1-1    مقدمه

با رشد روز افزون جمعیت جهان و بالا رفتن سطح زندگی و تمایل به سمت مصرف بیشتر، نیاز به مواد غذایی در حال افزایش است. نقش و اهمیت بخش کشاورزی به عنوان مهمترین بخش در تامین مواد غذایی به خوبی روشن می‌باشد. تامین نیاز غذایی و سایر احتیاجات این جمعیت در حال رشد سریع، فقط از طریق افزایش تولید محصولات در واحد سطح و واحد زمان امکان‌پذیر خواهد بود و رسیدن به این هدف نیاز به مدیریت و برنامه ریزی دقیق دارد. امروزه بخش کشاورزی به منظور پاسخ‏گویی به نیاز غذا برای جمعیت رو به رشد کره زمین و فراهم کردن مواد غذایی کافی و مناسب، به میزان زیادی وابسته به مصرف انرژی[1] می‏باشد. توجه به منابع طبیعی محدود و اثرات سوء ناشی از عدم استفاده نامناسب از منابع مختلف انرژی روی سلامتی انسان و محیط زیست، لزوم بررسی الگوهای مصرف انرژی را در بخش کشاورزی حیاتی ساخته است (هاتریلی[2] و همکاران 2005). با توجه به بحران انرژی و انتشار گازهای گلخانه‎ای ناشی از مصرف بی‏‏‏‏‏رویه سوخت‏های فسیلی تمام تلاش‏ها بر آن است که مصرف انرژی تا حد امکان کاهش یابد. بخش کشاورزی نیز از این موضوع مستثنی نیست. اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه، انرژی وارد شده در واحد سطح برای تولید محصولات مختلف کشاورزی را بررسی و با محاسبه شاخص کارایی انرژی سعی کرده‏اند سیستم کشاورزی خود را از نظر مصرف انرژی بهینه کنند (نصیری و همکاران، 1387). بخش کشاورزی هر چند در مقایسه با صنعت به لحاظ مصرف انرژی سهم کمتری در کل انرژی کشور دارد، ولی با اندکی تامل و دقت مشخص می‏شود که میزان انرژی‏های ورودی در آن بسیار بالا و چشمگیر بوده و به دلیل فراوانی و ارزان بودن نسبی انرژی در ایران متاسفانه توجه چندانی به استفاده بهینه از آن نمی‎شود (محمدیان‏صبور، 1386؛ قاسمی کردخیلی و همکاران، 1392). نظر به اینکه بخش کشاورزی از یک طرف با محدودیت منابع تولید روبرو بوده و از سوی دیگر تامین کننده امنیت غذایی جمعیت در حال رشد می‏باشد، باید تعادل و توازنی بین جریان برداشت و بهره‏برداری از منابع تولید و مقدار تولید محصولات کشاورزی ایجاد شود. در واقع روند استفاده از منابع تولید باید به گونه‏ای باشد که علاوه بر رفع نیازهای غذایی نسل کنونی، امنیت غذایی نسل آینده نیز تهدید نشود. این مسئله مبنای آنچه را امروزه به آن کشاورزی پایدار گفته می‏شود، تشکیل می‏دهد. افزایش انتشار گازهای گلخانه‏ای در جهان ناشی از مصرف بی‏رویه انواع مختلف حامل‏های انرژی است. این مسئله سبب بروز پیامدهای منفی برای محیط زیست از جمله گرمایش جهانی شده و اثرات زیست محیطی زیادی بر مناطق مختلف داشته است. آثار سوء این پدیده به ویژه در نواحی گرمسیر و نیمه گرمسیر، نظیر ایران نمود بیشتری دارد، مواردی چون گسترش نواحی بیابانی، افزایش نیاز به آب برای کشاورزی و افزونی برخی بیماری‏ها، از جمله پیامدهای زیست‏محیطی آن است (شاه‏حسینی، 1389). اکسیدهای‏گوگرد (SOx)،‏ اکسیدهای‏نیتروژن (NOx)،‏‏‏ مونواکسیدکربن ‏(CO)، ذرات‏معلق ‏(PM)،‏ هیدروکربن‏ها (HC) و دی‌اکسیدکربن (CO2) از جمله گازهای آلاینده و گلخانه‏ای هستند که در اثر فعالیت‏های بخش انرژی به‏ویژه احتراق سوخت‏های هیدروکربنی به جو راه می‏یابند. گازهای گلخانه‏ای مانند CO2 سبب بروز پدیده تغییر آب و هوا و گرمایش جهانی شده و از بعد جهانی حائز اهمیت می‏باشند. در صورتی که گازهای آلاینده‏ای مانند NOx، SOx و COسبب بارش باران‏های اسیدی، بروز مخاطرات بهداشتی و سلامتی برای انسان و سایر موجودات گردیده و عمدتا از دیدگاه منطقه‏ای و ملی مورد توجه قرار می‏گیرند (بی‏نام، 1391). کشاورزی بزرگترین و قدیمی‏ترین صنعت جهان است. تولید، فرآوری و توزیع مواد غذایی همگی محیط زیست را تغییر می‏دهند. به دلیل عظمت و وسعت این صنعت اثرات آن بر محیط زیست غیر قابل اجتناب بوده و می‏تواند جنبه‏های مثبت و یا منفی داشته باشد. برای مثال علف‌کش‏ها و آفت‏کش‏های جدید در کوتاه مدت انقلابی در کشاورزی بوجود آورده‏اند. اما در دوره‏های طولانی اثرات نامطلوب بر محیط زیست ثابت شده است. کشاورزی دارای اثرات اولیه و ثانویه بر محیط زیست بوده که اثرات اولیه آن تاثیراتی است که در محل کشاورزی به‏وقوع می‏پیوندد و اثرات ثانویه در محل صورت نگرفته بلکه توسط باد و جریان‏های سطحی یا زیرزمینی آب بر محیط وارد می‏گردد که اثرات کشاورزی شامل سه گروه محلی، منطقه‏ای و جهانی است. اثرات محلی در مکان‏هایی که کشاورزی انجام می‏گیرد، بوجود می‏آید و شامل فرسایش، از دست رفتن خاک و افزایش رسوبات در رودخانه‏های محلی می‏باشند. اثرات منطقه‏ای از ترکیبی عملیات کشاورزی در مناطق بزرگ ناشی می‏شود که شامل به‏وجود آمدن بیابان‏ها، آلودگی در مقیاس زیاد، افزایش رسوبات در رودخانه‏های اصلی و دهانه رودخانه‏ها و تغییرات در حاصلخیزی شیمیایی خاک‏ها در مناطق بزرگ می‏باشند. اثرات جهانی آنهایی‏اند که باعث تغییرات اقلیمی و نیز تغییرات وسیع بالقوه در چرخه‏های شیمیایی می‏گردند. مشکلات اصلی ناشی از کشاورزی در زمینه مسائل زیست‏محیطی شامل جنگل‏زدایی، کویرزدایی، فرسایش خاک، چرای مفرط، تخریب منابع آبی، تجمع فلزات سنگین، ترکیبات آلی سمی، آلودگی آب و رشد بیش از حد جلبک‏ها می‏باشند (پاینده،1380).

1-2   اهمیت شکر

نیشکر از مهمترین گیاهان قندی جهان بوده که از پتانسیل تولید شکر بالا و به مقدار زیاد در واحد سطح زمین را داراست و با داشتن مسیر فتوسنتزی C4، سرعت رشد بیشتر از 40 گرم در مترمربع در روز را دارد (خواجه پور، 1377). نیشکر خاص مناطق گرمسیری بوده که مقدار قند نیشکر اغلب در حد 12-10 درصد و در مواردی تا 17 درصد می‏باشد (مصباحی، 1385). شکر به عنوان ماده غذایی انرژی‌زا تنها ماده غذایی است که به طور خالص می‌توان آن‏را تولید کرد و با توجه به ارزانی این منبع تامین انرژی در مقایسه با سایر مواد غذایی، تقاضا برای مصرف آن در ایران و سایر کشورهای در حال توسعه روبه افزایش است و در زمره یکی از کالاهای استراتژیک همواره مورد توجه و حمایت دولت‌ها می‏باشد. قیمت بسیار ارزان شکر در مقایسه با مقدار کالری که ایجاد می‏نماید این کالا را به منبع اساسی تأمین انرژی جامعه‏های فقیر مبدل ساخته است. از طرفی دیگر شکر برای بعضی از کشورهای صادر کننده مانند کشور کوبا به عنوان مهم‏ترین منبع تامین درآمد ارزی محسوب می‏گردد (سیفی‏پور، 1390). حدود 60 درصد قند تولیدی جهان از نیشکر و مابقی از چغندرقند تامین می‌شود. تولید جهانی شکر در سال 1984 معادل 1320 هزار تن بوده و در سال 2000 به 6767 هزار تن افزایش یافت که از این میزان 3945 هزار تن آن مربوط به چغندر و2822 هزار تن دیگر از نیشکر استخراج شده بود و در سال 2013 تولید جهانی شکر به 181000 هزار تن شکر خام رسید (بی‏نام، ب، 1392). نقش شکر به‌عنوان یکی از عمده‌ترین محصولات کشاورزی در تجارت جهانی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این محصول در 69 کشور گرم استوایی و نیمه گرم تا مدار 32 درجه زیر کشت قرار دارد (بهادری و کلاه‌چی، 1388).

1-3  عملیات مختلف سیستم تولید شکر در استان خوزستان

این عملیات‏ شامل عملیات آب‏شویی، عملیات قبل از تسطیح، عملیات تسطیح و خاک‏ورزی، عملیات کاشت، عملیات داشت مزارع و عملیات برداشت مزارع و انتقال به کارخانه و مراحل آسیاب و عصاره‏گیری و سیستم پالایش در کارخانه تولید شکر می‏باشد در عملیات آب‏شویی توسط بیل مکانیکی یا بلدوزر 6D و یا گریدر 16G اقدام به حوضچه‏سازی مزارع می‏کنند. پس از حوضچه‏سازی عملیات آب‏شویی به دو صورت پیوسته و منقطع انجام می‏شود. عملیات قبل از تسطیح شامل تخریب برم با بلدوزر یا گریدر، دیسک‏زنی اولیه با دیسک 24پره در دو نوبت و ماله اولیه 5/3 متری با تراکتور 110 اسب بخار در دو مرحله انجام می‏شود و زمین برای تسطیح با اسکریپر آماده می‏شود (راهدار، 1383). عملیات تسطیح با استفاده از اسکریپرهای لیزری ونگارد[3] با ظرفیت مزرعه‏ای 5/0 هکتار در ساعت انجام می‏شود. پس از تسطیح عملیات خاک‏ورزی با گاوآهن برگردان‏دار انجام می‏شود. سپس عملیات شیارزنی با استفاده از بلدوزر 8 Dیا تراکتور 200 اسب بخار و زیرشکن سه شاخه انجام می‏گیرد. پس از آن عملیات دیسک ثانویه در عمق 30 سانتی‏متری خاک سطحی با استفاده از دیسک‏های 24 یا 36 یا 44 پره 28 اینچ با تراکتور 200 اسب بخار یا بلدوزر 6 Dدر دو نوبت انجام می‏شود. ماله ثانویه آخرین عملیات بعد از تسطیح بوده که این عملیات در   دو نوبت با ماله 5 متری و تراکتور 200 اسب بخار با ظرفیت مزرعه‏ای 2/1 تا 5/1 هکتار در ساعت انجام می‏شود (زارعی‏شهامت، 1389). در عملیات کاشت جویچه‏هایی به فاصله 183 سانتی‏متری از هم و عمق 10 الی 15 سانتی‏متری ایجاد می‏گردد. در کف جویچه‏ها دو جویچه کوچک به فاصله 40 تا 45 سانتی متر از هم جهت قرار گرفتن قلمه‏ها ایجاد می‏شود. این عملیات با استفاده از بلدوزر 6 Dیا تراکتورهایی با قدرت 110 اسب بخار با فاروئرهایی دو ردیفه انجام می‏گردد. ظرفیت مزرعه‏ای این عملیات بسته به نوع دستگاه از 8/0 تا 4/1 هکتار در ساعت می‏باشد. ‏آخرین عملیات تهیه زمین قبل از کاشت عملیات کودپاشی است. پس از کودپاشی عملیات کشت صورت می‏گیرد. میزان قلمه‏ریزی در کشت دستی حدود 5/6 تا 7 تن در هکتار و میزان ریزش در کشت ماشینی 5/8 تا 9 تن در هکتار است (سراغی، 1385). بعد از کشت مزرعه باید روی قلمه پوشانده شود. در این مرحله 3 تا 5 سانتی‏متر خاک روی قلمه ریخته می‏شود. پس از پوشش قلمه‏ها باید سمپاشی پیش رویشی صورت گیرد. سمی که در این مرحله انجام می‏گیرد آترازین با ماده مؤثر 80 درصد به مقدار 5 کیلوگرم در هکتار بوده که در 200 لیتر آب محلول می‏گردد (پورآذر و همکاران، 1385). بعد از سمپاشی پیش رویشی بلافاصله آبیاری اولیه صورت می‏گیرد. دومین آبیاری نیز به‏دلیل ارتباط نحوه و زمان آن با سله بستن خاک از حساسیتی ویژه برخوردار است. از دیگر عملیات زمان داشت عملیات واکاری است. روی پشته بردن مزارع یا هیلینگ آپ[4] عملیات بعدی است. پس از آن دفع علف‏های هرز به صورت اعمال سم در آب آبیاری یا هربیگیشن[5] با سمپاشی در 4 تا 5 هفته پس از کشت با مخلوطی از آمیترین + توفوردی یا آترازین + توفوردی انجام می‏شود و بر حسب وضعیت رشد علف‏ها از غلظت (دز)[6] 1 تا 2 درصد آن استفاده می‏شود. چنانچه تراکم علف‏های هزر زیاد نباشد سمپاشی دستی به صورت موضعی انجام می‏گیرد که ظرفیت کاری یک کارگر سمپاش به طور متوسط 56/0 هکتار در روز است. یکی دیگر از عملیات داشت وجین است که مبادرت به علف کنی می‏کنند. معمولا هر کارگر در روز می‏تواند 13/0 هکتار علف هرز باریک برگ یا 18/0 هکتار علف هرز پهن برگ و به طور متوسط 16/0 هکتار علف مخلوط را وجین کند (راهدار، 1383). گیاه نیشکر هنگامی رسیده و آماده برداشت می‏باشد که درصد قند آن (عیار قند) به حدود 12 درصد و درصد خلوص شربت آن به حدود 90 درصد رسیده باشد. برداشت نیشکر ممکن است به دو روش نیمه ماشینی و یا کاملا ماشینی انجام شود. در روش برداشت نیمه ماشینی ابتدا مزرعه را آتش زده تا برگ‏ها بسوزند که این امر آلودگی زیادی به همراه دارد. کارگران نی‏بر ساقه‏ها را حتی‏الامکان از نزدیکی سطح خاک قطع می‏کنند و سپس میانگره‏های رأسی که رشد نکرده‏اند (به طول حدود 25 الی 35 سانتیمتر) حذف می‏نمایند. ساقه‏های نیشکر با استفاده دستگاه گراب لودر در سبدهای حمل نی (ونگارد) بارگیری و به کارخانه حمل می‏گردد. در برداشت با ماشین، ممکن است ابتدا مزرعه را آتش زده و بعد ساقه‏ها توسط ماشین برداشت نیشکر از نزدیکی سطح خاک قطع و قطعه‏قطعه شده و در سبدهای حمل نی بارگیری و آنگاه به کارخانه حمل شود و یا اینکه مزرعه را آتش نزده و آنگاه اقدام به برداشت ماشینی کنند. ماشین‏های جدید برداشت نیشکر ابتدا قسمت انتهایی بوته (بطور میانگین 25 تا 30 سانتیمتر) زیر مجتمع برگ‏ها را قطعه‏قطعه می‏نمایند. قطعاتی از برگ و غلاف که در اثر قطعه شدن از ساقه آزاد شده‏اند، تا حدی توسط جریان شدید هوا از محصول حذف شده و در سطح مزرعه پخش می‏گردند. ساقه‏های قطعه شده جهت فرایند قند‏گیری توسط تریلر به کارخانه انتقال داده می‏شوند (احمدی، 1388). در صنعت قند هدف از فرایند تولید، استخراج و تغلیظ کربوهیدرات‏های موجود در بافت گیاه می‏باشد. نیشکرهای حمل شده به کارخانه جهت حذف خاکستر و باقیمانده برگ‏ها نیاز به شست‏و‏شو دارند. بطور کلی عملیات مختلفی که در کارخانه برای تولید شکر انجام می‏شوند شامل عصاره‏گیری، تصفیه شربت، فیلترهای‏خلاء، تبخیر، تبلور و تصفیه شکر می‏باشند که در مرحله عصاره‏گیری[7] نیشکرها پس از خرد شدن توسط یکسری چاقوهای مخصوص از بین غلتک‏های آسیاب عبور داده می‏شود. در این مرحله 3 تا 16 آسیاب سه غلتکی وجود دارد. تفاله خروجی از آسیاب آخر باگاس[8] نامیده می‏شود که حدود 2 تا 3 درصد قند دارد. شربت خروجی پس از عبور از صافی‏ها به قسمت خام کارخانه فرستاده می‏شود. در مرحله تصفیه شربت[9]عصاره نیشکر تیره رنگ و اسیدی می‏باشد و علاوه بر آن دارای مقدار زیادی ذرات نی و ذرات ریز خاک بوده که بهترین روش صاف کردن شربت استفاده از حرارت و افزودن آهک می‏باشد به این طریق اسیدهای آلی موجود در شربت خنثی شده و لخته‏هایی به‏وجود می‏آید. این مواد معلق در کلاریفایرها رسوب می‏کنند. این رسوبات گل نامیده می‏شوند که شربت صاف شده به دستگاه‏های تبخیر فرستاده می‏شود. در فیلترهای خلاء[10] رسوبات حاصله از دستگاه‏های ته‏نشین کننده به فیلترهای خلاء فرستاده شده که در آنجا توسط نازل‏های مخصوص به روی لایه گل اسپری شده و تحت تاثیر خلاء در ضمن عبور از گل ذرات قندی را با خود حمل می‏کند. در مرحله تبخیر[11]، شربت حاصله از ته‏نشین کننده‏ها[12]مخلوطی از ساکارز، آب، گلوکز و مواد معدنی و آلی بوده که در حین ته‏نشین شدن از بین نرفته‏اند. برای اینکه ساکارز را بتوان متبلور کرد بایستی آب‏های اضافی شربت خارج می‏شوند و در این مرحله شربت غلیظی به نام سیروپ[13] تولید می‏شود. در مرحله تبلور[14] ساکارز به‏وسیله روش بلورسازی در دستگاه‏های طبخ شکر، تبلور می‏شود که هدف از طبخ شربت کسب حداکثر ساکارز از سیروپ به صورت دانه‏های بلور با شرایط معینی می‏باشد. در این مرحله سه مرحله پخت انجام شده که پخت هر مرحله پس از عبور از دستگاه گریزازمرکز[15]دانه‏های شکر آن از ملاس جدا می‏شود. ملاس باقی مانده حاوی 15 الی 20 درصد قند بوده و شکر بدست آمده زرد رنگ می‏باشد و در آخرین مرحله یعنی تصفیه شکر جهت از بین بردن رنگ زرد شکر در این مرحله مجددا حل شده، طباخی و آهک‏زنی شده و سپس SO2 و کربن اکتیو اضافه شده و کریستالیزه و سانتریفیوژ می‏گردد (رضایی، 1387).