《AgriEngineering》：Agrivoltaics for Resilience in Extreme Weather Events and Climate Change: A Systematic Review
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摘要专业翻译
农业光伏（Agrivoltaics，AV）是一种在同一土地上实现双重利用的概念，既用于种植作物（或放牧），又安装太阳能电池板进行电力生产。AV不仅应被视为一种双重土地利用策略，更应被视为农业的气候适应与韧性解决方案；太阳能电池板能够保护作物和牲畜
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农业光伏（Agrivoltaics，AV）是一种在同一土地上实现双重利用的概念，既用于种植作物（或放牧），又安装太阳能电池板进行电力生产。AV不仅应被视为一种双重土地利用策略，更应被视为农业的气候适应与韧性解决方案；太阳能电池板能够保护作物和牲畜免受极端天气事件（EWEs）的影响。本PRISMA系统综述综合了Scopus和PubMed数据库中截至2025年收录的关于AV与EWEs的研究证据：共识别出1152条（Scopus）和1208条（PubMed）记录，对93篇（Scopus）和160篇（PubMed）全文进行了评估，最终纳入27项研究。已发表数据表明，AV可将霜冻损害风险降低40%以上（基于模拟研究的证据），防止作物叶片日灼（基于实验研究的证据）和冰雹损害（基于实验研究的证据），缓解热胁迫（基于实验研究的证据）和水分胁迫（基于实验研究的证据），并起到防风屏障的作用（基于实验研究的证据）。所审查的大多数研究在温带气候条件下开展（占54%），这限制了研究结果向EWEs影响可能最为显著的更极端气候类型的推广适用性。EWEs对农业的影响是复杂的：作物损失、能源、燃料、化肥及其他物资供应的中断，可能导致农业作业无法按时完成并造成经济损失。AV与其他分布式光伏（PV）系统一样，具有增强农场能源韧性的潜力，尽管来自AV专项研究的直接证据有限。然而，在Scopus收录的AV研究中，明确涉及EWEs韧性的比例不足3%。本综述呈现了AV领域旨在减轻EWEs后果的现有证据、关键设计权衡及研究空白。
论文主体内容总结
1. 引言
气候变化与极端天气事件（EWEs）的后果导致森林损失和病虫害扩散、热相关疾病和传染病风险增加、经济损失和食品价格上涨以及基础设施损坏。2021年至2023年间，欧洲EWEs造成的经济损失超过1620亿美元，占过去44年全部损失的22%。在众多气候变化负面影响中，对粮食安全和农业可持续性的威胁尤为突出：干旱、热浪、晚春霜冻、冰雹、暴雨、过度太阳辐射和强风等EWEs可导致作物减产、牲畜受损、土壤侵蚀、农业作业中断和生产风险增加。干旱是最具破坏性的天气事件之一，在德国，单日干旱可使冬小麦减产高达0.36%；日间温度变率每增加1°C，农业全要素生产率可降低2%。霜冻同样造成重大农业经济损失，可使葡萄园减产15%，果园（苹果树）减产80%。在此背景下，农业光伏（AV）作为农业与光伏（PV）发电相结合的概念应运而生。AV不仅能解决农业与太阳能之间的土地竞争矛盾，还被视为农业集约化、可持续性提升和粮食安全增强的途径。在作物上方安装PV面板可产生复杂的正效应，包括形成特殊微气候以减轻作物和牲畜胁迫、减少PV阵列下方的土壤侵蚀总量、以及提供降水遮蔽。此外，当AV与当地电力消费系统集成时，可降低农场因EWEs导致的电力供应中断的脆弱性。AV的正效应还使其成为实现多项可持续发展目标（SDGs）的途径，包括零饥饿（SDG 2）、清洁饮水（SDG 6）、经济适用的清洁能源（SDG 7）、产业创新（SDG 9）、负责任消费和生产（SDG 12）以及气候行动（SDG 13）。
2. 材料与方法
2.1 文献检索与分类策略
本系统综述遵循PRISMA指南，使用Scopus和PubMed数据库进行了截至2025年的系统文献检索。检索限定为英文同行评审科学期刊文章，会议论文、非英语研究和灰色文献被排除以保证结果标准化。在筛选阶段，根据标题和摘要内容对文章进行评估，未提及气象事件或气候变化及其对PV面板下植物或动物影响的文章被排除。本综述将PV面板安装与下方作物种植（或牲畜放牧）相结合的系统视为AV系统，即使作者未将其明确标识为AV。纳入标准为文章讨论了通过AV减轻EWEs影响的潜力。由于纳入研究在设计、规模、作物、牲畜系统、气候区、PV配置和结果指标方面高度异质，未进行正式的定量偏倚风险评估，而是以叙述性方式考虑了与解释相关的方法学局限性，包括研究规模、研究类型（实验或模拟）以及是否存在定量微气候和农业结果。每项研究还根据其对EWE缓解效应的关注程度、研究对象、AV技术参数完整性、微气候效应描述完整性和植物（或牲畜）效应描述完整性进行评估。
2.2 数据提取与分类
从纳入文章中提取的参数包括：发表年份、AV站点位置、气候类型、研究类型（实验或模拟）、PV配置（PV总装机功率、场地布局面积、倾角、PV朝向、安装系统类型、PV行间距、PV安装高度、地面覆盖率、PV类型）、作物或牲畜类型、EWEs（及气候变化）、AV的EWE（或气候变化）缓解效应、微气候AV效应（空气和土壤温度与湿度、风速等）以及作物和牲畜AV效应。AV研究按PV电站规模分类为小型（30 kW以下）、中型（30 kW至500 kW）和大型（500 kW以上）电站，并按研究类型（田间试验或模拟研究）和农业类型（作物种植或畜牧养殖）进行分类。最常见的农业EWEs包括干旱、冰雹、暴雨、洪水、霜冻和热浪。本综述将干旱相关的水分胁迫和热浪及极端高温相关的热胁迫纳入考察范围。
3. 结果
共27项研究符合纳入标准，其中20项为作物实验研究，4项为牲畜实验研究，3项为作物模拟研究。纳入的实验性AV站点共23个。部分研究同时考察了多种作物，因此实验性产量估算组合数为34个。
3.1 出版物地理分布与时间趋势
大多数田间研究在美国开展（6篇文章），涉及8个AV设施，分布于不同气候区（柯本–盖革分类）：干旱气候（亚利桑那州）、雪气候（明尼苏达州）和温带气候（加利福尼亚州和俄勒冈州）。意大利、希腊、比利时、法国、丹麦、德国、土耳其的研究均在温带气候区进行；印度和巴西的研究在赤道气候区进行；加拿大的研究在雪气候区进行。大多数考察EWE缓解机会的AV研究在温带气候下开展（13篇文章，占54%）。干旱（18篇文章）和极端高温（12篇文章）受到的关注最多，而干旱气候下的研究仅有4项，雪气候下3项，赤道气候下4项。此外，3项模拟研究来自挪威、中国和意大利。该领域的研究活动在过去五年最为活跃，自2022年以来出版物数量大幅增加，2025年发表11篇（占41%）。
3.2 农业光伏系统设计、技术多样性与规模
固定式PV是所审查AV文章中最常见的安装方式（占73%），PV面板安装高度从0.5米到5米不等。大多数研究采用标准朝南安装（南半球为朝北），倾角等于当地纬度以最大化年发电量。也有独特设计，包括水平交错排列的PV面板（可实现更均匀遮荫）、双面固定倾斜PV面板（用于降低风荷载）以及垂直PV安装（具有防风保护前景）。其余文章（27%）讨论了跟踪系统，此类系统通常显著减少其下方的光合有效辐射（PAR），因为仅考虑最大化能量产出的算法会导致最大地面遮荫。在苹果树研究中，单轴跟踪算法被修改以减少霜冻影响并加速雨后植物干燥。大多数田间研究考虑中型AV设施（占52%，30至500 kW），大型设施占31%，小型实验研究占17%。三项研究考察了半透明PV的使用，透光率为10%至80%，这是AV在透光方面有前景但成本较高的方向。
3.3 极端天气事件
在所审查文章中，干旱受到的关注最多（在67%的文章中被提及）。AV有助于保持土壤水分，且在炎热干燥季节对植物的效果最为显著。热浪和极端高温在44%的文章中被提及，AV通过降低白天面板下方温度和升高夜间温度来减轻植物热胁迫，同时直接阳光遮蔽有助于保护植物免受灼伤。AV对牲畜也有正效应：研究表明奶牛和绵羊在不利天气条件下倾向于停留在AV下方，在高日照强度下，PV遮荫可使奶牛体表温度降低6°C，皮肤温度降低4°C。微气候参数稳定化对减轻霜冻对作物的负面影响同样有效：PV下方夜间温度较高，AV减少了长波辐射损失，从而增强了对辐射霜冻的抵抗力；PV还通过降低风速来对抗平流霜冻。模拟研究表明，这种微气候平衡可将霜冻风险降低40–55%。PV引起的风速和风向变化（在低高度处风速降低24–37%）也有助于AV下的气候缓解，并减少土壤侵蚀。用PV替代防雹网不仅可行，还引入了有助于热和霜冻保护的额外因素。
3.4 作物产量
在所审查文章中，26%的研究（仅包括植物田间研究）明确表明AV引入导致产量大幅下降（>10%），涉及小麦、梨、苹果、西葫芦、番茄和秋葵等作物。最大减产效应出现在干旱气候下的西葫芦（减产83%）。然而，在灌溉减少50%的条件下，AV下产量未发生变化，而对照点产量下降了21%。在相同气候下，chiltepin辣椒产量增加了3倍，樱桃番茄增加了2倍，jalape?o辣椒略有下降（<10%），研究人员认为这是热和干旱综合缓解效应所致。对于果树，通常观察到显著减产：梨树减产13–16%，苹果树约减产30%。但在霜冻条件下观察到正效应：AV下产量可能显著更高（在苹果研究中高出90%）。24%的研究观察到产量显著增加（>10%），其中葡萄园表现最为突出：较低的空气温度（热胁迫减轻）和较高的湿度（水分胁迫减轻）使每丛产量增加70–80%，每公顷产量增加277%。菊苣、牛至、希腊山茶、chiltepin辣椒和樱桃番茄也表现出显著增产。
4. 讨论
尽管AV已被证明可减轻多种EWEs（热浪、干旱、冰雹、暴雨、霜冻、灼伤、飓风级风力）的影响，但这一问题目前受到的关注相对较少。根据Scopus数据库，仅2.3%的AV文章和2.6%的AV会议论文涉及此主题。直接证据表明AV可将霜冻风险降低40–55%，烧毁植物数量从3%降至<0.5%以下，霜冻期间受损花朵减少25%。AV的EWE缓解效应可与类似农业方法（如防雹网、遮荫网和防风林）进行类比评估。
4.1 微气候“回变”
尽管几乎任何AV项目都可显示土地当量比（LER）高于1，但粮食安全问题日益突出。AV的LER最大化几乎总是通过减产实现。在温带气候下，果树（梨、苹果）、蔬菜（番茄）和谷物（小麦）作物出现显著减产；在赤道气候下，谷物（小麦）减产；在干旱气候下，蔬菜（西葫芦、番茄）减产。在这些研究中，减产由过度遮荫引起，但研究同时强调了AV在减轻EWE影响方面的显著效益。对于特定作物（如温带气候下的葡萄，干旱气候下的chiltepin辣椒和番茄），观察到了显著增产。AV实际上恢复了气候条件的原始状态，通过遮荫和风速风向变化在AV下形成特殊微气候，对抗气候变化对植物的影响。微气候效应可通过选择特定PV布局配置进行控制。在干旱地区，带跟踪器的系统可能更优，在半干旱条件下比固定PV表现出更高的水分利用效率和植物覆盖生物量增长。对于喜光作物，跟踪算法若仅以发电量最大化为目标则必然产生不利产量影响；研究表明，牺牲20%的PV能量输出即可满足植物（苹果树）90%的太阳辐射需求。在[21]中实施了综合跟踪算法，在一天中最晴朗和最温暖的时段提供遮荫以避免热胁迫和灼伤，雨后最小化植物遮荫以加速干燥，并在霜冻风险时将PV移至水平位置。气候变化还导致降水强度和频率增加，对农业最不利的后果之一是土壤侵蚀。太阳能电站安装有助于对抗土壤侵蚀，尤其在坡地上，可使土壤侵蚀量和峰值侵蚀速率降低近一半。
4.2 PV对灾害的韧性
传统电网包含长距离输电线路和复杂配电网络，在极端天气条件下，集中式电力系统中的许多基础设施组件同时受到影响。2000年至2023年间美国记录的80%重大停电由天气事件引起。分布式能源系统通过AV实施可基本消除这一因素的影响，提高农业供电可靠性。太阳能发电的可用性可在EWEs（热和霜冻）期间将能源供应韧性提高17%。在60%的美国家庭中仅出于降低电力成本目的安装PV+电池储能，还将在停电事件中为其提供可靠电力供应。AV正因其赋予农民能源独立性并提高社区能源供应可靠性而日益受欢迎。在太阳能电站设计中，不利天气条件通过两方面考虑：对预期能量输出的影响和基础设施稳定性。风荷载最具破坏性，鉴于AV安装系统结构更高，这一问题需要特别考虑，但风荷载评估是常规太阳能电站设计中的标准步骤。PV面板必须按照IEC61215-2-2021标准承受直径2.5厘米（特殊条件下可达7.5厘米）的冰雹。
4.3 农业可持续性
农业可持续性改进涉及多个方面：提高能源效率、增强农场能源安全、提高作物产量和土地及资源利用效率、减少气候变化影响以及农场对气候变化的贡献。AV通过使用绿色能源减少农业生产CO2排放来对抗气候变化，当AV替代当地低效化石燃料发电（特别是柴油）时可实现最大的环境效益。垂直PV除带来正微气候效应外，还有助于将峰值电力消费与PV最大能量产出时间对齐，减少离网系统所需的电池储能。水分利用效率问题可能成为农民考虑安装AV的决定性因素。AV还可被视为改善储存和加工设施供电可靠性的工具，从而减少采后损失（PHLs），这在发展中国家尤为突出。保险在维持农业生产稳定中发挥重要作用，AV通过减少EWE负面后果和提高供电可靠性，可有助于提高保险公司对农民的信任度并降低保险费率。研究表明，AV引入使农场预期利润的增加远大于传统农场购买保险的效果。
