“碳中和”下光伏對(duì)西北荒漠生態(tài)因子與植被分布的影響

摘要：我國(guó)的\"碳中和\"戰(zhàn)略將推動(dòng)西北荒漠區(qū)太陽能資源的大規(guī)模利用。光伏基地的下墊面結(jié)構(gòu)變化對(duì)荒漠土地植物生長(zhǎng)的生態(tài)要素將產(chǎn)生什么影響，目前尚缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。本文以騰格里沙漠南沿寧夏中衛(wèi)市的光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，通過分析衛(wèi)星遙感植被指數(shù)和已有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)：2011-2021年間園區(qū)內(nèi)有植被覆蓋的像素單元從近乎為0增長(zhǎng)至約33%，光伏陣列的建設(shè)改變下墊面的能量、溫濕度和風(fēng)場(chǎng)等生態(tài)因子是促使植被由無到有發(fā)育的決定因素。在滿足2060年我國(guó)約4.0～4.3萬億kWh光伏發(fā)電需求的前提下，最可能情境的光伏建設(shè)用地需求為2.4～4.0萬km²，可促進(jìn)約1.6～2.6萬km²荒漠土地的植被發(fā)育。這雖不足以根本改變西北荒漠區(qū)的生態(tài)格局，但繼續(xù)深入研究光伏基地中生態(tài)因素的變化和效應(yīng)，對(duì)認(rèn)識(shí)西北荒漠區(qū)植被發(fā)育機(jī)制、生態(tài)閾值和水資源利用的可持續(xù)性有重要意義。

關(guān)鍵詞：碳中和；西北荒漠區(qū)；集中式光伏基地；植被發(fā)育；生態(tài)因子變化

中圖分類號(hào)：Q145+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-0435（2023）05-1520-10

The Impacts of Centralized Photovoltaic Power Plants on Ecological Drivers

and Vegetation Development in China’s Northwestern Desert Regions under

the Carbon Neutrality Strategy

QIAO Sheng-chao YU Chao-qing HUANG Xiao LIU Chang-yi ZHAO Zi-jian

（1. Tsinghua University， Beijing 100084， China; 2. Hainan University， Haikou， Hainan Province 570228， China；

3. Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization， Beijing 100038， China）

Abstract：Large scale utilization of solar energy in the arid region may facilitate vegetation growth in northwestern deserts in China. The vegetation analysis using Landsat images indicates that rate of pixels with vegetation growth has increased from nearly 0% in 2011 to about 33% in 2021 within a large photovoltaic power plant， located in the south of the Tengger Desert. The structure of solar panel arrays plays a pivotal role in facilitating vegetation development by changing the energy balance， temperature， moisture and wind in the microenvironment. To meet the projected demands on 4.0～4.3 trillion kWh of solar power supply for China’s carbon neutrality strategy by 2060， "the total area for solar power plants in deserts is about 24～40 thousand km²， and may stimulate 16～25 thousand km² of desert lands changed to grazing lands under the most likely scenarios， which cannot fundamentally change the ecological landscape in northwestern China. Further study of the vegetative development processes from deserts in solar power plants can improve our understanding on the key ecological drivers and thresholds， and the ways of sustainable water use.

Key words：Carbon neutrality;Northwest desert region;Centralized of solar power plants；Vegetation development;Changes of ecological drivers

中國(guó)的“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略正在推動(dòng)西北荒漠區(qū)太陽能資源的大規(guī)模開發(fā)利用。光伏基地的建設(shè)對(duì)下墊面景觀結(jié)構(gòu)、能量流動(dòng)、微觀氣候、風(fēng)沙運(yùn)移、水循環(huán)格局、初級(jí)生產(chǎn)力和生物多樣性都可產(chǎn)生顯著影響［1］，可能促進(jìn)原生荒漠化土地的植物生長(zhǎng)、生物量積累和生態(tài)環(huán)境的改善。

2006年我國(guó)頒布《可再生能源法》推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量從2006年的8萬kW增加到2022年的3.06億kW，目前占全球光伏發(fā)電總量的三分之一左右［2］。最新的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（發(fā)改能源〔2022〕210號(hào)）明確要求“推進(jìn)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地項(xiàng)目建設(shè)”，這必將進(jìn)一步加快西北荒漠區(qū)的集中式太陽能基地建設(shè)，進(jìn)而促進(jìn)植被面積擴(kuò)張。然而，現(xiàn)有研究缺乏系統(tǒng)評(píng)估為實(shí)現(xiàn)“碳中和”戰(zhàn)略規(guī)劃中的太陽能發(fā)電量，光伏基地建設(shè)對(duì)荒漠土地的需求，以及其帶來的植被生長(zhǎng)促進(jìn)潛力。本研究在“碳中和”背景下，基于遙感和地面監(jiān)測(cè)資料分析西北荒漠區(qū)的光伏利用對(duì)下墊面微環(huán)境氣候變化、能量水分循環(huán)過程、植被發(fā)育和植被分布空間規(guī)律的影響，旨在探討未來太陽能利用的潛力及其對(duì)西北荒漠區(qū)植被變化趨勢(shì)的影響，以及不確定因素和難點(diǎn)問題。

1材料與方法

1.1沙漠光伏基地植被發(fā)育的遙感監(jiān)測(cè)

本研究以寧夏中衛(wèi)市光伏產(chǎn)業(yè)園為例，基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析荒漠化土地的植被發(fā)育、變化與空間分布特征。該園區(qū)為占地4 300余公頃的大型集中式光伏基地（105.058°E，37.546° N，海拔1 290 m），建成后有植被生長(zhǎng)的土地面積（被識(shí)別為有植被土地的像素面積之和）顯著增加。本文采用Landsat 5，7和8衛(wèi)星平臺(tái)空間分辨率30 m、云量小于5%、監(jiān)測(cè)時(shí)相統(tǒng)一在草類覆蓋盛期的8—9月份的多波段長(zhǎng)序列歷史數(shù)據(jù)（http：//www.gscloud.cn）。該數(shù)據(jù)已按WGS-84基準(zhǔn)、結(jié)合地面數(shù)字高程模型（Digital elevation model，DEM）信息進(jìn)行了L1T級(jí)矯正，誤差為0.35個(gè)像素單位。植被分析方法采用歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI），通過歸一化處理近紅外波段（NIR）和紅光波段（R）之間的差值（計(jì)算公式1），并基于NDVI判斷有植物像素的面積變化趨勢(shì)。

NDVI=（NIR-R）/（NIR+R） （1）

將NDVI結(jié)果數(shù)據(jù)與其他波段結(jié)合對(duì)園區(qū)土地進(jìn)行監(jiān)督分類，將園區(qū)分成三大類：非光伏陣列分布區(qū)域；光伏陣列區(qū)NDVI大于零的區(qū)域；光伏陣列區(qū)NDVI小于零的區(qū)域。將分類結(jié)果與實(shí)際分布反復(fù)對(duì)比，提取園區(qū)的非光伏分布區(qū)、光伏陣列分布區(qū)的面積，用于核算園區(qū)光伏陣列實(shí)際的占地總面積，以及單位裝機(jī)量所需的占地面積。

1.2光伏基地的下墊面結(jié)構(gòu)對(duì)荒漠區(qū)植物發(fā)育的影響

分析近年來我國(guó)研究人員針對(duì)太陽能利用和光伏基地建設(shè)對(duì)植物生長(zhǎng)不同生態(tài)要素的影響已經(jīng)開展較為豐富的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。但目前對(duì)關(guān)鍵生態(tài)要素的影響機(jī)制尚缺乏深入認(rèn)識(shí)。本研究基于文獻(xiàn)調(diào)研的方法，針對(duì)國(guó)內(nèi)外近20年在西北地區(qū)集中式光伏基地開展生態(tài)要素監(jiān)測(cè)的研究報(bào)道，歸納集中式光伏陣列結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速、空氣溫濕度、土壤溫濕度、植物生物量和土壤有機(jī)碳等方面影響的平均值與變化范圍。為研究未來西北更大規(guī)模的光伏基地發(fā)展對(duì)荒漠區(qū)草類覆蓋的可能趨勢(shì)提供參考。

1.3“碳中和”背景下西北荒漠區(qū)光伏基地植被發(fā)育潛力評(píng)估

本研究進(jìn)一步基于情景分析方法，從我國(guó)代表性學(xué)者或組織對(duì)“碳中和”能源需求和結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)，評(píng)估西北荒漠區(qū)太陽能利用潛力，以及光伏基地影響下荒漠化土地轉(zhuǎn)化為有植被土地的可能空間分布。具體方法包括如下步驟：（1）從已有文獻(xiàn)獲得“碳中和”電力能源需求總量和能源結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果，在考慮或不考慮分布式光伏發(fā)電情景下，設(shè)置西北荒漠區(qū)集中式光伏發(fā)電的最大和可能需求量；（2）結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道與本文提取的寧夏中衛(wèi)市光伏產(chǎn)業(yè)園的光伏陣列分布面積數(shù)據(jù)，建立當(dāng)前光電轉(zhuǎn)化率下裝機(jī)容量、光伏板凈面積、光伏陣列占地面積與光伏基地總面積的比例關(guān)系，進(jìn)而考慮未來光伏技術(shù)進(jìn)步情景，調(diào)整不同光電轉(zhuǎn)化率的用地需求變化；（3）收集太陽輻射、土地覆蓋類型、地形和降水等數(shù)據(jù)，利用GIS空間疊加分析方法，提取西北區(qū)適于光伏基地建設(shè)的荒漠化區(qū)域空間分布與面積，評(píng)估滿足“碳中和”能源戰(zhàn)略需求的太陽能資源和土地供給潛力。

2結(jié)果與分析

2.1寧夏中衛(wèi)市沙漠光伏基地的植被發(fā)育過程監(jiān)測(cè)與分析

圖1是基于陸地衛(wèi)星（Landsat）對(duì)位于騰格里沙漠南沿的寧夏中衛(wèi)光伏基地建設(shè)進(jìn)程的遙感監(jiān)測(cè)記錄。建設(shè)前該區(qū)域?yàn)閹缀鯖]有植被的流動(dòng)沙丘。在國(guó)家能源局《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》的推進(jìn)下，自2010年下半年開始，光伏基地的光伏板鋪設(shè)面積快速增長(zhǎng)，形成如今占地超過4 300 hm²、裝機(jī)容量103萬kW的大規(guī)模光伏基地［3］。

圖2顯示了該基地建設(shè)不同階段的土地分類結(jié)果，與圖1對(duì)比可見分類器較好地區(qū)分了園區(qū)內(nèi)的光伏陣列區(qū)和尚未安裝光伏板的空地。對(duì)于被識(shí)別具有植被發(fā)育的像素，其NDVI的平均值較低，總體小于0.15，表明在分辨率為30 m的單位像素內(nèi)的植被覆蓋度不高，除了存在較大比例的裸露土壤面積，部分植物還受光伏板遮擋的影響無法被有效探測(cè)（圖3c，圖3d）。因此圖2的綠色部分在本文被稱為“有植被土地”，是指從原生荒漠土地發(fā)展為具有植被分布的像素及其空間分布?！盁o植被光伏面積”是指在安裝了光伏陣列的區(qū)域，沒有被探測(cè)到存在植物信息的像素面積，表示相應(yīng)像素內(nèi)沒有植被發(fā)育，或植被受太陽能板遮擋無法被探測(cè)。在圖2所示本文實(shí)際分析的3 371 hm²土地中，被識(shí)別到有植被土地的像素面積在逐步擴(kuò)大，從建設(shè)前的接近于0%增長(zhǎng)到2021年的33%（表1）。

光伏基地內(nèi)部的植被發(fā)育也存在較明顯的時(shí)空特征。第一，光伏板鋪設(shè)完成時(shí)間（圖1，圖2）對(duì)植被發(fā)育程度影響較顯著，在較早鋪設(shè)的光伏陣列區(qū)有植被土地面積總體最大；第二，光伏基地內(nèi)部植被分布存在較大差異，邊緣區(qū)域的有植被土地面積較中間區(qū)域高，而大面積連片光伏陣列中心區(qū)域的有植被土地面積相對(duì)較低；第三，基地內(nèi)尚未鋪設(shè)光伏板的成片地帶中沒有植被發(fā)育，土地類型依舊為裸露沙地（圖3b），而光伏陣列實(shí)際分布區(qū)內(nèi)2021年的有植被土地（圖3c，d）面積比例達(dá)45%，較整個(gè)園區(qū)平均值高12%。這說明光伏陣列的下墊面結(jié)構(gòu)和運(yùn)維機(jī)制是園區(qū)內(nèi)植被發(fā)育的關(guān)鍵影響因素。

圖3顯示了園區(qū)光伏陣列建設(shè)前后的下墊面實(shí)景情況。圖3a為在原生流動(dòng)沙丘基礎(chǔ)上新建的光伏陣列，可見原生土地除了沙丘谷底的零星植物外，幾乎都是裸露的沙地。圖3b前景為光伏園區(qū)內(nèi)已經(jīng)平整多年的土地，但由于缺乏光伏陣列的微氣候條件，植被無法發(fā)育，與分類結(jié)果一致（圖2）。圖3c顯示光伏陣列區(qū)初夏季下墊面植物狀況和雨水受光伏板結(jié)構(gòu)控制在微觀土壤環(huán)境中重新分布的痕跡。圖3 d顯示在夏末植被發(fā)展程度較高的下墊面狀況。

2.2西北地區(qū)光伏基地下墊面變化對(duì)植被發(fā)育關(guān)鍵生態(tài)因子的影響

結(jié)合遙感識(shí)別的植被宏觀分布（圖2）與植被微觀現(xiàn)狀（圖3）可知，光伏陣列建設(shè)改變下墊面結(jié)構(gòu)在促進(jìn)荒漠土地的植被由無到有發(fā)育中發(fā)揮了決定性作用。本研究進(jìn)一步通過文獻(xiàn)調(diào)研較系統(tǒng)地歸納我國(guó)西北區(qū)光伏基地建設(shè)影響草類植被發(fā)展的關(guān)鍵生態(tài)要素的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，分析光伏基地建設(shè)對(duì)草類植被發(fā)育關(guān)鍵生態(tài)因子的影響，包括監(jiān)測(cè)到的能量、水分、溫度、土壤、有機(jī)質(zhì)等因子的變化幅度（圖4）。

太陽能的利用導(dǎo)致微觀環(huán)境能量分布的變化影響微氣候溫度和濕度，是影響植物發(fā)育的主要驅(qū)動(dòng)因素。中國(guó)氣象局發(fā)布的西北地區(qū)水平面總輻照量的年平均值為1 400～1 800 kWh·m^-2［4］（圖4）。光伏電站的太陽能轉(zhuǎn)移會(huì)改變當(dāng)?shù)匚⒂^環(huán)境的能量平衡，按工業(yè)和信息化部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2021年本）》，其中要求多晶硅電池和單晶硅電池的平均光電轉(zhuǎn)換效率分別不低于19%和22.5%和光伏電站扣除損耗后的系統(tǒng)效率（約80%）［5］計(jì)算，光伏板凈面積內(nèi)所接收輻射能的15%～18%可轉(zhuǎn)移至其他區(qū)域。

太陽輻射能的轉(zhuǎn)移以及光伏組件的遮被作用會(huì)導(dǎo)致集中式光伏基地內(nèi)的溫濕度和風(fēng)速變化。例如全年的日均氣溫比自然狀態(tài)降低8%～14%，0～20 cm土壤表層溫度平均降低33%～39%［6］；春季和夏季的降溫幅度分別為55%，22%，但冬季呈現(xiàn)出一定的保溫效應(yīng)［7］。基地內(nèi)空氣濕度的年均值會(huì)比自然狀態(tài)增加3%左右［6］，降水事件結(jié)束后空氣濕度甚至比自然狀態(tài)增加16%～39%［8］，有助于減小蒸騰和土壤蒸發(fā)強(qiáng)度［8］。光伏板的物理結(jié)構(gòu)會(huì)增加微觀環(huán)境的空氣流場(chǎng)阻力，導(dǎo)致基地內(nèi)年均風(fēng)速降低35%～40%［6，9］，但光伏板上方和近地面（尤其是光伏陣列邊緣區(qū)）易產(chǎn)生較強(qiáng)的風(fēng)速脈動(dòng)，可引起局部風(fēng)蝕和再堆積等問題［9］。

土壤水分是影響植被發(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵制約因素。光伏板的排列方式可導(dǎo)致自然降水在東西向呈線狀匯集（圖3c），影響土壤水分的空間分布。抽取地下水用于清洗光伏板、維持生活和綠化用水等，可增加地表的水分輸入?；谖挥诟拭C嘉峪關(guān)一個(gè)光伏電站的實(shí)測(cè)用水量［10］，本文估算中衛(wèi)市光伏基地的年總耗水約2.1萬m³，相當(dāng)于陣列區(qū)年均增加約8.4 mm的水分輸入。綜合前述氣溫、土壤溫度和空氣濕度等影響，光伏陣列區(qū)0～40 cm土層的土壤濕度年平均值可增加10%以上［7］，0～10 cm土層的土壤濕度增幅可達(dá)70%以上［6，11］，為啟動(dòng)植被發(fā)育和維持植被長(zhǎng)期增長(zhǎng)提供了必要的水分條件。

因此在水分制約強(qiáng)烈的荒漠區(qū)，光伏基地空氣和土壤溫濕度的改善為植被發(fā)育、提高植物的生物量積累［12］發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如，與自然狀態(tài)相比，內(nèi)蒙古呼和浩特市光伏基地的植物干物質(zhì)量增加了45%～155%［13］，在陜西榆林的基地增加了147%［1］，在青海的光伏基地增加了38%～66%［14］，在內(nèi)蒙古庫布齊沙漠的基地增加47%～76%［15］，在內(nèi)蒙古四王子旗的基地平均增加173%［16］。報(bào)道中生物量的絕對(duì)值增幅范圍差異較大，約16～99 g·m^-2。地下有機(jī)碳是一個(gè)關(guān)鍵的生態(tài)要素［17-18］，在青海共和盆地的一個(gè)光伏基地的監(jiān)測(cè)顯示三年內(nèi)地下部分生物量最大可增加7%以上，且每年的積累量呈遞增趨勢(shì)［14］。植物生物量的增加不一定能在短期內(nèi)促進(jìn)光伏基地內(nèi)植物生物多樣性的增加，相反生物多樣性減少是一個(gè)普遍現(xiàn)象［14，16］。

2.3“碳中和”驅(qū)動(dòng)下西北荒漠區(qū)光伏發(fā)電及有植被土地增長(zhǎng)潛力評(píng)估

2021年中國(guó)累計(jì)發(fā)電量為8.1萬億kWh，其中煤電仍占71.13%、水電14.6%、風(fēng)電6.99%、核電5.02%，而太陽能發(fā)電量?jī)H占2.26%［19］。對(duì)于“碳中和”電力發(fā)展目標(biāo)，不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者所做的預(yù)估大同小異。例如舒印彪等［22］預(yù)計(jì)到2060年我國(guó)的發(fā)電量將增長(zhǎng)近1倍達(dá)到15.7萬億kWh，裝機(jī)容量71億kWh；全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織預(yù)測(cè)的裝機(jī)容量需80億kWh［20］；姜克雋等預(yù)測(cè)的發(fā)電量為15.4萬億kWh［21］。對(duì)于非化石能源（水電、風(fēng)電、光電、核電等）的發(fā)電量預(yù)測(cè)都將增長(zhǎng)到92%～96%以上。但對(duì)于光伏發(fā)電的比例的預(yù)測(cè)存在較大差異，例如舒印彪等預(yù)測(cè)到2060年全年用電量中光伏發(fā)電比例占26%，發(fā)電量4萬億kWh，裝機(jī)25億kWh［22］；全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電比例達(dá)33%，裝機(jī)27億kWh［20］。

前文所述寧夏中衛(wèi)光伏基地的裝機(jī)容量為103萬kW。當(dāng)前商用光伏板每平方米的功率100～120w（按平均110w計(jì)），則該基地的光伏板凈面積約936.3 hm²，圖2中光伏陣列實(shí)際占地面積的測(cè)算均值約2 400 hm²，得到光伏陣列占地系數(shù)約為1∶2.5。在一個(gè)光伏基地內(nèi)，除光伏陣列的凈占地面積之外，一般還需要道路、綠化、建筑等用地面積。根據(jù)甘肅嘉峪關(guān)一個(gè)光伏基地中太陽能板面積和總占地面積關(guān)系，得到光伏基地的占地系數(shù)約為1∶4 ［10］，本文根據(jù)“碳中和”全國(guó)電力總裝機(jī)容量80億kW的高限需求預(yù)測(cè)值，按9種情景（表2中的S1—S9）計(jì)算到2060年所需西北荒漠區(qū)土地資源和植被發(fā)育面積潛力：預(yù)測(cè)能源需求中非化石能源所占平均94%的預(yù)測(cè)發(fā)電量全部來自西北荒漠區(qū)規(guī)?；惺焦夥兀还夥l(fā)電所占平均30%的預(yù)測(cè)發(fā)電量全部來自西北荒漠區(qū)規(guī)?；惺焦夥?；光伏發(fā)電所占15%的預(yù)測(cè)發(fā)電量來自西北荒漠區(qū)規(guī)?；惺焦夥兀硗?5%來自全國(guó)各地的分布式光伏發(fā)電。光電轉(zhuǎn)化效率設(shè)置為三個(gè)情景：當(dāng)前轉(zhuǎn)化率約20%、晶硅電池的上限轉(zhuǎn)化率約30%以及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化率約50%。

表3顯示在2060年非化石能源所占94%發(fā)電量全部來自西北荒漠區(qū)太陽能的極端情景（S1），最大需要37.2萬km²的荒漠面積用于光伏基地建設(shè)，其中約23.75萬km²的光伏陣列區(qū)占地面積具備有植被土地?cái)U(kuò)大的潛力。而在實(shí)際最可能的情景為S6和S9，其占地需求2.42～4.03萬km²，轉(zhuǎn)化為草類植被的荒漠面積潛力僅為1.55～2.59萬km²。

根據(jù)國(guó)家林業(yè)局2015年《中國(guó)荒漠化和沙化狀況公報(bào)》［23］，我國(guó)荒漠化土地面積約261萬km²，其中戈壁面積約66萬km²。為增加“碳中和”戰(zhàn)略下西北荒漠化區(qū)集中式光伏基地的可能空間分布的認(rèn)識(shí)，本文利用地理高程數(shù)據(jù)、多時(shí)期土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、降水和輻射等數(shù)據(jù)（圖5），首先提取植被覆蓋度小于5%的荒漠化土地。再考慮易于光伏板安裝的坡度小于2度、海拔低于3 000 m的地形特征，基于空間分析得到圖5a藍(lán)色區(qū)域?？梢娺@一區(qū)域集中在年降水量200 mm以下的荒漠區(qū)，太陽總輻射年均值在1 500～1 700 kWh·m^-2范圍內(nèi)（圖5b），顯著高于全國(guó)均值1 493 kWh·m^-2［25］。該區(qū)域的總面積達(dá)184萬km²，是S1情景所需占地面積的5.0倍、S6情景的45.6倍、S9情景的76倍，所以滿足“碳中和”的集中式光伏基地所產(chǎn)生的植被擴(kuò)張效應(yīng)并不能根本改變西北地區(qū)的宏觀生態(tài)格局。由于戈壁和沙漠在現(xiàn)有土地覆蓋分類產(chǎn)品中的區(qū)分精度不高，上述面積并沒有扣除不太適宜草地發(fā)育的戈壁土地。由于戈壁土地總面積僅為上述藍(lán)色區(qū)域的1/3，因而不影響光伏基地的生態(tài)效應(yīng)對(duì)西北生態(tài)格局影響有限的基本結(jié)論。

3討論

3.1荒漠區(qū)光伏基地對(duì)有植被土地?cái)U(kuò)張過程與分布的影響

綜上所述，西北荒漠區(qū)集中式光伏基地下墊面的變化對(duì)荒漠土地植被的增加具有決定性作用。促進(jìn)植被發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子變化如圖4所示，光伏陣列的結(jié)構(gòu)不僅影響到太陽輻射能的空間轉(zhuǎn)移和分布，還會(huì)較大程度地降低空氣和土壤溫度以及地表風(fēng)速，減小蒸散發(fā)潛力，這些變化有利于增加土壤和空氣濕度。植被發(fā)育蒸散發(fā)及其所需潛熱對(duì)微氣候的反饋可進(jìn)一步降低地面溫度，增加局部空氣濕度，因此在水分條件允許的范圍內(nèi)，光伏陣列建成的時(shí)間越長(zhǎng)，區(qū)域的有植被土地的面積會(huì)越大。在騰格里沙漠南沿的光伏基地植被分布的穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)印證了這一趨勢(shì)。規(guī)?；夥卦谥参锷L(zhǎng)季普遍出現(xiàn)的“光伏熱島效應(yīng)”［26］，會(huì)造成局部空氣濕度降低和蒸發(fā)增加，這可能是光伏陣列中間地帶的植被比較稀疏的重要影響因素。在同一基地內(nèi)尚未安裝光伏陣列的成片空地上，上述生態(tài)機(jī)制無法形成，缺乏植被發(fā)育所需的溫濕度環(huán)境，因此維持了裸露沙地不變的狀態(tài)。

3.2“碳中和”下西北荒漠區(qū)太陽能利用需求及其對(duì)植被面積擴(kuò)張潛力的影響

西北荒漠區(qū)豐富的太陽能資源遠(yuǎn)超過我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”所需的發(fā)電需求。在總面積上，光伏基地建設(shè)不能根本改變西北荒漠區(qū)的土地類型和景觀格局，光伏基地內(nèi)的植被發(fā)育僅可在局部地區(qū)促進(jìn)荒漠土地的有植被土地面積增加。根據(jù)前文所述不同機(jī)構(gòu)或?qū)W者對(duì)“碳中和”下到2060年我國(guó)發(fā)電量需求的預(yù)測(cè)，本文測(cè)算即使全部非化石能源所占94%左右的發(fā)電量都由西北荒漠區(qū)光伏基地生產(chǎn)，其占地面積也不超過圖5藍(lán)色區(qū)總荒漠面積的18%，而最可能的情景下光伏發(fā)電占地比例則不超過2.5%。因此在荒漠區(qū)為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳中和”目標(biāo)而建設(shè)光伏基地，所產(chǎn)生的植被擴(kuò)張面積潛力十分有限。但在我國(guó)特高壓輸電技術(shù)［27-28］支撐下，通過全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)［29］，我國(guó)未來可能成為國(guó)際和洲際清潔能源輸出國(guó)。西北大面積荒漠區(qū)的太陽能資源的利用潛力可得到進(jìn)一步開發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)植被覆蓋面積的擴(kuò)張。

3.3不確定性分析

本文基于遙感觀測(cè)和文獻(xiàn)調(diào)研的分析研究結(jié)果均存在較大的不確定性。首先，Landsat衛(wèi)星雖然在時(shí)間序列和波譜信息方面具有連續(xù)性強(qiáng)、可比度高等優(yōu)勢(shì)。但是空間分辨率為30 m的遙感圖像無法將光伏板與地面土壤和植物分開，不能識(shí)別被遮擋部分的植被面積，加之陰影等因素的影響，本文NDVI植被指數(shù)的分析可能出現(xiàn)偏差。荒漠區(qū)的植被受短期降水事件的影響較大，多雨年份與少雨年份植被生長(zhǎng)狀況和分布面積相差很大。其次，受云層、氣溶膠等因素的影響，不同年份具有相近時(shí)相的有效數(shù)據(jù)有限，因此圖2所示的NDVI指數(shù)雖能體現(xiàn)光伏基地內(nèi)有植被土地面積增長(zhǎng)的相對(duì)趨勢(shì)，但其絕對(duì)值可能存在較大不確定性。第三，圖4所示的光伏陣列對(duì)植被生長(zhǎng)的溫度和水分的影響是研究荒漠區(qū)光伏基地植被發(fā)育條件的重要支撐資料。文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果一般專注于某特定方面深入探討，但綜合能量、大氣、土壤、植物的相互反饋過程的系統(tǒng)性量化研究還相對(duì)薄弱。文獻(xiàn)報(bào)道的不同研究對(duì)象所處的環(huán)境差異顯著，不一定完全符合西北荒漠區(qū)光伏基地的植被發(fā)育規(guī)律。例如圖5中適于西北荒漠區(qū)規(guī)模化集中式光伏基地建設(shè)的絕大多數(shù)地區(qū)降水量小于125 mm，而在本文中已有監(jiān)測(cè)研究中光伏基地的年降水量一般都高于該值。因此圖4所示的光伏陣列對(duì)植物發(fā)育關(guān)鍵因素的影響程度和生態(tài)效應(yīng)隨降水量的遞減如何變化尚存在一定的不確定性。第四，光伏基地植被的生物多樣性與人工播種等人為調(diào)控因素有較大關(guān)系，對(duì)后續(xù)植被演替規(guī)律［30］的影響也存在較大不確定性。

3.4進(jìn)一步研究方向

在光伏基地建設(shè)驅(qū)動(dòng)下，下墊面微觀環(huán)境的改變可使植被由無到有，促進(jìn)荒漠土地中植被的發(fā)育，為草地科學(xué)研究提供了一個(gè)新場(chǎng)所。建議未來加強(qiáng)如下幾方面的研究。第一，開展衛(wèi)星遙感、無人機(jī)高精度遙感和地面固定樣方的長(zhǎng)期集成監(jiān)測(cè)研究，提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的精度和可靠性。第二，加強(qiáng)植被發(fā)育機(jī)制的地面觀測(cè)，開展典型樣方的對(duì)比試驗(yàn)，尤其是增加極端干旱荒漠環(huán)境中光伏基地內(nèi)的植被發(fā)展過程的觀測(cè)和控制試驗(yàn)，有助于提升對(duì)草類植被發(fā)育規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。第三，開展荒漠區(qū)不同植被的生態(tài)閾值研究和量化，包括植被生長(zhǎng)的光照、溫度、水分等生態(tài)要素的上限值、最優(yōu)值和下限值。這對(duì)于研究荒漠區(qū)不同環(huán)境下植被發(fā)育的敏感性、不同氣候帶植被類型和生物多樣性、植物種群結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、以及不同種類植物發(fā)育的最大地理范圍等方面都有重要的科學(xué)意義。第四，加強(qiáng)植被對(duì)光伏基地內(nèi)微環(huán)境的反饋機(jī)制研究，例如沙漠植物的發(fā)達(dá)根系可將深層土壤水分快速運(yùn)送到地面，通過蒸騰作用直接參與大氣—土壤水分交換。這些反饋機(jī)制可在多大程度增加微環(huán)境的空氣濕度，影響當(dāng)?shù)氐乃Y源平衡尚缺乏定量研究，開展實(shí)地監(jiān)測(cè)與機(jī)理模型相結(jié)合的研究有助于回答此類科學(xué)問題。第五，如何加強(qiáng)光伏基地水資源的可持續(xù)性利用也是需要重點(diǎn)關(guān)注的研究領(lǐng)域。根據(jù)朱長(zhǎng)海提出的光伏基地用水量測(cè)算方法［10］，計(jì)算得出光伏基地的地下水消耗量不足9 mm，僅為寧夏中位年降水量（約180 mm）的5%，但隨著從東南向西北方向降水量的遞減，地下水用量與降水的比率會(huì)逐步增加。實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡是光伏基地長(zhǎng)期運(yùn)行重要條件，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)地下水資源可持續(xù)利用的科學(xué)評(píng)估和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，科學(xué)設(shè)置水資源安全開采紅線，合理規(guī)劃綠化用水上限，降低因水資源過度使用而導(dǎo)致系統(tǒng)無法長(zhǎng)期運(yùn)維的風(fēng)險(xiǎn)。最后，由于環(huán)境溫濕度的地帶性差異，不同經(jīng)緯度分布光伏基地的生態(tài)閾值和植物發(fā)育的極限分布、群落演替穩(wěn)定后的最大覆蓋度和生物量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、生物多樣性變化趨勢(shì)、生物量的畜牧養(yǎng)殖潛力等會(huì)在空間上呈現(xiàn)多大差異，目前還缺乏充分認(rèn)識(shí)。因而建議加強(qiáng)對(duì)能源技術(shù)、水資源、植物生態(tài)等跨科學(xué)交叉研究，為我國(guó)未來深度開發(fā)利用西北荒漠區(qū)土地和能量資源做好科學(xué)和技術(shù)儲(chǔ)備。

4結(jié)論

綜上，本文通過對(duì)寧夏中衛(wèi)市光伏產(chǎn)業(yè)園的遙感土地分類、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景分析、光伏結(jié)構(gòu)的生態(tài)效應(yīng)歸納，以及我國(guó)未來“碳中和”光伏發(fā)電需求情景評(píng)估等研究，得到如下兩個(gè)較為確定的結(jié)論：西北荒漠區(qū)光伏基地的下墊面結(jié)構(gòu)變化可以改善生態(tài)因子、促進(jìn)沙地植物從無到有的發(fā)展；滿足我國(guó)“碳中和”戰(zhàn)略下光伏發(fā)電需求的集中式光伏基地的用地需求量占總可供荒漠土地面積的比例很小，雖不足以改變西北荒漠化區(qū)域的生態(tài)格局，但為荒漠植被發(fā)育機(jī)制等研究提供了新場(chǎng)所。

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（責(zé)任編輯 閔芝智）