基于光伏技術的都市農業發展

■湯飛 洪再生 叢安琪

縱觀國內外城市建設發展歷程，城市的雛形都孵化于各自地域的農耕文明，農耕文化在構建城市系統過程中發揮著不可替代的作用。而都市農業服務于城市、依托于城市，是推動城鄉統籌發展的有效途徑，農村業態的多樣性轉型發展，是加快農業現代化建設的必然趨勢。因此，發展都市型現代農業是實現農業可持續發展的需要。光伏農業是將太陽能發電技術，廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力提供等領域的一種新型農業技術，光伏新能源發展與都市農業理念的有機結合，可實現資源整合、優勢互補、共同發展。

光伏生態農業不僅可以節約大量的土地資源，而且可以最大限度地利用太陽的光熱資源對溫室進行加溫，從而保證蔬菜等園藝作物的正常生產。因此，發展光伏生態農業是調整農業產業結構，發展綠色農業的重要手段和有效載體。光伏生態農業示范項目的實施，對于進一步加快光伏產品的示范應用，加快工業與農業的融合，加快光伏產業與現代農業產業的對接，不斷提高生態農業技術水平，引領、示范、輻射、聚集和帶動農業產業持續快速健康發展具有重要的意義。

一、都市農業的內涵和特征

(一)都市農業的內涵

都市農業的研究，最早出現在日本、美國和歐洲等發達國家。1930年，《大阪府農會報》雜志最早出現“都市農業”一詞。隨后，日本地理經濟學家青鹿四郎在其1935年的著作《農業經濟地理學》一書中說道:“所謂的都市型農業是分布在都市內的工商業區、住宅區等區域內，或者是分布在都市外圍的特殊形態的農業。”他首次對“都市農業”進行了學術定義[1](P2)。1977年，都市農業的概念被美國農業經濟學家艾倫·尼斯在其論著《日本農業模式》中正式提出[2]。隨著世界城市的發展和社會生活方式的變化，對都市農業內涵的界定日益豐富。其中，日本和德國所推崇的狹義都市農業認為，都市農業就是鑲嵌在城市各個地塊之內的小塊農田，包括建筑物陽臺、庭院，城市街巷空間的小型園地、農業主體公園、休閑農莊等，是城市市民休閑消遣的公益性城市內部農業。本文立足于新型城鎮化的時代背景，融合城鄉協同發展的內涵，認為現代都市農業應該是在城鄉一體化發展背景下，以城鎮體系統籌規劃為依據，并結合現代高新科學技術的農業發展方式，以滿足城鄉農業生產、生態環境、社會經濟等需求為前提，構建業態多維化、功能多樣化、產業多元化、可持續發展為一體的農業產業體系，主要包括精細農業、休閑農業、體驗農業、教育農業等農業形態。

(二)都市農業的特征

都市農業是城鄉社會經濟一體化發展的必然產物，是在傳統農業基礎上衍生出來的新型農業發展模式，是依托于城市并服務于城市的城鄉互動協調發展途徑[3]。其既是一種能滿足城鄉居民生產生活、科教文化、生態保護一體化建設的新型農業體系，又是一種市場化、規模化、專業化、智能化較強的現代化生態產業。都市農業依托于城市、服務于城市，成為城市經濟社會發展、功能結構升級、生態系統培育的新路徑，其特征主要表現在以下幾個方面。

1.城鄉融合。自古以來城鄉界限涇渭分明，城市往往都是工商服務業的集聚地，而農林牧漁業則通常分散在廣袤的農村。隨著城鎮化進程的快速發展，新的農業發展理念逐步開始動搖傳統觀念的根基。一方面，大城市群的出現所帶來的資源集聚和共享，使處在大中小城鎮之間的農村，無論在區位、交通、資源，還是信息方面都享有與城鎮相當的便利;另一方面，隨著城鎮化的不斷推進，一部分原處于城市邊緣區的農田保留下來，在城市內部建立起觀光農業和游樂園，形成城市內部的插花型農業，由此構成城市與鄉村渾然一體、相互交織、互相滲透的空間結構，表現出“都市中有田園，農村中有城鎮”的城鄉融合發展特征。

2.功能多元。都市農業的功能多元性，主要表現在第一產業向第二、三產業滲透和延伸過程中，農業生產和旅游發展多元化建設，為城市居民生產生活、休閑娛樂提供服務的同時獲得經濟效益。因此，要滿足城市居民多方面的需求，不僅要充分利用城市提供的現代化生產設施和科技成果，為城市提供農副產品等生活資料，而且要為城市居民營造生態環境優美的休閑觀光娛樂場所，以及傳統農耕文化教育基地等多方面的服務。所以，生態社會效益和經濟效益共同追求的本質，使都市農業同時具有生產、生態、文化、教育等多方位的功能，這也決定了都市農業生產經營形式、形態和功能的多樣性特征。

3.智能集約。相較于傳統鄉村農業粗放的經營模式，都市農業發展的農業資源要素、生產環境、產業技術特征和功能結構等方面，都存在一定的限制因素。因此，為追求相應的經濟利益，都市農業只能轉向資本機制、技術密集、土地集約的經營模式，利用相對有限的土地資源精耕細作，運用智能化的農業生產技術和管理手法集約經營，以實現農業生產方式的現代化、企業化、規模化、市場化，以及生產、加工、銷售一體化，構建高附加值、高品質、高科技含量的精細化農業生產體系。

4.市場主導。市場主導突破傳統農業生產過程中“小農思想”的束縛，擺脫傳統農業發展過程中過度地域性的觀念，秉承農業生產加工、銷售貿易適應大城市和國際市場需求的觀念，依托城市發達的交通流、信息流和市場，進行全方位、跨區域的農業生產合作和農產品交易。在市場力的主導下，都市農業通過廣闊的市場網絡將農業生產者與世界各地的開放市場聯系在一起，根據市場需求有效地進行生產要素合理配置。通過市場力對農業產業化的帶動作用，提高農業生產的專業化水平。

二、光伏新能源在農業生產中的應用

(一)太陽能光伏發電系統的應用

太陽能光伏發電系統按照與市政電力系統的連接與否，分為并網發電系統和獨立發電系統[4]。其中，并網發電系統包括分散式和集中式兩種裝機模式。由于分散式并網發電系統容量較小(幾千瓦到幾十千瓦)，適合我國農村發展需要，因而較為常見。光伏電池發出的直流電通過該系統中的逆變器之后，逆變成與市政電網同頻同相的交流電，進而并入市政電力系統中供農村居民生活生產使用(見圖1)。

(二)光伏新能源在農業溫室補光系統中的應用

圖1 光伏發電智能控制系統示意圖

現階段，在以農業溫室工廠為主導的高效農業生產過程中，生產者通常會利用科學合理的人工手段，控制和改變溫室大棚內的小環境，進行反季節蔬菜、瓜果以及高經濟附加值的農副產品生產，如通過LED植物燈照射植物，將平面種植向立體多層次種植方式發展 (見圖2)。傳統的人工補光方式是在封閉式的植物苗大棚中采用人工光源(熒光燈)照射，碳排放量高且耗電量較大[5]，而光伏發電是通過太陽能硅片將太陽輻射能轉化成電能的發電方式。將光伏發電技術直接運用到現代農業種植中，即解決了人工補給方式的高能耗問題，又有效地降低了農業生產成本。

(三)太陽能光伏提水系統在農業生產中的應用

圖2 光伏補光系統示意圖

太陽能光伏提水系統是利用太陽輻射能轉化為電能之后，用于驅動水泵進行抽水的人工智能系統，即太陽能光伏揚水系統(Solar Water Pumping System)[6]。由串并聯之后的太陽能電池組件轉化太陽能為電能之后，通過光伏揚水逆變器的控制和調節作用，將直流電轉變為交流電來驅動水泵。該技術既能根據日照強度變化進行智能的實時調節輸出頻率，又能對最大功率點進行即時跟蹤，最大限度地利用太陽能(見圖3)。

圖3 光伏揚水系統示意圖

三、都市農業園區發展策略

(一)構建現代農業科技創新示范區

以光伏新能源利用為核心，綜合應用物聯網及綠色建筑等新興技術。首先，將光伏方陣與建筑相結合，在應用清潔能源、節約土地的同時，運用諸多綠色建筑技術，實現建筑節能減排;其次，把物聯網技術貫穿于農產品的儲藏、加工、銷售、物流運輸等環節，形成從生產到加工銷售一條龍的現代農業產業鏈;然后，推進各種農業新技術與園區農業科普展示功能布局的結合，打造科技創新示范基地，從“科技創新示范區”這一概念出發，把“國內國際科技領先”作為最大的特色進行打造，這是保證園區旺盛生命力的重要舉措。

(二)構建生態農業示范區

運用先進生態技術，形成園區內能源循環，倡導生態循環理念，營造綠色的生產環境。運用先進科學技術成果和現代管理手段，通過設計生態工程，協調經濟發展與環境之間、資源利用與保護之間的矛盾。增加園區內部產業的聯系，如稻殼、秸稈、家禽糞便等農業廢棄物可統一回收，經加工后供給各功能區使用，實現能源自給。重視先進的水處理技術，如建立人工強化濕地，對園區內生活污水及生產廢水進行處理，達到水質標準后統一排放。

(三)構建以農業觀光體驗為核心的旅游發展示范區

(四)充分利用功能區引進合適項目(見表1)

以光伏科技農業展示、農耕養生度假和禪修療養為造模式，劃為“光伏建筑一體化”示范項目，并享受國家財政補貼。因此，應該開展獨創性專業技術的研究，改變農業生產者在價值觀和技術水平上的差距，利用科技創新、高效緊湊、發展有序、布局合理的空間規劃設計方法，對城鄉統籌可持續發展提供規劃策略支持。

光伏新能源在都市農業園區建設過程中的綜合運用，是新能源與都市農業理念有機結合的嘗試，然而該領域的相關理論研究成果與實際建設項目相對匱乏。在城鄉統籌發展的總體基調下，未來很長一段時間內，我們仍然需要將光伏新能源利用在眾多都市農業園區，并嘗試將更多的新能源綜合應用于改善農村生活與農業生產方式上。因此，需要對這一課題開展深入廣泛的探索和完善。主題，結合良好的水資源，構建集科技展示、會議接待、溫泉度假、文化體驗等功能為一體的核心展示區、會議接待區、溫泉度假區、農耕文化體驗區、田園大地景觀區和光伏大棚區。

表1 項目發展建議

合理利用生態資源，為園區農林業生產創造良好的自然條件。重點體現園區獨具的光伏科技特色，科學可持續利用較好的生態環境條件，科學規劃、合理布局，豐富現代農業產業項目。

四、結語與展望

都市農業發展研究涉及內容繁多，需要從多學科、多維度、多層次的視角充分考慮各種經濟、社會要素進行統籌考慮。隨著《太陽能光伏產業“十二五”規劃》的頒布實施，全國大部分地區已將太陽能光伏生態大棚電站的建

[1]俞菊生.中國都市農業——國際大都市上海的實證研究[M].北京:中國農業出版社，2002.

[2]方志權，吳方衛，王威.中國都市農業理論研究若干爭議問題綜述[J].中國農學通報，2008，(8).

[3]蔡建明，羅彬怡.從國際趨勢看將都市農業納入到城市規劃中來[J].城市規劃，2004，(9).

[4]董有爾，等.太陽能光伏發電系統應用研究[J].山西大學學報(自然科學版)，2013，(1).

[5]杜容熠.太陽能光伏發電在農業溫室補光系統中直流電的直接應用[J].現代農業科技，2010，(22).

[6]楊志斌，等.太陽能光伏提水系統在海南農業中的應用[J].熱帶農業科學，2013，(2).