مقاله کامل بررسی خشکی تحت شرایط افزایش دماي ناشی از تغییر اقلیم در گندم دیم استان فارس با استفاده از شاخص خشکی

بررسی خشکی تحت شرایط افزایش دماي ناشی از تغییر اقلیم در گندم دیم استان فارس بااستفاده از شاخص خشکی
چکیده1
سابقه و هدف:پیشبینی قابل اعتماد از وضعیت خشکی در آینده، یکی از مبانی اصلی موفقیت در برنامهریزي منابع آب استکه تحت تأثیر فرآیند هاي تغییر اقلیم قرار دارد. هدف از این مطالعه ارزیابی روند خشکی در گندم دیم تحت شرایط تغییر اقلیم در تعدادي از شهرستان هاي استان فارس بوده است.
مواد و روش ها: این تحقیق در شش شهرستان از استان فارس (شیراز، لار، آباده، داراب، اقلید و فسا) انجام شد. در این مطالعه دو مدل گردش عمومی HadCM3 و IPCM4 تحت سه سناریوي انتشار A1B، B1 و A2 در سه دوره( 30-2011، 65-2046 و 99-2080) براي ارزیابی خشکی در شرایط اقلیمی آینده مورد بررسی قرار گرفت. براي تخمین متغیرهاي بارندگی، دماي حداکثر و حداقل در دوره‌ها و سناریوهاي مختلف انتشار از برنامه LARS-WG و به منظور بررسی روند خشکی در استان فارس از شاخص خشکی( AI) در دوره رشد فعال گندم بهره گرفته شد.
یافته ها: اثرات تغییر اقلیم آینده بر شاخص خشکی برآیند عوامل افزایش دما، تبخیر و تعرق و کاهش بارندگی تجمعی بود که اثر کاهشی بر میزان شاخص خشکی در دوره آینده نسبت به دوره پایه داشتند. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که در دو مدل اقلیمی، سه دوره زمانی و سه سناریو اختلاف چشمگیري در میزان تبخیر و تعرق وجود دارد و به طور کلی تبخیر و تعرق در آینده استان فارس افزایش خواهد یافت و با توجه به اینکه رابطه بین تبخیر و تعرق با دماي بیشینه مثبت و معنی دار است، افزایش دما بر روند تبخیر و تعرق تأثیرگذار و موجب افزایش آن شد. نتایج این
تحقیق همچنین نشان داد که در هر سه سناریو بیش ترین درصد نوسانات مربوط به شهرستان لار است. در سناریو B1 اختلاف کم تري از نظر دامنه نوسان شاخص خشکی در بین مناطق مورد مطالعه مشاهده شد. به طور کلی در سناریوهاي مختلف درصد نوسانات شاخص خشکی متفاوت بود. در سناریو B1 دامنه نوسان از 55- تا 55+ درصد در حالی که در دو سناریو دیگر دامنه نوسان از 100-تا 150+ درصد متغیر بود.
نتیجه گیري: نتایج این تحقیق نشان داد که در دوره پایه میزان بارندگی تجمعی و تبخیر و تعرق بیشترین تأثیر را بر شاخص خشکی داشتند. با توجه به نقشه پراکنش خشکی در دوره پایه و آینده به نظر میرسد هرچقدر از دوره 2030 دورتر و به دوره 2090 نزدیکتر میشویم، شدت خشکی در استان افزایش بیشتري مییابد.
پیش بینی میشود که در دو مدل اقلیمی، سه دوره زمانی و سه سناریو به دلیل افزایش میزان تبخیر و تعرق و کاهش میزان بارندگی که همبستگی بالایی (به ترتیب مثبت و منفی) با میزان دماي بیشینه داشتند، میزان خشکی در کل استان فارس در آینده تشدید شود که تأثیر قابل توجهی بر عملکرد گندم دیم خواهد داشت. شایان ذکر است که در این تحقیق تأثیر افزایش غلظت 2CO ناشی از تغییر اقلیم بر کاهش هدایت روزنه اي و در نتیجه تعرق لحاظ نشده است که با توجه به برخی منابع می تواند از 15 تا 22 درصد باعث کاهش هدایت روزنه اي، تعرق و خشکی در گندم شود.
واژه‌هاي کلیدي:سناریوي پخش، شاخص خشکی، مدل اقلیمی، مدلهاي گردش عمومی، LARS-WG
مقدمه: تغییر در اقلیم، با توجه به فعالیتهاي طبیعی و انسانی، به تغییر در آب و هوا برمیگردد و این تغییرات براي یک دوره زمانی طولانی باقی میماند(1). فرآیند هاي تغییر اقلیم شامل افزایش غلظت دي اکسید کربن اتمسفري،
درجه حرارت و نیز نوسانات بارندگی است(2 و 3). نتایج مطالعات مربوط به تغییر اقلیم که در طی سالهاي اخیر در ایران انجام شده است همگی بروز پدیده تغییر اقلیم را تأیید کردهاند( 4). در یک بررسی دیگر عباسی و همکاران( 2010) تغییر اقلیم زاگرس را در دوره 39-2010 میلادي با استفاده از ریزمقیاس داده‌هاي مدل گردش عمومیECHO-Gمورد ارزیابی قرار دادند. نتایج این مطالعه نشان داد که در کل منطقه زاگرس بارشها در دهه 2010 به میزان دو درصد نسبت به دوره پایه کاهش مییابد( 5). در یک بررسی بابائیان و همکاران( 2008) تغییر اقلیم کشور را در دوره 39-2010 با استفاده از داده‌هاي مدل گردش عمومی ECHO-G و مولد داده هواشناسی لارس مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که در کل کشور بارندگی به میزان نه درصد کاهش می یابد( 6).
یکی از اثرات تغییر در بارندگی و دما به دلیل تغییرات اقلیمی، بروز خشکی است. خشکی معمولاً به شرایطی اطلاق می شود که در آن میانگین بارندگی سالانه از نصف مقدار تبخیر پتانسیل کمتر است (7). براي کمی کردن خشکی چندین شاخص معرفی شده است که بسته به نوع داده مورد استفاده به دو دسته شاخصهاي هواشناسی و سنجش از دور تقسیم میشوند. از مهم ترین شاخصهاي هواشناسی میتوان به شاخص خشکی پالمر، شاخص خشکی بارش استاندارد، شاخص خشکی بارش موثر، شاخص ناهنجاري بارش و شاخص ذخیره آب سطحی اشاره کرد. خزانه داري و همکاران (2009) داده‌هاي بارش را براي دوره آماري 2010 تا 2039 در ایران با استفاده از مدل لارس شبیه سازي نمودند و سپس موقعیت خشکی را با استفاده از شاخص بارش نرمال تخمین زدند. نتایج این پژوهش نشان داد که در طول 30 سال آینده، خشک سالی در ایران افزایش مییابد و بیشتر
مناطق ایران در سالهاي 2022، 2025، 2032، 2035 و 2039 خشکی شدیدي را تجربه خواهند کرد( 8). هو و همکاران( 2014) در دشت شمالی چین، سهم خشکی در کاهش عملکرد گندم و ذرت را مورد بررسی قرار دادند وبراي بررسی خشکی از شاخص خشکی پالمر استفاده کردند. نتایج نشان داد که منطقه شمالی چین براي کشت گندم و ذرت مناسب است و بهنظر میرسد که تأثیر منفی خشکی روي ذرت در شرایط اقلیمی آینده و در سناریوي A1B بیشتر بوده است(9).
بارندگی تأثیر به سزایی بر مقدار عملکرد تولیدي در مناطق دیم دارد. بهطور کلی مناطق دیم کاري بایستی حداقل 350 میلیمتر بارندگی با پراکنش مناسب دریافت کنند. کشت دیم در مناطقی مثل ایران به خصوص در زراعت گندم و جو اهمیت فوق العادهاي دارد. زراعت گندم نسبت به سایر غلات اهمیت بیشتري دارد و نزدیک به 30 درصد سطح زیر کشت و کل تولید غلات در جهان را به خود اختصاص میدهد( 10). در کشور ایران که جز نواحی گرم و خشک طبقه بندي میشود، بخش عمده اي از اراضی به تولید گندم دیم اختصاص دارد و بخش قابل ملاحظهاي از تولید غذایی نیز از این سیستم تأمین میشود که میزان تولید آن همبستگی بالایی با نزولات جوي و مناسب بودن شرایط آب و هوایی در هر سال دارد( 11). بنایان و همکاران( 2011) مطالعهاي به منظور بررسی شاخص خشکی و عملکرد گندم و جو دیم در شمال شرقی ایران انجام دادند. نتایج این مطالعه بیانگر همبستگی قابل توجهی بین شاخص خشکی و عملکرد محصولات به ویژه در بخش مرکزي استان خراسان بود(3). وضعیت اقلیمی و تغییرات آن از جمله عوامل مؤثر بر تولید محصولات کشاورزي است. شواهد موجود حاکی از آن است که پدیده تغییر اقلیم در مناطق خشک و نیمه خشک از طریق کاهش میانگین بارش سالانه و افزایش تبخیر و تعرق به دلیل افزایش دما باعث کاهش سرعت رشد
گندم شده که این امر کاهش عملکرد را به دنبال دارد(12). بر همین اساس تحقیق حاضر به منظور ارزیابی خشکی در گندم دیم براي شرایط اقلیمی آینده اجرا خواهد شد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه و جمع آوري داده ها: این تحقیق در شش شهرستان آباده، لار، اقلید، داراب، شیراز و فسا از استان فارس با مختصات جغرافیایی 2 درجه و 27 دقیقه تا 42 درجه و 31 دقیقه عرض شمالى و 42 درجه و 50 دقیقه تا 38 درجه و 55 دقیقه طول شرقى انجام گرفت (جدول 1).
جدول 1- ایستگاه‌هاي هواشناسی منتخب براي مناطق مختلف مورد مطالعه در استان فارس.
Table 1. Selected meteorological stations for the study locations in Fars province.
داده‌هاي اقلیمی مورد استفاده در این تحقیق شامل دماي حداکثر و حداقل (درجه سیلیسیوس)، بارندگی (میلیمتر) و تعداد ساعات آفتابی بودند که از سازمان هواشناسی کشور جمعآوري شدند.
داده‌هاي عملکرد گندم دیم از وزارت جهاد کشاورزي جمعآوري شد.
تخمین شاخص خشکی در دوره پایه استان فارس: در این تحقیق به منظور بررسی و تجزیه و تحلیل روند خشکی در استان فارس از شاخص خشکی استفاده شد. این شاخص در سال 1992 توسط برنامه محیط زیست سازمان ملل ارائه شده است. فرمول کلیمحاسبه شاخص خشکی در رابطه زیر ارائه شده است:
رابطه 1)
𝐴𝐼=
𝑃
𝑃𝐸𝑇
در رابطه فوق PET تبخیر و تعرق پتانسیل تجمعی (میلیمتر) و P بارندگی تجمعی در دوره رشد فعال گندم بر حسب
میلیمتر است. بر اساس آمار بهدست آمده از وزارت جهاد کشاورزي دوره رشد فعال گندم دیم در استان به طور تقریبی در بازه زمانی اسفند تا خرداد ماه است. لذا براي محاسبه شاخص خشکی، بارندگیها و نیز تبخیر و تعرق بالقوهبهصورت تجمعی در این دوره برآورد شدند. در این تحقیق از داده‌هاي اقلیمی مناطق مورد مطالعه از سال 1956 تا 2010 (به عنوان دوره پایه در استان) براي محاسبه شاخص خشکی استفاده شد. در این مطالعه براي ارزیابی بهترین روش براي برآورد تبخیر و تعرق( PET)، ابتدا چندین روش موجود از جمله فائو پنمن مونتیث، پرستلی تیلور2 و هارگیریوز سامانی3مورد بررسی قرار گرفت. روش فائو پنمن مونتیث در محاسبه تبخیر و تعرق در گذشته، روش کارآمدي است اما در دوره آینده به دلیل نیاز به پارامترهاي اقلیمی سرعت باد و فشار بخار آب و نبود اطلاعات این پارامترها در آینده در این تحقیق مورد استفاده قرار نگرفت. به همین علت از روش هارگیریوز سامانیبهعلت نیاز به پارامتر کمتر و کارایی بیشتر در مناطق خشک ونیمهخشک( 13) استفاده شد. در معادله هارگیریوز سامانی تنها به دماي حداکثر و حداقل نیاز است (14):
رابطه 2)
/
در این معادله Ra تابش فرازمینی (مگاژول در متر مربع در روز)، λ گرماي نهان تبخیر که معمولاً مقدار 45/2 میکروژول بر گرم در نظر گرفته میشود، KRS ضریب تنظیم تابش است که معمولاً مقدار 002/0 در نظر گرفته میشود، Tmax وTminبه ترتیب دماي حداکثر و حداقل روزانه بر حسب (درجه
سیلیسیوس)است و در نهایت T اختلاف دماي حداکثر و حداقل بر حسب (درجه سیلیسیوس)است.
طبقه بندي مناطق اقلیمی مختلف بر اساس شاخص خشکی در جدول 2 ارائه شده است. زیاد بودن مقدار عددي شاخص خشکی نشانه مرطوب بودن منطقه و کم بودن آن نشانه خشک بودن منطقه است.
جدول 2-طبقه بندي شدت خشکی با توجه به مقادیر شاخص( 15).
Table 2. Classification of aridity according to AI.
محاسبه شاخص خشکی در شرایط تغییر اقلیم آینده: یکی از کاربردي ترین مولدهاي داده هواشناسی مبتنی بر احتمال LARS-WG4 است که براي تولید بارندگی، تابش، دماهاي کمینه و بیشینه در یکایستگاه تحت شرایط اقلیم حاضر و آینده در مقیاس زمانی روزانه به کار میرود. در این مطالعه از اینمولد اقلیمی براي تولید دادهاي اقلیمی در دوره هاي آینده استفاده شد. بدین منظور از میان مدل هاي موجود در این مولد، دو مدل گردش عمومی HadCM3 و IPCM4 به کار گرفته شد. دلیل اصلیاستفاده از این مدل ها در این تحقیق این است که آن ها پیشتر در شرایط جغرافیایی ایران توسطمحققین بسیاري تست شده و نتایج رضایت بخشی داشته است ( 3، 7، 12 و 16). همچنین دقت ووضوح این دو مدل اقلیمی نسبت به سایر مدل هاي موجود بالاتر است. این مدل ها پیشتر توسطنگارندگان مقاله به طور دقیق با استفاده از روش هاي زیر تست و ارزیابی شدهاند( 16 و 17):
رابطه (3
/
رابطه 4)
/
در این معادله‌هاPi و Oi به ترتیب داده‌هاي شبیه سازي شده و مشاهده شده Ō میانگین داده‌هاي مشاهدهشده و n تعداد مشاهده‌ها است. مقادیر RMD نزدیک به صفر نشان دهنده عدم خطا در مدل است. EF نیز کارایی مدلسازي را نشان میدهد و میتواند مثبت یا منفی باشد. مقادیر مثبت نشان دهنده واریانس کمتر در نتایج شبیهسازي نسبت به مشاهدات است و مقادیر منفی واریانس بیشتر را نشان میدهد.
در این تحقیق همچنین سه سناریو انتشار A1B، B1 و A در سه دوره زمانی 2030-2011، 2065-2046 و 2099-2080 براي بررسی شاخص خشکی در آینده مورد مطالعه قرار گرفت. شایان ذکر است که در این تحقیق صرفاً اثرات افزایش دماي ناشی از تغییر اقلیم بر خشکی لحاظ شده است و تأثیر افزایش غلظت 2CO بر کاهش هدایت روزنه اي و در نتیجه تعرق گندم در نظرگرفته نشده است. بر این اساس با توجه به برخی منابع افزایش غلظت 2CO می تواند از 15 تا 22 درصد کاهش هدایت روزنه اي، تعرق و خشکی را به همراه داشته باشد( 18).
آنالیز داده‌ها و ترسیم نقشه پراکنش خشکی در استان:تجزیه واریانس داده ها به وسیله نرم افزار SAS با استفاده از رویه GLM انجام شد. براي محاسبه ضریب همبستگی بین متغیرها رویه PROC CORR به کار گرفته شد. همچنین به منظور رسم منحنی ها و جدولها از نرم افزارهاي سیگما پلات و اکسل استفاده شد. پس از محاسبه شاخص خشکی براي هر یک از شهرستان ها، نقشه‌هاي پهنه بندي خشکی در آن ها تهیه شد. نقشه ها با استفاده از روش میان یابی IDW1 در برنامه جی آي اس2 ترسیم شدند.
نتایج و بحث
ارزیابی مدل هاي اقلیمی و شاخص خشکی در دوره پایه: جدول 3 نتایج ارزیابی مدل هاي اقلیمی را نشان می دهد. مقادیر به دست آمده شاخص RMD براي متغیرهاي دماي کمینه و دماي بیشینه به ترتیب 03/0 و 01/0- بود که نشان دهنده خطاي کم در مدل LARS-WG بود ولی مقدار این شاخص برايمتغیر بارندگی 23/0 بود که نشان دهنده ضعف و وجود خطا در این مدل براي شبیهسازي بارش بود. شاخص کارایی مدل( EF) نیز نشان دهندهواریانس کم در شبیهسازي متغیرهاي دماي بیشینه و کمینهبود به طوري که مقدار آن ها براي این متغیرها 99/0 ولی براي بارش 94/0 بود که نشان دهندهواریانس بیشتر در شبیهسازي بارش نسبت به دو متغیر دیگر بود.
نتایج محاسبه شاخص خشکی در شهرستانهاي مورد بررسی استان فارس نشان داد که بینشهرستانها از نظر شاخص خشکی در دوره پایهاختلاف معنی دار وجود دارد. بیشترین شاخصخشکی در دوره پایه مربوط به شهرستان اقلید به میزان 43/0 برآورد شد. بر این اساس شهرستان اقلیدبر طبق طبقه بندي، جز مناطق نیمه خشک کشور محسوب میشود(15). به نظر میرسد که بالا بودنشاخص خشکی در دوره پایه در شهرستان اقلید بهدلیل مناسب بودن شرایط اقلیمیمانندبالا بودنمیزان بارندگی تجمعی و کم بودن میزان تبخیر و تعرق و مقادیر متوسط دماي بیشینه و کمینه (جدول4) در این منطقه نسبت به سایر شهرستانها باشد. کم ترین میزان شاخص خشکی در دوره پایه مربوط به شهرستانهاي لار و آباده بهترتیب به مقدار 10/0 و 13/0 است که جز مناطق خشک کشورطبقه بندي می شوند( 15). دلیل کم بودن میزان شاخص خشکی در شهرستان آباده ناشی از کم بودنمیزان بارندگی تجمعی (به میزان 77/63 میلیمتر) و در شهرستانلار علاوهبر کم بودن میزان بارندگیتجمعی (به میزان 28/82 میلیمتر)، بالابودن مقادیر
متوسط دماي بیشینه( 33/29 درجه سانتیگراد) وکمینه( 08/13 درجه سانتیگراد) نسبت به سایر شهرستانهاي مورد بررسی می باشد ( جدول 4). در جدول 5 نیز همبستگی بین شاخص خشکی گندم دیم در دوره پایه با پارامترهاي اقلیمی، مورد بررسی قرار گرفته است. طبق نتایج حاصل از تجزیه همبستگی میزان بارندگی تجمعی بیشترین همبستگیمثبت( 9/0) و معنیدار و میزان تبخیر و تعرق بیشترین همبستگی منفی( 54/0-) و معنی دار را باشاخص خشکی در دوره پایه داشتند. همچنین این نتایج نشان داد که بین متوسط دماي بیشینه و کمینه با شاخص خشکی بهترتیب به میزان 44/0- و 21/0- همبستگی منفی و معنیداري برقرار است.
جدول 3- نتایج ارزیابی مدل هاي اقلیمی براي بارندگی، دماي کمینه و بیشینه( 18).
Table 3. Results of climate models evaluation for rainfall, maximum and minimum temperatures (18).
جدول 4- مقایسه میانگین برخی صفات مرتبط با خشکی در دوره رشد فعال گندم در دوره پایه.
Table 4. Mean comparison of some wheat and climatic characteristics during growing season in the baseline.
میانگین هاي داراي حروف مشترك در هر ستون فاقد تفاوت معنیدار آماري در سطح احتمال 5 درصد میباشند.
Values in each column followed by similar letters are not significantly different at 5% probability level.
جدول 5- همبستگی بین صفات مورد بررسی دردوره پایه
Table 5. Correlation coefficients between wheat and climatic characteristics in the baseline.
پس از محاسبه شاخص خشکی براي استان فارس، نقشه پراکندگی شاخص خشکی براي ایناستان در دوره پایه ترسیم شد (شکل 2). همانطور که از شکل پیداست مناطق جنوبی و شمالی استان داراي اقلیمی خشک است و در نتیجه از شاخص خشکی کمتري برخوردار است که علت پایین بودن شاخص خشکی در این مناطق پایین بودن بارندگی و همچنین بالا بودن تبخیر و

فایل : 30 صفحه

فرمت : Word