《Land Use Policy》：Rethinking and reconciling the land–energy conflicts from centralized photovoltaics in China
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集中式光伏电站的土地占用引发生态与经济权衡，通过构建空间显式评估框架分析367个城市，揭示草场和裸地占主导但耕地损失严重，提出30%土地优化和风光互补可减少90%以上用地。
宁 张 | 泽国 杨 | 洪洲 王 | 华波 段 | 建宽 杨
济南大学力学与建筑工程学院，中国广州 510632
摘要
随着全球加速低碳转型，集中式太阳能光伏（PV）的迅速扩张引发了人们对土地使用竞争和环境权衡的广泛关注。本文构建了一个空间明确的评估框架，以量化光伏土地占用对中国31个省367个城市的生态和经济影响。我们将高分辨率的光伏基础设施地图与基线土地使用分类以及特定地区的土地生产力、经济产出和陆地碳封存指标相结合。该综合数据集用于估算土地占用、食物损失和陆地碳汇的减少，并设计城市级的空间优化和风能-太阳能替代方案，从而实现全面评估。到2020年，集中式光伏设施占用了1910±116平方公里的土地，预计到2060年这一面积将超过30,000平方公里。虽然草地和荒地占最大面积，但耕地仅占总土地的22%，但由于其高生物量生产力，却导致了大部分农业和碳汇损失。此外，研究还发现了普遍存在的土地价值不匹配现象，即许多城市将最具经济价值的土地用于光伏建设。城市级的空间优化方案表明，将30%的光伏设施迁移到低价值土地上可以减少一半的食物和碳汇损失；在选定的城市中，用陆上和海上风电替代光伏可能使土地使用量减少90%以上。这些发现强调了在太阳能选址和国家脱碳规划中整合生态和经济价值的必要性。
引言
太阳能光伏（PV）已成为全球能源转型的基石，为化石燃料提供了一种可扩展且低碳的替代方案（Nijsse等人，2023年）。近年来，中国已成为全球太阳能扩张的最大推动者，占全球新增太阳能装机容量的50%以上（Hemetsberger等人，2024年）。受雄心勃勃的脱碳目标驱动，中国的光伏装机容量预计到2060年将超过4太瓦，这对全国的土地系统具有重大影响（Bai等人，2024年）。与屋顶系统不同，集中式光伏设施通常需要较大的土地面积，这些区域往往与生态生产力或经济价值较高的地区重叠（Joshi等人，2021年；Khan等人，2024年；Rehbein等人，2020年）。尽管集中式光伏的扩张减少了了对化石燃料的依赖，但它也可能无意中取代了重要的土地资源，如耕地和自然碳汇，引发了潜在的环境和社会经济权衡问题（Mongird等人，2025年）。
在理解光伏相关土地使用影响方面取得了显著进展，特别是通过利用遥感和高分辨率地图进行空间明确分析（Diffendorfer等人，2024年；Hernandez等人，2015年；Hoffacker等人，2017年）。这些研究量化了公用事业规模光伏的土地足迹，确定了主要的土地类型（如耕地、草地和灌木丛），并考察了区域到国家层面的土地覆盖变化、生态系统服务和生物多样性变化（Gómez-Catasús等人，2024年；Hernandez等人，2014年；Hoffacker等人，2017年）。最近的研究通过整合农业分区数据、作物产量基线和土地覆盖趋势，提高了土地占用估算的精度，从而能够更准确地评估包括中国在内的快速扩张的太阳能地区的土地-能源-食物相互作用（Li等人，2023年；Xia等人，2024年）。此外，全球和国家层面的情景模型越来越多地考虑了与光伏部署相关的粮食安全影响，主要关注耕地转换和农业生产力（Diffendorfer等人，2024年；Li等人，2023年）。
然而，尽管取得了这些进展，现有的评估在几个关键方面仍存在局限性。最显著的是，集中式光伏部署的研究主要集中在耕地影响上，忽视了其他具有生产力的或生态敏感的土地类型，如草地、森林和湿地（Adeh等人，2019年；Goldberg，2023年；van de Ven等人，2021年）。例如，在中国，耕地仅占总光伏土地占用的大约40%（Zhang等人，2023年），但由于其高生产力和生物量密度，它对生态和经济损失的贡献却不成比例（Y. Song等人，2024年）。此外，当前的方法通常将土地资源视为同质的约束，而不是具有不同生态功能和经济价值的区域差异资产（Van Meijl等人，2006年）。缺乏整合土地生产力和陆地碳封存指标的全面评估，阻碍了对太阳能基础设施部署所涉及的机会成本和空间权衡的深入理解。
为了解决这些不足，本研究对中国大陆367个城市的集中式光伏部署相关的土地使用影响进行了全国性评估，这些城市占全国公用事业规模光伏安装总量的90%以上。利用高分辨率遥感数据和基线土地使用分类，我们进行了空间分析，以确定光伏引起的土地转换的范围和组成。为了评估这种土地转换的更广泛影响，我们构建了一个地理空间权衡评估框架，该框架将特定地区的土地生产力和陆地碳封存潜力指标纳入考虑。该框架通过结合土地占用模式与生态和经济评估指标来量化机会成本。此外，我们还模拟了结合风能-太阳能互补性的土地优化方案，估计在特定区域空间约束下，用陆上和海上风电替代光伏发展所能节省的土地。这些分析旨在为国家和区域层面的更高效和生态协调的土地-能源规划提供依据。
在引言之后，“方法和材料”部分描述了高分辨率光伏基础设施数据集的编制、基线土地使用分类、特定地区的土地生产力、经济产出和陆地碳封存指标的收集，以及空间评估框架和风能替代方案的构建。“结果与讨论”部分则展示了光伏土地占用的空间模式、相关的农业生产损失和陆地碳汇损失、光伏选址与潜在经济价值之间的土地价值不匹配、在国家部署目标下的未来土地需求，以及协调风能-太阳能部署的节地潜力。最后，“结论”部分总结了主要发现，强调了它们对中国及其他快速脱碳国家的土地使用政策和土地意识能源规划的影响，并提出了将土地约束纳入可再生能源战略和空间规划的方向。
部分摘录
遥感数据收集与处理
我们编制了空间数据集，以评估中国各地集中式光伏设施的分布及其与主要土地类型的交集。使用高分辨率遥感数据集确定了公用事业规模光伏的位置和足迹，该数据集提供了截至2020年的地面安装光伏阵列的多边形表示（Quanlong等人，2022年）。该数据集的空间分辨率为10米，能够精确绘制城市和省级的光伏土地占用图。
土地占用分析与预测
光伏设施与土地使用类型的空间叠加使得可以量化不同土地类型和行政区域内的土地占用情况。对于每个城市，根据光伏阵列与分类土地表面的交集范围，计算了受光伏部署影响的每种土地类型的面积。在 prefecture 和省级层面生成了汇总统计数据。
为了评估光伏选址的空间效率，我们计算了平均土地面积
2020年的光伏土地足迹
截至2020年，集中式光伏电站在中国大陆338个配备此类设施的城市中占用了大约1910±116平方公里的土地（见图1a）。光伏设施的空间分布非常不均匀。西北部省份，特别是新疆、青海和内蒙古，占全国光伏土地足迹的46%，这得益于丰富的土地和太阳能资源、电网接入以及支持性的省级政策。相比之下，中南地区结论
本研究的结果提供了集中式太阳能光伏部署与中国土地系统相互作用的空间明确图景。分析显示，相对较小但快速增长的光伏足迹集中在有限的几种土地类型上，其中草地和荒地占主导地位，而耕地虽然所占面积较小，但却承担了大部分与食物生产和陆地碳封存相关的损失。
CRediT作者贡献声明
华波 段：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。建宽 杨：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。宁 张：撰写——初稿、可视化、资源准备、方法论、正式分析、数据管理、概念化。泽国 杨：软件开发、方法论、正式分析、数据管理。洪洲 王：撰写——审稿与编辑、验证、资源准备、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2018YFB1502804）的财政支持。
