农光耦合系统对田间光照条件和甘薯生长的影响

魏来，余明艳，覃楠楠，黄冲平,*，谢颖，孙文波，吴列洪，王伟忠，王国新

（1.浙江大学农业与生物技术学院作物科学研究所，杭州 310058；2.浙江大学农业试验站，杭州 310058；3.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012；4.浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所，杭州 310021）

在中低产农田以适当的高度和间距架设光伏板，建设光伏发电站，既可以满足我国经济社会快速发展对发电能力日益增长的需求，同时通过适当的作物和品种选择，以及通过相应的农事操作、机械选择，又可以尽量减少对农作物生产的影响，形成一种类似于立体农业的农光耦合系统[1]。光伏电站建设原则上以荒山、荒地为主，但这些资源大部分位于我国西北内陆地区，建成后的电力资源输送至东南沿海地区的使用成本偏高；国内外的研究表明，土地资源一直是光伏电站建设中的重要限制因素，并在建设成本中占较大的比重[2-3]。经济发达的长三角地区，电力资源紧缺，建设光伏电站是清洁能源生产的一种重要选择，但由于长三角地区的荒山、荒地、荒滩资源也十分短缺，因此在中低产农田建设光伏发电与作物生产兼顾的农光耦合系统就成为一种有益的选择。

甘薯作为一种藤本作物，对地上部空间的生长高度要求明显低于其他作物，是一种适合光伏发电场所应用的作物。本研究旨在深入了解光伏板架设形成后农田光照条件的变化，以及部分时段光照不足对甘薯生理生态的影响，从而为光伏电站建设后形成的农光耦合系统中甘薯的生长发育调节提供依据。

1 材料与方法

1.1 甘薯品种与种植季节选择

试验于2015年8月至2016年10月，在浙江大学农业试验站紫金港校区西区试验田进行。土壤质地为黏壤土，含有机质25.4 g/kg，全氮1.6 g/kg，速效氮91.9 mg/kg，速效磷7.1 mg/kg，速效钾89.3 mg/kg，pH值6.7。2015年8月至10月按照秋季甘薯短生育期栽培管理，选用“心香”“浙薯77”2个品种；2016年6月至10月选用“心香”“浙薯77”“浙薯13”3个甘薯品种按照长生育期栽培管理。试验种苗均由浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所甘薯课题组提供，其中：“心香”为早熟品种，“浙薯77”为中熟品种，“浙薯13”为晚熟品种。

试验设有或无光伏板2个处理：有光伏板的处理为受到光伏板遮阴的种植区域；无光伏板的处理为不受光伏板遮阴处理的种植区域（对照），位于光伏板构建区正前方，且与光伏板试验区直接相连，如图1所示。3次重复，随机排列。试验小区面积为12.72 m2（2.4 m×5.3 m），试验地畦宽0.5 m、沟宽0.3 m，株距0.2 m，行距0.8 m。试验第1年甘薯种苗种植时间为2015年8月7日，种苗长度均为15 cm左右，种植约10 d后成活并长出第1批新叶，10月28日收获。试验第2年甘薯种苗种植时间为2016年6月14日，种苗长度也均为15 cm左右，种植约10 d后成活并长出第1批新叶，10月24日收获。

1.2 农光耦合系统构建

为模拟农光耦合系统的实际结构，采用木质五夹板代替光伏板，以1∶1的比例模拟搭建。采用3 m×9 m的模拟组件，也即光伏板宽3 m，长9 m（实际光伏电站可以连续长几十乃至几百米）。田间安装按照光伏电站实际建设的设计规范，前排板低侧端与后排板低侧端间距为5.3 m，以除去光伏板阴影垂直面积，两排光伏板之间的通道距离为2.2 m，模拟组件的倾斜角度为22°，如图1所示。总共设置3排模拟光伏板，每排模拟光伏板前端最低处离畦沟底1.3 m，离畦面1.1 m；后端最高处离畦沟底2.3 m，离畦面2.1 m。

1.3 田间光照强度测定

光通量使用TES-1339P照度计（中国台湾泰仕电子工业股份有限公司）测定，于2016年8月至10月中旬甘薯生长旺盛期，选取晴天、阴天、雨天3种典型天气对田间试验光照条件进行测量。为全面了解光伏板下不同位置实际受影响的程度，在光伏板下垂直投影面中划分出3个测量点，分别为光伏板高端（后端）开始的1/4处、1/2处、3/4处，其中3/4处为最靠近前端最低处。如图2所示，试验共设置5个测量点（A、B、C、D、E），分别对应的位置为：不受光伏板影响区域（对照）、光伏板下1/4处、光伏板下1/2处、光伏板下3/4处、2排光伏板的中间点。在每个典型天气日从6时到18时，按每个整时点在5个测量点分别进行光照强度测定，且符合气象学测定要求。

图1 农光耦合系统光伏板组件结构（A）和田间实施状况（B）Fig.1 Assembly structure of photovoltaic panels(A)and field implementation(B)in the agro-photovoltaic integrating system

图2 光照强度测量点分布图Fig.2 Distribution of light intensity measurement point in the agro-photovoltaic integrating system

1.4 植株取样与测定分析

对照组：在地面照度观察点A附近每次取生长均匀的甘薯植株5株；遮阴处理组：在光伏板下中间观察点C附近每次取生长均匀的植株5株。为了确保植株的取样需要，在观察点C附近，于甘薯移栽苗期，在不影响中间行生长的前提下，每畦各种植一行取样行。利用LI-6400便携式光合仪（LI-COR公司，美国）测定不同处理植株的田间光合参数和植株叶面积。每次挖取观察点A和C周边或附近行生长均匀的5株甘薯，按文献[4]介绍的方法测定其他农艺性状。

2 结果与分析

2.1 光伏板构架对田间甘薯生长光密度的影响

为了更好地了解光伏板构架对田间光照强度变化的影响，在2016年田间试验期间，测定了光伏板下光密度的变化。测定选取的3个典型日分别为：2016年9月25日，晴，21～30 ℃；2016年10月12日，多云，18～25 ℃；2016年10月22日，暴雨，20～23℃（其中8—10时和13—16时为降雨时段）。

由图3可见：在晴天天气条件下，从7时至18时，A（对照）与E（光伏板间）的光量子通量密度（photosynthetic photon flux density,PPFD）均大于甘薯的光补偿点[30 μmol/(m2•s)]的光照强度，特别是在11—14时期间，PPFD大于700 μmol/(m2•s)，超过甘薯的光饱和点[450 μmol/(m2•s)]。在光伏板下测量点B、C、D处，7—18时均大于甘薯的光补偿点，甚至高于“浙薯77”的光饱和点。光照强度在80～400 μmol/(m2•s)之间，可以保证甘薯进行正常的光合作用；多云天气与晴天天气的情况基本相似。在降雨天气条件下，从8时至16时，在光伏板下测量点B、C、D处的PPFD均大于30 μmol/(m2•s)，但显著低于光饱和点。可见，降雨对甘薯的光合作用有一定的影响。

进一步的统计分析表明，在晴天天气条件下光伏板下代表性观察点D、光伏板行间观察点E与对照观察点A的光照强度在6、7、8时和16、17、18时没有显著性差异，但8时以后观察点A和E的光照强度迅速上升，而且A观察点除了10和14时以外，均显著高于E观察点（P＜0.05），也即是光伏板行间E观察点的光照强度在一日12个时段中有5个时段的光照强度显著低于对照，但这5个时段的E观察点光照强度均已远远高于甘薯的光饱和点，因此差异没有实际意义。观察点D与A之间，也即光伏板下代表性观察点与对照之间，从9时到15时均存在极显著差异（P＜0.01），在这7个观察时刻A点的平均光照强度为1 221.50 μmol/(m2•s)，而 D 点 为314.81 μmol/(m2•s)，即D点的光照强度仅为A点的25.77%。但D观察点在这7个时点的平均光照强度为甘薯光饱和点的69.96%，已能较好地满足植物的光合作用需要。在多云天气条件下各观察点光照强度之间的变化与晴天相似，雨天则除了个别时点以外，各观察点之间均没有显著差异。

PPFD：光量子通量密度。（A～E）对应的测量点分布详见图2。PPFD:Photosynthetic photon flux density.Please see the Fig.2 for the distributions of pointsA-E.

2.2 光伏板遮阴对甘薯叶片光合参数的影响

为了更好地了解供试品种的光合特征，试验观察了“浙薯77”“心香”2个品种甘薯净光合速率（net photosynthetic rate,Pn）随PPFD的变化特点。由图4可见，“浙薯77”的光饱和点约为 400 μmol/(m2•s)，“心香”的光饱和点约为450 μmol/(m2•s)。总体上，2个品种在PPFD处于0～400 μmol/(m2•s)范围内时，净光合速率随PPFD的增大而增大，且增幅先大后小；当PPFD在400～700 μmol/(m2•s)范围内时，净光合速率达到最大值，且基本保持不变；而当PPFD在700～1 000 μmol/(m2•s)范围内时，净光合速率随PPFD的增大而略有下降，即出现了光抑制现象。在相同光照条件下，“浙薯77”的净光合速率略大于“心香”。

由表1可见，受农光耦合系统中光伏板的遮阴影响，2个甘薯品种的光合参数值有不同程度的变化。与对照相比，光伏板处理的“浙薯77”叶片净光合速率降低20.9%，“心香”降低15.3%。另外，受光伏板遮阴处理影响，“心香”叶片的气孔导度比对照降低19.4%，差异显著，而“浙薯77”叶片的气孔导度仅比对照降低0.03%，差异不显著。“浙薯77”的胞间CO2浓度比对照显著增加，而“心香”在处理与对照间差异不显著。遮阴处理后，2个品种甘薯叶片的蒸腾速率均略有增加，但与对照相比差异不显著。叶片温度受遮阴影响，与对照的差异达显著水平。

图4 甘薯净光合速率随PPFD的变化（2016年6月21日）Fig.4 Changes of net photosynthetic rate(Pn)of sweet potato leaves along with PPFD(21 June 2016)

表1 在光伏板遮阴处理下不同甘薯品种叶片光合参数分析（2015-10-23）Table 1 Leaf photosynthetic parameter analysis of different sweet potato cultivars under the photovoltaic panel shading treatment(23 October 2015)

2.3 遮阴处理对甘薯叶面积和产量的影响

2.3.1 对单株叶面积的影响

从图5可见：在对照条件下，“浙薯13”单株平均叶面积于移栽成活后30 d达到最大值，为7 643.52 cm2，而在光伏板下的甘薯单株平均叶面积为4 162.73 cm2，仅为对照的54.46%，最大值出现在9月23日，比对照延迟了1个月；品种“浙薯77”的变化略有不同，遮阴处理的单株叶面积峰值比对照早15 d左右，但最大值比对照下降了56.26%；品种“心香”在遮阴与对照处理下的单株叶面积变化趋势表现出较为同步的规律，但遮阴处理比对照的峰值下降了18.94%。总体上，光伏板遮阴对单株叶面积的影响表现为“心香”最小，“浙薯13”次之，“浙薯77”最大。

2.3.2 光伏板遮阴对甘薯干物质积累和分配的影响

由图6可见，与对照相比，光伏板遮阴处理的干物质积累速率明显减缓。不同品种的干物质积累过程存在着明显差异：“心香”的干物质积累量大、速度快，且分配到地下部分较早，体现了其早熟的特点；“浙薯13”的干物质积累速率在中后期上升较快，表现出较好的丰产性；而“浙薯77”在整个过程中表现较弱。遮阴与否对3个品种的干物质积累速率变化趋势影响不大，但对最终干物质积累量有很大影响。收获时，“浙薯13”的干物质积累量在对照区为6 646.46 g/m2，而在遮阴区为5 050.00 g/m2；“浙薯77”分别为5 091.15 g/m2和 3 992.79 g/m2；“心香”分别为 7 208.75 g/m2和 5 193.21 g/m2。

2.3.3 光伏板遮阴对甘薯产量的影响

图5 光伏板遮阴对甘薯单株叶面积的影响（2016）Fig.5 Effects of photovoltaic panel shading on leaf area of sweet potato per plant(2016)

由表2可见，光伏板遮阴处理对3个甘薯品种的产量有显著的影响。在对照处理下，“浙薯13”“浙薯77”和“心香”的产量分别为1 489.99、874.83和1 609.65 kg/667 m2，而在遮阴处理下，其产量分别为 987.91、668.40 和 977.83 kg/667 m2，分别减产33.70%、23.60%和39.25%，减产率以“心香”最大，“浙薯13”次之，而“浙薯77”最小。2015年的试验结果与此基本一致。

图6 光伏板遮阴对甘薯干物质积累的影响（2016）Fig.6 Effects of photovoltaic panel shading on dry matter accumulation of sweet potato(2016)

3 讨论与小结

2年的田间试验表明，在晴天天气条件下，光伏板行间地面日平均光照强度为 625.83 μmol/(m2•s)，比对照下降17.97%，高于甘薯光饱和点的时间为6个观察时点，比对照减少1个时点；在光伏板下代表性观察点D高于或接近甘薯光饱和点的7个观察时点，平均光照强度为314.81 μmol/(m2•s)，比对照下降74.23%，但其平均值为甘薯光饱和点的69.96%，说明能较好地满足甘薯的光合作用，而对照的地面光照则有相当部分已超过了甘薯光合作用的需要。在多云天气条件下的观察结果与晴天相似。在降雨天气条件下，光伏板下的光照条件明显较弱，但除了个别观察时点，与对照没有显著差异。根据杭州市气象局提供的数据统计，2016年7—11月杭州地区共有77个雨天，47个多云到阴天气，29个晴天[4]。由实际测得的甘薯叶片净光合速率和光伏板下PPFD的数据可知，在接近一半的多云和晴天里，光伏板行间和板下甘薯叶片可进行正常干物质积累，且对光能资源有较好的利用；在其余时间，甘薯的光合同化能力有所下降。为了改善光伏板下甘薯的生长条件，并便于农事操作，目前，浙江浙能长兴地面光伏电站等光伏企业在大规模建设中，已经将光伏板中间点的架设高度提高到2 m[1]，这样光伏板下的光照条件将会得到进一步改善，有利于甘薯正常生长。

表2 光伏板遮阴对不同品种甘薯产量的影响（2016）Table 2 Effects of photovoltaic panel shading on yield of sweet potato(2016)

作物生长对不同的生态条件有一定的适应性。一般而言，遮阴处理后植株的节间长度增加，单片叶面积增大，以利于接受更多的光照[5-6]；同时，叶片变薄，即单位面积的叶片质量下降。在本研究中遮阴处理后甘薯的单位面积质量显著下降，与前人在其他植物上的发现[7-8]一致。植物遭遇弱光胁迫后，除了形态产生变化外，叶片内部的叶绿体也会增大[6,9]，但甘薯是否也会有同样的变化，有待于进一步研究。此外，本研究测定了在田间条件下不同处理的甘薯植株光合参数，结果表明，经较长时间的弱光处理后，在相同的光照强度下，遮阴处理后的甘薯叶片净光合率仍显著下降，说明“浙薯77”和“心香”这2个甘薯品种在较长时间遮阴处理下叶片已经适应了低光照的生态条件。这种适应变化一方面可能是由于气孔导度、胞间CO2浓度等结构和功能的变化，同时也可能是由于叶片内部的内源激素变化[10]，以及光合酶系统的变化[11]，还可能涉及适应弱光逆境的抗氧化酶系统变化等一系列的生理生态过程[12]。这些变化都有待于深入研究。

由于受试验条件的限制，2016年试验甘薯种植时间偏迟，“心香”和“浙薯13”在对照中每667 m2的产量仅1 500 kg左右，明显低于这2个品种的普通大田产量。通常，生产上杭州地区甘薯移栽期在清明前后，长周期栽培与本试验一样在10月下旬收获，短周期栽培在7月底收获。光伏板架设对甘薯生育期基本没有影响，而对产量有一定影响。栽培上可以通过增加种植密度和适当增加施肥量等措施加以调控。应当指出的是，每667 m2光伏发电产值可达2.79万元，除去各项成本和折旧等费用，净收益在1万元左右。因此，在长三角等发达地区，在中低产田应用光伏耦合系统具有良好的推广前景。

致谢浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所季志仙副研究员为本研究提供甘薯良种“心香”种苗，谨致谢忱！