农光互补耦合水肥一体化提升半干旱沙区小麦生长与产量的微环境调控机制

《Agriculture》：Integrating Agrivoltaics with Water–Fertilizer Management Enhances Wheat Growth and Yield in a Semi-Arid Sandy Region

　　

农光互补（agrivoltaics）为干旱与半干旱地区太阳能发电与作物栽培协同利用提供了潜在路径，但小麦对光伏阵列内异质微环境的响应机制尚不清楚。研究人员于2024至2025年在半干旱沙区开展田间试验，评估配备水肥一体化管理的农光互补系统对小麦生长与产量的影响。以无光伏阵列及无水肥管理的传统露地栽培为对照（Open）；在光伏阵列内比较板间无遮阴区（Gap）与板下遮阴区（Under）。两年平均结果显示，Gap与Under处理籽粒产量分别较Open提高88.6%与40.9%。Gap处理根系发育最优，根长与根表面积平均增加27.0%与17.9%。光伏阵列内微环境改善与水肥供给共同促进产量形成，Gap处理有效穗数、每穗粒数与千粒重分别提升17.6%、53.1%与39.0%。尽管Under处理存在遮阴，水肥耦合仍改善土壤水分、有机碳与速效养分，支撑生物量与产量构建。扣除额外水肥投入成本后，农光互补系统净收益较传统系统增加3017 CNY ha?1；偏旱年份中产量降幅更小，表现出气候缓冲潜力。研究表明，农光互补结合水肥管理可提升半干旱沙区小麦生产力。

研究背景与问题提出

全球低碳能源转型推动常规光伏电站快速扩张，但其占地规模加剧了发电与农业生产、生态保育之间的土地竞争。农光互补（agrivoltaics，光伏阵列与作物共区位协同系统）被视为缓解土地冲突、提升系统韧性的多功能路径。在半干旱沙区，风蚀、缺水、养分贫瘠与高温胁迫共同限制作物稳产。光伏板作为物理屏障可削风减蒸、缓冲温湿度，但板间无遮阴区（Gap）与板下遮阴区（Under）形成辐射、水分与养分空间异质格局；同时，主动水肥供给能否与微环境调控协同、小麦如何在不同光斑位置完成形态与产量适配，机制仍不明确。研究人员以科尔沁沙地南缘张武县沙质潮土为对象，选用春小麦品种辽春18，开展两年田间定位试验，核心目标是解析“微环境异质—水肥耦合—小麦生理构型—产量形成”的连锁机制，并为沙区“发电—固沙—增产”协同提供证据。

主要技术方法概括

研究人员在辽宁彰武固定倾角光伏基地设置三处理三重复田间试验，样本为春小麦辽春18植株及0–20 cm耕层土壤。采用AccuPAR LP-80测定冠层上方光合有效辐射（PAR，photosynthetically active radiation），LI-6400便携式光合系统原位测定旗叶净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i）与蒸腾速率（T_r）；以烘干法测土壤水分，综合理化分析测有机碳（SOC）与速效氮磷钾；用根箱原状土块法结合WinRHIZO扫描量化根长、根表面积、直径与根尖数；定期 destructively采样追踪株高、地上生物量、千粒重与灌浆速率，并按光伏占地20%、耕作区Gap占75%与Under占25%做面积加权产量核算；统计采用双向ANOVA与Tukey HSD。

研究结果

光合有效辐射与光合参数

Gap区PAR较Open高9.27%，Under区降低87.5%。Gap处理G_s与C_i显著升高，P_n呈增加趋势；Under处理P_n、G_s、T_r下降但C_i不变，说明遮阴限制同化而非气孔主导失能，叶片瞬时水分利用效率无显著差异。

土壤水分与养分

全生育期土壤含水量Under最高（6.33%）、Gap次之（4.85%）、Open最低（3.51%）；水肥耦合使Gap与Under的SOC、碱解氮、Olsen-P与速效钾显著提升，Under因遮阴截蒸保墒更强，Gap则兼顾光环境与养分活化。

根系形态

Heading期Gap小麦根更长、更细、表面积与根尖数更多（根长+27.0%、表面积+17.9%、根尖+20.7%），形成高效吸收构型；Under根短粗、吸收面缩小，是对低光与高湿的碳限制型调整。

株高与地上生物量

光伏阵列内株高全程高于Open，Gap成熟株高约91 cm、Under约77 cm，较Open（约46–50 cm）大幅增高；生物量积累在灌浆期持续分化，Gap＞Under＞Open，反映微环境与水肥对源库建设的梯次促进。

籽粒灌浆与千粒重

早中期Gap灌浆速率更高，Under在花后21天后追赶甚至反超；千粒重Gap平均提升39.0%，Under提升26.5%，说明Under遮阴在中后期通过降温缓衰延长灌浆活跃期。

产量与产量构成

面积加权后农光系统两年平均较Open增产显著：Gap单产5716 kg ha^?1，Under 4270 kg ha^?1；有效穗数Gap+17.6%，每穗粒数Gap+53.1%。Under虽粒数受限但穗数与粒重补偿，整体系统净收益增加3017 CNY ha^?1，偏旱年（2025降水206 mm）减产幅度更小，显示气候缓冲能力。

讨论与结论翻译

讨论指出，产量提升来自“光伏微环境调控+水肥协同”的叠加：Open受旱、风蚀与贫养分共同制约；Gap获得较优光—水—肥组合，驱动壮根、多穗、大粒；Under以水分与遮阴缓冲抵消光限制，尤其在花后高温干旱时延缓衰老。小麦与大豆等作物遮阴响应不同，其株高未出现典型避荫伸长，而表现为碳限制下的构型保守策略。该系统在沙区兼具清洁能源、增收与生态固沙价值。

结论（翻译）：本研究提供田间证据，表明农光互补耦合水肥一体化可提升半干旱科尔沁沙区小麦生产力。增产由光伏阵列内空间异质微环境调控与水肥管理共同驱动；水肥耦合改善土壤水、有机碳与速效养分，促进根系发育与产量形成。系统具备经济效益与气候缓冲潜力，是干旱半干旱沙区兼顾粮食生产和光伏发展的可行策略。局限在于仅两年单点试验，微环境效应与水肥效应尚未完全解耦，未来需多站点、多品种与管理平衡对照验证。

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提炼本文可复用的农光互补试验设计要点

对比本文与同类农光互补研究的异同

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