کارائی مصرف آب در کشت‌های گلخانه‌ای گوجه فرنگی
فهرست مطالب
مقدمه
مقادیر زیادی آب برای تولید غذای ما مورد نیاز است که از چند متر مکعب به ازای هر کیلوگرم گوشت گاو تا 4 لیتر در کیلوگرم برای گوجه‌فرنگی‌هایی که در گلخانه‌های با فناوری پیشرفته رشد می‌کنند، متغیر است. اصل این مقاله توسط دو محقق برجسته کشت های گلخانه ای در دانشگاه واخنینگن هلند، Elly Nederhoff و Cecilia Stanghellini نگارش یافته و توسط دکتر رضا صالحی عضو هیات علمی دانشگاه تهران برگردان به فارسی و تدوین شده است و داده‌های مربوط به مصرف آب محصول (PWU=Product Water Use) برخی از محصولات را ارائه و در مورد چگونگی کاهش نیاز آب گیاه گوجه‌فرنگی تازه خوری از 300 به 4 لیتر آب به ازای هر کیلوگرم میوه تولید شده، بحث می‌کند.
نیاز آبی
آب در قاعده هرم غذایی ما قرار دارد. تمام سبزیجات، میوه ها، گندم، گوشت و غیره مورد مصرف ما با آب تولید می شوند. تخمین زده می شود که مصرف آب در جهان برای تولید محصولات کشاورزی 5400 کیلومتر مکعب در سال بوده و به سرعت در حال افزایش است. با افزایش جمعیت جهان و تمایل افراد بیشتر به خوردن غذاهای متنوع و خاص، نیاز به آب نیز بطور روز افزون در حال افزایش می باشد. آب شیرین و با کیفیت خوب از ارزش گرانبهایی برخوردار است. کمبود قریب الوقوع آب، یکی از بزرگترین تهدیدات برای حیات روی کره زمین بشمار می رود.
از این رو استفاده بهینه از آب بسیار مهم است. آب ممکن است به دلیل خشکسالی های طولانی مدت، کاهش آب های زیرزمینی، استفاده بیش از حد از آب در بالادست، کمیاب شده، یا به دلیل شور شدن یا آلودگی از کیفیت پایینی برخوردار شود. حتی در جاهایی که آب فراوان در دسترس است، نیاز به استفاده عاقلانه از آن باید مدنظر قرار داده شود. همچنین، به حداقل رساندن پسآب کودها و مواد شیمیایی کشاورزی به منابع آب و زیستگاه های طبیعی نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مقاله سعی بر آن است به بررسی کارایی مصرف آب برای تولید میوه گوجه فرنگی گلخانه ای پرداخته شود.
مصرف آب محصول (PWU)
در مطالعات مربوط به آب توسط سازمان های بین المللی همچون سازمان ملل متحد، سازمان همکاری و توسعه اقتصادی (OECD)، فائو و غیره، از مفاهیم جالبی مثل ردپای آب، آب مجازی، مصرف آب محصول و کارایی مصرف آب استفاده می شود.
مصرف آب محصول (PWU)،
حجم آب لازم در کل دوره کشت و کار، برای تولید یک کیلوگرم محصول تازه است و بر حسب لیتر آب برای یک کیلوگرم محصول (l/kg) بیان می شود.
کارائی مصرف آب (WUE=Water Use Efficiency)
مشابه اصطلاح قبلی است اما برعکس: تولید بر حسب کیلوگرم تقسیم بر لیتر آب مصرفی برای رشد؛ و بر حسب کیلوگرم محصول به ازای یک لیتر آب (kg/l) بیان می شود.
هنگامی که مصرف آب محصول،کم و کارایی مصرف آب، زیاد است، آب به طور موثر استفاده می شود. در گذشته اصطلاح “کارایی مصرف آب” اغلب استفاده می شد، در حالی که اکنون به نظر می رسد، “مصرف آب محصول” اصطلاح ترجیحی و رایج باشد. اصطلاحات “مصرف آب محصول” و “کارایی مصرف آب” یک محصول کشاورزی، از داده های ثبت شده عملکرد و مصرف آب در کل فصل زراعی محاسبه می شود. محاسبه میزان محصول تولید شده، ساده است، اما اندازه گیری حجم آب مصرفی برای تولید آن، کار بسیار دشواری می باشد. “مصرف آب محصول” و “کارایی مصرف آب”، هر دو از مصرف آب و تولید محصول محاسبه می شوند. در این مقاله نشان داده خواهد شد که تغییر در مصرف آب یا در تولید محصول، یا هر دو می تواند باعث تفاوت های زیادی در راندمان آب شود.
حجم مصرف آب برای تولید برخی محصولات کشاورزی
شبکه سازمانی ردپای آب (Chapagain and Hoekstra, 2008)، مجموعه داده های گسترده ای برای صدها محصول کشاورزی برای 65 کشور جهان را جمع آوری و منتشر کرده است. جدول 1 و شکل 1 متوسط مصرف آب محصولات مختلف کشاورزی را بر حسب لیتر آب مصرفی به ازای یک کیلوگرم محصول تازه، به تصویر کشیده است. چای، قهوه، گوشت، برنج، گندم و حبوبات خشک، مصرف کنندگان بزرگ آب هستند. گوشت گاو یکی از بزرگترین مصرف کنندگان آب است: برای تولید 1 کیلوگرم گوشت گاو نزدیک به 16000 لیتر (16 متر مکعب) آب مورد نیاز است. سایر محصولات حیوانی نیز به آب زیادی نیاز دارند. بیشتر میوه ها و سبزیجات در مصرف آب، وضعیت نسبتاً متوسطی دارند، در حالی که علوفه، کمترین حجم مصرف آب را به خود اختصاص داده است. لازم به ذکر است که تفاوت های زیادی بین کشورها در این خصوص دیده می شود.
تفاوت ها و تغییرات بزرگی توسط چندین عامل اصلی قابل توضیح و بیان است. محصولات کشاورزی در آب و هوای گرم نسبت به محصولات آب و هوای معتدل، آب بسیار بیشتری را از طریق پدیده تعرق از دست می دهند (در جدول 1 به این مورد برای گوجه فرنگی اشاره شده است).
حجم آب مصرفی برای تولید گوشت شامل مجموع آب آشامیدنی برای حیوانات، به علاوه آب مصرف شده برای رشد علف یا علوفه خورده شده توسط حیوان، می باشد. دیگر مصارف آب در فضاهای صنعتی پرورش حیوانات نیز، به این مقدار اضافه شده است.
محتوای آب یک محصول نیز یک عامل اصلی است: برای تولید یک محصول خشک (مانند برنج) نسبت به یک محصول آبکی (مثلاً خیار)، آب بیشتری نیاز است، اگرچه ممکن است در نگاه اول متناقض به نظر برسد.
شاخص برداشت، یکی دیگر از عوامل است، یعنی اینکه آیا کل گیاه (علوفه و کاهو) مصرف می شود یا فقط یک قسمت کوچک (خشکبارهای درختی).
اگر خیلی وارد جزئیات نشویم و به داده های جدول 1 فقط بطور مقایسه ای نگاهی بیندازیم، متوجه می شویم که تولید سبزیجات تقریباً 1٪ از آب مورد نیاز تولید گوشت گاو را مصرف می‌کند. در ادامه خواهیم دید که گوجه فرنگی را می توان با آب بسیار کمتر از آنچه گزارش شده، تولید کرد.
حجم مصرف آب گوجه فرنگی
جدول 1 (خطوط آخر) مصرف آب محصول برای طیف وسیعی از محصولات از جمله گوجه فرنگی را نشان می دهد. این اعداد به ازای هر کیلوگرم گوجه فرنگی تازه است. “تازه” مهم است، زیرا گوجه فرنگی از 95٪ آب تشکیل شده است: اگر داده ها به عنوان مصرف آب به ازای هر کیلوگرم محصول “خشک” بیان شود، این ارقام حدود 20 برابر بیشتر می شود. جدول 2، داده های “مصرف آب محصول” را ارائه می دهد که برای گوجه فرنگی در کشورها و سیستم های رشد مختلف جمع آوری شده است. برای هر 1 کیلوگرم گوجه فرنگی تازه بین 4 تا 300 لیتر آب لازم است. چالش این است که چگونه از 300 به 4 لیتر در کیلوگرم برسیم.
جدول 3، داده های مصرف آب محصول به صورت لیتر آب مورد نیاز برای هر 1 کیلوگرم گوجه فرنگی تازه از دانشگاه کوردوبا در اسپانیا را نشان می دهد. این مطالعه نشان می دهد که مدیریت خوب، “مصرف آب محصول” را حدود سه برابر کاهش می دهد و کشت گلخانه ای در مقایسه با کشت مزرعه ای، حدود پنج برابر “مصرف آب محصول” را کاهش می دهد. در این مطالعه، یک گلخانه با مدیریت خوب برای کشت گوجه فرنگی، 13 برابر آب کمتری نسبت به تولید مزرعه ای با مدیریت ضعیف مصرف می کند. این مطالعه شامل سیستم‌های رشد با فناوری پیشرفته موجود در جدول 2 نمی‌شود.
جذب، تعرق و زه آب
از آب عرضه شده به یک محصول، تنها بخش کوچکی برای افزایش وزن واقعی استفاده می شود، در حالی که بیشتر آن به سادگی از گیاهان عبور می کند و در اثر تعرق از بین می رود. آب مورد استفاده برای تولید گیاه را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:
1- تثبیت در گیاهان (افزایش وزن، رشد)، 2- تعرق توسط برگ، 3- زه آب از ناحیه ریشه، 4- سایر
مورد 1 (تثبیت در گیاهان) به معنای مشارکت آب در گیاه برای ساختن بافت گیاهی تازه مانند میوه، برگ، ساقه و ریشه است. این بخش بسیار کوچکی است و اغلب در حدود 10 درصد جذب آب را تشکیل می دهد. تثبیت آب باعث افزایش وزن تازه می شود، بنابراین ما نمی خواهیم این سهم از آب را به حداقل برسانیم.
مورد 2 (تعرق توسط برگها) تا حد زیادی بزرگترین سهم از آب جذب شده را تشکیل می دهد: در اغلب موارد بسته به شرایط 90٪ جذب آب از این طریق از دسترس گیاه خارج می شود.
مورد 3 (زه آب از ناحیه ریشه) در اینجا به معنای هرگونه از دست دادن آب یا محلول غذایی از ناحیه ریشه است. این آبی است که به خاک یا سیستم رشد می رسد ولی توسط گیاهان جذب نمی شود. زه آب به خصوص هنگام مقایسه کشت خاکی با کشت بدون خاک (هیدروپونیک) بسیار متفاوت است.
مورد 4 (سایر) می تواند شامل تمام اشکال دیگر استفاده از آب برای تولید محصول باشد. موارد 1 و مورد 2 با هم جذب آب را تشکیل می دهند، در حالی که مورد 3 و مورد 4 توسط گیاهان جذب نمی شوند.
در این داده ها، ما بر تامین آب برای گیاهان تمرکز کرده ایم (موارد 1، 2 و 3). ما فقط در مواردی که مقدار قابل توجهی آب برای خنک‌سازی تبخیری (فن و پد) استفاده می‌شود، استفاده از آب «سایر» را در نظر می گیریم.
از مزرعه تا گلخانه هیدروپونیک
در ادامه مقاله، گام های بزرگ برای بهبود بهره وری مصرف آب فهرست شده و در پاراگراف های بعدی این مراحل را با جزئیات بیشتری شرح خواهیم داد.
در محصولات کشت شده در مزرعه، به دلیل حرکت آب ناشی از آبشویی به لایه های پایین خاک، به ویژه در خاک های شنی، یا به دلیل تبخیر فوری آن پس از آبیاری، زه آب زیادی تولید می شود. اولین راهکار بهبود را می توان با اصلاح خاک با افزودن مواد آلی با ظرفیت نگهداری آب بهتر یا مالچ کشی انجام داد. با استفاده از آبیاری قطره ای، با قرار دادن قطره چکان در نزدیکی هر گیاه، پیشرفت زیادی حاصل می شود. حتی بهتر از آن آبیاری قطره ای همراه با مالچ کشی است.
یک قدم بزرگ و مهم، کشت محصول در گلخانه به جای کشت در مزرعه است. این امر به دلیل آبیاری کنترل شده، افزایش تولید و کاهش تعرق باعث بهبود کارایی آب می شود.
بهره وری نهایی مصرف آب با رشد سبزیجات در سیستم هیدروپونیک بسته در گلخانه بسته با خنک کننده پیشرفته به دست می آید. در آزمایشی که اخیرا توسط دانشگاه واگنینگن انجام گرفته است، میزان مصرف آب محصول به ازای 1 کیلوگرم گوجه فرنگی تازه، به حدود 4 لیتر آب رسیده است. این بدان معناست که 1 متر مکعب آب، 250 کیلوگرم محصول تازه تولید می کند.
گلخانه
استفاده از گلخانه به جای کشت در مزرعه تاثیر زیادی در بهره وری آب دارد. جدول 2، دو کشت مزرعه و چندین موقعیت گلخانه ای را مورد مقایسه قرار داده است. کشت های گلخانه ای، راندمان مصرف آب را بسیار ارتقا می دهند. جدول 3، بهبود در “مصرف آب محصول” را در حدود پنج برابر برای محصول گلخانه ای در مقایسه با کشت مزرعه نشان می دهد.
بهبود راندمان آب در درجه اول از طریق تولید بیشتر و ثانیاً از طریق تعرق کمتر حاصل می شود. افزایش تولید ناشی از شرایط رشد کنترل شده (از جمله تزریق دی اکسید کربن)، دوره رشد طولانی تر، ارقام بهتر، محافظت در برابر عناصر و غیره است. تعرق تا حد زیادی بزرگترین مؤلفه جذب آب است (مثلاً 90٪) و بنابراین کاهش تعرق تأثیر قابل توجهی بر مصرف آب دارد. تعرق توسط تشعشع خورشیدی هدایت می شود و تحت تأثیر رطوبت قرار می گیرد (یعنی رطوبت بالاتر تعرق را کاهش می دهد). در گلخانه، تابش کمتر و رطوبت بیشتر از بیرون است. این دو عامل هر دو تعرق را در هر متر مربع کاهش می دهند و در نتیجه تعرق در داخل گلخانه به وضوح کمتر از خارج از گلخانه می شود. تعرق کمتر به معنای مصرف کمتر آب است، بنابراین “کارائی مصرف آب” بهبود می یابد.
با این حال، عوامل دیگری نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. یکی اینکه فصل رشد در مزرعه بسیار کوتاهتر از گلخانه است و به همین دلیل مصرف آب در مزرعه می تواند کمتر از گلخانه باشد. از سوی دیگر، در مزرعه مقدار زیادی آب شسته می شود، در حالی که در گلخانه می توان زه آب را جمع آوری کرد.
یک مثال
اثر گلخانه را می توان با یک مثال عددی به بهترین شکل توضیح داد. تولید گوجه فرنگی در مزرعه به ترتیب 8-3 کیلوگرم بر مترمربع در سال و در گلخانه 80-50 کیلوگرم در مترمربع در سال است (حتی 100 کیلوگرم در متر مربع در سال نیز گزارش شده است). بنابراین میزان تولید در گلخانه 10 تا 20 برابر بیشتر از مزرعه است و این بر “مصرف آب محصول” تأثیر زیادی دارد.
مصرف آب در مزرعه نیز بسیار متفاوت است: به عنوان مثال، می تواند 300 لیتر در متر مربع در طول فصل رشد (بخشی از سال) باشد، در حالی که مصرف آب در گلخانه های هلندی به ترتیب 1000 لیتر در متر مربع در طول دوره رشد (یک سال کامل) است.
این بدان معناست که “مصرف آب محصول” در کشت مزرعه ای، 300 لیتر بر متر مربع تقسیم بر 5 کیلوگرم بر متر مربع = 5÷300 = 60 لیتر بر کیلوگرم است. در گلخانه، “مصرف آب محصول” از 50÷1000 = 20 لیتر در کیلوگرم تا 80÷1000 = 12.5 لیتر در کیلوگرم متغیر است. این به طور متوسط “مصرف آب محصول” حدود 15 لیتر بر کیلوگرم در گلخانه در مقابل 60 لیتر بر کیلوگرم در مزرعه است. بهبود چهار برابری در مصرف آب با انتقال از تولید مزرعه آبیاری قطره‌ای به تولید گلخانه‌ای. بدیهی است که مقادیر دقیق “مصرف آب محصول” به موقعیت های مختلف بستگی دارد.
گلخانه های بسته (Closed Greenhouse)
مصرف آب محصول را می توان با گلخانه های به اصطلاح “نیمه بسته” و “بسته” که در هلند مشاهده می کنیم، حتی بیشتر کاهش داد. این گلخانه ها با آب سردی که از آب های عمیق زیرزمینی پمپاژ می شود، خنک می شوند. گلخانه های بسته فاقد دریچه و گلخانه های نیمه بسته دارای دریچه هستند اما فقط در هوای بسیار گرم از آن استفاده می کنند. گلخانه های نیمه بسته با موفقیت در مقیاس تجاری بزرگ اداره می شوند، در حالی که گلخانه های کاملاً بسته تاکنون عمدتاً در مقیاس کوچک کارائی داشته اند.
از آنجایی که دریچه ها باز نمی شوند (یا حداقل نه به اندازه زیاد)، می توان سطح CO2 را بالاتر از حد معمول حفظ کرد که باعث افزایش تولید می شود. علاوه بر این، باز هم به دلیل بسته بودن یا تقریبا بسته بودن دریچه ها، آبی که از گیاهان تبخیر می شود از آن خارج نمی شود. بخار آب اضافی در برابر دستگاه های خنک کننده یا سایر سطوح خنک، متراکم و تبدیل به آب می شود. در آزمایشی در هلند با یک گلخانه بسته، تخمین زده شد که حدود 40 تا 50 درصد از آب عرضه شده به محصول از طریق میعانات بازیابی شده است. این آزمایش “مصرف آب محصول” برای گوجه فرنگی را به اندازه 4 لیتر به ازای هر کیلوگرم میوه ثبت کرد. در یک پروژه گلخانه ای بسته در اسپانیا، 75 درصد از آب آبیاری، بازیافت شد. محصول این گلخانه بامیه بود که می تواند دمای بالا را تحمل کند.
“مصرف آب محصول” تحت تأثیر استفاده از آب زیاد برای خنک سازی تبخیری نیز قرار می گیرد. گلخانه‌ها در مناطق گرم و خشک اغلب با سیستم‌های پد و فن و مه‌پاشی خنک می‌شوند که به مقادیر زیادی آب نیاز دارد. داده های ثبت شده در مورد چنین عملیات گلخانه ای در مکزیک نشان می دهد که “مصرف آب محصول” تا بیش از 60 یا حتی بیش از 90 لیتر به ازای هر کیلوگرم میوه خواهد رسید.
سیستم های هیدروپونیک باز (عدم بازچرخانی زه آب)
کشت در گلخانه اغلب به معنای رشد گیاه در خارج از خاک و در محیط های رشد مانند پشم سنگ، کوکوپیت، ورمیکولیت، فوم های مصنوعی و گاهی اوقات در هیدروپونیک خالص (آبکشت) یا آئروپونیک است. این سیستم ها می توانند “باز” یا “بسته” باشند (به جز آبکشت ها که اصولاً بسته هستند).
یک سیستم هیدروپونیک “باز”، با نام مستعار سیستم “عدم بازچرخانی زه آب”، محلول اضافی مواد مغذی را به طور مداوم تخلیه می کند. این امر مقدار قابل توجهی آب و کودهای شیمیایی را هدر می دهد و اثر نامطلوبی بر محیط زیست وارد می کند. معمولاً گلخانه دار می‌تواند مقدار زه آب را انتخاب کند، که بخشی از «مدیریت» است که در جدول 3 منظور شده است. زه آب معمولاً بین 5 تا 50 درصد تنظیم است. راهکار بهبود بهره وری آب این سیستم ها، استفاده مجدد از زه آب یا به عبارتی تغییر سیستم هیدروپونیک باز به نیمه بسته یا بسته است.
سیستم های هیدروپونیک نیمه بسته
در سیستم های هیدروپونیک بسته و نیمه بسته، محلول غذایی مجددا استفاده می شود. محلول مواد مغذی اضافی که در انتهای گاترهای کشت از گلخانه خارج می شود، در یک مخزن نگهدارنده جمع آوری می شود یا مستقیماً به مخزن اختلاط جریان می یابد. این مخزن به طور مداوم با آب شیرین پر می شود تا جایگزین آبی که توسط گیاهان جذب شده است، بشود. برای جلوگیری از گسترش بیماری، ممکن است نیاز به ضد عفونی کردن زه آب باشد.
سیستم های هیدروپونیک بسته
یک سیستم هیدروپونیک بسته 10 تا 50 درصد آب کمتری نسبت به سیستم باز مصرف می کند. با فرض اینکه تولید، ثابت باقی بماند به همین ترتیب، مصرف آب محصول نیز 10 تا 50 درصد بهتر از سیستم هیدروپونیک باز است.
چرا گوجه فرنگی بازده مصرف آب بالایی دارد؟
گوجه‌فرنگی گلخانه‌ای در مقایسه با سایر محصولات به روشی با مصرف بسیار کم آب، تولید می‌شود. این تا حد زیادی به دلیل عملکرد بسیار بالای آن است. عوامل زیادی در بازده بالا نقش دارند. گوجه فرنگی حاوی مقدار زیادی آب است که به راحتی عملکرد محصول را افزایش می دهد. گوجه فرنگی همچنین دارای شاخص برداشت بسیار بالایی است (درصد میوه تولید شده به کل زیست توده). در گوجه‌فرنگی گلخانه‌ای، حدود 80 درصد زیست توده تولید شده را میوه تشکیل می‌دهد و تنها 20 درصد آن را برگ، ساقه و ریشه تشکیل می‌دهند. کاهو نیز دارای شاخص برداشت بسیار بالایی است، زیرا کل گیاه خورده می شود (به غیر از ریشه). بسیاری از محصولات دیگر شاخص برداشت بسیار پایین تری دارند: گندم در حال حاضر دارای شاخص برداشت حدود 50 درصد است که در چند دهه پیش 30 درصد افزایش یافته است. به نژادی و معرفی ارقام جدید، به شاخص برداشت و بهره وری گیاهی گوجه فرنگی، گندم و بسیاری از محصولات دیگر کمک زیادی کرده است. عوامل دیگر همچون دوره رشد طولانی، شرایط بهینه رشد، غنی سازی CO2، تغذیه عالی در هیدروپونیک، کنترل خوب آفات و بیماری ها، کنترل تعادل گیاه، و استفاده از دانش عمیق در مورد رشد گوجه فرنگی منجر کارایی بالای مصرف آب در این گیاه می باشد.