بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کمي کردن پايداري در سيستم هاي کشاورزي؛ يک مطالعه موردي در مزرعه تحقيقاتي طرق
چکيده :
در اين مقاله روشي براي کمي کردن پايداري در سيستم هاي کشاورزي، بر اساس آنتروپي اضافي توليد شده بوسـيله سيستم پيشنهاد مي شود. همچنين نشان داده مي شود چگونه آنتروپي توليد شده بوسيله سيستم با نحوه مديريت زمين تغيير مي کند. محصولات مختلف مقدار آنتروپي متفاوتي را دارا مي باشند. اين اختلافات به علل متفاوتي است ، ولـي در بسياري از شرايط آنتروپي بالا به استفاده از نهادههاي زياد نسبت داده مي شود. خصوصيات يک گيـاه زراعـي بـه تنهايي نقش اندکي دارد. گرچه اين روش تخميني از آنتروپي در اکوسيستم کشاورزي را به ما مـي دهـد، امـا بـا يـن روش مي توان اثبات کرد با کاهش انرژيهاي ورودي مصنوعي پايداري بهبود پيدا مي کند، مقايسه نتايج مزرعـه جـو ديم و چغندر قند اين موضوع را تأييد مي کند. در مجموع هيچ کدام از گياهـان بررسـي شـده از نظـر ترمودينـاميکي وضعيت پايداري نداشتند.
کلمات کليدي: کمي کردن پايداري، اکوسيستم کشاورزي، آنتروپي ، انرژي
مقدمه :
اصطلاحات «کشاورزي پايدار» به اشکال گوناگوني تعريف و به کار برده شدهاند، اما در يک بيـان کلـي پايـداري بـه نوعي ثبات عملکرد يعني شرايطي که برداشت زيتوده از سيستم را تداوم بخشد، اطلاق مي شود (٢). وقتي کـه يـک سيستم با هدف پايداري طراحي مي شود، کشاورزان بايد اين توانايي را داشته باشند تعيين کنند آيا سيستم به کـارکرد پايدار رسيده است يا خير. اکولوژي مجموعه اي از روشها براي کمي سـازي خـصوصيات اکوسيـستم هـا از جملـه چرخه مواد، جريان انرژي، پويايي جمعيت ، اثـرات متقابـل گونـه هـا و تغييـرات محـيط را دارا مـي باشـد. از جملـه پارامترهاي اکولوژيکي که براي کمي کردن پايداري در سيستم هاي کشاورزي استفاده شده است ، مقدارمواد آلي خاک (٤)، نسبت نهاده به بازده براي هر عنصر غذايي پـر مـصرف (٥)، شـاخص اسـتفاده ازسـموم (٥)، سـرمايه گـذاري بيوفيزيکي اکوسيستم (٥)، فعاليت آنزيمي خاک (٣)، مقدار محصول سرپا (٧) و تنـوع گونـه هـاي گيـاهي (٧) بـوده است .
مقدار اندک اين نوع اطلاعات حاکي ازآن است که تحقيقات بسيار زيادي از اين نوع مورد نيـاز اسـت . امـا آنتروپـي (معياري از بي نظمي سيستم هاي فيزيکي ) مي تواند به عنوان شاخـصي بـراي کمـي کـردن پايـداري در سيـستم هـاي کشاورزي استفاده شود. مي توان از آنتروپي توليد شده به وسيله يک سيستم به عنوان معيـاري بـراي تخريـب محـيط زيست و دور شدن سيستم از وضعيت پايدار استفاده کرد. سيستمي که آنتروپي اضافي دارد نمـي توانـد در يـک دوره زماني نسبتا طولاني پايدار باقي بماند و قطعاً تخريب خواهد شد (٨). در اين بررسي آنتروپـي بـه عنـوان معيـاري از پايداري در نقطه مقابل تخريب ، براي نشان دادن وضعيت يک اکوسيـستم ماننـد يـک مزرعـه اسـتفاده شـد. در ايـن بررسي از رهيافت هاي ترموديناميکي پيشنهاد شده بوسيله استينبرن و سويزژف (٨) استفاده شد.
مواد و روشها:
روش محاسبه آنتروپي :
پيمنتل (٦) معتقد بود که ارتباط بين عملکرد محصول (y) و انرژيهاي ورودي (W) خطي است .
ضريب کارآيي انرژي (η) در اکوسيستم هاي زيادي محاسبه شده است . اين ضريب بر اساس قانون دوم ترموديناميک هميشه کمتر از واحد است . اما در مورد اگرواکوسيستم ها معمولاً بيشتر از يک مـي شـود. زيـرا مـا انـرژي ورودي از تشعشع خورشيد (ES) را در نظر نگرفته ايم . بنابراين معادله پيمنتل (١٤) را بايد به شرح ذيل اصلاح کرد:
زمانيکه انرژيهاي ورودي صنعتي به کشاورزي صفر باشد (٠=W)، داريم ؛
عبارت همان (η) است که براي هر محصول در يک شرايط آب و هوايي مـشخص تـا انـدازه زيـادي ثابت است . بنابراين تشديد فعاليت هاي کشاورزي با افزايش جريان انرژي مصنوعي در اکوسيستم در ارتباط است . اما جريان انرژي بر طبق قانون دوم ترموديناميک تنها تا حدي مي تواند افزايش عملکرد را سبب شود. به عبارت ديگر ما بهاي افزايش توليد را با تخريب محيط زيست مي پردازيم . در يک سيستم باز کليه تغييرات آنتروپي از دو منبع ناشـي مي شود:
که ، کل آنتروپي ، آنتروپي توليدي سيستم و آنتروپي انتقالي از خارج سيستم مي باشد.
گرماي توليد شده به وسيله واکنش هاي برگشت ناپذير انجـام شـده بوسـيله سيـستم و درجـه حـرارت محيط (در مقياس کلوين ) در نقطه اي مشخص از سطح زمين است که بوسيله اگرواکوسيستم اشغال مي شود.
بنابراين معادله کل آنتروپي برابر است با؛
که T درجه حرارت در طول فصل رشد و W مقدار انرژيهاي ورودي مصنوعي سالانه است . اگر λP١ را بخـشي از توليد ناخالص ساليانه اکوسيستم فرض کنيم ، P١ بخشي از توليد است که به صورت تنفس و بقايا از دسترس خـارج شده، و يا از مزرعه خارج نمي شود. پس :
که P٠ توليد ناخالص اوليه (GPP) يک اکوسيستم طبيعي مشابه با اکوسيستم مزرعه مي باشد.
توليد خالص در يک سيستم با عبارت r(P١-١) متناسب است . r ضريب تنفسي يـا بخـشي از توليـد ناخـالص اوليـه است که صرف فعاليت هاي حياتي خود گياه مي شود. لذا عملکرد محصول برابر است با :
k آن بخشي از توليد خالص است که به صورت عملکرد از سيستم خارج مي شود. مقدار بقايا برابر است با:
به ترتيب بخش هايي از عملکرد است که به صورت بقايا و تنفس تلف مي شود.
با استفاده از معادله [٤] مي توان معادله [٥] را باز نويسي کرد.
λP1= (1 – k + k r)P1 = ((1-S).S) y
که S بخشي از توليد ناخالص که به صورت محصول اقتصادي از مزرعه خارج مي شود، پس
در نهايت موازنه آنتروپي اگرواکوسيستم به شکل زير بيان خواهد شد.
مقدار توليد ناخالص يک اکوسيستم طبيعي در شرايط مشهد ٢٥٠٠ کيلوگرم فرض شد (سازمان منابع طبيعي ، تمـاس شخصي )، لذا GPP يک اکوسيستم طبيعي Gj٣٥ در نظر گرفته شد.
با استفاده از رابطه پيمنتل Y=ηW داريم ؛
چنانچه ٠ <σ باشد، سيستم داراي آنتروپي اضافي است .
چنانچه در بخش اول معادله [٨] که فقط W دارد، مقدار آنتروپي اضافي بوسيله سيستم را صفر فرض کنـيم (٠ = σ)، تخميني براي حداکثر انرژي که مجازيم به سيستم وارد کنيم تا سيستم در وضعيت پايدار باقي بماند، بدست مي آيد.
Wer حداکثر انرژي است که انسان مي تواند وارد سيستم کند، تا سيستم در وضعيت پايـدار بـاقي بمانـد. ايـن انـرژي شامل تمام دخالت هاي انسان (شامل خاکورزي، کوددهي ، آبياري، کنترل آفات، برداشت ، حمل و نقل ، خـشک کـردن و غيره ) چنانچه باشد، آنگاه ٠<σ است ، و چنين سيستمي محيط زيست را تخريب مي کند.
با استفاده از بخش دوم معادله [٨] که فقط y دارد، حداکثر عملکرد يک سيستم پايدار يعني يک مزرعـه در وضـعيت پايدار را بر مبناي محتواي انرژي وزن خشک محاسبه شد.
Yer يعني عملکرد در شرايط پايدار.
خصوصيات محل آزمايش :
دادههاي مورد نياز براي اين مطالعه از اراضي مزرعه تحقيقاتي کشاورزي طرق (جدول ١) با عرض جغرافيايي °٣٦ و ١٦ شمالي و طول جغرافيايي °٥٩ و ́٣٨ شرقي و ارتفاع ٩٨٥ متر از دريا جمع آوري شد. متوسط بارنـدگي سـاليانه مشهد ٢٨٦ ميليمتر و آب و هواي آن بر اساس اقليم نماي آمبرژه خشک و سرد مي باشد.
محاسبه انرژيهاي ورودي و خروجي به مزرعه :
جهت بررسي ميزان ورود و خروج انرژي در توليد محصولات زراعي در مزرعه تحقيقاتي طرق کليـه محاسـبات بـر اساس آمار ارائه شده توسط مسئولين مزرعه تنظيم گرديد. نهادهها شامل انرژي مورد نياز براي ساخت ماشـين آلات، سوخت ، کودهاي شيميايي ، مقدار آب آبياري، آفت کش ها و نيروي انساني مـي شـد. بـراي تعيـين انـرژي وارد شـده بوسيله هر جزء ورودي ضريب تبديلي مورد نياز بود. محتواي کل انرژي نهادههاي مختلف از منابع استخراج گرديـد (١). ضريب تنفس در محل مطالعه ٠.٣٥ مي باشد (١). اين مقدار براي تخمين GPP (توليد ناخالص اوليه ) بر اساس NPP(توليد خالص اوليه ) استفاده شد. با استفاده از مقادير توليد ناخـالص وخـالص اگرواکوسيـستم مقـادير k (آن بخشي از توليد خالص که ارزش اقتصادي داشته و از مزرعه خارج مي شود) و S (آن بخـشي از توليـد ناخـالص کـه ارزش اقتصادي داشته و از مزرعه خارج مي شود) تعيين شد (جدول ٣).
