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，南通 226299；
2江苏省农业科学院经济作物研究所，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，利用农业生产形式将光伏产业与农业产业相结合的一种产业形式，包括太阳能光伏板板顶发电、板下种植等模式[1]。2022年中央一号文件提出，要“支持有条件的脱贫地区发展光伏产业”，鼓励因地制宜发展“农光互补”“渔光互补”等光伏农业，实现“一光多用、一地多用、综合开发、多产融合”的目标，解决农业生产对绿色能源的需求问题[2]。但是，目前国内光伏设施土地资源利用率不高，再加上国内对光伏农业创新技术的研究较少，故尚未形成可复制、能推广的光伏农业高效种植技术模式。
江苏省是光伏产业大省，现有光伏设施占地面积近13 000 hm2，主要分布在苏北、苏中地区[3]。其中，苏北地区（如连云港市灌云县）的光伏产业发展较好。灌云县地处黄淮南部沿海地区，日照充足、雨量充沛，适宜进行大豆种植，是国内有名的大豆之乡，也是黄淮海高蛋白大豆优质产区，且灌云县建有江苏省唯一的大豆良种场，先后繁育出“灌云大白花”“灌豆1号”“灌原1号”“灌豆4号”等大豆新品种[4]，为推进我国大豆经济发展和大豆种业振兴作出了重要贡献。
为推进江苏省光伏农业发展，同时促进灌云县大豆优质高效生产，笔者以“中黄13号”“灌豆4号”“瑞豆1号”3个大豆品种为试验材料，研究了光伏设施光照、温度等环境条件对大豆生长发育、产量等的影响，以期明确在光伏基地进行大豆生产的经济效益，从而为苏北地区光伏基地大豆生产技术的集成完善提供理论支持，为江苏省光伏农业的发展提供技术指导方案。现将相关试验结果报道如下。
1.1 试验材料
供试大豆品种为“中黄13号”“灌豆4号”“瑞豆1号”，均为夏播大豆品种，均适宜在灌云县进行种植。其中，“中黄13号”在灌云县种植，夏播全生育期约为103 d，大田平均每667 m2产量在202 kg左右；
“灌豆4号”在灌云县种植，夏播全生育期约为110 d，大田平均每667 m2产量在181 kg左右；
“瑞豆1号”在灌云县种植，夏播全生育期约为113 d，大田平均每667 m2产量在190 kg左右。
1.2 试验设计
试验于2021年设在江苏省连云港市灌云县南岗镇张兴村光伏基地进行，基地的光伏发电板为单立柱结构支撑，太阳能板安装倾角为27°，前排立柱与后排立柱之间间距为6.5 m，每排光伏板均为前低后高，板檐前端离地面高度为2.6 m，板檐后端离地面高度为4.6 m，具体结构图见图1。
图1 光伏系统结构图
依据大豆在光伏阵列中种植位置的不同，每个大豆品种均设3个处理：（1）光伏板板间空地，即大豆种植在光伏板阵列之间的空地，宽度约为3.5 m；
（2）光伏板檐下空地，即大豆种植在光伏板檐下向立柱延伸的部分空地，宽度约为1.0 m；
（3）光伏板立柱下空地（CK），即大豆种植在光伏板立柱前后的空地，宽度约为1.0 m。各处理具体种植示意图见图2。每处理重复3次，每小区面积约为150 m2。各处理大豆播种时间均为2021年6月2日，平均每667 m2种植11 000株左右。各处理区全部覆盖黑色地膜，其他田间管理措施均保持一致。
图2 试验处理示意图
1.3 调查内容
1.3.1 植株长势指标测定
试验期间每小区选取长势一致且连续的5株植株，记录出苗期，统计出苗率，测定株高、底荚高度、主茎节数和有效分枝数。
1.3.2 产量及产量结构测定
在收获期，按各小区统计大豆籽粒产量，并分别测定单株荚数、单荚粒数、单株籽粒数、单株籽粒重。
1.3.3 光照度测定
试验期间分别在晴天、阴天和多云天气条件下，采用光照度计（特安斯TA8133型）测定不同处理区的光照度，测定时间为6:00—18:00，每隔1 h记录1次数据。测定高度均为离地表1 m，每处理重复3次。
1.3.4 土壤温度测定
采用精创RC-4型自动温度记录仪，每隔1 h记录膜下表层0 cm处土壤温度和土层10 cm处土壤温度，每处理重复3次。
1.3.5 经济效益测算
统计各处理生产成本，核算销售收入和纯利润。
1.4 数据处理
使用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行统计分析。
2.1 大豆籽粒产量及产量结构
由表1可知，3个大豆品种在不同处理下的大豆籽粒产量表现一致，均表现为处理（1）的籽粒产量最高，其次为处理（2），处理（3）的籽粒产量最低。其中，处理（1）较处理（3）增产88.95%～132.94%，处理（2）较处理（3）增产71.26%～105.57%。在处理（1）（光伏板板间空地）和处理（2）（光伏板檐下空地）条件下，“灌豆4号”的籽粒产量均为最高，其次为“中黄13号”；
而在处理（3）（光伏板立柱下空地）条件下，“中黄13号”的籽粒产量最高，其次为“瑞豆1号”。进一步分析产量结构，在处理（1）（光伏板板间空地）条件下，“灌豆4号”的单株荚数、单株籽粒数、单荚籽粒数均为最高；
在处理（2）（光伏板檐下空地）和处理（3）（光伏板立柱下空地）条件下，“中黄13号”的单株荚数和单株籽粒重均为最高。以上结果表明，“灌豆4号”较适合在光伏板板间空地进行种植，而“中黄13号”较适合在光伏板檐下空地和光伏板立柱下空地进行种植。
表1 不同处理的大豆籽粒产量及产量结构
2.2 大豆植株长势
由表2可知，3个大豆品种均是处理（1）的大豆植株长势最好，表现为植株高大、株型整齐。处理（1）中“瑞豆1号”的出苗率和株高均为3个大豆品种中最高。“灌豆4号”3个处理的底荚高度明显高于其他2个大豆品种的对应处理。“中黄13号”3个处理的主茎节数和分枝数均高于其他2个大豆品种的对应处理[“瑞豆1号”处理（2）的分枝数除外]，全生育期均短于其他2个大豆品种的对应处理。以上结果表明，“灌豆4号”“瑞豆1号”较适合在光伏板板间空地进行种植，其出苗率、株高均表现较好，而“中黄13号”较适合在光伏板檐下空地和光伏板立柱下空地进行种植，其主茎节数、分枝数、产量潜力和早熟性的表现均较好。
表2 不同处理的大豆植株长势
2.3 光照度
由表3可知，在晴天、多云和阴天条件下，处理（1）的日平均光照度均为最高，处理（3）的日平均光照度均为最低。其中，在晴天条件下，处理（1）的日平均光照度最高，较处理（2）提高128.42%，较处理（3）提高573.20%；
而在阴天条件下，处理（1）和处理（2）间的日平均光照度差异不明显，但均高于处理（3）。以上结果表明，光伏板板间空地在各种天气条件下，均具有较好的光照效果，这有利于大豆的营养生长和开花结荚，光伏板檐下空地的有效光照强度稍低，这对大豆生长略有影响，而光伏板立柱下空地的光照度普遍偏低，这不利于大豆的正常生长。
表3 不同处理的光照度
2.4 土壤温度
由表4可知，处理（1）表层0 cm土壤的日最高温度和日平均温度均为最高，而表层0 cm土壤的日最低温度较低，故处理（1）表层0 cm土壤的日极差温度较高；
3个处理间土层10 cm土壤温度差异不明显，平均温度在25.0～26.0 ℃之间，日极差温度在5.8～6.1 ℃之间。以上结果表明，表层0 cm土壤温度的变化对大豆生长的影响较大，光伏板板间空地的表层0 cm土壤平均温度较高，这有助于促进大豆提早出苗和根系生长发育，从而促进植株营养体生长；
而光伏板立柱下空地的表层0 cm土壤平均温度和日最高温度均较低，且日极差温度小，这不利于大豆的出苗和植株生长。
2.5 大豆经济效益
由表5可知，从整地、种子、肥料、地膜、农药、除草、收获等项目来统计生产成本，处理（1）和处理（2）的每667 m2生产成本均为500元，处理（3）的每667 m2生产成本为550元（增加的费用用于施肥、除草和收获等）。按照大豆籽粒售价6元/kg进行计算，在3个大豆品种中，处理（1）的每667 m2销售收入均为最高，为1 274.04～1 379.92元，处理（3）的每667 m2销售收入均为最低；
扣除生产成本，在3个大豆品种中，处理（1）的每667 m2纯利润均为最高，为774.04～879.92元，处理（3）的每667 m2纯利润均为最低，且“灌豆4号”处理（1）的纯利润为各品种各处理中最高。以上结果表明，“灌豆4号”较适合在光伏板板间空地进行种植，可获得较高的经济效益。
表5 不同处理的大豆经济效益
3.1 光伏系统的光温分布特点
光伏农业是将太阳能板发电和板下作物种植相结合的一种新型农业形式，具有资源节约、环境友好、产出高效、绿色安全等优势。但是，光伏板架设会遮挡作物生长所需阳光，降低作物生长所需温度，从而造成作物减产。因此，在光伏农业中，作物生长的关键是寻找光伏电力生产和作物生产之间的平衡[1]。本试验结果表明，不同处理区的光照度差异较大，但表层0 cm土壤平均温度差异不大。例如，处理（2）（光伏板檐下空地）较处理（1）（光伏板板间空地）日平均光照度减少4.84%～60.92%，表层0 cm土壤平均温度仅降低3.56%，而出苗率降低3.85%～10.71%，株高降低6.99%～10.83%；
处理（3）（光伏板立柱下空地）较处理（1）（光伏板板间空地）日平均光照度减少50.86%～85.15%，表层0 cm土壤平均温度降低6.76%，而出苗率降低7.69%～14.28%，株高降低15.16%～22.37%，降幅进一步扩大。这表明与表层0 cm土壤温度相比，光照度对光伏基地大豆营养生长的影响更为明显，光伏板檐下空地、光伏板立柱下空地的光照条件较差，大豆的营养生长受到明显抑制；
光伏板板间空地的光照充足，表层0 cm土壤温度适宜，有利于大豆的营养生长，故光伏板板间空地可作为光伏基地大豆种植的最佳地点。
3.2 光伏基地大豆种植表现
前人研究发现，光伏电板建设会造成甘薯减产，可通过选种早熟品种、适当增加种植密度来弥补甘薯单位产量的损失[5]。本试验结果表明，大豆在光伏板板间空地、光伏板檐下空地、光伏板立柱下空地种植均可结实，说明本试验的光伏系统虽然降低了直射光照强度，但是散射光仍有光合能力，仍可满足大豆生长所需，该结果与甘薯上的研究结果类似[5]。但是，大豆是喜温短日照作物，不同大豆品种对于光照和温度的敏感性不同，故不同种植位置的大豆株高、主茎节数、分枝数等差异较大，导致不同大豆品种间产量也存在差异[6-7]。本试验结果表明，光伏板板间空地种植的“灌豆4号”具有较高的出苗率和株高，单株荚数、单株籽粒数、单荚籽粒数均为各品种各处理中最高，且每667 m2籽粒产量也为各品种各处理中最高，为229.99 kg，表明该品种适合在光伏基地进行种植，且其较高的底荚高度也为其机械化收获提供了较好的条件[8]。
光伏基地种植大豆的成本主要包括整地、种子、肥料、地膜、农药、除草、收获等。在本试验中，处理（1）和处理（2）的生产成本较低，而处理（3）增加了弱苗补肥、多次除草和分批采收等费用。在3个大豆品种中，处理（1）的大豆销售收入、纯利润均为最高，每667 m2纯利润为774.04～879.92元，其中“灌豆4号”处理（1）的每667 m2纯利润为各品种各处理中最高，为879.92元。这表明，在光伏基地进行大豆种植具有明显的经济、社会和生态效益，可在原有光伏发电的基础上，通过种植大豆来进一步提高经济效益，同时提高土地资源利用率，这有利于土地流转和大豆规模化、机械化生产。
本试验结果表明，大豆可在苏北地区光伏基地进行种植，光伏板板间空地是其在光伏基地种植的最佳地点；
“灌豆4号”在光伏基地进行种植，表现为出苗率较高，株型为直立，籽粒产量较高，经济效益较好，故该品种适合在苏北地区光伏基地种植和进行机械化收获，在苏北地区光伏基地具有较好的推广价值和应用前景。