农光互补系统对双色梨长期产量与果实品质的影响研究

《Scientia Horticulturae》：Long-term effects of agrivoltaics on yield and fruit quality performance of bi-color (blush) pears

本研究针对高辐射环境下固定式农光互补系统对双色梨（ANP-0118）长期产量与品质的影响展开研究。通过比较无遮荫对照、45°西倾角及5°西倾角光伏板处理，发现遮荫虽降低累计产量（控制组137 t ha-1vs. 5°W组77 t ha-1）和红晕覆盖率，但显著减少日灼（≤1.2%）和冰雹损伤（最高降低18.2%），并提升光系统II效率（ΦPSII）。研究为高辐射区梨树种植中能源生产与农业可持续性的平衡提供了关键数据。

　　

在全球能源转型与农业可持续性发展的双重挑战下，如何高效利用土地资源实现“光伏+农业”的协同效益成为热点议题。农光互补（Agrivoltaics）系统通过在同一地块上协同部署太阳能光伏板与农作物，旨在同步提升可再生能源产量和食物生产能力。然而，这种模式在多年生果树种植中的应用潜力与长期影响尚不明确，尤其在对于光照敏感的高价值水果（如双色梨）中，遮荫可能引发的产量损失、品质变化与生理响应亟待量化。

澳大利亚维多利亚州塔图拉智能农场的研究团队在《Scientia Horticulturae》上发表了一项为期四年的实地研究，系统分析了固定倾角光伏系统对双色梨品种‘ANP-0118’（商品名Lanya?）的长期效应。该品种在澳大利亚高辐射的戈本河谷地区广泛种植，但其红色果面易受强光灼伤，冰雹灾害也常导致经济损失。研究通过对比无遮荫对照组、向西倾斜45°（45°W）和5°（5°W）的光伏板处理，揭示了遮荫对梨树产量稳定性、果实外观品质及生理适应的深层影响。

研究方法概要

研究在商业化梨园中设置三种处理，监测2021–2022至2024–2025共四个生长季的数据。关键方法包括：（1）通过阴影长度测量计算光伏板辐射拦截率（45°W和5°W分别拦截40.1%和46.5%入射辐射）；（2）利用商用分选机量化果实数量、单果重、产量及红晕覆盖率；（3）采用色度计（CIELAB参数）和破坏性检测分析可溶性固形物（SSC）和果实硬度（FF）；（4）通过树干径向生长传感器和便携式光合仪（LI-600）监测营养生长与光系统II效率（Φ_PSII）等生理指标；（5）基于线性模型预测不同遮荫强度下10年累计产量。

3.1 环境条件与光能拦截

光伏板倾角显著影响每日光能拦截模式。5°W阵列在全天保持较均匀的遮荫（平均拦截46.5%辐射），而45°W阵列在下午拦截强度更高（图3）。两种配置在12月均能产生约7 GJ ha^-1d^-1的电能，且5°W系统年产量较45°W高10%。

3.2 树木生产性能

遮荫导致单株果实数量和总产量显著降低。四年累计产量对照区达137 t ha^-1，而45°W和5°W处理分别为89 t ha^-1和77 t ha^-1（图6）。模型预测表明，若遮荫率控制在20–25%，10年内产量损失可限制在约20%（表1）。值得注意的是，遮荫处理显著降低了年产量的年际变异系数（对照32% vs. 5°W处理12%），表明农光系统可增强生产稳定性。

3.3 果实品质

红晕覆盖率在遮荫下平均下降13.4–15.4%，绿色背景比例相应上升18.3–21.6%（图7）。仪器分析进一步证实遮荫果实的a*值（红绿轴）降低、色调角升高，导致颜色发育指数（CDI）下降。可溶性固形物（SSC）在遮荫下显著降低，但果实硬度无显著变化（图8）。然而，农光系统在极端气候中展现保护作用：2024–25年高温季，对照区日灼率达6.9%，而遮荫处理≤1.2%（表2）；2022–24年冰雹灾害中，5°W系统降低损伤达18.2%（表3）。

3.4 树干生长与叶片生理

遮荫促进树干径向生长，尤其在11月生长旺季（图9）。叶片生理监测显示，遮荫树下叶片温度（T_leaf）和蒸汽压亏缺（VPD_leaf）较低，而光系统II效率（Φ_PSII）全天维持较高水平（图10），表明遮荫缓解了光抑制。茎水势（Ψ_stem）处理间无差异，说明树木水分状况未受遮荫负面影响。

结论与展望

本研究首次通过长期实证阐明，固定式农光系统虽导致双色梨减产和色泽退化，但通过降低日灼、冰雹损伤及光抑制，提升了果园气候韧性。研究建议，针对高辐射区梨园，光伏板遮荫率需控制在20–25%以内，以平衡能源产出与农业收益。未来农光系统设计可探索动态调角光伏板或半透明材料，以匹配果树物候期的光需求。该研究为全球果园的低碳转型与风险防控提供了关键科学依据，尤其适用于南欧、加州等高辐射水果产区。