魏來，余明艷，覃楠楠，黃沖平,*，謝穎，孫文波，吳列洪，王偉忠，王國新

（1.浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院作物科學(xué)研究所，杭州 310058；2.浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗站，杭州 310058；3.中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，杭州 310012；4.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所，杭州 310021）

在中低產(chǎn)農(nóng)田以適當(dāng)?shù)母叨群烷g距架設(shè)光伏板，建設(shè)光伏發(fā)電站，既可以滿足我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展對發(fā)電能力日益增長的需求，同時通過適當(dāng)?shù)淖魑锖推贩N選擇，以及通過相應(yīng)的農(nóng)事操作、機械選擇，又可以盡量減少對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響，形成一種類似于立體農(nóng)業(yè)的農(nóng)光耦合系統(tǒng)[1]。光伏電站建設(shè)原則上以荒山、荒地為主，但這些資源大部分位于我國西北內(nèi)陸地區(qū)，建成后的電力資源輸送至東南沿海地區(qū)的使用成本偏高；國內(nèi)外的研究表明，土地資源一直是光伏電站建設(shè)中的重要限制因素，并在建設(shè)成本中占較大的比重[2-3]。經(jīng)濟發(fā)達的長三角地區(qū)，電力資源緊缺，建設(shè)光伏電站是清潔能源生產(chǎn)的一種重要選擇，但由于長三角地區(qū)的荒山、荒地、荒灘資源也十分短缺，因此在中低產(chǎn)農(nóng)田建設(shè)光伏發(fā)電與作物生產(chǎn)兼顧的農(nóng)光耦合系統(tǒng)就成為一種有益的選擇。

甘薯作為一種藤本作物，對地上部空間的生長高度要求明顯低于其他作物，是一種適合光伏發(fā)電場所應(yīng)用的作物。本研究旨在深入了解光伏板架設(shè)形成后農(nóng)田光照條件的變化，以及部分時段光照不足對甘薯生理生態(tài)的影響，從而為光伏電站建設(shè)后形成的農(nóng)光耦合系統(tǒng)中甘薯的生長發(fā)育調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 甘薯品種與種植季節(jié)選擇

試驗于2015年8月至2016年10月，在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗站紫金港校區(qū)西區(qū)試驗田進行。土壤質(zhì)地為黏壤土，含有機質(zhì)25.4 g/kg，全氮1.6 g/kg，速效氮91.9 mg/kg，速效磷7.1 mg/kg，速效鉀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，選用“心香”“浙薯77”2個品種；2016年6月至10月選用“心香”“浙薯77”“浙薯13”3個甘薯品種按照長生育期栽培管理。試驗種苗均由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所甘薯課題組提供，其中：“心香”為早熟品種，“浙薯77”為中熟品種，“浙薯13”為晚熟品種。

試驗設(shè)有或無光伏板2個處理：有光伏板的處理為受到光伏板遮陰的種植區(qū)域；無光伏板的處理為不受光伏板遮陰處理的種植區(qū)域（對照），位于光伏板構(gòu)建區(qū)正前方，且與光伏板試驗區(qū)直接相連，如圖1所示。3次重復(fù)，隨機排列。試驗小區(qū)面積為12.72 m2（2.4 m×5.3 m），試驗地畦寬0.5 m、溝寬0.3 m，株距0.2 m，行距0.8 m。試驗第1年甘薯種苗種植時間為2015年8月7日，種苗長度均為15 cm左右，種植約10 d后成活并長出第1批新葉，10月28日收獲。試驗第2年甘薯種苗種植時間為2016年6月14日，種苗長度也均為15 cm左右，種植約10 d后成活并長出第1批新葉，10月24日收獲。

1.2 農(nóng)光耦合系統(tǒng)構(gòu)建

為模擬農(nóng)光耦合系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)，采用木質(zhì)五夾板代替光伏板，以1∶1的比例模擬搭建。采用3 m×9 m的模擬組件，也即光伏板寬3 m，長9 m（實際光伏電站可以連續(xù)長幾十乃至幾百米）。田間安裝按照光伏電站實際建設(shè)的設(shè)計規(guī)范，前排板低側(cè)端與后排板低側(cè)端間距為5.3 m，以除去光伏板陰影垂直面積，兩排光伏板之間的通道距離為2.2 m，模擬組件的傾斜角度為22°，如圖1所示?？偣苍O(shè)置3排模擬光伏板，每排模擬光伏板前端最低處離畦溝底1.3 m，離畦面1.1 m；后端最高處離畦溝底2.3 m，離畦面2.1 m。

1.3 田間光照強度測定

光通量使用TES-1339P照度計（中國臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司）測定，于2016年8月至10月中旬甘薯生長旺盛期，選取晴天、陰天、雨天3種典型天氣對田間試驗光照條件進行測量。為全面了解光伏板下不同位置實際受影響的程度，在光伏板下垂直投影面中劃分出3個測量點，分別為光伏板高端（后端）開始的1/4處、1/2處、3/4處，其中3/4處為最靠近前端最低處。如圖2所示，試驗共設(shè)置5個測量點（A、B、C、D、E），分別對應(yīng)的位置為：不受光伏板影響區(qū)域（對照）、光伏板下1/4處、光伏板下1/2處、光伏板下3/4處、2排光伏板的中間點。在每個典型天氣日從6時到18時，按每個整時點在5個測量點分別進行光照強度測定，且符合氣象學(xué)測定要求。

圖1 農(nóng)光耦合系統(tǒng)光伏板組件結(jié)構(gòu)（A）和田間實施狀況（B）Fig.1 Assembly structure of photovoltaic panels(A)and field implementation(B)in the agro-photovoltaic integrating system

圖2 光照強度測量點分布圖Fig.2 Distribution of light intensity measurement point in the agro-photovoltaic integrating system

1.4 植株取樣與測定分析

對照組：在地面照度觀察點A附近每次取生長均勻的甘薯植株5株；遮陰處理組：在光伏板下中間觀察點C附近每次取生長均勻的植株5株。為了確保植株的取樣需要，在觀察點C附近，于甘薯移栽苗期，在不影響中間行生長的前提下，每畦各種植一行取樣行。利用LI-6400便攜式光合儀（LI-COR公司，美國）測定不同處理植株的田間光合參數(shù)和植株葉面積。每次挖取觀察點A和C周邊或附近行生長均勻的5株甘薯，按文獻[4]介紹的方法測定其他農(nóng)藝性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 光伏板構(gòu)架對田間甘薯生長光密度的影響

為了更好地了解光伏板構(gòu)架對田間光照強度變化的影響，在2016年田間試驗期間，測定了光伏板下光密度的變化。測定選取的3個典型日分別為：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時和13—16時為降雨時段）。

由圖3可見：在晴天天氣條件下，從7時至18時，A（對照）與E（光伏板間）的光量子通量密度（photosynthetic photon flux density,PPFD）均大于甘薯的光補償點[30 μmol/(m2?s)]的光照強度，特別是在11—14時期間，PPFD大于700 μmol/(m2?s)，超過甘薯的光飽和點[450 μmol/(m2?s)]。在光伏板下測量點B、C、D處，7—18時均大于甘薯的光補償點，甚至高于“浙薯77”的光飽和點。光照強度在80～400 μmol/(m2?s)之間，可以保證甘薯進行正常的光合作用；多云天氣與晴天天氣的情況基本相似。在降雨天氣條件下，從8時至16時，在光伏板下測量點B、C、D處的PPFD均大于30 μmol/(m2?s)，但顯著低于光飽和點?？梢?，降雨對甘薯的光合作用有一定的影響。

進一步的統(tǒng)計分析表明，在晴天天氣條件下光伏板下代表性觀察點D、光伏板行間觀察點E與對照觀察點A的光照強度在6、7、8時和16、17、18時沒有顯著性差異，但8時以后觀察點A和E的光照強度迅速上升，而且A觀察點除了10和14時以外，均顯著高于E觀察點（P＜0.05），也即是光伏板行間E觀察點的光照強度在一日12個時段中有5個時段的光照強度顯著低于對照，但這5個時段的E觀察點光照強度均已遠遠高于甘薯的光飽和點，因此差異沒有實際意義。觀察點D與A之間，也即光伏板下代表性觀察點與對照之間，從9時到15時均存在極顯著差異（P＜0.01），在這7個觀察時刻A點的平均光照強度為1 221.50 μmol/(m2?s)，而 D 點 為314.81 μmol/(m2?s)，即D點的光照強度僅為A點的25.77%。但D觀察點在這7個時點的平均光照強度為甘薯光飽和點的69.96%，已能較好地滿足植物的光合作用需要。在多云天氣條件下各觀察點光照強度之間的變化與晴天相似，雨天則除了個別時點以外，各觀察點之間均沒有顯著差異。

PPFD：光量子通量密度。（A～E）對應(yīng)的測量點分布詳見圖2。PPFD:Photosynthetic photon flux density.Please see the Fig.2 for the distributions of pointsA-E.

2.2 光伏板遮陰對甘薯葉片光合參數(shù)的影響

為了更好地了解供試品種的光合特征，試驗觀察了“浙薯77”“心香”2個品種甘薯凈光合速率（net photosynthetic rate,Pn）隨PPFD的變化特點。由圖4可見，“浙薯77”的光飽和點約為 400 μmol/(m2?s)，“心香”的光飽和點約為450 μmol/(m2?s)?？傮w上，2個品種在PPFD處于0～400 μmol/(m2?s)范圍內(nèi)時，凈光合速率隨PPFD的增大而增大，且增幅先大后??；當(dāng)PPFD在400～700 μmol/(m2?s)范圍內(nèi)時，凈光合速率達到最大值，且基本保持不變；而當(dāng)PPFD在700～1 000 μmol/(m2?s)范圍內(nèi)時，凈光合速率隨PPFD的增大而略有下降，即出現(xiàn)了光抑制現(xiàn)象。在相同光照條件下，“浙薯77”的凈光合速率略大于“心香”。

由表1可見，受農(nóng)光耦合系統(tǒng)中光伏板的遮陰影響，2個甘薯品種的光合參數(shù)值有不同程度的變化。與對照相比，光伏板處理的“浙薯77”葉片凈光合速率降低20.9%，“心香”降低15.3%。另外，受光伏板遮陰處理影響，“心香”葉片的氣孔導(dǎo)度比對照降低19.4%，差異顯著，而“浙薯77”葉片的氣孔導(dǎo)度僅比對照降低0.03%，差異不顯著?！罢闶?7”的胞間CO2濃度比對照顯著增加，而“心香”在處理與對照間差異不顯著。遮陰處理后，2個品種甘薯葉片的蒸騰速率均略有增加，但與對照相比差異不顯著。葉片溫度受遮陰影響，與對照的差異達顯著水平。

圖4 甘薯凈光合速率隨PPFD的變化（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 在光伏板遮陰處理下不同甘薯品種葉片光合參數(shù)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 遮陰處理對甘薯葉面積和產(chǎn)量的影響

2.3.1 對單株葉面積的影響

從圖5可見：在對照條件下，“浙薯13”單株平均葉面積于移栽成活后30 d達到最大值，為7 643.52 cm2，而在光伏板下的甘薯單株平均葉面積為4 162.73 cm2，僅為對照的54.46%，最大值出現(xiàn)在9月23日，比對照延遲了1個月；品種“浙薯77”的變化略有不同，遮陰處理的單株葉面積峰值比對照早15 d左右，但最大值比對照下降了56.26%；品種“心香”在遮陰與對照處理下的單株葉面積變化趨勢表現(xiàn)出較為同步的規(guī)律，但遮陰處理比對照的峰值下降了18.94%?？傮w上，光伏板遮陰對單株葉面積的影響表現(xiàn)為“心香”最小，“浙薯13”次之，“浙薯77”最大。

2.3.2 光伏板遮陰對甘薯干物質(zhì)積累和分配的影響

由圖6可見，與對照相比，光伏板遮陰處理的干物質(zhì)積累速率明顯減緩。不同品種的干物質(zhì)積累過程存在著明顯差異：“心香”的干物質(zhì)積累量大、速度快，且分配到地下部分較早，體現(xiàn)了其早熟的特點；“浙薯13”的干物質(zhì)積累速率在中后期上升較快，表現(xiàn)出較好的豐產(chǎn)性；而“浙薯77”在整個過程中表現(xiàn)較弱。遮陰與否對3個品種的干物質(zhì)積累速率變化趨勢影響不大，但對最終干物質(zhì)積累量有很大影響。收獲時，“浙薯13”的干物質(zhì)積累量在對照區(qū)為6 646.46 g/m2，而在遮陰區(qū)為5 050.00 g/m2；“浙薯77”分別為5 091.15 g/m2和 3 992.79 g/m2；“心香”分別為 7 208.75 g/m2和 5 193.21 g/m2。

2.3.3 光伏板遮陰對甘薯產(chǎn)量的影響

圖5 光伏板遮陰對甘薯單株葉面積的影響（2016）Fig.5 Effects of photovoltaic panel shading on leaf area of sweet potato per plant(2016)

由表2可見，光伏板遮陰處理對3個甘薯品種的產(chǎn)量有顯著的影響。在對照處理下，“浙薯13”“浙薯77”和“心香”的產(chǎn)量分別為1 489.99、874.83和1 609.65 kg/667 m2，而在遮陰處理下，其產(chǎn)量分別為 987.91、668.40 和 977.83 kg/667 m2，分別減產(chǎn)33.70%、23.60%和39.25%，減產(chǎn)率以“心香”最大，“浙薯13”次之，而“浙薯77”最小。2015年的試驗結(jié)果與此基本一致。

圖6 光伏板遮陰對甘薯干物質(zhì)積累的影響（2016）Fig.6 Effects of photovoltaic panel shading on dry matter accumulation of sweet potato(2016)

3 討論與小結(jié)

2年的田間試驗表明，在晴天天氣條件下，光伏板行間地面日平均光照強度為 625.83 μmol/(m2?s)，比對照下降17.97%，高于甘薯光飽和點的時間為6個觀察時點，比對照減少1個時點；在光伏板下代表性觀察點D高于或接近甘薯光飽和點的7個觀察時點，平均光照強度為314.81 μmol/(m2?s)，比對照下降74.23%，但其平均值為甘薯光飽和點的69.96%，說明能較好地滿足甘薯的光合作用，而對照的地面光照則有相當(dāng)部分已超過了甘薯光合作用的需要。在多云天氣條件下的觀察結(jié)果與晴天相似。在降雨天氣條件下，光伏板下的光照條件明顯較弱，但除了個別觀察時點，與對照沒有顯著差異。根據(jù)杭州市氣象局提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2016年7—11月杭州地區(qū)共有77個雨天，47個多云到陰天氣，29個晴天[4]。由實際測得的甘薯葉片凈光合速率和光伏板下PPFD的數(shù)據(jù)可知，在接近一半的多云和晴天里，光伏板行間和板下甘薯葉片可進行正常干物質(zhì)積累，且對光能資源有較好的利用；在其余時間，甘薯的光合同化能力有所下降。為了改善光伏板下甘薯的生長條件，并便于農(nóng)事操作，目前，浙江浙能長興地面光伏電站等光伏企業(yè)在大規(guī)模建設(shè)中，已經(jīng)將光伏板中間點的架設(shè)高度提高到2 m[1]，這樣光伏板下的光照條件將會得到進一步改善，有利于甘薯正常生長。

表2 光伏板遮陰對不同品種甘薯產(chǎn)量的影響（2016）Table 2 Effects of photovoltaic panel shading on yield of sweet potato(2016)

作物生長對不同的生態(tài)條件有一定的適應(yīng)性。一般而言，遮陰處理后植株的節(jié)間長度增加，單片葉面積增大，以利于接受更多的光照[5-6]；同時，葉片變薄，即單位面積的葉片質(zhì)量下降。在本研究中遮陰處理后甘薯的單位面積質(zhì)量顯著下降，與前人在其他植物上的發(fā)現(xiàn)[7-8]一致。植物遭遇弱光脅迫后，除了形態(tài)產(chǎn)生變化外，葉片內(nèi)部的葉綠體也會增大[6,9]，但甘薯是否也會有同樣的變化，有待于進一步研究。此外，本研究測定了在田間條件下不同處理的甘薯植株光合參數(shù)，結(jié)果表明，經(jīng)較長時間的弱光處理后，在相同的光照強度下，遮陰處理后的甘薯葉片凈光合率仍顯著下降，說明“浙薯77”和“心香”這2個甘薯品種在較長時間遮陰處理下葉片已經(jīng)適應(yīng)了低光照的生態(tài)條件。這種適應(yīng)變化一方面可能是由于氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等結(jié)構(gòu)和功能的變化，同時也可能是由于葉片內(nèi)部的內(nèi)源激素變化[10]，以及光合酶系統(tǒng)的變化[11]，還可能涉及適應(yīng)弱光逆境的抗氧化酶系統(tǒng)變化等一系列的生理生態(tài)過程[12]。這些變化都有待于深入研究。

由于受試驗條件的限制，2016年試驗甘薯種植時間偏遲，“心香”和“浙薯13”在對照中每667 m2的產(chǎn)量僅1 500 kg左右，明顯低于這2個品種的普通大田產(chǎn)量。通常，生產(chǎn)上杭州地區(qū)甘薯移栽期在清明前后，長周期栽培與本試驗一樣在10月下旬收獲，短周期栽培在7月底收獲。光伏板架設(shè)對甘薯生育期基本沒有影響，而對產(chǎn)量有一定影響。栽培上可以通過增加種植密度和適當(dāng)增加施肥量等措施加以調(diào)控。應(yīng)當(dāng)指出的是，每667 m2光伏發(fā)電產(chǎn)值可達2.79萬元，除去各項成本和折舊等費用，凈收益在1萬元左右。因此，在長三角等發(fā)達地區(qū)，在中低產(chǎn)田應(yīng)用光伏耦合系統(tǒng)具有良好的推廣前景。

致謝浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所季志仙副研究員為本研究提供甘薯良種“心香”種苗，謹(jǐn)致謝忱！