高遮荫旱地光伏农业系统提升西葫芦（Cucurbita pepo）碳吸收与水分利用效率的生理机制研究

本综述系统探讨了在高温半干旱环境下，高遮荫密度（75%地面覆盖率）光伏农业系统对西葫芦光合生理及水分利用的调控效应。研究揭示，遮荫显著降低光合有效辐射（PAR）及空气温度，提升土壤湿度，进而缓解水分胁迫并增强午间光合作用与日累积碳吸收（An）。尽管植株表现出遮荫适应形态（如比叶面积增加），果实产量因碳分配向营养生长倾斜而降低。该研究为旱区光伏农业系统中作物筛选（如叶菜类优先）与系统优化（如降低遮荫密度）提供了关键生理学依据。

　　

引言

全球粮食与能源需求持续增长加剧了土地利用竞争。光伏农业系统（Agrivoltaics）作为一种多功能土地利用模式，将农作物生产与太阳能发电垂直整合于同一地块。多数粮食作物适应全日照环境，其对光伏面板下新型微气候的生理响应机制尚不明确。本研究假设高密度光伏系统可通过微气候调节影响西葫芦（Cucurbita pepo）的碳吸收、水分利用及产量形成。

材料与方法

研究在美国亚利桑那州半干旱气候区开展，以西葫芦品种‘Black Beauty’为材料。实验设置光伏农业系统（75%地面覆盖率，GCR）与全日照对照区，分别施加100%与50%灌溉处理。通过LI-6400XT红外气体分析仪测定叶片净光合速率（A_n），同步监测光合有效辐射（PAR）、空气温度、土壤温度、体积含水量（VWC）及蒸汽压亏缺（VPD）等微气候参数。采用混合统计模型（t检验与多元线性回归）分析变量间关系。

结果与讨论

微气候特征

光伏阵列使PAR降低78.6%，系统内日间平均气温降低1.1°C，VPD减少0.5 kPa，土壤湿度显著提升（0.30 m³/m³ vs. 对照0.15 m³/m³）。这种降温增湿效应缓解了高温与水分胁迫，为植物生理活动创造了稳定环境。

光合作用驱动机制

PAR是所有处理中光合作用的主要驱动因子（p < 0.001）。全日照条件下，土壤水分与光合速率呈显著正相关（p < 0.001），表明水分胁迫限制了碳同化。而在光伏系统下，土壤水分与光合作用无显著关联，说明遮荫通过降低蒸发需求缓解了水分限制。光饱和点分析显示，缺水条件下光饱和值升高（半灌溉处理达2,500 μmol m^?2 s^?1），反映光合机构在胁迫下光能转化效率降低。

光合动态与碳积累

全日照植株在10:00出现光合峰值（16.4 μmol m^?2 s^?1），但午后因光抑制与水分胁迫急剧下降。光伏系统下光合速率全天稳定维持在13.5 μmol m^?2 s^?1左右，且午后表现优于对照。累积碳吸收量在光伏半灌溉处理中最高，表明遮荫与节水协同提升了碳固定能力。

产量与碳分配权衡

尽管光伏系统提升了碳吸收，果实产量却显著低于对照。这表明碳分配优先转向营养生长（如叶片与茎秆生物量），导致收获指数降低。形态学观察显示遮荫植株叶片更薄、比叶面积（SLA）更高，叶绿素含量提升，这些适应特性虽增强低光捕获能力，却不足以补偿繁殖器官所需的碳投资。

结论与展望

高遮荫密度（75% GCR）光伏系统通过微气候调节显著提升西葫芦水分利用效率（WUE）与碳吸收持续性，但过度遮荫导致果实减产。未来光伏农业设计需依据作物特性优化遮荫密度：叶菜类作物可适应高遮荫环境并受益于形态调整，而果菜类需采用较低遮荫比例（25–50% GCR）以平衡光能需求与胁迫缓解。研究强调需结合长期观测与多物种比较，以建立基于生理响应的智能光伏农业配置策略。