《Agronomy》：A Case Study on Assessing the Potential Contribution of Agrivoltaics System to Vegetable Production and Economic Benefit in the Mountainous Island Ovalau in Fiji
Sumin Kim,
Sung Yoon and
Sojung Kim
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在斐济这样的岛屿国家，可耕地有限，如何通过农业光伏（APV）系统同时满足能源和粮食生产需求是关键挑战。本研究针对斐济奥瓦劳岛的农光互补实践，通过农户调查、实地研究和模型模拟，评估了芋头、生菜等多种蔬菜在APV下的生长表现及经济效益。结果表明，APV系统可提高农户年收入1.19%至1.38%，为热带岛屿国家在土地限制条件下发展可持续农业能源系统提供了重要参考。
想象一下，在一个由众多岛屿组成的国家，仅有约11%的土地适合耕种，却要同时养活人口并发展经济。这就是南太平洋岛国斐济面临的现实挑战。斐济山地多、岛屿分散，可耕地面积仅约2000平方公里。在这样土地资源紧张的情况下，如何既能生产足够的粮食，又能发展清洁能源，避免土地利用冲突，成为一项紧迫的课题。农业光伏（Agrivoltaics， APV）系统作为一种将太阳能发电与农业生产在同一块土地上结合起来的创新模式，为像斐济这样的小岛屿发展中国家提供了潜在的解决方案。然而，光伏板产生的遮荫会影响下方作物的光合作用，可能导致减产，这成为APV系统在发展中国家推广应用的一大障碍。尤其是在斐济，农业贡献了国内生产总值（GDP）的约10.4%，农业和林业产品出口占比15.8%，保障农业生产至关重要。此外，斐济属热带气候，全年温暖，高温高湿环境对蔬菜种植构成挑战，雨季期间许多蔬菜甚至需要进口。那么，在斐济的热带气候条件下，APV系统究竟能否可行？哪些作物能在遮荫环境下良好生长？这套系统又能为当地农民带来多少实际的经济收益？为了回答这些问题，研究人员在斐济第六大岛——奥瓦劳岛展开了一项深入的案例研究。
为了评估APV系统在斐济的可行性，本研究综合运用了多种研究方法。首先，在奥瓦劳岛的四个地区开展了农户问卷调查，面对面了解当地农业活动、主要收入来源及作物种类。其次，在一个200千瓦的APV试验系统中，对芥菜、中国白菜、辣椒、黄瓜、长豇豆、芋头、番茄、生菜等多种蔬菜进行了田间种植试验，筛选适应遮荫条件的作物，并测量了存活率、株高、产量等指标。研究还利用安装在试验地的气象数据，计算了光伏板下的太阳辐射量，建立了遮光模型。核心的研究工具是农业政策/环境扩展模型（Agricultural Policy/Environmental eXtender model， APEX），这是一个用于管理农场或小流域的决策支持工具。研究人员利用斐济当地的土壤、气象数据以及田间测量结果，对APEX模型进行了参数化和验证，开发了生菜、芋头、黄瓜和长豇豆的生长模型。最后，结合不同种植情景（种植时间、种植密度）下的模拟产量、市场调查得到的作物价格以及农户收入数据，对在奥瓦劳岛实施一个4兆瓦的APV系统可能带来的经济效益进行了评估。
2.3. 农业光伏系统中蔬菜生长的监测
研究首先在APV系统中筛选了多种蔬菜。基于存活率和生长表现，芋头、生菜、长豇豆和黄瓜被选定用于后续详细的模型开发和产量比较。测量结果显示，在APV系统和露地条件下，这些作物的生长存在差异。例如，在APV系统下，生菜的叶片数量可能更多，而攀爬作物（如黄瓜和长豇豆）则表现出对低光条件的一定适应性。这些实地观测数据为后续的作物模型参数校准提供了基础。
2.4. 农业光伏系统中太阳辐射模型的确定
研究人员通过观测和计算，量化了APV系统下的遮光效应。他们引入了遮光率的概念，即阴影面积与农田面积的比值，并据此计算了透过光伏板到达作物冠层的太阳辐射量。在正午辐射最强时（12:00-13:00），该APV系统的平均遮光率为0.82，意味着有82%的区域被阴影覆盖。计算表明，APV下的地表太阳辐射量仅为露地的33%至58%。这一关键的辐射数据被作为关键输入参数，用于后续的APEX作物生长模拟。
2.5. 斐济农业光伏系统蔬菜生长模型的开发
利用APEX模型，研究人员为生菜、芋头、长豇豆和黄瓜分别建立了生长模型。模型输入数据包括奥瓦劳岛的土壤理化性质、NASA提供的每日气象数据，以及上文计算得到的APV系统下修正后的太阳辐射、温度和湿度数据。通过调整模型中的辐射利用效率、最大叶面积指数等关键作物参数，使模型模拟的产量与田间实测产量吻合。评估指标如均方根误差（RMSE）和百分比偏差（PBIAS）表明，开发的模型能够较好地模拟这些作物在APV条件下的生长。
2.6. 斐济奥瓦劳岛4兆瓦农业光伏系统实施中农业部门经济效益评估
研究设定了五个不同的生长季情景（Con1-Con5），结合不同的种植密度，对四种作物的产量进行了大量模拟。例如，生菜测试了每平方米9、20、30、50株的密度，芋头测试了每平方米2、5、10株的密度。然后，基于模拟产量、市场调查获得的作物价格以及估算的生产成本，计算了每种情景下的毛利润。利润计算公式为：利润 = 收入 - 成本，其中收入 = 销售价格 × 产量。最终，通过整合农户调查得到的平均家庭收入数据，评估了APV系统对提高农户收入的潜在贡献。
研究通过模型模拟，量化了不同管理和气候情景下四种作物在APV系统中的表现。在设定的最高种植密度下，生菜、芋头、长豇豆和黄瓜的平均模拟产量分别为72.4、71.1、3.9和10.8 兆克/公顷。经济分析显示，芋头在APV系统中能获得最高的毛利润。综合不同作物、种植密度和生长季的多种模拟情景，研究发现，与传统的露地种植相比，在奥瓦劳岛实施4兆瓦的APV系统，并通过优化作物选择和管理，可以使参与农户的年家庭收入提高1.19%至1.38%。考虑到农户调查揭示的当地平均收入水平较低，这一增幅代表着有意义的绝对收入增益。
本研究证实了农业光伏（APV）系统在斐济这类热带岛屿国家具有可行的应用潜力。通过实地试验和过程模型（APEX）模拟，研究找到了适合APV遮荫环境的作物（如芋头），并评估了不同种植管理策略的效果。研究表明，合理选择耐荫作物并优化种植密度，可以减轻光伏板遮光对产量的负面影响，甚至在特定条件下（如热带强光环境）可能对作物生长有益。最终的经济效益分析表明，APV系统不仅能生产可再生能源，还能为土地资源有限的斐济农民带来额外的、切实的收入增长，实现了“光伏+农业”的双赢。这项工作为在热带发展中国家推广农光互补系统提供了关键的实证数据和决策支持，有助于推动此类地区农业的可持续发展和能源转型。该研究成果发表在农学领域期刊《Agronomy》上。
