固定倾角农光互补系统中地中海芳香作物的物种特异性生物量与精油性状在不同空间位置上的差异：一项探索性田间研究

《AgriEngineering》：Species-Specific Biomass and Essential Oil Traits Across Spatial Positions in an Agrivoltaic System: An Exploratory Field Study of Mediterranean Aromatic Crops

　　

农光互补（APV）系统被视为多功能土地利用策略，但其对高价值芳香作物的影响仍认识不足。本探索性单站点研究描述了百里香（Thymus vulgaris L.）、鼠尾草（Salvia officinalis L.）和迷迭香（Salvia rosmarinus Spenn.）在农光互补走廊内三个位置及相邻露天对照中的生物量生产、精油产量、抗氧化性状和挥发性组成。与露天对照相比，农光互补区域接收的太阳辐射少17.7%，参考蒸散量低6.8%，风速显著降低，且在相同灌溉制度下土壤含水量高19.2%。所有农光互补位置的单株鲜生物量均比对照高2.4–3.4倍，各位置间数值相近，而干物质含量随位置变化。最遮阴位置干物质含量最低，在鼠尾草中与脱组织比例较低相关，且以干物质为基础的精油产量最高（百里香+69.2%、鼠尾草+19.4%、迷迭香+112.2%），而以鲜重为基础仅迷迭香产量较高。农光互补条件下所有物种的单株估计精油产量均较高。抗氧化能力通常在同一位置最高，而挥发性组成主要与露天对照存在差异。尽管具有物种特异性，结果提示走廊内作物位置可作为潜在的农光互补设计变量。由于区域和位置未设重复且化学分析在混合样品上进行，该假设需通过具重复实验设计的研究加以证实。

研究背景方面，农光互补（APV）系统将光伏发电与农业土地利用相结合，被视为提高土地利用效率、资源利用效率和种植系统气候韧性的策略。自Goetzberger和Zastrow（1982）提出以来，APV已被认定为通过同一土地上同时生产电力和农业生物量来提高土地生产力的变革性方案。光伏组件可改变作物微气候，降低热胁迫和水胁迫。然而，目前研究多集中于蔬菜和水果作物，多年生芳香物种研究不足。遮阴网实验证据表明，光辐射减少对精油植物的影响具有物种和强度依赖性，但遮阴网提供相对均匀的漫射辐射削减，而APV结构产生移动阴影和跨行空间辐射梯度，并伴随风速和蒸发需求的同步变化。地中海唇形科植物（迷迭香、鼠尾草、百里香）因具胁迫韧性、经济价值及作为化妆品和制药行业高质量原料来源，是解决该问题的合适模型。精油产量不仅取决于生物量生产，还取决于代谢物浓度，后者可能对适度胁迫缓解和改善的微气候条件产生正向响应。因此，研究人员在意大利中部一个固定倾角APV系统开展探索性单站点研究，采用集成监测方法，将APV空间异质性（通过微气候监测和几何遮阴模型量化）与精油作物的定量和定性性状相联系。研究目的为：(i) 量化APV系统诱导的微气候变化及走廊内遮阴空间分布；(ii) 比较APV位置与露天对照间的单株生物量和精油产量；(iii) 描述各物种精油产量和品质如何随走廊内作物位置变化，作为APV设计中作物布局假设的基础。研究具有重要意义，有助于理解APV诱导的微气候异质性如何影响用于化妆品和制药应用的芳香物种的生产力和品质。

关键技术方法方面（不超过250字）：研究在意大利维泰博一个固定倾角APV设施开展，设APV区和相邻露天对照区各500 m2，种植百里香、鼠尾草和迷迭香，APV走廊内设3个作物行位置（Row 1距支撑柱北1.4 m、Row 2为2.2 m、Row 3为3.0 m）。采用集成监测框架，以15 min间隔记录大气和土壤水分传感器数据，计算参考蒸散量（ET0）。建立简化的二维几何遮阴模型，基于NOAA太阳位置算法估算作物冠层水平辐射。采用水蒸气蒸馏法提取精油并测定鲜重和干物质基础产量。以气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析挥发性组成，线性保留指数（LRI）辅助鉴定。采用Folin–Ciocalteu法测定总酚含量（TPC），铁还原抗氧化能力（FRAP）法测定抗氧化能力。数据分析为描述性统计，并以主成分分析（PCA）作探索性可视化。

研究结果方面，3.1 微气候与土壤特征：监测期（2024年1月至2025年5月）APV区平均气温略低于对照（13.38 vs. 13.58 °C；?1.5%），日均最高温降低幅度较大（20.75 vs. 21.17 °C；?2.0%）；累计降水低9.0%；风速均值0.34 vs. 3.77 m s^?1（?91.1%）；2 m高度累计太阳辐射低17.7%；累计ET0低6.8%；全期平均土壤含水量高19.2%，但2024年6–8月出现暂时反转（APV低15.0%）。3.2 作物水平理论遮阴：APV结构产生光可利用性空间梯度，Row 1遮阴最强（每日直射遮阴10.5 h，占日照87%，拦截95%晴空直射辐照），Row 2居中（9.6 h；80%；85%），Row 3直射遮阴最少（8.1 h；68%；54%）但天空视角因子最低（0.30）；作物水平全球辐射估算削减范围为Row 3的?60%至Row 1的?80%。3.3 植株生长、干物质与精油产量：所有物种APV各位置单株鲜生物量均高于对照，三个APV位置间相近；Row 1干物质含量显著低于对照（百里香?50.3%、鼠尾草?42.4%、迷迭香?29.1%），田间观察显示Row 1冠层大部分保持绿色，而Row 2和Row 3含大量附着干枯灰褐叶片；以干物质为基础的精油产量在Row 1最高（百里香+69.2%、鼠尾草+19.4%、迷迭香+112.2%），以鲜重为基础仅迷迭香在Row 1最高；结合生物量，所有物种APV单株估计精油产量高于对照，百里香Row 3最高（4.2 vs. 0.9 g plant^?1），迷迭香Row 1最高（21.0 vs. 4.9 g plant^?1），鼠尾草各位置相近（8.1–9.4 vs. 4.5 g plant^?1）。3.4 总酚含量与抗氧化能力：百里香TPC在Row 1和Row 2最高（约+10%），FRAP在所有APV位置较高（Row 1 +27.8%、Row 2 +26.4%）；鼠尾草FRAP在Row 1（+78.8%）和Row 2（+54.8%）显著升高，TPC仅Row 1略升（+4.0%）；迷迭香Row 1的TPC和FRAP均最高（+56.7%和+65.5%）；总体Row 1抗氧化能力最高或接近最高。探索性PCA显示Row 1主要与干物质基础精油产量和抗氧化能力相关，对照与干物质含量更密切。3.5 精油挥发性组成：百里香以百里香酚为主（44.4–50.6%），对照（50.61%）和Row 1（49.66%）最高，Row 3（44.43%）和Row 2（44.71%）较低，前体单萜p-cymene和γ-terpinene在APV下略高（Row 2分别达18.87%和11.55%）；鼠尾草α-侧柏酮变幅窄（24.57–26.35%），1,8-桉叶素在APV下升至约19–20%（对照14.68%），樟脑从23.70%降至约17.7–19.2%；迷迭香1,8-桉叶素仍为主导（60.6–65.7%），α-蒎烯在APV下从2.75%显著升至约9.6–10.2%，樟脑和1,8-桉叶素略降，龙脑基本不变。总体APV条件诱导物种特异性挥发性化合物相对分布变化，主要发生在APV与露天之间而非APV各位置间，化学型得以保留。

讨论部分总结：4.1 APV微气候与空间异质性：APV系统主要作为微气候调节器，降低环境胁迫而未实质改变平均温度格局；风速显著降低表明组件和支撑结构不仅是遮阴元素，也是走廊内空气流通的物理屏障；辐射和通风的联合削减导致ET0降低；土壤含水量平均较高但夏季出现反转，表明水分动态还受降水拦截、灌溉、蒸发、作物吸收和面板下水分再分配影响。APV区并非均匀遮阴环境而是空间异质系统，2 m高度辐射测量显著低估作物水平遮阴，对APV监测具实践意义，行位置应视为可调节产量和品质的农艺因素。4.2 植株生长、干物质与精油响应：APV下单株鲜生物量约为露天3倍，但不应解释为遮阴直接刺激生长，而是相同供水下APV效应的响应，生物量差异可能更多反映露天较不利条件的缓冲而非遮阴本身的正面效应；Row 1干物质含量低不能仅由组织水合解释，田间观察指示收获生物量中脱组织比例差异，症状类似冷害，APV区最低温较低且风速极低，平静条件和夜间天空暴露利于辐射冷却和冷空气近地积累，但该假设无法在作物水平验证；干物质基础精油产量Row 1最高部分反映其较低干物质含量和较大活绿组织比例。4.3 抗氧化性状与挥发性 profile：精油TPC和FRAP呈物种特异性差异，Row 1通常较高，但不能确定是减少辐射还是蒸发需求改变了抗氧化相关生物合成途径；TPC与FRAP部分解耦提示Folin–Ciocalteu反应不能完全解释铁还原能力变化；挥发性 profile 主要在APV与露天间不同，百里香化学型保留但Row 2和Row 3中百里香酚比例较低而前体略高，可能反映前体与终产物平衡改变或物候期差异；鼠尾草1,8-桉叶素升高和樟脑降低不必然表示品质整体下降而是化学 profile 改变；迷迭香特征化学型保留。4.4 产品导向APV管理的意义、局限与展望：物种特异性模式提示地中海芳香作物在APV下可能并非功能同质群体，走廊内行位置应视为潜在管理变量以导向不同产品目标；局限性包括单站点单走廊无重复、混合样品单次蒸馏、精油体积读数分辨率0.5 mL、干物质在储存1–2天后测定、传感器仅置于走廊中央、风速低于 anemometer 启动阈值、几何模型高估传感器位置削减故作物水平值为上限、结果仅涉及幼株单次收获单生长季且以单株而非单位面积表达产量。未来研究应包括重复APV走廊和对照小区、多年多次收获、行水平辐射（优选PAR）和土壤水分测定、重复蒸馏及重量法测油、收获后立即分部分测定干物质、单位面积产量结合土地当量比估算。

研究结论部分翻译：本探索性单站点研究聚焦于在APV研究中代表性不足的地中海芳香物种，描述了固定倾角APV系统如何改变作物环境，以及作物性状在APV走廊与相邻露天之间及走廊内不同位置间的差异。与露天相比，APV区主要特征为入射辐射较低、通风显著降低和蒸发需求较低，而非平均气温的实质变化，且在相同灌溉投入下大部分监测期土壤含水量较高。集成监测和几何模型表明APV走廊并非均匀环境，而是光和微气候微环境的镶嵌，作物水平辐射可能显著低于标准传感器高度测量值。在这些条件下，所有物种APV各位置单株鲜生物量均高于露天对照，该差异可能反映建植期露天较不利条件的缓冲而非遮阴的直接效应。干物质含量、精油产量、总酚含量和抗氧化能力随位置不同。Row 1即最遮阴位置，以干物质为基础的精油产量最高，很大程度上与收获生物量中脱组织比例较低相关，且在多个物种中抗氧化能力最高或接近最高。挥发性组成主要在APV与露天间不同，主要成分相对比例呈物种特异性变化而化学型得以保留。由于APV和对照区及走廊内位置未设重复、植株在位置内为子样本、化学性状在单次混合样品上测定，这些差异为站点特异性观察，不能因果归因于APV遮阴或植株位置。然而它们提示APV可能以物种特异性方式改变生物量、干物质、精油产量和植物化学品质间的平衡，且走廊内作物位置可能是相关设计和管理变量。该假设应在重复、多年实验中经重复蒸馏、行水平辐射和土壤水分测量及单位面积产量评估后检验，方能用于指导高价值芳香作物APV系统中的作物布局。