رابطه شاخص‌های خشکسالی با انتشار گازهای گلخانه‌ای بخش کشاورزی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی محیط‌زیست (گرایش آلودگی‌های محیطی) دانشگاه اراک، اراک، ایران

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

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

چکیده

ارزیابی رابطه بین رخدادهای خشکسالی و انتشار گازهای گلخانه‌ای حاصل از فعالیت‌های کشاورزی به‌دلیل تاثیرات گسترده‌ای که در محیط زیست و اقتصاد دارند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. هدف از این مطالعه بررسی رابطه بین انتشار گازهای گلخانه‌ای حاصل از تولید 18 گیاه زراعی اصلی در قالب پنج دسته غالب شامل؛ غلات (گندم، جو، برنج و ذرت)، بقولات (یونجه، لوبیا، نخود و عدس)، دانه‌های روغنی (سویا، آفتابگردان، کلزا، گلرنگ، کرچک، کنجد و بادام‌زمینی)، غده‌ای (سیب‌زمینی و چغندرقند) و الیافی (پنبه) با شاخص‌های خشکسالی شامل؛ شاخص بارش استاندارد شده (SPI)، شاخص بارش-تبخیر و تعرق استاندارد شده (SPEI)، شاخص رطوبت خاک استاندارد شده در دو لایه بالایی خاک، شاخص خشکسالی استاندارد دومتغیره شامل؛ MSDI1 بر اساس بارش و تبخیروتعرق پتانسیل، MSDI2 بر اساس بارش و رطوبت خاک در لایه اول خاک و MSDI3 بر اساس بارش و رطوبت خاک در لایه دوم خاک در اقلیم‌های مختلف ایران (مرطوب ساحلی، کوهستانی، نیمه کوهستانی، نیمه بیابانی، بیابانی و بیابان ساحلی) طی سال‌های 2020-1980بود. نتایج نشان داد که متغیر اقلیمی بارش ارتباط معنی‌داری با افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای در اقلیم‌های مختلف ایران ندارد. در صورتی که مقادیر تبخیروتعرق پتانسیل در طی سال‌های مورد بررسی در این مطالعه روند معنی‌داری را نشان داد. هم‌چنین بیشترین انتشار گازهای گلخانه‌ای در سال 2019 معادل 443 میلیون تن گزارش شد، که بیشترین انتشار گازهای گلخانه‌ای به‌ترتیب مربوط به انرژی برق (1/47 %) و کود نیتروژن (75/25 %) بود. هم‌چنین ارزیابی اثربخشی شاخص‌های خشکسالی برای پایش تأثیر اقلیم بر انتشار گازهای گلخانه‌ای، نمایش بهتر شاخص‌های SPI، SPEI و MSDI1 را نشان داد. توانایی محاسبه این شاخص‌ها در مقیاس‌های زمانی مختلف باعث می‌شود که اثرات خشکسالی با دقت بیشتری تعریف شود. این شاخص‌ها داده‌های اقلیمی کمتری نیاز داشتند، که این موضوع در هنگام انجام تحلیل‌ها بر اساس عدم دسترسی به داده‌های اقلیمی مورد توجه قرار می‌گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The relationship between drought indicators and greenhouse gas emissions in Iran's agricultural sector

نویسندگان [English]

  • Fayezeh Heydari 1
  • Saeed Sharafi 2
  • Mehdi Mohammadi Ghaleni 3
1 M.S. Student, Department of Environment Science and Engineering, Arak University, Arak, Iran.
2 Department of Environmental Science and Engineering, Arak University, Arak, Iran corresponding email: s-sharafi@araku.ac.ir
3 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture and Environment, Arak University, Arak, Iran
چکیده [English]

Evaluating the relationship between drought events and greenhouse gas emissions from agricultural activities is of particular importance due to their wide-ranging effects on the environment and economy. The purpose of this study is to investigate the relationship between the emission of GHGs resulting from the production of 18 main crops in the form of five dominant categories including; cereals (wheat, barley, rice and maize), legumes (alfalfa, bean, pea and lentil), oil seeds (soybean, sunflower, canola, safflower, castor, sesame and peanut), tubers (potato and sugar beet) and fiber (cotton) with drought indices including; Standard Precipitation Index (SPI), Standard Precipitation Evaporationtranspiration Index (SPEI), Standard Soil Moisture Index of the two upper soil layers (SSI1 and SSI2), Standard multivariable Drought Index including; MSDI1 based on precipitation and reference evapotranspiration (P&ETref), MSDI2 based on precipitation and soil moisture in the first soil layer (P&SM1) and MSDI3 based on precipitation and soil moisture in the second soil layer (P&SM2) in different climates of Iran (coastal wet, mountain, semi mountain, semi desert, desert and coastal desert) during the years 1980-2020. The results showed that the climatic variables of precipitation have no significant relationship with the increase in GHG emissions in different climates of Iran. If the ETref values during the years investigated in this study showed a significant trend. Also, the highest GHG emissions in 2019 were reported as equal to 443 million tons, and the highest GHG emissions were related to electric energy (47.1%) and nitrogen fertilizer (25.75%), respectively. Also, the evaluation of the effectiveness of drought indices for monitoring the effect of climate on GHG emissions showed a better display of SPI, SPEI and MSDI1 indices. The ability to calculate these indices in different time scales makes the effects of drought to be defined more accurately than using indices without this feature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbon emission
  • Food security
  • Multivariate indices
  • Statistical criteria
شرفی، س.، صادقی، س.، نحوی‌نیا، م.ج. و 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.
Amos, B., Arkebauer, T. J. and Doran, J. W. 2005. Soil surface fluxes of greenhouse gases in an irrigated maize‐based agroecosystem. Soil Science Society of America Journal. 69(2): 387-395
Arora, V. K. 2002. The use of the aridity index to assess climate change effect on annual runoff. Journal of hydrology. 265(1-4): 164-177
Asseng, S., Ewert, F., Martre, P., Rötter, R. P., Lobell, D. B., Cammarano, D. and Zhu, Y. 2015. Rising temperatures reduce global wheat production. Nature climate change. 5(2): 143-147
Bockstaller, C., Guichard, L., Makowski, D., Aveline, A., Girardin, P. and Plantureux, S. 2008. Agri-environmental indicators to assess cropping and farming systems. A review. Agronomy for sustainable development. 28(1): 139-149
Dyer, J. A. and Desjardins, R. L. 2003. Simulated farm fieldwork, energy consumption and related greenhouse gas emissions in Canada. Biosystems Engineering. 85(4): 503-513
Dyer, J. A. and Desjardins, R. L. 2006. Carbon dioxide emissions associated with the manufacturing of tractors and farm machinery in Canada. Biosystems Engineering. 93(1): 107-118
ERS. 2019. "Irrigation and Water Use." <https://www.ers.usda.gov/topics/farm-practices-management/irrigation-water-use/>. (September 23, 2019)
ERS. 2020. "Ag and Food Sectors and the Economy." <https://www.ers.usda.gov/data-products/ag-and-food-statistics-charting-the-essentials/>. (May 4, 2020)
FAO. 2020. "Sustainability and Organic Livestock." <http://www.fao.org/nr/sustainability/sustainability-and-livestock>. (September 22, 2020)
Feng, S., Gu, X., Luo, S., Liu, R., Gulakhmadov, A., Slater, L. J. and Kong, D. 2022. Greenhouse gas emissions drive global dryland expansion but not spatial patterns of change in aridification. Journal of Climate. 1: 1-43
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
Gómez-Gener, L., Obrador, B., Marcé, R., Acuña, V., Catalán, N., Casas-Ruiz, J. P. and von Schiller, D. 2016. When water vanishes: magnitude and regulation of carbon dioxide emissions from dry temporary streams. Ecosystems. 19(4): 710-723
Gómez-Gener, L., Obrador, B., von Schiller, D., Marcé, R., Casas-Ruiz, J. P., Proia, L. and Koschorreck, M. 2015. Hot spots for carbon emissions from Mediterranean fluvial networks during summer drought. Biogeochemistry. 125(3): 409-426‏
Haberl, H., Wiedenhofer, D., Virág, D., Kalt, G., Plank, B., Brockway, P. and Creutzig, F. 2020. A systematic review of the evidence on decoupling of GDP, resource use and GHG emissions, part II: synthesizing the insights. Environmental Research Letters. 15(6): 065003
Jin, H., Yoon, T. K., Lee, S. H., Kang, H., Im, J. and Park, J. H. 2016. Enhanced greenhouse gas emission from exposed sediments along a hydroelectric reservoir during an extreme drought event. Environmental Research Letters. 11(12): 124003
Kabba, B. S. and Aulakh, M. S. 2004. Climatic conditions and crop‐residue quality differentially affect N, P, and S mineralization in soils with contrasting P status. Journal of Plant Nutrition and soil science. 167(5): 596-601
Karan, E. and Asadi, S. 2018. Quantitative modeling of interconnections associated with sustainable food, energy and water (FEW) systems. Journal of Cleaner Production. 200: 86-99
Khoshnevisan, B., Rafiee, S., Omid, M. and Yousefi, M. 2013. Modeling of energy consumption and GHG (greenhouse gas) emissions in wheat production in Esfahan province of Iran using artificial neural networks. Energy. 52: 333-338
Kosten, S., van den Berg, S., Mendonça, R., Paranaíba, J. R., Roland, F., Sobek, S. and Barros, N. 2018. Extreme drought boosts CO2 and CH4 emissions from reservoir drawdown areas. Inland waters. 8(3): 329-340
Lal, R. 2004. Carbon emission from farm operations. Environment international. 30(7): 981-990
Lian, X., Piao, S., Chen, A., Huntingford, C., Fu, B., Li, L. Z. and Roderick, M. L. 2021. Multifaceted characteristics of dryland aridity changes in a warming world. Nature Reviews Earth & Environment. 2(4): 232-250
MAJ (Ministry of Agriculture of the IR of Iran). 2019. Planning and Economics Department, Statistics Bank of Iranian Agriculture; http://www.maj.ir; 2018 (Accessed August 2019)
Mancinelli, R., Campiglia, E., Di Tizio, A. and Marinari, S. 2010. Soil carbon dioxide emission and carbon content as affected by conventional and organic cropping systems in Mediterranean environment. Applied Soil Ecology. 46(1): 64-72
Mancinelli, R., Marinari, S., Di Felice, V., Savin, M. C. and Campiglia, E. 2013. Soil property, CO2 emission and aridity index as agroecological indicators to assess the mineralization of cover crop green manure in a Mediterranean environment. Ecological indicators. 34: 31-40
Manzoni, S. and Porporato, A. 2009. Soil carbon and nitrogen mineralization: theory and models across scales. Soil Biol. Biochem. 41: 1355–1379
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
Oury, B. 1965. Allowing for weather in crop production model building. American Journal of Agricultural Economics. 47(2): 270-283
Parkin, T. B. and Kaspar, T. C. 2003. Temperature controls on diurnal carbon dioxide flux: Implications for estimating soil carbon loss. Soil Science Society of America Journal. 67(6): 1763-1772
Salehnia, N., Zare, H., Kolsoumi, S., Bannayan, M. 2018. Predictive value of Keetch-Byram Drought Index for Cereal Yields in Semi-arid Iran. Theoretical and Applied Climatology Journal. 134(3-4): 1005-1014
Šarauskis, E., Masilionytė, L., Juknevičius, D., Buragienė, S. and  Kriaučiūnienė, Z. 2019. Energy use efficiency, GHG emissions, and cost-effectiveness of organic and sustainable fertilisation. Energy. 172: 1151-1160
Sharafi, S., Ghaleni, M. M. and Sadeghi, S. 2022. Spatial and temporal analysis of drought in various climates across Iran using the Standardized Precipitation Index (SPI). Arabian Journal of Geosciences. 15(14): 1-14
Sharafi, S., Kazemi, A. and Amiri, Z. 2023. Estimating energy consumption and GHG emissions in crop production: A machine learning approach. Journal of Cleaner Production. 408: 137242
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
Sheffield, J., Wood, E. F. and Roderick, M. 2012. Little change in global drought over the past 60 years Nature
Snyder, C. S., Bruulsema, T. W., Jensen, T. L. and Fixen, P. E. 2009. Review of greenhouse gas emissions from crop production systems and fertilizer management effects. Agriculture, Ecosystems and Environment. 133(3-4): 247-266
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
Svoboda, M., Hayes, M. and Wood, D. 2012. Standardized precipitation index: user guide
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
Vasylieva, T., Lyulyov, O., Bilan, Y. and Streimikiene, D. 2019. Sustainable economic development and greenhouse gas emissions: The dynamic impact of renewable energy consumption, GDP, and corruption. Energies. 12(17): 3289
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., 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
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
Yahya, M. D., Yohanna, I., Auta, M. and Obayomi, K. S. 2020. Remediation of Pb (II) ions from Kagara gold mining effluent using cotton hull adsorbent. Scientific African, 8: e00399
Yan, Z., Li, W., Yan, T., Chang, S. and Hou, F. 2019. Evaluation of energy balances and greenhouse gas emissions from different agricultural production systems in Minqin Oasis, China. Journal of Life and Environmental Sciences. 7: e6890
Zhang, L., Qin, R., Chai, N., Wei, H., Yang, Y., Wang, Y. and Zhang, F. 2022. Optimum fertilizer application rate to ensure yield and decrease greenhouse gas emissions in rain-fed agriculture system of the Loess Plateau. Science of The Total Environment. 823: 153762