光伏-丹参生产模式下的光照变化及其对丹参生长的影响

单成钢，王宪昌，张教洪，马炳鹏，李桂祥，倪大鹏，朱彦威，王志芬

(1.山东省农业科学院农产品研究所/药用植物研究中心/农业农村部新食品资源加工重点实验室，山东 济南 250100；2.沂南骏达农业发展有限公司，山东 沂南 276314；3.山东省果树研究所，山东 泰安 271000)

光照是植物进行光合作用的基础，影响着植物光合作用过程中的同化力形成、酶活化、气孔开放等。遮荫是使植物接收的光量子密度受到限制的环境或人为因子[1]，一般会导致植物的日照时间减少或者照射强度降低。遮荫一方面使植物生长环境的小气候产生变化，另一方面对植物的生长、发育、生理生化特性以及矿质营养代谢产生影响，这种影响既有有利的一面也有不利的一面，而且影响程度随植物自身的差异性而有所不同[2]。

近年来，随着对清洁能源需求增加和光伏扶贫工程的推进，我国的光伏产业得到迅猛发展。截至2016年底，我国光伏发电新增装机容量3 454万千瓦，累计装机容量7 742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一[3]。为了合理利用土地和集约利用空间，催生出了光伏与农业相结合的产业形态——光伏农业，包括光伏大棚、露地光伏农业等形式，无论哪种形式均是为了能够在满足光伏发电的同时开展有效的农业生产。但在这种复合模式下植物生长环境如光照、温度、湿度等将产生什么变化，这种变化对生长期间的植物有多大影响，目前鲜见研究报道[4，5]。

本文着重研究了露地光伏-丹参生长模式下的光照变化，以及这种变化对丹参生长的影响，以期为光伏条件下开展合理的农业生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在沂南县岸堤镇兴旺庄村瑞诺多晶硅光伏电站进行，多晶硅阵列宽3 m，骨架间距6.6 m，丹参品种为鲁丹参1号，种植时间是2017年3月20日。采用大垄双行种植，每一阵列行间种植4垄丹参，每垄种植2行，垄宽0.9 m，垄高0.3 m，统一常规水肥管理。光伏板与种植模式布局见图1。

注：γ=25°;h1=1.4 m; H=2.9 m;h2=2.2 m; d=6.6 m;e=1.5 m; f=0.9 m。

1.2 太阳高度角和方位角计算

试验地点的太阳高度角和方位角可以通过计算得出[6]。

1.2.1 太阳赤纬的计算 太阳赤纬随季节而变化，春分和秋分时太阳赤纬为0°，夏至和冬至分别为23°23′。其计算式[7]如式(1)。

δ=0.3730+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1717sin3θ-0.7580cosθ+0.3650cos2θ+0.0201cos3θ

(1)

式中：δ为太阳赤纬；θ为日角，即θ=2πt/365.2422，其中t=N-N0，N为积日，即日期在年内的顺序号，N0=79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4]。

1.2.2 太阳高度角的计算 太阳高度角是指某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角，简单来说即太阳光的入射方向与地平面之间的夹角，用α表示，计算式[8]如式(2)。

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(2)

式中：δ为太阳赤纬；φ为观测地地理纬度；ω为地方时角，ω=15°(t-12)，午后为正，午前为负。

1.2.3 太阳方位角的计算 太阳方位角是以目标物的北方向为起始方向，以太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测量的角度，用β表示。中国区域太阳方位角范围在90°～270°，正午为180°左右。其计算公式[8]如式(3)。

cosβ=(sinαsinφ-sinδ)cosαcosφ

(3)

式中：δ为太阳赤纬；φ为观测地地理纬度；α为太阳高度角。

1.3 光伏板阴影长度计算

1.3.1 光伏板在地面阴影长度 即光伏板对阳光遮挡所形成的阴影长度。其计算公式如式(4)。

(4)

其中：L为光伏板地面阴影长度；H为光伏板高度；α为太阳高度角。

1.3.2 有效阴影长度 即光伏板在南北(与行向垂直)方向上的阴影长度。此阴影长度对位于行间的作物形成有效的遮荫。其计算公式如式(5)。

(5)

其中：L′为有效阴影长度；L为光伏板地面阴影长度；β为太阳方位角。

1.4 丹参性状指标测定

1.4.1 株高测定 开花期每小区选取代表性植株10株，测量株高。

1.4.2 净光合速率测定 利用 LI-6400XT 便携式光合作用测定系统，在丹参开花期(6月15日)8—16时每间隔2小时测定一次。每处理选择长势具有代表性植株10株，在每株相同部位选取3个叶片，测定复叶的中央小叶，取3个读数的平均值作为该株的测定结果。

1.4.3 SPAD值测定 使用SPAD-502型叶绿素仪进行测定。 选择健康成熟叶片的中央小叶, 分别在小叶叶基、叶中、叶尖处测得SPAD值, 求平均作为每片叶的值。每株测定3个小叶，求平均作为每个植株的值，每处理测定10株。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 软件进行处理，采用SPSS统计软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 遮荫对直射阳光照射时间日变化的影响

由表1可见，在6月中旬，太阳高度角从6时的11.93°逐步升高至12时的77.53°，而后逐步降低，至18时降至14.93°。6月中旬日出时太阳位于东北方向，角度为69.7°，至9时左右太阳方位角达到90°，即位于正东方，至12时方位角为171.65°，接近正南方，而后逐步向西移动，16时左右到达正西方，而后继续向西北方向移动，18时与正北方夹角为288.28°。

由于受到太阳高度角和方位角的共同作用，有效阴影长度也呈现有规律的变化，日出时因为太阳位于东北方向，阴影来自于北侧光伏阵列的遮挡，太阳高度角小，阴影比较长，约4.76 m；随着太阳的南移和升高，阴影长度迅速缩短，至9时，太阳方位到达正东方附近，有效阴影长度仅为0.17 m；至正午时分，太阳到达正南方，太阳高度角77.53°，有效阴影长度为0.63 m；正午之后的有效阴影变化趋势与上午正好对称，先由大变小，再由小变大，见表1。

表1 2017年6月15日太阳高度角、方位角和有效阴影长度的变化

以表1的时刻为横坐标，有效阴影长度为纵坐标绘制图2，可见图中存在4个单调区间，分别对应方位角0°～90°，90°～180°，180°～270°和270°～360°四个区间。

图2 有效阴影长度随时间变化

在每一个单调区间内，以有效阴影长度为自变量，以对应时间点为因变量，进行曲线拟合，可得每个区间的拟合曲线，其中，对应时间点换算为数字形式，例如6时30分，换算为6.50，6时15分换算为6.25。所得拟合曲线见表2。

表2 每个单调区间的拟合曲线及决定系数

利用表2中曲线1可以计算得到在太阳方位角0°～90°区间，即日出后不久，每个处理丹参垄的日照时间点，并由此计算出该时段的日照时数；同理，利用曲线4计算可得在方位角270°～360°区间，即日落前不久，每一垄丹参的日照时数，这两个时段的阴影来自丹参种植区北侧光伏板的遮挡。而在太阳方位角90°～180°和180°～270°区间，阴影来自丹参种植区南侧光伏板的遮挡，从表1的数据分析出这两个时段遮荫范围较少，主要是对R1垄的遮挡，分别分析R1垄内两行，远离光伏板的一行始终不被遮荫，而靠近光伏板的一行经计算上午和下午分别被遮阴2小时和1.5小时，因此，R1垄的光照时间采用两行光照时间的平均值。由此可得6月15日各处理全天日照时数，见表3。

2.2 丹参生育期内遮荫处理的日照时数变化

考虑到丹参的整个生育期，分别计算2017年3月20日(春分日)、4月20日、5月20日、6月21日(夏至日)、7月20日、8月20日、9月23日(秋分日)、10月20日、11月20日每个遮荫处理的日照时数。

表3 各处理丹参在一天中日照时数 (h)

注：表中距离为每一丹参垄南侧边界与相邻北侧光伏板高点的地面投影间的水平距离，表示该垄接受来自北侧光照的临界点。

由图3可见，在无遮荫条件下(CK)，日照时数随季节呈现有规律的变化，从春分日的12.00 h逐渐增至夏至日的17.15 h，特别是5月下旬至6月下旬，增加幅度最大，日照时数增加了25%；夏至日后，日照时数迅速下降，与之前的上升趋势几乎呈对称状态，至秋分日又回落到12 h；之后继续下降，11月20日降至9.75 h。与对照相比，各遮荫处理的日照时数都受到不同程度的影响。R1是受遮荫最为严重的处理，春分日的光照时间不足15 min，之后逐渐增大，至夏至日达到最大值10.43 h，之后又逐渐减少，秋分日之后基本接收不到太阳直射，全天处于遮荫状态。R2在3月20日日照时数仅为30 min，在随后的1个月内迅速达到12 h，一直持续到8月20日，日照时数均保持在12 h左右；但到了9月23日(秋分日)，日照时数又迅速回落到30 min，之后的生育期内都处于遮荫状态。R3自春分日开始一直到秋分日，日照情况相对比较平稳，保持在12 h左右，6月20日到8月20日略低于12 h，主要因为北侧光伏板的遮挡，秋分日之后到10月20日，阳光逐步被完全遮挡。R4与R3情况相似，但8月20日前遮荫较R3更为严重，而阳光直射可以一直持续到10月中下旬，10月20日尚有将近7 h的光照，这是因为R4虽然更容易被北侧光伏板遮挡，但距离南侧光伏板最远，遮光最为轻微。

为了更加清晰地比较分析5个处理生育期内的总日照时数，可以通过积分分别计算5条曲线与横轴之间构成图形的面积来求取，结果见图4。

图3 丹参生育期内的日照时数变化

图4 各处理生育期内的总日照时数

四个处理与对照的总日照时数存在显著差异，随着与南侧光伏板的距离增大总日照时数逐渐增大，呈线性变化趋势，其决定系数R2=0.972，表明与光伏板的距离与日照时数间存在显著相关性。对照的总日照时数最大，为1 045 h，R1的日照时数最小，为400 h，仅占对照的38%；R2总日照时数明显高于R1，约为610 h，高出R1约52%，占对照的58%；R3和R4虽然从4月至8月每日的日照时数略低于R2，但由于他们在生育期前期和后期的光照时间明显高于R2，光照天数明显多于R2，因此，总体来看R3和R4的总日照时数分别高出R2约19%和32%，占对照的69%和77%。

2.3 遮荫对株高的影响

由图5可以看出，遮荫对丹参株高有着显著的影响，R1遮光最严重，株高平均65 cm，高出对照约18%，而R2平均株高60 cm，高出对照9%。在0.05水平下R1、R2差异显著，且均显著高于其他处理，R3、R4与对照没有显著差异。

2.4 遮荫对光合特性的影响

由图6可知，8—12时，各处理的净光合速率均呈现上升趋势，12时达最大值；12—16时，4个遮荫处理均呈下降趋势，而对照的净光合速率14—16时又升高。遮荫降低了丹参的光合速率。8时对照的净光合速率显著高于其他处理；10时，R3、R4的光合速率迅速升高，但仍略低于对照，差异不显著，而R1和R2显著低于对照，分别比对照低78%和71%；12时，R1和R2的净光合速率也表现出显著差异，但仍明显低于对照和另外两个处理，分别比对照低69%和37%；14时各处理的表现与10时相似，16时各遮荫处理的光合速率均降至极低状态，显著低于对照。

图5 遮荫对株高的影响

图6 遮荫对光合速率的影响

2.5 遮荫对叶绿素相对值的影响

由图7可知，遮荫显著降低丹参叶片的SPAD值，遮荫越重，SPAD值越低。R1和R2的SPAD值显著低于对照，分别比对照低7.6%和4.9%；R3和R4略低于对照，分别比对照低1.9%和2.1%，与对照间差异不显著。

2.6 遮荫对丹参根部性状和产量的影响

如表4所示，CK根鲜重、根干重、根条数、根总长、产量值最大，R3的根鲜重与CK差异显著，其他指标R3、R4均与CK差异不显著，其产量分别比对照低11.97%和3.61%。除根总长、根直径外，R2的其他指标均与对照差异显著，其中产量约低于对照30%，根干重、根条数、折干率分别比对照低31%、30%、14%。R1的所有根部性状指标与对照均有显著差异，其中产量约降低50%，根鲜重、干重、根条数、根总长、根直径、折干率分别比对照低35%、49%、42%、20%、10%、25%。

图7 遮荫对SPAD值的影响

表4 各处理丹参根部性状和产量

注：同列不同小写字母表示处理间差异达0.05显著性水平。

3 讨论与结论

3.1 讨论

研究表明，利用天文学公式计算太阳方位角和高度角，对树木树冠进行模型化分析，计算得出不同经纬度某一时刻树木的投影面积，可以确定果树合理的种植间距[11,12]。建筑物的遮荫效应，夏季以建筑物北侧日照条件最好，冬季以南侧日照条件最好，全年综合情况则以南侧最优，北侧最差[13]。本研究在计算得到太阳方位角和高度角的基础上，推算出光伏板在一天之中以及丹参整个生长季的遮荫状况，进一步得出距离南侧光伏板由近及远的丹参垄，在生育期内接收的日照总时数分别为对照的38%、58%、69%和77%，距离和遮荫程度显著相关，这一结论与建筑物的遮荫情况相一致[13]。

除了光环境的改变，光伏板遮荫也能够改变植被的其他生长条件。能够有效降低土壤pH值和电导率，导致土壤水分的入渗量和蒸发量都比较小，水分上下流通不畅，不利于水分通道的形成，可能导致土壤容重增加。光伏板遮荫作用为更多耐荫性植物生长提供了可能，从而增加了物种丰富度、均匀度和优势度[14]。光伏电厂干扰下高寒荒漠草原区植被群落的植物种数、盖度、地上生物量、丰富度指数、土壤含水量、有机质和全氮含量升高[15]。

这些条件的改变使正处于生长期间的植物受到显著影响。例如：遮荫显著降低甘草株高，影响光合作用，造成显著减产[5]。不同强度的遮光可显著减弱作物的光合作用，使单叶净光合速率下降[16]，气孔关闭[17]，从而导致干物质积累量和产量下降；不同品种对遮荫的适应能力存在差异[4,18-21。遮荫会使喜光植物叶片变薄，显著降低其叶片SPAD值、叶绿素a/b值和最大光合速率，导致CO2同化速率和氮的吸收率降低，从而延缓其生长[23-25]。而耐阴或喜阴植物在遮荫情况下，叶绿素质量分数均较对照极显著升高，可明显增强光系统对低密度光量子的吸收、传递和转化[26-28]。不同遮荫条件对不同地被植物根鲜重、分株数有不同程度的影响：金叶过路黄植株根鲜重、分株数均在27%的遮光度下最高；射干植株鲜重及高度随遮光度增大呈下降趋势，根鲜重及分枝数变化缓慢[29]。

丹参为喜光植物，具有较高的光饱和点和比较低的光补偿点，对遮荫环境具有一定的适应能力[30，31]。本研究结果也显示，生育期内总遮光度62%，丹参仍能够完成正常的生命周期，并且能够达到对照产量的50%，净光合速率、株高、SPAD值以及根部性状与对照均有显著差异；遮光42%，约能达到对照产量的70%；遮光度<31%，产量基本不受影响。

3.2 结论

本研究为光伏农业模式提供了一种遮荫程度的计算方法，可以根据光伏板的高度、布局等准确推算出每日和整个生育期的日照时数，这为光伏农业电站的设计、种植品种的选择和搭配提供了参考依据。在本研究的光伏-丹参生产模式下，只要保证全生育期累计日照时数720 h以上，就可以基本保证其产量；即便全生育期日照时数只有400 h，也可以带来正常产量50%的收益。这对保障光伏农业电站的整体效益具有指导价值。