可用于光伏农业的反射滤光膜对贵州茶叶品质的影响

王加真，张昕昱，金 星，黄家春，陈莹莹，黄濛濛，王凤会

(1.遵义师范学院 生物与农业科技学院，贵州 遵义 563000；2.中国科技大学 物理学院，安徽 合肥 230026; 3.遵义师范学院 茶叶研究所，贵州 遵义 563000；4.遵义师范学院 物理与电子科技学院，贵州 遵义 563000)

【研究意义】截止2018年底，贵州茶园面积高达47万hm2，位居全国第一，是中国高品质绿茶的重要原产地，集中连片的茶园，为世界之最[1]。在“茶+”驱动地方茶产业发展的大背景下，需要通过先进技术与产业模式的引入和创新，将集中连片茶园的潜能发挥出来，以推动我国茶产业创新、促进跨界融合、发展新业态大茶业。光伏农业是将太阳能发电组件与农业空间及设施相结合，实现太阳能高效利用的低碳节能新型产业模式，光伏农业可在不改变土地性质的前提下促进农业和光伏产业的综合发展。当前许多光伏农业项目普遍存在光伏板影响植物生长的问题。光伏农业发展的最佳模式是在不影响植物正常生长的前提下，实现太阳光能的高效利用[2]。98 %的太阳光能量集中在150～1200 nm的波长范围，植物通过光合作用只能利用其中很少的一部分。中国科技大学发明一种采用光谱分离技术的聚光光伏技术，通过将干涉膜的透过谱与植物光合作用吸收谱相匹配，将其余波长的光反射用于发电，实现太阳能最大化利用，与常规的对植物产生遮挡的光伏板方案相比，该系统能够在不影响农田利用的情况下，生产出价格具有竞争力的电能[3-4]。茶树原产于云贵高原，为C3叶用经济林树种，对光照度要求不高，生态习性喜阴、喜湿、喜漫射光[5]。实践证明，在低纬度地区，适度遮阴还可提高茶叶产量。所以在集中连片茶园发展“茶+光伏发电”新型产业模式具有理论上的可行性，在利用茶园进行光伏发电的同时，实现茶叶优质高产生产。茶叶产区多属贫困地区，在此地区发展茶园光伏产业，还可有效带动地方经济，增加农民收入，实现光伏扶贫。【前人研究进展】光伏农业作为一种新型农业模式应用广泛，目前已经积累了许多“喜阴作物”的生产模式[6]。基于光谱分离技术的光伏农业系统的相关研究表明，透过塑料干涉膜的红蓝光，不仅没有影响作物的生长，还提高了作物的品质和产量[7-8]。茶树为叶用植物，具有一定的耐阴习性，当光强较弱，蓝、紫光等漫射光比重大时，茶叶中氨基酸、叶绿素和含氮芳香物质较多，茶多酚含量少，有利茶叶品质形成[9]。夏秋季光照强度大、气温高是造成夏秋茶品质较差，影响茶叶产量和经济效益。遮阴能改善茶园小气候，通过茶园间种其他植物的生态遮阴[10]及利用稻草、秸秆、遮阳网等进行的覆盖遮阴方式，都能提高茶叶品质[11-12]， 能生产出高鲜味低涩味的茶叶[13]。【本研究切入点】贵州茶区为全国唯一高海拔、低纬度、多云雾、寡日照并兼具无污染的区域。大部分单作茶园由于阳光直射，漫射光较少，茶叶品质提高受限。在特殊的自然环境下开展“茶+光伏发电”新型产业需要明确以下问题：可用于光伏农业的反射滤光膜是否对茶叶品质有影响；具有何种特征的膜对茶叶品质的影响最大；春夏不同光照条件下效应如何。笔者等采用将光热通过性能不同的3种滤光膜贴在光伏发电玻璃基片上覆盖茶蓬面与无膜对照的方式，对比滤光膜对春季、夏季茶叶品质的影响，考察使用滤光膜对茶树生长可能存在的影响。【拟解决的关键问题】探索用于光伏农业的反射滤光膜对贵州春茶和夏茶的品质影响，分析光伏农业在茶园应用的可行性，创新“茶+光伏”新型产业模式，为新型光伏农业技术在茶园中的应用提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验于2018年4-8月在遵义湄潭有机茶园内进行，茶园位于北纬27°51′50″，东经107°36′59″，海拔800 m。茶园茶龄18年为高产茶园。茶园架设自动气象监测站，可实时动态监测茶园10 cm处土壤温湿度、茶树10 cm处空气温湿度、光照度、CO2浓度和降雨量等气象数据，数据通过环境监测云平台在远程电脑获取。

1.2 试验材料

供试茶树品种为当地主栽的黔湄601，由贵州省湄潭茶叶科学研究所1978年育成，大叶、中生种，属高产型品种。

光伏发电玻璃基片：超白半钢化曲面玻璃，透光率在92 %以上，曲面弧度按茶园所处纬度27°设计，规格：弦长438 mm，弧长440 mm，高度1090 mm，厚度3 mm。购自安徽华光玻璃集团有限公司。

滤光膜：设3种光热通过性能不同的滤光膜，均购自美国St. Paul 3M公司，具体参数见表1，3号膜为1号膜和2号膜的叠加。

表1 3种滤光膜的性能参数

图1 茶园试验装置实物Fig.1 The experimental facility in tea field

主要检测仪器：DHG-9140型电热恒温鼓风干燥箱、UV-7502C紫外分光光度计、Eppendorf低速离心机等。

1.3 试验设计

在茶园设计5个遮光处理：对照(无遮光，CK)、光伏玻璃基片遮光(T0)、光伏玻璃基片贴膜1遮光(T1)、光伏玻璃基片贴膜2遮光(T2)及光伏玻璃基片贴膜3遮光(T3)。滤光膜按玻璃基片规格裁剪后撕开自带的粘胶层后紧贴在玻璃上。试验装置实物如图1所示，在茶树上方分别固定粘有3种滤光膜和无膜的光伏玻璃基片，5次重复，玻璃朝向正南方固定，与茶树蓬面呈30°倾角，以便太阳光在全天能最长时间垂直透过滤光膜，发挥滤光膜的最大效能。

1.4 观测项目及方法

茶园自动气象监测站实时动态监测茶园10 cm处土壤温湿度、茶树10 cm处空气温湿度、光照度、CO2浓度和降雨量等气象数据，数据通过环境监测云平台在远程电脑获取。气温和光照强度均为白天的数据。

分别在4月15日和7月23日采收玻璃垂直投影下生长的1芽1叶茶青，蒸青固样后，烘干，磨碎，过100目筛，充分混匀后装到封口塑料袋内备用。

茶叶品质检测分析项目包括叶绿素、类胡萝卜素、花黄素、水浸出物、氨基酸和茶多酚。主要检测方法：水浸出物采用全量法测定，参照GB/T 8305-2013沸水萃取法；氨基酸采用茚三酮显色法测定，参照GB/T 8314-2002；茶多酚采用酒石酸铁比色法测定，参照GB/T 8313-2008；叶绿素和类胡萝卜素采用丙酮乙醇1∶1浸提比色法；花黄素采用三氯化铝比色法。

1.5 数据分析与处理

采用SPSS 17.0的单因素方差分析(Oneway-ANOVA)和多重比较(LSD)法对试验数据差异显著性进行检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 滤光膜对茶叶品质指标的影响

2.1.1 春季茶叶 从表2看出，春季试验期间，茶园的白天气温、地温和光照强度的平均值分别为21.1℃、15.1℃和28 192 lx。适宜茶树生长的日平均气温是20～30 ℃，茶树的光补偿点在1000 lx以下，光饱和点为40 000～50 000 lx，在1000～50 000 lx的范围内，茶树光合作用随光照度的增加而增加。春季试验期间气温适宜茶树生长，但光照较弱，膜遮光后光照强度更弱，色素合成速率下降。

从表3看出，光伏玻璃基片遮光与自然光区(对照)的茶树叶片相比，除花黄素外，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的色素含量均显著下降，贴膜遮光处理后色素含量下降幅度更大。说明，春季茶树生长对光照强度及光质反应都很敏感。3种遮光膜处理后水浸出物含量均下降，以膜3遮光处理下降最大。相对于对照，所有膜遮光处理对茶叶氨基酸含量没有显著影响，但光伏玻璃基片处理较对照和基片处理显著提高茶叶氨基酸含量，应该是光线通过曲面玻璃后产生了更多的散射光引起的。与对照相比，膜1和膜2遮光处理均显著降低茶叶中茶多酚含量，但膜3处理对茶叶中茶多酚含量无显著差异。

表2 茶树1芽1叶生长期间的气象因子

表3 各滤光膜处理后茶树1芽1叶的品质指标

注：同一时期的同一指标不同小写字母标识表示差异显著(P<0.05)。

Note： Different lowercase letters of the same indicator in the same period indicate significant difference atP< 0.05 level.

2.1.2 夏季茶叶 夏季试验期间，茶园的白天气温、地温和光照强度的平均值分别为31.6 ℃、22.4 ℃和72 548 lx。在高温强光环境下，叶绿素b含量：光伏玻璃基片、膜1和膜2处理较对照无显著影响，膜3处理显著增加。叶绿素a含量：光伏玻璃基片与膜3处理较其他处理均显著增加。花黄素含量：3种膜处理较对照均显著降低，其中以膜3处理最低。说明，在夏季强光环环境下，膜3处理能有效降低花黄素的含量。膜2和膜3处理较对照及光伏玻璃基片处理均显著增加氨基酸含量；所有遮光处理较对照均显著降低茶多酚含量和水浸出物含量。

2.2 滤光膜对茶叶品质影响的差异分析

膜1和膜2有不同的光热透过率，但使用后对茶叶生长的影响较小，说明茶树生长期间能够利用大量的漫散射光。膜2对红外线完全隔绝，在夏季高温条件下发挥降低叶面温度的作用，使得茶多酚含量最低。膜3处理较对照，对春夏季的茶叶色素及水浸出物含量均存在显著差异，具体表现在春季显著降低叶绿素和类胡萝卜素，夏季显著增加叶绿素和类胡萝卜素，春夏季都显著降低水浸出物和花黄素含量；春季对茶多酚和氨基酸影响不显著，夏季显著增加氨基酸和显著降低茶多酚含量。与光伏玻璃基片相比，春季茶叶的叶绿素b、水浸出物、茶多酚含量显著下降，其他指标无显著差异；夏季茶叶的叶绿素b和氨基酸含量显著增加，花黄素和水浸出物含量显著下降，其他指标无显著差异。

光伏玻璃基片具有一定的弧度，透光率可达92 %，可见光透过时能产生大量的散射光。光伏玻璃基片与对照相比，春季试验中显著降低叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量，显著增加氨基酸含量，但对茶多酚、花黄素和水浸出物无显著差异；夏季试验中显著增加叶绿素a和类胡萝卜素的含量，显著降低茶多酚含量，对其他指标无显著差异。

从图2看出，3种膜反射了部分光谱，透光率均没有超过88 %，均低于光伏玻璃基片透光率(92 %)。但在阻隔紫外线、红外线等光质透过及隔热方面的效果明显差于滤光膜，但在茶园使用对茶叶品质仍有一定的积极影响，这可能是可见光透过曲面玻璃后产生更多的散射光，散射光促进茶叶品质形成。

3 讨 论

气象条件等环境因子对茶树生育影响明显，其中光、热、水等气象因子对茶树生育影响明显[14]。可见光是茶树进行光合作用制造有机物质的主要光源。但光照过强会对植物产生光抑制[15-16]，导致植物光合作用下降。在可见光中，红光能促进碳水化合物的形成，利于茶多酚的形成，而蓝、紫光则促进氨基酸、蛋白质及含氮芳香物质的形成。不同类型遮光膜在改变茶树树冠微域环境方面效果不同，膜3是膜1和膜2的复合，在高温季节覆盖能形成一个相对适宜茶树新稍生长的树冠微域环境，除阻隔紫外线透过，还阻隔波长较长的红外线透过，能降低茶树树冠面的环境温度。膜3还选择性透过红蓝光，使得茶树树冠面的光质中以蓝光等短波为主的可见光比例增大，从而使茶树的碳代谢受到一定抑制，而氮代谢得到强化，嫩叶品质明显提升。

图2 3种滤光膜的透射光谱Fig.2 Transmission spectrum of the three optical filters

茶叶中的天然色素含量及其变化对茶叶品质起至关重要的作用。脂溶性色素主要对茶叶干茶色泽及叶底色泽起作用，而水溶性色素主要对茶汤有影响。类胡萝卜素在茶叶叶底色泽和外形色泽中起重要作用，其降解产物对茶叶香气的形成具有积极的影响，是茶叶高产优质途径探索中值得重视的化学成分[17]。类胡萝卜素最大吸收带位于400～500 nm的蓝紫光区，3种不同光热通过特性的滤光膜均通过此波段的光谱。膜3处理对叶绿素的含量变化影响最明显，在春季弱光期间明显降低，在夏季强光期间显著增加，叶绿素b的变化较叶绿素a的变化更为强烈。膜3可通过400～500和615～900 nm波段的太阳光，而叶绿素对光谱最强的2个吸收区分别是波长为430～450 nm的蓝紫光部分和波长640～660 nm的红光部分，膜3的透射光谱与植物光合作用的吸收谱正好匹配。茶叶中的叶绿素含量显著影响茶汤的颜色，茶多酚能够影响茶叶的色泽、苦味和涩味，而氨基酸能影响茶叶的鲜爽味[18-19]。研究结果表明，能够阻隔紫外线、红外线且透射红蓝光的遮光膜3在夏季高温强光环境下，能显著增加茶叶色素和氨基酸含量，降低茶多酚含量，在一定程度上提高了茶鲜叶品质。从光伏发电的角度而言，夏季光照资源丰富，不仅能高效利用太阳能，还可实现茶叶品质的提高。

4 结 论

用于光伏发电的特殊反射滤光膜应用于茶园中，能够对茶园入射太阳光进行光谱分离，将茶树光合作用大量吸收的红蓝光透过，对茶叶品质有促进作用。在夏季茶园实现“茶+光伏”有一定的可行性，可以实现太阳能和茶园的高效利用，下一步需结合茶园光伏发电做深入研究。