吳巍 袁博 鄒鵬輝 楊若婷 周孝德

（1 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 陜西西安 710048 2 國(guó)家電投集團(tuán)青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司 青海西寧 810006）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)對(duì)能源供應(yīng)的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，安全、充足和可靠的能源供應(yīng)對(duì)現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要［1-3］。考慮到化石燃料的不可持續(xù)性以及當(dāng)前地緣政治影響，化石燃料能源能滿(mǎn)足全球需求的時(shí)間尚不確定［4］。因此，需要從“碳密集型”燃料迅速過(guò)渡到混合能源以及可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、水能），從而緩解氣候變化，保障能源安全，提高人?lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的可持續(xù)性［5］。在眾多可再生能源資源中，太陽(yáng)能是增速最快的可再生能源。2009—2019 年間，全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電總?cè)萘繌?3 GW 增加到627 GW，已成為眾多國(guó)家減少碳排放、創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)和提供新就業(yè)機(jī)會(huì)的首選［6］。然而，“綠色太陽(yáng)能” 市場(chǎng)增長(zhǎng)背后的環(huán)境問(wèn)題同樣受到極大關(guān)注［7］，大型太陽(yáng)能電站建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響和生態(tài)恢復(fù)策略始終充滿(mǎn)爭(zhēng)議［8-10］，特別是對(duì)于發(fā)展中國(guó)家和生態(tài)脆弱地區(qū)［11］更是如此。

目前有關(guān)太陽(yáng)能電站生態(tài)環(huán)境恢復(fù)過(guò)程的實(shí)證研究還較為匱乏，但這些信息對(duì)于創(chuàng)建多樣化和自我維持的生態(tài)系統(tǒng)是必要的［12］，必須從光伏電站建設(shè)之初就納入適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)規(guī)劃?；诖?，本文通過(guò)收集已有的研究證據(jù)，綜述了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)土壤、水體、氣候、植被和野生動(dòng)物、土地利用等多要素的生態(tài)影響。綜合這些視角和數(shù)據(jù)，探討了光伏發(fā)電對(duì)生態(tài)環(huán)境的利弊關(guān)系，以期為未來(lái)光伏開(kāi)發(fā)的生態(tài)恢復(fù)設(shè)計(jì)提供借鑒和理論支撐。

1 太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)土壤的影響

1.1 對(duì)土壤侵蝕的影響

太陽(yáng)能光伏板的安裝需要對(duì)陸域景觀進(jìn)行改造，包括植被移除、土地平整、土壤壓實(shí)和進(jìn)場(chǎng)道路修建。此類(lèi)活動(dòng)的可能影響包括侵蝕表層土、增加當(dāng)?shù)睾恿髂嗌沉炕驖岫取⑦^(guò)濾并減少空氣和雨水重污染物、減少地下水補(bǔ)給以及增加洪水的可能性［9，13-14］。位于坡地的太陽(yáng)能光伏板之間的通道可能會(huì)造成侵蝕［15］。研究表明，當(dāng)原生植被土壤被農(nóng)業(yè)土壤取代時(shí)，徑流比和蒸散量會(huì)發(fā)生顯著變化［16-18］。與此同時(shí)，一些研究報(bào)告美國(guó)［19］和西班牙［20］的半干旱地區(qū)植被移除后土壤中25%～30%的總有機(jī)碳會(huì)喪失。因此，受侵蝕而減少的土壤資源可利用性會(huì)導(dǎo)致生物多樣性的喪失，并阻礙原生植被的恢復(fù)［21-22］。這些評(píng)估大多基于科學(xué)預(yù)測(cè)，而非實(shí)地測(cè)量和監(jiān)測(cè)。因此，未來(lái)的研究中應(yīng)在太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)運(yùn)行階段綜合監(jiān)測(cè)和評(píng)估其對(duì)土壤資源的影響。

1.2 對(duì)土壤理化特征的影響

光伏電站施工期，由于機(jī)械碾壓、人員踩踏、土體翻整等人為因素的干擾會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，肥力降低，造成施工區(qū)內(nèi)植被及動(dòng)物的棲息環(huán)境被破壞，生物多樣性減少，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)植被群落種類(lèi)組成、數(shù)量及分布規(guī)律發(fā)生改變，進(jìn)而影響其土壤理化性質(zhì)。研究表明，光伏電站施工期間會(huì)使土壤容重和非毛管孔隙度增大，同時(shí)土壤總孔隙度和毛管孔隙度會(huì)降低。此外，施工會(huì)導(dǎo)致土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷含量降低，但對(duì)全磷、全鉀和速效鉀的影響并不顯著［22］。在光伏電站運(yùn)營(yíng)期，太陽(yáng)能光伏板的遮陰作用會(huì)使得土壤有機(jī)質(zhì)、含水量、速效磷和速效鉀等理化因子顯著增加，這主要是因?yàn)檎陉幾饔么龠M(jìn)了植被的生長(zhǎng)，有效減少了土壤水分的蒸發(fā)，提高了土壤的保墑能力［23］。李少華等［24］的研究也表明光伏電板可以改善研究區(qū)域土壤理化因子，促進(jìn)荒漠生態(tài)系統(tǒng)向正向演替。對(duì)格爾木光伏電站土壤溫度監(jiān)測(cè)的研究表明，外部對(duì)照區(qū)和園區(qū)內(nèi)部土壤溫度變化趨勢(shì)基本一致［23］，站內(nèi)表層土壤溫度日較差明顯低于外部對(duì)照區(qū)，說(shuō)明光伏板具有絕熱保溫作用?？傮w而言，光伏電站建成運(yùn)營(yíng)后在一定程度上有利于土壤理化性質(zhì)的改良和物種多樣性的增加。然而，大型工程對(duì)土壤理化特征改變所顯現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)通常需要在較長(zhǎng)時(shí)間才能顯現(xiàn)，因此未來(lái)研究還需要通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)評(píng)估。

2 對(duì)水體的影響

太陽(yáng)能電站從建造到退役的生命周期的不同階段都需要水［25-26］。施工期，水主要用于場(chǎng)地平整期間控制揚(yáng)塵［26］。運(yùn)行期，用水量可能因聚光太陽(yáng)能（CSP）和光伏技術(shù)（PV）、冷卻系統(tǒng)（濕、干、混合）和位置而異［51］。濕式冷卻CSP 電廠(chǎng)的用水與傳統(tǒng)熱電技術(shù)（如煤炭、天然氣、核能）相似，效率最高，成本最低，在所有冷卻方法中最受歡迎［25］。然而，最大耗水量（3 100～3 800 L/MWh）與此系統(tǒng)關(guān)聯(lián)?；旌侠鋮s系統(tǒng)用水量（600～1 300 L/MWh）比濕式冷卻系統(tǒng)低65%～80%；干式冷卻系統(tǒng)需水量最少（100～400 L/MWh），但這種方法成本高昂，效率較低［27-28］。PV 系統(tǒng)則不需要任何水來(lái)冷卻。

在發(fā)電過(guò)程中，CSP 和PV 技術(shù)需要水來(lái)清洗光伏面板，以防止發(fā)電效率降低。洗滌所需水量為20～150 L/MWh［29-30］。水量和清潔頻率取決于現(xiàn)場(chǎng)條件（土壤和灰塵特性、植被、空氣污染、風(fēng)速和風(fēng)向、濕度、溫度、降水量）和太陽(yáng)系（玻璃特性、面板和反射板方向、傾斜角度）［31-32］。FRISVOLD 和MARQUEZ［33］報(bào)告，裝機(jī)容量為4.7 GW 的34 個(gè)太陽(yáng)能項(xiàng)目中，每個(gè)項(xiàng)目平均用水量為863 L/MWh。其他研究表明CSP 濕式冷卻技術(shù)需水量最大，干式冷卻CSP 和PV 技術(shù)所需水量最少［10，14］。此外，傳統(tǒng)PV 系統(tǒng)需要大量的水和其他化學(xué)品來(lái)清潔組件。很明顯，部分化學(xué)品對(duì)環(huán)境具有劇毒性，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可能對(duì)動(dòng)植物造成許多負(fù)面影響，這些物質(zhì)對(duì)水的潛在匯流污染可導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)和其他水生物種的死亡。

灰垢控制用水是干冷CSP 和PV 系統(tǒng)總耗水量的主要組成部分，因?yàn)榛覊m沉積會(huì)通過(guò)減少吸收的太陽(yáng)輻射量而對(duì)太陽(yáng)能能量性能產(chǎn)生負(fù)反饋。HERNANDEZ 等［10］的研究表明，在美國(guó)西南部的太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)，60%～99%的水用于粉塵控制。為了減少水的使用，太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)應(yīng)該設(shè)在可以持續(xù)供水的地方。有必要開(kāi)發(fā)一些替代方法或技術(shù)，以提高清潔效率和減少水的使用。例如，在施工階段可以通過(guò)減少在場(chǎng)地準(zhǔn)備過(guò)程中的土壤移動(dòng)或考慮使用雨水、灰分和其他循環(huán)水進(jìn)行設(shè)施操作或避免涉及地表水體影響的位置來(lái)減少施工階段的用水。

3 對(duì)區(qū)域氣候特征及溫室氣體排放的影響

3.1 對(duì)區(qū)域氣候特征及效應(yīng)的影響

光伏陣列的布設(shè)改變了局地地表能量分配，可能會(huì)對(duì)局地和周邊的太陽(yáng)輻射乃至氣候產(chǎn)生影響。當(dāng)前光伏電站對(duì)氣候的影響研究主要集中在地表太陽(yáng)輻射、大氣熱力平衡及大氣溫濕度等方面。由于缺少光伏電站內(nèi)部觀測(cè)資料，至今對(duì)光伏電站局地氣候效應(yīng)的研究還較少。以往的研究大多依靠模式模擬，且主要集中于溫度場(chǎng)，而對(duì)輻射特征的觀測(cè)分析相對(duì)較少。TURNEY 等［9］調(diào)查了光伏電站在整個(gè)存在階段的32 種影響；BARRON-GAFFORD 等［34］對(duì)屋頂光伏裝置產(chǎn)生的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行大量研究；FTHENAKIS 等［29］對(duì)大型光伏電站的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并與實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)作對(duì)比。此外，楊麗薇等［35］研究發(fā)現(xiàn)，光伏電站在夜間具有保溫效應(yīng)，而在白天有降溫效應(yīng)，光伏電站可以看成能量的匯。

空氣溫濕度作為表征一個(gè)地區(qū)氣候環(huán)境的重要參數(shù)。在夏季晴朗的天氣條件下，光伏電站具有增溫降濕的作用，形成“熱島效應(yīng)”。高曉清等［36］對(duì)格爾木光伏電站內(nèi)外空氣溫濕度觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于太陽(yáng)電池板的蓄熱作用，使其熱空氣效應(yīng)大于光伏板遮陽(yáng)冷卻效應(yīng)。PREZ 等［37］使用高分辨率動(dòng)態(tài)降尺度技術(shù)對(duì)加那利群島氣候變化對(duì)太陽(yáng)能光伏（PV）資源的影響進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示在冬季，由于云量減少，預(yù)計(jì)光伏電勢(shì)普遍增加。然而，在夏季，未來(lái)的模擬表明，由于溫度升高，光伏電勢(shì)降低，因此光伏板效率降低。此外，光伏電站對(duì)局部的小氣候還具有降溫增濕的作用。

3.2 對(duì)溫室氣體排放的影響

緩解溫室氣體（GHG）排放的全球壓力要求可再生能源的研發(fā)實(shí)現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)。ZHAO 等［38］根據(jù)中國(guó)縮小的氣候預(yù)測(cè)，評(píng)估了氣候變化對(duì)PV 能源潛力的影響，結(jié)果表明，在RCP4.5和RCP8.5 下，在大多數(shù)研究區(qū)域，光伏發(fā)電潛力可能會(huì)略微降低6%。通過(guò)檢查溫度、總輻射和日照時(shí)數(shù)變化的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步研究了光伏能源潛力的變化。結(jié)果表明，總輻射和日照時(shí)數(shù)的變化是主要貢獻(xiàn)。太陽(yáng)能系統(tǒng)在電廠(chǎng)運(yùn)行期間不會(huì)向空氣中排放物質(zhì)，但與面板制造以及電廠(chǎng)建設(shè)和設(shè)備運(yùn)輸相關(guān)的排放物除外［14］。因此，太陽(yáng)能作為碳密集型能源的替代品，在減排方面具有巨大潛力。NOx、SO2和許多其他污染物的排放量比傳統(tǒng)發(fā)電廠(chǎng)的排放量小幾個(gè)數(shù)量級(jí)［39］。PV 和CSP 系統(tǒng)的CO2排放量分別為14～45 g/kWh 和26～38 g/kWh，遠(yuǎn)低于煤炭、天然氣或石油的溫室氣體排放量（550～1 130 g/kWh）［40］。KUMAR［41］報(bào)告說(shuō)，水型PVT 太陽(yáng)能系統(tǒng)在其30 a 的使用壽命內(nèi)排放了32.5 tCO2，用于5 990 kWh 的能源供應(yīng)。根據(jù)ZHAI 等［42］的一項(xiàng)研究，如果PV 系統(tǒng)貢獻(xiàn)了10%的國(guó)家能源，那么美國(guó)的CO2總排放量將減少6.5%～18.8%。LIMAO 等［43］報(bào)告說(shuō)，由于在西藏安裝太陽(yáng)能后CO2排放量減少了547 725 t，減少碳匯損失的量相當(dāng)于439 826 t。同一項(xiàng)研究還報(bào)告說(shuō)，大規(guī)模利用太陽(yáng)能每年減少氮損失10 782 t。因此，利用太陽(yáng)能可大大有助于減少全球CO2排放和有關(guān)全球環(huán)境惡化的問(wèn)題。

4 對(duì)植被/野生動(dòng)物和土地利用足跡的影響

一些學(xué)者對(duì)植被和野生動(dòng)物的影響進(jìn)行了一些研究［44-45］，但文獻(xiàn)中并未全面論述太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)及其周?chē)h(huán)境的影響。因此，了解全球太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)安裝量增加可能帶來(lái)的生態(tài)后果至關(guān)重要。光伏發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)貤⒌睾透浇h(huán)境有直接和間接的影響［45］。建造大型光伏發(fā)電廠(chǎng)需要清理土地，這對(duì)當(dāng)?shù)刂脖?、野生?dòng)物棲息地的喪失產(chǎn)生不利影響。

光伏開(kāi)發(fā)的具體影響主要取決于項(xiàng)目位置、使用的太陽(yáng)能技術(shù)、工廠(chǎng)規(guī)模以及與現(xiàn)有道路和輸電線(xiàn)路的距離。在施工期間，固有的生物土壤結(jié)皮被翻動(dòng)，土壤受侵蝕概率增大［44］，水分滲透變化［8］會(huì)對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生負(fù)面影響。光伏發(fā)電廠(chǎng)可以顯著改變陸域特征，直接影響棲息地質(zhì)量和遷徙路線(xiàn)，并可能導(dǎo)致棲息地喪失和破碎化［46-47］。生境喪失對(duì)生物多樣性產(chǎn)生負(fù)面影響，在歷史悠久的生境遺址地區(qū)尤其令人關(guān)注。生境破碎化可能會(huì)導(dǎo)致特定區(qū)域物種的敏感性、遷徙障礙、基因流動(dòng)障礙和負(fù)面邊緣效應(yīng)，從而導(dǎo)致敏感物種和風(fēng)險(xiǎn)物種的損失［48］。根據(jù)US-BLM-CEC 報(bào)告，Ivanpah 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在美國(guó)的發(fā)展將對(duì)當(dāng)?shù)厥艿酵{的沙漠龜、5 種特殊地位動(dòng)物物種和5 種特殊地位植物物種產(chǎn)生重大影響［49］。與之相反的是，德國(guó)可再生能源署報(bào)告顯示［49］，如果光伏發(fā)電廠(chǎng)得到妥善管理，則可以增加特定地區(qū)的物種數(shù)量，可以為瀕危動(dòng)植物創(chuàng)造新的棲息地，并積極利用邊緣補(bǔ)救土地。

光伏發(fā)電廠(chǎng)區(qū)域也可能受到外來(lái)物種入侵的影響［8］，并創(chuàng)造了一個(gè)新的人為環(huán)境［50］。因此，受干擾生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)可能需要比預(yù)期更長(zhǎng)的時(shí)間。這種人為環(huán)境會(huì)使生存在種群內(nèi)或種群附近的野生動(dòng)物更加難以找到庇護(hù)所、狩獵、覓食和繁殖地［8］。光伏發(fā)電廠(chǎng)的另一個(gè)重要影響是野生動(dòng)物（特別是鳥(niǎo)類(lèi)）死亡風(fēng)險(xiǎn)增加［51］，主要是由于碰撞和太陽(yáng)通量，碰撞相關(guān)死亡最為常見(jiàn)。鳥(niǎo)類(lèi)死亡率與位置、大小、太陽(yáng)能技術(shù)、鳥(niǎo)類(lèi)棲息地（例如遷徙飛道、濕地、河岸植被）、鳥(niǎo)類(lèi)豐度、海拔和太陽(yáng)能電站的足跡大小直接相關(guān)（足跡大的電站可能比足跡小的電站造成更多的死亡）［52-53］。WALSTON 等［52］估計(jì)，南加州每年與太陽(yáng)能相關(guān)的公用設(shè)施規(guī)模的鳥(niǎo)類(lèi)死亡數(shù)為16 200～59 400 只。光伏發(fā)電廠(chǎng)導(dǎo)致的鳥(niǎo)類(lèi)總死亡率遠(yuǎn)低于其他能源發(fā)電廠(chǎng)（核電站每年33 萬(wàn)只，化石燃料發(fā)電廠(chǎng)每年＞1 400 萬(wàn)只）［54］。

土地利用對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響取決于特定因素，如景觀地形、光伏發(fā)電廠(chǎng)的規(guī)模、土地類(lèi)型、與自然美景或敏感生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域的距離以及生物多樣性［46-47］。因此，最大限度地提高土地利用效率和減少土地覆蓋變化是一項(xiàng)日益嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)［44，55］。根據(jù)TURNEY［9］和FTHENAKIS［39］的研究，小型和大型光伏裝置的直接土地使用要求為8.9～49.4 m2/kW，容量加權(quán)平均27.9 m2/kW。CSP 裝置用地要求為8.1～56.3 m2/kW，容量加權(quán)平均值為31.2 m2/kW［79］。FTHENAKIS［29］報(bào)告說(shuō)，在可再生能源的生命周期中，光伏需要最少的土地，而生物質(zhì)能需要最多的土地。根據(jù)COPELAND 等［56］的研究，石油和天然氣租賃的潛在土地覆蓋變化影響為11.1%，公用設(shè)施規(guī)模太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)的潛在土地覆蓋變化影響為＜1%。在可再生能源中，除地?zé)崮馨l(fā)電廠(chǎng)外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位面積發(fā)電量最大。地面安裝太陽(yáng)能電池板裝置的土地利用效率（包括直接和間接影響，如資源開(kāi)采）高于地表煤炭開(kāi)采的生命周期［57］。這些結(jié)論突出了太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)的環(huán)境潛力，與碳密集型能源和其他可再生能源（如水電）相比，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)對(duì)土地覆蓋和土地利用變化的影響可能較小。

5 當(dāng)前的研究挑戰(zhàn)及未來(lái)研究建議

太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境的交互關(guān)系已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。綜合文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，隨著光伏發(fā)電量的快速增長(zhǎng)，太陽(yáng)能光伏開(kāi)發(fā)可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些深遠(yuǎn)的影響。目前，在這方面的研究還存在一些空白和挑戰(zhàn)。在太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響方面，光伏電站對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響研究仍處于初級(jí)階段，以往的研究多集中在太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)對(duì)土壤、小氣候和植被的影響，而光伏電站對(duì)動(dòng)物遷徙和分布、植物群落結(jié)構(gòu)以及對(duì)昆蟲(chóng)、土壤微生物的影響等問(wèn)題亟需進(jìn)一步深究。此外，基于光伏發(fā)電全生命周期評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響還鮮有研究。

未來(lái)研究中，在光伏發(fā)電項(xiàng)目的規(guī)劃與選址設(shè)計(jì)階段要充分考慮工程可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的各種不利影響，并采取必要的生態(tài)恢復(fù)和污染治理措施。同時(shí)，要深入研究光伏電站對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制，探究植被、土壤、氣候、動(dòng)物、微生物等環(huán)境因子的交互作用，制定相應(yīng)的防治措施，保證生態(tài)平衡。