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一塊土地可以做很多事情。它可以種植樹木和農(nóng)作物。它可以支撐住家、辦公大樓或工廠。它可以是一個(gè)停車場。但它不能同時(shí)做所有這些事情。必須做出選擇。如果住在那里的人沒有足夠的食物，那么建造世界上最高的公寓樓是沒有用的。如果太陽能電池板沒有為作物或住宅留出可用空間，那么隨處放置太陽能電池板是沒有用的。

多任務(wù)處理是最近悄悄進(jìn)入我們詞匯表的一個(gè)詞。計(jì)算機(jī)可以同時(shí)打開多個(gè)選項(xiàng)卡，并且仍然可以進(jìn)行在線聊天。隨著世界人口變得越來越稠密，土地也需要承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)。這里有一些例子說明它是如何工作的。

太陽能使土地更具生產(chǎn)力

在威斯康星州，一百萬英畝的農(nóng)田被用來種植玉米，然后將其轉(zhuǎn)化為乙醇。在上周由 Clean Wisconsin 的 Paul Mathewson 和 Nicholas Bosch 發(fā)表的一份報(bào)告中，研究人員做出了一些驚人的觀察。以下是他們的發(fā)現(xiàn)介紹。

威斯康星州已經(jīng)使用超過 1,000,000 英畝的農(nóng)業(yè)用地，以玉米的形式用于生產(chǎn)乙醇的能源生產(chǎn)。與太陽能光伏 (PV) 相比，乙醇是一種效率低得多的能源生產(chǎn)形式。\ 使用能源投資回報(bào) (EROI) 作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，太陽能光伏的 EROI 約為 8，而玉米衍生的乙醇約為 1.2 EROI。使用這個(gè)指標(biāo)，太陽能光伏產(chǎn)生的能量中有 88% 流向了社會(huì)，而 12% 被生產(chǎn)需求所抵消。

相比之下，玉米乙醇產(chǎn)生的能量有20%流向社會(huì)，80%被生產(chǎn)需求所抵消。假設(shè)平均 EROI，太陽能光伏每英畝的凈能源產(chǎn)量是玉米乙醇的100 到 125 倍[強(qiáng)調(diào)]。為實(shí)現(xiàn)威斯康星州的無碳目標(biāo)，采用當(dāng)今技術(shù)的太陽能光伏發(fā)電將需要 240,000 至 285,000 英畝的土地。這相當(dāng)于該州農(nóng)業(yè)用地的 1.7% 至 2.0%，不到目前用于種植乙醇玉米的土地的 1/3。

Clean Wisconsin 說，威斯康星州那 100 萬英畝的農(nóng)田種植用于生產(chǎn)乙醇的玉米，如果改種太陽能農(nóng)場，其產(chǎn)生的能量是原來的 100 倍。“人們擔(dān)心我們將停止生產(chǎn)太多的農(nóng)田來安裝太陽能電池板，”馬修森在新研究附帶的新聞稿中說。“但我們已經(jīng)在使用大量土地，主要以玉米制成乙醇的形式收獲能源。這一分析表明，利用太陽能，我們可以如何使用更少的土地收集更多的能源。”

給我們錢！

在美國的中心地帶，種植玉米接近于一種宗教。農(nóng)民從玉米生產(chǎn)中賺取的錢往往是謀生和破產(chǎn)之間的區(qū)別。那么，他們?yōu)槭裁匆淖円粋€(gè)已經(jīng)支付了幾代人的賬單的系統(tǒng)呢？收入穩(wěn)定是原因之一。耕作可能很艱難，因?yàn)檗r(nóng)民永遠(yuǎn)不知道農(nóng)場從一年到下一年會(huì)賺多少錢。

Clean Wisconsin 的 Amy Barrilleaux 告訴Wisconsin Examiner ，普渡大學(xué) 2021 年的一項(xiàng)全國調(diào)查稱，收到的農(nóng)民租賃土地用于太陽能發(fā)電的報(bào)價(jià)中，有一半以上的價(jià)格為每英畝 750 美元或更高。“玉米每年都在波動(dòng)，農(nóng)民的利潤因政府支付而變得復(fù)雜，但我們的理解是，玉米凈利潤通常低于每英畝 600 美元，這使得太陽能租賃的低端玉米豐收。”

“為了在農(nóng)村和城市社區(qū)為我們的孩子建設(shè)一個(gè)更健康的未來，我們迫切需要在威斯康星州開展更多太陽能項(xiàng)目，”Clean Wisconsin 氣候、能源和空氣項(xiàng)目主任 Chelsea Chandler 說。“這項(xiàng)研究表明，我們可以將目前用于種植玉米的土地的一小部分用于生產(chǎn)乙醇，而是建造太陽能農(nóng)場，以產(chǎn)生豐富的清潔、本土能源。”

所有這一切的結(jié)果是，種植玉米生產(chǎn)乙醇可能對農(nóng)業(yè)收入有利——主要是因?yàn)檎a(bǔ)貼——但這對國家來說是一筆糟糕的交易，因?yàn)樗壤速M(fèi)又低效。在未來的世界中，效率將成為人類社會(huì)的重中之重。在交通運(yùn)輸中，由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的典型車輛只能將一加侖汽油或柴油中大約四分之一的能量轉(zhuǎn)化為前進(jìn)動(dòng)力。在典型的電動(dòng)汽車中，電池中存儲(chǔ)的能量中至少有 80% 會(huì)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。正如電動(dòng)汽車事半功倍一樣，我們的農(nóng)業(yè)也應(yīng)該如此。

紅光、藍(lán)光


我們認(rèn)為陽光是單一的東西，但它是幾種波長的組合，包括人眼看不到的波長。加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員正在對可見光譜兩端的光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們的研究表明，藍(lán)光最適合太陽能電池板，而紅光最適合種植農(nóng)作物。“如果我們可以為兩者優(yōu)化土地，為什么 [農(nóng)業(yè)] 必須是零和游戲？”加州大學(xué)戴維斯分校副教授 Majdi Abou Najm 問道，他是最近一份報(bào)告的合著者。

他解釋說，光子具有不同的屬性。藍(lán)色的比紅色的具有更高的能量，從而產(chǎn)生波長更短、頻率更高的光。雖然這為藍(lán)光提供了發(fā)電所需的震動(dòng)，但額外的脈沖也會(huì)導(dǎo)致更高的溫度。“從植物的角度來看，紅色光子是最有效的，”Abou Najm 說。“它們不會(huì)讓植物感覺很熱。”

通過計(jì)算機(jī)建模，研究人員發(fā)現(xiàn)，將紅光波應(yīng)用于植物會(huì)增加光合作用和碳同化，同時(shí)降低蒸騰作用。換句話說，“作物可以使用更少的水獲得相同數(shù)量的二氧化碳，”他說。Abou Najim 說，這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)之一是“激勵(lì)行業(yè)創(chuàng)造新一代太陽能電池板。”

但是，有一個(gè)缺點(diǎn)。在太陽能電池板下生長的農(nóng)作物被部分遮蔭，這會(huì)降低產(chǎn)量——這不是農(nóng)民想聽到的。去年夏天，研究人員在大小相等的小塊地塊上種植了加工西紅柿——薩克拉門托谷的一種常見作物。一個(gè)覆蓋著紅色濾光片，另一個(gè)覆蓋著藍(lán)色濾光片，而第三個(gè)未被覆蓋作為對照。

大約四個(gè)月后，包括 9 月初創(chuàng)紀(jì)錄的熱浪，這兩個(gè)經(jīng)過過濾的地塊各自的產(chǎn)量都比未覆蓋的地塊低三分之一。然而，當(dāng)按質(zhì)量分類時(shí)——成熟的、未成熟的或“壞的”——控制區(qū)占爛番茄數(shù)量的兩倍。“所以過濾器有助于減少熱應(yīng)激，”并且“減少了一半以上的浪費(fèi)。”加上發(fā)電的價(jià)值，凈收益將足以彌補(bǔ)收成的減少。通過將作物和太陽能發(fā)電放在一起，“當(dāng)你可以獲得 120% 或 140% 的產(chǎn)量時(shí)，100% 就變成了一個(gè)非常低的數(shù)字，”Najm 告訴現(xiàn)代農(nóng)民。

他認(rèn)為這種有遮蓋的方法是農(nóng)民建立氣候適應(yīng)能力的一種方式。過濾陽光有助于土壤保持水分并保護(hù)農(nóng)場工人免受強(qiáng)光照射，而較低的蒸騰作用意味著作物需要的水較少。他補(bǔ)充說，通過自己發(fā)電，農(nóng)民可以抵消不斷上漲的能源成本，并推動(dòng)該行業(yè)也采用電動(dòng)設(shè)備和車輛。

Abou Najm 說：“到 2050 年，這個(gè)星球上的人口將增加 20 億，我們需要的食物、水和能源比目前多 60%，多 40%，多 50%”。研究需要在變革層面上進(jìn)行，以滿足那些不斷膨脹的需求。通過最大化太陽光譜，“我們正在優(yōu)化一種永無止境的可持續(xù)資源。如果一項(xiàng)技術(shù)能夠開發(fā)出這些面板，那么天空就是我們優(yōu)化的極限。”

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農(nóng)業(yè)社區(qū)有一個(gè)流行的神話，即太陽能和農(nóng)業(yè)不能混合。這可能是一種普遍的態(tài)度，但這并不意味著它是準(zhǔn)確的。人們曾經(jīng)相信石棉是一種神奇的物質(zhì)，飛機(jī)永遠(yuǎn)無法飛越海洋而不停下來加油。正如馬克吐溫曾經(jīng)說過的那樣，“你不知道的事情不會(huì)像你所知道的那樣傷害你。”

隨著人類在為地球上所有人提供食物的同時(shí)努力控制全球供暖，太陽能和農(nóng)業(yè)之間的融合將需要發(fā)生。這兩項(xiàng)研究表明這是如何發(fā)生的。

原標(biāo)題：為什么太陽能與農(nóng)業(yè)是天作之合