A Precision Imaging Approach to Assess Photovoltaic- Induced Shading Dynamics in Grapevine

技术摘要：一种评估葡萄藤光伏诱导遮阴动态的精准成像方法

问题陈述
地中海地区的葡萄栽培正面临着日益严峻的限制，即升高的温度和过度的太阳辐射，这加速了成熟过程并损害了葡萄品质。虽然农光互补（AV）系统提供了可再生能源发电与部分遮阴的双重解决方案，但其创造的光环境具有高度的动态性和空间异质性，受太阳位置、面板几何形状和冠层结构的驱动。传统的遮阴评估方法（如地面覆盖率 GCR 或静态布局代理指标）无法捕捉到葡萄藤所经历的实时、植物尺度的光照机制。此外，现有的建模方法通常依赖于关于冠层透射率的简化假设，这些假设可能无法反映商业葡萄园中复杂的间歇性遮阴模式。因此，迫切需要一种基于田间的非破坏性方法，来量化这些时空遮阴动态，并将其直接与植物生理反应联系起来。

研究方法
本研究于 2025 年生长季节在南意大利的一处种植着 Vitis vinifera cv. Falanghina 的葡萄园中进行，该葡萄园位于由非晶硅薄膜组件构成的农光互补结构之下。研究采用了近地表、延时 RGB 成像技术，结合了辐射度学和生理学测量。

• 实验设计： 研究监测了两种截然不同的葡萄位置：农光遮阴区 (AVS)，其特征是受到面板诱导的高强度遮阴；以及农光光照区 (AVL)，其受到的遮阴程度较低。
• 成像系统： 安装了两台 Brinνο BCC2000 延时摄影机，安装高度为地面以上 2.0 米，分别垂直于光伏支架柱面向东侧（07:00–13:00）和西侧（14:00–18:00）冠层进行拍摄。从 7 月到 9 月，每小时获取一次图像。
• 图像分析： 采用了一套专门的 photoQuad 软件工作流。具体步骤包括：
  1. 校准： 利用已知宽度的光伏支撑柱（9.30 cm）将像素转换为实际距离。
  2. 分割： 应用多尺度统计区域合并（SRM）算法，以区分受遮阴区域与受光照的冠层。
  3. 量化： 计算每个处理组在定义象限（7910.12 cm²）内冠层面积的遮阴百分比。
• 生理与辐射测量：
  • 气孔导度 ($g_s$) 与叶片温度： 每月使用便携式气孔计对 18 株葡萄藤（每种处理各 9 株）进行两次测量。
  • 辐射度： 在面板下方和全日照对照区持续监测光合有效辐射 (PAR)。使用便携式光谱仪收集光谱数据（包括 PPFD 以及蓝光、绿光、红光及红/远红光比值的特定波段光子通量密度）。
• 统计分析： 使用非参数检验（Kruskal-Wallis 检验、Dunn's 检验）进行处理间比较，并采用 Kendall 秩相关系数 ($\tau$) 来评估遮阴指标与生理变量之间的关系。

主要结果

• 遮阴动态： AVS 处理组表现出显著高于 AVL 处理组的平均遮阴率（76.14% vs 39.45%，$p < 0.0001$）。AVS 在全天保持持续遮阴（在傍晚达到峰值 89.49%），而 AVL 的遮阴程度较低且波动较大。季节性趋势存在差异：AVS 的遮阴在 9 月份下降，而 AVL 的遮阴则有所上升，这反映了太阳物候学与面板几何形状之间的相互作用。
• 辐射影响： 面板下的平均 PAR 为 379.53 µmol m⁻² s⁻¹，较全日照对照区（1054.4 µmol m⁻² s⁻¹）减少了 64%。AVS 处理组经历了极端的光子限制（PPFD $\approx$ 52 µmol m⁻² s⁻¹），而 AVL 则为 $\approx$ 1485 µmol m⁻² s⁻¹。
• 生理相关性：
  • 气孔导度 ($g_s$)： 与遮阴呈中度负相关 ($\tau = -0.41$)，与 PPFD ($\tau = 0.52$) 及光谱光子通量密度呈中度至强正相关。
  • 光谱质量： AVS 的红/远红光 (R:FR) 比值（0.46）显著低于 AVL（0.98），表明存在强烈的“遮阴信号”。
  • 昼夜模式： 早晨（东向）的气孔导度明显高于下午（西向），这一模式归因于昼夜水力约束和饱和蒸气压亏缺，而非两侧遮阴差异所致。
  • 温度： 叶片温度与 $g_s$ 之间没有显著关系，表明在此背景下，热变异性并非驱动气孔行为的主要因素。
• 产量意义： 通过引用同一地点同步的生产数据，研究指出 AVL 植株实现了最高的生产力。AVS 植株的果穗数减少了 25%，产量减少了 35%，而全日照植株的减产幅度更大，这表明 AVL 处理提供了一种“最佳折中方案”。

核心贡献

1. 方法论创新： 本文提出了一种利用近端 RGB 延时成像获取时序明确的遮阴指标的低成本、非破坏性工作流。这种方法超越了静态几何估算，能够提供具有时间分辨率的拦截光照数据。
2. 生理验证： 研究证明，基于图像的遮阴指标与植物相关的辐射度和生理变量（特别是气孔导度和光子通量可用性）具有强相关性。
3. 表征农光互补系统的异质性： 研究量化了同一农光布局内高密度遮阴（AVS）与中度遮阴（AVL）之间的鲜明对比，强调了面板位置如何创造出具有不同生理影响的微环境。

意义与主张
作者声称，该工作流为农光互补系统的精准监测与管理提供了一个实用的工具。通过提供直接且具有时序性的遮阴动态数据，该方法支持对作物微环境进行针对性的评估。研究表明，虽然高密度遮阴（AVS）可以缓冲极端辐射，但可能会限制像葡萄这类喜阳作物的碳同化和产量。相反，中度遮阴（AVL）可能提供一种最佳平衡，既能维持光合能力，又能减轻热应激。本文结论指出，此类基于成像的指标可以指导农光互补系统的设计（如面板间距、高度、朝向），从而实现从理论建模向基于实证的管理策略的转变。