光伏农业共生研究

王玲俊，陈 健

(1.南京工程学院 经济与管理学院，南京 211167；2.南京工程学院 产业经济与创新管理研究院，南京 211167；3.南京林业大学 经济管理学院，南京 210037)

1 引言

光伏在农业中的应用案例最早以光伏水泵的形式出现于20世纪70年代。到了20世纪80年代，美国最先评估和预测了光伏发电在农业部门应用的市场，认为这一市场潜力巨大[1]。但这一时期存在的经济、技术和制度方面的障碍，使得光伏在农业中的应用并未得到较好推广[2]。随着20世纪90年代以来光伏发电的技术进步与成本下降，光伏在农业中的应用规模逐渐扩大[3]。并且，全球气候变暖问题的缓解需要在农业生产中引入清洁能源，而全球人口持续增长问题的应对则需要农业部门生产出更多的粮食，光伏农业的应用前景非常广阔[4]。光伏农业包括光伏在农业中的应用和农业光伏两个方面，其研究也基本从这两个方面展开。前者主要涉及光伏在农业灌溉中的应用[5]、光伏在农业温室系统中的应用[6]、光伏在农业其他方面的应用，如农业照明[7]、农产品储存[8]和农业机械驱动[9]等。后者主要涉及光伏与农业温室的耦合[10]、光伏与农业种植的耦合[11]、光伏与农业养殖的耦合[12]以及这些模式的经济、社会和环境效应[13]。总体而言，光伏在农业中的应用解决了偏远地区农业生产中的能源短缺问题，提升了农业生产的环境友好性；农业光伏则提高了农地资源的利用效率，更多考虑光伏发电和农业生产之间的平衡问题。值得注意的是，两者都涉及了光伏发电与农业生产的“共生”[14]，但以往的研究未对这一问题进行深入探讨，而该问题对于深刻理解光伏农业这一现象进而指导实践具有重要意义。鉴于此，本文首先分析了光伏农业的产生及构成，在此基础上对光伏农业共生的有关方面进行了探讨，包括共生要素和共生效率标准和共生系统。

2 光伏农业的产生及构成

2.1 光伏农业的产生

①基于技术转移理论的分析。新技术发明后，随之而来的则是如何传播的问题，由此产生了技术传播理论，技术转移方面的研究便源于此。1964年，技术转移问题在首届联合国贸易发展会议上被正式提出，从此开启了学术界了对技术转移的探讨，主要包括国家间的技术转移、跨国公司内部的技术转移、科研机构和产业间的技术转移、产业之间的技术转移。光伏在农业中的应用是指农业部门将光伏发电技术应用至农业生产，属于产业间的技术转移，也是低碳环境友好型技术转移。

②基于产业成长理论。根据产业成长理论，产业成长是产业经历的生命周期过程。此过程中，产业规模会由小变大，而规模扩大、技术发展、组织改进以及创新的出现引发了产业对资源的需求，表现为产业在形成之后会不断吸纳各种资源进行扩张。近年来，我国的光伏产业发展迅猛，太阳能发展规划制定的目标一再被突破，显示出政府发展光伏电力市场的决心。但光伏发电与其他发电技术的不同之处在于其需要大片的土地进行电力生产，光伏发电与农业的结合可解决其对土地资源的需求问题。

图1 光伏农业的两种形式

2.2 光伏农业的构成

上述两个方面都能实现资源的高效利用和生态环境保护，具体而言，光伏发电在农业中的应用体现了光伏发电技术和农业生产环节的结合，比如光伏在农业灌溉中的应用、光伏在农场照明中的应用、光伏在农产品储存中的应用、光伏在农用机械中的应用、光伏在农业病虫害防治中的应用等。上述结合即为光伏农业共生在现实经济中的体现形式之一，事实上，在光伏发电技术还未完全产业化之前，这种结合是光伏农业的主要形式。而在光伏产业完全形成之后，便出现了另一种形式，也即农业光伏。它是光伏发电与农业生产部门的结合，常见的有光伏农业大棚、农光互补、林光互补、牧光互补、渔光互补和光伏治沙等。

前已述及，光伏在农业中的应用主要用来解决农业生产中的清洁电力需求问题，也即光伏发电用于农业生产。而农业光伏则更多地体现了光伏产业成长与发展对资源的需求，当然，是在保障农业生产的前提下。两者的相同之处在于光伏发电对农业生产进行电力供应。前者是将光伏发电全部用于农业生产，后者则是首先供应农业生产(一般情况下)，再将剩余电力并网销售。所以，从概念上讲，后者包含前者，光伏在农业中的应用可以嵌入到农业光伏中，具体如图1所示。

3 光伏农业共生要素

德国真菌学家德贝里(Anion de Bary)于1897年提出了“共生”这一概念[15]，此后，生物学领域对生物间共生展开了深入研究，促进了“共生”概念的丰富和拓展。并且，作为自然界中一种普遍存在的生物现象，共生现象对人类因各种需求而创建的各类组织及其之间的关系的认识有着重要启迪。袁纯清(1998)将共生引入到了经济社会领域，在其著作《共生理论——兼论小型经济》一书中，他详细地阐述了共生的本质、条件和影响因素等问题[16]。本部分基于共生理论对光伏农业共生的要素进行分析。

3.1 共生单元

根据共生理论，共生单元是指共生体中进行基本能量生产和交换的单位。具体到图1中提到的两种形式，共生体中进行基本能量生产和交换的单位是：光伏发电和农业生产，也即共生体中的共生单元。

3.2 共生模式

就光伏在农业中的应用而言，共生模式看似为寄生，也即光伏发电寄生于农业生产；或看似为偏利共生，因为从最终共生体的产出来看，只有农业产出，也即农业生产利用光伏发电来实现自身发展，实际上则是两者都从这一结合中获益。从光伏来看，这一形式拓宽了其产品的应用范围，增加了光伏的产出，实现了其提供清洁电力的价值；从农业来看，光伏发电的应用不仅不会对其产出产生影响，还能促进粮食安全[17]，并且，由于生产过程中使用了清洁电力，不会对环境造成不良影响[18]。综合上述两个方面来看，光伏发电在农业中的应用为光伏农业的互惠共生。

而第二种形式较为复杂，需要视具体情况而定。以农光互补为例，光伏设施的遮阴减少了作物的光合作用，但也减少了作物的蒸腾作用，并且，光伏板的清洗用水可以增加土地中的水分。所以，在一些光照特别强烈的干旱地区，光伏农业共生有利于作物生长，从而增加农业产值，两者之间的关系为互惠共生。而在一些耕种条件较好的地区，如果种植的是喜阴类作物，如生菜、黄瓜等，则不会对其产量产生不利影响，甚至可以增加产量。此外，光伏设施提高了农业的抗灾能力，同时使农业生产更加环保。所以，这种情况下的光伏发电与农业生产也为互惠共生关系。而如果在一些耕种条件较好的地区种植其他作物，此时光伏的介入会减少农业产出，但提高了农业生产的环保性。如果后者大于前者，则此时光伏农业为互惠共生关系；如果后者等于或小于前者，此时光伏农业共生为偏利或偏害(见表1)。但通过技术改进、制度设计等可以避免后两种共生的出现。所以，长期来看，更多的光伏农业共生可以形成一种稳定的互惠关系。

表1 光伏农业共生的模式——以农光互补为例

3.3 共生环境

共生环境则有两个方面，一方面是光伏农业共生的自然环境，另一则是光伏农业发展所需要的社会经济环境。自然环境方面，无论是光伏在农业中的应用还是农业光伏，光伏发电所“置身”于的都是用于农业生产的自然环境，也即农业自然环境，包括土地、光照和气候等。经济社会环境则主要来自于光伏产业和农业，如两大产业所处的技术环境、政策环境、市场需求环境等。

4 光伏农业共生效率标准

通过上述分析可知，光伏农业共生模式可以是互惠、偏利或偏害，前两种都可以增加社会福利。对于偏害共生模式，则需要进一步判断，看其是否具备一定的效率标准。所以，本部分参考Trommsdorff(2016)的研究(1)此处参考了Trommsdorff对食品与电力生产混合技术的经济分析，该研究为工作论文，文题为：“An economic analysis of agrophotovoltaics:Opportunities，risks and strategies towards a more efficient land use”。，构建了一个光伏发电与农业生产共生技术的简单福利模型。首先介绍了以土地为输入因子的竞争性单独生产技术的一般设定和基本假设，将其作为一种现状，作为引入共生技术的出发点。进而，我们以提高社会福利为基准，分析了所需共生技术的生产效率标准。

4.1 基本设定

一般地，遵循新古典主义福利模型的假设，将农业粮食(A)和光伏电力(P)视为社会的仅有消费品。相应的，此处有两种生产技术：A(·)和P(·)，两者都依赖于输入因子土地，这里以la和lp分别表示用于农业生产和光伏电力生产的土地，并满足：

以上同样适用于光伏电力生产。由于我们考虑的是一个封闭的经济系统并对资源的充分利用，土地总量L等于la+lp。进而，我们假定社会福利取决于农业粮食和光伏电力之和，将其表达为：

W(la)=A(la)+P(L-la)

因此，当以下一阶条件满足时，la会达到最佳水平，从而社会选择了一种有效的土地分配方式。

(1)

4.2 共生技术

现在，我们引入一种无需土地竞争的共生技术，这一技术可以同时进行粮食和光伏电力生产。但是，就单位土地面积的粮食或电力产量，共生技术的效率要低于原有的单独生产技术。效率的降低取决于参数ea和ep，分别代表共生技术的粮食和光伏电力的生产效率，两者的取值范围为[0，1]。除了单位产量的下降，共生技术与单独生产技术遵循相同的生产函数。

现在，社会对土地进行重新分配，将ls的土地分配给共生技术，并满足L=la+lp+ls。进一步的，我们将现状下从粮食生产中拿出分配给共生技术的土地在ls中的占比表示为t，从而现有用于光伏发电的土地中拿出分配给共生技术的土地为(1-t)ls。如此，重新分配的土地ls、la和lp可以下式表示：

ls=tls+(1-t)ls

因此，总的粮食产量可表示为：

(2)

上式可分为三个部分：第一个部分是指单独技术生产的粮食，第二个部分是指在原来用于生产粮食的土地上运用共生技术所生产的粮食，第三个部分则是指在原来用于光伏发电的土地上运用共生技术所生产的粮食。将式(2)简化，可得下式：

(3)

由于上述分析同样适用于光伏电力生产，可将引入共生技术后的社会福利表达为：

(4)

4.3 采用共生技术的效率标准

为了建立效率标准，继续对共生技术的效率进行评价。自然而然地，现有状态下的社会福利可作为采用共生技术后社会福利的基准。

(5)

通过这一方式，我们可以分析ea和ep达到共生技术效率提高要求的水平。将式(4)和(5)联立解得：

(6)

(7)

上式也可表达为：

(8)

相较于f(t)，g(t，ep)可能为正，也可能为负，原因在于不能判定采用共生技术后的电力产量能否超过现有状态下的产量。很明显，当ep增大时，g(t，ep)会减小，而t对g(t，ep)的影响需要进行进一步分析。为了阐明t的总体影响，我们继续对g(t，ep)的一阶导数作了推导。

(9)

式(6)的第三个部分我们将其表达为F(·)，它代表共生技术对粮食产出的潜在贡献。

这里，t的增大增加了粮食生产的潜在贡献。总结上述三个部分的影响，我们可将式(6)重新表达为：

式中的上标表示t和ep边际影响的方向。显然，ep的增大会降低共生技术福利提高要求ea达到的水平。如此，t增大的结果会被部分抵消。

为了进行进一步的分析，并由于社会可对t进行自由选择，可将t作为外生变量。简单起见，这里将t设为1，也即假设所有分配给共生技术的土地都从原用于粮食生产的土地拨出。这样一来，式(6)可简化为：

(10)

由于边际生产率的降低，上式的分子和分母都大于0，这就意味着式中的分数部分为正。为了估计这一分数的大小，我们假设ls趋近于0，这一假设可看作是社会在寻求ea和ep的水平，而该水平可提高从农业粮食生产分配至共生生产单位土地的边际效率。显然，上述问题可以通过求分数部分的极限来解决。

因此，上式的分子就等于现有状态下的边际粮食生产率，而分母部分则是现有状态下的光伏电力生产率。同时，由现状下的一阶条件，我们可得：

结果显示，当ls趋近于0时，式(10)变为：

ea=1-ep，

也即，当ea与ep的和大于1时，共生技术可以提高社会福利。所以，我们可将共生技术的效率标准写作：ea+ep>1。事实上，这一标准与Dupraz等(2011)提出的LER>1在本质上是相同的。并且，该标准已被许多学者证明是可以达到的。比如，上述Dupraz等针对法国蒙彼利埃地区的光伏农场的研究表明，LER位于1.35～1.73。Valle等(2017)通过研究发现，无论采用静态的还是动态光伏板，LER总是大于1。除此之外，Amaducci等(2018)的研究表明，无论是基于粮食产量还是生物量产量，LER的计算结果都在1.2以上[19]。

图2 光伏农业共生系统

5 光伏农业共生系统

5.1 光伏农业共生系统的界定

根据共生理论，共生系统是共生关系的集合，共生关系涉及到共生单元和共生模式。具体到光伏农业共生系统，它是由光伏发电与农业生产两个共生单元通过互惠、偏利或偏害的共生模式形成的共生系统，实现了土地和光照资源的共享，并能发挥光伏发电与农业生产的协同效应，且伴有光伏发电对农业生产的电力供应，最终产生光伏电力和农业粮食两种能量。整个系统会产生新的共生能量，根据第4部分对光伏农业的共生效率标准的探讨，共生能量的可表达为ea+ep-1或LER-1。

如图2所示，光伏产业链的应用部分——光伏发电可与农业各生产部门结合成为各类农光模式，形成土地资源共享型共生系统。同时，光伏发电可应用至农业各生产环节，形成光伏在农业中的各种应用。并且，光伏在农业中的应用可嵌入至农业光伏中(见图1)。因此，光伏农业共生系统中包括三个能量产生与传递的环节：光伏发电、农业生产和光伏电力应用于农业生产。

5.2 光伏农业共生系统的特点

根据共生系统的一般特点，光伏农业共生系统中共生单元间的关系是多重的，可以是互惠、偏利或偏害，体现为共生系统的多重性。这些关系同时存在于共生系统中，但某种或某几种关系对共生系统的演化起到了决定作用。例如，短期来看，上述三种共生模式都会对光伏农业共生系统的演化起到一定作用；而长期来看，互惠共生模式将更多地出现在共生系统中，对共生系统的演化起主要作用。共生系统中的共生单元之间存在着相互激发的作用，体现为共同进化。具体到光伏农业共生系统，很多时候光伏发电需要适应农业生产环境，此时，共生单元的创新能力会有所提高。例如，有学者提出利用半透明光伏板来提高农光系统的效率，该光伏板只透射作物生长所需要的光。创新实现了共生单元与共生系统的共同进化，体现为共生系统的共进化性。并且，这一进化是不可逆的，无论是共生单元还是共生系统，都不可能退回到进化前的状态，体现为光伏农业共生系统的不可逆性。此外，光伏农业共生系统还具有自主增容性，用以实现系统扩张。除上述一般特点外，光伏农业共生系统还具有以下特点。

①共生类型为资源共享。一般而言，光伏产业的应用端——光伏电站的建设需要大片的土地或水域，并且光伏电力的产生需要充足的光照资源，这与农业生产所需要的资源基本相同。所以，光伏农业共生系统是一种资源共享型共生系统。

②共生单元来自不同领域。光伏农业共生系统的共生单元为光伏发电和农业生产，两者分别来自光伏产业和农业，两大产业来自不同的产业领域。首先，光伏产业属于第二产业，农业属于第一产业；其次，光伏产业属于战略性新兴产业，农业属于传统产业。所以，光伏农业共生系统是横跨第一、第二产业，联合新兴产业与传统产业的共生系统。

③共生系统存在于同一组织内部。准确来讲，光伏发电与农业生产共享的是土地或水域空间，农业生产利用接近土地或水域的那部分以及地下或水面下方的空间，光伏发电则利用距离土地或水面一定高度的上部空间。而这样的空间分配很难在不同组织中进行，这就决定了光伏农业共生系统必须在同一组织内部进行运行。而现实经济活动中，通常采用的模式是光伏企业与农业企业合作开发项目，项目完成后由新设企业对项目进行运行和维护。

6 结论

光伏与农业结合的研究由来已久，但以往的研究仅提及了光伏农业共生，并未进行进一步探讨。本文分析了光伏农业产生的原因及构成，在此基础上研究了光伏农业共生要素、共生效率标准和共生系统。光伏农业产生的原因有技术转移和产业发展两个方面，它由光伏在农业中的应用和农业光伏两个部分构成。光伏农业共生要素中，共生单元为光伏发电和农业生产，共生模式可以是互惠、偏利或偏害，共生环境包括农业自然环境和光伏农业所处的经济社会环境。通过构建福利模型并推导，得到光伏农业共生效率标准为ea+ep>1。也即，光伏农业共生模式可以是互惠、偏利或偏害，但需达到共生效率标准ea+ep>1。光伏农业共生系统是由光伏发电与农业生产两个共生单元通过互惠、偏利或偏害的共生模式形成的，除了一般共生系统所具有的多重性、共进化性、不可逆性、和自主增容性外，它还具有共生类型为资源共享、共生单元来自不同领域、共生系统存在于同一组织内部的特点。

与以往研究不同，本文从共生视角对光伏农业进行了较为深入的理论探讨，揭示了光伏农业的共生特性，得出的结论对该领域的后续研究具有一定的启示作用。