光伏农业系统缓解干旱地区光合午休效应的气候智能型解决方案

为解决干旱地区高温干旱导致的光合午休现象及水资源短缺问题，研究人员开展光伏农业系统(AV)对作物光合作用、水分利用效率(WUE)和产量的影响研究。结果表明AV系统通过降低75%光照强度、1.3°C气温和0.5 kPa蒸汽压亏缺(VPD)，使番茄和菜豆日累计CO2 吸收量提升11.7%-45.8%，在50%灌溉条件下仍保持产量稳定。该研究为干旱地区实现"能源-粮食-水"协同发展提供了创新方案。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱地区农业面临前所未有的挑战。随着温度升高和干旱程度加剧，传统农业正陷入"水越少-灌溉越多-效率越低"的恶性循环。更棘手的是，高温干旱导致的光合午休现象——即作物在正午时分因环境压力关闭气孔停止光合作用——使本就紧张的农业生产力雪上加霜。与此同时，可再生能源发展需要大量土地，与农业形成竞争关系。如何破解这些相互交织的难题，成为实现可持续发展目标的关键。

美国亚利桑那大学Greg A. Barron-Gafford团队在《npj Sustainable Agriculture》发表的研究，创新性地将光伏发电与农业生产结合，提出"光伏农业系统"(Agrivoltaics, AV)解决方案。研究人员在亚利桑那州图森市建立实验基地，通过固定倾角32°、离地3.3米的光伏阵列，构建出独特的农业微环境。研究选取代表不同功能型的三种作物：草本植物罗勒(Genovese Basil)、豆科作物红菜豆(Anasazi Bush Red Bean)和茄果类樱桃番茄(Solanum lycopersicum var. cerasiforme)，设置100%和50%两种灌溉梯度，系统监测了微气候参数、光合特性及产量表现。

研究采用LI-6400便携式光合仪进行全天候叶片气体交换测量，结合Vaisala HMP60温湿度探头和LI-190R光合有效辐射传感器记录环境参数，通过压力室法测定叶片水势。统计方法采用Tukey显著性检验分析不同处理间的差异。

微气候调控效应
数据显示，光伏阵列使正午光合有效辐射降低75%，从2415±182 μmol m^-2
s^-1
降至553±43 μmol m^-2
s^-1
。这种遮荫效果带来显著的气候缓冲：日间气温降低1.3±0.3°C，蒸汽压亏缺(VPD)平均降低0.50±0.04 kPa，土壤含水量维持时间延长。这种改良的微环境为作物应对极端气候提供了"避风港"。

光合午休的缓解机制
在传统种植条件下，三种作物均表现出典型的光合午休现象。罗勒和红菜豆在正午时分光合速率降至零甚至负值，番茄保持33%的晨间峰值活性。而在AV系统中，作物虽在晨间光合速率较低（罗勒低103%，红菜豆低56%，番茄低45%），但从13:00至18:00持续保持较高活性。这种"时间再分配"效应使红菜豆和番茄的日累计CO₂
吸收量分别增加25.5%和11.7%。

水分利用的革新
当灌溉量减半时，AV系统的优势更为突出。传统种植的红菜豆和番茄日累计CO₂
吸收量下降26-40%，而AV系统内的作物仅罗勒受影响（下降48%）。更惊人的是，AV系统下红菜豆的作物水分生产率（Crop Water Productivity）提升130%，番茄提升112%。这表明AV系统能大幅提高"每滴水生产的食物量"。

产量表现的突破
在50%灌溉条件下，AV系统展现出强大的缓冲能力：红菜豆产量逆势增加14%，番茄产量保持稳定，而传统种植的番茄产量骤降59%。特别值得注意的是，虽然罗勒在AV系统中产量降低21%，但降幅仅为传统种植（39%）的一半。这种差异源于不同作物对遮荫和水分的响应策略：草本植物倾向于维持蒸腾，豆科作物优化水分利用，而番茄则保持稳定的生理活动。

这项研究的重要意义在于，它首次从生理机制层面揭示了AV系统如何通过重构光温环境来破解光合午休难题。光伏板创造的"部分遮荫-降温-保湿"三位一体效应，使作物在气候变化背景下仍能维持生产力。研究提出的"时间再分配"理论（将光合活动从晨间峰值分散至全天）为优化AV设计提供了新思路。

从实践角度看，该研究证明AV系统能实现"三赢"：在相同土地上同时获得可再生能源、稳定农产品和节水效益。特别对于干旱地区，这种"粮食因能源而增产"的模式，将传统的水-能-粮竞争关系转化为协同关系。研究团队建议未来应针对不同作物特性优化光伏阵列设计，如调节高度、间距或采用动态追光系统，以更好地平衡光能捕获与作物需光量。这项成果为全球干旱地区应对气候变化、实现可持续发展目标提供了切实可行的解决方案。