تأثیر خشکسالی بر عملکرد گندم و جو دیم در اقلیم‌های مختلف ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه علوم و مهندسی محیط زیست دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و محیط زیست، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

چکیده

رویدادهای خشکسالی در مناطق خشک و نیمه‌خشک به‌دلیل تاثیرات گسترده و پرهزینه‌ای که در بخش‌های مختلف اقتصادی و محیط زیست دارند، از اهمیت بالایی برخوردار است. در سال‌های اخیر اثرات این پدیده طبیعی به‌ویژه بر محصولات دیم بسیار مشهود بوده است. در این مطالعه اثرات خشکسالی بر دو محصول استراتژیک دیم ایران (گندم و جو) مورد ارزیابی قرار گرفت. از آنجایی که بخش کشاورزی در برابر تغییرات اقلیمی آسیب‌پذیر است، شناسایی مناسب‌ترین ابزار به‌منظور نظارت بر تأثیر اقلیم بر عملکرد محصولات کشاورزی بسیار مهم می‌باشد. بنابراین ارزیابی اثرات شاخص‌های خشکسالی موثرترین ابزار می‌باشد. شاخص‌های مختلف خشکسالی برای ارزیابی تأثیر خشکسالی بر عملکرد گندم و جو دیم در ایران استفاده شده است، که شامل؛ شاخص بارش استاندارد (SPI)، شاخص استاندارد تبخیر و تعرق بارش (SPEI)، شاخص استاندارد رطوبت خاک دو لایه بالایی (SSI1 و SSI2)، شاخص خشکسالی استاندارد دومتغیره شامل؛ MSDI1 بر اساس بارش و تبخیروتعرق مرجع (P&ETref)، MSDI2 بر اساس بارش و رطوبت خاک در لایه اول خاک (P&SM1) و MSDI3 بر اساس بارش و رطوبت خاک در لایه دوم خاک (P&SM2) بودند. دو مجموعه از داده‌های عملکرد محصول در مقیاس‌های مکانی و دوره‌های زمانی مختلف در تجزیه‌وتحلیل استفاده شد. نتایج نشان داد که شاخص‌های خشکسالی محاسبه‌شده در مقیاس‌های زمانی مختلف SPI وSPEI بیشترین همبستگی را با عملکرد گندم و جو دیم به‌ترتیب در اقلیم‌های نیمه‌خشک (7/0 و 77/0)، خشک (68/0 و 64/0)، خیلی‌خشک (63/0 و 61/0) و مرطوب (64/0 و 52/0) داشتند. هم‌چنین نتایج نشان داد که الگوهای مختلف واکنش عملکرد گیاهان به خشکسالی بسته به اقلیم، دوره سال و مقیاس زمانی خشکسالی رخ می‌دهد. پاسخ‌های متفاوت در سراسر کشور مربوط به فصل و مقادیر متغیرهای مختلف اقلیمی بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Impact of Drought on the Yield of Rainfed Wheat and Barley Across Different Climates of Iran

نویسندگان [English]

  • Saeed Sharafi 1
  • Mehdi Mohammadi Ghaleni 2
1 Department of Environmental Science and Engineering, Arak University, Arak, Iran corresponding email: [email protected]
2 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture and Environment, Arak University, Arak, Iran
چکیده [English]

Drought events in dry and semi-dry climates are of great importance due to the extensive and costly effects they have on various economic and environmental sectors. In recent years, the impact of this natural phenomenon has been very evident, especially on rainfed crops. In this study, the impact of drought on two strategic rainfed crops of Iran (wheat and barley) was evaluated. Since the agricultural sector is vulnerable to climate change, it is very important to identify the most appropriate tools to monitor the impact of climate on the productivity of agricultural products. Therefore, evaluating the effects of drought indicators is the most effective tool. Various drought indicators have been used to evaluate the impact of drought on rainfed wheat and barley yields across different climates of Iran, which include; the Standard Precipitation Index (SPI), Standard Precipitation Evaporation and Transpiration Index (SPEI), Standard Soil Moisture Index of the upper two layers (SSI1 and SSI2), Standard Multivariate Drought Index including; MSDI1 was based on precipitation and reference evapotranspiration (P&ETref), MSDI2 was based on precipitation and soil moisture in the first soil layer (P&SM1), and MSDI3 was based on precipitation and soil moisture in the second soil layer (P&SM2). Two sets of crop performance data at different spatial scales and time periods were used in the analysis. The results showed that the drought indices calculated in different time scales of SPI and SPEI had the highest correlation with rainfed wheat and barley yields in semi-dry (0.7 and 0.77), dry (0.68 and 0.64), very dry (0.63 and 0.61) and humid (0.64 and 0.52) climates, respectively. Also, the results showed that different patterns of response of crops to drought occur depending on the climate type, the period of the year, and the time scale of the drought.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Climate change
  • Multivariate indicators
  • Rainfed farming
  • Reference evapotranspiration
  • Yield gap
حسینی موغاری، س. م.، عراقی‌نژاد، ش. و ابراهیمی، ک. 1397. معرفی پایگاه‌های بارش شبکه‌بندی شده جهانی، نشریه آب و توسعه پایدار. 5(2): 162-153.
دهقانی‌سرگزی، ه.، بذرافشان، ا. و زمانی، ح. 1400. بررسی اثرات خشکسالی هواشناسی-کشاورزی بر عملکرد گندم دیم در ایران با استفاده از شاخص SPEI. نیوار. 45(115-114): 26-15.
شرفی، س.، رمرودی، م.، نصیری‌محلاتی، م.، گلوی، م. و کمالی، غ.ر. 1395. بررسی وضعیت رطوبتی و تولید گیاهان زراعی در اقلیم‌های مختلف ایران، نشریه دانش کشاورزی و تولید پایدار. 27(1): 120-103.
شرفی، س.، صادقی، س.، نحوی‌نیا، م.ج. عبدالهی‌پور، م. 1401. ارزیابی معادلات رگرسیونی چند متغیره در تخمین عملکرد گندم و جو دیم در اقلیم‌های مختلف ایران. مدیریت آب و آبیاری. 12(1): 211-201.
عزیزی، ج.، رسول‌زاده، ع.، رحمتی، ا.، شایقی، ا. و باختر، آ. 1399. ارزیابی عملکرد داده‌های بازتحلیل شده Era-5 در تخمین بارش روزانه و ماهانه در استان اردبیل، تحقیقات آب و خاک ایران. 51(11): 2951-2937.
Asseng, S., Ewert, F., Martre, P. and Rötter, R. P. et al. 2014. Rising temperatures reduce global wheat production, Nature Climate Change. 5: 143–147.
Baten, W. D. and Frame, J. S. 1959. The Polynomial Correlation Coefficient. The American Mathematical Monthly. 66(4): 283-287.‏
Capa-Morocho, M., Ines, A. V. M., Baethgen, W. E., Rodríguez-Fonseca, B., Han, E. and Ruiz-Ramos, M. 2016. Crop yield outlooks in the Iberian Peninsula: Connecting seasonal climate forecasts with crop simulation models. Agricultural systems. 149: 75-87.‏
Chen, T., Xia, G., Liu, T., Chen, W. and Chi, D. 2016. Assessment of drought impact on main cereal crops using a standardized precipitation evapotranspiration index in Liaoning Province, China. Sustainability. 8(10): 1069.‏
Contreras, S. and Hunink, J. E. 2015. Drought effects on rainfed agriculture using standardized indices: A case study in SE Spain. Drought: research and science-policy interfacing. London: CRC Press, Taylor & Francis. 65-70.‏
Ebrahimpour, M., Rahimi, J., Nikkhah, A. and Bazrafshan, J. 2014. Monitoring agricultural drought using the standardized effective precipitation index. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 141(1): 04014044.‏
Esfahanian, E., Nejadhashemi, A. P., Abouali, M., Adhikari, U., Zhang, Z., Daneshvar, F. and Herman, M. R. 2017. Development and evaluation of a comprehensive drought index. Journal of environmental management. 185: 31-43.‏
Eslamian, S., Ostad-Ali-Askari, K., Singh, V. P., Dalezios, N. R., Ghane, M., Yihdego, Y. and Matouq, M. 2017. A review of drought indices. International Journal of Civil Engineering. 3: 48-66.‏
European Environment Agency (EEA). 2017. Climate change, impacts and vulnerability in Europe 2016, An indicator-based report, Luxembourg, 424 pp.
Forzieri, G., Feyen, L., Russo, S., Vousdoukas, M., Alfieri, L., Outten, S., Migliavacca, M., Bianchi, A., Rojas, R. and Cid, A. 2016. Multi-hazard assessment in Europe under climate change. Climatic Change. 137(1): 105-119.‏
Hanjra, M. A. and Qureshi, M. E. 2010. Global water crisis and future food security in an era of climate change. Food policy. 35(5): 365-377.‏
Hao, Z. and AghaKouchak, A. 2013. Multivariate standardized drought index: a parametric multi-index model. Advances in Water Resources, 57: 12-18.‏
Hao, Z. and Singh, V. P. 2015. Drought characterization from a multivariate perspective: A review. Journal of Hydrology. 527: 668-678.‏
Hernandez-Barrera, S., Rodriguez-Puebla, C. and  Challinor, A. J. 2017. Effects of diurnal temperature range and drought on wheat yield in Spain. Theoretical and Applied Climatology. 129(1): 503-519.‏
IPCC. 2014. Mitigation of Climate Change, Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by: Edenhofer, O., Pichs-Madruga, R., Sokona, Y., Farahani, E., Kadner, S., Seyboth, K., Adler, A., Baum, I., Brunner, S., Eickemeier, P., Kriemann, B., Savolainen, J., Schlömer, S., von Stechow, C., Zwickel, T. and Minx, J. C., Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, 1454 pp., USA.
Liu, B., Asseng, S., Müller, C., Ewert, F., Elliott, J., Lobell, D. B. et al. 2016. Similar estimates of temperature impacts on global wheat yield by three independent methods. Nature Climate Change. 6(12): 1130-1136.‏
Lobell, D. B., Schlenker, W. and Costa-Roberts, J. 2011. Climate trends and global crop production since 1980. Science. 333(6042): 616-620.‏
Lobell, D. B. and Field, C. B. 2007. Global scale climate-crop yield relationships and the impacts of recent warming, Environmental Research Letters. 2(1): 014002.
Loukas, A. and Vasiliades, L. 2004. Probabilistic analysis of drought spatiotemporal characteristics inThessaly region, Greece. Natural Hazards and Earth System Sciences. 4(5/6): 719-731.‏
McEvoy, D. J., Huntington, J. L., Abatzoglou, J. T. and Edwards, L. M. 2012. An evaluation of multiscalar drought indices in Nevada and Eastern California. Earth Interactions. 16(18): 1-18.‏
McKee, T. B., Doesken, N. J. and Kleist, J. 1993. The relationship of drought frequency and duration to time scales. In Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology. 17(22): 179-183.‏
Meng, Q., Chen, X., Lobell, D. B., Cui, Z., Zhang, Y., Yang, H. and Zhang, F. 2016. Growing sensitivity of maize to
water scarcity under climate change. Scientific reports.6(1): 1-7.‏
Moore, F. C. and Lobell, D. B. 2014. Adaptation potential of European agriculture in response to climate change. Nature Climate Change. 4(7): 610-614.‏
Páscoa, P., Gouveia, C. M., Russo, A. and Trigo, R. M. 2017. The role of drought on wheat yield interannual variability in the Iberian Peninsula from 1929 to 2012. International Journal of Biometeorology. 61(3): 439-451.‏
Peña-Gallardo, M., Quiring, S., Svoboda, M., Hannaford, J., Tomas- Burguera, M., Martín-Hernández, N., Domínguez-Castro, F. and El Kenawy, A. 2019a. Response of crop yield to different time-scales of drought in the United States: Spatio-temporal patterns and climatic and environmental drivers. Agricultural and Forest Meteorology. 264: 40-55.‏
Peña-Gallardo, M., Vicente-Serrano, S. M., Domínguez-Castro, F. and Beguería, S. 2019b. The impact of drought on the productivity of two rainfed crops in Spain. Natural Hazards and Earth System Sciences. 19(6): 1215-1234.‏
Peña-Gallardo, M., Vicente-Serrano, S. M., Domínguez-Castro, F., Quiring, S., Svoboda, M., Beguería, S. and Hannaford, J. 2018. Effectiveness of drought indices in identifying impacts on major crops across the USA. Climate Research. 75(3): 221-240.‏
Potopová, V., Boroneanţ, C., Boincean, B. and Soukup, J. 2016. Impact of agricultural drought on main crop yields in the Republic of Moldova. International Journal of Climatology. 36(4): 2063-2082.‏
Potopová, V., Štěpánek, P., Možný, M., Türkott, L. and Soukup, J. 2015. Performance of the standardised precipitation evapotranspiration index at various lags for agricultural drought risk assessment in the Czech Republic. Agricultural and Forest Meteorology. 202: 26-38.‏
Sepulcre-Canto, G., Horion, S. M. A. F., Singleton, A., Carrao, H. and Vogt, J. 2012. Development of a Combined Drought Indicator to detect agricultural drought in Europe. Natural Hazards and Earth System Sciences. 12(11): 3519-3531.‏
Sharafi, S. and Mir Karim, N. 2020. Investigating trend changes of annual mean temperature and precipitation in Iran. Arabian Journal of Geosciences. 13(16): 1-11.‏
Sharafi, S. and Mohammadi Ghaleni, M. 2022. Spatial assessment of drought features over different climates and seasons across Iran. Theoretical and Applied Climatology. 147(3–4): 941–957.
Sharafi, S., Ramroudi, M., Nassiri, M., Galavi, M. and Kamali. G. 2016. Role of early warning systems for sustainable agriculture in Iran. Arabian Journal of Geosciences. 9(734): 1-17.
Svoboda, M., Hayes, M. and Wood, D. 2012. Standardized precipitation index: user guide.‏
Spinoni, J., Vogt, J. V., Naumann, G., Barbosa, P. and Dosio, A. 2018. Will drought events become more frequent and severe in Europe? International Journal of Climatology. 38(4): 1718–1736.
Tabari, H., Nikbakht, J. and Talaee, P. H. 2013. Hydrological drought assessment in Northwestern Iran based on streamflow drought index (SDI). Water resources management. 27(1): 137-151.‏
Tack, J., Barkley, A., and Nalley, L. L. 2015. Effect of warming temperatures on US wheat yields. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (22): 6931–6936.
Tian, L., Yuan, S. and Quiring, S. M. 2018. Evaluation of six indices for monitoring agricultural drought in the south-central United States. Agricultural and forest meteorology. 249: 107-119.‏
Vicente-Serrano, S. M., Beguería, S. and López-Moreno, J. I. 2010. A multiscalar drought index sensitive to global warming: the standardized precipitation evapotranspiration index. Journal of climate. 23(7): 1696-1718.‏
Vicente-Serrano, S. M., Camarero, J. J., Olano, J. M., Martín-Hernández, N., Peña-Gallardo, M., Tomás-Burguera, M., Gazol, A., Azorin-Molina, C., Bhuyan, U. and El Kenawy, A. 2016. Diverse relationships between forest growth and the Normalized Difference Vegetation Index at a global scale. Remote Sensing of Environment. 187: 14–29.
Vicente-Serrano, S. M., Lopez-Moreno, J.-I., Beguería, S., Lorenzo-Lacruz, J., Sanchez-Lorenzo, A., García-Ruiz, J. M., Azorin-Molina, C., Morán-Tejeda, E., Revuelto, J., Trigo, R., Coelho, F. and Espejo, F. 2014. Evidence of increasing drought severity caused by temperature rise in southern Europe. Environmental Research Letters. 9(4): 044001.‏
Wang, H., Vicente-serrano, S. M., Tao, F., Zhang, X., Wang, P., Zhang, C., Chen, Y., Zhu, D. and Kenawy, A. El. 2016. Monitoring winter wheat drought threat in Northern China using multiple climate-based drought indices and soil moisture during 2000–2013. Agricultural and Forest Meteorology. 228: 1–12.
Webber, H., Ewert, F., Olesen, J. E., Müller, C., Fronzek, S., Ruane, A. C., Bourgault, M., Martre, P., Ababaei, B., Bindi, M., Ferrise, R., Finger, R., Fodor, N., Gabaldón-Leal, C., Gaiser, T., Jabloun, M., Kersebaum, K.-C., Lizaso, J. I., Lorite, I. J., Manceau, L., Moriondo, M., Nendel, C., Rodríguez, A., Ruiz-Ramos, M., Semenov, M. A., Siebert, S., Stella, T., Stratonovitch, P., Trombi, G. and Wallach, D. 2018. Diverging importance of drought stress for maize and winter wheat in Europe. Nature communications. 9(1): 1-10.
Zhu, Y., Wang, W., Singh, V. P. and Liu, Y. 2016. Combined use of meteorological drought indices at multi-time scales for improving hydrological drought detection. Science of the Total Environment. 571: 1058-1068.‏
Zipper, S. C., Qiu, J. and Kucharik, C. J. 2016. Drought effects on US maize and soybean production: spatiotemporal patterns and historical changes. Environmental Research Letters. 11(9): 094021.‏
Zuecco, G., Penna, D. and Borga, M. 2018. Runoff generation in mountain catchments: long-term hydrological monitoring in the Rio Vauz Catchment, Italy. Cuadernos de investigación geográfica/Geographical Research Letters. (44): 397-428