王璞 李百成 王立 郭文琦 韓曉勇 殷劍美 金林 蔣璐 張培通*

（1江蘇爭(zhēng)先農(nóng)業(yè)科技有限公司，南通 226299；2江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，南京 210014）

光伏農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中安裝太陽能光伏發(fā)電設(shè)備，利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式將光伏產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的一種產(chǎn)業(yè)形式，包括太陽能光伏板板頂發(fā)電、板下種植等模式[1]。2022年中央一號(hào)文件提出，要“支持有條件的脫貧地區(qū)發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)”，鼓勵(lì)因地制宜發(fā)展“農(nóng)光互補(bǔ)”“漁光互補(bǔ)”等光伏農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)“一光多用、一地多用、綜合開發(fā)、多產(chǎn)融合”的目標(biāo)，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)綠色能源的需求問題[2]。但是，目前國內(nèi)光伏設(shè)施土地資源利用率不高，再加上國內(nèi)對(duì)光伏農(nóng)業(yè)創(chuàng)新技術(shù)的研究較少，故尚未形成可復(fù)制、能推廣的光伏農(nóng)業(yè)高效種植技術(shù)模式。

江蘇省是光伏產(chǎn)業(yè)大省，現(xiàn)有光伏設(shè)施占地面積近13 000 hm2，主要分布在蘇北、蘇中地區(qū)[3]。其中，蘇北地區(qū)（如連云港市灌云縣）的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好。灌云縣地處黃淮南部沿海地區(qū)，日照充足、雨量充沛，適宜進(jìn)行大豆種植，是國內(nèi)有名的大豆之鄉(xiāng)，也是黃淮海高蛋白大豆優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)，且灌云縣建有江蘇省唯一的大豆良種場(chǎng)，先后繁育出“灌云大白花”“灌豆1號(hào)”“灌原1號(hào)”“灌豆4號(hào)”等大豆新品種[4]，為推進(jìn)我國大豆經(jīng)濟(jì)發(fā)展和大豆種業(yè)振興作出了重要貢獻(xiàn)。

為推進(jìn)江蘇省光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)灌云縣大豆優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)，筆者以“中黃13號(hào)”“灌豆4號(hào)”“瑞豆1號(hào)”3個(gè)大豆品種為試驗(yàn)材料，研究了光伏設(shè)施光照、溫度等環(huán)境條件對(duì)大豆生長發(fā)育、產(chǎn)量等的影響，以期明確在光伏基地進(jìn)行大豆生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，從而為蘇北地區(qū)光伏基地大豆生產(chǎn)技術(shù)的集成完善提供理論支持，為江蘇省光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)指導(dǎo)方案。現(xiàn)將相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆品種為“中黃13號(hào)”“灌豆4號(hào)”“瑞豆1號(hào)”，均為夏播大豆品種，均適宜在灌云縣進(jìn)行種植。其中，“中黃13號(hào)”在灌云縣種植，夏播全生育期約為103 d，大田平均每667 m2產(chǎn)量在202 kg左右；“灌豆4號(hào)”在灌云縣種植，夏播全生育期約為110 d，大田平均每667 m2產(chǎn)量在181 kg左右；“瑞豆1號(hào)”在灌云縣種植，夏播全生育期約為113 d，大田平均每667 m2產(chǎn)量在190 kg左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年設(shè)在江蘇省連云港市灌云縣南崗鎮(zhèn)張興村光伏基地進(jìn)行，基地的光伏發(fā)電板為單立柱結(jié)構(gòu)支撐，太陽能板安裝傾角為27°，前排立柱與后排立柱之間間距為6.5 m，每排光伏板均為前低后高，板檐前端離地面高度為2.6 m，板檐后端離地面高度為4.6 m，具體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)大豆在光伏陣列中種植位置的不同，每個(gè)大豆品種均設(shè)3個(gè)處理：（1）光伏板板間空地，即大豆種植在光伏板陣列之間的空地，寬度約為3.5 m；（2）光伏板檐下空地，即大豆種植在光伏板檐下向立柱延伸的部分空地，寬度約為1.0 m；（3）光伏板立柱下空地（CK），即大豆種植在光伏板立柱前后的空地，寬度約為1.0 m。各處理具體種植示意圖見圖2。每處理重復(fù)3次，每小區(qū)面積約為150 m2。各處理大豆播種時(shí)間均為2021年6月2日，平均每667 m2種植11 000株左右。各處理區(qū)全部覆蓋黑色地膜，其他田間管理措施均保持一致。

圖2 試驗(yàn)處理示意圖

1.3 調(diào)查內(nèi)容

1.3.1 植株長勢(shì)指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)期間每小區(qū)選取長勢(shì)一致且連續(xù)的5株植株，記錄出苗期，統(tǒng)計(jì)出苗率，測(cè)定株高、底莢高度、主莖節(jié)數(shù)和有效分枝數(shù)。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)測(cè)定

在收獲期，按各小區(qū)統(tǒng)計(jì)大豆籽粒產(chǎn)量，并分別測(cè)定單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、單株籽粒數(shù)、單株籽粒重。

1.3.3 光照度測(cè)定

試驗(yàn)期間分別在晴天、陰天和多云天氣條件下，采用光照度計(jì)（特安斯TA8133型）測(cè)定不同處理區(qū)的光照度，測(cè)定時(shí)間為6:00—18:00，每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)。測(cè)定高度均為離地表1 m，每處理重復(fù)3次。

1.3.4 土壤溫度測(cè)定

采用精創(chuàng)RC-4型自動(dòng)溫度記錄儀，每隔1 h記錄膜下表層0 cm處土壤溫度和土層10 cm處土壤溫度，每處理重復(fù)3次。

1.3.5 經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算

統(tǒng)計(jì)各處理生產(chǎn)成本，核算銷售收入和純利潤。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

由表1可知，3個(gè)大豆品種在不同處理下的大豆籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)一致，均表現(xiàn)為處理（1）的籽粒產(chǎn)量最高，其次為處理（2），處理（3）的籽粒產(chǎn)量最低。其中，處理（1）較處理（3）增產(chǎn)88.95%～132.94%，處理（2）較處理（3）增產(chǎn)71.26%～105.57%。在處理（1）（光伏板板間空地）和處理（2）（光伏板檐下空地）條件下，“灌豆4號(hào)”的籽粒產(chǎn)量均為最高，其次為“中黃13號(hào)”；而在處理（3）（光伏板立柱下空地）條件下，“中黃13號(hào)”的籽粒產(chǎn)量最高，其次為“瑞豆1號(hào)”。進(jìn)一步分析產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，在處理（1）（光伏板板間空地）條件下，“灌豆4號(hào)”的單株莢數(shù)、單株籽粒數(shù)、單莢籽粒數(shù)均為最高；在處理（2）（光伏板檐下空地）和處理（3）（光伏板立柱下空地）條件下，“中黃13號(hào)”的單株莢數(shù)和單株籽粒重均為最高。以上結(jié)果表明，“灌豆4號(hào)”較適合在光伏板板間空地進(jìn)行種植，而“中黃13號(hào)”較適合在光伏板檐下空地和光伏板立柱下空地進(jìn)行種植。

表1 不同處理的大豆籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

2.2 大豆植株長勢(shì)

由表2可知，3個(gè)大豆品種均是處理（1）的大豆植株長勢(shì)最好，表現(xiàn)為植株高大、株型整齊。處理（1）中“瑞豆1號(hào)”的出苗率和株高均為3個(gè)大豆品種中最高。“灌豆4號(hào)”3個(gè)處理的底莢高度明顯高于其他2個(gè)大豆品種的對(duì)應(yīng)處理?！爸悬S13號(hào)”3個(gè)處理的主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)均高于其他2個(gè)大豆品種的對(duì)應(yīng)處理[“瑞豆1號(hào)”處理（2）的分枝數(shù)除外]，全生育期均短于其他2個(gè)大豆品種的對(duì)應(yīng)處理。以上結(jié)果表明，“灌豆4號(hào)”“瑞豆1號(hào)”較適合在光伏板板間空地進(jìn)行種植，其出苗率、株高均表現(xiàn)較好，而“中黃13號(hào)”較適合在光伏板檐下空地和光伏板立柱下空地進(jìn)行種植，其主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)、產(chǎn)量潛力和早熟性的表現(xiàn)均較好。

表2 不同處理的大豆植株長勢(shì)

2.3 光照度

由表3可知，在晴天、多云和陰天條件下，處理（1）的日平均光照度均為最高，處理（3）的日平均光照度均為最低。其中，在晴天條件下，處理（1）的日平均光照度最高，較處理（2）提高128.42%，較處理（3）提高573.20%；而在陰天條件下，處理（1）和處理（2）間的日平均光照度差異不明顯，但均高于處理（3）。以上結(jié)果表明，光伏板板間空地在各種天氣條件下，均具有較好的光照效果，這有利于大豆的營養(yǎng)生長和開花結(jié)莢，光伏板檐下空地的有效光照強(qiáng)度稍低，這對(duì)大豆生長略有影響，而光伏板立柱下空地的光照度普遍偏低，這不利于大豆的正常生長。

表3 不同處理的光照度

2.4 土壤溫度

由表4可知，處理（1）表層0 cm土壤的日最高溫度和日平均溫度均為最高，而表層0 cm土壤的日最低溫度較低，故處理（1）表層0 cm土壤的日極差溫度較高；3個(gè)處理間土層10 cm土壤溫度差異不明顯，平均溫度在25.0～26.0 ℃之間，日極差溫度在5.8～6.1 ℃之間。以上結(jié)果表明，表層0 cm土壤溫度的變化對(duì)大豆生長的影響較大，光伏板板間空地的表層0 cm土壤平均溫度較高，這有助于促進(jìn)大豆提早出苗和根系生長發(fā)育，從而促進(jìn)植株?duì)I養(yǎng)體生長；而光伏板立柱下空地的表層0 cm土壤平均溫度和日最高溫度均較低，且日極差溫度小，這不利于大豆的出苗和植株生長。

2.5 大豆經(jīng)濟(jì)效益

由表5可知，從整地、種子、肥料、地膜、農(nóng)藥、除草、收獲等項(xiàng)目來統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)成本，處理（1）和處理（2）的每667 m2生產(chǎn)成本均為500元，處理（3）的每667 m2生產(chǎn)成本為550元（增加的費(fèi)用用于施肥、除草和收獲等）。按照大豆籽粒售價(jià)6元/kg進(jìn)行計(jì)算，在3個(gè)大豆品種中，處理（1）的每667 m2銷售收入均為最高，為1 274.04～1 379.92元，處理（3）的每667 m2銷售收入均為最低；扣除生產(chǎn)成本，在3個(gè)大豆品種中，處理（1）的每667 m2純利潤均為最高，為774.04～879.92元，處理（3）的每667 m2純利潤均為最低，且“灌豆4號(hào)”處理（1）的純利潤為各品種各處理中最高。以上結(jié)果表明，“灌豆4號(hào)”較適合在光伏板板間空地進(jìn)行種植，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

表5 不同處理的大豆經(jīng)濟(jì)效益

3 討 論

3.1 光伏系統(tǒng)的光溫分布特點(diǎn)

光伏農(nóng)業(yè)是將太陽能板發(fā)電和板下作物種植相結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)形式，具有資源節(jié)約、環(huán)境友好、產(chǎn)出高效、綠色安全等優(yōu)勢(shì)。但是，光伏板架設(shè)會(huì)遮擋作物生長所需陽光，降低作物生長所需溫度，從而造成作物減產(chǎn)。因此，在光伏農(nóng)業(yè)中，作物生長的關(guān)鍵是尋找光伏電力生產(chǎn)和作物生產(chǎn)之間的平衡[1]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同處理區(qū)的光照度差異較大，但表層0 cm土壤平均溫度差異不大。例如，處理（2）（光伏板檐下空地）較處理（1）（光伏板板間空地）日平均光照度減少4.84%～60.92%，表層0 cm土壤平均溫度僅降低3.56%，而出苗率降低3.85%～10.71%，株高降低6.99%～10.83%；處理（3）（光伏板立柱下空地）較處理（1）（光伏板板間空地）日平均光照度減少50.86%～85.15%，表層0 cm土壤平均溫度降低6.76%，而出苗率降低7.69%～14.28%，株高降低15.16%～22.37%，降幅進(jìn)一步擴(kuò)大。這表明與表層0 cm土壤溫度相比，光照度對(duì)光伏基地大豆?fàn)I養(yǎng)生長的影響更為明顯，光伏板檐下空地、光伏板立柱下空地的光照條件較差，大豆的營養(yǎng)生長受到明顯抑制；光伏板板間空地的光照充足，表層0 cm土壤溫度適宜，有利于大豆的營養(yǎng)生長，故光伏板板間空地可作為光伏基地大豆種植的最佳地點(diǎn)。

3.2 光伏基地大豆種植表現(xiàn)

前人研究發(fā)現(xiàn)，光伏電板建設(shè)會(huì)造成甘薯減產(chǎn)，可通過選種早熟品種、適當(dāng)增加種植密度來彌補(bǔ)甘薯單位產(chǎn)量的損失[5]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆在光伏板板間空地、光伏板檐下空地、光伏板立柱下空地種植均可結(jié)實(shí)，說明本試驗(yàn)的光伏系統(tǒng)雖然降低了直射光照強(qiáng)度，但是散射光仍有光合能力，仍可滿足大豆生長所需，該結(jié)果與甘薯上的研究結(jié)果類似[5]。但是，大豆是喜溫短日照作物，不同大豆品種對(duì)于光照和溫度的敏感性不同，故不同種植位置的大豆株高、主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)等差異較大，導(dǎo)致不同大豆品種間產(chǎn)量也存在差異[6-7]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，光伏板板間空地種植的“灌豆4號(hào)”具有較高的出苗率和株高，單株莢數(shù)、單株籽粒數(shù)、單莢籽粒數(shù)均為各品種各處理中最高，且每667 m2籽粒產(chǎn)量也為各品種各處理中最高，為229.99 kg，表明該品種適合在光伏基地進(jìn)行種植，且其較高的底莢高度也為其機(jī)械化收獲提供了較好的條件[8]。

光伏基地種植大豆的成本主要包括整地、種子、肥料、地膜、農(nóng)藥、除草、收獲等。在本試驗(yàn)中，處理（1）和處理（2）的生產(chǎn)成本較低，而處理（3）增加了弱苗補(bǔ)肥、多次除草和分批采收等費(fèi)用。在3個(gè)大豆品種中，處理（1）的大豆銷售收入、純利潤均為最高，每667 m2純利潤為774.04～879.92元，其中“灌豆4號(hào)”處理（1）的每667 m2純利潤為各品種各處理中最高，為879.92元。這表明，在光伏基地進(jìn)行大豆種植具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，可在原有光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上，通過種植大豆來進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提高土地資源利用率，這有利于土地流轉(zhuǎn)和大豆規(guī)?；?、機(jī)械化生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆可在蘇北地區(qū)光伏基地進(jìn)行種植，光伏板板間空地是其在光伏基地種植的最佳地點(diǎn)；“灌豆4號(hào)”在光伏基地進(jìn)行種植，表現(xiàn)為出苗率較高，株型為直立，籽粒產(chǎn)量較高，經(jīng)濟(jì)效益較好，故該品種適合在蘇北地區(qū)光伏基地種植和進(jìn)行機(jī)械化收獲，在蘇北地區(qū)光伏基地具有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。