DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0323779
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40489468
تاريخ النشر: 2025-06-09
المؤلف: Mojtaba Safaeinejad وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل الطاقة والبيئة والزراعة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في كفاءة الطاقة وتأثيرات البيئة لتقنية الطائرات بدون طيار (UAV) مقارنة بأساليب الرش التقليدية لمزارع القمح في محافظة لورستان، إيران. تكشف الدراسة أن أساليب الرش التقليدية تستهلك 2.43 مرة أكثر من الطاقة مقارنة برش الطائرات بدون طيار، مع نفقات الطاقة التي تبلغ 365.26 ميجا جول/هكتار للأساليب التقليدية مقابل 146.84 ميجا جول/هكتار لتطبيقات الطائرات بدون طيار. علاوة على ذلك، فإن الإمكانات العالمية للاحتباس الحراري (GWP) المرتبطة بتطبيق المبيدات أعلى بكثير بالنسبة للأساليب التقليدية عند 41.28 كجم CO₂/هكتار مقارنة بـ 14.48 كجم CO₂/هكتار لرش الطائرات بدون طيار. العبء البيئي الرئيسي الناتج عن الأساليب التقليدية ينشأ من انبعاثات الديزل، بينما تتأثر عمليات الطائرات بدون طيار بشكل رئيسي بإنتاج البطاريات والشحن.
تؤكد النتائج على إمكانات تقنية الطائرات بدون طيار لتعزيز كفاءة الطاقة والتخفيف من الأضرار البيئية، مما يعزز الممارسات الزراعية المستدامة. ومع ذلك، يجب معالجة التحديات مثل قيود البطارية، وتكاليف التشغيل، وضرورة التدريب المتخصص. تدعو الدراسة إلى مزيد من البحث في التأثيرات البيئية طويلة الأجل لاستخدام الطائرات بدون طيار عبر محاصيل مختلفة، بالإضافة إلى التحقيقات في الجدوى الاقتصادية وقابلية التوسع لتقنية الطائرات بدون طيار للعمليات الزراعية الأكبر. بشكل عام، توفر النتائج رؤى حاسمة للممارسين وصانعي السياسات الذين يسعون إلى اعتماد ممارسات زراعية أكثر استدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات الملحة التي تواجه الزراعة في ضمان إمدادات غذائية مستدامة في ظل زيادة متوقعة في عدد السكان العالمي إلى 9.7 مليار بحلول عام 2050. تشمل القضايا الرئيسية زيادة الطلب، وأمن الغذاء، وحماية البيئة، والآثار السلبية للممارسات الزراعية التقليدية، مثل الاستخدام المفرط للأسمدة والمبيدات. تؤكد الورقة على إمكانات الطائرات بدون طيار (UAVs) في معالجة هذه التحديات من خلال تحسين كفاءة تطبيق المبيدات وتقليل التأثيرات البيئية. تشير الدراسات المذكورة إلى أن الطائرات بدون طيار يمكن أن تحقق فعالية مشابهة في مكافحة الآفات مقارنة بالأساليب التقليدية مع تعزيز كفاءة التشغيل بشكل كبير وتقليل هدر الموارد.
علاوة على ذلك، يتم مناقشة دمج الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs) كوسيلة لتحسين عمليات الطائرات بدون طيار، مما يسمح باتخاذ قرارات دقيقة بناءً على بيانات الوقت الحقيقي. لا يحسن هذا التقدم التكنولوجي فقط فعالية تطبيق المبيدات ولكنه يساهم أيضًا في الاستدامة من خلال تقليل جريان المواد الكيميائية. على الرغم من الفوائد، تشير الورقة إلى الحواجز أمام الاعتماد الواسع لتقنية الطائرات بدون طيار، بما في ذلك التكاليف الأولية العالية ونقص تدريب المشغلين. الهدف الرئيسي من البحث هو إجراء تقييم شامل لاستهلاك الطاقة وتأثيرات البيئة لرش الطائرات بدون طيار مقابل الرشاشات التقليدية، بهدف إبلاغ الممارسات الأفضل وتعزيز التقنيات الزراعية المستدامة.
الطرق
تبحث الدراسة في استهلاك الطاقة وتأثيرات البيئة لتقنية رش الطائرات بدون طيار مقابل الأساليب التقليدية في حقول القمح في محافظة لورستان، إيران، من 10 أبريل إلى 1 يونيو 2024. تتكون المنهجية من ثلاثة أقسام رئيسية: تقييم الأداء، وتقييم الطاقة والبيئة، ومقارنة الفعالية بين نوعي الرشاشات. تم إجراء التجارب عند ثلاث سرعات – منخفضة ومتوسطة وعالية – تحت ظروف طبيعية نموذجية لتطبيقات المبيدات الروتينية. كانت السرعات التشغيلية المتوسطة حوالي 6.5 كم/ساعة للرشاشات المثبتة على الجرارات و6 م/ث للطائرات بدون طيار. شملت جمع البيانات اختبار كل رشاش على قطع موحدة داخل حقل بمساحة هكتار واحد، مع تسجيل وتحليل جميع مقاييس الأداء ذات الصلة باستخدام برنامج Simapro.
تم قياس المدخلات الطاقية، بما في ذلك الآلات، والعمالة، والموارد مثل المبيدات والمياه، بدقة لكلا أسلوبي الرش عبر ثلاث تكرارات. تم حساب استهلاك الطاقة باستخدام معاملات الطاقة المعادلة، وتم تقييم التأثيرات البيئية وفقًا لذلك. تسهل النتائج، الملخصة في جداول، تحليلًا مقارنًا لكفاءة الطاقة والتداعيات البيئية بين أنظمة الرش التقليدية والرش القائم على الطائرات بدون طيار. تؤكد هذه الدراسة على أهمية تحليل الطاقة في تعزيز الممارسات الزراعية المستدامة وتقليل الأضرار البيئية.
النتائج
في هذه الدراسة، يتم اشتقاق النتائج من تحليل منهجي يهدف إلى استخلاص الاستنتاجات وتسهيل اتخاذ القرارات المستنيرة. تركز المرحلة الأولية على تحديد هدف الدراسة ونطاقها، والذي يتضمن تعريف الوحدة الوظيفية، واختيار طريقة تخصيص مناسبة، وتحديد حدود النظام. يعد هذا العمل الأساسي ضروريًا لضمان دقة وملاءمة النتائج اللاحقة.
تتركز المرحلة الثانية من التحليل على تقييم الجرد، كما هو موضح في الجدول 1، الذي يحدد مواصفات كل من الرشاشات التقليدية ورشاشات الطائرات بدون طيار. يوفر هذا التقييم المقارن رؤى حول كفاءات التشغيل والمزايا المحتملة لتقنية الطائرات بدون طيار في التطبيقات الزراعية. تؤكد النتائج على أهمية التحليل المنهجي للجرد في فهم تداعيات تقنيات الرش المختلفة على الممارسات الزراعية.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تطبيق تقييم دورة الحياة (LCA) لتقييم التأثيرات البيئية لرش الطائرات بدون طيار مقابل الرش التقليدي المثبت على الجرارات في الزراعة. يتضمن LCA، الموجه بمعايير ISO 14040 و14044، أربع مراحل رئيسية: تحديد الهدف والنطاق، وتحليل الجرد، وتقييم التأثيرات، وتفسير النتائج. استخدمت الدراسة برنامج Simapro لتحليل استهلاك الطاقة والتأثيرات البيئية، كاشفة أن رش الطائرات بدون طيار أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، حيث يستهلك فقط 146.84 ميجا جول/هكتار مقارنة بـ 365.26 ميجا جول/هكتار للأساليب التقليدية. يُعزى هذا الكفاءة إلى تقليل استهلاك الوقود وزيادة القدرة التشغيلية، حيث تتطلب الطائرات بدون طيار وقتًا وموارد أقل لعمليات الرش.
سلط التحليل البيئي الضوء على أن الأساليب التقليدية للرش تسهم بشكل كبير في انبعاثات غازات الدفيئة، مع تأثيرات محتملة للاحتباس الحراري تبلغ 41.28 كجم CO₂ للرشاشات المثبتة على الجرارات مقابل 14.48 كجم CO₂ للطائرات بدون طيار. كما حددت الدراسة أنه بينما يشكل استهلاك وقود الديزل أعلى خطر بيئي في الأساليب التقليدية، فإن عمليات الطائرات بدون طيار تؤثر بشكل رئيسي من خلال إنتاج البطاريات والشحن. بشكل عام، تؤكد النتائج على مزايا تقنية الطائرات بدون طيار في تقليل استهلاك الطاقة والتأثيرات البيئية، مما يشير إلى أن اعتمادها قد يؤدي إلى ممارسات زراعية أكثر استدامة. ومع ذلك، تبقى التحديات مثل عمر البطارية وتكاليف التشغيل، مما يتطلب مزيدًا من التحقيق في التأثيرات طويلة الأجل لاستخدام الطائرات بدون طيار على صحة التربة والتنوع البيولوجي، فضلاً عن جدواها الاقتصادية للزراعة على نطاق أوسع.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0323779
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40489468
Publication Date: 2025-06-09
Author(s): Mojtaba Safaeinejad et al.
Primary Topic: Energy, Environment, Agriculture Analysis
Overview
This research investigates the energy efficiency and environmental impacts of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology in comparison to traditional spraying methods for wheat farms in Lorestan province, Iran. The study reveals that conventional spraying methods consume 2.43 times more energy than drone spraying, with energy expenditures of 365.26 MJ/ha for conventional methods versus 146.84 MJ/ha for drone applications. Furthermore, the Global Warming Potential (GWP) associated with pesticide application is significantly higher for conventional methods at 41.28 kg CO₂/ha compared to 14.48 kg CO₂/ha for drone spraying. The primary environmental burden from traditional methods arises from diesel emissions, while drone operations are mainly impacted by battery production and charging.
The findings underscore the potential of UAV technology to enhance energy efficiency and mitigate environmental harm, thereby promoting sustainable agricultural practices. However, challenges such as battery limitations, operational costs, and the necessity for specialized training must be addressed. The study calls for further research into the long-term environmental impacts of drone usage across various crops, as well as investigations into the economic viability and scalability of drone technology for larger agricultural operations. Overall, the results provide critical insights for practitioners and policymakers aiming to adopt more sustainable agricultural practices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the pressing challenges faced by agriculture in ensuring a sustainable food supply amidst a projected global population increase to 9.7 billion by 2050. Key issues include rising demand, food security, environmental protection, and the adverse effects of traditional agricultural practices, such as the excessive use of fertilizers and pesticides. The paper emphasizes the potential of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in addressing these challenges by improving the efficiency of pesticide application and reducing environmental impacts. Studies cited demonstrate that UAVs can achieve comparable pest control efficacy to conventional methods while significantly enhancing operational efficiency and minimizing resource wastage.
Moreover, the integration of Artificial Neural Networks (ANNs) is discussed as a means to optimize drone operations, allowing for precise decision-making based on real-time data. This technological advancement not only improves the efficacy of pesticide application but also contributes to sustainability by reducing chemical runoff. Despite the benefits, the paper notes barriers to the widespread adoption of drone technology, including high initial costs and a lack of operator training. The primary objective of the research is to conduct a comprehensive evaluation of the energy consumption and environmental impacts of drone versus conventional sprayers, aiming to inform better practices and promote sustainable agricultural technologies.
Methods
The study investigates the energy consumption and environmental impacts of drone spraying technology versus conventional methods in wheat fields in Lorestan province, Iran, from April 10 to June 1, 2024. The methodology comprises three main sections: performance evaluation, energy and environmental assessment, and effectiveness comparison of both sprayer types. Experiments were conducted at three speeds—low, medium, and high—under natural conditions typical of routine pesticide applications. The average operational speeds were approximately 6.5 km/h for tractor-mounted sprayers and 6 m/s for drones. Data collection involved individual testing of each sprayer on uniform plots within a one-hectare field, with all relevant performance metrics recorded and analyzed using Simapro software.
Energy inputs, including machinery, labor, and resources like pesticides and water, were meticulously measured for both spraying methods across three replications. Energy consumption was calculated using energy equivalent coefficients, and environmental impacts were assessed accordingly. The results, summarized in tables, facilitate a comparative analysis of energy efficiency and environmental implications between conventional and drone-based spraying systems. This research underscores the importance of energy analysis in promoting sustainable agricultural practices and minimizing environmental damage.
Results
In this study, the results are derived from a systematic analysis aimed at drawing conclusions and facilitating informed decision-making. The initial phase emphasizes the establishment of the study’s purpose and scope, which includes defining the functional unit, selecting an appropriate allocation method, and delineating system boundaries. This foundational work is crucial for ensuring the accuracy and relevance of the subsequent findings.
The second phase of the analysis is centered on inventory assessment, as detailed in Table 1, which outlines the specifications of both conventional and drone sprayers. This comparative evaluation provides insights into the operational efficiencies and potential advantages of drone technology in agricultural applications. The results underscore the importance of methodical inventory analysis in understanding the implications of different spraying technologies on agricultural practices.
Discussion
In this section, the research discusses the application of Life Cycle Assessment (LCA) to evaluate the environmental impacts of drone spraying versus conventional tractor-mounted spraying in agriculture. LCA, guided by ISO 14040 and 14044 standards, involves four key phases: goal and scope definition, inventory analysis, impact assessment, and interpretation of results. The study utilized Simapro software to analyze energy consumption and environmental impacts, revealing that drone spraying is significantly more energy-efficient, consuming only 146.84 MJ/ha compared to 365.26 MJ/ha for conventional methods. This efficiency is attributed to reduced fuel consumption and enhanced operational capacity, with drones requiring less time and resources for spraying operations.
The environmental analysis highlighted that conventional spraying methods contribute substantially to greenhouse gas emissions, with potential global warming impacts of 41.28 kg CO₂ for tractor-mounted sprayers versus 14.48 kg CO₂ for drones. The study also identified that while diesel fuel consumption poses the highest environmental risk in conventional methods, drone operations primarily impact through battery production and charging. Overall, the findings underscore the advantages of drone technology in reducing energy consumption and environmental impacts, suggesting that its adoption could lead to more sustainable agricultural practices. However, challenges such as battery life and operational costs remain, warranting further investigation into the long-term effects of drone usage on soil health and biodiversity, as well as its economic viability for larger-scale farming.