我国光伏农业发展现状及适宜光伏农业的高效种植模式探索——以江苏省为例

王 璞 李百成 王 立 郭文琦 韩晓勇 殷剑美 金 林 蒋 璐 张培通*

（1. 江苏争先农业科技有限公司，江苏 南通 226299；2. 江苏省农业科学院经济作物研究所，江苏 南京 210014）

光伏农业是在农业基础设施中安装太阳能光伏发电设备，将现代农业生产与清洁能源供应紧密结合的一种农业产业形式［1］。光伏农业通过“板上发电，板下种植”的模式，在农业耕地资源紧张的背景下，既能实现光能发电，又能进行作物种植，可有效提高单位面积土地产出率，具有高效低碳、经济和社会效益高等优势［2］。随着光伏技术的进步和设施成本的下降，光伏农业已成为一种新型的土地利用方式和农业发展方向。

近年来，我国光伏农业产业得到了光伏领域和农业领域的双重政策支持，应用前景广阔，市场潜力巨大。2021年12月29日，国家能源局、农业农村部和国家乡村振兴局联合发文《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》，鼓励在光伏板下开展各类经济作物规模化种植，提升土地综合利用价值。2022年农业农村部1 号文件中提到，要支持有条件的脱贫地区发展光伏产业，有序推进农村光伏新能源建设。江苏、山东、江西等地方政府也出台了配套政策和奖补措施，支持光伏农业快速发展。

江苏是光伏产业大省，截至2021年底，江苏省累计光伏装机规模为1 916万kW，其中分布式光伏装机容量为974.9 万kW，位居全国前列［3］。虽然江苏省光伏产业发展迅猛，但是光伏农业产业整体处于起步阶段，还需加强光伏农业的产业理论研究，在生产模式、运营模式和管理方式等方面仍需进一步探索，以促进该产业模式的发展和完善［4-5］。

1 光伏农业的优势

1.1 适合规模化生产

光伏发电设备主要建设在中低产农田和肥力偏低、轻度盐碱等地块，占地面积较大且规模相对集中，便于开展农业规模化、机械化、集约化生产［6］。通过优化布局和科学管理，结合选择适宜的作物种类和合理轮作，一块耕地上可同时实现太阳能发电与农业生产，最大化提升土地资源利用率。

1.2 使用年限长

光伏发电设施一般能使用25年左右，使用年限较长［2］，可以为作物生产提供一个长期稳定的生长环境，适于种植中草药、药食同源植物等生长期较长的作物。与传统农业设施相比，光伏农业设施整体使用时间较长，可有效降低农业生产成本。

1.3 经济效益长效

光伏农业一般采用“架上发电，架下种植”的生产模式。高效的农光互补系统建成后，有利于提高作物产量，加上土地租金低廉、机械化水平较高，使得作物生产效益更好。另外，太阳能光伏电站收入也可为业主和农户带来较高的经济效益［2，6］。

2 光伏农业发展面临的问题

2.1 光温衰减

光伏支架高度、光伏板间距、光伏板倾角等因素会影响环境的光照强度和温度。Yano 等［7］研究发现，光伏电池材质和排列方式影响光照强度以及光照分布。王璞等［8］研究发现，光伏支架南北两侧采光差别较大，支架北侧光照时间短、光照强度弱，土壤温度偏低，不适宜大豆生长。因此，光伏建设单位在建设光伏基地时，要充分考虑光伏作物对环境条件的要求，如设置适合的光伏板间距，避免在板外空地出现过多光照条带，适当增加立柱高度，以利于改善板下光照条件、增加土壤温度、提高机械可通过性，做到光伏发电与作物生长特点相协调。

2.2 作物减产

光伏支架下的光照、气温、土温、湿度等环境因素的变化影响作物生长发育和产量。陈凤等［9］研究了光伏板遮阳对12 个小麦品种生长势和产量的影响，发现仅有3 个小麦品种产量有所增加。魏来［10］研究表明，光伏板会造成甘薯减产，应采取选择早熟品种、适当增加种植密度等措施来弥补甘薯产量的损失。Dupraz等［11］发现，光伏板虽然会遮挡阳光，但光伏板遮阳也减少了蒸腾作用，可通过选择适宜的作物种类和品种来实现光伏发电和作物生产之间的平衡。

2.3 灌排不畅

受支架打桩和开沟埋管等影响，光伏支架下土层经常出现硬化、断层等问题，加之光伏建设单位不注重光伏阵列间的沟系疏通，连续降雨易导致田间积水，造成作物生长受阻、病害加重，影响光伏农业的良性发展［12］。因此，工人安装光伏设备时，须将施工现场地表土保留在原地，保持土壤和植被完整性，减少地表径流和雨水侵蚀，以促进本地植被和引种作物正常生长。同时，光伏基地建设前，设计人员应提前设计和铺埋灌排管道，及早开挖灌排沟系，雨前及时疏通，做到旱能灌、涝能排。

3 光伏阵列的温光特征分析

目前我国主要在分布式光伏基地发展光伏农业。分布式光伏阵列是将太阳能组件以固定的倾角安装在地面支架上，组合形成分布式光伏板阵列（见图1），支架高度一般为2～4 m，光伏板阵列间距为4～7 m，在板檐和支架下种植作物［13］。由于支架上的太阳能组件会遮挡光照，因此光伏阵列下的小气候与露天环境不同，不同地块的土壤温度和采光水平差异明显。王璞等［8］对苏北地区光伏大豆种植基地调查发现，分布式光伏阵列主要有以下温光特征。

图1 分布式光伏阵列示意图

3.1 土壤温度低

光伏阵列板间表层土壤的日最高温度最高，但不同位置的日最低温度差异不大，其中板间土壤的日极差温度最高，分别较檐下和柱下位置增加1.1 倍和1.8 倍，而日平均温度较其他位置仅提高0.7～1.8 ℃［8］。不同位置10 cm 深土壤温度差异不明显，但板间土壤平均温度略高，其次为檐下土壤。光伏板间土壤温度较高，有利于农作物出苗、根系发育及营养体生长。

3.2 光照分布不均

晴天、多云和阴雨天，光伏阵列板间光照度最高，而柱下光照度最低。其中，晴天板间日平均光照度较檐下提高1.5～1.9倍、较柱下至少提高5倍；阴雨天板间和檐下日平均光照度差异不明显，但仍高于柱下光照度［8］。可见，光伏阵列柱下光照度普遍偏低，不利于农作物生长。

4 发展光伏农业的配套举措

4.1 选择适宜的作物种类和品种

受光伏板遮挡影响，光伏阵列下光照分布不均匀、土壤温度偏低，有利于耐阴、喜冷凉作物的生长发育。因此，农民可种植耐阴、株型紧凑、高产高效的作物类型和品种［14］。例如，板间和檐下较适宜种植玉米、高粱、马铃薯、芋头、山药及豆类等作物，柱下可种植中药材等耐阴作物。由于同种作物不同品种间存在适应性差异，种植前须进行引种试验，以筛选适宜光伏阵列种植的作物品种。

4.2 优化农艺措施

光伏阵列规模一般可达数百亩，农业生产用工量较大，目前用工贵、找工难、效率低等现状无法满足规模化农业生产要求，因此发展光伏农业必须简化种植环节、优化农艺措施，以降低人工成本［15］。一是起垄种植、合理密植，既可降低积水风险，又可增强作物生长势；二是覆盖黑色全生物降解地膜，既有利于控温保墒，促进作物出苗，又可有效控制田间杂草，减少人工除草成本；三是建立水肥一体化系统，在满足作物生长所需水肥的同时实现节水减肥；四是实行绿色综合防控，通过种子包衣、种苗脱毒、水旱轮作及应用黑光灯、性诱剂等措施，降低病虫源基数，减少化学农药用量，降低生态环境中的农药残留。

4.3 配套机械作业

配备适合光伏阵列田间作业的中小型拖拉机以及配套的耕翻、开沟、覆膜、中耕除草、采收农机具［15］等轻简化、小型化农业装备机械，以提高作业效率，节省人工成本，满足光伏农业规模化生产需求。

5 适宜光伏农业的种植模式

为促进光伏农业周年高效生产，我们根据江苏省光伏农业小气候特征和光伏作物品种筛选试验结果，探索出3类主体作物（耐阴、喜冷凉作物）错季生产+轮作作物搭配生产的种植模式。

5.1 两年三熟高效种植模式

根据光伏基地土壤条件、作物长势及生产效益的要求，我们将芋头、山药、甘薯等一年生经济作物作为主体作物，搭配种植青贮玉米或青贮高粱等旱生作物，形成第1 年种植芋头/山药/甘薯、第2 年种植青贮玉米/青贮高粱的两年三熟高效种植模式（见图2）。该模式经济效益较好，可以满足约6.7 hm2规模化种植要求，但是对土壤条件和灌排设施要求相对较高，需要配套芋头起垄覆黑膜全程机械化、山药定向槽浅生机械化、优质甘薯机械化等轻简高效种植技术体系。

图2 光伏设施下两年三熟种植模式

5.2 一年多熟高效种植模式

为有效利用光伏阵列板间光照相对较好、空间较高的有利条件，综合考虑作物生育期、产量和生产效益要求，我们将马铃薯、豆类、青贮玉米、青贮高粱等短生育期作物搭配组合，形成一年多熟高效种植模式（见图3）。其中，春夏播种作物可选择大豆、红小豆、春马铃薯、青贮玉米、青贮高粱等，秋冬播种作物可选择秋马铃薯、苗蒜、洋葱等。该模式主要通过规模种植获得较高效益，可以满足6.7 hm2以上规模化种植要求，当年即可见效，适宜中低产田、边际土地的规模化、机械化生产。

图3 光伏设施下一年多熟种植模式

图4 光伏板下中药材种植模式

5.3 光伏板下中药材高效种植模式

为充分利用光伏板支架下无直射光、无极端高温的冷凉小气候，我们在立柱两侧边际种植贝母、黄精、三七、黄花菜等喜凉耐阴的二或三年生或多年生作物，形成光伏板下中药材高效种植模式。该模式既可节省种植成本，一次投入、多年产出，又可以根据市场价格逐年分批采收，收获价值随种植期延长而升高。此外，光伏板支架下种植中药材可有效减少立柱行上杂草生长，有利于保持良好的光伏基地环境，生态效益显著。

6 小结

随着光伏产业规模的不断扩大，光伏土地资源有效利用的需求进一步提升，通过开展优质高效的作物种植模式的创新和优化，可进一步提高光伏农业生产附加值，降低能源消耗，为推动江苏光伏农业产业创新技术发展和多元种植模式应用提供参考。