“药光互补”模式下中草药种植研究概述_许涛.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/11“药光互补”模式下中草药种植研究概述许涛1，郝心悦1，于远航1，庄心情1，武淑娟1，张怡2（1.华北理工大学中医学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063210）【摘要】随着光伏装机总容量的增加，光伏发电与农业种植之间“争地”矛盾日益凸显。在“农光互补”模式下，分析影响耐阴性中药生长的因素，寻求光伏发电与中草药种植的最佳协作模式，并对近年来耐阴性中药研究及光伏发电设备研究两方面进行综述，以期为“药光互补”种植模式提供新思路。【关键词】药光互补；耐阴性中药；“双碳”【中图分类号】S123【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）11-0169-031研究背景“双碳”目标是对能源发展的全新要求，更是对整个经济社会发展模式、前进方向和动力的重新动员，“双碳”目标的提出对能源转型边界做了更为清晰的划定，同时也引发了能源界全面而深入的讨论。各行各业对如何有效推进能源革命进程，实现“双碳”目标进行了深入细致的研究。目前，比较常见的非化石能源主要为水电、核电、风电和光伏发电。但是，水电的大规模发展受到水力资源的限制，风电受地理环境影响也存在一定的局限性，核电的发展也存在一定的不确定性，因此，上述发电形式均难以满足未来规模巨大的能源消耗。而太阳能光伏发电过程简单，资源分布广泛。与风电、核电等新型发电技术相比，光伏发电具备最丰富的资源和最洁净的发电过程，未来必将会成为非化石能源中的主力军。根据专家预测，在我国“双碳”战略目标下，到2050 年，太阳能发电将取代火电成为中国最大发电单元。原则上，露天环境下光伏发电设备光电转化效率是最高的。然而，露天安装光伏发电装置势必会占用大量土地资源，导致部分农业用地被占用，从而引发光伏发电与农业种植之间的“争地”矛盾。为了解决二者之间的矛盾，寻求农业生产与绿色发电之间的平衡协作，“农光互补”模式应运而生。其主要内容是在同一块土地上进行光伏发电和农业生产，其原理是利用太阳能光伏板的下方空间进行农作物种植，在进行光伏发电的同时，为下方的某种特定植物提供适当的遮阴环境，以满足其正常生长发育的环境需求。2011 年至今，“农光互补”模式在全世界得以广泛发展，在中国、韩国、美国等国家，“农光互补”市场已远远领先于其他地区，其中尤以我国规模最大1。在我国光伏农业的基础上，逐渐衍生出了光伏温室、光伏渔业、光伏畜牧业等新型模式，均在绿色发电的同时取得了可观的经济效益2。但是，要想真正实现生产高效化，生硬地将农作物种植与光伏发电捆绑是不可取的。因此，作物的选择十分重要。“药光互补”模式依据上述模式的原理，将传统的粮食作物替换为耐阴性中药，充分利用光伏板下方的遮阴环境，既为中药的生长提供了适宜的环境，又完成了绿色发电的要求，两者之间完美配合，实现了 1+12 的效果。2耐阴性中药研究2.1影响耐阴性中药生长的因素影响植物生长发育的关键因素是光照，植物的生长发育、营养吸收和次生代谢都与光照有着密切关系。相关研究表明，光照强度主要对植物的形态学特性及生物学特性产生影响，从而改变植物中主要次生代谢产物含量。光照强度的改变还可以影响植物的蒸腾作用、呼吸作用、光合作用等多项生理过程，从而改变植物的主要成分含量及其产量3。在弱光环境下，植物本身会进行一系列的适应性改变，其叶片会变薄，叶片面积增大，输导组织的相对比例提高，从而导致呼吸速率下降。不同的中药有其所适宜生长的环境，尤其在光照条件方面，有一部分中药喜欢生长在阴冷潮湿的地方，过多的光照并不适合它们的生长发育，对于光照需求量少的这部分中药可称为喜阴性中药或耐阴性中药。当然，并不是遮光度越高中药生长情况越好，耐阴性中药的综合论述169DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.11.042LOW CARBON WORLD 2022/11生长也需要一个最适宜的遮光度。2.2耐阴性中药生长适宜遮光度的具体研究在颜家雄等4进行的光照强度对中药淫羊藿生长情况的实验中，该团队设置了 3 个不同的遮光梯度对箭叶淫羊藿进行照射，结果发现：随着遮光率的提高，箭叶淫羊霍的株高、叶长、叶宽、叶面积、叶鲜质量和叶干质量呈现出先增大后减小的趋势，而其有效成分（总黄酮、总黄酮醇苷等）的含量则呈现高峰-低谷-次高峰的变化趋势。通过隶属函数法得出如下结论，70%左右的遮光率是箭叶淫羊藿比较适宜的遮阴环境。在陈文等5对于中药七叶一枝花的研究中发现：其中 80%遮阴处理有利于其有效成分重楼皂苷的合成和积累，有利于光合色素和可溶性蛋白质含量的提高；较高或较低遮阴对七叶一枝花生长和重楼皂苷的含量均产生不利影响。薛建平等6在遮阴对半夏光合特性的影响中发现：在 70%、90%两个不同遮阴条件下，半夏的长势、生理过程、单位面积叶重及某些次生代谢产物含量有较大差异，其中，当遮光度为 70%时，半夏的根茎鲜重显著提高。因此，在该遮光度下，半夏生长发育情况良好。童龙等7的研究中发现适当遮阴可以改善黄精的生理过程进行速率、提高气孔张开程度，但在全光照或遮阴程度较强时，均会导致这三者数值降低。上述数据都明确指出，每一种特定中草药都存在着适宜其生长的最优遮光度，这对其长势、产量、质量的高低起到关键作用。2.3研究结论由以上研究结果可知，将传统“农光互补”模式中的农作物替换为耐阴性中药能进一步提高该系统的整体价值。因此，光伏发电与中草药种植之间的耦合可以是高效率的，耦合的关键点在于光伏板下方遮光度的选取。在该系统中，可以通过调整光伏板本身的参数，譬如光伏发电板的倾斜角度、距离地面的高度、光伏板排列的密度等，以达到某种特定的耐阴性中药生长发育所需的最佳遮光度，实现该系统效率的最大化。3光伏发电系统研究传统的光伏发电装置存在抗风能力差、成本高、发电效率低、维修困难等多种问题，但随着近十年来科技的不断进步，光伏发电装置所用材料更新换代，晶硅材料、非晶硅材料、有机半导体材料等逐渐用于光伏产业，在生产规模不断扩大和技术快速进步等因素的共同推动下，光伏设备生产成本显著下降8，抗恶劣环境能力也大大提升，提高发电效率成为目前该领域研究的主要方向。在“药光互补”模式中，发电效率的提高同样是促进该系统经济效益最大化的核心问题。针对这一问题，刘晶晶等9设计了一种基于 STC89C52 单片机的太阳能光伏发电系统，此系统可实现对太阳位置的自动定位及对太阳光线的追踪，保证由太阳能电池构成的平面板始终与太阳光线垂直，大大提高了光电转化效率。张宝剑等10提出了一种基于单片机的自给动力的太阳能自动跟踪系统设计方法。该系统主要由硅光电池散片传感器、单片机、机械转动装置3 部分组成，通过传感器收集太阳光信号传递给单片机，单片机控制机械转动装置，以实现该装置对于太阳光线的自动跟踪。该装置实现了电能上的自给自足，功耗低，相对传统光伏发电设备，其光电转化效率可提升约 20%，在新乡市某小区试用效果良好。由此可见，随着科技的不断进步，光伏发电设备的光电转化效率也在不断提高。太阳光伏板跟踪技术在高效率进行光电转化的同时，能稳定控制遮光度，使其维持在下方耐阴性中药最适宜遮光度范围内，从而使得中药的长势最优化、有效含量最大化、质量得以进一步提高，实现中药生产最大化及光伏发电最高效之间的平衡，最终达到最佳协作模式。4“药光互补”新型种植模式4.1“药光互补”新型种植模式和传统中药种植方式的对比在近三年新冠疫情中，中医药的介入发挥了不可替代的作用，越来越多的人开始认可中医药，选择中医药治疗，中药需求量不断提升，中药种植生产企业的市场将进一步扩大。传统中药种植方式主要分为个体户种植、产业化种植及道地产区种植三大类。个体化种植模式主要在一些农村地区较为普遍，存在着因规模小、技术差、种植规范程度低导致的质量参差不齐等问题。产业化种植弥补了个体种植存在的问题，具有较为完备的产业链，但由于缺乏资金等问题，导致该模式种植基地数量较少，不易推广。道地产区种植模式中，药材优质、临床疗效显著、生产规模化及管理规范化都较高，但未能实现与科技创新资源的有效整合，并未能将此模式的产业综合论述170LOW CARBON WORLD 2022/11资源优势转化为经济优势。因此，大规模、集中化、高质量、高创新性的中药种植基地势必会成未来中药种植模式的主流。一方面，“药光互补”新型种植模式不同于传统的个体种植，该模式下中药种植更加集中化、智能化、高效化，有利于扩大中药材种植的产量、提高中药质量；另一方面，光伏发电系统及储电装置的加入能在一定程度上满足周围居民的用电需求，降低用电成本，进一步提高经济效益，同时又切合“双碳”背景，为环境保护工作贡献力量。4.2“药光互补”模式的经济效益耐阴性中药的种植对于生长环境要求较高，需要满足其对遮光度的需求。而传统中药种植模式多选择阴湿的山林，为大规模开展此类中药种植带来了难题。本系统可以通过调整光伏板的参数（如光伏板距离地面的高度、倾斜的角度、光伏板的密度）来达到不同的遮光度，以满足不同品种中药对遮光环境的需求。与此同时，在该模式的基础上，结合近年来研发出的太阳能光伏板跟踪技术、自动控制技术，能进一步提高该模式的整体经济效益，只要满足相应中药生长的土地条件便可开展大规模种植，为当地农民带来极大经济效益。该模式下，还可将中药材种植、农业生产、科技示范、乡村旅游等元素融为一体，结合互联网技术，带动周边农户种植中药材、发展乡村旅游，极大地发挥产业集群效应，繁荣地方经济。4.3“药光互补”模式的进一步研究在该模式中也存在一些需要进一步研究并解决的问题。天气对光伏发电系统的影响较大。在我国的某些区域，虽然适宜种植耐阴性中药，但其全年光照度较低、持续光照时间较短，只能单一的满足中药的生存环境，而无法发挥光伏发电系统的最大价值。光伏发电装置的维护需要不断优化。常见问题包括蓄电池的膨胀、干瘪、漏液，系统元件的锈蚀，电路的老化，太阳能光伏板表面的积灰杂质的清理工作等。对不同品种、不同区域耐阴性中药的生长最适遮光度的研究也应更加准确具体。光伏发电效率提高的相关研究、耐阴性中药新型光伏发电控制技术也将成为未来该领域的主要研究方向。5结语总体来说，“药光互补”新模式仍处于较初级阶段，但其前景是可预见的，尤其在推动中医药发展、碳中和、节省土地资源、提高土地利用率、推动农村现代化、新型农业经济发展等多方面都具有重要意义；与此同时，基于因地制宜的角度，该种种植模式具有较高的灵活性，可广泛应用，可在此基础上借助国家相关政策，形成完整的产业链，对于我国新时代经济发展及全国能源安全战略有着长远的意义。参考文献1SCHINDELE S,TROMMSDORFF M,SCHLAAK A,et al.Implementation of agrophotovoltaics:technoeconomic analysisof the priceperformance ratio and its policy implicationsJ.Applied energy,2020,265:114737.2 陈健，王玲俊.农光互补的研究综述及展望J.江苏农业科学，2022，50（5）：1-9.3 彭亮，赵停，杨冰月，等.不同光质光强对远志生长和相关酶活性及成分的影响J.中草药，2018，49（21）：5004-5009.4 颜家雄，彭翠英，梁军生，等.遮阴对箭叶淫羊藿生长和药用有效成分含量的影响J.湖南林业科技，2021，48（4）：48-52.5 陈文，刘守赞，耿东杰，等.遮阴对浙北地区七叶一枝花生理生化指标及皂苷含量的影响J.中国生态农业学报（中英文），2022，30（1）：72-81.6 薛建平，王兴，张爱民，等.遮荫对半夏光合特性的影响J.中国中药杂志，2008，33（24）：2896-2900.7 童龙，张磊，高勇军，等.不同遮阴处理对多花黄精生理生长的影响J.西南林业大学学报（自然科学），2020，40（3）：68-75.8 周竞钰，阳萍华，赵志朋.我国光伏发电设备发展现状与趋势分析J.工程建设与设计，2