地中海葡萄栽培中的农业光伏：对生理、产量和生物多样性的影响

《Scientia Horticulturae》：Agrivoltaics in Mediterranean viticulture: Impacts on physiology, yield andm biodiversity

　　

农业光伏（Agrivoltaic, AV）系统正作为一种双重土地利用策略出现，以缓解地中海葡萄栽培中的气候胁迫，但品种特异性反应仍未被充分量化。本研究在2024年生长季，于意大利南部雨养管理的葡萄园中，评估了光伏诱导遮阴对酿酒葡萄（Vitis vinifera L. cv. Primitivo）在完全日照（full sun, FS）以及AV系统下两种光照条件（低遮阴，low shade, LS；高遮阴，high shade, HS）中的影响。遮阴改变了微气候，使空气温度降低约0.5–1°C，相对湿度增加2–14%。观察到显著的形态响应：枝条长度从FS的115.8 cm增加到LS的267.20 cm和HS的274.2 cm，同时遮阴条件下叶面积和生物量更高。气孔密度从FS的208 stomata mm^-2增加到LS–HS的288–308 stomata mm^-2，HS下气孔尺寸也更大。生理响应因处理而异：净CO₂同化呈现可变模式，而HS下正午茎水势（midday stem water potential, Ψ_MD）高于FS（即负值更小），表明植株水分状况改善。遮阴下叶绿素含量（SPAD）增加。面板下的葡萄产量从FS的0.41 kg/蔓增加到LS的1.36 kg/蔓和HS的1.06 kg/蔓；可滴定酸度从FS的7.29 g/L降低到LS的6.51 g/L和HS的6.09 g/L，而浆果可溶性固形物（berry soluble solids, TSS）在HS（22.9 °Bx）和LS（24.4 °Bx）中相对于FS（25.8 °Bx）降低。在生长季内进行的两次植物区系调查（春季和秋季）清楚表明，AV条件下自生植物多样性更高。总体而言，地中海条件下AV遮阴与葡萄树形态、生理和产量的变化相关。本研究特别证明，光伏遮阴通过增加气孔密度和大小来优化弱光下的气体交换，从而改变葡萄树的微形态。此外，研究独特地表明，改变的微气候积极促进了葡萄树间自生植物群的生物多样性，显示地中海气候葡萄栽培中的农业光伏可以恢复局部生态生态系统，而不仅仅是维持作物生产。

**论文解读：农业光伏系统对地中海葡萄栽培生理、产量及生物多样性的影响**

**研究背景与问题**

气候变化对全球农业系统构成重大挑战，地中海地区作为气候热点，其升温速率高于全球平均，干旱程度加剧，威胁着葡萄栽培等多年生作物的可持续性。预计到本世纪末，70%以上的地中海葡萄酒产区可能不再适合生产高品质葡萄酒。葡萄（Vitis vinifera L.）是重要的经济作物，其中意大利是主要葡萄酒生产国，而普里米蒂沃（Primitivo）品种在南意大利广泛种植，虽糖分积累高，但存在酚类组成和颜色稳定性不足的问题。传统的完全日照栽培下，高温和水分亏缺导致葡萄生理过程紊乱，影响浆果成分（如糖分升高、酸度降低、酚类物质变化）。农业光伏（Agrivoltaic, AV）系统作为一种土地双用途策略，通过在相同土地面积上共置光伏发电与农业生产，有望缓解热胁迫和水胁迫。然而，目前关于地中海雨养条件下，AV遮阴对特定葡萄品种（如Primitivo）的形态-生理响应、产量及生物多样性的影响仍缺乏量化研究。该研究旨在评估AV系统遮阴对葡萄树性能的影响，并验证其对自生植物生物多样性的作用。

**研究人员开展的研究与结论**

本研究于2024年生长季在意大利南部拉泰尔扎（Laterza）的一个商业光伏农场进行，以8年生Primitivo葡萄树为材料，设置三种光照处理：全日照（FS）、低遮阴（LS，约95%光照）和高遮阴（HS，约5%光照）。研究人员系统监测了微气候参数、葡萄树生理生态指标（如叶绿素含量、净CO₂同化速率、叶绿素荧光、茎水势、气孔导度）、形态参数（枝条长度、叶面积、生物量、气孔密度和大小）、产量与果实品质（总可溶性固形物、pH、可滴定酸度、酚类物质和花青素），以及两个季节（春季和秋季）的自生植物区系组成和多样性。结果表明：AV遮阴降低了空气和土壤温度（约0.5–1°C），增加了相对湿度（2–14%）和土壤湿度（约+20%）；遮阴促进营养生长，增加了枝条长度、叶面积和生物量；气孔密度和大小在遮阴下增加；HS下正午茎水势更高（负值更小），表明植株水分状况改善；叶绿素含量（SPAD）在遮阴下增加；净CO₂同化速率在LS下最高，HS下最低；产量在LS和HS下显著高于FS，但总可溶性固形物（TSS）在FS中最高（25.8 °Bx），LS和HS分别降至24.4和22.9 °Bx；可滴定酸度在FS中最低，遮阴下升高；酚类物质在LS下积累最高，HS下最低；自生植物种类丰富度在AV区域几乎是FS区域的两倍，显示出更高的生物多样性。该研究重要结论是：AV遮阴通过改变微气候，改善了葡萄树的水分状况，促进了营养生长和产量，但降低了糖分积累；同时，遮阴环境优化了气孔形态以增强气体交换，并显著促进了自生植物多样性，表明AV系统可恢复局部生态。论文发表在《Scientia Horticulturae》。

**主要关键技术方法**

研究人员在意大利南部的商业光伏农场（Le Rene，拉泰尔扎）进行实验，样本为8年生Primitivo葡萄树（砧木Paulsen 1103），采用随机完全区组设计（RCBD），三个空间光照条件（FS、LS、HS）重复于三个区组。主要技术包括：使用自动气象站（Netsens）连续监测空气温湿度、土壤温湿度、太阳辐射和VPD；用便携式气孔计（Leaf Porometer SC-1）测量气孔导度，用SPAD-502测定叶绿素含量，用手持式光谱仪（PG200N）测量光质量（PPFD和R:FR），用LICOR 6400XT在固定PAR（1000 μmol m^-2 s^-1）下测量净光合速率和蒸腾速率；用压力室（PMS）测定正午茎水势；用Handy-PEA荧光计测量叶绿素荧光（Fv/Fm）；用光学显微镜和指甲油印迹法测定气孔密度和面积；用Braun-Blanquet植物社会学方法进行植物区系调查；用HPLC-DAD-MS/MS分析酚类和花青素；采用线性混合效应模型（LMM）和主成分分析（PCA）进行统计分析。

**研究结果**

**微气候参数**：AV遮阴使空气温度降低约0.5–1°C，土壤温度降低0.3–1°C，相对湿度增加2–14%，土壤湿度增加约20%。这些变化在夏季最热时段最为明显。

**生理参数**：叶绿素含量（SPAD）在HS和LS下显著高于FS（p<0.01）。净CO₂同化速率（A）受处理显著影响（p=0.0068），LS下最高（8.95 μmol m^-2 s^-1），HS下最低（6.83 μmol m^-2 s^-1），FS居中（8.25 μmol m^-2 s^-1）。正午茎水势（Ψ_MD）在HS下显著高于（即负值更小）FS和LS，表明水分状况改善。气孔导度（gs）受处理影响边缘显著（p=0.0456），但事后比较未显示一致差异。叶绿素荧光（Fv/Fm）在HS下显著高于FS，表明PSII效率提高。主成分分析（PCA）显示三个处理在SPAD、R:FR和Ψ_MD基础上形成明显分离。

**营养生长参数**：所有生长参数均受处理显著影响（p<0.001）。遮阴下枝条长度（HS: 274.2 cm, LS: 267.2 cm）显著高于FS（115.8 cm）。节间长度和直径、茎鲜重和干重、叶鲜重和叶面积、叶柄长度和直径均在遮阴下显著增加。气孔密度在FS下最低（208.33 stomata mm^-2），HS和LS下显著增加（308.33和288.89 stomata mm^-2）。气孔面积在HS下最大（362.05 μm2），显著高于FS和LS。

**植物区系调查**：春季和秋季调查显示，AV区域自生植物物种丰富度显著高于FS区域（p<0.001），AV区域记录到的物种数约为FS区域的两倍。Shannon-Wiener多样性指数在AV下更高，表明遮阴促进了植物多样性。

**产量与果实品质**：每蔓果穗数在LS下最高（8.8），HS（6.4）和FS（4.8）依次降低。果穗重和每蔓产量在HS和LS下显著高于FS（FS: 0.41 kg/蔓，LS: 1.36 kg/蔓，HS: 1.06 kg/蔓）。总可溶性固形物（TSS）在FS中最高（25.8 °Bx），LS（24.4 °Bx）和HS（22.9 °Bx）依次降低。可滴定酸度（TA）在FS中最低（6.09 g/L），LS和HS较高（6.51和7.29 g/L）。pH值差异较小。总酚和总花青素含量在LS下最高，HS下最低，FS居中。

**讨论与结论**

**讨论**：研究讨论了AV系统对微气候的调节作用，指出遮阴降低了空气和土壤温度、增加了湿度，有利于缓解热胁迫。葡萄树的生理响应表现出遮阴适应策略，如SPAD升高、Fv/Fm改善、气孔密度和面积增加，这些变化有助于在弱光下优化气体交换和碳同化。遮阴下营养生长增强，生物量积累增加，但FS下枝条生长受限，可能由于慢性光抑制和水分胁迫导致代谢紊乱。产量增加主要得益于果穗数和果穗重的提高，但糖度下降，酸度上升，表明遮阴延缓了成熟，同时促进了酚类物质在中等遮阴（LS）下的积累。植物区系结果表明，AV系统通过提供更适宜的小气候，增加了自生植物多样性，可作为生态避难所。研究强调，AV系统在葡萄栽培中不仅维持作物生产，还能恢复生态功能。

**结论**（翻译原文结论部分）：在2024年生长季，AV葡萄园中光伏面板的存在诱导了中度的微气候缓冲效应，表现为遮阴条件下空气温度降低约0.5–1.0°C、土壤温度降低0.3–1.0°C、土壤湿度增加20%、相对湿度增加2–14%。葡萄树的形态和生理性状受遮阴影响，面板下表现出更大的生物量、更高的气孔密度和面积，以及更高的SPAD值和净CO₂同化速率。葡萄产量和品质参数也因处理而异：面板下产量更高，但FS中糖分积累（25.8 °Bx）高于LS（24.4 °Bx）和HS（22.9 °Bx）。在生态系统层面，遮阴区和未遮阴区之间观察到更高的物种丰富度和植物区系组成差异，AV系统中物种数量是FS的两倍。这些结果表明，AV系统可以在多个层面影响葡萄园的功能。然而，需要长期和多点的评估来验证不同气候条件、更多季节和其他果树物种下的响应。从实践角度来看，LS是最优的农业光伏策略，在产量和品质之间取得了平衡。为了最大化效益，种植者应使用动态或低密度遮阴来平衡营养生长与葡萄生产，同时促进葡萄园生态系统的生物多样性。