光伏-丹參生產模式下的光照變化及其對丹參生長的影響

單成鋼，王憲昌，張教洪，馬炳鵬，李桂祥，倪大鵬，朱彥威，王志芬

(1.山東省農業科學院農產品研究所/藥用植物研究中心/農業農村部新食品資源加工重點實驗室，山東 濟南 250100；2.沂南駿達農業發展有限公司，山東 沂南 276314；3.山東省果樹研究所，山東 泰安 271000)

光照是植物進行光合作用的基礎，影響著植物光合作用過程中的同化力形成、酶活化、氣孔開放等。遮蔭是使植物接收的光量子密度受到限制的環境或人為因子[1]，一般會導致植物的日照時間減少或者照射強度降低。遮蔭一方面使植物生長環境的小氣候產生變化，另一方面對植物的生長、發育、生理生化特性以及礦質營養代謝產生影響，這種影響既有有利的一面也有不利的一面，而且影響程度隨植物自身的差異性而有所不同[2]。

近年來，隨著對清潔能源需求增加和光伏扶貧工程的推進，我國的光伏產業得到迅猛發展。截至2016年底，我國光伏發電新增裝機容量3 454萬千瓦，累計裝機容量7 742萬千瓦，新增和累計裝機容量均為全球第一[3]。為了合理利用土地和集約利用空間，催生出了光伏與農業相結合的產業形態——光伏農業，包括光伏大棚、露地光伏農業等形式，無論哪種形式均是為了能夠在滿足光伏發電的同時開展有效的農業生產。但在這種復合模式下植物生長環境如光照、溫度、濕度等將產生什么變化，這種變化對生長期間的植物有多大影響，目前鮮見研究報道[4，5]。

本文著重研究了露地光伏-丹參生長模式下的光照變化，以及這種變化對丹參生長的影響，以期為光伏條件下開展合理的農業生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在沂南縣岸堤鎮興旺莊村瑞諾多晶硅光伏電站進行，多晶硅陣列寬3 m，骨架間距6.6 m，丹參品種為魯丹參1號，種植時間是2017年3月20日。采用大壟雙行種植，每一陣列行間種植4壟丹參，每壟種植2行，壟寬0.9 m，壟高0.3 m，統一常規水肥管理。光伏板與種植模式布局見圖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 太陽高度角和方位角計算

試驗地點的太陽高度角和方位角可以通過計算得出[6]。

1.2.1 太陽赤緯的計算 太陽赤緯隨季節而變化，春分和秋分時太陽赤緯為0°，夏至和冬至分別為23°23′。其計算式[7]如式(1)。

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

(1)

式中：δ為太陽赤緯；θ為日角，即θ=2πt/365.2422，其中t=N-N0，N為積日，即日期在年內的順序號，N0=79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4]。

1.2.2 太陽高度角的計算 太陽高度角是指某地太陽光線與通過該地與地心相連的地表切面的夾角，簡單來說即太陽光的入射方向與地平面之間的夾角，用α表示，計算式[8]如式(2)。

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(2)

式中：δ為太陽赤緯；φ為觀測地地理緯度；ω為地方時角，ω=15°(t-12)，午后為正，午前為負。

1.2.3 太陽方位角的計算 太陽方位角是以目標物的北方向為起始方向，以太陽光的入射方向為終止方向，按順時針方向所測量的角度，用β表示。中國區域太陽方位角范圍在90°～270°，正午為180°左右。其計算公式[8]如式(3)。

cosβ=(sinαsinφ-sinδ)cosαcosφ

(3)

式中：δ為太陽赤緯；φ為觀測地地理緯度；α為太陽高度角。

1.3 光伏板陰影長度計算

1.3.1 光伏板在地面陰影長度 即光伏板對陽光遮擋所形成的陰影長度。其計算公式如式(4)。

(4)

其中：L為光伏板地面陰影長度；H為光伏板高度；α為太陽高度角。

1.3.2 有效陰影長度 即光伏板在南北(與行向垂直)方向上的陰影長度。此陰影長度對位于行間的作物形成有效的遮蔭。其計算公式如式(5)。

(5)

其中：L′為有效陰影長度；L為光伏板地面陰影長度；β為太陽方位角。

1.4 丹參性狀指標測定

1.4.1 株高測定 開花期每小區選取代表性植株10株，測量株高。

1.4.2 凈光合速率測定 利用 LI-6400XT 便攜式光合作用測定系統，在丹參開花期(6月15日)8—16時每間隔2小時測定一次。每處理選擇長勢具有代表性植株10株，在每株相同部位選取3個葉片，測定復葉的中央小葉，取3個讀數的平均值作為該株的測定結果。

1.4.3 SPAD值測定 使用SPAD-502型葉綠素儀進行測定。 選擇健康成熟葉片的中央小葉, 分別在小葉葉基、葉中、葉尖處測得SPAD值, 求平均作為每片葉的值。每株測定3個小葉，求平均作為每個植株的值，每處理測定10株。

1.5 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 軟件進行處理，采用SPSS統計軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 遮蔭對直射陽光照射時間日變化的影響

由表1可見，在6月中旬，太陽高度角從6時的11.93°逐步升高至12時的77.53°，而后逐步降低，至18時降至14.93°。6月中旬日出時太陽位于東北方向，角度為69.7°，至9時左右太陽方位角達到90°，即位于正東方，至12時方位角為171.65°，接近正南方，而后逐步向西移動，16時左右到達正西方，而后繼續向西北方向移動，18時與正北方夾角為288.28°。

由于受到太陽高度角和方位角的共同作用，有效陰影長度也呈現有規律的變化，日出時因為太陽位于東北方向，陰影來自于北側光伏陣列的遮擋，太陽高度角小，陰影比較長，約4.76 m；隨著太陽的南移和升高，陰影長度迅速縮短，至9時，太陽方位到達正東方附近，有效陰影長度僅為0.17 m；至正午時分，太陽到達正南方，太陽高度角77.53°，有效陰影長度為0.63 m；正午之后的有效陰影變化趨勢與上午正好對稱，先由大變小，再由小變大，見表1。

表1 2017年6月15日太陽高度角、方位角和有效陰影長度的變化

以表1的時刻為橫坐標，有效陰影長度為縱坐標繪制圖2，可見圖中存在4個單調區間，分別對應方位角0°～90°，90°～180°，180°～270°和270°～360°四個區間。

圖2 有效陰影長度隨時間變化

在每一個單調區間內，以有效陰影長度為自變量，以對應時間點為因變量，進行曲線擬合，可得每個區間的擬合曲線，其中，對應時間點換算為數字形式，例如6時30分，換算為6.50，6時15分換算為6.25。所得擬合曲線見表2。

表2 每個單調區間的擬合曲線及決定系數

利用表2中曲線1可以計算得到在太陽方位角0°～90°區間，即日出后不久，每個處理丹參壟的日照時間點，并由此計算出該時段的日照時數；同理，利用曲線4計算可得在方位角270°～360°區間，即日落前不久，每一壟丹參的日照時數，這兩個時段的陰影來自丹參種植區北側光伏板的遮擋。而在太陽方位角90°～180°和180°～270°區間，陰影來自丹參種植區南側光伏板的遮擋，從表1的數據分析出這兩個時段遮蔭范圍較少，主要是對R1壟的遮擋，分別分析R1壟內兩行，遠離光伏板的一行始終不被遮蔭，而靠近光伏板的一行經計算上午和下午分別被遮陰2小時和1.5小時，因此，R1壟的光照時間采用兩行光照時間的平均值。由此可得6月15日各處理全天日照時數，見表3。

2.2 丹參生育期內遮蔭處理的日照時數變化

考慮到丹參的整個生育期，分別計算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日每個遮蔭處理的日照時數。

表3 各處理丹參在一天中日照時數 (h)

注：表中距離為每一丹參壟南側邊界與相鄰北側光伏板高點的地面投影間的水平距離，表示該壟接受來自北側光照的臨界點。

由圖3可見，在無遮蔭條件下(CK)，日照時數隨季節呈現有規律的變化，從春分日的12.00 h逐漸增至夏至日的17.15 h，特別是5月下旬至6月下旬，增加幅度最大，日照時數增加了25%；夏至日后，日照時數迅速下降，與之前的上升趨勢幾乎呈對稱狀態，至秋分日又回落到12 h；之后繼續下降，11月20日降至9.75 h。與對照相比，各遮蔭處理的日照時數都受到不同程度的影響。R1是受遮蔭最為嚴重的處理，春分日的光照時間不足15 min，之后逐漸增大，至夏至日達到最大值10.43 h，之后又逐漸減少，秋分日之后基本接收不到太陽直射，全天處于遮蔭狀態。R2在3月20日日照時數僅為30 min，在隨后的1個月內迅速達到12 h，一直持續到8月20日，日照時數均保持在12 h左右；但到了9月23日(秋分日)，日照時數又迅速回落到30 min，之后的生育期內都處于遮蔭狀態。R3自春分日開始一直到秋分日，日照情況相對比較平穩，保持在12 h左右，6月20日到8月20日略低于12 h，主要因為北側光伏板的遮擋，秋分日之后到10月20日，陽光逐步被完全遮擋。R4與R3情況相似，但8月20日前遮蔭較R3更為嚴重，而陽光直射可以一直持續到10月中下旬，10月20日尚有將近7 h的光照，這是因為R4雖然更容易被北側光伏板遮擋，但距離南側光伏板最遠，遮光最為輕微。

為了更加清晰地比較分析5個處理生育期內的總日照時數，可以通過積分分別計算5條曲線與橫軸之間構成圖形的面積來求取，結果見圖4。

圖3 丹參生育期內的日照時數變化

圖4 各處理生育期內的總日照時數

四個處理與對照的總日照時數存在顯著差異，隨著與南側光伏板的距離增大總日照時數逐漸增大，呈線性變化趨勢，其決定系數R2=0.972，表明與光伏板的距離與日照時數間存在顯著相關性。對照的總日照時數最大，為1 045 h，R1的日照時數最小，為400 h，僅占對照的38%；R2總日照時數明顯高于R1，約為610 h，高出R1約52%，占對照的58%；R3和R4雖然從4月至8月每日的日照時數略低于R2，但由于他們在生育期前期和后期的光照時間明顯高于R2，光照天數明顯多于R2，因此，總體來看R3和R4的總日照時數分別高出R2約19%和32%，占對照的69%和77%。

2.3 遮蔭對株高的影響

由圖5可以看出，遮蔭對丹參株高有著顯著的影響，R1遮光最嚴重，株高平均65 cm，高出對照約18%，而R2平均株高60 cm，高出對照9%。在0.05水平下R1、R2差異顯著，且均顯著高于其他處理，R3、R4與對照沒有顯著差異。

2.4 遮蔭對光合特性的影響

由圖6可知，8—12時，各處理的凈光合速率均呈現上升趨勢，12時達最大值；12—16時，4個遮蔭處理均呈下降趨勢，而對照的凈光合速率14—16時又升高。遮蔭降低了丹參的光合速率。8時對照的凈光合速率顯著高于其他處理；10時，R3、R4的光合速率迅速升高，但仍略低于對照，差異不顯著，而R1和R2顯著低于對照，分別比對照低78%和71%；12時，R1和R2的凈光合速率也表現出顯著差異，但仍明顯低于對照和另外兩個處理，分別比對照低69%和37%；14時各處理的表現與10時相似，16時各遮蔭處理的光合速率均降至極低狀態，顯著低于對照。

圖5 遮蔭對株高的影響

圖6 遮蔭對光合速率的影響

2.5 遮蔭對葉綠素相對值的影響

由圖7可知，遮蔭顯著降低丹參葉片的SPAD值，遮蔭越重，SPAD值越低。R1和R2的SPAD值顯著低于對照，分別比對照低7.6%和4.9%；R3和R4略低于對照，分別比對照低1.9%和2.1%，與對照間差異不顯著。

2.6 遮蔭對丹參根部性狀和產量的影響

如表4所示，CK根鮮重、根干重、根條數、根總長、產量值最大，R3的根鮮重與CK差異顯著，其他指標R3、R4均與CK差異不顯著，其產量分別比對照低11.97%和3.61%。除根總長、根直徑外，R2的其他指標均與對照差異顯著，其中產量約低于對照30%，根干重、根條數、折干率分別比對照低31%、30%、14%。R1的所有根部性狀指標與對照均有顯著差異，其中產量約降低50%，根鮮重、干重、根條數、根總長、根直徑、折干率分別比對照低35%、49%、42%、20%、10%、25%。

圖7 遮蔭對SPAD值的影響

表4 各處理丹參根部性狀和產量

注：同列不同小寫字母表示處理間差異達0.05顯著性水平。

3 討論與結論

3.1 討論

研究表明，利用天文學公式計算太陽方位角和高度角，對樹木樹冠進行模型化分析，計算得出不同經緯度某一時刻樹木的投影面積，可以確定果樹合理的種植間距[11,12]。建筑物的遮蔭效應，夏季以建筑物北側日照條件最好，冬季以南側日照條件最好，全年綜合情況則以南側最優，北側最差[13]。本研究在計算得到太陽方位角和高度角的基礎上，推算出光伏板在一天之中以及丹參整個生長季的遮蔭狀況，進一步得出距離南側光伏板由近及遠的丹參壟，在生育期內接收的日照總時數分別為對照的38%、58%、69%和77%，距離和遮蔭程度顯著相關，這一結論與建筑物的遮蔭情況相一致[13]。

除了光環境的改變，光伏板遮蔭也能夠改變植被的其他生長條件。能夠有效降低土壤pH值和電導率，導致土壤水分的入滲量和蒸發量都比較小，水分上下流通不暢，不利于水分通道的形成，可能導致土壤容重增加。光伏板遮蔭作用為更多耐蔭性植物生長提供了可能，從而增加了物種豐富度、均勻度和優勢度[14]。光伏電廠干擾下高寒荒漠草原區植被群落的植物種數、蓋度、地上生物量、豐富度指數、土壤含水量、有機質和全氮含量升高[15]。

這些條件的改變使正處于生長期間的植物受到顯著影響。例如：遮蔭顯著降低甘草株高，影響光合作用，造成顯著減產[5]。不同強度的遮光可顯著減弱作物的光合作用，使單葉凈光合速率下降[16]，氣孔關閉[17]，從而導致干物質積累量和產量下降；不同品種對遮蔭的適應能力存在差異[4,18-21。遮蔭會使喜光植物葉片變薄，顯著降低其葉片SPAD值、葉綠素a/b值和最大光合速率，導致CO2同化速率和氮的吸收率降低，從而延緩其生長[23-25]。而耐陰或喜陰植物在遮蔭情況下，葉綠素質量分數均較對照極顯著升高，可明顯增強光系統對低密度光量子的吸收、傳遞和轉化[26-28]。不同遮蔭條件對不同地被植物根鮮重、分株數有不同程度的影響：金葉過路黃植株根鮮重、分株數均在27%的遮光度下最高；射干植株鮮重及高度隨遮光度增大呈下降趨勢，根鮮重及分枝數變化緩慢[29]。

丹參為喜光植物，具有較高的光飽和點和比較低的光補償點，對遮蔭環境具有一定的適應能力[30，31]。本研究結果也顯示，生育期內總遮光度62%，丹參仍能夠完成正常的生命周期，并且能夠達到對照產量的50%，凈光合速率、株高、SPAD值以及根部性狀與對照均有顯著差異；遮光42%，約能達到對照產量的70%；遮光度<31%，產量基本不受影響。

3.2 結論

本研究為光伏農業模式提供了一種遮蔭程度的計算方法，可以根據光伏板的高度、布局等準確推算出每日和整個生育期的日照時數，這為光伏農業電站的設計、種植品種的選擇和搭配提供了參考依據。在本研究的光伏-丹參生產模式下，只要保證全生育期累計日照時數720 h以上，就可以基本保證其產量；即便全生育期日照時數只有400 h，也可以帶來正常產量50%的收益。這對保障光伏農業電站的整體效益具有指導價值。