Rośliny zaskakują naukowców. Panele PV nie muszą oznaczać problemów z uprawami
Rośliny uprawne mogą znacznie lepiej znosić częściowe zacienienie przez instalacje agrofotowoltaiczne, niż wskazywałyby tradycyjne założenia. Badanie przeprowadzone w pięciu lokalizacjach w Niemczech wykazało, że jęczmień, fasola, ziemniaki, kapusta i kukurydza zmieniają sposób funkcjonowania aparatu fotosyntetycznego, gdy mają mniej światła.
Niemieckie badanie pokazuje, że rośliny ograniczają straty CO2 i obniżają ilość światła potrzebną do utrzymania dodatniego bilansu węglowego. Nie oznacza to jednak, że pod panelami zawsze uzyskamy takie same lub wyższe plony.
Czy panele fotowoltaiczne mogą ograniczać produkcję rolną, ponieważ zabierają roślinom światło? Odpowiedź nie jest tak oczywista, jak mogłoby się wydawać. Badanie przeprowadzone w Niemczech wykazało, że popularne rośliny uprawne potrafią fizjologicznie dostosować się do częściowego zacienienia występującego w systemach agrofotowoltaicznych.
Naukowcy z Uniwersytetu Hohenheim oraz Centrum Badawczego Jülich (Forschungszentrum Jülich) analizowali reakcje jęczmienia, fasoli, ziemniaków, kapusty i kukurydzy na zmienne warunki świetlne. Podobne obserwacje prowadzono także w systemach rolno-leśnych, w których uprawy rosną w sąsiedztwie drzew.
Rośliny potrzebują mniej światła
Badacze przeprowadzili pomiary w pięciu lokalizacjach w Niemczech. W przypadku systemów agrofotowoltaicznych analizowano rośliny znajdujące się bezpośrednio pod panelami, pomiędzy rzędami modułów oraz na nieosłoniętych działkach referencyjnych. Badanie obejmowało jęczmień, fasolę, ziemniaki, kapustę i kukurydzę.
Naukowcy nie ograniczyli się jednak do porównania plonów. Za pomocą pomiarów wymiany gazowej analizowali sposób, w jaki liście reagują na różną ilość światła. Szczególną uwagę zwrócili na dwa parametry: oddychanie w ciemności (Rd) oraz punkt kompensacji światła (LCP).
Pierwszy z nich określa tempo oddychania rośliny przy braku światła, natomiast drugi wskazuje poziom promieniowania, przy którym ilość CO2 pobieranego w fotosyntezie równoważy straty związane z oddychaniem. Właśnie te dwa parametry wykazały najbardziej wyraźną i powtarzalną reakcję na zacienienie.
Jęczmień, fasola, ziemniaki, kapusta i kukurydza zmieniły sposób funkcjonowania
We wszystkich badanych uprawach zacienienie wiązało się ze spadkiem oddychania w ciemności oraz obniżeniem punktu kompensacji światła. W zależności od gatunku i systemu Rd zmniejszało się o około 10–45 proc., a LCP o około 15–55 proc.
W praktyce niższy punkt kompensacji światła oznacza, że roślina może utrzymywać dodatni bilans węglowy przy mniejszym natężeniu światła. Jednocześnie niższe oddychanie pozwala ograniczyć straty CO2 i zmniejszyć koszt energetyczny funkcjonowania rośliny w warunkach ograniczonego promieniowania.
Co istotne, podobny mechanizm zaobserwowano niezależnie od rodzaju gleby, sposobu prowadzenia uprawy, gatunku czy systemu zacienienia. Reakcję na zacienienie wykazała nawet kukurydza, należąca do roślin typu C4. Ten charakterystyczny mechanizm fotosyntezy jest szczególnie efektywny przy dużym nasłonecznieniu i wysokich temperaturach, dlatego kukurydza uchodzi za gatunek bardziej wymagający pod względem dostępu do światła.
Istotne statystycznie obniżenie punktu kompensacji światła stwierdzono między innymi u jęczmienia w systemie rolno-leśnym oraz u ziemniaków w systemie agrofotowoltaicznym. Spadek oddychania w ciemności potwierdzono natomiast m.in. dla jęczmienia, fasoli i ziemniaków, a także dla kukurydzy, którą badano przy różnych poziomach dostępnego promieniowania.
Nie wszystkie rośliny reagowały jednakowo
Nie oznacza to, że wszystkie procesy zachodzące w liściach zmieniały się w ten sam sposób. W przypadku wydajności kwantowej fotosyntezy oraz maksymalnego tempa fotosyntezy reakcje były zależne od gatunku i systemu.
W instalacjach agrofotowoltaicznych tempo fotosyntezy przy nasyceniu światłem pozostawało stosunkowo stabilne przy różnych poziomach zacienienia. W systemach rolno-leśnych zmienność była większa.
Różnice były widoczne także między roślinami C3 i C4. Kukurydza przy zacienieniu wykazywała spadek wydajności kwantowej fotosyntezy, podczas gdy fasola, ziemniaki i kapusta na ogół utrzymywały ten parametr lub nieznacznie go zwiększały.
Co z plonami pod panelami?
Tu wyniki są znacznie mniej jednoznaczne. Autorzy badania podkreślają, że dane dotyczące plonów były dostępne tylko dla części analizowanych lokalizacji i upraw, dlatego nie stanowiły głównego przedmiotu badań.
W przypadku fasoli w Heggelbach całkowita biomasa nie różniła się istotnie między stanowiskami, ale produkcja fasoli pod panelami była o 54–60 proc. niższa niż na powierzchniach referencyjnych. W Bürgewald biomasa fasoli była o 58 proc. większa na obszarze referencyjnym, podczas gdy różnica w produkcji fasoli nie była statystycznie istotna.
Jęczmień w pełnym słońcu wytworzył o 31 proc. więcej biomasy niż rośliny zacienione, jednak liczba ziaren w tysiącu nasion była podobna. W przypadku kukurydzy istotne różnice pojawiły się przy poziomie PAR wynoszącym 55 proc. i niższym, podczas gdy przy 70 i 100 proc. PAR nie stwierdzono istotnych różnic. Przy 70 proc. PAR biomasa i plon ziarna były nawet nieco wyższe niż przy pełnym nasłonecznieniu.
Oznacza to, że fizjologiczne przystosowanie roślin do cienia nie jest równoznaczne z utrzymaniem lub zwiększeniem plonów. Wyniki plonowania zależały od konkretnej uprawy i lokalizacji.
Panele zmieniają mikroklimat pola
W przypadku agrofotowoltaiki ograniczenie światła jest tylko jednym z elementów zmienionych warunków. Częściowe zacienienie może jednocześnie zmniejszać obciążenie roślin wysoką temperaturą i nadmiarem promieniowania.
Przy bardzo silnym nasłonecznieniu rośliny mogą ograniczać fotosyntezę, chroniąc aparat fotosyntetyczny przed nadmiarem energii. Umiarkowany cień może natomiast zmniejszać stres związany z wysoką temperaturą i promieniowaniem.
Znaczenie ma również to, że cień w systemie agrofotowoltaicznym nie jest stały. W ciągu dnia obszary zacienione i nasłonecznione przemieszczają się, tworząc zmienne warunki świetlne. Z tego względu reakcja roślin może różnić się od tej obserwowanej przy klasycznym, równomiernym zacienieniu.
Wyniki mogą pomóc w projektowaniu farm agrofotowoltaicznych
Badanie wskazuje, że przy projektowaniu instalacji agrofotowoltaicznych warto uwzględniać nie tylko samą redukcję ilości światła, lecz także reakcję konkretnych odmian roślin.
Jednym z możliwych kierunków jest selekcja odmian, które lepiej wykorzystują światło w warunkach częściowego zacienienia. Innym jest takie rozmieszczenie paneli, aby ograniczyć powstawanie trwałych stref głębokiego cienia, m.in. poprzez odpowiedni dobór odstępów między rzędami i ich orientacji.
Naukowcy wskazują jednocześnie, że potrzebne są dalsze badania, które pozwolą lepiej rozdzielić wpływ gatunku, lokalizacji, gleby i warunków klimatycznych. Istotne będzie także uwzględnienie jakości światła oraz ciągłych pomiarów jego natężenia w systemach agrofotowoltaicznych.
Badanie nie dowodzi więc, że panele fotowoltaiczne nie wpływają na plony. Pokazuje coś innego: rośliny mają większą zdolność fizjologicznego przystosowania do częściowego zacienienia, niż można byłoby zakładać na podstawie ich uprawy w pełnym słońcu. To, czy taka adaptacja wystarczy do utrzymania plonów, pozostaje zależne od gatunku i warunków panujących na konkretnym polu.
Więcej na temat tego badania w artykule Partial shade effects of dual land use systems: Harnessing plant acclimation to drive sustainable farming solutions opublikowanym w „European Journal of Agronomy”.
Katarzyna Poprawska-Borowiec
katarzyna.borowiec@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
