NEE | 为更可持续、生态知情的太阳能未来制定的生态光伏原则

近日，Nature ecology & evolution杂志刊登了一篇引人注目的评论。文中指出，目前的太阳能发电主要依赖地面安装的光伏板阵列。这些设施的设计和运营主要关注发电效率和成本控制，对生态系统的贡献相对有限。

评论作者Matthew A. Sturchio和Alan K. Knapp提出了一个创新理念——"生态光伏"。这种方法在设计和运营太阳能电池阵列时，不仅考虑能源生产，还同等重视生态系统服务。他们认为，采用这种生态友好的方法可以带来多重益处，包括应对气候变化、保护生物多样性，以及修复退化的土地。

这种"生态光伏"理念强调在发展可再生能源的同时，也要充分考虑对环境的影响，力求实现能源生产和生态保护的双赢。这一观点为太阳能产业的可持续发展提供了新的思路。

人类要实现可持续发展，转向可再生能源是不可或缺的。在众多选择中，地面光伏阵列展现出巨大潜力，可以显著降低短期内的二氧化碳净排放。但是，要让太阳能成为主要电力来源，预计需要的土地面积将是当前化石燃料设施的20倍之多。这一庞大的土地需求给太阳能支持者带来了严峻挑战，涉及经济、社会政治和生态等多个层面。尤其是，目前大规模地面太阳能设施往往过分强调能源生产，而忽视了生态系统服务。

针对这一问题，我们提出了一种新的思路——"生态光伏"方法。我们认为，在许多情况下，光伏阵列的设计应该融入生态学原理，以此来实现更加可持续的能源未来。这种方法旨在平衡能源生产和生态保护，为解决土地使用问题提供了新的视角。

通过采用"生态光伏"理念，我们可以在发展太阳能的同时，更好地保护和利用土地资源，从而推动可再生能源的可持续发展。这种方法不仅有助于应对气候变化，还能在一定程度上缓解大规模太阳能开发带来的土地压力。

大规模太阳能设施对生态系统的影响程度不尽相同。其中，地面平整和清除光伏板下方植被的做法，对环境造成的负面影响最为显著。为了减轻这些影响，一种新的模式应运而生——农业光伏发电。这种方法将农业生产与能源生产相结合，在同一地点进行，从而在光伏阵列下保持一定程度的生态系统功能，如种植特殊作物、饲料作物或为传粉昆虫提供栖息地。

农业光伏系统，特别是采用高架面板的设计，在作物产量、水资源利用和能源生产方面显示出一些潜在优势。然而，大多数大型（超过10兆瓦）农业光伏项目仍然将发电效率置于首位，其设计原则与传统的公用事业规模光伏设施相似，主要目标是在单位面积土地上实现最大发电量。

换言之，尽管农业光伏系统试图兼顾能源生产和生态系统服务，但目前大多数系统的设计仍然以能源生产为主要考虑因素。生态系统服务往往是通过后续的管理措施来实现的，而非在初始设计中就充分考虑（如图1所示）。这种做法表明，在平衡能源生产和生态保护方面，农业光伏系统仍有进一步改进的空间。

生态光伏方法的独特之处在于它从一开始就同时关注能源生产和生态系统服务。这种方法的核心是深入理解不同光伏板布局对环境的非生物和生物影响，以及它们可能对生态系统产生的效果。有了这些生态学知识，我们就能设计出能够促进多种生态过程、互动和结果的光伏系统。

生态光伏不仅为可持续能源发展做出贡献，还为生态学家提供了一个难得的机会，让他们能够在实践中检验关键生态理论的预测能力。这与恢复生态学长期以来被视为生态学理论的"实战考验"类似。通过基于生态理论设计光伏阵列，我们可以在实际应用中验证基本的生态原则，同时作为全球可再生能源转型的一部分，减少对生态系统服务的损害。

这种方法实际上创造了一个双赢的局面：一方面，它有助于推进可再生能源的发展；另一方面，它为生态学研究提供了一个独特的实验平台。通过在大规模太阳能项目中应用生态学原理，我们不仅可以提高这些项目的环境友好性，还能够获得宝贵的科学数据，进一步推动生态学理论的发展和完善。

生态光伏的核心优势在于它能够创造微观尺度（约1米范围）的环境多样性，这种多样性体现在阳光、土壤湿度和温度等方面，并且在空间和时间上都有变化（如图2所示）。特别值得注意的是，光照的变化以及光伏板对降水的重新分配，对下方的生态过程产生了显著影响。研究表明，光伏阵列能够改变草地植物的生产力、生长周期，以及阵列下植物的营养成分分布。

生态学理论普遍认为，环境的异质性增加，包括资源在空间和时间上的变化，能够促进生物多样性，并改变生态系统的功能。基于这一理论，生态光伏设计将根据生态学原理调整光伏板的间距和运作方式，以针对特定环境进行改造，创造环境异质性。这种方法可以成为恢复、维持甚至增强光伏板下生态系统服务的有效工具。

生态光伏的理念延续了过去生态系统恢复研究的思路，即评估增加环境异质性作为提高生物多样性手段的价值。此外，考虑到环境异质性被认为能够提高生态系统对干旱和热浪等极端气候的抵抗力，生态光伏方法可能有助于实现气候变化缓解的目标。

总的来说，生态光伏不仅是一种能源生产方式，更是一种积极影响和改善生态环境的创新方法。它通过精心设计的环境异质性，为生物多样性保护和生态系统服务增强提供了新的可能性，同时也为应对气候变化提供了潜在的解决方案。

生态光伏方法为多种退化土地的恢复提供了新的机遇。通过在这些地区部署专门设计的光伏阵列，我们不仅能加速太阳能的应用，还能为本地生态系统的光伏开发提供更好的选择。以下是几种特别适合采用生态光伏方法的土地类型：

水资源匮乏的农业生态系统和牧场：这些地区，尤其是在温暖干燥的气候下，往往面临过度开发的风险。生态光伏的战略性设计可以为这些地区带来显著益处。通过部分遮阴和降低蒸发需求，光伏板可以帮助这些生态系统更好地应对干旱。此外，光伏板产生的结构复杂性可以改善栖息地，促进小尺度植物多样性的增加。

放牧用地：许多适合安装光伏板的矮小植被地区用于放牧。生态光伏阵列可以增加这些地区的环境异质性，有助于提高植物多样性，延长生长和放牧季节。同时，光伏板还可以为牲畜提供遮阴，减少热应激。然而，在设计时需要考虑本地有蹄类动物的迁徙需求，可以通过设置过境走廊或合理的围栏来维持栖息地的连通性。

退化或废弃的农田：这类土地是生态光伏方法的理想候选者。光伏阵列创造的环境异质性可以加速多样化生物群落的恢复，这在正常情况下可能需要几十年的时间。欧美地区有大量这样的土地可供利用。

工业退化土地：包括棕地和废弃矿区在内的工业退化土地同样可以从生态光伏装置中受益。这些设施可以通过集中资源来加速植物修复过程。

总的来说，生态光伏方法不仅是一种能源生产方式，更是一种土地修复和生态恢复的创新策略。它通过创造环境异质性，为各种退化土地提供了恢复和改善的机会，同时实现清洁能源生产的目标。这种方法展现了太阳能开发与生态保护相结合的巨大潜力。

生态光伏设计提供了多种选择，每种设计对下方植物的微气候影响都有显著差异：

固定轴面板阵列：

为耐阴植物提供持续的深度遮蔽。

将降雨集中重新分配到面板边缘，形成一致的微环境。

单轴跟踪阵列：

面板随太阳东西移动，创造更动态的微环境模式。

即使在面板正下方的植物也能每天获得一定时间的直射阳光。

间距调整：

在需要更多阳光的生态系统中，可以增加面板间距，减少整体遮蔽面积。

在以减少水分蒸发为目标的系统中，可以设计在关键时段提供最大遮蔽的布局。

面板角度：

直接影响降水的重新分配。

例如，在降雨时将面板垂直于地面对齐，可以创造出与固定或单轴跟踪阵列完全不同的土壤湿度分布模式。

这些设计选项展示了生态光伏的灵活性，可以根据特定生态系统的需求和目标进行定制。通过精心设计，生态光伏不仅可以优化能源生产，还能创造有利于生物多样性和生态系统功能的微环境。这种方法体现了太阳能开发与生态保护相结合的创新思路，为可持续能源发展提供了新的可能性。