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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه اقتصاد کشاورزی، دانشگاه آزاد واحد مرودشت، مرودشت، ایران

چکیده

سابقه و هدف: کشاورزی در سراسر جهان همچنان یکی از آسیب‌پذیرترین بخش‌های اقتصادی در برابر تغییرات اقلیمی به شمار می‌رود و با خطرات روزافزون ناشی از تغییر الگوهای بارش، افزایش دما و تکرار پدیده‌های حدی آب‌وهوایی دست‌به‌گریبان است. سازگاری الگوهای کشت در چارچوب «کشاورزی هوشمند نسبت به اقلیم» که ابعاد بهره‌وری، سازگاری و کاهش اثرات زیست‌محیطی را تلفیق می‌کند، نقشی کلیدی در ارتقای تاب‌آوری نظام‌های تولید و تضمین امنیت غذایی ایفا می‌نماید. پژوهش حاضر بر حوضه آبریز سد کوثر در غرب ایران متمرکز است؛ منطقه‌ای که تحت‌تأثیر رشد جمعیت، توسعه اراضی کشاورزی و تکرار خشکسالی‌ها، با تشدید تنش آبی مواجه شده است. شناخت تعاملات پویا میان تغییرپذیری اقلیم، تخصیص منابع آب و الگوهای کشاورزی در این زمینه، برای طراحی راهبردهای مدیریتی پایدارِ هم‌سو با محدودیت‌های اکولوژیک و نیازهای اقتصادی-اجتماعی، ضرورتی اجتناب‌ناپذیر است.
مواد و روش‌ها: این پژوهش از رویکرد مدل‌سازی پویایی شناسی سیستم (System Dynamics) برای شبیه‌سازی نظام پیچیده منابع آب حوضه سد کوثر در بازه زمانی ۲۰۲۱ تا ۲۰۴۰ بهره می‌گیرد. این روش به‌دلیل توانایی در بازتاب حلقه‌های بازخورد، تأخیرهای زمانی و روابط غیرخطیِ حاکم بر نظام‌های اجتماعی-هیدرولوژیکی، گزینه‌ای کارآمد محسوب می‌شود. سپس یک الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه نیز با مدل پویایی‌شناسی سیستم­ها ادغام شده است تا مبادلات میان اهدافی نظیر بیشینه‌سازی سود اقتصادی، کمینه‌سازی مصرف آب و نهاده‌های کودی، و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مورد ارزیابی قرار گیرد.
نتایج و بحث: یافته‌ها حاکی از روند نزولی پیوسته در حجم آب‌های سطحی طی دوره مورد مطالعه با میانگین کاهش سالانه 94/0- درصد است. این روند هم‌زمان با افزایش تقاضای آب در بخش‌های گوناگون، به تشدید شاخص کم‌آبی منابع و کاهش شاخص بیلان آبی در منطقه منجر شده است. بر اساس پیش‌بینی‌ها، تا پایان دوره ارزیابی شاخص کم‌آبی به 51/0 و شاخص بیلان آب به ۴۱۳ میلیون مترمکعب خواهد رسید. این شاخص‌ها نشان می‌دهد که وضعیت منابع آب در حوضه در مسیر وخیم‌تر شدن قرار دارد و ظرفیت سامانه برای پاسخگویی به نیازهای فزاینده آب در سطح ملی کاهش می‌یابد. بررسی الگوهای کشت بهینه نیز کاهش 5/11 درصدی در سطح کل اراضی زیر کشت (معادل ۲۸۱۶۷ هکتار) را نشان می‌دهد. اگرچه سطح زیر کشت بیشتر محصولات کاهش یافته و کشت لوبیا در اولویت قرار نگرفت، اما بازنگری در الگوی کشت موجب کاهش شاخص کم‌آبی نسبت به سناریوی وضع موجود گردید. به‌طور مشخص، اجرای سناریوی پیشنهادی کشت منجر به کاهش ۱۴ درصدی در میانگین سالانه شاخص کم‌آبی شد.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان می‌دهد که تلفیق اصول کشاورزی هوشمند نسبت به اقلیم در چارچوب پویایی‌شناسی سیستم، ابزار کارآمدی برای مدیریت چالش‌های پیوندیِ آب، غذا و اقلیم در مناطق نیمه‌خشک به شمار می‌رود. مدیریت پیش‌دستانه و سازگارانه که بر پایه مدل‌سازی سناریوها استوار باشد، می‌تواند تاب‌آوری حوضه سد کوثر و مناطق مشابه را به‌طور چشمگیری ارتقا بخشد. بر این اساس، راهکارهای کلیدی شامل اولویت‌بندی سرمایه‌گذاری در فناوری‌های بهینه‌سازی مصرف آب، تقویت سامانه‌های هشدار سریع خشکسالی، و توسعه حکمرانی مشارکتی جهت همسوسازی انگیزه‌های کشاورزان با اهداف پایداری زیست‌محیطی پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Optimal Crop Pattern Base on Climate-Smart Agriculture and Sustainable Water Resources Management

نویسندگان [English]

  • Abdolmajid Ranjbar
  • Seyed Nematolah Mousavi
  • Bahaeddin Najafi
Department of Agricultural Economics, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran
چکیده [English]

Introduction: Agriculture remains one of the most climate-vulnerable economic sectors globally, facing heightened risks from shifting precipitation patterns, rising temperatures, and increased frequency of extreme weather events. Adapting cultivation patterns through a climate-smart agriculture (CSA) framework—integrating productivity, adaptation, and mitigation—is critical to enhance systemic resilience and ensure food security. This study focuses on the Kosar Dam basin in western Iran, a region experiencing intensified water stress due to population growth, agricultural expansion, and recurrent droughts. Understanding the dynamic interactions between climate variability, water allocation, and farming practices in this context is essential for designing sustainable management strategies that balance ecological limits with socioeconomic needs.
 Material and methods: This research employs a system dynamics (SD) modeling approach to simulate the complex water resources system of the Kosar Dam basin over the period 2021– 2040. SD is particularly suited for capturing feedback loops, time delays, and nonlinear relationships inherent in socio-hydrological systems. Then, a multi-objective optimization algorithm is embedded within the SD framework to evaluate trade-offs among objectives such as maximizing profit, minimizing water and fertilizer consumption, and reducing greenhouse gas emissions.
Results and discussion: 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.
Conclusion: This study demonstrates that integrating climate-smart agriculture principles within a system dynamics framework provides a powerful tool for navigating water–food– climate nexus challenges in semi-arid regions. Proactive, adaptive management informed by scenario modeling can significantly enhance resilience in the Kosar Dam basin and similar contexts. Key recommendations include prioritizing investments in water-saving technologies, strengthening early-warning systems for drought, and fostering participatory governance to align farmer incentives with sustainability goals.

کلیدواژه‌ها [English]

  • System Dynamics
  • Multi-objective
  • Climate-smart
  • Water management

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/
فصلنامه علوم محیطی
دوره 23، شماره 4
دی 1404
صفحه 1009-1032

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار