题 目: Balancing photovoltaic development and cropland protection: Assessing agrivoltaic potential in China
期 刊: Sustainable Production and
Consumption
![]()
图1. 论文首页
近日，南京大学杜培军教授课题组通过结合中国光伏电站与历史作物产量空间分布等多源地理数据，评估了光伏发展对农业生产的影响以及推行农光互补后的作物生产潜力。该研究基于最新的荟萃分析，考虑了半密度和全密度两种固定倾斜光伏安装场景，估算了不同场景下的遮荫水平与作物产量。本研究为制定与实施农光互补和光伏电站空间规划相关的政策和最佳实践提供了宝贵的见解，从而引导中国能源生产和农业生产可持续共存。研究成果以“Balancing photovoltaic development and cropland protection:
Assessing agrivoltaic potential in China”为题，发表在期刊《Sustainable
Production and Consumption》(IF:10.9)上，论文第一作者为博士生夏子龙，通讯作者为郭山川博士，主要合作者还有美国斯坦福大学李英杰博士后、上海交通大学陈睿山教授、香港浸会大学郭美瑜教授等。
公用事业规模的光伏电站扩张导致能源生产和农业生产之间土地资源的冲突日益加剧。光伏电站的快速扩张导致大量土地被占用，其中农田是中国光伏电站占用的最普遍的土地类型。将光伏系统与农作物生产相结合的农光互补已成为缓解土地使用冲突的有效解决方案。这项研究将光伏电站分布空间数据与农业生产力数据相结合，以评估中国光伏扩张对农田的影响，并估算农光互补下六种主要作物的产量潜力。研究选择了中国作为研究区域。中国是新增和累计装机量最大的国家，计划到 2030 年实现风电和太阳能发电总装机容量超过1,200GW。本研究结合农业数据和光伏电站的空间分布数据，评估光伏发展对农业生产的影响。利用最新的荟萃分析，针对不同的光伏安装配置，研究了三种遮荫情景下的作物生产潜力。（1）截至2020年，中国光伏电站的部署已占用了约911 km²的农田（图1a）。从空间分布来看，这些被占用的农田大部分集中在华北平原。其中，山东省受影响最大，占用农田面积达103 km²，其次是安徽（88 km²）和江苏（82 km²）。此外，大多数省份农田占用面积与光伏电站面积之间呈线性关系（图1b）。平均而言，每部署1 km²的光伏电站，约占用0.61 km²的农田。而在北京、重庆、湖北和贵州等地，光伏电站占用农田的比例更高，超过80%的光伏电站面积占用了农田。相反，在中国西北部的几个省份，与光伏电站广阔的占地面积相比，占用的农田面积要小得多。除内蒙古外，这些省份的光伏电站占用农田面积不到总面积的 4%。图 1c 展示了光伏电站扩张对各种作物种植面积和相应产量的影响。按受影响的种植面积排序，受影响最大的作物是蔬菜（183 km²）、玉米（143 km²）和小麦（115 km²）。在受影响的作物产量方面，蔬菜居首位（4.1 × 105 吨），其次是水稻（9.7 × 104 t）和玉米（8.0 × 104 t）。图1. 中国光伏电站占用农田面积的空间分布 (a)；各省光伏电站面积与占用农田面积的关系 (拟合线是由标记为绿色的省份拟合的) (b)；受光伏电站部署影响的各种作物的农田面积和相应产量 (c)（2）根据光伏发电潜力和作物生产潜力数据集，对已占用农田的能源开发和作物生产潜力进行了评估。在全国范围内，已占用农田的平均作物产量潜力和光伏发电潜力（日均发电量）分别为 503 t/km²和 3.46 kWh/kWp。由于自然资源禀赋的地区差异，已占用农田的作物产量潜力和光伏发电潜力存在显著的空间异质性。作物产量潜力较高的农田主要集中在黄淮海平原。湖北占用农田的作物产量潜力最大（678 t/km²），其次是山东（646 t/km²）和河南（631 t/km²）。就占用农田的光伏发电潜力而言，北方省份超过了南方省份。内蒙古的农田光伏发电潜力最大（4.66 kWh/kWp），其次是黑龙江（4.47 kWh/kWp）和宁夏（4.39 kWh/kWp）。图2. 占用农田作物产量潜力和光伏发电潜力的空间分布格局 (a) 与分省统计 (b)。
（3）以无光伏情景为基线，我们分析了在半密度和全密度光伏系统情景下，中国及其九个农业区实施农业光伏后的作物产量损失和种植模式变化。在无光伏情景下，由于只考虑六种主要作物类型并关注农业收益，911 km²已占用农田中有 795 km²被开垦，其余农田因农业收益为负而被剔除。这些农田的产量为 8.3×105 t（图 7）。水稻是主要作物（46%），其次是花生（19%）和玉米（14%）。安装光伏系统后，光伏板造成的遮阳减少了植物可利用的太阳辐射，导致产量下降，种植面积减少。在半密度光伏系统情景下，与无光伏系统情景相比，种植面积将减少 26%，达到 585 km²，产量和利润分别减少 45% 和 60%。与无光伏情景相比，在利润最大化目标下种植的作物构成发生了变化，因为遮荫导致不同作物的产量和收益发生了变化。水稻种植比例增加，从 46% 增加到 56%，小麦种植比例从 10% 增加到 18%。相反，花生和玉米的种植比例均下降了 9-10%。小麦取代玉米成为第二高产作物，油菜籽取代花生成为第二大作物收入来源。然而，在全密度光伏系统的情况下，种植面积和产量都大幅减少。种植面积减少了 83%，降至 139 km²，产量骤降 91%，作物利润减少 96%。与此同时，水稻、花生和玉米的种植比例分别下降了 23%、14% 和 7%。相反，小麦和油菜籽的种植比例分别增加了 17% 和 27%。小麦取代花生成为种植面积第二大的作物，并超过玉米成为产量第二高的作物。油菜籽取代水稻成为作物收入的主要来源。
![]()
图3. 中国九个农业区占用农田面积 (a); (a)中插图为无光伏、半密度光伏系统和全密度光伏系统三种情景下九个农业区农田面积及种植模式。(b)为无光伏、半密度光伏系统 (HD) 和全密度光伏系统 (FD) 三种情景下可种植农田面积、产量和利润。
近年来，光伏电站的快速扩张已开始侵占大量农田，危及粮食安全。本研究通过研究占用农田的空间分布和作物偏好，分析了光伏扩张对农业的影响。此外，我们使用不同作物类型的产量随遮荫变化的连续函数，评估了光伏电站部署引起不同遮光条件下的作物产量潜力。结果表明，到 2020 年，约有 911 km²的农田已被改造成光伏电站，主要集中在华北平原。就种植面积而言，蔬菜、玉米和小麦是受影响最严重的三种作物。占用农田的作物产量潜力和光伏发电潜力在空间上存在相当大的差异。在全国范围内，大多数地区的光伏电站都部署在生产力较低的农田中。在全密度和半密度光伏系统情景下，在被占用的农田上实施农业光伏发电可实现相当于无光伏情景下产量的 9% 和 55% 的作物产量。在光伏电站占用的农田上种植作物有可能成为缓解粮食生产和能源生产之间权衡的可行解决方案，在北方农业地区尤其有前景。我们的分析有助于更好地了解光伏发展对农业的当前影响，并帮助政策制定者和利益相关者找到能源和粮食生产之间的协同效益。
Xia, Z., Li, Y., Guo, S., et al. (2024). Balancing photovoltaic development and cropland protection: Assessing agrivoltaic potential in China, Sustainable Production and Consumption [J], 2024, 50. 全文链接：https://doi.org/10.1016/j.spc.2024.08.001
