光伏农业“药光互补”模式中耐阴中药材品种选择
来源：中南农业科技. 2023,44(10) 日期：2024-05-30 10:05:30 点击量：432次
郝心悦1 许涛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2. 华北理工大学,电气工程学院
在推动碳达峰、碳中和战略和乡村振兴战略的背景下，国家和地方政府都在积极推进“新能源+乡村振兴”和“光伏+乡村振兴”。2022年1月6日，国家能源局、农村农业部和国家乡村振兴局联合颁发了《加快农村能源发展助力乡村振兴的实施意见》，巩固光伏扶贫工程成效。耐阴性植物的种植在清洁能源建设与环境保护的有机结合中发挥重要作用，但传统的植物种植在经济效益上存在一定的劣势。本研究创造性地提出将耐阴性中药与光伏发电技术结合，既能推进清洁能源建设，防治水土流失，又能提高经济效益。中国光能资源丰富却分布不均，各地气候差异明显，单一的中药作物显然无法满足各区光伏工程的需求。本研究充分分析各种耐阴性中药植物，根据其对温度、湿度、降水和土壤等条件的要求综合分析，将光伏扶贫工程重点区域按照地形和气候大致划分为东部、中部、西南部地区进行单独论述。东部、中部地区气候差异较小，大部分作物可以引种栽培，中、东部地区的气候和土壤条件相似，降水集中在夏季，土壤大多为沙质土壤。根据文献及调查研究，本研究总结出了适合在东部、中部地区与光伏发电相耦合的药用植物。板蓝根（Isatis tinctoria）作为东部、中部地区常见的二年生草本植物，喜温暖，耐寒，全国各地均有种植，主产地为河北省安国市、江苏省南通市。板蓝根适宜在中等强度的光照下生长发育[1]，张劲松等[2]的研究发现过高的光合有效辐射强度会引发光抑制，造成板蓝根叶片的光合作用下降。同样有研究说明，在生长中期57.4%的郁闭度更有利于板蓝根的生长[3]。半夏[Pinellia ternata(Thunb.)Ten.ex Breitenb.]作为常见的植物性中药，需求量大且野生半夏供给有限，适合人工种植。半夏喜温耐阴喜湿，多种植在营养物质丰富的沙质土壤中，适应性强，广泛分布在东北、华北及长江流域[4]，在国家划出的光伏扶贫重点实施范围中，河北省、辽宁省、吉林省、安徽省等地属于温带季风性气候，光照、温度、降水量均符合标准且已有大范围种植。张丽霞[5]在贵州省的研究中发现全光照处理下，半夏倒苗状况明显，99%遮阴下不利于其光合作用，但在遮阴95%处理下，半夏叶面积、叶绿素相对含量及叶片可溶性糖含量和不定根数量达到最高。孟祥海等[6]在陕关中地区进行半夏盆栽试验，研究表明遮阴55%相较于遮阴80%，半夏产量及珠芽鲜重均有提升。薛建平等[7]在淮北的试验中，研究发现70%遮阴下半夏块茎鲜重及叶绿素荧光特征表现明显优于90%遮阴条件。由此可知，半夏的强适应性支持其在光伏扶贫产业中广泛种植以配合光伏发电，但不同地区、不同水土条件下，半夏对于遮阴条件要求不同，必须根据当地实际情况灵活调整。高原地区主要包括西藏、青海等位于中国西南部的大部分地区，光照充足，降水地区差异较大。中药种植可根据当地温度、湿度、地形及排水状况等合理选择。黄连（Coptis chinensis Franch.）原生于海拔1 500 m的山地地区[8]，曾引种栽培于江苏省[9]、吉林省[10]两地，与原产地气候、土壤差异很大，但两地收获后，测定其有效成分小檗碱符合药典标准，说明黄连具有很强的适应性。尹丽等[11]的研究表明，三年生黄连在45%遮阴率下，小檗碱的含量最高。黄连可在众多环境气候下生存，与光伏工程扶贫地区存在高度重合，主要种植于四川省，因此，本研究认为黄连可作为与光伏工程共生的草本植物之一。天麻（Gastrodia elata Bl.）为常用名贵中药材，具有避光性，喜欢凉爽潮湿的环境[12]。野生天麻产量日益稀少，人工栽培天麻已初具规模，据研究，西南地区天麻素和羟基苯甲醇的总含量较西北、华中地区高[13]。杨婧等[14]的研究发现，在1 900 m海拔范围内，红天麻的有效成分最高，杂交天麻适合种植在1 600 m的海拔范围内。同时有学者研究指出，相近纬度下，低海拔地区温度高则会抑制天麻中消化酶的活性，蜜环菌胞外酶活性随温度的升高先增加后降低，温度升高可能会破坏其共生关系[15]。综合来看，天麻具有在西南地区发展药光互补产业的潜力。灵芝[Ganoderma lucidum(Curtis)P.Karst.]自古便是名贵中药材。灵芝为木腐生菌，多见于落叶阔叶林的枯木和树桩上，由于其市场青睐度较高，人工培育不在少数，段木或其他粮食作物秸秆均可作为灵芝的栽种原料[16]。金鑫等[17]研究发现70%遮阴率下，灵芝的原基时间提前，活性氧积累较少，酶活性最高，有利于灵芝生长。袁学军等[18]的试验得出了类似的结论，中等光照有利于灵芝多糖和三萜的合成，同时灵芝的人工种植主要集中在东部、中部及南部地区，可在适当情况下与光伏发电结合。在光伏扶贫重点实施范围中，段木栽培可在安徽省、东北三省、四川省、贵州省等地实施，在河南省、河北省可代料栽培，配合光伏发电形成完整的产业链。川贝母（Fritillaria cirrhosa D.Don）耐寒喜温凉，喜荫蔽，降水量在700 mm以上最宜，以土层深厚富含腐殖质的沙土最佳[19]，根据《中国药材产地生态适宜性区划》，川贝母适合生长在海拔2 700～4 500 m的广大高原地区[20]。王娟娟等[21]基于Maxent和Arc GIS预测出川贝母的潜在适宜分布区在四川省西南部、云南省西北部及西藏自治区的东南部等地区，更加验证了这一点。光伏扶贫工程重点实施范围中，四川的阿坝、西藏的林芝和日喀则也是川贝母的适宜分布区。李西文等[22]的研究表明，遮阴后川贝母光合效率增加了31.1%，有效光反应光强域值增加了331.5μmol/（m2·s），提高了川贝母对光合作用的利用效率，也在一定程度上避免了强光对光合机构的破坏。同时有研究发现，川贝母、暗紫贝母等需精细化管理，根据其生长年限进行遮光度的调整，前3年需要保证遮光率在30%～70%[23,24,25]，灵活根据天气、日照情况进行实时调整更能促进植株生长。而马靖等[24,26]提出3年以上的川贝母需适量提高光照强度，传统遮阴棚仍需人力进行调整，耗材多，弊端明显。本研究则认为可以通过光伏发电设备的自动化、智能化加以改善，循环利用设备，减少棚网耗材，清洁环境的同时加快川贝母种植科学化、规范化。鱼腥草（Houttuynia cordata Thunb.）作为常见的药食同源中药材，喜温喜湿，耐旱耐涝，适应性较强，广泛分布于中国中部、东南及西南各省区。齐帅等[27]基于Maxent模型预测出鱼腥草在中国的潜在适生区随着气候变暖将逐渐扩大。遮阴率为40%时，土壤单位面积地上部分产量最高，地下部分产量降低，挥发油含量降低，但地上、地下总黄酮成分差异不大[28]。石文婷[29]的研究发现60%以下的遮阴率与全光照对挥发油的影响类似。鱼腥草食用多为地下根茎，但常以全草入药。对药用鱼腥草可进行适当的遮光处理，以灵活适应市场，提高经济效益。绞股蓝[Gynostemma pentaphyllum(Thunb.)Makino]为多年生草质攀援性藤本植物，属葫芦科绞股蓝属，喜温湿、不耐旱，主要分布在长江以南地区[30]。研究表明，棚网70%遮阴率下绞股蓝叶面积增大，叶绿素含量上升，具有阴生植物叶特点，这种特点比全日照下的中生叶结构特征的绞股蓝净光合速率高[31]，且光照强度为100μmol/（m2·s）条件下，20℃/30℃变温处理的环境有利于绞股蓝生物量和总皂苷含量的增加[32]，综合来看，绞股蓝具备参与光伏发电的特性。同时邵周玲等[33]基于Max Ent模型预测绞股蓝生长的极适宜区和高适宜区主要分布在云南东北部、长江中下游平原四川盆地西南边缘、大巴山-武陵山山区及雅鲁藏布江谷地及周围地区。绞股蓝对丰富四川省、云南省、西藏自治区光伏扶贫工程的作物选择大有裨益。光伏扶贫项目是中国一项福利性社会工程，在“双碳”的大背景下，国家不断出台政策在电价、光伏发电项目国家补贴竞价等方面予以支持[34]。截至2019年底，中国全面完成光伏扶贫建设任务，建成光伏电站2 636万k W，受益农户达415万户。但光伏产业的发展良莠不齐，农村电网管理是分布式屋顶光伏电站发电，基本是自产自销，供大于求，产业化比例较低[35]，而且部分发电设备占用耕地，影响农村居民的积极性，也阻滞光伏扶贫的发展。为巩固光伏扶贫成果，本研究依据各地地理情况选取最适宜的耐阴中药材，耐阴中药材通过光伏组件的铺设改善生长环境，光伏发电与传统温室大棚结合，探索出一条可持续发展的新型高科技农业生态建设道路。不仅有助于“双碳”新问题的推进，而且可以促进光伏企业产业技术、管理能力的全面升级，增加光伏产业成果，为世界范围内的能源贫困提供新示范。
