顶刊文献34 | 光伏—滴灌规划农业区水—粮食—能源—环境关联关系的过程模拟

PVM-DIC系统、SWAT-AG 模型、

边际盐渍化土地、农业可持续集约化、

农光互补 / 农业光伏系统

研究以改进后的 SWAT-AG 模型为核心，将传统农业系统与 PVM-DIC 系统进行对比分析。在传统情景下，灌区主要采用畦灌方式；在 PVM-DIC 情景下，作者将部分边际盐渍化土地设置为光伏布设区，同时将邻近耕地设置为膜下滴灌区。模型输出包括蒸散发、土壤水分、土壤盐分、地下水埋深和作物产量等水文—农业变量，并进一步结合光伏发电量、化石能源替代量、CO₂减排量、作物固碳和释氧价值，形成完整的 WFEE 综合评价体系。

图2.PVM-DIC 系统下 WFEE 关联关系模拟与评价框架

为模拟 PVM-DIC 系统，研究对 SWAT-AG 模型进行了三方面改进。第一，引入温度调节系数、太阳辐射调节系数和风速调节系数，用于表征光伏板对局地微气候的影响。第二，加入膜下滴灌条件下的土壤蒸发调节系数，以反映滴灌仅湿润滴头附近土壤、膜间土壤蒸发较低的特点。第三，改进地下水滴灌条件下的盐分平衡过程，考虑地下水灌溉带入盐分、深层渗漏淋盐、毛管上升带盐和侧向流输盐等过程，从而更准确地模拟灌区水盐变化。

图3.PVM-DIC 系统在 SWAT-AG 模型中的过程表达

研究设置了传统灌溉情景和 PVM-DIC 系统部署情景。在 PVM-DIC 情景中，光伏板布设在边际盐渍化土地上，产生的电力用于驱动邻近耕地膜下滴灌。作者进一步计算系统带来的节水效益、增产效益、光伏发电效益、化石能源替代效益、CO₂减排效益以及作物固碳释氧价值。通过这种方法，文章不仅分析了 PVM-DIC 系统对水文过程和农业生产的影响，也评估了其在能源替代和环境改善方面的综合效益。

图4.PVM-DIC 系统在 SWAT-AG 模型中的过程表达

在光伏板覆盖区，遮阴效应降低了土壤蒸发，使 0–50 cm 土层含水量提高 7.3%–13.3%，土壤盐分降低 2.7%–12.8%。这表明光伏板不仅可以发电，还能在一定程度上改善板下土壤水盐环境。不过，在滴灌农田中，由于滴灌水源主要为含盐量较高的地下水，多数区域土壤盐分出现 2.3%–17.0% 的增加，说明后续仍需配套盐分淋洗和水盐管理。

图6. 光伏区土壤水分与盐分变化图

PVM-DIC 情景下，滴灌系统抽取地下水，使各灌域生长季平均地下水埋深较传统情景增加 0.005–0.314 m。适度降低地下水位有助于减弱毛管上升，减少盐分向土壤表层迁移；但如果长期抽取强度过大，也可能带来地下水可持续利用风险。因此，该系统推广时需要同步考虑地下水动态监测和开采强度控制。

由于 PVM-DIC 系统覆盖面积有限，其对整个灌区平均产量的影响并不显著。但在实际实施滴灌的农田中，增产效果较为明确：玉米产量提高约 2.48%，向日葵产量提高约 1.73%。这主要得益于膜下滴灌能够更稳定地维持根区土壤水分，从而降低作物水分胁迫。

图7. 作物产量效益图

能源和环境效益是该系统的重要亮点。PVM-DIC 系统年发电量约为 8.81 × 10⁹ kWh，可替代约 325 万 t 标准煤，减少约 829 万 t CO₂ 排放。经济评价结果显示，该系统年净增量收益约 157 万美元，折合 39.3 USD/ha/yr，其中环境服务价值贡献超过四分之一。