农光互补系统提升耕地利用效率：博茨瓦纳番茄种植的热带干旱气候实证研究

《Food and Energy Security》：Improving the Land Use Efficiency of Farmland by Using Agrivoltaics

本文通过STICS作物模型与PV*SOL软件模拟，创新性地提出低密度（LD）与高密度（HD）两种农光互补（Agrivoltaics）方案，在博茨瓦纳热带干旱气候下实现番茄种植与光伏发电的协同增效。研究表明，尽管遮荫使番茄减产，但系统通过提升15%（LD）与8%（HD）的土地当量比（LER），显著提高土地利用效率，为应对能源-粮食-水资源危机提供可持续发展路径。

　　

ABSTRACT

研究针对博茨瓦纳热带干旱气候区，通过设计低光伏密度（LD）与高光伏密度（HD）两种农光互补方案，并与传统番茄种植（对照组）进行对比。利用STICS作物模型模拟番茄生长，PV*SOL软件分析光伏系统性能。结果显示：遮荫导致番茄减产（LD减产16%，HD减产42%），但光伏发电年输出分别达13.9 MWh（LD）和22.1 MWh（HD）。土地当量比（LER）计算表明，农光互补系统的土地利用效率显著提升（LD提高15%，HD提高8%），验证了该技术在干旱地区的应用潜力。

1 引言

全球变暖引发的极端气候与水资源短缺严重威胁农业可持续性。农光互补（Agrivoltaics）作为光伏与农业的协同系统，通过创造适宜微气候、减少水分蒸发（灌溉需求降低20%）、保护作物免受极端天气影响，实现粮食-能源-水资源的协同增效。德国Haggelbach试点项目曾实现186%的土地利用效率，而博茨瓦纳等高辐照干旱地区可通过该系统优化资源利用。

2 方法论

2.1 农光互补方案设计

研究设置三组对比：Case 1（传统番茄种植，253株，间距90 cm）；Case 2（LD农光互补，25块300Wp单晶硅组件，遮荫率20%，支架高3 m，倾角25°）；Case 3（HD农光互补，40块组件，遮荫率33%）。组件呈棋盘式布局以实现均匀遮荫。

2.2 作物生长模拟（STICS模型）

STICS模型输入参数包括气候（博茨瓦纳气象数据）、土壤条件、种植管理（播种深度10 cm，灌溉效率95%），并激活水分与氮胁迫模块。模拟周期为2021年11月至2022年3月（129天），重点分析遮荫对番茄产量与生物量的影响。

2.3 光伏系统性能模拟（PV*SOL）

考虑10%的污染损失，模拟结果显示：Case 2（7.5 kWp）年发电13.9 MWh，Case 3（12 kWp）年发电22.1 MWh。组件倾角按当地纬度（25°）设置，朝北安装。

2.4 土地利用效率

通过土地当量比（LER）评估系统效益，计算公式为：LER = (Y_agrivoltaic/Y_monocrop) + (E_agrivoltaic/E_PV-only)。其中，E_PV-only参照同等面积纯光伏电站年发电量（44.6 MWh）。LER>1表明农光互补优于单一土地利用模式。

3 结果与讨论

3.1 农场产量

番茄产量随遮荫加剧而下降：Case 1（无遮荫）为标准产量，Case 2减产16%，Case 3减产42%。减产主因为果实数量减少与单果重量下降。但对比国际研究（如美国亚利桑那实验显示番茄增产75%），STICS模型可能低估了遮荫对高温胁迫的缓解作用，未来需实验验证。

3.2 光伏发电输出

Case 3发电量高于Case 2（多37%），且月发电量稳定。尽管农业活动增加组件污染，但定期清洁可维持系统效率。发电收益可部分补偿作物减产损失。

3.3 农光互补的土地利用效率

LER计算结果：Case 2为1.15，Case 3为1.08，均>1。低密度方案（Case 2）因平衡发电与作物生长，土地利用效率提升更显著。该系统为农户提供多元化收入，尤其适合并网困难地区。

4 结论

农光互补在博茨瓦纳干旱气候下具有可行性，虽导致番茄减产，但通过发电收益提升整体土地价值。低密度方案（遮荫率20%）在作物产量与能源产出间取得最佳平衡，为区域可持续发展提供关键技术路径。未来需开展田间实验以量化微气候调节的实际效益。