遼西地區光伏種植生產模式可行性分析
——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]，而太陽能光伏發電系統則最為普遍。20 世紀60 年代國外學者陸續開展關于太陽能在農業領域的研究[2]，隨后世界首臺光伏水泵的面世[3]，拉開了光伏在農業領域應用的序幕。而建設光伏發電站需要占用大量土地，因此有學者提出了農光互補（Agrivoltaic 或Agrophotovoltaic）這一概念[4]，在一塊土地上實現光伏和農業種植的雙重利用。

遼西地區地處科爾沁沙地南緣，是東北太陽能資源比較豐富的地區之一，具有日照充足、日照時長的特點[5]；遼西地區土地資源比較豐富，有荒山、荒地、河道等大量閑置土地[6]。在遼西地區將光伏發電與農業種植相結合，構建光伏農業產業體系，既有助于提高土地利用率，增加糧食產量，又可以達到節約資源、保護環境的目的。本文通過對國內外光伏農業相關文獻進行梳理，分析光伏農業的經濟及生態效益和光伏板遮蔭對作物的影響，以遼西地區主栽雜糧作物高粱為例，深入分析光伏種植生產模式的可行性，為遼西地區光伏種植模式提供理論支持。

1 國內外光伏農業研究進展

1.1 國外研究進展國外學者率先提出將光伏應用到農業生產中的設想。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、牧業等方面的應用研究，包括木材干燥[7]、農業灌溉[3，8]、農產品保鮮[9]、作物保護、農產品烘干[10]、農業照明[11]等應用場景，并逐漸呈現出多元化發展趨勢，在21 世紀初期，德國、法國、日本先后建立起第一批農光互補試點基地。近些年，歐盟國家關于農業光伏的研究項目顯著增加，法國的研究處于領先地位[12]，法國國家農業科學院的光伏種植、光伏溫室等研究成果突出[13]，且法國是第一個實施光伏農業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，與傳統農業相比，光伏農業具有巨大的潛力，在不影響農業產出的前提下能將總收入提高到15 倍以上，實現土地雙重用途，并積極推進村莊電氣化[15]。德國Fraunhofer太陽能系統研究所處于研究前列，開展試點項目研究光伏農業系統對干旱地區及田間作物的影響[16]。美國、意大利等國家也有較為系統的研究[4]，并將研究重點放在旱地農業上，在辣椒、圣女果等作物生產中取得良好效果[17]。截至2020 年初，全球農業光伏系統安裝數量達2200 多套[12]，日本是迄今為止安裝農業光伏系統最多的國家，并已經確定了適合日本光伏農業環境的120 多種作物[16]。

1.2 國內研究進展國內學者將光伏應用于農業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可以同節水灌溉相結合，進行農田和人工草場的灌溉。彭梅牙[8]報道了轉變農業發展方式，推進光伏技術與農業生產的結合，并將其應用于病蟲害防治[19]、光伏補光等。相較國外研究，國內關于光伏農業這一領域的相關研究仍不夠豐富，但也取得了一些成果，如光譜分離技術、槽型聚光技術將太陽光中對植物生長有用的光譜分離，創新性地實現太陽能的綜合高效利用[20]；光伏+食用菌實現了棚內種菇、棚頂發電的新型生態高效生產方式[21]；江浙地區的漁光互補項目[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]總結分析國內外相關文獻，對農業光伏、農光互補和光伏農業等概念進行辨析，指出農業光伏或農光互補是光伏發電與農業各子部門的耦合，兩者同屬于光伏農業，而光伏農業是我國特有的提法。近些年，我國陸續頒布關于發展光伏產業方面的政策文件，如2012 年《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》、2016 年《太陽能發展“十三五”規劃》、2021 年《智能光伏產業創新發展行動計劃（2021-2025 年）》等，鼓勵探索光伏農業新興產業模式，并支持光伏產業跨領域研究，推進農業綠色發展，為發展農光互補模式奠定了良好的政策基礎。

2 光伏種植中光伏設施對作物的影響

2.1 光伏設施遮蔭對作物生長發育的影響光照是植物生長發育的必要條件之一，遮蔭對不同作物生長發育的影響不盡相同，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]探討水稻灌漿結實期光照強度下降到超自然光的60%時，水稻生物產量和稻谷產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]研究結論與之類似。周衛霞等[28]研究發現，弱光脅迫明顯延緩玉米果穗生長發育，造成果穗縮短變細，穗粒數減少，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，且南側光伏板遮蔭對各項指標影響更大。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的影響，指出適度遮蔭可以提高蔬菜的品質和收益。

2.2 光伏遮蔭對作物產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作物光的利用率[33]，影響光合作用，降低作物產量。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，生育期日照時數為對照的58%導致產量減少31%，而日照時數達到對照的70%以上對產量幾乎沒有影響。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量，且遮蔭強度越大，小麥減產越明顯。但早期學者研究表明，遮蔭對小麥產量的影響因品種而異，光照強度降低，供試小麥品種結實率均減少，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，但單位面積經濟效益顯著增加，在生產上可以通過增加種植密度和適當增施肥料等方式進行調控。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生，提高作物品質和產量[38]。

3 光伏種植的雙重效益分析

3.1 光伏種植的生態效益氣候變化在全球范圍內具有很大影響，2021 年3 月15 日習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議，會議提出我國力爭2030 年前實現“碳達峰”，2060 年前實現“碳中和”，構建以新能源為主體的新型電力系統，并強調我國堅持走生態優先、綠色低碳的發展道路。事實上，光伏種植模式有利于改善光伏板下的微生態，促進生態修復。魏雯婧等[33]通過案例研究發現光伏農業可以獲得清潔電力和農業生產的雙重效益，還可以保水節水、固土防沙，促進綠色農業高質量發展[39]，Leon 等[39]以光伏番茄系統為例，指出農光互補系統有利于控制CO2等溫室氣體的排放。張慶忠等[39]通過對云南、新疆、甘肅等地區的調研發現光伏電站內土壤含水量及肥力、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、風速等降低，有利于促進干熱河谷地區的生態恢復。光伏電站作為一種機械擋沙措施會對沙漠地區風沙流起到二次分配的作用[40]，改變氣流方向、降低風速、絕熱保溫[4，41]，使地表水分蒸發率降低，促進地上植物更好地生長，起到防風固沙[42]和治理荒漠化[32]的作用。

3.2 光伏種植的經濟效益光伏種植可充分利用光伏板下空間進行農業生產，形成垂直產業模式，促進產業結構升級，提高土地的綜合利用效率，增加收益。華永新等[43]指出杭州地區光伏農業種植模式可以實現農民、企業、政府多方共贏，政府建設光伏農業項目拉動投資、增加稅收，村集體出租土地增加集體收入，農業公司種植作物并出租電站獲取收益，農民到農業公司務農亦得收入。又有研究表明，單位面積土地進行光伏種植模式所得經濟效益較農業生產、光伏發電高。Dinesh 等[44]設計光伏和生菜種植耦合的實驗模型，結果表明光伏農業比單獨種植生菜的經濟價值提高30%以上。Dupraz 等[45]通過建模實驗模擬光伏種植，利用土地當量比（LER，Land equivalent ratio①LER=YcropinAV/Ymoncrop+YelectricityAV/YelectricityPV，其中YcropinAV=光伏農業系統中種植作物的產出，Ymoncrop=土地單純種植作物的產出，YelectricityAV=光伏農業系統中光伏發電產出，YelectricityPV=土地單純用于光伏發電的產出。）評估光伏農業系統的效率，通過計算得出1.35 ≤LER ≤1.73，表明光伏農業系統可使單位面積土地產出增加35%～73%。同樣，Amaducci 等[46]也得出光伏和玉米耦合的土地當量比大于1 的結論，且干旱條件下光伏種植的作物平均產量更高、更穩定。

4 以高粱為例探析遼西地區光伏種植生產模式的可行性

4.1 光伏設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性，喜光、喜溫、耐旱、耐貧瘠，在各種環境因子中，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、氣孔導度、胞間CO2濃度下降，影響CO2的同化；在產量方面，遮蔭延長高粱籽粒灌漿時間和最大灌漿速率出現的時間，使籽粒的終極生長量有所下降，千粒重降低，導致產量降低。但是遮蔭降低蒸騰速率和土壤水分蒸發卻有利于作物，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]根據光伏板的高度和安裝布局等推算出作物生育期內的日照時數，為光伏農業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。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的種植面積占全省的70%以上，以高粱為例探析遼西地區光伏種植模式的可行性具有實際意義。但在當前研究中，光伏+高粱生產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，對生長環境的適應性也較為相似，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，改善生態環境，且作物本身具有較好的水土保持效應。在產量上，高粱較玉米更為耐旱，在嚴重干旱情況下，高粱產量高于玉米[51]，在青貯產量上，不同品種的飼用甜高粱總產量較青貯玉米高[52]，因此，在特定地域內，高粱效益高于玉米。在全面推動鄉村振興的背景下，光伏種植這一產業模式有利于促進農業產業轉型升級，提高單位面積土地的經濟價值，增加農民收入[30，33，43]，且符合低碳環保的綠色能源潮流，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施架設的位置上進行研究。路文輝等[53]研發出一種適用于農田及農耕機械化的光伏支架系統，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合收割機。為了能更充分利用光資源，還可以為光伏系統安裝太陽光追蹤裝置，鞠振河[54]將可調支架優化系統技術用于光伏電站系統，改善光伏支架的接收角度，提高光伏系統發電效率。張慶忠等[38]建議光伏板支架預留2m 以上高度，陣列間預留3m 以上的空間，以有效滿足植物的光合需求。在農光互補模式中，需要兼顧光伏和種植的協調性，而小型機械是目前較為適宜的方式，既可以滿足現代機械化種植收獲的需求，又可以減少勞動力成本，促進節本增效。

5 結語與展望

農光互補是一個跨學科的研究問題，光伏種植是一種新的生產模式。從生態系統角度看，光伏種植是一種可行的綠色低碳發展方式，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，積極應對氣候變化對農業生產的影響；從經濟效益角度看，光伏種植的產出效益往往高于單一種植模式的產出效益。遼西地區荒山、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，具有發展光伏種植模式的潛力。在大力推進鄉村振興的背景下，光伏種植模式有利于推動農業產業轉型升級，可以為遼西地區的農業生產帶來更多收益，助力鄉村振興。

光伏種植模式具有良好的發展前景，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系以及光照與高粱的種植行向、光伏板的安裝方向的關系，通過研究高粱生長期間不同節氣的光照特點，結合高粱的生長規律，合理確定光伏設施的傾斜角度、安裝密度與高度、高粱的種植方向與密度等指標，以實現生產效益最大化，同時為光伏農業系統提供理論支持和實踐基礎。此外，仍需進一步開發適應于光伏列陣或其他間作模式的小型機械，促進農業生產機械化水平的提高。