光伏阵列下不同建植方式与遮荫区对牧草生产的影响及其在农光互补系统中的应用价值

这篇研究通过对比耕作覆膜(TP)、仅覆膜(P)和仅除草(H)三种建植方式，结合光伏阵列内四个遮荫梯度区(A-D)的光合光子通量密度(PPFD)监测，揭示了遮荫强度(78%-9%)对牧草建植(782 vs 457株/m2)、干物质产量(4.5 t DM ha-1 y-1)及营养品质(CP提升0.2-0.6%)的差异化影响，为优化农光互补(AV)系统设计提供了关键数据支撑。

　　

1 引言

随着美国太阳能装机量年增51%至32 GWdc，农光互补系统成为缓解能源与农业用地矛盾的关键方案。研究聚焦光伏阵列对微气候的改造效应——通过遮荫改变光合光子通量密度(PPFD)和土壤温湿度，进而影响包含多年生黑麦草(Lolium perenne)等6种牧草的混播群落。特别关注耕作覆膜(TP)、塑料覆盖(P)和除草剂(H)三种预处理对建植成功率的影响，以及阵列间4个1米宽光梯度区(A:78%遮荫至D:9%遮荫)的生产力差异。

2 材料与方法

实验在俄勒冈州酸性硅质壤土(Chehalis Silt Loam)开展，使用BCS双轮拖拉机实施TP处理，通过Hamamatsu GaAsP光传感器监测PPFD。建植评估采用0.1m²样方计数，干物质产量通过50mm留茬高度收割测定。营养品质分析采用范苏斯特(Van Soest)纤维分析法，数据通过GENSTAT进行双因素方差分析。

3 结果

3.1 土壤环境

最遮荫的A区在2021年干旱期保持较高容积含水量(0.25 vs 0.15 m³ m^-3)，但土壤温度比D区低3-5°C。年PPFD梯度显示：D区(7200 mol m^-2)>C区(6550)>B区(4000)>A区(1550)，其中3月和10月光衰减最显著。

3.2 建植与产量

TP处理建植密度最高(782株/m²)，但两年产量无显著差异(p>0.1)。A区产量仅为其他区的30-50%，而B/C区在45%遮荫下仍保持最高产，D区反因潜在积水问题减产。菊苣(Cichorium intybus)和车前草(Plantago lanceolata)占比超40%，白三叶(Trifolium repens)在A区占比达6%。

3.3 营养动态

遮荫使A区粗蛋白(CP)提升12-15%，但中性洗涤纤维(NDF)增加5-8%。7月生长峰值期间，TP处理的日增长率达13 kg DM ha^-1 d^-1，显著高于H处理。

4 讨论

耕作覆膜的短期优势与遮荫的长期影响形成对比：TP通过改善种子-土壤接触提升建植率，但光限制才是决定生产力的核心因素。意外发现是D区在最高PPFD下产量反降，推测与面板导流导致的养分淋溶有关。菊苣/车前草的耐荫性验证了其作为AV系统优选牧草的价值，而白三叶的衰退提示豆科植物需特殊管理。

5 结论

研究证实农光系统生产力主要受阵列设计(非管理措施)调控：78%遮荫区产能受限，但45%遮荫区可通过耐荫物种维持产出。建议优化面板高度与间距以平衡光热资源，同时需关注边缘区的排水设计。该成果为不同气候带农光系统提供了精细化管理的理论依据。