优化中国县级土地利用以促进可持续光伏发展：多情景分析

《Land Use Policy》：Optimizing county-level land use for sustainable photovoltaic development in China: A multi-scenario analysis

县域光伏土地扩张与农业生态协同优化研究：提出基于土地类型分区的多目标优化-地理空间模拟框架，分析中部东部562个县的木本/农田/城镇主导型县域差异，揭示中低密度光伏（80%覆盖率）在农业和城镇复合用地中实现20.25年投资回收期的最优路径，为碳中和发展提供县域尺度土地政策工具箱。

　　
中国中部及东部地区光伏产业与土地利用协同发展研究框架及实践启示

一、研究背景与问题提出
随着"双碳"战略的深入推进，中国光伏装机容量预计将在2060年突破30亿千瓦，带来约80万平方公里土地需求。这种规模扩张与耕地红线、生态保护需求形成尖锐矛盾，特别是在黄淮海平原等粮食主产区，土地资源约束问题尤为突出。研究团队基于562个行政县的数据，创新性地构建了"类型驱动-多目标优化-空间模拟"三位一体的综合分析框架，重点解决三个核心问题：

1. 土地资源空间分异特征与光伏适配性关系
2. 复合土地利用模式下的多目标协同优化路径
3. 政策情景下土地生态经济综合效益评估体系

二、方法论创新与实践路径
研究突破传统宏观尺度分析局限，采用"县域-类型-场景"递进式研究范式：
1. 土地类型聚类分析：运用层次聚类法将研究区域划分为四大类型区
- 农田主导型（占比32.7%）：耕地面积>60%
- 林地主导型（占比28.3%）：林地面积>45%
- 城市主导型（占比18.9%）：建设用地占比>50%
- 平衡发展型（占比20.1%）：三大类用地均衡分布

2. 多目标优化模型构建：
- 采用改进型NSGA-II算法处理四维目标空间（能源产出、耕地保护、生态服务、经济效益）
- 设置碳汇保持率（>85%）、耕地红线（>95%）等刚性约束
- 引入"土地复合利用率"指标（综合反映土地多功能利用效率）

3. 空间模拟系统开发：
- 整合PLUS模型的地块级模拟能力与CLUE-S模型的宏观驱动机制
- 建立包含12类土地要素的动态数据库（涵盖2010-2022年10年面板数据）
- 开发"光伏-农业"共生指数（PAI）量化复合利用效益

三、关键研究发现与区域差异
1. 产能优化阈值：
- 中等密度光伏（80%覆盖率）实现经济生态效益最大化
- 全生命周期成本回收期达20.25年（含政策补贴折现）

2. 区域适配特征：
- 农田主导区（如山东曹县）：适宜建设"光伏+设施农业"复合系统，单位土地收益提升67%
- 林地主导区（如江西德兴）：优先发展林光互补模式，碳汇增量达12.3tCO?e/km2·年
- 城市主导区（如江苏昆山）：建议采用屋顶光伏+产业园区分布式模式，土地需求减少43%
- 平衡发展区（如河南滑县）：需建立动态调整机制，保持三大类用地比例在30:40:30区间波动

3. 政策情景对比：
- PV强化情景（较基期多开发18.7%土地）：经济收益提升21.3%，但耕地损失达5.8%
- 低碳优先情景（严控生态红线）：单位土地碳减排强度提高37%，但经济收益下降14.2%
- 混合优化情景（PV开发强度控制在62-78%）：实现经济-生态效益帕累托最优，综合得分达89.7分（基准值100分）

四、实践应用与政策建议
研究提出"四维调控"政策体系：
1. 土地准入机制：
- 建立"负面清单+正面引导"制度（禁止类用地12项，鼓励类用地8类）
- 实施差别化光伏强度标准（农田区≤40MW/km2，林地区≤25MW/km2）

2. 空间规划优化：
- 划定"光伏优生区"（农田主导区+丘陵缓坡地带）
- 设置"生态红线缓冲带"（距核心保护区500-800米）

3. 技术集成方案：
- 推广"光伏板下作"立体农业模式（如江苏海安的"板下菜+板间林"系统）
- 开发智能运维平台（集成无人机巡检、AI缺陷诊断功能）

4. 经济激励政策：
- 实施阶梯式电价补贴（装机密度20-40MW/km2补贴0.18元/W·年）
- 建立碳汇交易联动机制（生态服务收益折算为0.15元/W）

五、学术贡献与产业启示
1. 理论创新：
- 构建县域尺度土地系统服务（LSS）评估框架
- 提出光伏土地承载力动态平衡公式：C=α·(E/S)+β·(F/L)
（C为综合承载力，E/S为能源服务产出比，F/L为食物供给率）

2. 产业应用：
- 开发土地复合利用率监测系统（精度达85%）
- 建立光伏-农业协同效益评价模型（涵盖16项核心指标）

3. 政策价值：
- 为"十四五"可再生能源发展规划提供县域实施路径
- 支撑全国统一大市场下的土地要素跨区域交易机制设计

六、研究局限与未来方向
当前研究主要聚焦经济发达的中东部地区，后续需拓展至西北荒漠化区等特殊地貌。建议在以下方向深化研究：
1. 构建土地生态系统服务价值核算体系（含GEP核算）
2. 开发基于数字孪生的动态调控系统
3. 探索光伏-农业-碳汇协同机制（如"光伏+牧草种植+碳汇交易"模式）

该研究为破解新能源发展中的土地资源约束提供了可复制的技术路径，特别是在黄淮海平原等粮食主产区，通过土地功能重组和复合利用模式创新，可实现年新增光伏装机2000万千瓦、耕地保护500万亩的协同目标，对推进国家能源战略与乡村振兴战略深度融合具有重要实践价值。