基于光模拟的泰国北部农光系统生菜产量评估与土地利用优化研究

本研究针对光伏农业系统(AVS)中光照分布预测难题，在泰国北部开展生菜栽培实验。通过Rhinoceros 3D软件结合Grasshopper插件成功模拟光照强度(R2=0.82)，发现AVS下生菜单株鲜重(42.2 g)虽低于温室系统(61.1 g)，但土地当量比(LER=1.12)提升12%，证实AVS在热带地区实现粮食与能源协同生产的可行性。

随着全球太阳能农场的快速发展，光伏板铺设需要占用大量土地资源——例如1兆瓦的太阳能农场需占用2.4公顷土地。这不仅导致土地竞争加剧，光伏板下的植被管理还需要投入额外成本（美国数据显示约为663美元/公顷）。在这种背景下，农光互补系统(Agrivoltaic Systems, AVS)应运而生，这种创新模式将光伏发电与农业生产相结合，实现土地资源的集约化利用。但在热带地区，特别是日照强烈的泰国北部，AVS的实际应用面临关键挑战：光伏板遮荫导致的光照条件变化如何影响作物生长？如何准确预测不同季节的光照分布以优化作物布局？

为了解决这些问题，由Suwimon Wicharuck领衔的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为"Light simulation and yield assessment of lettuce cultivated under agrivoltaic systems in Northern Thailand"的研究论文。团队以泰国北部杭东县为实验基地，对比研究了温室(GH)与10千瓦AVS两种栽培系统下三种生菜品种（'Butter Head'、'Green Oak'、'Red Oak'）的生长表现。

研究采用Rhinoceros 3D软件配合Grasshopper插件和Ladybug工具进行光照模拟，通过3D建模精确还原光伏板间距（0.50米）、高度（1.8-2.3米）和倾角（15°南向）等参数。利用典型气象年(TMYx)数据，将模拟的太阳辐射值通过建立的换算公式（PPFD=1.7016×太阳辐射+24.9）转换为光合光子通量密度(PPFD)。实测验证采用PAR光传感器在光伏板下五个位点持续监测，确保模型预测准确性。

模拟光照验证与空间变异

研究发现，模型能较好预测AVS下的光照分布，校准模型R²=0.76，验证模型R²=0.82。尽管在高光强区间存在误差（RMSE=268 μmol m^-2 s^-1），但模型整体可靠性得到证实。对全年日累积光量(DLI)的模拟显示，AVS下不同区域光照存在显著空间差异：中间区域平均DLI达20.6 mol m^-2 d^-1，而左右两侧仅为12.6和12.9 mol m^-2 d^-1。这种空间异质性为作物分区种植提供了理论依据。

光照系统比较与生菜响应

实测数据显示，AVS和GH系统均显著降低了光照强度（分别为全日照的49-50%和54-60%），但DLI值相近（AVS：19-20 mol m^-2 d^-1；GH：16-20 mol m^-2 d^-1）。生菜生长指标呈现有趣差异：虽然株高（AVS：12.0 cm；GH：12.4 cm）和冠幅（AVS：18.3 cm；GH：19.8 cm）无显著差异，但产量指标明显分化。GH系统生菜单株鲜重(61.1 g)和干重(2.9 g)均显著高于AVS系统（42.2 g和2.2 g）。研究指出，这种产量差异可能源于AVS下光照的剧烈波动（由光伏板遮荫变化引起），而GH系统则保持相对稳定的光照环境。

光-产量关系与预测模型

相关性分析揭示了重要规律：AVS下累积DLI与产量呈现更强相关性（FW：R²=0.73；DW：R²=0.73），显著高于GH系统（R²=0.50）。这表明在光照波动较大的AVS环境下，光能供给成为限制作物产量的主导因素。基于这一发现，研究建立了月度产量预测模型，预测显示5月产量最高（776 g m^-2），11月最低（325 g m^-2），与DLI的季节变化模式高度一致。

土地利用效率评估

经济效益分析显示，虽然GH系统总收入最高（296,212 USD ha^-1 year^-1），但AVS的土地当量比(LER=1.12)表现出色，意味着其土地综合利用效率比单一种植或纯发电系统提高12%。这一结果凸显了AVS在土地资源稀缺地区的独特优势。

研究结论强调，Rhinoceros 3D软件能够有效预测AVS下的光照分布，为热带地区农光系统优化设计提供了可靠工具。尽管AVS下生菜产量低于温室栽培，但12%的土地利用效率提升证明了该系统在粮食与能源协同生产方面的巨大潜力。研究人员同时指出，未来研究需要拓展到全年周期、更多作物种类，并综合考虑温度、风速等微气候因素，以进一步完善热带地区AVS的技术体系。

这项研究为热带地区可持续农业发展提供了重要理论与实践依据，特别是在土地资源紧张但太阳能资源丰富的东南亚地区，AVS模式有望成为实现粮食安全与能源转型双重目标的有效途径。