我國(guó)光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及適宜光伏農(nóng)業(yè)的高效種植模式探索
——以江蘇省為例

王 璞 李百成 王 立 郭文琦 韓曉勇 殷劍美 金 林 蔣 璐 張培通*

（1. 江蘇爭(zhēng)先農(nóng)業(yè)科技有限公司，江蘇 南通 226299；2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，江蘇 南京 210014）

光伏農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中安裝太陽能光伏發(fā)電設(shè)備，將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與清潔能源供應(yīng)緊密結(jié)合的一種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)形式［1］。光伏農(nóng)業(yè)通過“板上發(fā)電，板下種植”的模式，在農(nóng)業(yè)耕地資源緊張的背景下，既能實(shí)現(xiàn)光能發(fā)電，又能進(jìn)行作物種植，可有效提高單位面積土地產(chǎn)出率，具有高效低碳、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益高等優(yōu)勢(shì)［2］。隨著光伏技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)施成本的下降，光伏農(nóng)業(yè)已成為一種新型的土地利用方式和農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。

近年來，我國(guó)光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)得到了光伏領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的雙重政策支持，應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大。2021年12月29日，國(guó)家能源局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和國(guó)家鄉(xiāng)村振興局聯(lián)合發(fā)文《加快農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展助力鄉(xiāng)村振興的實(shí)施意見》，鼓勵(lì)在光伏板下開展各類經(jīng)濟(jì)作物規(guī)?；N植，提升土地綜合利用價(jià)值。2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部1 號(hào)文件中提到，要支持有條件的脫貧地區(qū)發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，有序推進(jìn)農(nóng)村光伏新能源建設(shè)。江蘇、山東、江西等地方政府也出臺(tái)了配套政策和獎(jiǎng)補(bǔ)措施，支持光伏農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。

江蘇是光伏產(chǎn)業(yè)大省，截至2021年底，江蘇省累計(jì)光伏裝機(jī)規(guī)模為1 916萬kW，其中分布式光伏裝機(jī)容量為974.9 萬kW，位居全國(guó)前列［3］。雖然江蘇省光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但是光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)整體處于起步階段，還需加強(qiáng)光伏農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)理論研究，在生產(chǎn)模式、運(yùn)營(yíng)模式和管理方式等方面仍需進(jìn)一步探索，以促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)模式的發(fā)展和完善［4-5］。

1 光伏農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)

1.1 適合規(guī)?；a(chǎn)

光伏發(fā)電設(shè)備主要建設(shè)在中低產(chǎn)農(nóng)田和肥力偏低、輕度鹽堿等地塊，占地面積較大且規(guī)模相對(duì)集中，便于開展農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、機(jī)械化、集約化生產(chǎn)［6］。通過優(yōu)化布局和科學(xué)管理，結(jié)合選擇適宜的作物種類和合理輪作，一塊耕地上可同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，最大化提升土地資源利用率。

1.2 使用年限長(zhǎng)

光伏發(fā)電設(shè)施一般能使用25年左右，使用年限較長(zhǎng)［2］，可以為作物生產(chǎn)提供一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，適于種植中草藥、藥食同源植物等生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的作物。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施相比，光伏農(nóng)業(yè)設(shè)施整體使用時(shí)間較長(zhǎng)，可有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

1.3 經(jīng)濟(jì)效益長(zhǎng)效

光伏農(nóng)業(yè)一般采用“架上發(fā)電，架下種植”的生產(chǎn)模式。高效的農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng)建成后，有利于提高作物產(chǎn)量，加上土地租金低廉、機(jī)械化水平較高，使得作物生產(chǎn)效益更好。另外，太陽能光伏電站收入也可為業(yè)主和農(nóng)戶帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益［2，6］。

2 光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的問題

2.1 光溫衰減

光伏支架高度、光伏板間距、光伏板傾角等因素會(huì)影響環(huán)境的光照強(qiáng)度和溫度。Yano 等［7］研究發(fā)現(xiàn)，光伏電池材質(zhì)和排列方式影響光照強(qiáng)度以及光照分布。王璞等［8］研究發(fā)現(xiàn)，光伏支架南北兩側(cè)采光差別較大，支架北側(cè)光照時(shí)間短、光照強(qiáng)度弱，土壤溫度偏低，不適宜大豆生長(zhǎng)。因此，光伏建設(shè)單位在建設(shè)光伏基地時(shí)，要充分考慮光伏作物對(duì)環(huán)境條件的要求，如設(shè)置適合的光伏板間距，避免在板外空地出現(xiàn)過多光照條帶，適當(dāng)增加立柱高度，以利于改善板下光照條件、增加土壤溫度、提高機(jī)械可通過性，做到光伏發(fā)電與作物生長(zhǎng)特點(diǎn)相協(xié)調(diào)。

2.2 作物減產(chǎn)

光伏支架下的光照、氣溫、土溫、濕度等環(huán)境因素的變化影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。陳鳳等［9］研究了光伏板遮陽對(duì)12 個(gè)小麥品種生長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)僅有3 個(gè)小麥品種產(chǎn)量有所增加。魏來［10］研究表明，光伏板會(huì)造成甘薯減產(chǎn)，應(yīng)采取選擇早熟品種、適當(dāng)增加種植密度等措施來彌補(bǔ)甘薯產(chǎn)量的損失。Dupraz等［11］發(fā)現(xiàn)，光伏板雖然會(huì)遮擋陽光，但光伏板遮陽也減少了蒸騰作用，可通過選擇適宜的作物種類和品種來實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和作物生產(chǎn)之間的平衡。

2.3 灌排不暢

受支架打樁和開溝埋管等影響，光伏支架下土層經(jīng)常出現(xiàn)硬化、斷層等問題，加之光伏建設(shè)單位不注重光伏陣列間的溝系疏通，連續(xù)降雨易導(dǎo)致田間積水，造成作物生長(zhǎng)受阻、病害加重，影響光伏農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展［12］。因此，工人安裝光伏設(shè)備時(shí)，須將施工現(xiàn)場(chǎng)地表土保留在原地，保持土壤和植被完整性，減少地表徑流和雨水侵蝕，以促進(jìn)本地植被和引種作物正常生長(zhǎng)。同時(shí)，光伏基地建設(shè)前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提前設(shè)計(jì)和鋪埋灌排管道，及早開挖灌排溝系，雨前及時(shí)疏通，做到旱能灌、澇能排。

3 光伏陣列的溫光特征分析

目前我國(guó)主要在分布式光伏基地發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)。分布式光伏陣列是將太陽能組件以固定的傾角安裝在地面支架上，組合形成分布式光伏板陣列（見圖1），支架高度一般為2～4 m，光伏板陣列間距為4～7 m，在板檐和支架下種植作物［13］。由于支架上的太陽能組件會(huì)遮擋光照，因此光伏陣列下的小氣候與露天環(huán)境不同，不同地塊的土壤溫度和采光水平差異明顯。王璞等［8］對(duì)蘇北地區(qū)光伏大豆種植基地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，分布式光伏陣列主要有以下溫光特征。

圖1 分布式光伏陣列示意圖

3.1 土壤溫度低

光伏陣列板間表層土壤的日最高溫度最高，但不同位置的日最低溫度差異不大，其中板間土壤的日極差溫度最高，分別較檐下和柱下位置增加1.1 倍和1.8 倍，而日平均溫度較其他位置僅提高0.7～1.8 ℃［8］。不同位置10 cm 深土壤溫度差異不明顯，但板間土壤平均溫度略高，其次為檐下土壤。光伏板間土壤溫度較高，有利于農(nóng)作物出苗、根系發(fā)育及營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)。

3.2 光照分布不均

晴天、多云和陰雨天，光伏陣列板間光照度最高，而柱下光照度最低。其中，晴天板間日平均光照度較檐下提高1.5～1.9倍、較柱下至少提高5倍；陰雨天板間和檐下日平均光照度差異不明顯，但仍高于柱下光照度［8］?？梢姡夥嚵兄鹿庹斩绕毡槠?，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)。

4 發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的配套舉措

4.1 選擇適宜的作物種類和品種

受光伏板遮擋影響，光伏陣列下光照分布不均勻、土壤溫度偏低，有利于耐陰、喜冷涼作物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，農(nóng)民可種植耐陰、株型緊湊、高產(chǎn)高效的作物類型和品種［14］。例如，板間和檐下較適宜種植玉米、高粱、馬鈴薯、芋頭、山藥及豆類等作物，柱下可種植中藥材等耐陰作物。由于同種作物不同品種間存在適應(yīng)性差異，種植前須進(jìn)行引種試驗(yàn)，以篩選適宜光伏陣列種植的作物品種。

4.2 優(yōu)化農(nóng)藝措施

光伏陣列規(guī)模一般可達(dá)數(shù)百畝，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用工量較大，目前用工貴、找工難、效率低等現(xiàn)狀無法滿足規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，因此發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)必須簡(jiǎn)化種植環(huán)節(jié)、優(yōu)化農(nóng)藝措施，以降低人工成本［15］。一是起壟種植、合理密植，既可降低積水風(fēng)險(xiǎn)，又可增強(qiáng)作物生長(zhǎng)勢(shì)；二是覆蓋黑色全生物降解地膜，既有利于控溫保墑，促進(jìn)作物出苗，又可有效控制田間雜草，減少人工除草成本；三是建立水肥一體化系統(tǒng)，在滿足作物生長(zhǎng)所需水肥的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)水減肥；四是實(shí)行綠色綜合防控，通過種子包衣、種苗脫毒、水旱輪作及應(yīng)用黑光燈、性誘劑等措施，降低病蟲源基數(shù)，減少化學(xué)農(nóng)藥用量，降低生態(tài)環(huán)境中的農(nóng)藥殘留。

4.3 配套機(jī)械作業(yè)

配備適合光伏陣列田間作業(yè)的中小型拖拉機(jī)以及配套的耕翻、開溝、覆膜、中耕除草、采收農(nóng)機(jī)具［15］等輕簡(jiǎn)化、小型化農(nóng)業(yè)裝備機(jī)械，以提高作業(yè)效率，節(jié)省人工成本，滿足光伏農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)需求。

5 適宜光伏農(nóng)業(yè)的種植模式

為促進(jìn)光伏農(nóng)業(yè)周年高效生產(chǎn)，我們根據(jù)江蘇省光伏農(nóng)業(yè)小氣候特征和光伏作物品種篩選試驗(yàn)結(jié)果，探索出3類主體作物（耐陰、喜冷涼作物）錯(cuò)季生產(chǎn)+輪作作物搭配生產(chǎn)的種植模式。

5.1 兩年三熟高效種植模式

根據(jù)光伏基地土壤條件、作物長(zhǎng)勢(shì)及生產(chǎn)效益的要求，我們將芋頭、山藥、甘薯等一年生經(jīng)濟(jì)作物作為主體作物，搭配種植青貯玉米或青貯高粱等旱生作物，形成第1 年種植芋頭/山藥/甘薯、第2 年種植青貯玉米/青貯高粱的兩年三熟高效種植模式（見圖2）。該模式經(jīng)濟(jì)效益較好，可以滿足約6.7 hm2規(guī)?；N植要求，但是對(duì)土壤條件和灌排設(shè)施要求相對(duì)較高，需要配套芋頭起壟覆黑膜全程機(jī)械化、山藥定向槽淺生機(jī)械化、優(yōu)質(zhì)甘薯機(jī)械化等輕簡(jiǎn)高效種植技術(shù)體系。

圖2 光伏設(shè)施下兩年三熟種植模式

5.2 一年多熟高效種植模式

為有效利用光伏陣列板間光照相對(duì)較好、空間較高的有利條件，綜合考慮作物生育期、產(chǎn)量和生產(chǎn)效益要求，我們將馬鈴薯、豆類、青貯玉米、青貯高粱等短生育期作物搭配組合，形成一年多熟高效種植模式（見圖3）。其中，春夏播種作物可選擇大豆、紅小豆、春馬鈴薯、青貯玉米、青貯高粱等，秋冬播種作物可選擇秋馬鈴薯、苗蒜、洋蔥等。該模式主要通過規(guī)模種植獲得較高效益，可以滿足6.7 hm2以上規(guī)?；N植要求，當(dāng)年即可見效，適宜中低產(chǎn)田、邊際土地的規(guī)?；C(jī)械化生產(chǎn)。

圖3 光伏設(shè)施下一年多熟種植模式

圖4 光伏板下中藥材種植模式

5.3 光伏板下中藥材高效種植模式

為充分利用光伏板支架下無直射光、無極端高溫的冷涼小氣候，我們?cè)诹⒅鶅蓚?cè)邊際種植貝母、黃精、三七、黃花菜等喜涼耐陰的二或三年生或多年生作物，形成光伏板下中藥材高效種植模式。該模式既可節(jié)省種植成本，一次投入、多年產(chǎn)出，又可以根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格逐年分批采收，收獲價(jià)值隨種植期延長(zhǎng)而升高。此外，光伏板支架下種植中藥材可有效減少立柱行上雜草生長(zhǎng)，有利于保持良好的光伏基地環(huán)境，生態(tài)效益顯著。

6 小結(jié)

隨著光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏土地資源有效利用的需求進(jìn)一步提升，通過開展優(yōu)質(zhì)高效的作物種植模式的創(chuàng)新和優(yōu)化，可進(jìn)一步提高光伏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)附加值，降低能源消耗，為推動(dòng)江蘇光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展和多元種植模式應(yīng)用提供參考。