光伏支架对油用牡丹生长特性影响的研究

田介花 ，王小睿，陆 炜

(1.上海电气电站工程公司，上海 200000； 2. 句容碧桂园学校，句容 212400；3. 江苏林洋新能源科技有限公司， 南京 210000)

0 引言

农光互补光伏电站是将光伏发电与农作物种植相结合的一种新能源利用模式，该模式集低碳、节能、环保于一身，通过对土地、阳光资源进行合理和高效利用，实现了土地的增产增效，获得了巨大的经济效益和社会效益。油用牡丹是一种新兴的木本油料作物，产籽能力强，该籽可以加工成食用油，具有高出油率、油质好的特点。油用牡丹可以种植三四十年不换茬，常被农民称为“铁杆庄稼”[1]，其种植还可以与退耕还林工程相结合，能起到防止水土流失、预防土壤沙化的作用，具有良好的经济效益和生态效益[1]。

文献[2]研究了固定倾角光伏支架下油用牡丹产籽量的影响因素，其中，粒重因子、单株产籽量因子、生长量因子对油用牡丹产籽量的影响最大。文献[3]研究了固定倾角光伏支架下单株油用牡丹的13个产籽量性状，并建立了产籽量回归方程。针对农光互补光伏电站中种植的油用牡丹，本文将种植于将前后排平单轴光伏支架间隙下(下文简称“平单轴光伏支架间隙下”)和固定倾角光伏支架正下方(下文简称“固定光伏支架下”)的油用牡丹的生长特性(生长指标、生理特性及产籽量情况)与种植于无光伏支架遮挡(下文简称“无遮挡”)时的相应情况进行对比，研究了光伏支架遮挡对油用牡丹生长特性的影响。

1 试验过程

1.1 试验材料

本试验以江苏省盐城市阜宁县某农光互补光伏电站为例。该农光互补光伏电站的装机容量为15 MW，光伏支架类型为平单轴光伏支架和固定倾角光伏支架2种；电站所在地属于温带季风气候，年降水量为980 mm，年蒸发量为856.4 mm，年均日照小时数可达2220～2480 h，年均气温为14.4 ℃，全年无霜期约为208.3天。该农光互补光伏电站中种植的油用牡丹品种为5年生的凤丹。

1.2 试验方法

本试验分别在固定光伏支架下、平单轴光伏支架间隙下及无遮挡的土地上种植油用牡丹苗，并对其生长特性进行研究。

固定倾角光伏支架上光伏组件为南北向安装，光伏组件安装倾角为28°，前后排相邻光伏支架的间距为8 m。前后排固定光伏支架下的区域内共种植6行油用牡丹苗，油用牡丹苗的左右间距为30 cm、行距为60 cm。种植情况如图1所示。

图1 油用牡丹种植于固定光伏支架下的情景Fig. 1 Scene of oil peonies planted under fixed PV supports

平单轴光伏支架上光伏组件的安装方式为东西向安装，前后排相邻光伏支架的间距为7 m，支架的最大跟踪角度为45°。在平单轴光伏支架间隙下的区域内共种植4行油用牡丹苗，油用牡丹苗的左右间距为30 cm、行距为60 cm。种植情况如图2所示。

图2 油用牡丹种植于平单轴光伏支架间隙下的情景Fig. 2 Scene of oil peonies are planted under gap of horizontal single axis PV supports

在无遮挡区域共种植6行油用牡丹苗，油用牡丹苗的左右间距为30 cm、行距为60 cm。

为保证均匀选取，在上述每块区域的每行内均选取3～5株生长良好的油用牡丹，共选取 20株。接收的光合有效辐射、生长指标、生理特性及产籽量等参数进行测定，并以无遮挡区域种植的油用牡丹苗作为对照组进行对比。其中，生长指标具体包括：株高、冠幅、果枝长度、节间长度、果荚数、分枝数、果枝节数、果枝粗度、母枝粗度等参数；生理特性具体包括：叶片叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)的活性、过氧化酶(POD)的活性、过氧化氢酶(CAT)的活性。

选取某个晴天的09:00-16:00时间段，每隔1 h用PM6612数字照度计分别对种植于无遮挡、固定光伏支架下、平单轴光伏支架间隙下的油用牡丹正上方10 cm处接收的光合有效辐射进行测量；用钢卷尺测量20株油用牡丹的各项生长指标。

1.3 数据处理

本试验采用Microsoft Excel进行数据的整理、求平均值及求和计算。

2 试验结果与分析

2.1 不同种植区域的光照条件比较

光照条件会影响植物的生长，在09:00-16:00的测试时间内，3个测试区域内种植的油用牡丹接收的光合有效辐射情况如图3所示。

由图3可知，无遮挡区域内种植的油用牡丹在12:00时接收的光合有效辐射达到了最大值，在16:00时降至最小值，曲线呈现早晚时刻接收的光合有效辐射低、中午时刻接收的光合有效辐射高的趋势。平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射整体情况低于无遮挡区域内种植的油用牡丹接收的光合有效辐射，整条曲线也呈现出早晚时刻接收的光合有效辐射低，中午时刻接收的光合有效辐射高的趋势，但曲线变化较为平稳。固定光伏支架下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射量整体情况低于无遮挡区域内和平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射；固定光伏支架下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射曲线在一天内的12:00和15:00这2个时刻均出现了一个高峰值，这是因为在12:00时太阳入射角大，太阳辐射最强，虽然光伏支架会对油用牡丹产生遮挡，但此时依旧会形成1个光合有效辐射高峰；在15:00左右，随着太阳入射角的偏移，阳光会透过光伏支架下部间隙照射在油用牡丹上，由于此时的太阳辐射依旧强烈，因此此时形成了另1个光合有效辐射高峰。

图3 09:00-16:00不同区域种植的油用牡丹接收的光合有效辐射变化曲线Fig. 3 Variation curves of photosynthetically active radiation received by oil peonies under different regions between 09:00 and 16:00

假设一天内无遮挡区域内种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量为100%，根据测量得到的数据，通过计算则可得到相对于无遮挡区域而言，平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量的占比情况，具体如图4所示。

从图4中可以看到，不同区域种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量的大小依次为：无遮挡区域＞平单轴光伏支架间隙下＞固定光伏支架下。根据光合有效辐射日累计量占比，可以得到相对于无遮挡区域而言，平单轴光伏支架和固定倾角光伏支架的遮光率。由于平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量占比为71.54%，则可得到平单轴光伏支架的遮光率为28.46%；同样，固定光伏支架下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量占比为55.03%，则可得到固定倾角光伏支架的遮光率为44.97%。

图4 不同区域种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量占比Fig. 4 Percentage of daily accumulative photosynthetically active radiation received by oil penoies under different regions

2.2 不同光伏支架方式对油用牡丹生长指标的影响

2.2.1 光伏支架方式对油用牡丹的株高、冠幅、果枝长度和节间长度的影响

株高可反映植株个体的垂直生长势。分别对无遮挡区域、平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹的株高、冠幅、果枝长度和节间长度进行了测量，测量结果如图5所示。

图5 不同区域种植的油用牡丹的株高、冠幅、果枝长度、节间长度情况Fig. 5 Plant height，crown width，fruit branch length and internode length of oil peonies planted under different regions

从图5中可以看出：

1)平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹的株高最高，固定光伏支架下和无遮挡区域种植的油用牡丹的株高相近，这说明对油用牡丹进行适度的遮挡能促进其光合作用，有利于其植株的长高。这是因为进行遮荫处理不仅可有效降低油用牡丹的蒸腾速率，还可以降低该区域的光照强度，从而降低油用牡丹周围的环境温度，因此，在适度遮挡的条件下，植株长高明显。而固定光伏支架下和无遮挡区域种植的油用牡丹的株高相近，这说明无遮挡和过多遮挡都不利于油用牡丹植株的长高。根据前文得到的平单轴光伏支架的遮光率为28.46%(约为30%)、固定倾角光伏支架的遮光率为44.97%(约为45%)，单从株高这一生长指标来看，遮光率约为30%时更有利于油用牡丹植株的长高。

2)无遮挡区域种植的油用牡丹的果枝长度最长，平单轴光伏支架间隙下种植的次之，而固定光伏支架下种植的最短。结合不同光伏支架的遮光率可以发现，油用牡丹的果枝长度与光伏支架的遮光率成反比。

3)不同区域种植的油用牡丹的冠幅和节间长度呈现的规律与果枝长度呈现的规律相同。

2.2.2 光伏支架方式对油用牡丹的果荚数、分枝数和果枝节数的影响

油用牡丹的果荚数可反映油用牡丹的产籽量。分别对无遮挡区域、平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹的果荚数、分枝数和果枝节数进行了统计，统计结果如图6所示。

图6 不同区域种植的油用牡丹的果荚数、分枝数、果枝节数情况Fig. 6 Pod number，branch number and fruit branch node number of oil peonies planted under different regions

由图6可知，相较于无遮挡区域种植的油用牡丹的果荚数、分枝数和果枝节数，平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹的果荚数、分枝数和果枝节数分别减少了28.5%、10.7%和20.6%，而固定光伏支架下种植的油用牡丹的果荚数、分枝数和果枝节数则分别减少了39.3%、29.1%和33.3%。

2.2.3 光伏支架方式对油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度的影响

分别对无遮挡区域、平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度进行了统计，统计结果如图7所示。

图7 不同区域种植的油用牡丹的果枝粗度、母枝粗度情况Fig. 7 Fruit branch diameter and parent branch diameter of oil peonies planted under different regions

由图7可知，相较于无遮挡区域种植的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度，平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度分别减少了19.3%和17.6%，而固定光伏支架下种植的油用牡丹的果枝粗度和母枝粗度则分别减少了27.8%和32.6%。

2.2.4 小结

根据以上测试得到的数据，若以无遮挡区域内种植的油用牡丹的各项生长指标为100%作为基准时，则平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹的各项生长指标情况如表1所示。

由表1可以看出，相对于无遮挡区域内种植的油用牡丹的各项生长指标，平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹除株高呈上升趋势外，其他指标均呈现下降趋势，分别为无遮挡区域内种植的油用牡丹的72%～93%和61%～82%，这说明适度遮荫处理能够促进植物长高(垂直生长)，但正是由于过多的营养用于植物长高，分配给其他部位的就会减少，这不利于油用牡丹的正常生长发育。

表1 相对于无遮挡区域，其他区域种植的油用牡丹的各项生长指标情况Table 1 Compared with unobstructed region, growth indicators of oil peonies planted in other regions

2.3 光伏支架方式对油用牡丹生理特性的影响

2.3.1 光伏支架方式对油用牡丹叶片叶绿素的影响

高等植物的叶绿素中叶绿素a和叶绿素b共占75%，二者为叶绿素的重要组成部分[4]。叶绿素a与叶绿素b的含量与植物的光合作用速率密切相关，可以反映周围环境的变化。

大量研究表明，弱光环境会使植物叶片中叶绿素b的含量增加，使叶绿素a与叶绿素b的比值降低，这种改变可以使植物在弱光条件下吸收漫射光中的橙光和蓝紫光，吸收了更多的光能，从而可以进行更多的光合作用[5-7]。

分别对无遮挡区域、平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹叶片中的叶绿素a与叶绿素b的含量进行了测试，测试结果如图8所示。

图8 不同区域种植的油用牡丹的叶片中叶绿素a和叶绿素b的含量Fig. 8 Content of chlorophyll a and chlorophyll b in the leaves of oil peonies planted under different regions

由图8可知，对于叶绿素a而言，无遮挡区域种植的油用牡丹的叶片中叶绿素a的含量最高，为272.6 mg/L；平单轴光伏支架间隙下与固定光伏支架下种植的油用牡丹的叶片中叶绿素a的含量较为接近，分别为235.6 mg/L和255.2 mg/L。对于叶绿素b而言，固定光伏支架下种植的油用牡丹的叶片中叶绿素b的含量最高，为2478.9 mg/L；而无遮挡区域种植的油用牡丹的叶片中叶绿素b的含量最低，为420 mg/L。

通过上述分析可以发现，无遮挡有助于油用牡丹叶片中叶绿素a的提高，而遮光率不同的2种光伏支架得到的油用牡丹叶片中的叶绿素a的含量基本一致，叶绿素b的含量却随遮光率的增加而增加。

2.3.2 光伏支架方式对油用牡丹叶片中酶的活性的影响

植物细胞在代谢受阻时会产生大量的活性氧，进而导致膜脂质过氧化，SOD、CAT和POD等抗氧化酶协调运作负责清除超氧阴离子自由基(O2-)、羟基自由基(OH-)和过氧化氢(H2O2)，它们是在细胞抵御活性氧损伤时保护酶体系中的主要组成部分。

分别对无遮挡区域、平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹的叶片中SOD、POD和CAT的活性进行了测试，测试结果如图9所示。

图9 不同区域种植的油用牡丹的叶片中SOD、POD、CAT的活性情况Fig. 9 Activities of SOD、POD and CAT in the leaves of oil peonies planted under different regions

由图9可知，无遮挡区域种植的油用牡丹的叶片中SOD的活性值最大，为332.8 U·g-1·FW，固定光伏支架下种植的油用牡丹的叶片中SOD的活性值与该值较为相近，为321.3 U·g-1·FW。同样，油用牡丹叶片中的POD的最大活性值也是出现在无遮挡区域中，为580 U·g-1·FW；固定光伏支架下的其次，为545.1 U·g-1·FW，平单轴光伏支架间隙下的最小，为458.1 U·g-1·FW。从图9中还可以看出，在这3种区域内种植的油用牡丹的叶片中CAT的活性值的差别不大，均约为22 U·g-1·FW。

从上述数据可以看到，无遮挡区域和固定光伏支架下种植的油用牡丹的叶片中SOD和POD的活性值均较高，而平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹的叶片中这2个抗氧化酶的活性值最小。前者活性值较高的原因可能是由于无遮挡区域种植的油用牡丹的光合有效辐射过高，或固定光伏支架下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射较弱，产生了光抑制，从而使油用牡丹体内产生了大量活性氧，而油用牡丹为了维持活性氧的平衡增强了抗氧化酶的活性。

2.4 光伏支架方式对油用牡丹产籽量的影响

分别对无遮挡区域、平单轴光伏支架间隙下和固定光伏支架下种植的油用牡丹的果实情况进行统计，统计结果如表2所示。

表2 不同区域种植的油用牡丹的果实情况Table 2 Fruit situation of oil peonies planted under different regions

从表2中的数据可以发现，平单轴光伏支架间隙下种植的油用牡丹的产籽量约为无遮挡区域种植的油用牡丹产籽量的60.82%，固定光伏支架下种植的油用牡丹的产籽量约为无遮挡区域种植的油用牡丹产籽量的51.45%。

前文的测试数据表明：平单轴光伏支架间隙下与固定光伏支架下种植的油用牡丹接收的光合有效辐射日累计量分别为无遮挡区域种植的油用牡丹的71.54%和55.03%。由此可知，油用牡丹的产籽量与其所接收的光合有效辐射日累计量成正比。油用牡丹的产籽量随着光伏支架遮光率的增加呈下降趋势。

由于光伏组件在平单轴光伏支架上的发电量要高于其在固定倾角光伏支架上的发电量，同时，油用牡丹种植于平单轴光伏支架间隙下的产籽量要高于其种植在固定光伏支架下，因此，在平单轴光伏支架间隙下种植油用牡丹的经济效益要高于在固定光伏支架下种植。

由于油用牡丹是一种阳生植物[8]，对其进行遮挡能够促使其株高增加，但果荚数和产籽量会减少。对于农光互补光伏电站而言，若必然会对种植的油用牡丹产生遮挡，那可以选用遮光率相对较小的光伏支架类型。

3 结论

本文以某农光互补光伏电站为例，针对油用牡丹在平单轴光伏支架和固定倾角光伏支架下的生长指标、生理特性及产籽量情况与无光伏支架遮挡时的情况进行了对比研究。研究结果显示：适度的遮挡有助于油用牡丹的长高，但不利于其其他指标的提高。除株高外，遮光率为30%时，油用牡丹的其他各项生长指标为无光伏支架遮挡时的72%～93%，产籽量为无光伏支架遮挡时的60.82%；遮光率为45%时，油用牡丹的其他各项生长指标为无光伏支架遮挡时的61%～82%，产籽量为无光伏支架遮挡时的51.45%。