ارزیابی زراعی بوم شناختی اراضی شهرستان آق قلا (استان گلستان) جهت کشت گندم دیم با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی(GIS)

مقدمه

در دهه های اخیر علی رغم رشد بی رویه جمعیت، استفاده از زمین های زراعی، بر مبنای قابلیت و استعداد آنها نبوده، بلکه بر اساس نیازهای آنی و فنی عصر خود پایه ریزی شده است. پی آمد این امر وارد آمدن خسارت جدی به آن زمین ها بوده و جهت پیشگیری از استمرار و تشدید آن بایستی قابلیت و استعداد اراضی کشاورزی، مطالعه و ارزیابی شود ((Zeynodini, 1998 گندم یکی از محصولات راهبردی کشاورزی است که در سطح بین المللی یکی از مهم ترین منابع غذایی و کسب درآمد محسوب می شود Shuanghe et al, 2009)).

مشخص نبودن مناطق مستعد و مناسب برای کشت غلات دیم از معضلات مهم بر سر راه کشت مطمئن این محصولات در کشور می باشد. با توجه به اهمیت راهبردی گندم، شناسایی مناطق مستعد برای کاشت این گیاه زراعی بر اساس ارزیابی داده های محیطی می تواند باعث تولید پایدار این محصول در مناطق مختلف گردد ((Farajzadeh, 2002 در بین روش های امکان سنجی کشت، سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) امکانات بسیار مناسبی را در تعیین قابلیت های کشت محصولات کشاورزی فراهم می آورد، این سامانه با ارائه امکانات لازم در خصوص تهیه هر یک از عوامل در قالب لایه های اطلاعاتی کاربران را قادر می سازد که با بیشترین دقت ممکن نسبت به ارزیابی مناطق مستعد کشت محصولات کشاورزی اقدام نمایند (Feyzizadeh et al, 2012). سامانه های اطلاعات جغرافیایی امروزه به عنوان ابزاری مهم در مدیریت داده های زمینی مطرح می باشندکه با فراهم ساختن امکان یک پارچه سازی داده های حاصل از منابع مختلف، امکان استخراج اطلاعات مورد نیاز و کشف ارتباطات پیچیده بین پدیده -های مختلف را فراهم می نمایند، به طوری که در سال های اخیر، استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی در پژوهش های کشاورزی و منابع طبیعی و تهیه نقشه های موضوعی گسترش فراوانی پیدا کرده است
 ((Khalfi and Damavandi, 2010.

   Khan et al., (2010) با ارزیابی اراضی قابل کشت محصولاتی همچون گندم، جو و آفتابگردان در اسپانیا، عوامل محیطی، توپوگرافی و خاک شامل ارتفاع، شیب، نوع بافت خاک، دما، بارندگی، طول روز و تأثیر هر کدام از آنها را بر روی این گیاهان بررسی و سپس با وزن دهی هر کدام از لایه ها در محیط GIS داده های فوق را تلفیق نموده و در نهایت نقشه مناطق مستعد کشت را تهیه کردند.
 (2012)  Abdelkader and Amin گزارش نمودند که GIS یک ابزار قدرتمند برای تجزیه تحلیل داده  های فضایی است. و با کمک این فن آوری، نقشه تناسب اراضی در منطقه ملتا¹ در الجزایر را برای گندم دوروم تهیه کردند. et al., (2011) Wang بیان کردند که قابل کشت و زرع بودن زمین را می توان به پتانسیل بالقوه منطقه از نظر توزیع مواد غذایی و فراهمی عوامل آب  و هوایی نسبت داد. این محققان با استفاده از GIS²و RS³ منطقه پکن چین را از نظر کشت گندم زمستانه بر اساس وزن متغیر ها به چهار منطقه مناسب، نسبتا مناسب، نامناسب و بسیار مناسب تقسیم بندی کردند. تعیین مناطق مطلوب کشت گندم دیم و تعیین بهترین تاریخ کشت آن بر اساس تبخیر و تعرق محصول در شرایط تنش آبی در خراسان توسط(2013) et al., Bannayan انجام شد. نتایج نشان داد که عامل بارش همیشه یک راهبرد مناسب برای اجتناب از خشکی نیست. اصلاح و انتخاب تاریخ کاشت مناسب، می تواند بیشترین پتانسیل تولید عملکرد را در شرایط دیم به همراه داشته باشد. (Bhagat et al., (2009  منطقه هیماچال پراداش⁴ هند را جهت تولید غلات با استفاده از عوامل اقلیمی (دما و بارش)، توپوگرافی (ارتفاع)، نوع خاک و پوشش گیاهی منطقه مورد ارزیابی قرار داده و مناطق مستعد و غیر مستعد را جهت کشت و تولید این گیاهان بررسی و مشخص گردید و نتایج نشان داد که 36 درصد از کل منطقه برای کاربری کشاورزی بسیار مناسب است.

فرایند تحلیل سلسله مراتبی(AHP) یکی از جامع ترین روش های طراحی شده برای تصمیم گیری با معیارهای چند گانه است، زیرا این روش امکان حل کردن مسئله پیچیده را بصورت سلسله مراتبی فراهم می کند و همچنین امکان در نظر گرفتن معیارهای مختلف کمی و کیفی را در مسئله فراهم می نماید. فرایند تحلیل سلسله مراتبی یک نمایش گرافیکی از مسائل پیچیده واقعی می باشد که در رأس آن هدف کلی مسئله و در سطوح بعدی معیارها و گزینه ها قرار دارند. در این الگو عناصر هر سطح نسبت به عنصر مربوطه خود در سطح بالاتر به صورت زوجی مقایسه می شوند تا با تلفیق وزن آن ها، وزن نهایی هر گزینه مشخص شود. این فرایند شامل چندین مرحله: ایجاد درخت سلسله مراتبی، انجام مقایسات زوجی، محاسبه وزن اجزاء ساختار و گزینه ها و اندازه گیری شاخص سازگاری می باشد (Ghodsipoor, 2010).
 Feyzizadeh et al., (2012) پهنه بندی اقلیم شناختی-زراعی گندم دیم را در سطح استان آذربایجان شرقی با استفاده از داده های اقلیمی مورد بررسی قرار دادند و به شناسایی مناطق مستعد از نظر کشت دیم این محصول پرداختند. ایشان در انجام تحلیل های مکانی از GIS و تحلیل سلسله مراتبی (AHP) ، استفاده کرده و پس از تعیین وزن لایه ها، با همپوشانی وزن دار، نقشه نهایی مناطق مستعد کشت گندم دیم را در سطح استان تهیه کردند و نتایج آنها نشان داد که پارامترهای اقلیمی مانند بارش و دما از شاخص های موثر در فرایند کشت گندم دیم در این منطقه محسوب می شود. (Norwood (2000 در دشت بزرگ ایالت کانزاس آمریکا تاثیر پارامترهای اقلیمی را در مناطق کشت گندم دیم بررسی و با تحلیل داده های اقلیمی نظیر بارندگی، دما، تبخیر و همچنین بررسی خاک منطقه نواحی مناسب برای کشت گندم دیم را شناسایی نمود و اظهار داشت که تبخیر و بارندگی نسبت به سایر عناصر اقلیمی، بیشترین تأثیر را در طول مراحل رشد گندم دیم دارند. شناخت عوامل و عناصر اقلیمی موثر در کشت زیتون و پهنه بندی نواحی مستعد کشت این محصول در استان اصفهان توسط Mohamadi et al., (2005) مشخص نمودند که شرایط اقلیمی و محیطی این استان جهت کشت زیتون مناسب نبوده و از بین مدل های مورد استفاده، روش فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP) تطابق بیشتری با واقعیت های محیطی استان جهت کشت محصول را نشان می دهد. Mirzabayati et al., (2004) در بررسی نواحی مستعد کشت زعفران در دشت های نیشابور نشان داد که 2146 کیلومتر مربع از اراضی این دشت دارای استعداد بسیار خوبی برای توسعه کشت زعفران می باشند که در حال حاضر به کاربری های دیگری اختصاص یافته است.  Kazemi et al., (2013) در پهنه بندی زراعی-بوم شناختی اراضی استان گلستان جهت کشت سویا از سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) استفاده کرده و گزارش نمودند که میزان بارش، پتانسیل منابع آبی پایین، شوری و کمبود برخی عناصر غذایی از عوامل محدود کننده کشت این گیاه در استان گلستان محسوب می شود.

با توجه به اینکه گندم یکی از محصولات مهم در کشور ما و بخصوص در استان گلستان تلقی    می شود، تعیین مناطق مناسب با در نظر گرفتن نیاز های محیطی گندم دیم، بهترین راه حل در تولید بهینه و کاهش تخریب محیط زیست و حفظ منابع طبیعی محسوب می شود. بر اساس آمار سال زراعی 91-1390، سطح زیر کشت گندم دیم در شهرستان آق قلا، 24005 هکتار و متوسط عملکرد 2300 کیلوگرم در هکتار گزارش شده است. همچنین با توجه به نوسان های مختلف در تولید این محصول در سال های مختلف، شناسایی مناطق مستعد و غیر مستعد بر اساس شناخت مزیت ها و محدودیت های محیطی کشت این محصول می تواند کمک شایانی به پایداری میزان تولید گندم دیم در شهرستان آق قلا داشته باشد. با وجود قابلیت بالای فن آوریGIS  در تحلیل داده ها، از قابلیت های توابع تحلیلی در مطالعات امکان‌سنجی کشت محصولات زراعی، در سطح کشور ما بهره کافی برده نشده است. این مطالعه با هدف بهره گیری از توابع تحلیل های مکانی همراه با فرایند سلسله مراتبی (AHP) جهت شناسایی مناطق مناسب کشت گندم دیم در شهرستان آق قلا انجام شده است.

مواد و روش ها

منطقه مورد مطالعه

آق‌قلا یکی از شهرستان های شمالی استان گلستان است. این شهرستان در طرفین رودخانه گرگان‌رود و در شمال شهر گرگان قرار گرفته است. محصولات عمده آن شامل گندم، برنج، پنبه، حبوبات، نباتات علوفه ای، سیب زمینی و دانه‌های روغنی است که به‌صورت آبی و دیم کشت می شوند. محدوده مورد مطالعه در این پژوهش اراضی کشاورزی شهرستان آق قلا می باشد که در شکل (1) نشان داده شده است.

تهیه نقشه ها و لایه های اطلاعاتی

نقشه های توپوگرافی : نقشه های شیب، جهت های شیب و ارتفاع از سطح دریا با استفاده از مدل رقومی ارتفاع (DEM) استان گلستان در مقیاس1:25000 برای محدوده کشاورزی شهرستان آق قلا در محیط ArcMAP  تهیه شد (شکل3).

نقشه های اقلیمی : برای تهیه نقشه های دما و بارش محدوده مورد مطالعه، از داده های اقلیمی 15 ساله آماری ایستگاه‌های باران‌سنجی، هم‌دیدی و اقلیم شناسی مستقر در استان گلستان (در مجموع 43 ایستگاه) استفاده شد. برای تهیه این نقشه‌ها نیز از روش میان‌یابی فاصله معکوس وزن‌دار (IDW) و کریجینگ استفاده شد (شکل 4).

نقشه های خاک

به منظور تهیه نقشه های رقومی بافت، شوری، pH، ماده آلی و همچنین عناصر غذایی نیتروژن، فسفر، پتاسیم، کلسیم، روی و آهن از 300 نمونه خاک که از اراضی کشاورزی منطقه مورد مطالعه از عمق 20-0 سانتی‌متری، تهیه شده بود، استفاده گردید (شکل 6). این نمونه ها از مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی گلستان تهیه شد. پس از جمع آوری این اطلاعات به منظور تهیه نقشه خصوصیات خاک از روش های مختلف درون‌یابی از جمله کریجینگ و IDW استفاده شد. در شکل (7) برخی از نقشه های عناصر نشان داده شده است.

نحوه اجرای فرایند سلسله مراتبی (AHP)   

به منظور وزن دهی به معیارها با روش AHP ، ابتدا درخت سلسله مراتبی تشکیل گردید (شکل8). بدین ترتیب فرایند تحلیل سلسله مراتبی مسائل پیچیده را از طریق تجزیه آن به عناصر جزیی و ارتباط هدف اصلی با پایین ترین ﺳﻄﺢ ﺳﻠﺴﻠﻪ ﻣﺮاﺗﺒﻲ ﺑـﻪ ﺷـﻜﻞ ﺳـﺎده ﺗـﺮی بیان شد. در تحقیق حاضر جهت استعداد سنجی اراضی مستعد کشت گندم دیم ابتدا عوامل اقلیمی، خاک و توپوگرافی به عنوان معیار های اصلی انتخاب شدند و هر یک از این عوامل به زیر معیارهایی تقسیم شدند.

در تحلیل سلسله مراتبی عناصر هر سطح نسبت به عنصر مربوط به خود در سطح بالاتر باید به صورت زوجی مقایسه شوند که بدین صورت وزن نسبی آنها بدست می آید و سپس با استفاده از وزن های نسبی، وزن نهایی هرگزینه تعیین می گردد . با توجه به اینکه در تعیین تناسب اراضی عوامل محیطی فراوان دخیل هستند و به جهت ارزیابی دقیق تر لازم است تا اهمیت نسبی آنها مشخص شود، مقایسه هایی بین معیارها و زیر معیارها صورت می گیرد. بنابراین در این مقایسه ها میزان ارجحیت عناصر بر یکدیگر مشخص می شود. برای جمع آوری داده های فرایند تحلیل سلسله مراتبی و وزن معیارها و زیرمعیارها از پرسشنامه استفاده شد. این پرسشنامه ها حاوی مقایسه مشترک برای کلیه عوامل موثر در استعداد سنجی است که توسط متخصصین زراعت شاغل در استان گلستان بر اساس جدول1 که توسط ساعتی در سال 1980 ارائه شده است تکمیل شد و پس از جمع آوری پرسشنامه ها تجزیه و تحلیل آنها به وسیله نرم افزار Expert  Choice  نسخه 2001 انجام شد.

نحوه استعداد سنجی اراضی جهت کشت گندم دیم:

جهت انطباق نیاز های محیطی گیاه زراعی با خصوصیات اراضی، ابتدا نیازهای زراعی - بوم شناختی گیاه مورد نظر با استفاده از منابع علمی موجود تعیین و درجه بندی گردید. مبنای این درجه بندی بر اساس روش پیشنهادی Sys et al, (1991) و Kazemi (2012) Ghafari et al., (2000)  می باشد .سپس اطلاعات مورد نیاز جمع‌آوری و تهیه شد و به محیط ArcMap  نسخه 3/9 وارد شد و نقشه‌های موضوعی مورد نظر تهیه گردید. این نقشه ها شامل دمای متوسط، دمای کمینه، دمای بیشینه، بارش، شیب، جهات شیب، ارتفاع از سطح دریا ،مقادیر نیتروژن، فسفر، پتاسیم، کلسیم، pH، آهن، روی، شوری، بافت و ماده آلی بودند. پس از تهیه لایه ها، کار طبقه بندی و رتبه بندی هر لایه بر اساس جدول نیازهای بوم شناختی(جدول2)، در چهار طبقه بسیار مناسب (بسیار مستعد)، مناسب (مستعد)، ضعیف (نیمه مستعد)، نامناسب (غیر مستعد) صورت گرفت. کار فراخوانی 17 لایه ی اطلاعاتی طبقه بندی شده در محیط  GISآغاز و با کمک گزینه ی حسابگر شبکه ایی (Raster calculator) کار تلفیق و روی هم گذاری لایه ها با اختصاص وزن AHPبرای هر لایه جداگانه صورت گرفت (هم پوشانی وزنی). سرانجام کل اراضی در 4 پهنه، چگونگی انطباق عوامل محیطی منطقه مورد بررسی با نیازهای بوم شناختی گیاه زراعی را نشان دادند.

 نتایج و بحث

فرآیند سلسله مراتبی ((AHP نشان می‌دهد که عامل اقلیم نسبت به دو عامل خاک و توپوگرافی با ارزش وزنی 569/0 به عنوان اولویت اول از نظر متخصصان زراعت گندم انتخاب شده است. در بین عوامل اقلیمی بارش با ارزش وزنی 680/0 بالاترین اهمیت و دمای کمینه و بیشینه با ارزش وزنی 080/0 کمترین اهمیت را داشت (جدول3). در بین متغیرهای توپوگرافی شیب با ارزش وزنی 580/0 دارای اهمیت بالاتری نسبت به جهت های شیب و ارتفاع از سطح دریا بود. در بین عوامل مربوط به خصوصیات خاک سه عامل ماده آلی، نیتروژن و شوری به ترتیب بالاترین وزن و عناصر کم مصرف آهن و روی کمترین ضریب را کسب کردند (جدول3). Feyzizadeh et al., (2012) گزارش نموده اند که میزان بارش و پراکنش آن نسبت به عنصر دما بیشترین تأثیر را در طول مراحل رشد گندم دیم ایفا می‌کند، بر این اساس اراضی مناسب جهت کشت گندم دیم را 63/87 درصد و اراضی متوسط را 37/12 درصد برآورد نموده است.

نتایج حاصل از روی هم گذاری لایه ها جهت پهنه بندی اراضی کشاورزی شهرستان آق قلا با بررسی عوامل اقلیمی، خاک و توپوگرافی در 4 طبقه در شکل(9) نشان داده شده است. مشخص گردید حدود 7/13 درصد از اراضی کنونی شهرستان آق قلا پتانسیل بالایی جهت تولید گندم دیم داشته و جزو پهنه بسیار مستعد محسوب می شوند.این زمین ها با مساحت 02/13382 هکتار به دلیل شرایط اقلیمی مناسب، بارش 400 میلی متر و بالاتر، تامین عناصر غذایی مورد نیاز گیاه، بافت خاک و شرایط توپوگرافی مناسب در پهنه بسیار مستعد قرار گرفته اند (جدول3). Ehteramiyan et al, 2009 با پهنه بندی استان خراسان شمالی جهت کشت گندم دیم، بیان کردند که عمده مناطق مناسب کشت این محصول در شمال استان قرار گرفته و مناطق ضعیف در جنوب غربی و جنوب شرقی استان واقع  شده است. آنها نشان دادند که با انطباق لایه های موثر در فرآیند کشت گندم دیم در محیط GIS، امکان شناخت مناطق مستعد کشت برای این گیاه زراعی وجود دارد. 

         در این پژوهش مشخص شد 8/25 درصد از اراضی به طبقه مستعد تعلق دارد که مساحتی در حدود 48/26566 هکتار را شامل می شود. این پهنه از نظر عوامل محیطی مطلوب بوده اما کمی پایین تر نسبت به پهنه بسیار مستعد قرار دارد (شکل10). در این پهنه پتانسیل 80-60 درصد وجود دارد به شرطی که مدیریت به زراعی اراضی در حد مطلوب انجام شود (Ghafari et al, 2000).  Akinci et al., (2013) به بررسی تعیین اراضی مناسب برای استفاده کشاورزی در منطقه یوسفلی⁶ ترکیه پرداختند که طبق تحقیقات آنها تخمین زده شد که 08/0 درصد منطقه مورد مطالعه یعنی 87/177 هکتار برای تولید انواع محصولات کشاورزی بسیار مناسب است اما در مطالعه آنها شیب زمین های زراعی در برخی از مناطق برای تولید محصول بسیار بالا اعلام شد که بر این اساس، فرسایش در درجه بالایی قرار داشت.

در نقشه های حاصل از همپوشانی لایه های محیطی مشخص شد که طبقات نیمه مستعد و غیر مستعد به ترتیب با مساحت 66/49176 و 66/16041  یعنی به ترتیب 9/44 و 6 /15 درصد، بیشتر در قسمت های مرکزی تا شمال زمین های کشاورزی این شهرستان را شامل می شود (شکل11). این مناطق به دلیل میزان اندک بارش و شرایط نامناسب عناصر غذایی، از کمبود مواد آلی، زیادی EC، پتاسیم، کلسیم و pH، از لحاظ کشت گندم دیم ضعیف تشخیص داده شد. در این پژوهش محدودیتی از نظر پارامترهای اقلیمی مانند دمای کمینه، بیشینه و مطلوب مشاهده نشد.  (Shakeri and Momeni, (2011 هم گزارش دادند  در قسمت اعظم منطقه آق‌قلا محدودیت‌های شوری و قلیاییت وجود دارد. به دلیل نامساعد بودن شرایط آب و هوایی، چون رفع این نوع محدودیت میسر نیست، قسمت اعظم منطقه برای گندم  براساس روش فائو دارای تناسب کم (کلاس S3) و برای جو دارای تناسب نسبتاً مناسب (کلاس S2) خواهد بود. شوری بالا باعث شده قسمت هایی از این مناطق به دلیل داشتن شرایط قابل قبول از نظر سایر شرایط محیطی، در هیچ پهنه مستعدی قرار نگیرند. از دلایل شوری در این مناطق تبخیر بیش از اندازه از سفره های زیرزمینی شور و کم عمق را می‌توان ذکر کرد. بر اساس مطالعاتی که Ghanei et al., (2009)، در اراضی زراعی شمال شرقی دشت آق قلا انجام دادند به این نتیجه رسیدند که شوری خاک در اراضی شمالی محدوده مورد مطالعه به دلیل عمیق‌تر بودن سطح آب زیر زمینی نسبت به اراضی جنوبی کمتر می باشد. بر اساس مطالعات Kazemi et al., (2013) بیشترین میزان EC خاک در مناطق شمالی استان در شهرستان های آق قلا، گنبد و بندر‌ترکمن گزارش کرد که باعث نامناسب شدن خاک بخشی از این مناطق برای کشاورزی شده است. گزارش ها و بازدیدها از منطقه نشان می دهد که عوامل متعددی در شور شدن خاک این مناطق دخالت داشته است که رسوب‌گذاری دریای خزر، سیلاب های فصلی، شیب کم، بافت سنگین، وزش باد، پساب کارخانه ها و فاضلاب شهری، مدیریت نادرست زراعی از آن جمله می باشند (Zahtabiyan and Sarabiyan, 2004).

نتیجه گیری

         تهیه نقشه پهنه بندی کشت گندم دیم با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی، نتایج ارزشمندی را جهت مدیریت و برنامه ریزی مدیران ارایه می‌نماید. خصوصاً اگر در تحلیل‌های مکانیGIS ، از توابع تحلیلی همچون تحلیل سلسله مراتبی نیز استفاده گردد، در این صورت نتایج از دقت بالایی برخوردار خواهد بود، زیرا در این کار از نظر متخصصان هم بهره گرفته می شود. با توجه به محدودیت‌های متعدد در منطقه از  جمله شوری خاک و از سویی وسعت  بالای اراضی زیر کشت گندم در منطقه، ارزیابی زراعی- بوم شناختی اراضی می تواند به شناسایی محدودیت ها و مزیت ها و پتانسیل های کشت گندم دیم به‌صورت مکانی بیانجامد. بطور کلی در این مطالعه 7/13 درصد از اراضی این شهرستان جز مناطق بسیار مستعد جهت کشت گندم دیم تشخیص داده شد و به شرط مدیریت زراعی مناسب با بیشترین بازده همراه خواهد بود. در بخش‌های وسیعی از این شهرستان، علاوه بر  مشکل شوری و pH ، مقادیر پتاسیم، کلسیم و ماده آلی از عوامل محدوده کننده شناخته شدند. توصیه می شود با بررسی برخی از عوامل اقلیمی مانند ساعات آفتابی، میزان تبخیر و تعرق و نیز ارزیابی عوامل اقتصای، توسعه ای و اجتماعی نتایج این مطالعه تکمیل تر شود تا بتوان با استفاده مناسب از منابع محیطی و شناسایی محدودیت‌ها و مزیت‌های کشت به تولید پایدار محصول گندم دیم در منطقه دست یافت.

پاورقی ها

Mleta

 Geographical information system

 Remote sensing

Himachal Pradash

Analytic hierarchy process

Yusufeli