遼西地區(qū)光伏種植生產(chǎn)模式可行性分析
——以高粱為例

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（Agrivoltaic 或Agrophotovoltaic）這一概念[4]，在一塊土地上實現(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、日照時長的特點[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，又可以達到節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的。本文通過對國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)相關(guān)文獻進行梳理，分析光伏農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟及生態(tài)效益和光伏板遮蔭對作物的影響，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)研究進展

1.1 國外研究進展國外學(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、農(nóng)產(chǎn)品烘干[10]、農(nóng)業(yè)照明[11]等應(yīng)用場景，并逐漸呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，在21 世紀初期，德國、法國、日本先后建立起第一批農(nóng)光互補試點基地。近些年，歐盟國家關(guān)于農(nóng)業(yè)光伏的研究項目顯著增加，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]，且法國是第一個實施光伏農(nóng)業(yè)財政支持計劃的國家[14]，取得了較好的成績。印度的一項研究表明，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，實現(xiàn)土地雙重用途，并積極推進村莊電氣化[15]。德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所處于研究前列，開展試點項目研究光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對干旱地區(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，進行農(nóng)田和人工草場的灌溉。彭梅牙[8]報道了轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，推進光伏技術(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)將太陽光中對植物生長有用的光譜分離，創(chuàng)新性地實現(xiàn)太陽能的綜合高效利用[20]；光伏+食用菌實現(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)的漁光互補項目[22]、山東的光伏+中藥材種植項目[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，對農(nóng)業(yè)光伏、農(nóng)光互補和光伏農(nóng)業(yè)等概念進行辨析，指出農(nóng)業(yè)光伏或農(nóng)光互補是光伏發(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)展行動計劃（2021-2025 年）》等，鼓勵探索光伏農(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，推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，為發(fā)展農(nóng)光互補模式奠定了良好的政策基礎(chǔ)。

2 光伏種植中光伏設(shè)施對作物的影響

2.1 光伏設(shè)施遮蔭對作物生長發(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]指出對植物遮蔭時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)實期光照強度下降到超自然光的60%時，水稻生物產(chǎn)量和稻谷產(chǎn)量隨光照減弱而降低，光照強度降至自然光的20%時，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，穗粒數(shù)減少，禿尖嚴重。光伏板遮蔭具有相似的影響，有研究表明，光伏板遮蔭對小麥株高及生長發(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)光伏板遮蔭對各項指標(biāo)影響更大。趙群法[32]研究不同光伏板遮光密度對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，同時遮蔭作用減少水分散失，促進旱地作物產(chǎn)量增加[35]。就后者而言，單成鋼等[30]指出，以丹參為例，生育期日照時數(shù)為對照的58%導(dǎo)致產(chǎn)量減少31%，而日照時數(shù)達到對照的70%以上對產(chǎn)量幾乎沒有影響。陳鳳等[29]以12 個小麥品種進行試驗，指出光伏遮蔭會降低小麥產(chǎn)量，且遮蔭強度越大，小麥減產(chǎn)越明顯。但早期學(xué)者研究表明，遮蔭對小麥產(chǎn)量的影響因品種而異，光照強度降低，供試小麥品種結(jié)實率均減少，但個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度變化對甘薯生長有一定的不良影響，但單位面積經(jīng)濟效益顯著增加，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經(jīng)委員會第九次會議，會議提出我國力爭2030 年前實現(xiàn)“碳達峰”，2060 年前實現(xiàn)“碳中和”，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，并強調(diào)我國堅持走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的發(fā)展道路。事實上，光伏種植模式有利于改善光伏板下的微生態(tài)，促進生態(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，有利于促進干熱河谷地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。光伏電站作為一種機械擋沙措施會對沙漠地區(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)濟效益光伏種植可充分利用光伏板下空間進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，形成垂直產(chǎn)業(yè)模式，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，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)項目拉動投資、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，單位面積土地進行光伏種植模式所得經(jīng)濟效益較農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、光伏發(fā)電高。Dinesh 等[44]設(shè)計光伏和生菜種植耦合的實驗?zāi)Ｐ?，結(jié)果表明光伏農(nóng)業(yè)比單獨種植生菜的經(jīng)濟價值提高30%以上。Dupraz 等[45]通過建模實驗?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。）評估光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的效率，通過計算得出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間和最大灌漿速率出現(xiàn)的時間，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，因為土壤水分虧缺直接影響根系對無機鹽的吸收，使植株早衰，葉片功能期縮短，進而減少有效光合作用的時間，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，達到保水效果。

在光伏設(shè)施中種植高粱需要通過計算遮蔭面積進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)的日照時數(shù)，為光伏農(nóng)業(yè)提供了一種遮蔭程度的計算方法；黃曉東等[48]計算不同的經(jīng)緯度在某一時刻樹木的投影面積以及樹冠完全無遮擋時最短的樹木間距，為確定樹木的合理種植距離提供理論依據(jù)。因此，可以計算光伏板對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)模式的研究與實踐尚顯匱乏，僅有一些光伏+玉米的實踐，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，對生長環(huán)境的適應(yīng)性也較為相似，高粱具有較低的CO2補償點，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]對北方9 種農(nóng)作物進行研究，指出高粱、玉米等C4作物的固碳能力強于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)模式有利于促進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高單位面積土地的經(jīng)濟價值，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)施對機械化種植的影響光伏列間種植高粱影響機械化種植及收獲，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)耕機械化的光伏支架系統(tǒng)，但是目前也僅適用于常用拖拉機、起壟機和播種機，尚且不能使用大型聯(lián)合收割機。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)光互補模式中，需要兼顧光伏和種植的協(xié)調(diào)性，而小型機械是目前較為適宜的方式，既可以滿足現(xiàn)代機械化種植收獲的需求，又可以減少勞動力成本，促進節(jié)本增效。

5 結(jié)語與展望

農(nóng)光互補是一個跨學(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)對氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響；從經(jīng)濟效益角度看，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，具有發(fā)展光伏種植模式的潛力。在大力推進鄉(xiāng)村振興的背景下，光伏種植模式有利于推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，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，但需要進一步的理論分析與試驗，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，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)，以實現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化，同時為光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供理論支持和實踐基礎(chǔ)。此外，仍需進一步開發(fā)適應(yīng)于光伏列陣或其他間作模式的小型機械，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平的提高。