竇 爽 李俊志 王曉東 朱曉東 肖繼兵

（遼寧省旱地農(nóng)林研究所，朝陽122000）

由于全球氣候變暖和化石資源的不可再生性，太陽能等清潔能源越來越受到各國的重視[1]，而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)則最為普遍。20 世紀(jì)60 年代國外學(xué)者陸續(xù)開展關(guān)于太陽能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究[2]，隨后世界首臺(tái)光伏水泵的面世[3]，拉開了光伏在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。而建設(shè)光伏發(fā)電站需要占用大量土地，因此有學(xué)者提出了農(nóng)光互補(bǔ)（Agrivoltaic 或Agrophotovoltaic）這一概念[4]，在一塊土地上實(shí)現(xiàn)光伏和農(nóng)業(yè)種植的雙重利用。

遼西地區(qū)地處科爾沁沙地南緣，是東北太陽能資源比較豐富的地區(qū)之一，具有日照充足、日照時(shí)長的特點(diǎn)[5]；遼西地區(qū)土地資源比較豐富，有荒山、荒地、河道等大量閑置土地[6]。在遼西地區(qū)將光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合，構(gòu)建光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，既有助于提高土地利用率，增加糧食產(chǎn)量，又可以達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的。本文通過對(duì)國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，分析光伏農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益和光伏板遮蔭對(duì)作物的影響，以遼西地區(qū)主栽雜糧作物高粱為例，深入分析光伏種植生產(chǎn)模式的可行性，為遼西地區(qū)光伏種植模式提供理論支持。

1 國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展國外學(xué)者率先提出將光伏應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)想。20 世紀(jì)60 年代起，日本、德國、法國、英國、美國、印度、葡萄牙等國家相繼開展了太陽能在農(nóng)、牧業(yè)等方面的應(yīng)用研究，包括木材干燥[7]、農(nóng)業(yè)灌溉[3，8]、農(nóng)產(chǎn)品保鮮[9]、作物保護(hù)、農(nóng)產(chǎn)品烘干[10]、農(nóng)業(yè)照明[11]等應(yīng)用場(chǎng)景，并逐漸呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)，在21 世紀(jì)初期，德國、法國、日本先后建立起第一批農(nóng)光互補(bǔ)試點(diǎn)基地。近些年，歐盟國家關(guān)于農(nóng)業(yè)光伏的研究項(xiàng)目顯著增加，法國的研究處于領(lǐng)先地位[12]，法國國家農(nóng)業(yè)科學(xué)院的光伏種植、光伏溫室等研究成果突出[13]，且法國是第一個(gè)實(shí)施光伏農(nóng)業(yè)財(cái)政支持計(jì)劃的國家[14]，取得了較好的成績。印度的一項(xiàng)研究表明，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，光伏農(nóng)業(yè)具有巨大的潛力，在不影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的前提下能將總收入提高到15 倍以上，實(shí)現(xiàn)土地雙重用途，并積極推進(jìn)村莊電氣化[15]。德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所處于研究前列，開展試點(diǎn)項(xiàng)目研究光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對(duì)干旱地區(qū)及田間作物的影響[16]。美國、意大利等國家也有較為系統(tǒng)的研究[4]，并將研究重點(diǎn)放在旱地農(nóng)業(yè)上，在辣椒、圣女果等作物生產(chǎn)中取得良好效果[17]。截至2020 年初，全球農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)安裝數(shù)量達(dá)2200 多套[12]，日本是迄今為止安裝農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)最多的國家，并已經(jīng)確定了適合日本光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境的120 多種作物[16]。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展國內(nèi)學(xué)者將光伏應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的研究首先從灌溉方面入手，吳永忠[18]較早提出太陽能光伏提水系統(tǒng)可以同節(jié)水灌溉相結(jié)合，進(jìn)行農(nóng)田和人工草場(chǎng)的灌溉。彭梅牙[8]報(bào)道了轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，推進(jìn)光伏技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合，并將其應(yīng)用于病蟲害防治[19]、光伏補(bǔ)光等。相較國外研究，國內(nèi)關(guān)于光伏農(nóng)業(yè)這一領(lǐng)域的相關(guān)研究仍不夠豐富，但也取得了一些成果，如光譜分離技術(shù)、槽型聚光技術(shù)將太陽光中對(duì)植物生長有用的光譜分離，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)太陽能的綜合高效利用[20]；光伏+食用菌實(shí)現(xiàn)了棚內(nèi)種菇、棚頂發(fā)電的新型生態(tài)高效生產(chǎn)方式[21]；江浙地區(qū)的漁光互補(bǔ)項(xiàng)目[22]、山東的光伏+中藥材種植項(xiàng)目[23]等也都取得了一定的成果。陳健等[24]總結(jié)分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)農(nóng)業(yè)光伏、農(nóng)光互補(bǔ)和光伏農(nóng)業(yè)等概念進(jìn)行辨析，指出農(nóng)業(yè)光伏或農(nóng)光互補(bǔ)是光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)各子部門的耦合，兩者同屬于光伏農(nóng)業(yè)，而光伏農(nóng)業(yè)是我國特有的提法。近些年，我國陸續(xù)頒布關(guān)于發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)方面的政策文件，如2012 年《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、2016 年《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、2021 年《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025 年）》等，鼓勵(lì)探索光伏農(nóng)業(yè)新興產(chǎn)業(yè)模式，并支持光伏產(chǎn)業(yè)跨領(lǐng)域研究，推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，為發(fā)展農(nóng)光互補(bǔ)模式奠定了良好的政策基礎(chǔ)。

2 光伏種植中光伏設(shè)施對(duì)作物的影響

2.1 光伏設(shè)施遮蔭對(duì)作物生長發(fā)育的影響光照是植物生長發(fā)育的必要條件之一，遮蔭對(duì)不同作物生長發(fā)育的影響不盡相同，光伏遮蔭與普通物體遮蔭存在些許差別，但可以借助普通遮蔭對(duì)作物生長發(fā)育的影響來反映光伏遮蔭的效果。張吉旺等[25]指出對(duì)植物遮蔭時(shí)期的影響顯著大于遮蔭程度的影響；苗期遮蔭顯著抑制葉片生長和營養(yǎng)生長，延遲生育；穗期遮蔭影響穗分化，降低穗粒重；花粒期遮蔭加速葉片衰老死亡，千粒重顯著降低。劉博等[26]探討水稻灌漿結(jié)實(shí)期光照強(qiáng)度下降到超自然光的60%時(shí)，水稻生物產(chǎn)量和稻谷產(chǎn)量隨光照減弱而降低，光照強(qiáng)度降至自然光的20%時(shí)，植株幾乎停止生長。孫園園等[27]研究結(jié)論與之類似。周衛(wèi)霞等[28]研究發(fā)現(xiàn)，弱光脅迫明顯延緩玉米果穗生長發(fā)育，造成果穗縮短變細(xì)，穗粒數(shù)減少，禿尖嚴(yán)重。光伏板遮蔭具有相似的影響，有研究表明，光伏板遮蔭對(duì)小麥株高及生長發(fā)育的影響因品種而異，不同品種小麥在光伏板的影響下，株高有增有減，光合效率降低[29]；光伏遮蔭使植株莖稈增長，如丹參[30]、甘薯[31]等，降低SPAD 值和光合速率，且南側(cè)光伏板遮蔭對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)影響更大。趙群法[32]研究不同光伏板遮光密度對(duì)3 種蔬菜的生長和品質(zhì)的影響，指出適度遮蔭可以提高蔬菜的品質(zhì)和收益。

2.2 光伏遮蔭對(duì)作物產(chǎn)量的影響光伏板在作物種植中具有雙重效果，一方面是遮蔭作用可減緩干旱地區(qū)作物受到的干旱、高溫脅迫，保水抗旱，另一方面降低雨水豐沛區(qū)作物光的利用率[33]，影響光合作用，降低作物產(chǎn)量。就前者而言，光伏板集聚雨水和清洗光伏面板的棄水作為水源增加土壤的含水量[34]，將干旱區(qū)雨水利用率最大化，同時(shí)遮蔭作用減少水分散失，促進(jìn)旱地作物產(chǎn)量增加[35]。就后者而言，單成鋼等[30]指出，以丹參為例，生育期日照時(shí)數(shù)為對(duì)照的58%導(dǎo)致產(chǎn)量減少31%，而日照時(shí)數(shù)達(dá)到對(duì)照的70%以上對(duì)產(chǎn)量幾乎沒有影響。陳鳳等[29]以12 個(gè)小麥品種進(jìn)行試驗(yàn)，指出光伏遮蔭會(huì)降低小麥產(chǎn)量，且遮蔭強(qiáng)度越大，小麥減產(chǎn)越明顯。但早期學(xué)者研究表明，遮蔭對(duì)小麥產(chǎn)量的影響因品種而異，光照強(qiáng)度降低，供試小麥品種結(jié)實(shí)率均減少，但個(gè)別品種千粒重未受顯著影響[36]。魏來等[37]指出光伏板下光照強(qiáng)度變化對(duì)甘薯生長有一定的不良影響，但單位面積經(jīng)濟(jì)效益顯著增加，在生產(chǎn)上可以通過增加種植密度和適當(dāng)增施肥料等方式進(jìn)行調(diào)控。此外，還有研究指出太陽能電池組件能阻隔部分紫外線，反射昆蟲繁殖需要的藍(lán)紫光，有效減少植物病蟲害發(fā)生，提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量[38]。

3 光伏種植的雙重效益分析

3.1 光伏種植的生態(tài)效益氣候變化在全球范圍內(nèi)具有很大影響，2021 年3 月15 日習(xí)近平總書記主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議，會(huì)議提出我國力爭2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)我國堅(jiān)持走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的發(fā)展道路。事實(shí)上，光伏種植模式有利于改善光伏板下的微生態(tài)，促進(jìn)生態(tài)修復(fù)。魏雯婧等[33]通過案例研究發(fā)現(xiàn)光伏農(nóng)業(yè)可以獲得清潔電力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的雙重效益，還可以保水節(jié)水、固土防沙，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[39]，Leon 等[39]以光伏番茄系統(tǒng)為例，指出農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)有利于控制CO2等溫室氣體的排放。張慶忠等[39]通過對(duì)云南、新疆、甘肅等地區(qū)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)光伏電站內(nèi)土壤含水量及肥力、空氣濕度、植物種類及多樣性、生物量等均有所增加，土壤容重、溫度、風(fēng)速等降低，有利于促進(jìn)干熱河谷地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。光伏電站作為一種機(jī)械擋沙措施會(huì)對(duì)沙漠地區(qū)風(fēng)沙流起到二次分配的作用[40]，改變氣流方向、降低風(fēng)速、絕熱保溫[4，41]，使地表水分蒸發(fā)率降低，促進(jìn)地上植物更好地生長，起到防風(fēng)固沙[42]和治理荒漠化[32]的作用。

3.2 光伏種植的經(jīng)濟(jì)效益光伏種植可充分利用光伏板下空間進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，形成垂直產(chǎn)業(yè)模式，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，提高土地的綜合利用效率，增加收益。華永新等[43]指出杭州地區(qū)光伏農(nóng)業(yè)種植模式可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)民、企業(yè)、政府多方共贏，政府建設(shè)光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目拉動(dòng)投資、增加稅收，村集體出租土地增加集體收入，農(nóng)業(yè)公司種植作物并出租電站獲取收益，農(nóng)民到農(nóng)業(yè)公司務(wù)農(nóng)亦得收入。又有研究表明，單位面積土地進(jìn)行光伏種植模式所得經(jīng)濟(jì)效益較農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、光伏發(fā)電高。Dinesh 等[44]設(shè)計(jì)光伏和生菜種植耦合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)果表明光伏農(nóng)業(yè)比單獨(dú)種植生菜的經(jīng)濟(jì)價(jià)值提高30%以上。Dupraz 等[45]通過建模實(shí)驗(yàn)?zāi)M光伏種植，利用土地當(dāng)量比（LER，Land equivalent ratio①LER=YcropinAV/Ymoncrop+YelectricityAV/YelectricityPV，其中YcropinAV=光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中種植作物的產(chǎn)出，Ymoncrop=土地單純種植作物的產(chǎn)出，YelectricityAV=光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中光伏發(fā)電產(chǎn)出，YelectricityPV=土地單純用于光伏發(fā)電的產(chǎn)出。）評(píng)估光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的效率，通過計(jì)算得出1.35 ≤LER ≤1.73，表明光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可使單位面積土地產(chǎn)出增加35%～73%。同樣，Amaducci 等[46]也得出光伏和玉米耦合的土地當(dāng)量比大于1 的結(jié)論，且干旱條件下光伏種植的作物平均產(chǎn)量更高、更穩(wěn)定。

4 以高粱為例探析遼西地區(qū)光伏種植生產(chǎn)模式的可行性

4.1 光伏設(shè)施對(duì)高粱生長的影響高粱是典型的C4植物，是中國最早栽培的禾谷類作物之一，具有獨(dú)特的抗逆性和適應(yīng)性，喜光、喜溫、耐旱、耐貧瘠，在各種環(huán)境因子中，光照強(qiáng)度是影響高粱光合作用的主要因素。岳忠孝[47]研究了遮蔭對(duì)高粱旗葉光合作用和產(chǎn)量的影響，指出遮蔭處理使高粱旗葉葉比重下降、葉片變薄，葉綠素含量增加，但葉綠素a/b 下降，有利于提高作物耐蔭性；遮蔭使高粱的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度下降，影響CO2的同化；在產(chǎn)量方面，遮蔭延長高粱籽粒灌漿時(shí)間和最大灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間，使籽粒的終極生長量有所下降，千粒重降低，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。但是遮蔭降低蒸騰速率和土壤水分蒸發(fā)卻有利于作物，因?yàn)橥寥浪痔澣敝苯佑绊懜祵?duì)無機(jī)鹽的吸收，使植株早衰，葉片功能期縮短，進(jìn)而減少有效光合作用的時(shí)間，在光伏高粱種植模式中，光伏板遮蔭可以抑制土壤水分的散失，達(dá)到保水效果。

在光伏設(shè)施中種植高粱需要通過計(jì)算遮蔭面積進(jìn)一步分析植物與光伏設(shè)施的合理距離?？梢越梃b其他研究中的計(jì)算方式，如單成鋼等[30]根據(jù)光伏板的高度和安裝布局等推算出作物生育期內(nèi)的日照時(shí)數(shù)，為光伏農(nóng)業(yè)提供了一種遮蔭程度的計(jì)算方法；黃曉東等[48]計(jì)算不同的經(jīng)緯度在某一時(shí)刻樹木的投影面積以及樹冠完全無遮擋時(shí)最短的樹木間距，為確定樹木的合理種植距離提供理論依據(jù)。因此，可以計(jì)算光伏板對(duì)高粱的遮蔭程度確定高粱生育期內(nèi)的光照程度，從而確定最佳的光伏板高度與間距及高粱合理的種植模式。

4.2 光伏+高粱的效益分析高粱在遼西地區(qū)的種植面積占全省的70%以上，以高粱為例探析遼西地區(qū)光伏種植模式的可行性具有實(shí)際意義。但在當(dāng)前研究中，光伏+高粱生產(chǎn)模式的研究與實(shí)踐尚顯匱乏，僅有一些光伏+玉米的實(shí)踐，如彰武縣“以光鎖沙”，即在光伏板下閑置荒漠化土地種植玉米，長勢(shì)良好[49]。在植物特性上，高粱與玉米同為C4植物，能高效利用光源，對(duì)生長環(huán)境的適應(yīng)性也較為相似，高粱具有較低的CO2補(bǔ)償點(diǎn)，幾乎沒有光呼吸，因此具有較高的光合效率。在固碳能力上，Li 等[50]對(duì)北方9 種農(nóng)作物進(jìn)行研究，指出高粱、玉米等C4作物的固碳能力強(qiáng)于C3作物，高固碳能力可以減少溫室氣體，改善生態(tài)環(huán)境，且作物本身具有較好的水土保持效應(yīng)。在產(chǎn)量上，高粱較玉米更為耐旱，在嚴(yán)重干旱情況下，高粱產(chǎn)量高于玉米[51]，在青貯產(chǎn)量上，不同品種的飼用甜高粱總產(chǎn)量較青貯玉米高[52]，因此，在特定地域內(nèi)，高粱效益高于玉米。在全面推動(dòng)鄉(xiāng)村振興的背景下，光伏種植這一產(chǎn)業(yè)模式有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高單位面積土地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，增加農(nóng)民收入[30，33，43]，且符合低碳環(huán)保的綠色能源潮流，具有較好的推廣前景[21，37-38]。

4.3 光伏設(shè)施對(duì)機(jī)械化種植的影響光伏列間種植高粱影響機(jī)械化種植及收獲，需要從高粱的栽培模式及光伏設(shè)施架設(shè)的位置上進(jìn)行研究。路文輝等[53]研發(fā)出一種適用于農(nóng)田及農(nóng)耕機(jī)械化的光伏支架系統(tǒng)，但是目前也僅適用于常用拖拉機(jī)、起壟機(jī)和播種機(jī)，尚且不能使用大型聯(lián)合收割機(jī)。為了能更充分利用光資源，還可以為光伏系統(tǒng)安裝太陽光追蹤裝置，鞠振河[54]將可調(diào)支架優(yōu)化系統(tǒng)技術(shù)用于光伏電站系統(tǒng)，改善光伏支架的接收角度，提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率。張慶忠等[38]建議光伏板支架預(yù)留2m 以上高度，陣列間預(yù)留3m 以上的空間，以有效滿足植物的光合需求。在農(nóng)光互補(bǔ)模式中，需要兼顧光伏和種植的協(xié)調(diào)性，而小型機(jī)械是目前較為適宜的方式，既可以滿足現(xiàn)代機(jī)械化種植收獲的需求，又可以減少勞動(dòng)力成本，促進(jìn)節(jié)本增效。

5 結(jié)語與展望

農(nóng)光互補(bǔ)是一個(gè)跨學(xué)科的研究問題，光伏種植是一種新的生產(chǎn)模式。從生態(tài)系統(tǒng)角度看，光伏種植是一種可行的綠色低碳發(fā)展方式，可以提高太陽能資源及土地資源的利用率，減少溫室氣體排放，積極應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響；從經(jīng)濟(jì)效益角度看，光伏種植的產(chǎn)出效益往往高于單一種植模式的產(chǎn)出效益。遼西地區(qū)荒山、荒坡、河道等閑置土地多，光資源豐富，高粱固碳能力和抗逆性強(qiáng)，具有發(fā)展光伏種植模式的潛力。在大力推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的背景下，光伏種植模式有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，可以為遼西地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多收益，助力鄉(xiāng)村振興。

光伏種植模式具有良好的發(fā)展前景，但需要進(jìn)一步的理論分析與試驗(yàn)，一方面需要挖掘適應(yīng)弱光生長的基因型，從作物本身找到破解弱光生長的突破口，另一方面需要試驗(yàn)合理的種植模式，了解光能分布與太陽高度角的變化關(guān)系以及光照與高粱的種植行向、光伏板的安裝方向的關(guān)系，通過研究高粱生長期間不同節(jié)氣的光照特點(diǎn)，結(jié)合高粱的生長規(guī)律，合理確定光伏設(shè)施的傾斜角度、安裝密度與高度、高粱的種植方向與密度等指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化，同時(shí)為光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供理論支持和實(shí)踐基礎(chǔ)。此外，仍需進(jìn)一步開發(fā)適應(yīng)于光伏列陣或其他間作模式的小型機(jī)械，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平的提高。