遮荫对农光互补系统中高粱和大豆籽粒产量的影响：遮荫条件下的源-汇关系强度

《Smart Agricultural Technology》：Shading Impacts on Sorghum and Soybean Grain Yields in Agrivoltaics Systems: Source-Sink Strength in Response to Shading

本研究探讨了农光互补系统中光伏板阴影对高粱和大豆生长及产量的影响，通过源-汇操纵实验发现大豆产量显著下降，而高粱影响较小，优化管理措施可缓解损失，并验证了土地等效比率（LER）在提高土地利用效率中的作用。

　　在农业与能源协同发展的背景下，农业光伏系统（Agrivoltaics, AV）正逐渐成为一种重要的创新模式。该系统通过将作物种植与光伏发电结合，不仅实现了土地资源的高效利用，还为可持续农业和清洁能源生产提供了新思路。本文旨在探讨农业光伏系统对两种主要作物——高粱（Sorghum bicolor）和大豆（Glycine max）——在不同光照条件下的生长和产量影响，特别是在遮荫条件下对关键产量构成因素和最终产量的影响。通过比较在全日照和光伏板遮荫环境下的作物表现，研究者希望找到优化管理策略以减轻遮荫带来的产量损失的方法。

### 一、农业光伏系统的背景与重要性

农业光伏系统是一种在农业生产中集成光伏发电技术的创新模式，其核心在于通过在农业用地中安装太阳能板，实现对土地的双重利用。这种方式不仅能够减少对传统耕地的需求，还能为农业生产提供额外的能源来源。随着全球对可持续农业和清洁能源的重视，农业光伏系统成为研究热点。然而，尽管其在提高土地使用效率方面具有显著优势，但光伏板的遮荫效应可能对作物的生长和产量产生负面影响，尤其是在关键的生长阶段。

为了评估农业光伏系统对作物产量的影响，研究者引入了“土地等效比”（Land Equivalent Ratio, LER）这一指标。LER能够反映在相同土地面积下，农业光伏系统相比传统单一种植模式所能获得的产量优势。研究发现，在农业光伏系统中，高粱和大豆的LER分别为1.54和1.23，表明该系统在土地使用效率方面具有显著提升，尽管作物产量可能受到一定限制。

### 二、研究方法与实验设计

本研究在位于美国伊利诺伊州厄本那的“太阳能农场2.0”（Solar Farm 2.0）进行了为期两年（2023和2024）的田间试验。该农场占地22公顷，年发电量约为20,000兆瓦时（MWh），主要用于满足大学的能源需求。实验设计包括在光伏板遮荫区和全日照区种植高粱和大豆，并通过不同的管理措施（如除叶和去粒）来调控源库关系，以评估遮荫对产量构成因素的影响。

实验中，每个试验区的面积为4米宽、6米长，包含五行，行间距为0.75米。研究团队通过测量作物的叶绿素含量、植株高度、生物量和产量等指标，评估遮荫对作物生长和产量的影响。同时，还利用光谱辐射计测量不同遮荫区域的光合有效辐射（PAR）和每日光积分（DLI），以量化遮荫的程度。

### 三、遮荫对作物生长和产量的影响

研究结果表明，遮荫对高粱和大豆的生长和产量产生了不同的影响。在2023年和2024年的试验中，高粱在全日照条件下的产量与遮荫区的产量相比变化不大，尤其是在遮荫较少的中间行。而大豆则表现出较为明显的产量下降，尤其是在遮荫较多的东侧和西侧区域。这种差异可能与两种作物对光的需求和对资源分配的适应能力有关。

在遮荫条件下，作物的生物量和产量均受到一定影响。对于高粱而言，遮荫主要影响了其穗部的干物质积累，而大豆则因遮荫导致的光合能力下降，进一步影响了其产量。研究还发现，遮荫对高粱的产量构成因素（如穗粒数和粒重）的影响较为复杂，而大豆的产量则主要受限于穗粒数的减少。这表明，在农业光伏系统中，作物的产量损失主要来源于对光资源的利用不足，从而影响了其关键产量构成因素。

### 四、关键产量构成因素的响应机制

研究进一步探讨了遮荫对作物源库关系的影响。在高粱中，遮荫减少了光合能力，导致穗粒数减少，但粒重的变化则相对较小。然而，通过增加源库的容量（如通过除叶和去粒），可以显著提高高粱的粒重，从而缓解遮荫带来的产量损失。这一发现表明，高粱在遮荫条件下仍然可以通过增强源库的强度来部分补偿产量损失。

相比之下，大豆的产量损失更为显著，且其粒重对光合能力的变化反应较弱。研究发现，大豆的粒重主要受到光合能力的限制，而遮荫条件下的光合能力下降会直接导致粒重减少。这说明大豆在遮荫条件下更倾向于受到源限制，而非库限制。因此，为了提高大豆在农业光伏系统中的产量，关键在于避免资源的不足，特别是在灌浆期。

### 五、农业光伏系统的土地利用效率

尽管遮荫可能导致作物产量的下降，但农业光伏系统在土地利用效率方面表现出显著优势。研究发现，高粱和大豆在农业光伏系统中的LER分别为1.54和1.23，表明在相同土地面积下，农业光伏系统能够比传统单一种植模式获得更高的产量。这种效率的提升主要得益于太阳能板对土地的遮荫，减少了对水资源和热量的消耗，从而提高了作物的生长环境质量。

然而，农业光伏系统的实际应用仍然面临诸多挑战。例如，太阳能板的安装成本较高，且在实验中，建立全日照对照组的成本也较为昂贵。此外，遮荫对作物的生长和产量影响可能因地理位置和气候条件而异，因此在推广农业光伏系统时，需要考虑具体的环境因素。

### 六、未来研究方向与管理建议

基于本研究的结果，未来的研究应更加关注不同作物对遮荫的响应机制，特别是其关键产量构成因素的变化。此外，农业光伏系统的优化设计也需要考虑作物的生理特性，如其对光的需求、对资源的利用效率以及对遮荫的适应能力。

在管理实践中，针对不同作物的遮荫影响，可以采取不同的策略。例如，对于高粱，可以在灌浆期增加光合产物的供应，以提高粒重；而对于大豆，则应重点避免灌浆期的资源限制，确保其在遮荫条件下仍能获得足够的光合产物。此外，通过选择适宜的作物品种，如具有较强遮荫适应能力的高粱品种，也可以有效缓解遮荫带来的产量损失。

### 七、研究的意义与应用前景

农业光伏系统的成功应用不仅取决于技术的创新，还需要对作物的生理响应进行深入研究。本研究通过实证分析，揭示了遮荫对高粱和大豆产量构成因素的影响，为农业光伏系统的优化提供了科学依据。研究结果表明，尽管遮荫可能导致作物产量的下降，但通过合理的管理措施和品种选择，可以显著减轻这种影响，提高系统的整体效益。

未来，农业光伏系统有望在更多地区推广，特别是在水资源紧张和光照充足的区域。通过进一步优化光伏板的布局和设计，以及结合作物的生理特性，农业光伏系统将能够更好地实现农业与能源的协同生产，为可持续发展提供新的解决方案。