بهینه‌سازی چندهدفه تولید محصولات کشاورزی به منظور انتخاب الگوی کشت بهینه

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله مستخرج از رساله دکتری

نویسندگان
محبوبه علیزاده
قاسم نوروزی
مصطفی گودرزی
گروه اقتصاد کشاورزی، واحد قامشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، قائم شهر، ایران.
10.22034/he.2026.567999.1185
چکیده
امروزه تهدید محیط زیست توسط انسان‌ها، کانون توجه جوامع قرن بیست و یکم قرار گرفته و افکار عمومی را به خود جلب کرده است؛ زیرا این تهدیدها مسائل عمده‌ای را در حوزه پایداری محیط زیست ایجاد کرده‌اند. با توجه به اهمیت محیط زیست و با توجه به مطالب فوق‌الذکر، مسئله اصلی که در این تحقیق روشن خواهد شد، بهینه‌سازی چندهدفه تولید محصولات کشاورزی به منظور انتخاب الگوی کشت بهینه برنج است. "در این پایان‌نامه، بر اساس اطلاعات دریافتی، داده‌های ورودی برای متغیرهای تصمیم‌گیری و توابع هدف بهینه‌سازی، توابع هدف شامل میزان تولیدی که باید حداکثر شود، میزان مصرف کود در هکتار که باید حداقل شود و قیمتی که باید حداقل شود، می‌باشند. متغیرهای تصمیم شامل میانگین دمای سالانه، میانگین بارندگی و سطح زیر کشت هستند. به منظور ارائه یک رابطه تحلیلی، از ابزار برنامه‌ریزی ژنتیک و کد کامپیوتری نوشته شده در نرم‌افزار MATLAB استفاده شد. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده از بهینه‌سازی‌های انجام‌شده در دماها و سطوح بارندگی مختلف در قالب 9 سناریو، نتایج نشان داد که الگوی کشت بهینه بسته به شرایط مختلف بارندگی و دما متفاوت خواهد بود. به‌عنوان مثال، در دمای 25 درجه و بارندگی 70 میلی‌متر، سطح زیر کشت و تولید بهینه به ترتیب معادل 115.7 هکتار و 593 تن است، اما در سطح بارندگی 30 میلی‌متر و دمای 15 درجه، مقادیر بهینه این دو متغیر به ترتیب معادل 143.6 و 717 تن است.
کلیدواژه‌ها
بهینه‌سازی چندهدفه
الگوی کشت بهینه
برنامه‌ریزی ژنتیک
عملکرد برنج
موضوعات

عنوان مقاله English

Multi-objective optimization of agricultural production for optimal cropping pattern selection

نویسندگان English

Mahbobeh Alizadeh
Qasem Norouzi
Mostafa Godarzi
Department of Agricultural Economics, QaS.C., Islamic Azad University, Qaemshahr, Iran.
چکیده English

Today, anthropogenic threats to the environment have become a focal point of 21st-century societies, attracting significant public attention as they pose major challenges to environmental sustainability. Given the significance of environmental preservation and the aforementioned issues, the primary objective of this study is the multi-objective optimization of agricultural crop production to determine the optimal rice cropping pattern. In this thesis, based on the gathered data, the input parameters for the decision variables and the optimization objective functions were defined. The objective functions consist of maximizing the production level, minimizing fertilizer application per hectare, and minimizing the cost. The decision variables include average annual temperature, average precipitation, and cultivated area. To establish an analytical relationship, genetic programming (GP) and a customized code developed in MATLAB were utilized. Based on the optimization results obtained across 9 distinct scenarios of varying temperature and precipitation levels, the findings indicate that the optimal cropping pattern varies under different climatic conditions. For instance, at a temperature of 25°C and 70 mm of precipitation, the optimal cultivated area and production are 115.7 hectares and 593 tons, respectively. However, at a precipitation level of 30 mm and a temperature of 15°C, the optimal values for these two variables are 143.6 hectares and 717 tons, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Multi-objective optimization
Optimal cropping pattern
Genetic programming
Rice yield
1.      ایزدی، فریدون. (۱۳۹۲). برآورد میزان آگاهی‌های زیست‌محیطی دانش‌آموزان روستایی و رابطۀ آن با آگاهی والدین و مربیان؛ مطالعه موردی: دانش‌آموزان دورۀ راهنمایی روستاهای منطقۀ جی اصفهان. پژوهش‌های روستایی، ۴(۳)، ۷۹۲-۷۷۷.
2.      بارو، کریستوفر. (۱۳۸۰). اصول و روش‌های مدیریت زیست‌محیطی. ترجمۀ مهرداد اندرودی، تهران: نشر کنگره.
3.      باقری، علی.، کوچکی، علیرضا.، زند، اسکندر. (۱۳۷۵). اصلاح نباتات در کشاورزی پایدار (ترجمه). مشهد: انتشارات جهاد دانشگاهی مشهد.
4.      ببران، صدیقه.، هنربخش، نازلی. (۱۳۸۷). بحران وضعیت آب در جهان و ایران. فصلنامه راهبرد، ۱۶(۴۸)، ۲۱۲-۱۹۳.
5.      بخشوده، محمد.، باغستانی، مریم. (۱۳۸۷). پایداری منابع آب و الگوی بهینه کشت در ایران؛ کاربرد برنامه‌ریزی کسری. فصلنامه علوم اقتصادی، ۱(۴)، ۷۰-۵۷.
6.      بیات، پروین. (۱۳۷۸). تعیین الگوی بهینه کشت با بهره‌برداری تلفیقی از منابع آب سطحی و زیرزمینی: مطالعه موردی دشت برازجان. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شیراز.
7.      ترکمان، جواد. (۱۳۷۵). استفاده از برنامه‌ریزی توأم با ریسک در تعیین کارآیی بهره‌برداران کشاورزی. مجله علوم کشاورزی ایران، ۲۷(۱)، صفحات نامشخص.
8.      ترکمان، جواد.، صداقت، رسول. (۱۳۷۸). تعیین الگوی بهینه تلفیق باغداری و زراعت: کاربرد روش مدل‌سازی ایجاد گزینه‌ها. فصلنامه اقتصاد کشاورزی و توسعه، ۷(۷)، ۳۴-۲۸.
9.      ترکمان، جواد.، کلایی، علی. (۱۳۷۸). تأثیر ریسک بر الگوی بهینه بهره‌برداران کشاورزی: مقایسه روش‌های برنامه‌ریزی توأم با ریسک موتاد و تارگت - موتاد. فصلنامه اقتصاد کشاورزی و توسعه، ۷(۲۵)، ۲۸-۷.
10.   چیذری، محمدجعفر.، قاسمی، علی. (۱۳۷۸). کاربرد برنامه‌ریزی ریاضی در الگوی بهینه کشت محصولات زراعی. فصلنامه اقتصاد کشاورزی و توسعه، ۷(۲۸)، ۷۶-۶۱.
11.   خاتون‌آبادی، احمد.، امینی، امیرمحمد. (۱۳۷۵). اصول کشاورزی پایدار و مدیریت منابع طبیعی بر اساس بهره‌وری از انرژی اپتیمم. چهارمین کنگره علوم زراعت و اصلاح نباتات، اصفهان.
12.   خسروی‌پور، بهمن.، جابری، سمیه. (۱۳۹۶). کنترل آسیب‌پذیری منابع آب کشاورزی با رویکرد توسعه پایدار. فصلنامه علمی تخصصی مطالعات محیط زیست، منابع طبیعی و توسعه پایدار، ۱(۲)، ۶-۱.
13.   خواجه‌شاهکویی، علی.، و همکاران. (۱۳۹۳). بررسی عوامل مؤثر بر آگاهی‌های زیست‌محیطی روستاییان؛ مطالعۀ موردی: دهستان جاغرق در شهرستان بینالود. پژوهش و برنامه‌ریزی روستایی، ۴(۱)، ۸۹-۸۵.
14.   رضایی، مریم.، شبیری، محمد. (۱۳۹۳). رابطۀ میزان استفاده از فناوری اطلاعات و ارتباطات (با تأکید بر اینترنت) با سواد زیست‌محیطی دانشجویان. انسان و محیط زیست، ۱۲(۴)، ۵۸-۴۰.
15.   سرگزی، علیرضا.، قویدل، مهدیه. (۱۳۹۶). برنامه‌ریزی و تخصیص بهینه منابع آب در بخش کشاورزی (مطالعه موردی شهرستان صومعه‌سرا). تحقیقات منابع آب ایران، ۱۳(۲)، ۸۱-۷۴.
16.   شرفی، لیدا.، زرافشانی، کیومرث. (۱۳۸۹). سنجش آسیب‌پذیری، راهکاری برای مدیریت خشکسالی کشاورزان گندمکار (مطالعه موردی: سرپل‌ذهاب، اسلام‌آبادغرب، جوانرود). مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، ۱(۱)، ۱۲۰-۱۰۶.
17.   صالحی، صادق. (۱۳۸۹). رفتارهای محیط زیستی، دانش زیست‌محیطی و تحصیلات. علوم تربیتی دانشگاه شهید چمران اهواز، ۶(۲)، ۲۲۰-۲۰۱.
18.   غفاری شیروان، جعفر. (۱۳۷۳). مروری بر وضعیت بهره‌برداری منابع آب ایران. مجموعه‌مقالات نهمین همایش کمیته ملی آبیاری و زهکشی ایران: مدیریت تخصیص و بهره‌برداری بهینه از آب در کشاورزی، تهران.
19.   فاضل‌نیا، غلامرضا.، رکن‌الدین افتخاری، عبدالرضا. (۱۳۸۴). تبیین نظریه‌ای عوامل مؤثر بر شناخت و آگاهی روستاییان از توانش‌های خود و محیط پیرامون. مدرس علوم انسانی، ۹(۱)، ۱۵۳-۱۱۱.
20.   فتحی، فریدون.، زیبایی، منصور. (۱۳۸۹). عوامل موثر در مدیریت بهره‌برداری از آب‌های زیرزمینی با استفاده از مدل برنامه‌ریزی چندهدفه: مطالعه موردی دشت فیروزآباد. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، ۱۴(۵۲)، ۱۶۴-۱۵۵.
21.   فرجزاده‌اصل، منوچهر.، بیگم‌حسینی، آمنه. (۱۳۸۶). تحلیل بحران آب دشت نیشابور. فصلنامه مدرس علوم، ویژه‌نامه جغرافیا، ۴(۲)، ۲۳۸-۲۱۵.
22.   ‏ Sharafi, Lida&Zarafshani, Kiomars (2010). Vulnerability assessment, a solution for drought management of wheat farmers (Case study: Sarpolzahab, Islamabad Gharb, Javanrood). Geographical studies of arid regions, first year, No. 1, autumn 2010. pp. 106-120.
23.   Mokhtari Hashi, Hussein & Ghaderi Hajat, Mustafa (2008). Middle East Hydro-Politics on the Horizon of 2025, Case Study: Tigris and Euphrates Basins, Jordan River and Nile River. Geopolitical Quarterly, Fourth Year, No. 1, Spring 2008, pp. 63-74.
24.   Azapagic, A. (1999) Life cycle assessment and its application to process selection. design and optimization. Chem. Eng. J., 73: 1e21. http://dx.doi.org/10.1016/S1385-8947(99)00042-X.
25.   Azapagic, A. and Clift, R. (1999) Life cycle assessment and multi objective optimization. Clean. Prod, 7: 135e143. http://dx.doi.org/10.1016/S0959-6526(98)00051-1.
26.   Azapagic, A. and Perdan, S.(2005)An integrated sustainability decision-support framework Part II: problem analysis. Int. J. Sustain. Dev. World Ecol., 12: 112e131.
27.   Berger, M. and Finkbeiner, M.(2010) Water foot printing: how to address water use inlife cycle assessment? Sustainability, 2: 919e944. http://dx.doi.org/10.3390/su2040919.
28.   Boulay, A.M., Bayart, J.B., Bulle, C., Franceschini, H., Motoshita, M., Mu~noz, I.,Pfister, S. and Margni, M. (2015) Analysis of water use impact assessment methods(part B): applicability for water foot printing and decision making with a laundry case study. Int. J. Life Cycle Assess., 20: 865e879. http://dx.doi.org/10.1007/s11367-015-0868-9.
29.   Dury, J., Schaller, N., Garcia, F., Reynaud, A. and Bergez, J.E. (2011) Models to support cropping plan and crop rotation decisions. A review. Agron. Sustain. Dev., 32: 567e580. http://dx.doi.org/10.1007/s13593-011-0037-x.
30.   Finnveden, G., Hauschild, M.Z., Ekvall, T., Guin_ee, J., Heijungs, R., Hellweg, S.,Koehler, A., Pennington, D. and Suh, S. (2009) Recent developments in life cycle assessment. J. Environ. Manage., 91: 1e21. http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvman.2009.06.018
31.   García, N., Fern_andez-Torres, M.J. and Caballero, J.A. (2014) Simultaneous environmental and economic process synthesis of isobutene alkylation. J. Clean. Prod., 81: 270e280. http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.06.016
32.   Garrido, A., Llamas, M., Varela-Ortega, C., Novo, P., Rodriguez-Casado, R. and Aldaya, M. (2010) Water Footprint and Virtual Water Trade in Spain: Policy Implications. La Fundacion Marcelino Botin-Sanz de Sautuola y Lopez, New York, NY.
33.   Hoekstra, A.Y., Chapagain, A.K., Aldaya, M. & Mekonnen, M.M. (2011)The Water Footprint Assessment Manual: Setting the Global Standard. Earth scan, London; Washington, DC.
34.   Jefferies, D., Mu~noz, I., Hodges, J., King, V.J., Aldaya, M., Ercin, A.E., Mil_ai Canals, L. and Hoekstra, A.Y.(2012) Water footprint and life cycle assessment as approaches to assess potential impacts of products on water consumption. Key learning points from pilot studies on tea and margarine. J. Clean. Prod., 33: 155e166. http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.04.015.
35.   Mil_ai Canals, L., Chenoweth, J., Chapagain, A., Orr, S., Ant_on, A. and Clift, R. (2008) Assessing freshwater use impacts in LCA: Part I inventory modeling and characterization factors for the main impact pathways. Int. J. Life Cycle Assess, 14: 28e42. http://dx.doi.org/10.1007/s11367-008-0030-z.
36.   Mokhtari Hashi, H., and  Ghaderi Hajat, M. (2009). Middle East Hydro politics on the Horizon of 2025, Case Study: Tigris and Euphrates Basins, Jordan River and Nile River. Geopolitical Quarterly, Fourth Year, First Issue, Spring 2008, pp. 63-74.
38.   Neupane, N., Murthy, M. S. R., Rasul, G., Wahid, S., Shrestha, A. B.and Uddin, K. (2013) Integrated biophysical and socioeconomic model for adaptation to climate change for agriculture and water in the Koshi Basin. Handbook of climate change adaptation, Springer, Berlin, Heidelberg, 10(1007): 978-3.
39.   Nú~nez, M., Pfister, S., Ant_on, A., Mu~noz, P., Hellweg, S., Koehler, A. and Rieradevall, J.(2013) Assessing the environmental impact of water consumption by energy crops grown in Spain. J. Ind. Ecol., 17: 90e102. http://dx.doi.org/10.1111/j.1530-9290.2011.00449.x.
40.   Pacetti, T., Lombardi, L. and Federici, G. (2015) Water energy nexus: a case of biogas production from energy crops evaluated by water footprint and life cycle assessment (LCA) methods. J. Clean. Prod., 101: 278e291. http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.03.084.
41.   Ridoutt, B.G. and Pfister, S. (2010)A revised approach to water foot printing to make transparent the impacts of consumption and production on global freshwater scarcity. Glob. Environ. Chang, 20: 113e120. http://dx.doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2009.08.003.
42.   Rockstrom, J., Steffen, W., Noone, K., Persson, Å., Chapin, F.S., Lambin, E. and et al.(2009) Planetary boundaries: exploring the safe operating space for humanity. Ecol. Soc., 14.
43.   Sarker, R. and Ray, T. (2009)An improved evolutionary algorithm for solving multiobjective crop planning models. Compute. Electron. Agric., 68: 191e199. http://dx.doi.org/10.1016/j.compag.2009.06.002
44.   Sharafi, L., and Zarafshani, K. (2011). Vulnerability assessment, a solution for drought management of wheat farmers (Case study: Sarpolzahab, Islamabad Gharb, Javanrood). Geographical studies of arid regions, first year, first issue, autumn 2010. pp. 120-106.
45.   Xevi, E. and Khan, S.(2005)A multi-objective optimization approach to water management. Environ. Manage., 77: 269e277. http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvman.2005.06.013
46.   Zeng, X., Kang, S., Li, F., Zhang, L. and Guo, P. (2010) Fuzzy multi-objective linear programming applying to crop area planning. Agricultural Water Management, 98: 134-142.
اکولوژی انسانی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 04 مرداد 1405