1、2023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2022-10-14资助项目：黄河上游水电开发有限责任公司研究项目“青海大型光伏电站生态环境效应及调控研究”作者简介：吴巍（1980），男，博士，副教授，主要从事大型工程开发生态环境效应研究。太阳能发电对生态环境影响的研究动态与展望吴巍1袁博1邹鹏辉2杨若婷2周孝德1（1西安理工大学水利水电学院陕西西安7100482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）摘要研究大型光伏电站建设运营的生态环境影响及其科学管理等问题旨在为光伏电站的规划选址和生态产业融合发展提供借鉴。通过对大量文献归纳整理及相关报
2、告研究，分析了光伏电站建设期和运营期对土壤、水体、区域气候特征及温室气体排放、植被和野生动物、土地利用足迹的影响，指出当前大型光伏电站建设在生态环境影响及恢复方面存在的不足，并对光伏电站生态环境影响及效应未来的发展方向进行展望。关键词太阳能发电光伏开发环境影响政策中图分类号：TK51；X826文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)02004050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
3、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。20092019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
4、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
5、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
6、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
7、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研 究 与 探 讨42023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK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
8、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 1003 800 L/MWh）与此系统关联。混合冷却系统用水量（6001 300 L/MWh）比湿式冷却系统低65%80%；干式冷却系统需水量最少（100400 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20150 L/MWh29-30。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
9、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MARQUEZ33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
10、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
11、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
12、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。PEREZ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
13、.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1445 g/kWh和2638 g/kWh，远低于煤炭、天然气或石油的温室气体排放量（5501 130 g/kWh）40。KUMAR41报告说，水型
14、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
15、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
16、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，德国可再生研 究 与 探 讨52023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK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