光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展概況

張小杭　崔壽?！⒏Ｆ?/p>

摘要 介紹了我國發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的政策，論述發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的意義，概述國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)研究應(yīng)用進(jìn)展，指出我國發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)存在的問題及對策。

關(guān)鍵詞 光伏農(nóng)業(yè)；政策；意義；應(yīng)用；對策

中圖分類號 S214 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-229-03

太陽能是迄今為止最為安全、可靠、清潔的天然能源，目前太陽能的最佳利用方式是利用光伏轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將照射到多晶硅電池上的太陽熱輻射能轉(zhuǎn)換成電能。光伏農(nóng)業(yè)是迅速發(fā)展的新興行業(yè)，它是將太陽能光伏轉(zhuǎn)換發(fā)電應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動如種植、養(yǎng)殖、灌溉、病蟲害防治以及農(nóng)業(yè)機(jī)械動力提供等領(lǐng)域的一種新型農(nóng)業(yè)[1]。光伏農(nóng)業(yè)為低碳節(jié)能的農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了新模式，造就了一場農(nóng)場變工廠、田間變車間的農(nóng)業(yè)變革，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景和重大的現(xiàn)實意義，具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 我國發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的政策

鑒于光伏產(chǎn)業(yè)的巨大前景，我國政府在政策上予大力支持，如2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，同時國家發(fā)展改革委為此頒布了《可再生能源發(fā)電價格和費用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》配套文件。在政策上、財政上為發(fā)展可再生能源給予大力支持，光伏產(chǎn)業(yè)作為可再生能源的重要部分，進(jìn)入了發(fā)展的新階段；2012年2月工業(yè)和信息化部為促進(jìn)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，制定了《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，明確規(guī)定太陽能光伏生態(tài)大棚電站的生產(chǎn)模式可獲得國家財政補貼的扶持[2]。

光伏技術(shù)作為現(xiàn)代高新技術(shù)，雖然我國已經(jīng)開發(fā)出具有國際競爭力的光伏產(chǎn)品，但是光伏設(shè)施建造成本高、投入大，國內(nèi)企業(yè)接受能力有限，以致光伏產(chǎn)品過度依賴國外市場。2013年7月，為加速我國光伏技術(shù)本土市場的應(yīng)用，實現(xiàn)國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，國務(wù)院頒布了《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，提出到2015年我國總裝機(jī)容量達(dá)到35 GW以上的目標(biāo)，這對我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的推動作用。

光伏農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)與光伏技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在創(chuàng)造生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益共贏的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，與當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策相符合。2013年7月，國務(wù)院下發(fā)通知，要求“完善中央財政資金支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)制，對太陽能資源測量、關(guān)鍵技術(shù)裝備材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、農(nóng)村和牧區(qū)光伏發(fā)電應(yīng)用、無電地區(qū)光伏發(fā)電項目建設(shè)等方面加大支持”，體現(xiàn)了我國政府發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的決心。2014年6月5日原農(nóng)業(yè)部國際合作司司長馮玉林指出：“光伏和農(nóng)業(yè)的結(jié)合，一定要摸索出一套適合不同地區(qū)、不同地點、不同形式的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。不僅要讓農(nóng)民看得懂、學(xué)得會，還要讓他們了解光伏大棚發(fā)電的社會效益和增加的農(nóng)業(yè)價值。只有農(nóng)業(yè)與光伏達(dá)到共贏，國內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)才會有希望”。 可見，我國政府對于光伏農(nóng)業(yè)的支持可謂是不留余力。

2 發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的意義

光伏應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，既節(jié)能環(huán)保，又推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，還可實現(xiàn)土地、陽光資源的立體高效利用，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)突出，具有許多傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無可比擬的優(yōu)勢。

2.1 光伏農(nóng)業(yè)可加快解決三農(nóng)問題，推動我國農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展 目前，光伏農(nóng)業(yè)大致有5種模式，可謂與我國三農(nóng)問題密切相關(guān)，各個模式都有其獨特的優(yōu)勢。①太陽能光伏農(nóng)業(yè)大棚：支持大棚灌溉系統(tǒng)，對植物進(jìn)行補光，滿足大棚作物冬季供暖需求等；②太陽能動力水泵：與傳統(tǒng)的氣柴油抽水機(jī)比較，太陽能動力水泵具有無需蓄電環(huán)節(jié)，節(jié)省運營成本，實現(xiàn)二氧化碳零排放等優(yōu)勢；③太陽能殺蟲燈：不用架設(shè)常規(guī)供電設(shè)施，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料，節(jié)能環(huán)保，是目前太陽能農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中推廣應(yīng)用力度較大的一類產(chǎn)品；④太陽能光伏養(yǎng)殖場：由于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的池塘、流水、網(wǎng)箱等養(yǎng)殖方式，太陽能光伏養(yǎng)殖場運用提供綠色能源，促進(jìn)養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型，提升傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)；⑤太陽能污水凈化系統(tǒng)：當(dāng)前我國農(nóng)村地區(qū)的環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，污水是其中一大問題，太陽能污水凈化系統(tǒng)能量供給全部來自太陽光，運行費基本為零，基本沒有二次污染。所以，光伏農(nóng)業(yè)的普及可謂與我國三農(nóng)問題密切相關(guān)。

2.2 光伏農(nóng)業(yè)可促進(jìn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高環(huán)境控制及裝備水平 將薄膜太陽電池做成透光材質(zhì)安裝在塑料大棚頂部，在不影響動植物生長對光需求的情況下提供電能，實用性強，見效快，也可節(jié)約用地，是最符合我國國情的可優(yōu)先發(fā)展的光伏農(nóng)業(yè)模式。過去30年，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展主要是依靠擴(kuò)大設(shè)施規(guī)模，占用了大量的耕地資源，生產(chǎn)效益低的問題非常明顯，在極端天氣（如低溫、雪災(zāi)、連陰天及霧霾等頻發(fā)條件下），逆境抵御能力差。太陽能板安裝在塑料大棚頂部發(fā)電，對大棚內(nèi)植物進(jìn)行補光、冬季滿足大棚供暖需求，抵御天氣災(zāi)害，保持農(nóng)作物快速生長，從而提高大棚環(huán)境控制及裝備水平，推進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。

2.3 光伏設(shè)施可實現(xiàn)一室多用 光伏電池除了能供電支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外，在防風(fēng)、防雨、防雪、防雹，甚至在收集雨水、生產(chǎn)淡水等方面具有可擴(kuò)展的功能，此外還可以拓展應(yīng)用到養(yǎng)殖、農(nóng)民日常生活等方面。光伏設(shè)施在林業(yè)生產(chǎn)、水利建設(shè)、水利灌溉系統(tǒng)中都可以利用，可以將蒸發(fā)量太大的不毛之地轉(zhuǎn)變?yōu)槭鼙Ｗo(hù)的可耕地。光伏農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

2.4 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高 太陽輻射熱能巨大，就目前的熱轉(zhuǎn)換效率測算，一塊發(fā)電板平均每天能發(fā)電0.7°，一年理論上能發(fā)電4.21萬°。以一個8 000 hm2蔬菜種植地為例，假如這些菜地全都建成溫室大棚，在溫室大棚棚頂安裝太陽能多晶硅電池，日發(fā)電量最低限度達(dá)1 000萬°以上。這些電能既可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供電源動力，還可以為工業(yè)、商業(yè)及居民生活供電，從而節(jié)省水電、煤電資源，一舉雙得。據(jù)統(tǒng)計，光伏農(nóng)業(yè)溫室大棚投資年收益率超過10%，回收期為6～10 a。光伏設(shè)施在空曠地隨處可建，可在農(nóng)地直接送電滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，節(jié)省電力輸送成本。光伏設(shè)施使不通電偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)民用上電，還可將多余電能送入國家電網(wǎng)，取得農(nóng)產(chǎn)品收入和光伏發(fā)電收入雙收益，將極大地改善農(nóng)民生活。

太陽能是最清潔、最安全和最可靠的能源，太陽能的利用又不受地理位置的限制，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)命脈，我國已經(jīng)高度重視光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展，未來我國必將迎來光伏農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的新時代。

3 國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)研究應(yīng)用進(jìn)展

光伏應(yīng)用到農(nóng)業(yè)在國外尤其歐美國家發(fā)展迅速，2010年上海舉辦的世博會上，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)被應(yīng)用到中國館、德國館、法國館、城市未來館等多個場館。以色列作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強國，太陽能資源豐富，可用于地面安裝太陽能系統(tǒng)的非耕地廣闊，政府非常重視光伏太陽能建設(shè)，頒發(fā)大批建設(shè)許可證，是世界上光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展最快的國家，已經(jīng)形成了一套完整的光伏農(nóng)業(yè)體系，在光伏農(nóng)業(yè)的應(yīng)用普及方面取得突出成果，值得我國借鑒[3]。日本借助強大的技術(shù)和財政支撐，把光伏在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用發(fā)揮得淋漓盡致，對未來光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展方向具有良好的示范作用。2011年日本福島地震核事故摧毀了當(dāng)?shù)厮械纳鐓^(qū)，當(dāng)?shù)孛癖娨蚨鴮穗姰a(chǎn)生巨大的恐懼，因此日本科學(xué)家加速開展太陽能替代核能的研究、發(fā)展、應(yīng)用。在福島，他們建造了福島復(fù)興太陽能農(nóng)業(yè)園，安裝了2 000多個光伏太陽能電磁板，給當(dāng)?shù)厥卟舜笈锘靥峁╇娏τ糜跍厥沂卟松a(chǎn)，已經(jīng)有64 t生菜提供給當(dāng)?shù)匾患掖笮瓦B鎖超市。通過電腦系統(tǒng)進(jìn)行精確的溫度和濕度控制，農(nóng)作物能比普通條件下生長的更快，與傳統(tǒng)的溫室大棚相比，產(chǎn)量和效率都提高了1倍。此外，農(nóng)業(yè)園太陽能發(fā)電產(chǎn)生的多余電力除了滿足當(dāng)?shù)?70戶家庭的用電需求，剩余的電力還出售給了東京電力公司，為受災(zāi)地區(qū)的工、農(nóng)業(yè)重建樹立了典范。據(jù)報道，當(dāng)?shù)卣诜e極推動太陽能農(nóng)業(yè)參與福島當(dāng)?shù)氐墓I(yè)商業(yè)建設(shè)，如海上風(fēng)電廠和日本最大的太陽能工業(yè)園等，進(jìn)而幫助福島實現(xiàn)2040年可再生能源自給自足的目標(biāo)”[4]。

我國幅員遼闊，光伏農(nóng)業(yè)起步較晚，但在政府的支持下，因地制宜迅速普及，成果卓越。

2009年青海省樂都建成該省第一個太陽能發(fā)電與設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合項目，是太陽光伏與高原特色農(nóng)業(yè)相結(jié)合的典范。樂都全縣有5萬多農(nóng)民從事溫棚蔬菜生產(chǎn)，由于光伏農(nóng)業(yè)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，使當(dāng)?shù)卦S多農(nóng)民擺脫了貧困。

2010年寧夏中衛(wèi)市沙綠寶農(nóng)業(yè)科技公司和中國恩菲工程技術(shù)公司合作建設(shè)的光伏生態(tài)大棚，在中衛(wèi)市沙漠設(shè)施農(nóng)業(yè)科技示范基地落成，這是我國首座在西部高原利用光伏發(fā)電技術(shù)的作物溫室大棚。該系統(tǒng)屬于與屋頂技術(shù)結(jié)合的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由20多塊晶矽太陽能電池組件和3臺逆變器組成，裝機(jī)容量為3.45 kW，發(fā)電量為370 kW·h，可以為沙漠溫室大棚提供可靠的常備電源，以保證棚內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)備的正常運作，冬季還可以為大棚供暖，加快反季節(jié)作物生長。此外，還可以兼顧到雨水、雪水的收集、保存和應(yīng)用，可謂是一種集節(jié)能、環(huán)保、低碳和觀光于一身的現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)生態(tài)項目。該光伏生態(tài)系統(tǒng)帶動了一大批包括花卉、水果等多個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有著廣闊的市場發(fā)展空間。

目前，光伏農(nóng)業(yè)主要應(yīng)用于大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，由于鋪裝在大棚頂部的薄膜電池是不透光的，或者透光率很低，影響大棚內(nèi)采光，薄膜太陽能農(nóng)業(yè)大棚的關(guān)鍵是開發(fā)分光技術(shù)，提高透光率，這將是一個新創(chuàng)舉，目前研究的很少。2009年10月，臺灣光寶集團(tuán)綠色能資股份有限公司在江西上饒建造了國內(nèi)首個薄膜太陽能農(nóng)業(yè)大棚發(fā)電站，并已正式并網(wǎng)發(fā)電[5]。該公司還與江西鷹潭市政府簽約，雙方將合作建設(shè)薄膜太陽能農(nóng)業(yè)大棚發(fā)電系統(tǒng)項目。2010年，在南京浦口的農(nóng)田里，采用的電池板材質(zhì)是雙面透明導(dǎo)電電極及半透明非晶硅，所以仍可以透進(jìn)部分光線，將蔬菜大棚的屋頂變成了太陽能發(fā)電場，棚頂發(fā)電，棚內(nèi)種菜，屋頂?shù)碾姵匕宥冀油ㄅ飪?nèi)LED燈，燈只有紅色和藍(lán)色，燈下的托盤里種著小青菜。河北已經(jīng)在平泉成立大柵光伏發(fā)電項目公司，把太陽能電池搬進(jìn)設(shè)施蔬菜大棚。該項目總裝機(jī)功率為120 MW，總投資約在30億元左右，采用國產(chǎn)有自主知識產(chǎn)權(quán)的氫能燃料電池和光伏組件構(gòu)成，在棚頂安裝光伏電池，可以為溫室供暖升溫，進(jìn)一步提高蔬菜產(chǎn)量，延長生產(chǎn)周期，實現(xiàn)反季節(jié)生產(chǎn)，同時，還可解決補光照明、滅蟲、灌溉等問題。 2013年1月，我國首個具有完全自主產(chǎn)權(quán)的薄膜太陽能大棚發(fā)電系統(tǒng)由河北保定天威保變電氣股份有限公司研究成功，他們用透明薄膜太陽能光伏玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大棚薄膜，僅讓太陽的紅光部分穿透進(jìn)大棚內(nèi)，為綠色植物光合作用提供能量，而薄膜光伏玻璃還將光能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了低成本光能發(fā)電，已經(jīng)在山東壽光17 kW薄膜太陽能溫室大棚中得到成功的應(yīng)用。該項目年發(fā)電2.6萬kW·h，全部送入壽光當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，造福周邊群眾，而且成本比多晶硅太陽能電池低40%以上。該公司研發(fā)人員考慮到不同蔬菜種類、生長發(fā)育階段所需的光強不同，設(shè)計了60%、40%、20%、10%不同的透光率方案，包括電氣設(shè)計、光伏系統(tǒng)設(shè)計、逆變器的配置方案等[6]。

根據(jù)不完全統(tǒng)計，全國已有近30個薄膜太陽電池農(nóng)業(yè)大棚發(fā)電站的“示范點”，如江西、湖北、河北、江蘇、寧夏、廣西、山東、青海等地都已經(jīng)開始積極的探索光伏溫室大棚，有些地區(qū)已經(jīng)取得了成效，部分實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。這種薄膜太陽能大棚的開發(fā)應(yīng)用，對于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、升級和“三農(nóng)”問題的解決有重要作用和推廣意義。

太陽能光伏與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)場更是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的前沿水平。2012年福建泉州百來太陽能有限公司探索與眾不同的農(nóng)業(yè)太陽能應(yīng)用研究。該公司計劃建成一個示范農(nóng)場，把太陽能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)場中，邊研發(fā)邊實踐，讓農(nóng)戶們親眼見證高科技農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的奇跡。利用太陽能玻璃電池板搭建成的溫室大棚，不僅可以發(fā)電，還冬暖夏涼；埋在土壤中的傳感器會自動感知土壤溫濕度和土壤的肥力，在太陽能電力的趨動下自動為棚內(nèi)的植物澆水施肥等，這是未來太陽能農(nóng)場的生產(chǎn)場景，也是泉州百來太陽能有限公司目前攻關(guān)的重點。

4 發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)存在的問題及對策

光伏農(nóng)業(yè)具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會效益，因而具有廣泛的應(yīng)用前景，但發(fā)展時間還不長，技術(shù)還不成熟，推廣普及還有困難。

太陽能光伏農(nóng)業(yè)應(yīng)用需要多學(xué)科融合，農(nóng)業(yè)種植、機(jī)械制造、太陽能技術(shù)、傳感技術(shù)等多方面都有涉及，目前靠單一學(xué)科領(lǐng)域各自為政，重復(fù)研究現(xiàn)象嚴(yán)重，影響光伏技術(shù)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用。

作為新能源與農(nóng)業(yè)結(jié)合的新興產(chǎn)業(yè)，光伏農(nóng)業(yè)還需要國家的大力扶持，包括政策、資金等。此外，太陽能農(nóng)業(yè)應(yīng)用所屬范圍不夠清晰，目前國家并沒有相關(guān)針對性的補貼標(biāo)準(zhǔn)。

通常使用的電源是交流電，而太陽能光伏發(fā)電則是直流電，目前市場上出售的農(nóng)機(jī)設(shè)備大多是使用交流電，因此，需要對現(xiàn)有農(nóng)機(jī)進(jìn)行改造，使其與太陽能發(fā)電完美融合，目前這還是個難題。

建造成本高，投資回收期較長，不適合小規(guī)模的經(jīng)營。由于透光問題，對種植的植物要求較高，在喜光植物上的應(yīng)用還有待深入探討。

目前，光伏農(nóng)業(yè)的建設(shè)還處在美好的規(guī)劃及小范圍的試點階段，擺在政府、科研人員面前的還有不少問題需要解決。光伏農(nóng)業(yè)是龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)學(xué)研各個部門應(yīng)通力合作，聯(lián)合攻關(guān)。太陽能光伏產(chǎn)品外銷受挫情況下，更應(yīng)該積極推廣光伏產(chǎn)品在工農(nóng)業(yè)個領(lǐng)域的應(yīng)用，推動產(chǎn)業(yè)升級，開拓國內(nèi)市場，使光伏產(chǎn)品這一高新技術(shù)推動我國環(huán)境質(zhì)量提升，使地方老百姓受益。就光伏農(nóng)業(yè)來說，國家應(yīng)該宣傳光伏農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，是實現(xiàn)美麗中國、美麗鄉(xiāng)村的標(biāo)志，應(yīng)該組織多學(xué)科專家解決太陽能光伏與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施、器械對接等技術(shù)問題，提高電池產(chǎn)品性能，降低成本，研究作物對光伏設(shè)施的適應(yīng)性問題。此外政府應(yīng)該站在節(jié)省能源，保護(hù)環(huán)境高度，鼓勵光伏企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)光伏農(nóng)業(yè)設(shè)施產(chǎn)品，加大財政補貼力度。

我國作為農(nóng)業(yè)大國，光伏農(nóng)業(yè)與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)以及生態(tài)文明建設(shè)相契合，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種全新模式。光伏農(nóng)業(yè)將是解決我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展長期困境的發(fā)動機(jī)，是進(jìn)一步發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、改善農(nóng)民生活的必然選擇，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變革時勢所趨。

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[4]人民網(wǎng)，日本建起太陽能農(nóng)業(yè)園[N].四川農(nóng)村日報，2013-03-20.

[5] 我國首個太陽能大棚發(fā)電系統(tǒng)正式運行[EB/OL].（2009-10-27） http：//news.sina.com.cn/c/p/2009-10-27/092918917137.shtml.

[6]我國首個薄膜太陽能大棚發(fā)電系統(tǒng)投入使用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，2010（10）：76.