太阳能发电对生态环境影响的研究动态与展望

吴巍 袁博 邹鹏辉 杨若婷 周孝德

（1 西安理工大学水利水电学院 陕西西安 710048 2 国家电投集团青海光伏产业创新中心有限公司 青海西宁 810006）

0 引言

随着世界范围内对能源供应的需求呈指数级增长，安全、充足和可靠的能源供应对现代人类社会的可持续发展至关重要［1-3］。考虑到化石燃料的不可持续性以及当前地缘政治影响，化石燃料能源能满足全球需求的时间尚不确定［4］。因此，需要从“碳密集型”燃料迅速过渡到混合能源以及可再生能源（如风能、太阳能、地热能、水能），从而缓解气候变化，保障能源安全，提高人类生产活动的可持续性［5］。在众多可再生能源资源中，太阳能是增速最快的可再生能源。2009—2019 年间，全球太阳能光伏发电总容量从23 GW 增加到627 GW，已成为众多国家减少碳排放、创造新产业和提供新就业机会的首选［6］。然而，“绿色太阳能” 市场增长背后的环境问题同样受到极大关注［7］，大型太阳能电站建设对环境的影响和生态恢复策略始终充满争议［8-10］，特别是对于发展中国家和生态脆弱地区［11］更是如此。

目前有关太阳能电站生态环境恢复过程的实证研究还较为匮乏，但这些信息对于创建多样化和自我维持的生态系统是必要的［12］，必须从光伏电站建设之初就纳入适当的生态环境恢复规划。基于此，本文通过收集已有的研究证据，综述了太阳能发电系统对土壤、水体、气候、植被和野生动物、土地利用等多要素的生态影响。综合这些视角和数据，探讨了光伏发电对生态环境的利弊关系，以期为未来光伏开发的生态恢复设计提供借鉴和理论支撑。

1 太阳能发电对土壤的影响

1.1 对土壤侵蚀的影响

太阳能光伏板的安装需要对陆域景观进行改造，包括植被移除、土地平整、土壤压实和进场道路修建。此类活动的可能影响包括侵蚀表层土、增加当地河流泥沙量或浊度、过滤并减少空气和雨水重污染物、减少地下水补给以及增加洪水的可能性［9，13-14］。位于坡地的太阳能光伏板之间的通道可能会造成侵蚀［15］。研究表明，当原生植被土壤被农业土壤取代时，径流比和蒸散量会发生显著变化［16-18］。与此同时，一些研究报告美国［19］和西班牙［20］的半干旱地区植被移除后土壤中25%～30%的总有机碳会丧失。因此，受侵蚀而减少的土壤资源可利用性会导致生物多样性的丧失，并阻碍原生植被的恢复［21-22］。这些评估大多基于科学预测，而非实地测量和监测。因此，未来的研究中应在太阳能发电厂运行阶段综合监测和评估其对土壤资源的影响。

1.2 对土壤理化特征的影响

光伏电站施工期，由于机械碾压、人员踩踏、土体翻整等人为因素的干扰会导致土壤板结，肥力降低，造成施工区内植被及动物的栖息环境被破坏，生物多样性减少，导致该区域内植被群落种类组成、数量及分布规律发生改变，进而影响其土壤理化性质。研究表明，光伏电站施工期间会使土壤容重和非毛管孔隙度增大，同时土壤总孔隙度和毛管孔隙度会降低。此外，施工会导致土壤的有机质、全氮、速效氮、速效磷含量降低，但对全磷、全钾和速效钾的影响并不显著［22］。在光伏电站运营期，太阳能光伏板的遮阴作用会使得土壤有机质、含水量、速效磷和速效钾等理化因子显著增加，这主要是因为遮阴作用促进了植被的生长，有效减少了土壤水分的蒸发，提高了土壤的保墒能力［23］。李少华等［24］的研究也表明光伏电板可以改善研究区域土壤理化因子，促进荒漠生态系统向正向演替。对格尔木光伏电站土壤温度监测的研究表明，外部对照区和园区内部土壤温度变化趋势基本一致［23］，站内表层土壤温度日较差明显低于外部对照区，说明光伏板具有绝热保温作用。总体而言，光伏电站建成运营后在一定程度上有利于土壤理化性质的改良和物种多样性的增加。然而，大型工程对土壤理化特征改变所显现的生态环境效应通常需要在较长时间才能显现，因此未来研究还需要通过长期监测评估。

2 对水体的影响

太阳能电站从建造到退役的生命周期的不同阶段都需要水［25-26］。施工期，水主要用于场地平整期间控制扬尘［26］。运行期，用水量可能因聚光太阳能（CSP）和光伏技术（PV）、冷却系统（湿、干、混合）和位置而异［51］。湿式冷却CSP 电厂的用水与传统热电技术（如煤炭、天然气、核能）相似，效率最高，成本最低，在所有冷却方法中最受欢迎［25］。然而，最大耗水量（3 100～3 800 L/MWh）与此系统关联。混合冷却系统用水量（600～1 300 L/MWh）比湿式冷却系统低65%～80%；干式冷却系统需水量最少（100～400 L/MWh），但这种方法成本高昂，效率较低［27-28］。PV 系统则不需要任何水来冷却。

在发电过程中，CSP 和PV 技术需要水来清洗光伏面板，以防止发电效率降低。洗涤所需水量为20～150 L/MWh［29-30］。水量和清洁频率取决于现场条件（土壤和灰尘特性、植被、空气污染、风速和风向、湿度、温度、降水量）和太阳系（玻璃特性、面板和反射板方向、倾斜角度）［31-32］。FRISVOLD 和MARQUEZ［33］报告，装机容量为4.7 GW 的34 个太阳能项目中，每个项目平均用水量为863 L/MWh。其他研究表明CSP 湿式冷却技术需水量最大，干式冷却CSP 和PV 技术所需水量最少［10，14］。此外，传统PV 系统需要大量的水和其他化学品来清洁组件。很明显，部分化学品对环境具有剧毒性，在很长一段时间内可能对动植物造成许多负面影响，这些物质对水的潜在汇流污染可导致鱼类和其他水生物种的死亡。

灰垢控制用水是干冷CSP 和PV 系统总耗水量的主要组成部分，因为灰尘沉积会通过减少吸收的太阳辐射量而对太阳能能量性能产生负反馈。HERNANDEZ 等［10］的研究表明，在美国西南部的太阳能发电厂，60%～99%的水用于粉尘控制。为了减少水的使用，太阳能发电厂应该设在可以持续供水的地方。有必要开发一些替代方法或技术，以提高清洁效率和减少水的使用。例如，在施工阶段可以通过减少在场地准备过程中的土壤移动或考虑使用雨水、灰分和其他循环水进行设施操作或避免涉及地表水体影响的位置来减少施工阶段的用水。

3 对区域气候特征及温室气体排放的影响

3.1 对区域气候特征及效应的影响

光伏阵列的布设改变了局地地表能量分配，可能会对局地和周边的太阳辐射乃至气候产生影响。当前光伏电站对气候的影响研究主要集中在地表太阳辐射、大气热力平衡及大气温湿度等方面。由于缺少光伏电站内部观测资料，至今对光伏电站局地气候效应的研究还较少。以往的研究大多依靠模式模拟，且主要集中于温度场，而对辐射特征的观测分析相对较少。TURNEY 等［9］调查了光伏电站在整个存在阶段的32 种影响；BARRON-GAFFORD 等［34］对屋顶光伏装置产生的城市热岛效应进行大量研究；FTHENAKIS 等［29］对大型光伏电站的温度场进行了模拟，并与实测温度场数据作对比。此外，杨丽薇等［35］研究发现，光伏电站在夜间具有保温效应，而在白天有降温效应，光伏电站可以看成能量的汇。

空气温湿度作为表征一个地区气候环境的重要参数。在夏季晴朗的天气条件下，光伏电站具有增温降湿的作用，形成“热岛效应”。高晓清等［36］对格尔木光伏电站内外空气温湿度观测发现，由于太阳电池板的蓄热作用，使其热空气效应大于光伏板遮阳冷却效应。PREZ 等［37］使用高分辨率动态降尺度技术对加那利群岛气候变化对太阳能光伏（PV）资源的影响进行了评估，结果显示在冬季，由于云量减少，预计光伏电势普遍增加。然而，在夏季，未来的模拟表明，由于温度升高，光伏电势降低，因此光伏板效率降低。此外，光伏电站对局部的小气候还具有降温增湿的作用。

3.2 对温室气体排放的影响

缓解温室气体（GHG）排放的全球压力要求可再生能源的研发实现爆炸性增长。ZHAO 等［38］根据中国缩小的气候预测，评估了气候变化对PV 能源潜力的影响，结果表明，在RCP4.5和RCP8.5 下，在大多数研究区域，光伏发电潜力可能会略微降低6%。通过检查温度、总辐射和日照时数变化的贡献，进一步研究了光伏能源潜力的变化。结果表明，总辐射和日照时数的变化是主要贡献。太阳能系统在电厂运行期间不会向空气中排放物质，但与面板制造以及电厂建设和设备运输相关的排放物除外［14］。因此，太阳能作为碳密集型能源的替代品，在减排方面具有巨大潜力。NOx、SO2和许多其他污染物的排放量比传统发电厂的排放量小几个数量级［39］。PV 和CSP 系统的CO2排放量分别为14～45 g/kWh 和26～38 g/kWh，远低于煤炭、天然气或石油的温室气体排放量（550～1 130 g/kWh）［40］。KUMAR［41］报告说，水型PVT 太阳能系统在其30 a 的使用寿命内排放了32.5 tCO2，用于5 990 kWh 的能源供应。根据ZHAI 等［42］的一项研究，如果PV 系统贡献了10%的国家能源，那么美国的CO2总排放量将减少6.5%～18.8%。LIMAO 等［43］报告说，由于在西藏安装太阳能后CO2排放量减少了547 725 t，减少碳汇损失的量相当于439 826 t。同一项研究还报告说，大规模利用太阳能每年减少氮损失10 782 t。因此，利用太阳能可大大有助于减少全球CO2排放和有关全球环境恶化的问题。

4 对植被/野生动物和土地利用足迹的影响

一些学者对植被和野生动物的影响进行了一些研究［44-45］，但文献中并未全面论述太阳能发电厂及其周围环境的影响。因此，了解全球太阳能发电厂安装量增加可能带来的生态后果至关重要。光伏发电厂的发展对当地栖息地和附近环境有直接和间接的影响［45］。建造大型光伏发电厂需要清理土地，这对当地植被、野生动物栖息地的丧失产生不利影响。

光伏开发的具体影响主要取决于项目位置、使用的太阳能技术、工厂规模以及与现有道路和输电线路的距离。在施工期间，固有的生物土壤结皮被翻动，土壤受侵蚀概率增大［44］，水分渗透变化［8］会对动植物产生负面影响。光伏发电厂可以显著改变陆域特征，直接影响栖息地质量和迁徙路线，并可能导致栖息地丧失和破碎化［46-47］。生境丧失对生物多样性产生负面影响，在历史悠久的生境遗址地区尤其令人关注。生境破碎化可能会导致特定区域物种的敏感性、迁徙障碍、基因流动障碍和负面边缘效应，从而导致敏感物种和风险物种的损失［48］。根据US-BLM-CEC 报告，Ivanpah 太阳能发电系统在美国的发展将对当地受到威胁的沙漠龟、5 种特殊地位动物物种和5 种特殊地位植物物种产生重大影响［49］。与之相反的是，德国可再生能源署报告显示［49］，如果光伏发电厂得到妥善管理，则可以增加特定地区的物种数量，可以为濒危动植物创造新的栖息地，并积极利用边缘补救土地。

光伏发电厂区域也可能受到外来物种入侵的影响［8］，并创造了一个新的人为环境［50］。因此，受干扰生态系统的恢复可能需要比预期更长的时间。这种人为环境会使生存在种群内或种群附近的野生动物更加难以找到庇护所、狩猎、觅食和繁殖地［8］。光伏发电厂的另一个重要影响是野生动物（特别是鸟类）死亡风险增加［51］，主要是由于碰撞和太阳通量，碰撞相关死亡最为常见。鸟类死亡率与位置、大小、太阳能技术、鸟类栖息地（例如迁徙飞道、湿地、河岸植被）、鸟类丰度、海拔和太阳能电站的足迹大小直接相关（足迹大的电站可能比足迹小的电站造成更多的死亡）［52-53］。WALSTON 等［52］估计，南加州每年与太阳能相关的公用设施规模的鸟类死亡数为16 200～59 400 只。光伏发电厂导致的鸟类总死亡率远低于其他能源发电厂（核电站每年33 万只，化石燃料发电厂每年＞1 400 万只）［54］。

土地利用对自然生态系统的影响取决于特定因素，如景观地形、光伏发电厂的规模、土地类型、与自然美景或敏感生态系统区域的距离以及生物多样性［46-47］。因此，最大限度地提高土地利用效率和减少土地覆盖变化是一项日益严峻的环境挑战［44，55］。根据TURNEY［9］和FTHENAKIS［39］的研究，小型和大型光伏装置的直接土地使用要求为8.9～49.4 m2/kW，容量加权平均27.9 m2/kW。CSP 装置用地要求为8.1～56.3 m2/kW，容量加权平均值为31.2 m2/kW［79］。FTHENAKIS［29］报告说，在可再生能源的生命周期中，光伏需要最少的土地，而生物质能需要最多的土地。根据COPELAND 等［56］的研究，石油和天然气租赁的潜在土地覆盖变化影响为11.1%，公用设施规模太阳能开发的潜在土地覆盖变化影响为＜1%。在可再生能源中，除地热能发电厂外，光伏发电系统的单位面积发电量最大。地面安装太阳能电池板装置的土地利用效率（包括直接和间接影响，如资源开采）高于地表煤炭开采的生命周期［57］。这些结论突出了太阳能开发的环境潜力，与碳密集型能源和其他可再生能源（如水电）相比，太阳能开发对土地覆盖和土地利用变化的影响可能较小。

5 当前的研究挑战及未来研究建议

太阳能资源的开发与生态环境的交互关系已经成为当前研究的一个热点。综合文献分析发现，随着光伏发电量的快速增长，太阳能光伏开发可能会对生态环境产生一些深远的影响。目前，在这方面的研究还存在一些空白和挑战。在太阳能开发对生态环境的影响方面，光伏电站对生态环境的影响研究仍处于初级阶段，以往的研究多集中在太阳能开发对土壤、小气候和植被的影响，而光伏电站对动物迁徙和分布、植物群落结构以及对昆虫、土壤微生物的影响等问题亟需进一步深究。此外，基于光伏发电全生命周期评价对生态环境的影响还鲜有研究。

未来研究中，在光伏发电项目的规划与选址设计阶段要充分考虑工程可能对环境产生的各种不利影响，并采取必要的生态恢复和污染治理措施。同时，要深入研究光伏电站对生态环境的影响机制，探究植被、土壤、气候、动物、微生物等环境因子的交互作用，制定相应的防治措施，保证生态平衡。