Att bygga motståndskraft inom förnybar energi och livsmedelsproduktion är en grundläggande utmaning i dagens föränderliga värld, särskilt i regioner som är känsliga för värme och torka. Agrivoltaik, samlokalisering av jordbruk och solcellspaneler, erbjuder en möjlig lösning, med ny University-Arizona-ledd forskning som rapporterar positiva effekter på livsmedelsproduktion, vattenbesparingar och elproduktionens effektivitet.

Agrivoltaik, även känd som soldelning, är en idé som har vunnit grepp de senaste åren; dock, få studier har övervakat alla aspekter av den associerade maten, energi- och vattensystem, och ingen har fokuserat på torrlandsområden - regioner som upplever utmaningar för livsmedelsproduktion och vattenbrist, men har ett överflöd av solenergi.

"Många av oss vill ha mer förnybar energi, men var lägger du alla dessa paneler? När solcellsanläggningar växer, de tenderar att vara ute på kanterna av städer, och det är historiskt där vi redan har odlat vår mat, "sa Greg Barron-Gafford, en docent vid Geografiska och utvecklingshögskolan och huvudförfattare på tidningen som publicerades idag i Naturens hållbarhet .

En nyligen högprofilerad studie i Natur fann att nuvarande odlingsmarker är "landskydden med störst solceller PV -potential" baserat på en omfattande analys av inkommande solljus, lufttemperatur och relativ luftfuktighet.

"Så vilken markanvändning föredrar du-mat eller energiproduktion? Denna utmaning träffar precis vid skärningspunkten mellan människor och miljöförbindelser, och det är där geograferna lyser! "sa Barron-Gafford, som också är forskare med Biosphere 2. "Vi började fråga, 'Varför inte producera båda på samma ställe?' Och vi har odlat grödor som tomater, paprika, mangold, grönkål, och örter i skuggan av solpaneler sedan dess. "

Med solceller, eller PV, paneler och regionala grönsaker, laget skapade den första agrivoltaikforskningsplatsen i Biosphere 2. Professorer och studenter, både grundutbildning och examen, mätte allt från när växter som grodde till mängden kolväxter suger ut ur atmosfären och vattnet de släpper ut, till deras totala livsmedelsproduktion under hela växtsäsongen.

Studien fokuserade på chiltepinpeppar, jalapeno- och körsbärstomatplantor som placerades under en PV -array. Under den genomsnittliga tremånaders sommarsäsongen, forskare övervakade kontinuerligt inkommande ljusnivåer, lufttemperatur och relativ fuktighet med sensorer monterade ovanför markytan, och jordytans temperatur och fukt på 5 centimeters djup. Både det traditionella planteringsområdet och det agrivoltaiska systemet fick lika stora bevattningshastigheter och testades med två bevattningsscenarier - daglig bevattning och bevattning varannan dag.

De fann att agrivoltaiksystemet signifikant påverkade tre faktorer som påverkar växts tillväxt och reproduktion - lufttemperaturer, direkt solljus och atmosfärisk efterfrågan på vatten. Skuggan från PV -panelerna resulterade i svalare dagtemperaturer och varmare nattemperaturer än de traditionella, plantering med öppen himmel. Det fanns också ett lägre ångtrycksunderskott i agrivoltaiksystemet, vilket betyder att det var mer fukt i luften.

"Vi fann att många av våra matgrödor klarar sig bättre i skuggan av solpaneler eftersom de skonas från direkt sol, "Sa Baron-Gafford." Faktum är att total produktion av chiltepinfrukt var tre gånger större under PV -panelerna i ett agrivoltaiskt system, och tomatproduktionen var dubbelt så stor! "

Jalapenos producerade en liknande mängd frukt i både agrivoltaiksystemet och den traditionella tomten, men gjorde det med 65% mindre transpirationsvattenförlust.

"På samma gång, vi fann att varje bevattningshändelse kan stödja grödans tillväxt i flera dagar, inte bara timmar, som i dagens jordbruksmetoder. Detta resultat tyder på att vi kan minska vår vattenanvändning men ändå behålla livsmedelsproduktionen, "Barron-Gafford tillade, noterar att markfuktigheten förblev cirka 15% högre i agrivoltaiksystemet än kontrollplanen vid bevattning varannan dag.

Förutom fördelarna för växterna, forskarna fann också att agrivoltaiksystemet ökade effektiviteten i energiproduktionen. Solpaneler är naturligt känsliga för temperatur - när de värms, deras effektivitet sjunker. Genom att odla grödor under PV -panelerna, forskare kunde sänka panelernas temperatur.

"De överhettade solpanelerna kyls faktiskt av det faktum att grödorna under avger vatten genom sin naturliga transpirationsprocess - precis som misters på uteplatsen på din favoritrestaurang, "Barron-Gafford sa." Allt sagt, det är en win-win-win när det gäller att förbättra vårt sätt att odla vår mat, utnyttja våra värdefulla vattenresurser, och producera förnybar energi. "

Barron-Gaffords forskning om agrivoltaik har expanderat till att omfatta flera solinstallationer i Tucson Unified School District, eller TUSD, landa. Moses Thompson, som delar sin tid mellan TUSD och UA School of Geography and Development, noterar att teamet också använder TUSD-solinstallationer för att interagera med K-12-studenter.

"Det som drar mig till det här arbetet är vad som händer med K-12-eleven när deras engagemang är konsekvent och forskningen lever i deras samhälle, "Thompson sa." Det skiftet i dynamik skapar studenter som känner handlingsfrihet för att hantera stora utmaningar som klimatförändringar. "

Författarna säger att mer forskning med ytterligare växtarter behövs. De noterar också den för närvarande outforskade inverkan agrivoltaik kan ha på lantarbetarnas fysiska och sociala välfärd. Preliminära data visar att hudtemperaturen kan vara cirka 18 grader Fahrenheit svalare när man arbetar i ett agrivoltaikområde än i traditionellt jordbruk.

"Klimatförändringen stör redan livsmedelsproduktionen och lantarbetarnas hälsa i Arizona, "sa Gary Nabhan, en agroekolog i UA Southwest Center och medförfattare på pappret. "Sydvästra USA ser mycket värmeslag och värmerelaterad död bland våra lantarbetare; detta kan ha en direkt inverkan där, för."

Barron-Gafford och teamet arbetar nu med U.S. Department of Energy National Renewable Energy Lab för att bedöma hur väl en agrivoltaik kan fungera i andra regioner i landet och hur regional politik kan främja antagandet av nya metoder för att lösa dessa genomgripande problem.

"Detta är UA -innovation när den är som bäst - ett tvärvetenskapligt team av forskare som arbetar för att ta itu med några av våra mest utmanande miljödilemma, "sa medförfattaren Andrea Gerlak, en professor vid Geografiska och utvecklingshögskolan vid College of Social and Behavioral Sciences. "Föreställ dig vilken inverkan vi kan få i vårt samhälle - och den större världen - genom att mer kreativt tänka på jordbruk och förnybar energiproduktion tillsammans."