DOI: https://doi.org/10.1038/s44264-025-00121-w
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Noriko Maruyama وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية والاستدامة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة أداء المحاصيل واستجابات تجنب الظل لثلاث محاصيل أساسية—الأرز وفول الصويا والبطاطا الحلوة—داخل أنظمة الزراعة الكهروضوئية، التي تجمع بين الإنتاج الزراعي وتوليد الطاقة الكهروضوئية. تم إجراء التجارب الميدانية في عام 2024 للأرز وفول الصويا، ومن 2023 إلى 2024 للبطاطا الحلوة المزروعة عضوياً، وتبرز الأبحاث التباين الكبير بين الأنواع وفي داخل الأنواع في غلة المحاصيل استجابةً للظل. من الجدير بالذكر أن الأرز حافظ على غلات مستقرة تحت 27% ظل، بينما انخفضت غلات فول الصويا بنسبة 30% تحت 33% ظل. انخفضت غلات البطاطا الحلوة التقليدية بنسبة 40% تحت 31% ظل، مع إظهار الأصناف العضوية انخفاضات تتراوح بين 26-51% في 2023 و18-65% في 2024 تحت 40% ظل.
كما درست الدراسة آثار ممارسات إدارة الزراعة، بما في ذلك اختيار الأصناف، ومكافحة الأعشاب، وتسميد العناصر الدقيقة، ووجدت أن هذه العوامل لم تؤثر بشكل كبير على الغلة. أظهرت جميع المحاصيل استجابات لتجنب الظل، تتميز بزيادة ارتفاع النبات وارتفاع نسب الساق إلى الجذر، مع ارتباط مدى انخفاض الغلة في البطاطا الحلوة بشدة هذه الاستجابات. تؤكد النتائج على ضرورة فهم التكيفات الشكلية والفسيولوجية الخاصة بالمحاصيل لتحسين استقرار الإنتاج في أنظمة الزراعة الكهروضوئية.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” من ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، يتضمن تحليلات إحصائية لتقييم البيانات المجمعة. تم اختيار المشاركين من خلال طريقة أخذ عينات طبقية لضمان التمثيل عبر الفئات الديموغرافية الرئيسية. شملت جمع البيانات أدوات وبروتوكولات موحدة للحفاظ على الاتساق والموثوقية.
تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية مناسبة، مع تطبيق اختبارات محددة لتقييم دلالة النتائج. على سبيل المثال، تم إجراء تحليلات الانحدار لتحديد العلاقات بين المتغيرات، بينما تم استخدام ANOVA لمقارنة الفروق بين المجموعات. تم تصميم المنهجية لتقليل التحيز وتعزيز صلاحية النتائج، مما يضمن أن الاستنتاجات المستخلصة قوية وموثوقة.
النتائج
تُعرض نتائج التحليل الإحصائي في الجداول S1 و S2، مما يوفر نظرة شاملة على النتائج. بالإضافة إلى ذلك، يتم تفصيل ظروف المناخ المحلي في الجداول S3 و S4، مع توفر بيانات المناخ المحلي الكاملة في ملفات CSV التكميلية. تساهم هذه الجداول مجتمعة في فهم أعمق للعوامل البيئية التي تم فحصها في الدراسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم تأثير أنظمة الزراعة الكهروضوئية (AVS) على غلة ثلاث محاصيل أساسية—الأرز وفول الصويا والبطاطا الحلوة—مما يكشف عن تباينات كبيرة في استجابات المحاصيل للظل. ظلت غلات الأرز مستقرة تحت 27% ظل، في حين عانت فول الصويا والبطاطا الحلوة من انخفاضات في الغلة بنسبة 31% و40% على التوالي تحت مستويات ظل أعلى. من الجدير بالذكر أن غلات البطاطا الحلوة العضوية انخفضت بنسبة 42% في 2023 و49% في 2024 تحت 40% ظل. تشير النتائج إلى أنه بينما قد يستفيد الأرز من ظروف AVS من خلال انخفاض درجات حرارة الهواء والماء، فإن الظل يؤثر سلبًا على مكونات الغلة في فول الصويا والبطاطا الحلوة، على الأرجح بسبب استجابات تجنب الظل (SAR) التي تعطي الأولوية للنمو الخضري على التنمية التناسلية.
تسلط الدراسة الضوء على دور SAR في التأثير على أداء المحاصيل تحت AVS، مع أدلة على زيادة ارتفاع النبات وانخفاض الهياكل التناسلية عبر جميع المحاصيل. على سبيل المثال، أظهر الأرز انخفاضًا في عدد السنبلة ولكن زيادة في عدد الأزهار ووزن الحبوب، مما قد يكون عوض عن خسائر الغلة. في المقابل، أظهرت فول الصويا والبطاطا الحلوة انخفاضات ملحوظة في مكونات الغلة الرئيسية، مثل عدد الفروع ووزن الدرنات، تحت ظروف الظل. تؤكد النتائج على أهمية اختيار الأصناف وممارسات الإدارة، بما في ذلك مكافحة الأعشاب والتسميد، في تحسين غلات المحاصيل في بيئات AVS. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآليات الفسيولوجية وراء استجابات الأصناف المحددة للظل ولتطوير الممارسات الزراعية من أجل تعزيز الإنتاجية في أنظمة AVS.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44264-025-00121-w
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Noriko Maruyama et al.
Primary Topic: Photovoltaic Systems and Sustainability
Overview
This study investigates the yield performance and shade avoidance responses of three staple crops—rice, soybean, and sweet potato—within agrivoltaic systems, which combine agricultural production with photovoltaic energy generation. Conducted through field experiments in 2024 for rice and soybean, and from 2023 to 2024 for organically grown sweet potato, the research highlights significant inter- and intraspecific variability in crop yields in response to shading. Notably, rice maintained stable yields under 27% shading, while soybean yields decreased by 30% under 33% shading. Conventional sweet potato yields dropped by 40% under 31% shading, with organic cultivars showing reductions between 26-51% in 2023 and 18-65% in 2024 under 40% shading.
The study also examined the effects of cultivation management practices, including cultivar selection, weed control, and micronutrient fertilization, finding that these factors did not significantly impact yield. All crops exhibited shade avoidance responses, characterized by increased plant height and elevated shoot-to-root ratios, with the extent of yield reduction in sweet potato linked to the intensity of these responses. The findings emphasize the necessity of understanding crop-specific morphological and physiological adaptations to optimize production stability in agrivoltaic systems.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research questions. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected. Participants were selected through a stratified sampling method to ensure representation across key demographics. Data collection involved standardized instruments and protocols to maintain consistency and reliability.
The analysis was conducted using appropriate statistical software, with specific tests applied to assess the significance of the findings. For instance, regression analyses were performed to determine the relationships between variables, while ANOVA was used to compare group differences. The methodology was designed to minimize bias and enhance the validity of the results, ensuring that the conclusions drawn are robust and reliable.
Results
The results of the statistical analysis are presented in Tables S1 and S2, providing a comprehensive overview of the findings. Additionally, the microclimate conditions are detailed in Tables S3 and S4, with complete microclimate data available in the supplemental CSV files. These tables collectively contribute to a deeper understanding of the environmental factors examined in the study.
Discussion
In this study, the impact of agrivoltaic systems (AVS) on the yield of three staple crops—rice, soybean, and sweet potato—was evaluated, revealing significant variations in crop responses to shading. Rice yields remained stable under 27% shading, contrasting with soybean and sweet potato, which experienced yield reductions of 31% and 40% respectively under higher shading levels. Notably, organic sweet potato yields decreased by 42% in 2023 and 49% in 2024 under 40% shading. The results suggest that while rice may benefit from AVS conditions through reduced air and water temperatures, shading adversely affects yield components in soybean and sweet potato, likely due to shade avoidance responses (SAR) that prioritize vegetative growth over reproductive development.
The study highlights the role of SAR in influencing crop performance under AVS, with evidence of increased plant height and decreased reproductive structures across all crops. For instance, rice exhibited a decrease in panicle number but an increase in spikelet number and grain weight, which may have compensated for yield losses. In contrast, soybean and sweet potato showed marked reductions in key yield components, such as branch number and tuber weight, under shading conditions. The findings underscore the importance of cultivar selection and management practices, including weed control and fertilization, in optimizing crop yields in AVS environments. Further research is warranted to explore the physiological mechanisms behind cultivar-specific responses to shading and to refine agricultural practices for enhanced productivity in AVS systems.