Обеспечение продовольственной безопасности остаётся одной из приоритетных задач государственной политики РФ, что закреплено в соответствующей «Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации» (утверждена Указом Президента №20 [1]). Санкционное давление, рост стоимости энергоресурсов, изменение климата, природные катаклизмы, дефицит водных ресурсов, деградация почвенного покрова вследствие эрозии и засоления усугубляют условия производства сельскохозяйственной продукции.
Южные регионы России (Краснодарский край, Ростовская область, Ставрополье, Крым, Астраханская и Волгоградская области) традиционно играют ключевую роль в производстве стратегически важных видов сельскохозяйственной продукции, таких как зерно, подсолнечник, овощи, фрукты и виноград [2]. Сегодня агропромышленный комплекс — это высокотехнологичная, быстро развивающаяся отрасль, требующая множество новых источников энергии и дополнительных мощностей, что не всегда доступно на сельских территориях, характеризующихся протяжённостью линий электропередач, малой плотностью нагрузки, изношенностью фонда основных средств энергообъектов, ограничениями на мощность подключаемых потребителей [3].
Одним из ресурсоэффективных решений для повышения уровня энергообеспеченности сельского хозяйства, позволяющих одновременно повышать устойчивость агроэкосистем и диверсифицировать источники энергии, становится агровольтаика, предлагающая совместное производство сельскохозяйственной продукции и электрической энергии на одной территории [4].
В отличие от традиционных наземных фотоэлектрических станций, которые требуют выделения земель, являющихся предметом труда в сельском хозяйстве, системы агровольтаики проектируются с учётом потребностей фитоценозов, создавая частичное затенение, которое в условиях юга России может не только не снижать, но и повышать урожайность ряда культур за счёт снижения температурного и водного стресса [5]. В жаркую погоду тень от фотоэлектрических модулей может защитить посевы не только от теплового стресса, снижая риск повреждения и потери урожая, но и от града, ураганного ветра и ливней, уменьшая вероятность физических повреждений.
Однако эффект затенения может также и негативно повлиять на процессы фотосинтеза и роста в результате снижения доступности света для некоторых культур.
Для максимизации преимуществ агровольтаических систем в отношении устойчивости культур важно выбирать виды и сорта сельскохозяйственных растений, способных успешно развиваться в условиях частичного затенения [6].
Таким образом, актуальным является исследование потенциала применения систем агровольтаики для юга России.
Целью данного исследования является комплексная оценка потенциала агровольтаики как инструмента укрепления продовольственной безопасности России с фокусом на южные регионы, включая анализ применимости технологии для ключевых сельскохозяйственных культур и разработку рекомендаций по проектированию таких систем с учётом местных агроклиматических условий.
Методологическую основу исследования составил системный подход, интегрирующий методы сравнительного анализа и обобщения научных данных. Для оценки воздействия систем агровольтаики на сельскохозяйственные культуры проводился мета-анализ рецензированных научных публикаций в международных базах данных с последующей экстраполяцией полученных зависимостей на условия юга России.
Природно-климатические условия юга России создают уникальные предпосылки для развития агровольтаики: высокий уровень инсоляции — 1300–1500 кВт·ч/( м²·год) — обеспечивает рентабельность фотоэлектрической генерации, а распространённость засушливых периодов и высоких летних температур делает положительные эффекты частичного затенения особенно значимыми для многих культур. Проведённый анализ позволил выделить несколько ключевых сельскохозяйственных культур, для которых внедрение систем агровольтаики представляется наиболее перспективным: виноград, яблоки, груши, томаты, огурцы, подсолнечник, кукуруза, рис, пшеница, ягодные культуры.
Виноград, являющийся одной из важнейших многолетних культур юга, демонстрирует высокую чувствительность к интенсивной солнечной радиации и тепловому стрессу. Исследования показывают, что частичное затенение на уровне 15–25% может не только защитить ягоды от солнечных ожогов, но и положительно повлиять на энологические характеристики урожая — способствовать сохранению кислотности и формированию более сложного ароматического букета вина [7]. Для виноградников оптимальной считается высота установки нижней кромки фотоэлектрических модулей не менее 3,5–4 м, что обеспечивает беспрепятственное проведение всех агротехнических мероприятий, включая обработку почвы и уборку урожая с помощью специализированной техники [8]. Угол наклона модулей должен быть подобран таким образом, чтобы в полуденные часы, когда солнечная активность максимальна, тень от панелей частично покрывала зону гроздей. Для этого могут применяться как статические системы с углом наклона 20–30°, так и системы с сезонной регулировкой угла [9]. Но следует отметить, что в работе [10] наблюдалось замедленное созревание, были зафиксированы изменения в развитии листьев и снижении долгосрочного роста.
Летние сорта яблонь могут в условиях жаркого климата страдать от ожогов плодов и листьев, и здесь, казалось бы, агровольтаика может обеспечить рассеянное освещение. Но опыты по затенению деревьев данной сельскохозяйственной культуры показали, что наибольший негативный эффект наблюдался при постоянном затенении. В то же время растения, затеняемые в утренние часы, пострадали сильнее, чем затеняемые вечером: их урожайность снизилась практически в два раза по сравнению с показателями постоянно освещённых солнцем деревьев. Кратковременное интенсивное затенение цветущих ветвей обеспечило их прореживание [11]. Затенение на 50% привело к падению урожайности на 27–30%, но не повлияло на качество плодов у затенённых деревьев, а снизило завязываемость плодов и привело к снижению урожайности с дерева. Яблоня представляется лишь частично пригодной для интеграции в агровольтаические системы, но может показывать потенциал в рамках корректно определённых граничных условий [12]. Высота конструкции должна быть не менее 4–4,5 м для свободного перемещения ветвей и работы плодоуборочных машин. Расстояние между рядами модулей должно соотноситься со схемой посадки деревьев.
Оценка переменного влияния уровня затенения (от 0 до 30%) на выращивание и урожайность груш показала, что у затенённых деревьев отмечается более продолжительный период цветения и снижается ущерб от весенних заморозков, что приводит к лучшему завязыванию плодов и уменьшению их осыпания. Во время сбора урожая показатель урожайности плодов был на 4,5% ниже, а содержание сахара сократилось на 11,8%. Однако сбор урожая можно было отложить на 14 дней, что позволяет распределить выручку. Затенение на 80% после цветения привело к уменьшению плодов в диаметре. При использовании прозрачных фотоэлектрических модулей с затенением на 40% были зафиксированы потери урожайности на 16%. То есть при правильном выборе сроков сбора урожая груши могут быть подходящей культурой для культивации в системе агровольтаики [13].
Томаты открытого грунта, широко возделываемые в Краснодарском крае и Астраханской области, демонстрируют парадоксальную реакцию на затенение. Несмотря на то, что томат является светолюбивой культурой, в условиях южной жары частичное затенение на уровне 30–40% способствует снижению эвапотранспирации на 25–30%, что позволяет существенно экономить водные ресурсы на орошении [14]. При этом продуктивность растений не падает, а в некоторые годы даже возрастает за счёт улучшения завязываемости плодов и снижения количества плодов с солнечными ожогами. Наблюдалось, что растения томата избегают затенения посредством гипонастии (приподнимания листьев) и быстрого роста листьев и стеблей. Аналогично, количество и вес томатов увеличивались при затенении 25% [15]. Для томатов высота системы может быть снижена до 2,5–3 м, что упрощает конструкцию и снижает её стоимость. Эффективными могут быть вертикальные агровольтаические системы, где модули устанавливаются перпендикулярно земле в направлении с востока на запад, создавая движущуюся тень в течение дня [4].
Что касается такой важной овощной культуры, как огурцы, изучался их рост при уровне затенения 40, 65 и 85%: в рассматриваемых климатических условиях максимальная урожайность была достигнута при уровне затенения 35% [16]. Однако в работе [17] огурцы, выращиваемые при затенении 35 и 50%, демонстрировали снижение интенсивности фотосинтеза. Данные об урожайности не представлены. Увеличение урожайности огурца в условиях агровольтаики ожидается только в жарком климате.
Подсолнечник и кукуруза, являющиеся основными полевыми культурами региона, требуют более осторожного подхода.
Будучи гелиофитами, они могут негативно реагировать на значительное затенение. Однако предварительные данные указывают на возможность применения систем с низкой плотностью покрытия (до 15–20%) и использованием бифациальных модулей, которые минимизируют потери урожайности. В засушливые годы этот незначительный спад может быть полностью компенсирован доходом от генерации электроэнергии, делая использование земли в целом более рентабельным [4].
Для риса влияние частичного затенения на рост культуры и компоненты урожая зависит от времени воздействия данного стрессового фактора [18]. Снижение радиации на вегетативной стадии в основном уменьшает количество метёлок и количество колосков в метёлке на репродуктивной стадии, тогда как затенение на стадии после антезиса снижает наполненность зерна и его массу. Также хорошо известно, что существует компенсаторный эффект между компонентами урожая, который часто приводит к незначительным различиям в урожайности зерна при различных методах управления. Размер метёлки часто увеличивается, когда посевы риса производят небольшое количество метёлок, что не приводит к чистому изменению размера стока. Однако, когда размер стока уменьшается, более высокая наполненность зерна и бóльшая масса зерна могут компенсировать это снижение.
При динамическом затенении общая сухая масса пшеницы была линейно связана с уровнем освещённости [19]. Затенение в начале сезона уменьшало количество зёрен, но увеличивало массу отдельного зерна. Затенение в середине вегетационного периода в основном приводило к снижению роста колоса, тогда как затенение в период налива зерна вызывало уменьшение массы зерна. Постоянное затенение (61%) и периодическое затенение (43%) приводили к снижению урожайности пшеницы на 45 и 25%, соответственно, [20]. Снижение урожайности в основном объяснялось меньшим весом зерна. В работе [20] анализировали выращивание классических и теневыносливых сортов при уровне затенения 8, 15 и 23%. У затенённых культур были выше площадь листьев, длина междоузлий и содержание пигментов. Для теневыносливого сорта урожайность была выше при затенении 77 и 85%.
Ягодные кустарники, такие как смородина, малина и голубика, являются, пожалуй, одними из самых перспективных объектов для агровольтаики. Эти культуры предпочитают рассеянный свет и плохо переносят прямую инсоляцию и перегрев. Частичное затенение позволяет продлить период их продуктивности в летнюю жару, улучшить качество ягоды и снизить потребность в поливе. Высота конструкции для ягодников может варьироваться от 2 до 3 м в зависимости от способа обработки междурядий [21].
Что касается технических аспектов конструирования систем, то анализ выявил ряд критически важных параметров [22]. Выбор высоты установки модулей над поверхностью Земли должен учитывать стоимость конструкции, ветровую нагрузку на неё и агротехнические требования. Для большинства пропашных культур и трав минимальная высота составляет 2–2,5 м, для садов и виноградников — 3,5–4,5 м. Угол наклона модулей, как правило, соответствует оптимальному для данной широты углу для максимизации сбора солнечной радиации (для Краснодарского края это 30–35°).
Но для сельскохозяйственных культур, характеризующихся требуемым уровнем освещённости, угол наклона модулей может быть уменьшен, либо могут применяться вертикальные установки. Расстояние между рядами модулей (шаг) рассчитывается исходя из условия отсутствия взаимного затенения в день зимнего солнцестояния и обычно в два-три раза превышает высоту конструкции.
Особое внимание следует уделить выбору типа фотоэлектрических модулей [23]. Наряду с традиционными монои поликристаллическими модулями, высокий потенциал демонстрируют бифациальные модули, генерирующие энергию с обеих сторон и пропускающие рассеянный свет, а также частично прозрачные (полупрозрачные) модули на основе аморфного кремния или органических фотоэлементов, которые могут быть интегрированы в конструкции теплиц, например, [24].
Системы слежения за солнцем (трекеры), хотя и повышают выработку энергии на 15–25%, в условиях агровольтаики имеют ограниченное применение из-за создания динамической, а не стабильной тени, что может дезориентировать растения.
Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о наличии значительного потенциала технологии агровольтаики на юге России. Системы, спроектированные с учётом агротехнических требований по выращиванию сельскохозяйственных культур и местных климатических условий, способны не только генерировать в необходимом количестве электрическую энергию для питания технологических процессов сельхозпроизводителей (орошение, переработка, хранение), но и повышать устойчивость агроценозов к абиотическим стрессам, экономить водные ресурсы и способствовать стабильности производства продовольствия.
Заключение
Технология совместного производства электрической энергии и сельскохозяйственной продукции является инновационным и устойчивым способом, нацеленным на максимизацию использования земельных ресурсов, повышение энергоэффективности и увеличение сельскохозяйственного производства. Агровольтаика, возникшая из необходимости удовлетворения растущего спроса на возобновляемые источники энергии при сохранении производства продовольствия, представляет собой важный шаг на пути к устойчивому развитию агропромышленного комплекса страны и обеспечению её продовольственной безопасности.
Несмотря на свой потенциал, область агровольтаики всё ещё находится на начальном этапе изучения. Одним из основных направлений исследований является оптимизация установки и компоновки фотоэлектрических модулей для максимизации производства энергии и урожайности. Поскольку различным культурам требуется разное количество света, важно найти правильный баланс между тенью и солнечным светом. Кроме того, долгосрочное влияние агровольтаических систем на биоразнообразие и здоровье почв требует более глубокого изучения.
Аграрный потенциал южных регионов Российской Федерации чувствителен как к климатическим изменениям, так и к ресурсным ограничениям. Поэтому технология совместного выращивания сельскохозяйственной продукции и выработки электрической энергии открывает путь к созданию более устойчивой и климато-адаптивной модели сельского хозяйства, особенно в условиях 3D-концепции её развития.
