编辑推荐：
本文聚焦美国农田太阳能发展，评估将部分玉米乙醇用地转为生态光伏（ecovoltaics）设施的影响。研究发现，这不仅能提升能源生产土地利用效率，增强生态系统服务，还可促进景观多样化，为可持续能源转型提供新方向。
太阳能在农田发展引发的争议
太阳能光伏发电（PV）在美国农村社区的扩张引发了诸多争议。从表面上看，利用农田建设能源基础设施与联合国可持续发展目标相悖，可能威胁粮食安全，导致农业岗位流失，并且在敏感自然生态系统中单独使用土地进行光伏开发，已被证实存在负面环境影响。然而，农业与光伏能源共置（agrivoltaics）或生态光伏等替代发展方式，有望通过经济和环境效益缓解土地利用紧张局势。
玉米乙醇发展现状及问题
美国约有 1200 万公顷农田用于种植玉米生产乙醇，主要集中在中西部地区。自 1990 年《清洁空气法》修正案通过，以及 2005 年《能源政策法案》和 2007 年《能源独立与安全法案》实施后，乙醇生产和消费迅速增长。2022 年乙醇产量达 153 亿加仑，相比 1981 年增长显著，用于乙醇生产的玉米量也大幅增加。
但玉米种植面积的扩张带来了一系列生态问题。它导致原生草原生态系统转变和作物景观同质化，减少了原生植被，进而使生物多样性枯竭，影响了人类赖以生存的生态系统服务，如水质、土壤稳定和碳固存等。常规玉米生产管理策略，像土壤耕作、过度使用化肥和水、大量使用农药等，也对自然资源造成负面影响，改变生态系统过程。在温室气体（GHG）排放方面，玉米乙醇能否实现净零排放存疑，乐观估计其相比汽油仅减少 43% 的 GHG 排放，而一些分析指出，考虑土地利用变化对碳固存的影响，玉米乙醇的碳强度可能比汽油高 24%。此外，玉米生产对水和肥料需求大，生产过程也会产生大量排放，同时还会造成土壤侵蚀、水质下降和景观同质化，增加了对气候变化的脆弱性。
生态光伏太阳能的优势
与大面积的玉米单一栽培不同，太阳能设施可设计和管理为恢复多年生植被，提供关键生态系统服务。在能源生产方面，按能量等效计算，太阳能光伏产生与玉米乙醇相同能量所需的土地面积仅为其 3.2% 。而且，太阳能还可与风能耦合，这种联合开发能提高间歇性可再生能源系统的可靠性，降低输电基础设施相关的财务风险，进一步提升农田能源生产的土地利用效率。
研究方法
- 玉米土地覆盖频率分析：研究人员对美国农业部农田数据层（CDL）2008 - 2023 年 30 米分辨率的数据集进行时间序列分析，确定玉米土地覆盖频率。将 CDL 数据重新分类为玉米和非玉米两类，定义了可能用于乙醇生产的玉米种植类型，生成每年的二进制栅格并合并成堆栈，应用多数滤波器和平滑处理，去除小于 2 公顷的斑块，最终得到连续四年或更长时间种植玉米的农业用地数据。
- 玉米乙醇与潜在太阳能发展关系分析：在确定玉米土地利用频率空间分布的基础上，进行空间分析。选取距离乙醇精炼厂 100 英里（160km）以内且连续种植玉米 4 年以上的土地，获取乙醇精炼厂位置和生产能力信息，设定玉米土地覆盖频率的最大缓冲距离。同时，以输电线路为中心设置 3.2km 的缓冲区，作为潜在公用事业规模太阳能设施的互联阈值。提取同时满足这两个缓冲区条件的玉米土地利用频率数据，得到适合太阳能基础设施建设的区域数据集。
- 太阳能替代玉米乙醇的土地利用效率评估：为估算公用事业规模太阳能（≥1MW）匹配和替代 2022 年玉米乙醇发电潜力所需的土地面积，研究人员利用了多个与玉米、乙醇生产和公用事业规模太阳能相关的数据集。先根据玉米和乙醇的产量数据，计算出 2022 年用于乙醇生产的玉米种植面积，将乙醇产量转换为英热单位（Btu），再换算成电量（MWh）。通过平均容量因子和中位数功率密度，计算出产生相同电量所需的太阳能总容量和土地面积。
生态光伏太阳能转型的效益
- 能源转型效益显著：研究发现，大量连续多年高频种植玉米且靠近乙醇精炼厂的土地，也靠近现有输电基础设施，主要集中在美国中西部地区。将约 39.1 万公顷的这类土地转换为太阳能设施，可产生与目前玉米乙醇每年生产的等量能源，使美国公用事业规模太阳能能源的份额从 3.9% 提高到 13% 。如果将目前用于玉米乙醇生产的 46% 土地转换为太阳能，可产生足够的能源，满足美国 2050 年脱碳目标的 100% 。伊利诺伊州、明尼苏达州、堪萨斯州、得克萨斯州和内布拉斯加州等州，有大量土地可将太阳能与现有风能设施共置，对国家脱碳目标有显著贡献。
- 生态系统服务与景观多样性提升：许多研究表明，利用太阳能设施进行栖息地增强，可改善生态系统服务，为野生动物提供食物和栖息地。通过空间分析，研究人员确定了密西西比河系统中多个因农业化肥导致氮和磷运输量处于 95 百分位的区域，这些区域玉米种植密度高且很可能用于乙醇生产。在这些地方，太阳能与多年生植被结合，可减少高达 85% 的养分径流，减少氮和磷的施用，降低养分渗入地下水的风险，减轻对下游流域和沿海生态系统的影响。同时，将多年生植被整合到单一年度作物种植系统中，可提供栖息地和资源岛，改善农业和生态重要动植物的生物多样性。太阳能设施还可能改变微气候，延长生长季节，影响多营养级过程，促进景观多样化，进而提高农业产量、稳定性和恢复力。
- 助力可持续农业发展：生态光伏的一个关键原则是避免在原始和敏感的原生生态系统中进行太阳能开发。尽管目前将太阳能发展限制在退化景观和建筑环境中存在困难，但在农田采用生态光伏方法，有望促进生态系统服务提升，实现土地利用协同效应。鉴于美国玉米乙醇的生产和消费趋势，将 3.2% 的玉米乙醇用地转换为太阳能，对国内生物燃料市场影响较小，有助于逐步实现能源矩阵多样化。太阳能发电还能减轻经济负担，促进农田多样化。生态光伏太阳能与精准施肥、灌溉、覆盖作物种植、少耕和免耕等管理实践相结合，为实现更可持续的农业生态系统提供了途径。随着可再生能源在农田的转型发展，评估生态权衡和协同效应，有助于实现可持续土地管理。在美国中西部地区，利用现有技术在公用事业规模太阳能设施中恢复多年生植物主导的生态系统已取得成功，为能源转型提供了现实可行的解决方案，也为全球类似的战略土地利用变化提供了参考。
