追踪式农光互补系统下马铃薯辐射-产量关系的定量化

《Journal of Agriculture and Food Research》：Quantifying the Radiation–Yield Relationship of Potato beneath Tracking Agrivoltaic Systems

　　

农光互补（APV）系统可同时实现作物生产与电力生产，但会形成空间异质性的辐射环境，进而影响作物生产力。研究人员于2023至2026年间在以色列中部一处商业尺度单轴追踪APV系统下开展了4项马铃薯（Solanum tuberosum L.）试验，旨在定量累积光合有效辐射（PAR）、块茎产量、品种响应及植物生理间的关系。位于两组光伏阵列下方及之间的7条作物行，形成了可重复但对比强烈的辐射环境，从阵列边缘的严重遮荫到中央行接近开阔地的辐射。块茎产量随辐射可得性增加而增加，但响应幅度因试验与品种而异。对4项试验均出现的3个品种，仅含PAR的二次模型解释40.8%的产量变异；加入试验与品种后R2升至0.677，再纳入试验×PAR与品种×PAR互作后R2达0.779，表明季节与基因型对辐射响应存在显著调制。以0.9 kg plant-1外部农艺参照衡量的PAR削减与产量差呈一致非线性，但季节间强度有别。28个试验×行组合分析R2=0.674，留一试验交叉验证R2=0.464，说明辐射是生产力的强空间决定因子，但不存在通用产量响应函数。生理与形态性状沿辐射梯度变化，显示植株对异质辐照的适应。结果表明，季节累积PAR为解释追踪式APV下马铃薯生产力空间变异提供框架，而季节与基因型决定响应幅度。该多季多种品种分析拓展了该系统既往非线性PAR-生产力框架，为优化作物布设、品种选择与光伏阵列构型提供定量依据。

研究背景方面，马铃薯作为全球最重要的非谷类粮食作物，依赖冠层辐射截获与同化物向块茎分配，其生产力对辐射可得性高度敏感。农光互补（APV）系统在同源土地叠加农业与光伏发电，可减少粮-能用地竞争，但单轴追踪光伏阵列因日间连续转动，在栽培廊道内形成动态再分布的异质辐射梯度，而非均一遮荫百分比。既有文献多将遮荫处理为平均化单值，缺乏以作物位点为尺度的季节累积PAR（photosynthetically active radiation，光合有效辐射）与多季多品种产量响应的定量链接，亦难判断空间均值关系能否跨季推广。研究人员此前在同址追踪APV下已完成番茄空间现象演示与小麦非线性PAR-产量定量描述，本研究以此递进为基础，检验该框架在营养繁殖贮藏器官作物上跨4季、跨品种组合的稳健性。

本研究发表于《Journal of Agriculture and Food Research》。研究人员在以色列Ramat Gan的Bar-Ilan大学APV试验场（32.072°N, 34.847°E），利用3组商业单轴追踪光伏阵列（GCR地面覆盖率26%，阵列轴取向44.4°NE–224.4°SW，阵列下缘距地约1.7 m，阵列间8 m栽培廊道）布设7条马铃薯行（行1近东阵列、行7近西阵列、行2–6居中）。2023年10月至2026年4月运行4项独立试验，跨季样本队列含7个品种（Celtiane、Esmee、Jelly、Sifra、Mozart、Orchestra、Soprano，其中Celtiane、Mozart、Sifra四季皆在）。栽培采用容器基质系统，每行25容器、每容器5株。辐射监测以行内0.8 m量子传感器10分钟分辨率记录，计算各试验期内逐行累积PAR及其相对同期开阔地PAR的削减率；产量以收获块茎总重÷5得g plant^-1；以0.9 kg plant^-1作外部农艺参照计算产量差百分比（非同期开阔地对照损失）。统计上采用逐试验ANOVA/Tukey HSD、逐行二次/线性回归、针对三共有品种的嵌套模型（PAR二次→加试验+品种→加试验×PAR+品种×PAR）偏F检验，以及28个试验×行全样本二次拟合与留一试验交叉验证。

研究结果部分，3.1节环境条件下空间PAR分布显示，尽管4季作物时长（75–103 d）与开阔地累积PAR（1734–3022 mol m^-2）不同，7行PAR排序高度可重复：行1（东阵列下）最低（329–539 mol m^-2，削减78–85%），行4–6中央廊道最高（近开阔地，削减0–6%），行7（西阵列下）居中（削减37–41%），证实追踪APV几何产生稳定辐射梯度。3.2节单试验内产量响应表明，4季均呈边缘行低产、中央行高产的空间趋势，但幅度各异：Exp.1行4均值933 g plant^-1接近参照，行1仅356 g；Exp.2空间响应最弱（均值699–889 g，与0.9 kg差最小）；Exp.3（最短季、最低季PAR）空间反差最大（行1≈356 g、行6≈884 g）；Exp.4中央宽高产区明显。3.3节逐试验PAR削减-产量差相关为r=0.959/0.649/0.978/0.969，二次模型行级R²为91.9%/42.1%/95.6%/93.8%，Exp.2偏弱证明同PAR梯度不等价于同产量响应。3.4节三共有品种84组合嵌套模型：PAR二次仅R²=0.408；加试验+品种升至0.677（偏F_5,76=12.68, P<0.000001）；再加试验×PAR+品种×PAR互作达0.779、RMSE≈91 g plant^-1（偏F_5,71=6.58, P<0.0001），试验(P=0.0026)与品种(P<10^-8)主效及两互作(P=0.0013/0.0073)均显著，证明季节与基因型调制斜率。3.5节整合28组合二次R²=0.674，七行季均描述性多项式R²≈0.98，但留一试验交叉验证R²=0.464、RMSE≈12.5百分点、MAE≈9.5百分点，说明空间模式可重复而定量转换跨季中等泛化。3.6节Exp.4生理形态显示，SPAD叶绿素与叶氮常于中-中央行达峰（如Celtiane行4 SPAD 53.5、N 19.6 mg g^-1），单叶鲜重与茎高在边缘遮荫行反而更大（Sifra行1茎高40.0 cm、行4仅18.0 cm），体现品种特异的避荫伸长与叶片补偿，非单一机制驱动产量。

讨论与结论翻译总结：研究人员指出，追踪APV下马铃薯生产力与逐行累积PAR强关联，但不可脱离季节与基因型解释；该APV几何生成可重复辐射梯度（东阵强遮荫、中央近开阔、西阵中遮荫），产量空间态随之复现，然给定PAR削减的产量差幅度受作物时长、季辐射、温湿及品种源-库特性调节。与同址小麦研究比对，二者皆呈二次非线性（小麦解释81.1%/84.2%，马铃薯整合0.674、跨验0.464），证实累积季PAR作APV几何-作物性能桥梁具跨作物适用性，但系数与基因型×环境效应作物特异。生理数据支持避荫伸长与叶级补偿并存。结论为：季节累积PAR为追踪APV下马铃薯生产力空间变异提供解释框架，季节与基因型决定响应幅度；该研究将同址番茄（现象）→小麦（单季定量）→马铃薯（多季多品种）递进完成，为作物行位布设、耐荫品种筛选及单轴追踪阵列GCR/取向优化提供定量基础，并明确反对以七行平均多项式作为通用预测函数。