气候与设计双重视角下农光系统作物生产的临界点：一项全球荟萃分析

《Agronomy for Sustainable Development》：Climatic and design tipping points in agrivoltaic crop production systems. A meta-analysis

为应对气候变化下农业与能源的土地竞争，本研究首次通过全球荟萃分析，揭示农光系统（Agrivoltaics）中光伏板设计参数（如遮光率、安装高度）与气候条件的交互作用对作物响应的影响。研究发现系统规模存在约2公顷的“临界点”，超过此范围微气候效应逆转；遮光率30%-40%时可平衡作物产量与发电效率；不同气候带下作物响应差异显著。该研究为区域定制化农光系统设计提供了关键科学依据，推动粮食-能源-水协同发展。

　　

在全球气候变暖、粮食需求激增与土地利用竞争日益激烈的背景下，农光系统（Agrivoltaics）作为一种将光伏发电与农业生产相结合的新型土地管理模式，被视为缓解粮能冲突的潜在解决方案。然而，现有研究多集中于北半球温带地区，且受限于实验规模的差异性，其结论在全球不同气候条件下的普适性存疑。此外，光伏板遮荫对作物生长的复杂影响（如光合作用抑制与微气候改善的权衡）尚未系统量化，导致农光系统优化设计缺乏统一理论支撑。

为破解这一难题，研究人员在《Agronomy for Sustainable Development》发表了一项涵盖20个国家、320组实验的全球荟萃分析。研究首次整合光伏系统设计参数（遮光率、板高、规模）、作物生理响应及微气候变化数据，构建多变量分析框架，并绘制全球农光实验气候分布图，旨在揭示系统性能的气候依赖性及设计临界点。

研究主要采用文献meta分析方法，通过Scopus数据库系统性检索关键词（如“agrivoltaic”“agrophotovoltaics”等），筛选出90篇符合标准的文献，提取遮光率（9%-80%）、光伏板高度（0.35-8.67 m）、系统规模（6.5 m²-1000 ha）等设计参数，以及作物产量、微气候指标（气温、土壤温度、湿度等）数据。气候类型依据柯本分类法划分，作物按耐阴性分为敏感型、部分耐受型与耐受型三类。通过线性回归、分段回归及方差分析（ANOVA）量化关键变量关系，并针对玉米、豆类、生菜等典型作物进行个案深度解析。

光伏系统设计参数与气候适应性

研究发现，光伏系统的设计高度与规模存在显著关联：小型系统（<1000 m²）的平均安装高度（3.05 m）显著高于大型系统（>1000 m²，2.57 m），反映出经济成本与农机械通行需求的权衡。

不同气候带的设计偏好各异：夏热地中海气候（Csa）、季风湿润大陆性气候（Dwa）等温带地区的安装高度多超过3 m，而热带雨林（Af）、冷半干旱气候（BSk）等区域则普遍低于2 m，体现气候适应性设计的差异性。

微气候调控机制

遮光率是影响微气候的核心因素。多数研究表明，光伏板下土壤温度降低（最高降幅5.6℃），空气湿度与土壤水分升高（增幅分别达14%与21%），但气温变化呈两极分化：干旱区大规模系统（>2 ha）因光伏板热辐射累积，气温反升0.7-2.4℃。

分段回归识别出2公顷的系统规模临界点，超过此范围后温度由降转升，主因热岛效应与蒸发冷却减弱。

作物响应规律与遮光阈值

作物产量响应存在明显种间差异：生菜等耐阴作物在遮光率≤40%时产量稳定，而玉米等喜光作物随遮光增加减产显著。

整体回归显示，遮光率20%以下对产量无显著影响，20%-30%区间减产明显（p<0.01），30%-40%时因微气候改善呈现增产趋势（p≈0.05），>50%则严重抑制光合作用。热带气候下耐阴作物优势显著，而温带海洋性气候中各类作物减产均<10%，印证气候-作物-遮光三者的交互效应。

系统优化路径与可持续潜力

研究提出“动态可调式农光系统”理念：低光照需求阶段（如萌芽期）最大化发电，花果期则通过调节板倾角补偿作物需光。此外，高架式（>3 m）、垂直双面光伏等创新设计可优化光分布，缓解机械作业限制。经济效益分析表明，遮光率30%-40%时土地等效比（Land Equivalent Ratio, LER）最优化，实现粮能协同增产。

结论与展望

本研究通过全球数据整合，首次量化农光系统中气候-设计-作物的多重临界点，为区域定制化设计提供实证支持。未来需加强南半球及极端气候区研究，发展基于作物生理的光-温-水协同模型，推动农光系统从“被动适应”向“主动调控”演进，成为气候智慧型农业的核心支柱。