【文献分享:土地与可持续发展(五)】农业光伏共址对食物-能源-水纽带与经济安全的影响分析

在全球能源转型背景下，太阳能光伏（PV）设施在农业用地的快速扩张引发了关键矛盾：如何在实现净零碳排放目标的同时，减少对农业生产、水资源和农民经济安全的负面影响？该研究聚焦加利福尼亚中央谷地（CCV），通过量化农业光伏共址对食物生产、能源产出、水资源利用及经济收益的综合影响，探索可持续能源与农业协同发展的路径。结果表明，农业光伏共址取代了粮食生产，但增加了农民的经济安全和水的可持续性。鉴于太阳能PV在全球范围内前所未有的扩张速度，这些结果突出了对农业和太阳能PV共同选址决策的多方面结果有更深入了解的必要性。

研究通过整合遥感影像、地理信息系统（GIS）数据集及历史农业统计，构建CCV地区2008–2018年农业光伏阵列数据库，并计算了CCV在四种情况下确定的每个地面农业太阳能PV阵列的年度食物、能源和水资源（FEW）和经济价值：（1）参考，没有太阳能PV安装；（2）基线，农业太阳能PV安装与每个组件相关的适度假设分析；（3）最坏情况，PV安装对每个组件具有高负面和低正面影响；（4）最佳情况，与最坏情况相似但相反的情况。研究将基线与参考情景进行比较，以估计最可能的FEW影响和经济影响，并使用最佳和最坏情况之间的差异来估计不确定性。同时基于作物产量、热量密度及灌溉需求，计算土地转换导致的营养损失。研究使用 pvlib python 模块模拟每个太阳能光伏阵列的电力生产以及利用USGS数据与气候模型模拟灌溉节水量，还纳入净能源计量（NEM）收益、土地租赁费用及农业运营成本，评估全生命周期现金流。

研究结果：

1.CCV中的商业和公用事业规模的农业太阳能阵列

研究收集了截至2018年CCV内农业共同定位的太阳能PV装置的综合数据集，并确定了2008年至2018年期间安装的925个太阳能PV阵列。输入太阳能PV数据集的时间合成，按阵列规模分开（图2b,c）。较小的商业规模阵列大约是常见的两倍，但占公用事业规模阵列装机容量和转换土地面积的十分之一。商业规模的阵列主要是固定轴，而公用事业规模的阵列更常见的是单轴跟踪系统。2016年，两种阵列规模的安装数量也出现了显著的高峰。虽然转换作物类型存在一些空间聚类（图2a），但转换作物广泛分布在整个CCV中。

2.抵消粮食和营养生产

925个农业光伏共址阵列取代了3930公顷的农田，约占CCV有效农业用地的0.10%。在基线情景中，商业和公用事业规模的光伏阵列营养损失为分别为0.16万亿千卡和1.41万亿千卡，总计1.57万亿千卡。商业规模阵列的营养损失强度更高，被替代作物以谷物（58%）、果园（21%）和蔬菜（10%）为主。公用事业规模阵列取代了谷物（60%）、干草/牧草（16%）和蔬菜（10%）的营养价值。

3.电力生产和消耗

研究模拟了每个阵列的年发电量，并抵消了灌溉用电需求。光伏发电量可满足46.6万美国家庭25年用电需求，远超灌溉节电量。

4.用水的变化

74%的光伏阵列替代了灌溉农田，节水量为运维用水量的8倍。在一切照常的总用水量预算变化的基础上，估计该地区的农业光伏共址可以为2700万人提供饮用水或灌溉3000公顷的果园25年。58个公用事业规模阵列周边968公顷的农田休耕，推测年节水量增加1.2亿立方米。对抵消灌溉用水贡献最大的灌溉作物是商业规模设施的果园（29%）、干草/牧场（28%）和谷物（27%），以及公用事业规模设施的谷物（37%）、干草/牧场（31%）、棉花（15%）。

5.农业土地所有者的现金流

无论土地所有者如何获得补偿，相邻的农业太阳能共置比仅用于农业的基线方案更有利可图（图4）。对于商业规模的阵列，初期投资高（5.3万美元/公顷），但NEM政策下5.2年回本，通过抵消电力成本和剩余发电卖回电网的方法，净收益达12.4万美元/公顷/年，比损失的粮食收入高25倍。公用事业规模的农业太阳能土地所有者的净经济足迹比商业规模的足迹少46倍（图4b）。与商业规模的太阳能电池板相比，公用事业规模的农业太阳能土地所有者不负责安装或运维成本，只通过土地租赁和抵消运营和灌溉用水成本得到补偿，部分案例可能会亏损。

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责编：田佳懿

文字：王   芹

排版：武嘉欣

校对：朱   易