光伏支架對油用牡丹生長特性影響的研究

田介花 ，王小睿，陸 煒

(1.上海電氣電站工程公司，上海 200000； 2. 句容碧桂園學(xué)校，句容 212400；3. 江蘇林洋新能源科技有限公司， 南京 210000)

0 引言

農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站是將光伏發(fā)電與農(nóng)作物種植相結(jié)合的一種新能源利用模式，該模式集低碳、節(jié)能、環(huán)保于一身，通過對土地、陽光資源進(jìn)行合理和高效利用，實現(xiàn)了土地的增產(chǎn)增效，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。油用牡丹是一種新興的木本油料作物，產(chǎn)籽能力強(qiáng)，該籽可以加工成食用油，具有高出油率、油質(zhì)好的特點。油用牡丹可以種植三四十年不換茬，常被農(nóng)民稱為“鐵桿莊稼”[1]，其種植還可以與退耕還林工程相結(jié)合，能起到防止水土流失、預(yù)防土壤沙化的作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[1]。

文獻(xiàn)[2]研究了固定傾角光伏支架下油用牡丹產(chǎn)籽量的影響因素，其中，粒重因子、單株產(chǎn)籽量因子、生長量因子對油用牡丹產(chǎn)籽量的影響最大。文獻(xiàn)[3]研究了固定傾角光伏支架下單株油用牡丹的13個產(chǎn)籽量性狀，并建立了產(chǎn)籽量回歸方程。針對農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站中種植的油用牡丹，本文將種植于將前后排平單軸光伏支架間隙下(下文簡稱“平單軸光伏支架間隙下”)和固定傾角光伏支架正下方(下文簡稱“固定光伏支架下”)的油用牡丹的生長特性(生長指標(biāo)、生理特性及產(chǎn)籽量情況)與種植于無光伏支架遮擋(下文簡稱“無遮擋”)時的相應(yīng)情況進(jìn)行對比，研究了光伏支架遮擋對油用牡丹生長特性的影響。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

本試驗以江蘇省鹽城市阜寧縣某農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站為例。該農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站的裝機(jī)容量為15 MW，光伏支架類型為平單軸光伏支架和固定傾角光伏支架2種；電站所在地屬于溫帶季風(fēng)氣候，年降水量為980 mm，年蒸發(fā)量為856.4 mm，年均日照小時數(shù)可達(dá)2220～2480 h，年均氣溫為14.4 ℃，全年無霜期約為208.3天。該農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站中種植的油用牡丹品種為5年生的鳳丹。

1.2 試驗方法

本試驗分別在固定光伏支架下、平單軸光伏支架間隙下及無遮擋的土地上種植油用牡丹苗，并對其生長特性進(jìn)行研究。

固定傾角光伏支架上光伏組件為南北向安裝，光伏組件安裝傾角為28°，前后排相鄰光伏支架的間距為8 m。前后排固定光伏支架下的區(qū)域內(nèi)共種植6行油用牡丹苗，油用牡丹苗的左右間距為30 cm、行距為60 cm。種植情況如圖1所示。

圖1 油用牡丹種植于固定光伏支架下的情景Fig. 1 Scene of oil peonies planted under fixed PV supports

平單軸光伏支架上光伏組件的安裝方式為東西向安裝，前后排相鄰光伏支架的間距為7 m，支架的最大跟蹤角度為45°。在平單軸光伏支架間隙下的區(qū)域內(nèi)共種植4行油用牡丹苗，油用牡丹苗的左右間距為30 cm、行距為60 cm。種植情況如圖2所示。

圖2 油用牡丹種植于平單軸光伏支架間隙下的情景Fig. 2 Scene of oil peonies are planted under gap of horizontal single axis PV supports

在無遮擋區(qū)域共種植6行油用牡丹苗，油用牡丹苗的左右間距為30 cm、行距為60 cm。

為保證均勻選取，在上述每塊區(qū)域的每行內(nèi)均選取3～5株生長良好的油用牡丹，共選取 20株。接收的光合有效輻射、生長指標(biāo)、生理特性及產(chǎn)籽量等參數(shù)進(jìn)行測定，并以無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹苗作為對照組進(jìn)行對比。其中，生長指標(biāo)具體包括：株高、冠幅、果枝長度、節(jié)間長度、果莢數(shù)、分枝數(shù)、果枝節(jié)數(shù)、果枝粗度、母枝粗度等參數(shù)；生理特性具體包括：葉片葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)的活性、過氧化酶(POD)的活性、過氧化氫酶(CAT)的活性。

選取某個晴天的09:00-16:00時間段，每隔1 h用PM6612數(shù)字照度計分別對種植于無遮擋、固定光伏支架下、平單軸光伏支架間隙下的油用牡丹正上方10 cm處接收的光合有效輻射進(jìn)行測量；用鋼卷尺測量20株油用牡丹的各項生長指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理、求平均值及求和計算。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同種植區(qū)域的光照條件比較

光照條件會影響植物的生長，在09:00-16:00的測試時間內(nèi)，3個測試區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹接收的光合有效輻射情況如圖3所示。

由圖3可知，無遮擋區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹在12:00時接收的光合有效輻射達(dá)到了最大值，在16:00時降至最小值，曲線呈現(xiàn)早晚時刻接收的光合有效輻射低、中午時刻接收的光合有效輻射高的趨勢。平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射整體情況低于無遮擋區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹接收的光合有效輻射，整條曲線也呈現(xiàn)出早晚時刻接收的光合有效輻射低，中午時刻接收的光合有效輻射高的趨勢，但曲線變化較為平穩(wěn)。固定光伏支架下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射量整體情況低于無遮擋區(qū)域內(nèi)和平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射；固定光伏支架下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射曲線在一天內(nèi)的12:00和15:00這2個時刻均出現(xiàn)了一個高峰值，這是因為在12:00時太陽入射角大，太陽輻射最強(qiáng)，雖然光伏支架會對油用牡丹產(chǎn)生遮擋，但此時依舊會形成1個光合有效輻射高峰；在15:00左右，隨著太陽入射角的偏移，陽光會透過光伏支架下部間隙照射在油用牡丹上，由于此時的太陽輻射依舊強(qiáng)烈，因此此時形成了另1個光合有效輻射高峰。

圖3 09:00-16:00不同區(qū)域種植的油用牡丹接收的光合有效輻射變化曲線Fig. 3 Variation curves of photosynthetically active radiation received by oil peonies under different regions between 09:00 and 16:00

假設(shè)一天內(nèi)無遮擋區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量為100%，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，通過計算則可得到相對于無遮擋區(qū)域而言，平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量的占比情況，具體如圖4所示。

從圖4中可以看到，不同區(qū)域種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量的大小依次為：無遮擋區(qū)域＞平單軸光伏支架間隙下＞固定光伏支架下。根據(jù)光合有效輻射日累計量占比，可以得到相對于無遮擋區(qū)域而言，平單軸光伏支架和固定傾角光伏支架的遮光率。由于平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量占比為71.54%，則可得到平單軸光伏支架的遮光率為28.46%；同樣，固定光伏支架下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量占比為55.03%，則可得到固定傾角光伏支架的遮光率為44.97%。

圖4 不同區(qū)域種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量占比Fig. 4 Percentage of daily accumulative photosynthetically active radiation received by oil penoies under different regions

2.2 不同光伏支架方式對油用牡丹生長指標(biāo)的影響

2.2.1 光伏支架方式對油用牡丹的株高、冠幅、果枝長度和節(jié)間長度的影響

株高可反映植株個體的垂直生長勢。分別對無遮擋區(qū)域、平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹的株高、冠幅、果枝長度和節(jié)間長度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同區(qū)域種植的油用牡丹的株高、冠幅、果枝長度、節(jié)間長度情況Fig. 5 Plant height，crown width，fruit branch length and internode length of oil peonies planted under different regions

從圖5中可以看出：

1)平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹的株高最高，固定光伏支架下和無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的株高相近，這說明對油用牡丹進(jìn)行適度的遮擋能促進(jìn)其光合作用，有利于其植株的長高。這是因為進(jìn)行遮蔭處理不僅可有效降低油用牡丹的蒸騰速率，還可以降低該區(qū)域的光照強(qiáng)度，從而降低油用牡丹周圍的環(huán)境溫度，因此，在適度遮擋的條件下，植株長高明顯。而固定光伏支架下和無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的株高相近，這說明無遮擋和過多遮擋都不利于油用牡丹植株的長高。根據(jù)前文得到的平單軸光伏支架的遮光率為28.46%(約為30%)、固定傾角光伏支架的遮光率為44.97%(約為45%)，單從株高這一生長指標(biāo)來看，遮光率約為30%時更有利于油用牡丹植株的長高。

2)無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的果枝長度最長，平單軸光伏支架間隙下種植的次之，而固定光伏支架下種植的最短。結(jié)合不同光伏支架的遮光率可以發(fā)現(xiàn)，油用牡丹的果枝長度與光伏支架的遮光率成反比。

3)不同區(qū)域種植的油用牡丹的冠幅和節(jié)間長度呈現(xiàn)的規(guī)律與果枝長度呈現(xiàn)的規(guī)律相同。

2.2.2 光伏支架方式對油用牡丹的果莢數(shù)、分枝數(shù)和果枝節(jié)數(shù)的影響

油用牡丹的果莢數(shù)可反映油用牡丹的產(chǎn)籽量。分別對無遮擋區(qū)域、平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹的果莢數(shù)、分枝數(shù)和果枝節(jié)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同區(qū)域種植的油用牡丹的果莢數(shù)、分枝數(shù)、果枝節(jié)數(shù)情況Fig. 6 Pod number，branch number and fruit branch node number of oil peonies planted under different regions

由圖6可知，相較于無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的果莢數(shù)、分枝數(shù)和果枝節(jié)數(shù)，平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹的果莢數(shù)、分枝數(shù)和果枝節(jié)數(shù)分別減少了28.5%、10.7%和20.6%，而固定光伏支架下種植的油用牡丹的果莢數(shù)、分枝數(shù)和果枝節(jié)數(shù)則分別減少了39.3%、29.1%和33.3%。

2.2.3 光伏支架方式對油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度的影響

分別對無遮擋區(qū)域、平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同區(qū)域種植的油用牡丹的果枝粗度、母枝粗度情況Fig. 7 Fruit branch diameter and parent branch diameter of oil peonies planted under different regions

由圖7可知，相較于無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度，平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度分別減少了19.3%和17.6%，而固定光伏支架下種植的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度則分別減少了27.8%和32.6%。

2.2.4 小結(jié)

根據(jù)以上測試得到的數(shù)據(jù)，若以無遮擋區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹的各項生長指標(biāo)為100%作為基準(zhǔn)時，則平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹的各項生長指標(biāo)情況如表1所示。

由表1可以看出，相對于無遮擋區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹的各項生長指標(biāo)，平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹除株高呈上升趨勢外，其他指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢，分別為無遮擋區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹的72%～93%和61%～82%，這說明適度遮蔭處理能夠促進(jìn)植物長高(垂直生長)，但正是由于過多的營養(yǎng)用于植物長高，分配給其他部位的就會減少，這不利于油用牡丹的正常生長發(fā)育。

表1 相對于無遮擋區(qū)域，其他區(qū)域種植的油用牡丹的各項生長指標(biāo)情況Table 1 Compared with unobstructed region, growth indicators of oil peonies planted in other regions

2.3 光伏支架方式對油用牡丹生理特性的影響

2.3.1 光伏支架方式對油用牡丹葉片葉綠素的影響

高等植物的葉綠素中葉綠素a和葉綠素b共占75%，二者為葉綠素的重要組成部分[4]。葉綠素a與葉綠素b的含量與植物的光合作用速率密切相關(guān)，可以反映周圍環(huán)境的變化。

大量研究表明，弱光環(huán)境會使植物葉片中葉綠素b的含量增加，使葉綠素a與葉綠素b的比值降低，這種改變可以使植物在弱光條件下吸收漫射光中的橙光和藍(lán)紫光，吸收了更多的光能，從而可以進(jìn)行更多的光合作用[5-7]。

分別對無遮擋區(qū)域、平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹葉片中的葉綠素a與葉綠素b的含量進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同區(qū)域種植的油用牡丹的葉片中葉綠素a和葉綠素b的含量Fig. 8 Content of chlorophyll a and chlorophyll b in the leaves of oil peonies planted under different regions

由圖8可知，對于葉綠素a而言，無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的葉片中葉綠素a的含量最高，為272.6 mg/L；平單軸光伏支架間隙下與固定光伏支架下種植的油用牡丹的葉片中葉綠素a的含量較為接近，分別為235.6 mg/L和255.2 mg/L。對于葉綠素b而言，固定光伏支架下種植的油用牡丹的葉片中葉綠素b的含量最高，為2478.9 mg/L；而無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的葉片中葉綠素b的含量最低，為420 mg/L。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，無遮擋有助于油用牡丹葉片中葉綠素a的提高，而遮光率不同的2種光伏支架得到的油用牡丹葉片中的葉綠素a的含量基本一致，葉綠素b的含量卻隨遮光率的增加而增加。

2.3.2 光伏支架方式對油用牡丹葉片中酶的活性的影響

植物細(xì)胞在代謝受阻時會產(chǎn)生大量的活性氧，進(jìn)而導(dǎo)致膜脂質(zhì)過氧化，SOD、CAT和POD等抗氧化酶協(xié)調(diào)運作負(fù)責(zé)清除超氧陰離子自由基(O2-)、羥基自由基(OH-)和過氧化氫(H2O2)，它們是在細(xì)胞抵御活性氧損傷時保護(hù)酶體系中的主要組成部分。

分別對無遮擋區(qū)域、平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹的葉片中SOD、POD和CAT的活性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同區(qū)域種植的油用牡丹的葉片中SOD、POD、CAT的活性情況Fig. 9 Activities of SOD、POD and CAT in the leaves of oil peonies planted under different regions

由圖9可知，無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的葉片中SOD的活性值最大，為332.8 U·g-1·FW，固定光伏支架下種植的油用牡丹的葉片中SOD的活性值與該值較為相近，為321.3 U·g-1·FW。同樣，油用牡丹葉片中的POD的最大活性值也是出現(xiàn)在無遮擋區(qū)域中，為580 U·g-1·FW；固定光伏支架下的其次，為545.1 U·g-1·FW，平單軸光伏支架間隙下的最小，為458.1 U·g-1·FW。從圖9中還可以看出，在這3種區(qū)域內(nèi)種植的油用牡丹的葉片中CAT的活性值的差別不大，均約為22 U·g-1·FW。

從上述數(shù)據(jù)可以看到，無遮擋區(qū)域和固定光伏支架下種植的油用牡丹的葉片中SOD和POD的活性值均較高，而平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹的葉片中這2個抗氧化酶的活性值最小。前者活性值較高的原因可能是由于無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的光合有效輻射過高，或固定光伏支架下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射較弱，產(chǎn)生了光抑制，從而使油用牡丹體內(nèi)產(chǎn)生了大量活性氧，而油用牡丹為了維持活性氧的平衡增強(qiáng)了抗氧化酶的活性。

2.4 光伏支架方式對油用牡丹產(chǎn)籽量的影響

分別對無遮擋區(qū)域、平單軸光伏支架間隙下和固定光伏支架下種植的油用牡丹的果實情況進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 不同區(qū)域種植的油用牡丹的果實情況Table 2 Fruit situation of oil peonies planted under different regions

從表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，平單軸光伏支架間隙下種植的油用牡丹的產(chǎn)籽量約為無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹產(chǎn)籽量的60.82%，固定光伏支架下種植的油用牡丹的產(chǎn)籽量約為無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹產(chǎn)籽量的51.45%。

前文的測試數(shù)據(jù)表明：平單軸光伏支架間隙下與固定光伏支架下種植的油用牡丹接收的光合有效輻射日累計量分別為無遮擋區(qū)域種植的油用牡丹的71.54%和55.03%。由此可知，油用牡丹的產(chǎn)籽量與其所接收的光合有效輻射日累計量成正比。油用牡丹的產(chǎn)籽量隨著光伏支架遮光率的增加呈下降趨勢。

由于光伏組件在平單軸光伏支架上的發(fā)電量要高于其在固定傾角光伏支架上的發(fā)電量，同時，油用牡丹種植于平單軸光伏支架間隙下的產(chǎn)籽量要高于其種植在固定光伏支架下，因此，在平單軸光伏支架間隙下種植油用牡丹的經(jīng)濟(jì)效益要高于在固定光伏支架下種植。

由于油用牡丹是一種陽生植物[8]，對其進(jìn)行遮擋能夠促使其株高增加，但果莢數(shù)和產(chǎn)籽量會減少。對于農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站而言，若必然會對種植的油用牡丹產(chǎn)生遮擋，那可以選用遮光率相對較小的光伏支架類型。

3 結(jié)論

本文以某農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站為例，針對油用牡丹在平單軸光伏支架和固定傾角光伏支架下的生長指標(biāo)、生理特性及產(chǎn)籽量情況與無光伏支架遮擋時的情況進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果顯示：適度的遮擋有助于油用牡丹的長高，但不利于其其他指標(biāo)的提高。除株高外，遮光率為30%時，油用牡丹的其他各項生長指標(biāo)為無光伏支架遮擋時的72%～93%，產(chǎn)籽量為無光伏支架遮擋時的60.82%；遮光率為45%時，油用牡丹的其他各項生長指標(biāo)為無光伏支架遮擋時的61%～82%，產(chǎn)籽量為無光伏支架遮擋時的51.45%。