農(nóng)光耦合系統(tǒng)對(duì)田間光照條件和甘薯生長(zhǎng)的影響

魏來(lái)，余明艷，覃楠楠，黃沖平,*，謝穎，孫文波，吳列洪，王偉忠，王國(guó)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(yàn)站，杭州 310058；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)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(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)發(fā)電能力日益增長(zhǎng)的需求，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)淖魑锖推贩N選擇，以及通過(guò)相應(yīng)的農(nóng)事操作、機(jī)械選擇，又可以盡量減少對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響，形成一種類(lèi)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(guó)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(guó)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(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)地上部空間的生長(zhǎng)高度要求明顯低于其他作物，是一種適合光伏發(fā)電場(chǎng)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(shí)段光照不足對(duì)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(zhǎng)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(yàn)于2015年8月至2016年10月，在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站紫金港校區(qū)西區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行。土壤質(zhì)地為黏壤土，含有機(jī)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(gè)品種；2016年6月至10月選用“心香”“浙薯77”“浙薯13”3個(gè)甘薯品種按照長(zhǎng)生育期栽培管理。試驗(yàn)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(yàn)設(shè)有或無(wú)光伏板2個(gè)處理：有光伏板的處理為受到光伏板遮陰的種植區(qū)域；無(wú)光伏板的處理為不受光伏板遮陰處理的種植區(qū)域（對(duì)照），位于光伏板構(gòu)建區(qū)正前方，且與光伏板試驗(yàn)區(qū)直接相連，如圖1所示。3次重復(fù)，隨機(jī)排列。試驗(yàn)小區(qū)面積為12.72 m2（2.4 m×5.3 m），試驗(yàn)地畦寬0.5 m、溝寬0.3 m，株距0.2 m，行距0.8 m。試驗(yàn)第1年甘薯種苗種植時(shí)間為2015年8月7日，種苗長(zhǎng)度均為15 cm左右，種植約10 d后成活并長(zhǎng)出第1批新葉，10月28日收獲。試驗(yàn)第2年甘薯種苗種植時(shí)間為2016年6月14日，種苗長(zhǎng)度也均為15 cm左右，種植約10 d后成活并長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)9 m（實(shí)際光伏電站可以連續(xù)長(zhǎng)幾十乃至幾百米）。田間安裝按照光伏電站實(shí)際建設(shè)的設(shè)計(jì)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(qiáng)度測(cè)定

光通量使用TES-1339P照度計(jì)（中國(guó)臺(tái)灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司）測(cè)定，于2016年8月至10月中旬甘薯生長(zhǎng)旺盛期，選取晴天、陰天、雨天3種典型天氣對(duì)田間試驗(yàn)光照條件進(jìn)行測(cè)量。為全面了解光伏板下不同位置實(shí)際受影響的程度，在光伏板下垂直投影面中劃分出3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為光伏板高端（后端）開(kāi)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(yàn)共設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)（A、B、C、D、E），分別對(duì)應(yīng)的位置為：不受光伏板影響區(qū)域（對(duì)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(diǎn)。在每個(gè)典型天氣日從6時(shí)到18時(shí)，按每個(gè)整時(shí)點(diǎn)在5個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別進(jìn)行光照強(qiáng)度測(cè)定，且符合氣象學(xué)測(cè)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(shí)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(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)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(cè)定分析

對(duì)照組：在地面照度觀察點(diǎn)A附近每次取生長(zhǎng)均勻的甘薯植株5株；遮陰處理組：在光伏板下中間觀察點(diǎn)C附近每次取生長(zhǎng)均勻的植株5株。為了確保植株的取樣需要，在觀察點(diǎn)C附近，于甘薯移栽苗期，在不影響中間行生長(zhǎng)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(guó)）測(cè)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(diǎn)A和C周邊或附近行生長(zhǎng)均勻的5株甘薯，按文獻(xiàn)[4]介紹的方法測(cè)定其他農(nóng)藝性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 光伏板構(gòu)架對(duì)田間甘薯生長(zhǎng)光密度的影響

為了更好地了解光伏板構(gòu)架對(duì)田間光照強(qiáng)度變化的影響，在2016年田間試驗(yàn)期間，測(cè)定了光伏板下光密度的變化。測(cè)定選取的3個(gè)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(shí)和13—16時(shí)為降雨時(shí)段）。

由圖3可見(jiàn)：在晴天天氣條件下，從7時(shí)至18時(shí)，A（對(duì)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(bǔ)償點(diǎn)[30 μmol/(m2?s)]的光照強(qiáng)度，特別是在11—14時(shí)期間，PPFD大于700 μmol/(m2?s)，超過(guò)甘薯的光飽和點(diǎn)[450 μmol/(m2?s)]。在光伏板下測(cè)量點(diǎn)B、C、D處，7—18時(shí)均大于甘薯的光補(bǔ)償點(diǎn)，甚至高于“浙薯77”的光飽和點(diǎn)。光照強(qiáng)度在80～400 μmol/(m2?s)之間，可以保證甘薯進(jìn)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(shí)至16時(shí)，在光伏板下測(cè)量點(diǎn)B、C、D處的PPFD均大于30 μmol/(m2?s)，但顯著低于光飽和點(diǎn)?？梢?jiàn)，降雨對(duì)甘薯的光合作用有一定的影響。

進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析表明，在晴天天氣條件下光伏板下代表性觀察點(diǎn)D、光伏板行間觀察點(diǎn)E與對(duì)照觀察點(diǎn)A的光照強(qiáng)度在6、7、8時(shí)和16、17、18時(shí)沒(méi)有顯著性差異，但8時(shí)以后觀察點(diǎn)A和E的光照強(qiáng)度迅速上升，而且A觀察點(diǎn)除了10和14時(shí)以外，均顯著高于E觀察點(diǎn)（P＜0.05），也即是光伏板行間E觀察點(diǎn)的光照強(qiáng)度在一日12個(gè)時(shí)段中有5個(gè)時(shí)段的光照強(qiáng)度顯著低于對(duì)照，但這5個(gè)時(shí)段的E觀察點(diǎn)光照強(qiáng)度均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甘薯的光飽和點(diǎn)，因此差異沒(méi)有實(shí)際意義。觀察點(diǎn)D與A之間，也即光伏板下代表性觀察點(diǎn)與對(duì)照之間，從9時(shí)到15時(shí)均存在極顯著差異（P＜0.01），在這7個(gè)觀察時(shí)刻A點(diǎn)的平均光照強(qiáng)度為1 221.50 μmol/(m2?s)，而 D 點(diǎn) 為314.81 μmol/(m2?s)，即D點(diǎn)的光照強(qiáng)度僅為A點(diǎn)的25.77%。但D觀察點(diǎn)在這7個(gè)時(shí)點(diǎn)的平均光照強(qiáng)度為甘薯光飽和點(diǎn)的69.96%，已能較好地滿(mǎn)足植物的光合作用需要。在多云天氣條件下各觀察點(diǎn)光照強(qiáng)度之間的變化與晴天相似，雨天則除了個(gè)別時(shí)點(diǎn)以外，各觀察點(diǎn)之間均沒(méi)有顯著差異。

PPFD：光量子通量密度。（A～E）對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)分布詳見(jiàn)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(duì)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(yàn)觀察了“浙薯77”“心香”2個(gè)品種甘薯凈光合速率（net photosynthetic rate,Pn）隨PPFD的變化特點(diǎn)。由圖4可見(jiàn)，“浙薯77”的光飽和點(diǎn)約為 400 μmol/(m2?s)，“心香”的光飽和點(diǎn)約為450 μmol/(m2?s)?？傮w上，2個(gè)品種在PPFD處于0～400 μmol/(m2?s)范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)，凈光合速率達(dá)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(shí)，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(jiàn)，受農(nóng)光耦合系統(tǒng)中光伏板的遮陰影響，2個(gè)甘薯品種的光合參數(shù)值有不同程度的變化。與對(duì)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(duì)照降低19.4%，差異顯著，而“浙薯77”葉片的氣孔導(dǎo)度僅比對(duì)照降低0.03%，差異不顯著。“浙薯77”的胞間CO2濃度比對(duì)照顯著增加，而“心香”在處理與對(duì)照間差異不顯著。遮陰處理后，2個(gè)品種甘薯葉片的蒸騰速率均略有增加，但與對(duì)照相比差異不顯著。葉片溫度受遮陰影響，與對(duì)照的差異達(dá)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(duì)甘薯葉面積和產(chǎn)量的影響

2.3.1 對(duì)單株葉面積的影響

從圖5可見(jiàn)：在對(duì)照條件下，“浙薯13”單株平均葉面積于移栽成活后30 d達(dá)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(duì)照的54.46%，最大值出現(xiàn)在9月23日，比對(duì)照延遲了1個(gè)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(duì)照早15 d左右，但最大值比對(duì)照下降了56.26%；品種“心香”在遮陰與對(duì)照處理下的單株葉面積變化趨勢(shì)表現(xiàn)出較為同步的規(guī)律，但遮陰處理比對(duì)照的峰值下降了18.94%?？傮w上，光伏板遮陰對(duì)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(duì)甘薯干物質(zhì)積累和分配的影響

由圖6可見(jiàn)，與對(duì)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(guò)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(diǎn)；“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(gè)過(guò)程中表現(xiàn)較弱。遮陰與否對(duì)3個(gè)品種的干物質(zhì)積累速率變化趨勢(shì)影響不大，但對(duì)最終干物質(zhì)積累量有很大影響。收獲時(shí)，“浙薯13”的干物質(zhì)積累量在對(duì)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(duì)甘薯產(chǎn)量的影響

圖5 光伏板遮陰對(duì)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(jiàn)，光伏板遮陰處理對(duì)3個(gè)甘薯品種的產(chǎn)量有顯著的影響。在對(duì)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(yàn)結(jié)果與此基本一致。

圖6 光伏板遮陰對(duì)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(yàn)表明，在晴天天氣條件下，光伏板行間地面日平均光照強(qiáng)度為 625.83 μmol/(m2?s)，比對(duì)照下降17.97%，高于甘薯光飽和點(diǎn)的時(shí)間為6個(gè)觀察時(shí)點(diǎn)，比對(duì)照減少1個(gè)時(shí)點(diǎn)；在光伏板下代表性觀察點(diǎn)D高于或接近甘薯光飽和點(diǎn)的7個(gè)觀察時(shí)點(diǎn)，平均光照強(qiáng)度為314.81 μmol/(m2?s)，比對(duì)照下降74.23%，但其平均值為甘薯光飽和點(diǎn)的69.96%，說(shuō)明能較好地滿(mǎn)足甘薯的光合作用，而對(duì)照的地面光照則有相當(dāng)部分已超過(guò)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(gè)別觀察時(shí)點(diǎn)，與對(duì)照沒(méi)有顯著差異。根據(jù)杭州市氣象局提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年7—11月杭州地區(qū)共有77個(gè)雨天，47個(gè)多云到陰天氣，29個(gè)晴天[4]。由實(shí)際測(cè)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(jìn)行正常干物質(zhì)積累，且對(duì)光能資源有較好的利用；在其余時(shí)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(zhǎng)條件，并便于農(nóng)事操作，目前，浙江浙能長(zhǎng)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(diǎn)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(huì)得到進(jìn)一步改善，有利于甘薯正常生長(zhǎng)。

表2 光伏板遮陰對(duì)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(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)度增加，單片葉面積增大，以利于接受更多的光照[5-6]；同時(shí)，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(huì)增大[6,9]，但甘薯是否也會(huì)有同樣的變化，有待于進(jìn)一步研究。此外，本研究測(cè)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(zhǎng)時(shí)間的弱光處理后，在相同的光照強(qiáng)度下，遮陰處理后的甘薯葉片凈光合率仍顯著下降，說(shuō)明“浙薯77”和“心香”這2個(gè)甘薯品種在較長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(guò)程[12]。這些變化都有待于深入研究。

由于受試驗(yàn)條件的限制，2016年試驗(yàn)甘薯種植時(shí)間偏遲，“心香”和“浙薯13”在對(duì)照中每667 m2的產(chǎn)量?jī)H1 500 kg左右，明顯低于這2個(gè)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(zhǎng)周期栽培與本試驗(yàn)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(duì)甘薯生育期基本沒(méi)有影響，而對(duì)產(chǎn)量有一定影響。栽培上可以通過(guò)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(dá)2.79萬(wàn)元，除去各項(xiàng)成本和折舊等費(fèi)用，凈收益在1萬(wàn)元左右。因此，在長(zhǎng)三角等發(fā)達(dá)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！