光伏農(nóng)業(yè)研究與發(fā)展路徑

陳 杰，雷書彥，陶 芬，黃金周

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟技術研究所，武漢 420064；2.湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430070）

中國作出碳達峰、碳中和的重大決策，大力支持新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展為重點，推進鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施?！蛾P于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》（國發(fā)［2021］4 號）明確提出“以清潔能源等為重點率先突破，做好與農(nóng)業(yè)融合發(fā)展，全面帶動一二三產(chǎn)業(yè)和基礎設施綠色升級”。光伏農(nóng)業(yè)是光伏發(fā)電與種養(yǎng)殖業(yè)密切結合的新型農(nóng)業(yè)模式，既有利于滿足光伏產(chǎn)業(yè)用地需求，又能促進土地綜合高效利用，是加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色發(fā)展和清潔能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。光伏農(nóng)業(yè)的開發(fā)，對于農(nóng)業(yè)結構的調(diào)整升級和解決“三農(nóng)”問題具有重要作用。

1 光伏農(nóng)業(yè)研究歷程

1.1 光伏農(nóng)業(yè)概念的提出

20 世紀60 年代國際上開展了太陽能在農(nóng)業(yè)中應用研究。1975 年光伏水泵面世開啟了光伏與農(nóng)業(yè)結合的歷程。在此之后，光伏在農(nóng)業(yè)中的應用呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢，從農(nóng)業(yè)灌溉到照明、通風、農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)業(yè)自動化和農(nóng)業(yè)機器人等。為了實現(xiàn)低碳發(fā)展目標，諸多國家大力提升光伏發(fā)電在電力供應總量中占比，積極開展光伏電站的建設。作為光伏電站主要形式，地面光伏電站建設需要大片土地，土地資源成為光伏產(chǎn)業(yè)的一大限制因素，農(nóng)光互補（Agrivoltaic，Agrophotovoltaic）得到重視，即在同一土地上既農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又光伏發(fā)電。

阿道夫·古茨貝格是農(nóng)光一體概念的較早提出者，于1982 年發(fā)表《論太陽能發(fā)電與作物栽培的共存》，提出了農(nóng)光一體概念［1］。2011 年，出現(xiàn)了“農(nóng)光一體”（Agrivoltaic）研究［2］，農(nóng)光一體是將農(nóng)田用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和光伏發(fā)電，既擴大光伏發(fā)電的規(guī)模，又保留農(nóng)田，提高土地利用效率，使得光伏與光合作用從競爭關系達到合作關系。光伏在全球的蓬勃發(fā)展，發(fā)電所需土地面積的增加，“農(nóng)光一體”等創(chuàng)新概念支持了能源系統(tǒng)的轉型，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)用地的雙重利用［3-5］。

國內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)的研究起步較晚，彭梅牙［6］較早提出了光伏農(nóng)業(yè)，光伏農(nóng)業(yè)是集光伏產(chǎn)品和現(xiàn)代種養(yǎng)技術于一體，利用現(xiàn)代管理方法轉化太陽能的現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)。隨著實踐的深入，光伏農(nóng)業(yè)的定義得到完善，阮曉東［7］和劉文科［8］認為，光伏農(nóng)業(yè)是將太陽能發(fā)電與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的種植、養(yǎng)殖、灌溉、病蟲害防治以及農(nóng)業(yè)機械動力等過程相結合，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“類工業(yè)”綠色發(fā)展道路，是重要的農(nóng)業(yè)工程形式。

1.2 光伏農(nóng)業(yè)的作用

光伏農(nóng)業(yè)實現(xiàn)農(nóng)光互補，具有多重優(yōu)勢。零排放的光伏發(fā)電加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可保護農(nóng)作物免受干旱和冰雹或強降雨等極端天氣的損害。通過部分遮擋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，可以降低蒸發(fā)率。光伏面板作為集流面收集雨水，加上清洗光伏面板的額外用水，增加了土壤含水量，其遮陽作用降低了地表水分蒸發(fā)，有利于植被恢復［9］。在偏遠的干旱地區(qū)，農(nóng)用光伏發(fā)電既可以用來供水和處理水，又可以減少農(nóng)作物對水的需求，對減緩荒漠化和土壤退化趨勢起到了重要作用。光伏電板支架可改變氣流方向，降低風速，具有類似沙障的擋風阻沙作用［10］。弗勞恩霍夫ISE對印度馬哈拉施特拉邦50 MWp 農(nóng)光一體發(fā)電項目的研究結果顯示，農(nóng)光伏裝置可使番茄和棉花產(chǎn)量分別提高11%和33%［11］。

1.3 光伏農(nóng)業(yè)的主要模式及成效

“農(nóng)光互補”“漁光互補”等多種光伏農(nóng)業(yè)復合模式可以緩解土地資源的日趨緊張，得到了廣泛應用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。由于光伏設施對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的影響，陽光的減少和空間條件的改變，種植和養(yǎng)殖品種以耐陰和喜陰動植物為主。光照減少對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和品質(zhì)影響不大，甚有利于動植物生長，如種植喜陰蔬菜、中藥材、食用菌、水生蔬菜，養(yǎng)魚類［12］。光伏農(nóng)業(yè)主要模式有光伏農(nóng)業(yè)溫室（大棚）［13-15］、光伏露地種植、光伏生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)［16］、“漁光互補”模式［17，18］等。

孫立濤等［19］研究表明，光伏大棚茶園半封閉環(huán)境能更有效地控制棚內(nèi)的溫濕度，提供適宜于茶樹生長所需的環(huán)境，延長了茶樹有效生長的時間，提高茶產(chǎn)量，減少病蟲害，實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。黃艷國等［20］研究顯示，甘草、板藍根和半夏在光伏農(nóng)業(yè)模式的遮陽條件種植，產(chǎn)品有效成分含量均能達到藥典要求。梁勤朗等［21］研究顯示，占地面積75%的光伏電站對黃顙魚生長有益，占地面積50%的光伏電站對草魚生長有益。

1.4 光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展意義及前景

光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結合的發(fā)展模式節(jié)約了土地資源、水資源，充分自然空間，優(yōu)化能源結構，改善資源環(huán)境，可實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的雙贏，通過該模式可帶動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉型，提高農(nóng)民收入［22］。在推進光伏農(nóng)業(yè)復合項目中，開展農(nóng)業(yè)種養(yǎng)，防止光伏項目區(qū)拋荒，是一個難題。須加強光伏農(nóng)業(yè)項目建設與監(jiān)管力度，優(yōu)化光伏電站和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)設計，建立規(guī)范有序的光伏農(nóng)業(yè)用地機制［23］。同時，加強光伏技術在智慧農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)中的應用研究，以新發(fā)展理念推進光伏與農(nóng)業(yè)融合發(fā)展，促進農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興［24］。

2 國內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)成功案例

中國光伏農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，光伏農(nóng)業(yè)涵蓋了光伏電站與種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等復合發(fā)展的多種模式。2009 年光伏農(nóng)業(yè)電站裝機容量不到1 MW，2022 年達到1 182 MW。2022 年3 月中國已有光伏農(nóng)業(yè)大棚、水產(chǎn)養(yǎng)殖漁光互補、畜禽養(yǎng)殖光伏大棚等項目400 余個。從具體模式來看，光伏農(nóng)業(yè)大棚、農(nóng)光互補和漁光互補項目占比高，尤以漁光互補為多。中國“光伏農(nóng)業(yè)”看似風生水起，實則仍處初級階段，商業(yè)模式單一、建設標準不一，農(nóng)民收益保障不高等問題困擾著該產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

國內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)還是處于探索階段的新興農(nóng)業(yè)形式，出現(xiàn)了一批較為成功的光伏農(nóng)業(yè)案例。

2.1 光伏+果蔬種植——浙江淳安威坪農(nóng)光互補光伏發(fā)電項目

該項目總占地44.8 hm2，光伏發(fā)電占地37.2 hm2，總投資1.50 億元，光伏總裝機容量20 MWp，年發(fā)電量1 800 萬kW·h，2018 年12 月28 日并網(wǎng)發(fā)電。在光伏板下有種植藍莓、葡萄、黃金桃、桑黃菌等的試驗田，打造了現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)立體產(chǎn)業(yè)園，每年給村集體和農(nóng)民帶來60 多萬元的凈收入。

2.2 光伏+茶葉種植——浙江浙能環(huán)亞松陽光伏電站

該項目總投資2.53 億元，總裝機容量35 MWp，年均發(fā)電量約3 208 萬kW·h。電站內(nèi)種植茶葉、苗木、油茶，養(yǎng)殖土雞、土鴨，實現(xiàn)板上發(fā)電、板下種植養(yǎng)殖，取得良好的經(jīng)濟效益。當?shù)夭柁r(nóng)專門成立了合作社來承租電站的土地。合作社采用村民入股的模式，共有10 多戶村民參加，盛產(chǎn)期光伏板下茶樹年收益可達37.5 萬元/hm2。

2.3 光伏+食用菌種植——河北平泉匯勇30 MWp農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電項目

該項目著力打造“綠色光伏+食用菌”的農(nóng)業(yè)扶貧示范園區(qū)，總投資3 億元，占地82.4 hm2，總裝機容量30.27 MWp，共建發(fā)菌棚340 個，出菇棚1 000 個，發(fā)展地栽香菇1 000 萬袋，年產(chǎn)量10 000 t。該項目采用產(chǎn)業(yè)大戶帶動、貧困戶入股、分散經(jīng)營、自主管理、統(tǒng)一技術銷售的扶貧園區(qū)模式，帶動貧困戶75戶，解決本村及周邊村農(nóng)民300 余人就業(yè)，戶均增收6 萬元以上。

2.4 光伏+中藥材種植——山東沂南力諾光伏發(fā)電與中草藥種植一體化項目

該項目占用河灘荒地200 hm2，裝機容量100 MWp，總投資15 億元。項目一期流轉興旺莊村河灘荒地66.67 hm2，村集體每年可獲得土地收益80 萬元，年人均增收524 元。在光伏電站組件下方種植丹參、黃芩、甘草、皂角等耐旱喜陰的中草藥40 hm2，每年可實現(xiàn)產(chǎn)值570 萬元，吸納安置貧困戶40 人，年人均增收1 900 元。既有效利用土地資源增加收益，又涵養(yǎng)水源、封沙固土，綜合效益較為明顯。

2.5 光伏+漁業(yè)養(yǎng)殖——振合新能源光伏科普示范基地

該項目是與中國農(nóng)業(yè)科學院等科研部門合作的生態(tài)光伏電站，占地（水面）面積453.33 hm2，適宜養(yǎng)殖面積240 hm2，總投資超10 億元，裝機容量118 MWp，平均年發(fā)電量2.2 億kW·h。該項目為高效農(nóng)業(yè)光伏一體化科普示范基地，在光伏板下進行水生植物、經(jīng)濟作物種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖，結合當?shù)刈匀画h(huán)境打造漁光互補、風光互補、旅游觀光相結合。基地龍蝦和螃蟹混養(yǎng)，同時養(yǎng)殖甲魚、虎頭鯊、泥鰍、黃鱔等喜陰魚種，漁業(yè)每公頃年產(chǎn)值可達3 萬元以上。

2.6 多業(yè)態(tài)融合——大秦安龍光伏高科技農(nóng)業(yè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)園

該項目總規(guī)劃面積333.33 hm2，光伏裝機容量150 MWp，分為三期建設。一期面積93.33 hm2，總投資4 億元，建設30 MWp 太陽能光伏電站、73.33 hm2綜合型光伏農(nóng)業(yè)科技大棚、1 個綜合展廳、4 個主題展廳、1 個種植研究中心（包含現(xiàn)代農(nóng)業(yè)農(nóng)民就業(yè)培訓中心）、生產(chǎn)加工區(qū)及旅游觀光帶等。利用現(xiàn)代種植技術，種植食用菌、中藥材、特色花卉等，著力打造集設施農(nóng)業(yè)大棚、光伏電站、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)及休閑旅游觀光功能板塊于一體的光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。農(nóng)戶通過土地入股，勞務創(chuàng)收、種植收入、光伏扶貧、旅游帶動等增收，戶均年增收3 萬元以上。

3 光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展模式推薦

光伏農(nóng)業(yè)復合項目必須因地制宜，選擇適合本地區(qū)的種植、養(yǎng)殖模式。結合湖北地區(qū)土壤、水資源及氣候特點，推薦“光伏+”糧食、蔬菜、茶葉、中藥材、漁業(yè)、畜禽等6 種發(fā)展模式。

光伏+糧食種植模式。推薦糧食作物品種為馬鈴薯、甘薯、大麥等，適宜于平原或丘崗園地、丘陵“糧改飼”地區(qū)。該模式符合“非糧化”政策，對保障糧食安全意義重大。但該模式對基礎設施建設要求較高，在光伏電站建設過程中需開展土地平整、田間道路、生產(chǎn)運輸通道、水利設施等基礎設施建設。

光伏+蔬菜種植模式。推薦蔬菜品種為菜用甘薯、芹菜、白菜、韭菜等葉菜類，適宜于平原或丘崗園地。該模式效益較好，勞動力需求較大，有利于帶動當?shù)剞r(nóng)民就業(yè)。但對基礎設施建設要求較高，需配套建設農(nóng)業(yè)廢棄物處理及資源化利用項目，確保生態(tài)環(huán)境安全。

光伏+茶葉種植模式。該模式適宜于非糧緩坡地、荒地、非保護林地，或已建成的茶園，可充分利用湖北已有的大面積茶園，不額外占用農(nóng)用地，有利于提高茶園產(chǎn)品品質(zhì)。

光伏+中藥材種植模式。推薦中藥材品種為黃精、白芨、伏苓等，適宜于山區(qū)和丘陵區(qū)域非糧緩坡地、荒地。

光伏+漁業(yè)養(yǎng)殖模式。養(yǎng)殖模式推薦“光伏+80∶20 養(yǎng)殖模式”“光伏+小龍蝦養(yǎng)殖模式”“光伏+網(wǎng)箱養(yǎng)鱔模式”“光伏+池塘圈養(yǎng)模式”等，適宜于魚塘、濕地。養(yǎng)殖水面需設置深水捕撈區(qū)，控制養(yǎng)殖密度，不得高于正常條件下的80%。

光伏+畜禽養(yǎng)殖模式。推薦模式有2 種，其中種草養(yǎng)鵝（鴨）模式適宜于平原湖區(qū)濕地，種草養(yǎng)雞（羊）模式適宜于山區(qū)、丘陵緩坡地。要控制養(yǎng)殖密度，并配套建設農(nóng)業(yè)廢棄物處理及資源化利用項目，確保生態(tài)環(huán)境安全。

4 推進光伏農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的對策與建議

4.1 加大政策支持力度

一是強化規(guī)劃引領。做好光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、土地利用規(guī)劃，建立規(guī)范有序的光伏農(nóng)業(yè)用地機制，明確各地區(qū)光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的功能布局，發(fā)揮政府在光伏農(nóng)業(yè)建設發(fā)展中的指導和引導作用。二是加強光伏農(nóng)業(yè)項目建設與監(jiān)管力度。完善部門協(xié)調(diào)機制，嚴查已建光伏農(nóng)業(yè)項目土地撂荒，對運營良好的光伏農(nóng)業(yè)項目樹立典型。三是加大資金投入力度。設立光伏農(nóng)業(yè)建設發(fā)展專項資金，實行以獎代補，多方拓寬資金來源，建立政府主導，銀行、企業(yè)、社會等多方合作的金融支持體系，積極探索開發(fā)適用于光伏農(nóng)業(yè)的保險業(yè)務。

4.2 加大科技創(chuàng)新力度

一是建立光伏農(nóng)業(yè)研發(fā)平臺。鼓勵支持科研院所建立光伏農(nóng)業(yè)實驗室、光伏農(nóng)業(yè)技術創(chuàng)新平臺，加強光伏農(nóng)業(yè)相關產(chǎn)業(yè)協(xié)同攻關。二是設立光伏農(nóng)業(yè)研發(fā)專項。系統(tǒng)地開展光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和技術體系研究，重點開展適合光伏農(nóng)業(yè)的品種、農(nóng)藝技術創(chuàng)新，培育光伏農(nóng)業(yè)專用的動植物品種并制定相應的生產(chǎn)技術標準，建立與農(nóng)業(yè)融合的光伏設施結構配置優(yōu)化技術理論，解決農(nóng)業(yè)所需透光率與光伏發(fā)電效率兩者兼容照顧的難題，研發(fā)適應光伏農(nóng)業(yè)的農(nóng)機裝備和應用技術，破解人工勞動力成本高的瓶頸。三是建設光伏農(nóng)業(yè)研究示范展示基地。支持科研院所與光伏發(fā)電企業(yè)聯(lián)合建設農(nóng)光一體化示范基地，充分發(fā)揮試點示范帶動作用，為光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展提供切實可行、可復制推廣的配套技術。

4.3 加大人才培養(yǎng)力度

一是建立光伏農(nóng)業(yè)復合型人才聯(lián)合培養(yǎng)體系。支持科研院校、企業(yè)、社會組織合作建設光伏農(nóng)業(yè)技術研究團隊，依托科技計劃項目、重點實驗室、產(chǎn)業(yè)技術體系等，建立適應行業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)體系。二是建立人才合作培養(yǎng)基地。充分發(fā)揮產(chǎn)學研一體化作用，以科研院校為中心，聯(lián)合企業(yè)、社會組織，建立光伏農(nóng)業(yè)領域應用人才培養(yǎng)基地、光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)教融合服務平臺、光伏農(nóng)業(yè)培訓及評價體系。三是建立人才激勵機制。深入開展光伏農(nóng)業(yè)科研人才培養(yǎng)計劃，建立健全光伏農(nóng)業(yè)科研評價、科研經(jīng)費、科研分配等機制，為光伏農(nóng)業(yè)技術研發(fā)提供基本保障。

4.4 推動產(chǎn)業(yè)深度融合

將光伏、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生態(tài)、旅游結合起來，利用光伏設施、田園景觀、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，發(fā)展貼近自然的特色旅游項目。突出科技、農(nóng)耕、藝術、互動等多種農(nóng)旅與研學主題，將光伏農(nóng)業(yè)園區(qū)打造成為休閑農(nóng)業(yè)“打卡地”，為游客和青少年提供采摘、研學、觀賞、采風的平臺。加速光伏農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、創(chuàng)意農(nóng)業(yè)的深度融合，增加農(nóng)業(yè)及旅游收益，帶動當?shù)剞r(nóng)民持續(xù)增收。