在升高跟踪农光互补系统下的多年玉米研究与简化产量建模

一起种粮与收阳光

农业用地面临双重需求：它既要养活不断增长的人口，又要为驱动家庭、汽车和工业的太阳能电池板提供安放空间。本研究探讨世界上最重要的作物之一——玉米，是否能在升高的太阳能板下良好生长，从而让农民在同一块地上既能收获谷物又能赚取电力收入。

为何农业与太阳能争夺土地

随着全球人口上升和气候变暖，农民正面临更频繁的热浪、季节变化和降雨不确定性的压力。与此同时，社会正加速安装更多清洁能源，尤其是太阳能，以减少温室气体排放。平坦开阔的农田往往是大型太阳能阵列最实用的安置场所，但若完全覆盖作物田地，会减少可耕种的面积。农光互补系统提供了一种折衷方案：将太阳能板抬高到足以让作物或牲畜在下方生长繁荣，从而在同一块土地上实现双重用途。

在移动阴影下测试玉米

研究人员在美国“玉米带”中心的印第安纳州一处试验农场开展了多年实验。他们在部分玉米田上方安装了高架的单轴跟踪太阳能板。田间有些区域正处于连续板列下方，有些处于棋盘式布局以允许更多光照通过，其余则作为无遮蔽的对照区。随着太阳移动和玉米植株逐渐长高，白天形成了不断变化的光斑与阴影拼图。在四个生长季中，团队仔细记录了植株发育、株高、粮食产量以及详细的气象和土壤含水量数据。

遮荫如何改变植株生长与产量

置于板下的玉米成熟时间比无遮蔽的玉米略晚，通常晚一到三天。被遮蔽区域的植株平均稍矮——平均差距为几厘米——但仍然健康。对农户最重要的是，在20–25%遮荫下收获的谷物产量仅略低于完全阳光照射的地块。四年平均来看，最阴暗区域的产量下降仅为7.7%。不同季节间差异有时更大，有时非常小，反映出逐年自然天气波动。有趣的是，在若干年份中，光照更为一致的较阴区域的产量反而略优于较轻遮荫的区域，这暗示少量的降温与保湿效应可以部分抵消光照减少带来的影响。

以简单方式将光、水与收成联系起来

为帮助设计者和规划者，团队需要的不仅是原始测量值：他们旨在建立一个简单的经验模型，将天气条件与农光互补系统下的玉米预期产量联系起来。研究者没有采用需大量输入的复杂作物模型，而是将两个关键影响——到达地面的光照与土壤水分——合并为一个“联合”变量。利用田间测量和对阴影如何在玉米冠层间移动的计算机模拟，他们为田间许多位置计算了整个生长季植株经历的光-水“资源”量。这个综合指标与实际粮食产量显示出适中相关性，并能解释点位与年份间相当一部分的变异，尽管它忽略了许多更细微的生物学细节。

让每英亩农田产出更多

通过将玉米产量的轻微下降与光伏板带来的显著电力收益进行比较，研究估算出一种土地利用效率因子——土地等效比，平均约为1.37。简单来说，同一块土地产生的“综合产出”相当于比单独用于玉米或太阳能时多出约37%。这一结果表明，经过周到设计——足够的板高、允许农机通行的间距以及顾及本地气候——玉米可以作为农光互补系统中的一种可行作物。尽管该模型仍需在其他区域、灌溉条件或不同作物下检验，其核心信息是清晰的：我们并非必须在食物与清洁能源之间做出二选一。通过升高的太阳能阵列，农民有可能在同一片田地上同时获得稳健的玉米收成和可观的可再生电力。

引用: Sanchez, G., Agrawal, R., Brouder, S. et al. Multi-year study of maize under elevated tracking agrivoltaic system and simplified yield modeling. npj Sustain. Agric. 4, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00141-0

关键词: 农光互补, 玉米, 太阳能, 土地利用, 作物产量