forster, C. (2007). An exploration of water resources futures under climate change using system dynamics modeling. Integrated Assessment, 7, 1-17. https://journals.lib.sfu.ca/index.php/iaj/article/ view/2728 Layani, G., Bakhshoodeh, M., & Zibaei, M. (2021). Water resources sustainability under climate variability and population growth in Iran: A system dynamics approach. Caspian Journal of Environmental Sciences, 19(3), 441-455. https://cjes.guilan.ac.ir/article_4931.html Layani, G., Bakhshoodeh, M., Zibaei, M., & Viaggi, D. (2021). Sustainable water resources management under population growth and agricultural development in the Kheirabad river basin, Iran. Bio-based and Applied Economics, 10(4), 305-323. https://www.torrossa.com/en/resources/an/5234206# page=57 Madani, K. (2010). Towards sustainable watershed management: Using system dynamics for integrated water resources planning. VDM Publishing. Mardani Najafabadi, M. M., Ziaee, S., Nikouei, A. & Borazjani, M. A. (2019). Mathematical programming model (MMP) for optimization of regional cropping patterns decisions: A case study. Agricultural Systems, 173: 218-232. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308521X18306644 Marzban, Z., Asgharipour, M., Ganbari, A., Nikouei, A., Ramroudi, M., Seyedabadi, E. (2020). Reducing Environmental Impacts through Redesigning Cropping Pattern Using LCA and MOP (Case study: East Lorestan Province). Journal of Agricultural Science and Sustainable Production, 30(3), 311-330. https://www.sid.ir/paper/403129/en Mirzaei, A., Layani, G., Azarm, H., Jamshidi, S. (2019). Determination Optimal Crop Pattern of Sirjan County Central Part Based on Stability of Water Resources and Environmental. Agricultural Economics Research, 9(36), 283-304. https://www.cabidigitallibrary.org/doi/full/10.5555/20183102413 Naeem, K., Aloui, S., Zghibi, A., Mazzoni, A., Triki, C., & Elomri, A. (2024). A system dynamics approach to management of water resources in Qatar. Sustainable Production and Consumption, 46, 733-753. https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S2352550924000861 Okolie, C. C., Danso- Abbeam, G., Groupson-Paul, O., & Ogundeji, A. A. (2022). Climate-Smart Agriculture Amidst Climate Change to Enhance Agricultural Production: A Bibliometric Analysis. Land, 12, 50. doi. org/ 10.3390/land12010050. https://www.mdpi.com/2073-445X/12/1/50 Olanipekun, I. O., Olasehinde-Williams, G. O., & Alao, R. O. (2019). Agriculture and environmental degradation in Africa: The role of income. Science of the Total Environment, 692, 60-67. www.sciencedirect.com/science/article/ pii/S0048969719332425 Osama, S., Elkholy, M., & Kansoh, R. M. (2017). Optimization of the cropping pattern in Egypt. Alexandria Engineering Journal, 56(4), 557-566. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S111001681730159X Patle, G. T., Kumar, M., & Khanna, M. (2020). Climate-smart water technologies for sustainable agriculture: A review. Journal of Water and Climate Change, 11(4), 1455-1466. https://iwaponline.com/ jwcc/article-abstract/11/ 4/1455/69011 Ravar, Z., Zahraie, B., Sharifinejad, A., Gozini, H., & Jafari, S. (2020). System dynamics modeling for and nexus in Gavkhuni basin in Iran. Ecological Indicators, 108, 105682. www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S1470160X19306752 Saaty, T. L. (2008). Decision making with the analytic hierarchy process. International journal of services sciences, 1(1), 83-98. https://www.inderscienceonline.com/doi/abs/10.1504/IJSSCI.2008.017590 Sharma, J., Tyagi, M., & Bhardwaj, A. (2020). Parametric assessment of temperature monitoring trends in food supply chain. Optim Methods Eng: Select Proceed CPIE, 2019, 169. https://books. google.com/books Sterman, J. D. (2001). System dynamics modeling: tools for learning in a complex world. California Management Review, 43, 8-25. https://journals. sagepub.com/doi/abs/10.2307/41166098 Sterman, J.D. (2000). Business dynamics, systems thinking and modeling for a complex world (No. HD30. 2 S7835 2000). Boston. Wu, G., Li, L., Ahmad, S., Chen, X., & Pan, X. (2013). A dynamic model for vulnerability assessment of regional water resources in arid areas: a case study of Bayingolin, China. Water Resources Management, 27, 3085-3101. https://link.springer .com/article/10.1007/s11269-013-0334-z Yang, C. C., Chang, L. C., & Ho, C. C. (2008). Application of system dynamics with impact analysis to solve the problem of water shortages in Taiwan. Water Resources Management, 22, 1561-1577. https://link.springer.com/article/10.1007/ s11269-008-9243-y Zeleny, M. (1973). Compromise programming. In Cochrane, J.; Zeleny, M., eds., Multiple Criteria Decision Making, 262–301. University of South Carolina Press, Columbia, 1973. https://cir.nii.ac.jp/ crid/1573387450346632704 Zhang, C., Chen, X., Li, Y., Ding, W., & Fu, G. (2018). Water-energy-food nexus: Concepts, questions and methodologies. Journal of Cleaner Production, 195, 625-639. www.sciencedirect.com/ science/article/ pii/S0959652618315403 Zhuang, Y. (2014). A system dynamics approach to integrated water and energy resources management (Graduate Theses and Dissertations). https://digitalcommons.usf.edu/etd/5164/
آمار تعداد مشاهده مقاله: 666 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 350

سامانه مدیریت نشریات علمی دانشگاه شهید بهشتی

اصلاح الگوی کشت در چارچوب کشاورزی اقلیم-هوشمند و نقش آن در مدیریت پایدار منابع آب: کاربرد مدل برنامه ریزی چندهدفه و پویایی شناسی سیستم