农业光伏发电系统提高了极度干旱地区的能源、水资源和土地利用效率

《Sustainable Production and Consumption》：Agrivoltaics improve energy-water and land use efficiency in hyper-arid regions

　　摘要：农光互补系统在同一块土地上同时进行光伏发电和作物种植，为解决可再生能源转型、食品生产和极度稀缺的淡水资源这一系列相互交织的挑战提供了直接途径。本研究调查了在沙特阿拉伯东部省阿尔-阿萨（25.4°N, 49.5°E）的极端干旱沙漠气候条件下，安装在滴灌辣椒（Capsicum annuum L.）种植区上的30千瓦双面光伏阵列的能量-水-食物关系的性能。采用配对实验设计，在整个生长季节（2月至7月，共183天）内比较了农光互补处理与露天对照组的差异。该双面光伏系统产生了30,287千瓦时的交流电，相当于每千瓦光伏面积1010千瓦时的特定生长季节产量，平均性能比为77.4%，相对于裸露沙漠土壤的单面参考配置，双面光伏系统的能量增益为9.8%。该光伏阵列使冠层下方平均空气温度降低了2.2°C，土壤温度降低了3.0°C，同时相对湿度提高了6.8个百分点，蒸气压差减少了0.82千帕。农光互补处理下的季节性灌溉用水量为1053毫米，比露天对照组（1478毫米）减少了28.7%，相当于每公顷每年节省4250立方米的水。农光互补全灌溉处理下的市场可销售鲜辣椒产量为每公顷44.1吨，比对照组（48.6吨）减少了9.3%。水分利用效率从对照组的4.22公斤/立方米提高到农光互补处理的5.38公斤/立方米。土地当量比为1.75，表明这种双用途系统产生的综合土地产出比单独的光伏和作物种植区域高出75%。

引言：沙特阿拉伯拥有地球上最极端的能量-水-食物（EWF）关系环境之一。该国超过50%的市政供水依赖海水淡化，而大部分农业灌溉则依赖于不可再生的化石地下水，目前的抽取速率估计超过了自然补给速度的两个数量级（Al-Ansari等人，2015年）。同时，该国拥有全球最高的太阳辐射资源，大部分地区的年水平辐照度（GHI）值为2100-2400千瓦时/平方米/年（Allouhi和Almohammadi，2024年）。这种极端的太阳辐射丰富性和极度的水资源短缺为农光互补系统创造了独特的条件，其中光伏阵列与作物种植在同一块土地上共同存在，从而可以同时产生可再生能源电力、减少灌溉需求并保持农业生产力（Giri和Mohanty，2022年）。沙特阿拉伯的2030年愿景计划明确目标是在2030年前使可再生能源在国民电力结构中的占比达到50%，同时减少国内水资源消耗25%，并在关键农作物上实现自给自足（Rahman和Qattan，2021年）。在土地资源有限的情况下同时实现这三个目标在结构上非常困难，因为光伏、灌溉基础设施和农田往往被视为竞争性土地利用。农光互补系统提供了一种技术解决方案，将这一困境转化为协同效应：同一块土地既产生太阳能电力，又通过冠层遮荫节约灌溉用水，并保持粮食产量。光伏阵列降低了极端干旱沙漠的热环境，降低了冠层温度，抑制了蒸散作用，增加了相对湿度，从而使得在原本会导致严重产量损失的情况下也能进行有效作物种植（Barron-Gafford等人，2019年）。

甜椒（Capsicum annuum L.）是沙特阿拉伯种植价值最高的园艺作物之一，主要在东部省、卡西姆地区以及利雅得地区的保护结构下种植。Santra等人（2021年）研究了105千瓦光伏系统的光照可用性的空间和时间变化情况，强调了光伏阵列配置对光合作用光子通量密度（PPFD）和每日光照积分（DLI）的显著影响。该研究根据DLI划分出了三个不同的光照区域，从严重遮荫到完全暴露的区域，展示了作物光照条件的巨大差异。这些结果为根据农光互补系统内的异质光照环境优化作物选择和管理提供了宝贵的指导。极端丰富的太阳能资源、极高的农业用水需求以及辣椒种植的商业重要性使得东部省的阿尔-阿萨成为评估双面农光互补系统综合EWF关系性能的理想地点。该地区的沙质壤土表面反照率为0.35，进一步增强了双面模块的背光辐照度，可能实现高于温带和地中海气候下的双面能量增益。

基础概念部分回顾了农光互补系统提供的生态系统服务，强调了它们在支持可再生能源发电、农业生产、生物多样性保护和环境调节方面的潜力。将太阳能与生产性土地利用相结合可以减少对土地资源的竞争，并有助于实现联合国多项可持续发展目标（SDGs）（Walston等人，2022年）。大多数实验和建模研究来自欧洲和北美的温带和地中海气候区，而来自阿拉伯半岛及更广泛的干旱中东和北非（MENA）地区的证据相对较少。理论上，在炎热干旱环境中，农光互补系统的效益成本比最高，因为在这种环境中，太阳辐射的丰富性与农业热胁迫和水资源压力最为严峻。

Hassanpour Adeh等人（2018年）研究了农光互补系统对未灌溉牧场土壤湿度、微气候和水资源利用效率的影响。研究发现，光伏板下的区域保持了更高的土壤湿度，并经历了更有利的微气候条件，包括更低的空气温度和更高的相对湿度。这些改进使得晚季生物量增加了90%，水资源利用效率提高了328%，表明农光互补系统可以在水资源紧张的环境中显著提高农业生产力。双面光伏模块可以从前后两个表面产生电力，已取代单面技术，成为新的地面安装产品中的主导技术。Riaz等人（2022年）提出了一种基于光生产性因子方法的作物特定优化框架，以改善光伏阵列与作物之间的阳光共享。研究强调，应根据不同作物物种的光照需求定制最佳辐照分布，以最大化粮食和能源的联合产出。Johansson等人（2022年）开发了一个三维计算流体动力学模型，用于评估农光互补系统中双面光伏模块的热行为和能源性能。该模型使用瑞典首个实验性农光互补系统的数据进行了验证，表明模块方向显著影响了温度分布和发电量。这些发现为优化双面光伏配置、改善热管理和提高不同环境条件下的农光互补系统整体效率提供了宝贵的见解。Katsikogiannis等人（2022年）提出了一种通过多尺度建模将双面光伏模块整合到农光互补系统中的协同设计方法。研究表明，优化的双面配置与传统单面系统相比，特定能源产出提高了多达39%，同时改善了作物种植的光照分布。

多项研究已经描述了辣椒（Capsicum annuum）对部分遮荫的反应。Semeraro等人（2024年）证明，设计合理的农光互补遮荫可以在不同灌溉制度下提高作物产量而不影响粮食质量。在光伏板下种植的菊苣在高水分供应和低水分供应情况下分别表现出69%和23%的更高可食用生物量，同时保持了营养价值和生态系统服务。这些发现突显了农光互补系统通过优化遮荫管理来增强粮食安全和气候适应性的潜力。Lee等人（2023年）提出了全面的农光互补设计标准，综合考虑了农艺性能、结构安全性和经济可行性，以促进农光互补系统的更广泛采用。研究分析了遮荫比、发电量、作物生长和结构稳定性之间的权衡，表明模块排列和柱间距对系统性能有显著影响。

优化农光互补系统设计对于最大化可再生能源和农业产出的综合产出同时确保可持续的土地利用至关重要。Trommsdorff等人（2021年）评估了德国农光互补系统的技术可行性，证明优化后的系统设计可以成功支持机械化农业，同时保持农业生产力和发电量。该研究报告称，土地当量比（LER）提高了56-70%，在炎热干燥的季节几乎达到了90%，突显了农光互补系统在恶劣气候条件下的适应性和提高土地利用效率的潜力。Mouhib等人（2024年）研究了双面光伏模块与橄榄种植的整合，强调了优化面板倾斜角度和间距高度以平衡作物和能源生产的重要性。该研究在20°的模块倾斜角度下实现了最高的LER值171%，表明适当的系统配置可以在适度遮荫条件下显著提高整体土地生产力。Mazzeo等人（2025年）开发了一个综合模拟框架，通过评估地面覆盖比率、间距高度和跟踪配置对作物和能源性能的影响来优化露天农光互补系统。研究报道的LER值范围为1.04至2.05，证实了优化的农光互补设计在提供更大灵活性方面优于传统的单一用途土地利用。

在高辐照度环境中，农光互补系统的经济效益特别有利，因为更高的特定能源产出降低了平准化能源成本（LCOE）。Schindele等人（2020年）对农光互补系统的实施进行了技术经济评估，报告的LCOE为0.0828欧元/千瓦时，比传统地面安装光伏系统高出38%。尽管如此，农光互补系统下的马铃薯种植每年仍可产生10,707欧元/公顷的收入，价格效益比为0.85，表明当与高价值作物结合时，农光互补系统的经济潜力巨大。Bellone等人（2024年）开发了一个基于模拟的决策支持框架，结合了技术、农艺和经济指标（包括作物生产力、能源产出、水资源利用效率和资本支出）来确定最佳农光互补配置。分析表明，具有6米间距的单一轴向系统始终在整体排名中表现最佳，强调了其在不同环境中提供强大技术性能和改善经济可行性的潜力。

从环境角度来看，干旱地区的农光互补系统除了温带气候下的额外协同效益外，还带来了额外的好处。Wagner等人（2023年）使用生命周期评估方法评估了农光互补系统的环境影响，证明将食品生产和太阳能整合在一起可以在不牺牲农业用地的情况下减少环境负担。该研究在16个评估的环境影响类别中改善了15个，特别是在气候变化、富营养化和化石资源消耗方面，突显了农光互补系统相比传统土地利用方式的可持续优势。Ravilla等人（2024年）对多种农光互补配置进行了技术经济和生命周期评估，显示所有设计的经济可行性都优于仅使用光伏的系统。研究发现，农光互补系统减少了大约15-55%的环境影响，而只需要额外0.2-0.6美分/千瓦时的电价激励即可与传统作物生产具有经济竞争力，表明它们作为一种可持续和具有经济可行性的土地利用策略具有巨大潜力。

阿拉伯半岛具有独特的农光互补环境，其特点是全球最高的太阳辐照度、极度稀缺的可再生淡水以及迫切需要多样化食物来源和能源供应的政治需求。Ghasemi和Sadeghkhani（2025年）全面回顾了农光互补系统，强调了它们在提高土地利用效率、优化水资源利用、减少温室气体排放以及从食物和能源生产中创造双重收入方面的潜力。Time等人（2024年）提出将保护性农业管理实践与农光互补系统相结合，以增强可持续的食品-能源生产。该研究得出结论，基于保护的农光互补系统可以改善碳封存、减少温室气体排放、保护土壤健康和生物多样性，并在长期内保持或增加作物产量，同时带来经济效益和更大的气候适应性。Campana等人（2022年）开发了一个基于水-食物-能源关系的灌溉管理框架，在不同气候条件下显著提高了农业性能。与传统灌溉方式相比，该系统使作物产量增加了10-60%，而在干旱条件下，由于温度胁迫造成的产量减少了高达30%。

尽管在极端干旱环境中农光互补系统的理论依据非常充分，但尚无经过同行评审的实验研究能够描述该系统在阿拉伯半岛或类似极端干旱气候中的综合EWF关系性能。现有场地数据主要来源于德国、法国、意大利、美国、韩国和印度，这些地区的环境温度最高为35–40°C，年直接辐射（GHI）为1200–1900千瓦时/平方米（kWh m?2），土壤反照率值为0.15–0.25。阿拉伯半岛的极端干旱条件在这三个参数上都有显著差异：夏季的环境峰值温度经常超过46°C；年直接辐射超过2200千瓦时/平方米；而明亮的沙质壤土沙漠土壤的反照率值为0.30–0.40，这大大增加了背面的双面辐照强度。这些差异意味着，在温和地区和中欧地区文献中记录的能量增益、模块冷却、微气候改善以及节水效果无法在没有直接实测数据的情况下可靠地推广到沙特阿拉伯的条件。此外，还没有任何研究将实时子冠层传感器数据与FAO-56 Penman-Monteith蒸散模型结合起来，以估计在极端干旱条件下的双面农光系统中作物的实际需水量，因此节水机制在过程层面仍未得到解决。目前还没有在沙特阿拉伯极端干旱环境中，通过一次完整的季节性试验同时测量性能比、双面增益、模块冷却、微气候变量、灌溉量、实际蒸散量、作物产量和水分利用效率（WUE）的案例，这正是本研究旨在填补的实证空白。

本研究在沙特阿拉伯东部省的Al-Ahsa进行了一项全季节的对比实验评估，研究了一个30千瓦峰值（kWp）的双面光伏（PV）系统与滴灌栽培的Capsicum annuum（辣椒）的结合情况，并同时测量了所有相关的能量-水-食物（EWF）网络性能指标。研究目标和创新点如下：
1. 量化极端干旱沙漠气候下双面农光系统的发电性能，包括季节性性能比、相对于单面裸土参考值的双面能量增益，以及由于植被冷却导致的模块温度降低。
2. 描述整个2月至7月生长季节中双面阵列引入的子冠层微气候变化，特别关注温带气候文献中未提及的热缓冲和湿度增强效应。
3. 在农光系统和开放田地对照条件下测量季节性灌溉用水量，并使用适应子冠层辐射和蒸汽压亏缺环境的FAO-56 Penman-Monteith框架估算实际作物蒸散量。
4. 评估在全额灌溉和亏缺灌溉条件下Capsicum annuum的市场产量、生物量动态和水分利用效率。
5. 计算双面农光系统的季节性能量损失比率（LER），并根据沙特阿拉伯的投资背景进行LCOE（生命周期成本）敏感性分析。
6. 提供首个针对极端干旱阿拉伯气候下Capsicum annuum双面农光系统的综合、同时测量EWF网络性能数据集，为中东和北非（MENA）地区水资源稀缺的干旱地区的技术部署提供实证设计参数和性能参考标准。

**实验地点、材料及作物规格**
实验地点设在沙特阿拉伯东部省Al-Ahsa绿洲的一家获得许可的农业研究农场（坐标：25.4°N, 49.5°E，海拔167米）。Al-Ahsa是世界上最大的连续绿洲之一，也是东部省的主要园艺生产区。当地气候为极端干旱型（K?ppen BWh），夏季极其炎热干燥（7月平均最高温度46.2°C），冬季温和，年平均降水量为80毫米。

**太阳资源特征**
Al-Ahsa的年直接辐射（GHI）为2283千瓦时/平方米/年，6月份达到每月最高值276千瓦时/平方米，12月份降至最低值141千瓦时/平方米。全年光束水平辐照度占GHI的比例为0.62，在生长季节月份这一比例增加到0.68，反映了沙漠气候下的极低大气浑浊度和湿度。图3展示了Al-Ahsa研究地点的年度和季节性太阳辐射特征。

**结论**
本研究首次提供了在极端干旱阿拉伯沙漠气候下，针对滴灌Capsicum annuum的双面光伏农光系统的综合、同时测量的EWF网络性能数据集，主要结论如下：
- 该双面农光系统在183天的生长季节内产生了30,287千瓦时的交流电，平均性能比为77.4%，双面能量增益为9.8%。

**缩写列表**
- AET：实际蒸散量（Actual Evapotranspiration）
- APV：农光发电（Agrophotovoltaic）
- AVA：农光农业（Agrivoltaic）
- BFB：双面性因子（Bifaciality Factor）
- BGB：双面能量增益（Bifacial Energy Gain）
- BIH：光束水平辐照度（Beam Horizontal Irradiance）
- CT：开放田地对照处理（Open-field Control）
- DID：亏缺灌溉（占全额灌溉的80%）
- ET0：参考蒸散量（FAO-56 Penman-Monteith）
- EtC：作物蒸散量（Crop Evapotranspiration）
- EWFE：能量-水-食物（Energy-Water-Food）
- FAO：联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization）
- FDR：频域反射率测量（Frequency Domain Reflectometry）
- GCR：地面覆盖比率（Ground Coverage Ratio）
- GHI：全球水平辐照度（Global Horizontal Irradiance）
- HSDC：反射指数（Reflectivity Index）

**作者贡献声明**
Salah Sabeeh：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，可视化，形式分析，数据管理，概念化。

**未引用参考文献**
Elamri等人，2018

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本项目由沙特阿拉伯吉达国王阿卜杜勒阿齐兹大学（King Abdulaziz University）的科学研究系（DSR）资助，项目编号为IPP-1197-135-2025。作者对此表示感谢，感谢DSR提供的技术和财务支持。

作者名单：
Saiful Islam | Nazrul Islam | Salah Sabeeh | Abdullah Abudayyeh | Abdullah A. Gari | Q. Alkhawlani
沙特阿拉伯Abha市国王哈立德大学（King Khalid University）工程学院土木工程系，邮编61421