农光互补（APV）系统通过缓解极端植物温度提高农业产量：基于植物表面温度观测与STICS-Farquhar耦合模拟的量化证据

《Agricultural and Forest Meteorology》：Agrivoltaic systems can improve agricultural yield by mitigating extreme plant temperatures

　　

农光互补（Agrivoltaic, APV）系统可通过缓解极端植物温度提高农业产量。光伏（Photovoltaic, PV）板的辐射遮蔽可使植物温度降低10 °C。在白霜事件期间，农光互补系统内植物温度高2 °C。农光互补系统可通过缓解非生物胁迫（abiotic stress）增强光合作用（photosynthesis）。通过缓冲极端事件，农光互补系统可提高农业产量。农光互补系统可降低农业产量的年际变异性。

研究背景与问题：气候变化使极端温度事件加剧，春季霜冻、干旱和热浪更频繁，威胁农业可持续性。传统防寒设备成本高且增温有限，灌溉在水资源短缺时与区域水管理冲突，遮阳网虽降温但持续减少入射太阳辐射并抑制作物生长。农光互补（Agrivoltaic, APV）系统在农田上方集成光伏（Photovoltaic, PV）板，可同时发电和生产食物；但不同作物产量响应不一，法规要求证明其对农业产量影响有限并给作物带来实际益处。已有APV研究多以空气或土壤温度代理植物温度，难以解释PV板保护植物的物理机制，且缺乏APV内植物温度观测。因此，研究人员在法国Fontainebleau的EDF R&D和EDF power solutions实验APV电站，结合2025年草地观测、Farquhar光合模型和STICS作物模型，评估APV对极端植物温度缓解及农业产量的影响。结论表明，植物温度比空气或土壤温度更能关联胁迫；APV在白霜夜使植物温度高至2.5 °C，在热浪干旱下低至12 °C；可降低年际产量变异，胁迫下产量增益可达30%。该研究支持APV作为气候适应策略，并为设计优化提供依据。

关键技术与方法（≤250字）：研究在法国Fontainebleau的EDF R&D和EDF power solutions实验APV电站开展，样本来自2025年冬、春、夏草地，设APV区和无PV板对照区。布置NR01辐射传感器测太阳辐射（R_solar）和红外辐射（Infrared radiation, IR；R_ir），SI-111-SS红外辐射计测植物表面温度（plant surface temperature, T_p），并测土温、土壤含水量（soil water content, SWC）、气温、相对湿度和风速，数据10 min聚合。用Farquhar光合模型估算净同化率（net assimilation rate, A_n）及热/水胁迫；用STICS（Scientific, Technical and Interdisciplinary simulator of soil–Crop System functioning）perenne_1680模拟草地产量；用PVNOV反向光线追踪模型和γ系数改进IR辐射输入。统计分析采用Python及Student t检验。

研究结果：
3.1 植物表面温度：2025年草地观测显示，APV区夜间T_p平均高0.22 °C，白天低1.8 °C；极端条件下，当对照T_p<0 °C，板下T_p可高至2.5 °C；当对照T_p>40 °C，板下可低至12 °C。空气和土壤温差多<2 °C，而植物温差可>10 °C，且不总是同步，说明植物温度更敏感。
3.1.1 总体结果：多数样本中三类温度差可比，但植物表面温度差异幅度远大于空气和土壤，且大空气/土壤温差不一定对应大植物温差。
3.1.2 冷热温度天气条件：白霜夜APV区T_p保持正，对照降至?3 °C，IR辐射高80 W m^?2可能是主因；黑霜时PV板影响有限。标准晴天下遮荫处T_p可低5 °C；热干条件下APV水损失增加、对照减少，阳光下T_p低>5 °C，遮荫处低至12 °C。
3.2 物理解释：PV板使太阳辐射临时降低>90%，IR平均增加约80 W m^?2，白霜夜植物IR吸收多40%，热浪下IR增加可达150 W m^?2；热浪下阳光下总辐射多约15%，但可被节水益处抵消；SWC相对差异为29.3%。
3.3 从瞬时微气候效应到农业产量修改：Farquhar模型显示PV遮荫使瞬时A_n从约30 μmol m^?2 s^?1降至<10；但APV长期节水使相对日A_n从约60%升至100%，再至300%。STICS模拟显示，无胁迫年到霜冻+干旱年，APV产量仅降2.4 t ha^?1，对照降9.8 t ha^?1；APV春霜后4月刈割干物质比对照增20%；干旱缓解是草地总生物量主导因素。
3.4 关键温度何时何地发生？：观测表明APV内相距<3 m处T_p可差4 °C，行间SWC低于板下约5%，日最高温度可相差>5 h；APV峰值T_p约17:00，对照约15:00；T_p降低≥6 °C多发生在13:00—17:00遮荫期。

讨论总结：4.1 植物、空气或土壤温度评估APV系统对作物生长的影响？植物响应小空间/时间尺度，空气温度受大空间过程控制，土壤温度受长期过程控制；白霜下土温和植物温度差甚至相反，故植物温度更可靠。植物温度可按用途指冠层表面温度或顶端温度，可通过IR辐射计、热像仪或热电偶测量，并可能通过调板倾角调节。4.2 与文献比较：本研究提供极端事件下APV与对照植物温差的实验证据，而既有APV研究多报告空气和土壤温度；这些温差有助于解释PV板下生物量在特定水热条件下更高，并支持APV作为缓冲气象胁迫的适应策略。4.3 农光互补模型挑战与潜在改进：APV不应仅作空间平均；需按微气候区域独立模拟再聚合，并使用小时或亚日数据、能量平衡模型及快速微气候模型，以捕捉阳光/遮荫转换、峰值温度及空间异质性。4.4 农光互补设计优化下一步：设计目标包括成本、能源和农业产量；几何参数显著影响微气候和产量，板下与行间产量差可达30%；垂直板可能加剧白霜和日灼，高架板更利于缓解辐射驱动极端温度；需整合风速、IR、气温、湿度、CO₂及作物光波动响应。4.5 方法局限：4.5.1 重复与泛化：结果特定于草地、单站点和特定PV几何，需更多作物、地点和设计验证。4.5.2 完整能量平衡：未测潜热和显热通量，涡度协方差、蒸渗仪和Granier液流探针应用受限；高架板与低板对辐射和对流过程影响不同。4.5.3 植物对波动光响应：模型未考虑响应延迟，净同化和气孔导度延迟约10和15 min；大板大行距影响<10%，密集小板影响更大，干旱可能增加延迟。

结论翻译：植物温度是与胁迫水平和辐射波动最相关的变量，优于土壤或空气温度。评估PV板诱导的极端温度缓解，意味着量化PV板对植物温度的影响强度。在该APV系统中，辐射霜冻条件下板下植物表面温度比无板时高至2.5 °C，热胁迫下低至12 °C。这些差异由田间微气候数据解释：霜夜升温主要由PV板IR发射增加IR辐射所致，其可超过大气下行IR辐射50%以上；晴夏降温主要由增强土壤水分保持所致，而非仅由遮荫。植物表面温度变化可直接通过叶片衰老或日灼影响产量，或间接通过水热胁迫降低光合作用。基于测量和数值结果，APV系统在能保护植物免受极端温度事件时可提高农业生产；即使也可能降低产量，但可减少年际产量变异。模拟显示无胁迫时约20%的产量损失，在胁迫下可转为高达30%的产量增益。幅度取决于作物种类、土壤性质和PV设计。研究强调准确估计PV诱导微气候及其对植物温度、能量和水交换影响的重要性。建模面临两大挑战：传统作物模型日分辨率与APV亚小时尺度不匹配；缺乏稳健快速的APV微气候模型用于IR、风速、气温、湿度和CO₂。未来需开发APV作物生长模型，捕捉PV板、微气候和植物相互作用，并建立其他作物和土壤类型的响应联系，以优化APV系统。