太陽能發(fā)電對生態(tài)環(huán)境影響的研究動態(tài)與展望

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 國家電投集團青海光伏產(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)對能源供應(yīng)的需求呈指數(shù)級增長，安全、充足和可靠的能源供應(yīng)對現(xiàn)代人類社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要［1-3］?？紤]到化石燃料的不可持續(xù)性以及當前地緣政治影響，化石燃料能源能滿足全球需求的時間尚不確定［4］。因此，需要從“碳密集型”燃料迅速過渡到混合能源以及可再生能源（如風(fēng)能、太陽能、地熱能、水能），從而緩解氣候變化，保障能源安全，提高人類生產(chǎn)活動的可持續(xù)性［5］。在眾多可再生能源資源中，太陽能是增速最快的可再生能源。2009—2019 年間，全球太陽能光伏發(fā)電總?cè)萘繌?3 GW 增加到627 GW，已成為眾多國家減少碳排放、創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)和提供新就業(yè)機會的首選［6］。然而，“綠色太陽能” 市場增長背后的環(huán)境問題同樣受到極大關(guān)注［7］，大型太陽能電站建設(shè)對環(huán)境的影響和生態(tài)恢復(fù)策略始終充滿爭議［8-10］，特別是對于發(fā)展中國家和生態(tài)脆弱地區(qū)［11］更是如此。

目前有關(guān)太陽能電站生態(tài)環(huán)境恢復(fù)過程的實證研究還較為匱乏，但這些信息對于創(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?shù)纳鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)規(guī)劃?；诖?，本文通過收集已有的研究證據(jù)，綜述了太陽能發(fā)電系統(tǒng)對土壤、水體、氣候、植被和野生動物、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)電對生態(tài)環(huán)境的利弊關(guān)系，以期為未來光伏開發(fā)的生態(tài)恢復(fù)設(shè)計提供借鑒和理論支撐。

1 太陽能發(fā)電對土壤的影響

1.1 對土壤侵蝕的影響

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

1.2 對土壤理化特征的影響

光伏電站施工期，由于機械碾壓、人員踩踏、土體翻整等人為因素的干擾會導(dǎo)致土壤板結(jié)，肥力降低，造成施工區(qū)內(nèi)植被及動物的棲息環(huán)境被破壞，生物多樣性減少，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)植被群落種類組成、數(shù)量及分布規(guī)律發(fā)生改變，進而影響其土壤理化性質(zhì)。研究表明，光伏電站施工期間會使土壤容重和非毛管孔隙度增大，同時土壤總孔隙度和毛管孔隙度會降低。此外，施工會導(dǎo)致土壤的有機質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷含量降低，但對全磷、全鉀和速效鉀的影響并不顯著［22］。在光伏電站運營期，太陽能光伏板的遮陰作用會使得土壤有機質(zhì)、含水量、速效磷和速效鉀等理化因子顯著增加，這主要是因為遮陰作用促進了植被的生長，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，促進荒漠生態(tài)系統(tǒng)向正向演替。對格爾木光伏電站土壤溫度監(jiān)測的研究表明，外部對照區(qū)和園區(qū)內(nèi)部土壤溫度變化趨勢基本一致［23］，站內(nèi)表層土壤溫度日較差明顯低于外部對照區(qū)，說明光伏板具有絕熱保溫作用?？傮w而言，光伏電站建成運營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)通常需要在較長時間才能顯現(xiàn)，因此未來研究還需要通過長期監(jiān)測評估。

2 對水體的影響

太陽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，水主要用于場地平整期間控制揚塵［26］。運行期，用水量可能因聚光太陽能（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)則不需要任何水來冷卻。

在發(fā)電過程中，CSP 和PV 技術(shù)需要水來清洗光伏面板，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）和太陽系（玻璃特性、面板和反射板方向、傾斜角度）［31-32］。FRISVOLD 和MARQUEZ［33］報告，裝機容量為4.7 GW 的34 個太陽能項目中，每個項目平均用水量為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)品來清潔組件。很明顯，部分化學(xué)品對環(huán)境具有劇毒性，在很長一段時間內(nèi)可能對動植物造成許多負面影響，這些物質(zhì)對水的潛在匯流污染可導(dǎo)致魚類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，因為灰塵沉積會通過減少吸收的太陽輻射量而對太陽能能量性能產(chǎn)生負反饋。HERNANDEZ 等［10］的研究表明，在美國西南部的太陽能發(fā)電廠，60%～99%的水用于粉塵控制。為了減少水的使用，太陽能發(fā)電廠應(yīng)該設(shè)在可以持續(xù)供水的地方。有必要開發(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減少在場地準備過程中的土壤移動或考慮使用雨水、灰分和其他循環(huán)水進行設(shè)施操作或避免涉及地表水體影響的位置來減少施工階段的用水。

3 對區(qū)域氣候特征及溫室氣體排放的影響

3.1 對區(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，可能會對局地和周邊的太陽輻射乃至氣候產(chǎn)生影響。當前光伏電站對氣候的影響研究主要集中在地表太陽輻射、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)部觀測資料，至今對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，而對輻射特征的觀測分析相對較少。TURNEY 等［9］調(diào)查了光伏電站在整個存在階段的32 種影響；BARRON-GAFFORD 等［34］對屋頂光伏裝置產(chǎn)生的城市熱島效應(yīng)進行大量研究；FTHENAKIS 等［29］對大型光伏電站的溫度場進行了模擬，并與實測溫度場數(shù)據(jù)作對比。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］對格爾木光伏電站內(nèi)外空氣溫濕度觀測發(fā)現(xiàn)，由于太陽電池板的蓄熱作用，使其熱空氣效應(yīng)大于光伏板遮陽冷卻效應(yīng)。PREZ 等［37］使用高分辨率動態(tài)降尺度技術(shù)對加那利群島氣候變化對太陽能光伏（PV）資源的影響進行了評估，結(jié)果顯示在冬季，由于云量減少，預(yù)計光伏電勢普遍增加。然而，在夏季，未來的模擬表明，由于溫度升高，光伏電勢降低，因此光伏板效率降低。此外，光伏電站對局部的小氣候還具有降溫增濕的作用。

3.2 對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)實現(xiàn)爆炸性增長。ZHAO 等［38］根據(jù)中國縮小的氣候預(yù)測，評估了氣候變化對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)電潛力可能會略微降低6%。通過檢查溫度、總輻射和日照時數(shù)變化的貢獻，進一步研究了光伏能源潛力的變化。結(jié)果表明，總輻射和日照時數(shù)的變化是主要貢獻。太陽能系統(tǒng)在電廠運行期間不會向空氣中排放物質(zhì)，但與面板制造以及電廠建設(shè)和設(shè)備運輸相關(guān)的排放物除外［14］。因此，太陽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)電廠的排放量小幾個數(shù)量級［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］報告說，水型PVT 太陽能系統(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］的一項研究，如果PV 系統(tǒng)貢獻了10%的國家能源，那么美國的CO2總排放量將減少6.5%～18.8%。LIMAO 等［43］報告說，由于在西藏安裝太陽能后CO2排放量減少了547 725 t，減少碳匯損失的量相當于439 826 t。同一項研究還報告說，大規(guī)模利用太陽能每年減少氮損失10 782 t。因此，利用太陽能可大大有助于減少全球CO2排放和有關(guān)全球環(huán)境惡化的問題。

4 對植被/野生動物和土地利用足跡的影響

一些學(xué)者對植被和野生動物的影響進行了一些研究［44-45］，但文獻中并未全面論述太陽能發(fā)電廠及其周圍環(huán)境的影響。因此，了解全球太陽能發(fā)電廠安裝量增加可能帶來的生態(tài)后果至關(guān)重要。光伏發(fā)電廠的發(fā)展對當?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)電廠需要清理土地，這對當?shù)刂脖?、野生動物棲息地的喪失產(chǎn)生不利影響。

光伏開發(fā)的具體影響主要取決于項目位置、使用的太陽能技術(shù)、工廠規(guī)模以及與現(xiàn)有道路和輸電線路的距離。在施工期間，固有的生物土壤結(jié)皮被翻動，土壤受侵蝕概率增大［44］，水分滲透變化［8］會對動植物產(chǎn)生負面影響。光伏發(fā)電廠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，并可能導(dǎo)致棲息地喪失和破碎化［46-47］。生境喪失對生物多樣性產(chǎn)生負面影響，在歷史悠久的生境遺址地區(qū)尤其令人關(guān)注。生境破碎化可能會導(dǎo)致特定區(qū)域物種的敏感性、遷徙障礙、基因流動障礙和負面邊緣效應(yīng)，從而導(dǎo)致敏感物種和風(fēng)險物種的損失［48］。根據(jù)US-BLM-CEC 報告，Ivanpah 太陽能發(fā)電系統(tǒng)在美國的發(fā)展將對當?shù)厥艿酵{的沙漠龜、5 種特殊地位動物物種和5 種特殊地位植物物種產(chǎn)生重大影響［49］。與之相反的是，德國可再生能源署報告顯示［49］，如果光伏發(fā)電廠得到妥善管理，則可以增加特定地區(qū)的物種數(shù)量，可以為瀕危動植物創(chuàng)造新的棲息地，并積極利用邊緣補救土地。

光伏發(fā)電廠區(qū)域也可能受到外來物種入侵的影響［8］，并創(chuàng)造了一個新的人為環(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)期更長的時間。這種人為環(huán)境會使生存在種群內(nèi)或種群附近的野生動物更加難以找到庇護所、狩獵、覓食和繁殖地［8］。光伏發(fā)電廠的另一個重要影響是野生動物（特別是鳥類）死亡風(fēng)險增加［51］，主要是由于碰撞和太陽通量，碰撞相關(guān)死亡最為常見。鳥類死亡率與位置、大小、太陽能技術(shù)、鳥類棲息地（例如遷徙飛道、濕地、河岸植被）、鳥類豐度、海拔和太陽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，南加州每年與太陽能相關(guān)的公用設(shè)施規(guī)模的鳥類死亡數(shù)為16 200～59 400 只。光伏發(fā)電廠導(dǎo)致的鳥類總死亡率遠低于其他能源發(fā)電廠（核電站每年33 萬只，化石燃料發(fā)電廠每年＞1 400 萬只）［54］。

土地利用對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響取決于特定因素，如景觀地形、光伏發(fā)電廠的規(guī)模、土地類型、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日益嚴峻的環(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］報告說，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)模太陽能開發(fā)的潛在土地覆蓋變化影響為＜1%。在可再生能源中，除地熱能發(fā)電廠外，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，如資源開采）高于地表煤炭開采的生命周期［57］。這些結(jié)論突出了太陽能開發(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，太陽能開發(fā)對土地覆蓋和土地利用變化的影響可能較小。

5 當前的研究挑戰(zhàn)及未來研究建議

太陽能資源的開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的交互關(guān)系已經(jīng)成為當前研究的一個熱點。綜合文獻分析發(fā)現(xiàn)，隨著光伏發(fā)電量的快速增長，太陽能光伏開發(fā)可能會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些深遠的影響。目前，在這方面的研究還存在一些空白和挑戰(zhàn)。在太陽能開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響方面，光伏電站對生態(tài)環(huán)境的影響研究仍處于初級階段，以往的研究多集中在太陽能開發(fā)對土壤、小氣候和植被的影響，而光伏電站對動物遷徙和分布、植物群落結(jié)構(gòu)以及對昆蟲、土壤微生物的影響等問題亟需進一步深究。此外，基于光伏發(fā)電全生命周期評價對生態(tài)環(huán)境的影響還鮮有研究。

未來研究中，在光伏發(fā)電項目的規(guī)劃與選址設(shè)計階段要充分考慮工程可能對環(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，要深入研究光伏電站對生態(tài)環(huán)境的影響機制，探究植被、土壤、氣候、動物、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。