被动生态光伏：森林景观中太阳能电站通过自然演替形成的半自然生态系统

《Journal of Environmental Management》：Passive Ecovoltaics: Solar power plants as semi-natural ecosystems via spontaneous succession in forest landscapes

　　

全球向可再生能源的转型正被推动作为减缓气候变化的关键组成部分（IPCC，2023；IEA，2024）。在可再生能源技术中，太阳能光伏（PV）在IPCC第六次评估报告中被确定为电力部门实现净零排放的必要措施（IPCC，2023；IEA，2024；IRENA，2025）。事实上，2024年太阳能光伏占新增可再生能源装机容量的77%（IRENA，2025）。虽然21世纪初的部署集中在欧洲和北美，但增长中心近期已转向亚洲，这得益于技术成熟和政策支持的扩大。亚洲目前占全球新增装机容量的72%，引领着该行业的全球扩张（IRENA，2025）。 尽管有这些益处，太阳能光伏的功率密度显著低于传统火力发电（中位数：石油194.6、煤炭135.1、太阳能6.6 W m?2）（van Zalk and Behrens, 2018）。这一差异意味着需要大量土地来满足不断增长的能源需求（Palmer-Wilson et al., 2019；van de Ven et al., 2021）。光伏设施的建设可通过土地平整和地表覆盖物理性地改变栖息地（Hernandez et al., 2014），并可能通过改变土壤性质和微气候来改变现有生态系统（Armstrong et al., 2016；Gasparatos et al., 2017；Uldrijan et al., 2021；Lambert et al., 2021）。历史上，太阳能电站的选址优先考虑投资效率（Strantzali and Aravossis, 2016；Kim et al., 2021）。然而，随着装机数量的增加，人们日益担忧开发压力将在对生物多样性保护至关重要的区域加剧（Rehbein et al., 2020）。事实上，在电力需求高、人口密度高的日本和韩国的研究中，已报道在满足经济性和地形条件时，项目会在保护区内进行（Kim et al., 2021）。此外，中小型太阳能电站有在次生林和半自然草地中建设的趋势，而这些是当地生物多样性的重要栖息地（Kim et al., 2021）。在太阳能扩张正在加速的其他季风亚洲国家也预计会出现类似问题。这些趋势凸显了需要新的方法来协调光伏扩张与生物多样性保护。 为解决这些土地利用冲突，研究者提出了“生态光伏”（Ecovoltaics）的概念（T?lgyesi et al., 2023；Sturchio and Knapp, 2023）。目前，大多数太阳能电站的设计旨在最小化成本和维护并最大化能源生产，往往增加了生态系统的负担（Sturchio and Knapp, 2023）。相比之下，生态光伏基于“将生态系统服务与能源生产共同优先考虑”的原则（Sturchio and Knapp, 2023）。然而，太阳能电站内的环境是一种有别于自然栖息地的新环境。面板基础设施从根本上改变了局部微气候、光环境、水文条件和土壤性质（Pisinaras et al., 2014；Armstrong et al., 2016；Lambert et al., 2021；Sturchio et al., 2022）。面板引起的这种微尺度环境异质性在整个太阳能设施中产生了独特的环境格局（Knapp and Sturchio, 2024）。此外，这些设施在其典型的20–30年使用寿命内，在特定的管理制度下运行，例如定期割草以防止面板遮荫（Semeraro et al., 2022）。由于这些独特环境的生态影响仍在阐明之中，生态光伏设计经常依赖于源自其他栖息地的生态学知识（T?lgyesi et al., 2023；Sturchio and Knapp, 2023）。具体而言，传统的草地恢复技术——如本地物种播种和通过割草或放牧进行定期管理（T?r?k et al., 2011）——已被频繁应用。因此，欧洲和美国前农田上的许多生态光伏设施已恢复了草地，其生物多样性高于周边环境（Peschel, 2010；Montag et al., 2016；McCall et al., 2024；Walston et al., 2024；Y. Li et al., 2026）。近年来，已报道了不同形式的生态光伏，包括干旱地区的案例，利用面板引起的环境变化来恢复退化草地（Zhang et al., 2024）。 生态光伏的最佳形式取决于多种因素，包括地理背景、太阳能设施选址和文化的生态系统认知（Walston et al., 2025）。迄今为止，生态光伏实践主要侧重于旨在增强生物多样性和创造新栖息地的主动干预（T?lgyesi et al., 2023）。这一趋势可能源于在欧洲和美国，生态光伏主要被设计为集约农业区域内的“最优新型生态系统”（Hobbs et al., 2009），旨在建立作为传粉昆虫栖息地的高多样性草地（T?lgyesi et al., 2023）。在这些环境中，种子传播限制和入侵杂草的竞争经常发生（Cramer et al., 2008；T?r?k et al., 2011），使得没有主动播种就难以恢复此类多样性草地。相比之下，季风亚洲的特点是镶嵌景观，森林、水田和旱地等多种土地利用共存。在该区域，中小型太阳能电站常作为这种景观镶嵌体的组成部分被整合（Pratiwi and Juerges, 2020；Kim et al., 2021）。在这些镶嵌景观中，可以预期来自周边地区的种子传播和传粉昆虫的迁入，可能通过自然过程促进多样化草地生态系统的恢复（Prach et al., 2020）。因此，在季风亚洲，太阳能开发引发的新型生态系统可能在没有主动播种的情况下转向反映当地生态系统的“混合生态系统”，前提是满足适当条件。这种经济有效的被动方法可使光伏设施接近历史上的半自然生态系统，为该区域的生态光伏提出了一种新模式（Nakatani and Osawa, 2024）。 镶嵌景观提供多样化的栖息地并支持高生物多样性（Kadoya and Washitani, 2011；Gámez-Virués et al., 2015；Priyadarshana et al., 2024；Mayor et al., 2025）。这些镶嵌体的关键组成部分是半自然生态系统，如通过人为干扰维持的草地（Duelli and Obrist, 2003；Pereira and Daily, 2006）。这些生态系统在干扰后通过生态过程自主建立，包括种子库激活和从周边环境的传播（Jani?ová et al., 2014）。在镶嵌景观中的太阳能电站内维持半自然生态系统，不仅能使这些场地作为个体栖息地发挥作用，还能作为景观镶嵌体的组成部分为区域生物多样性做出贡献（Lambert et al., 2022）。这一概念——侧重于将电站作为栖息地特征整合而无需主动干预——可能代表了一种新的生态光伏形式，尤其适用于季风亚洲。另一方面，在电站内恢复半自然生态系统也可能对区域生物多样性构成风险，例如入侵性外来植物的扩散（Gallardo et al., 2015；Liu et al., 2023）或植物群落组成趋于简化（Seidl and Turner, 2022；Buisson et al., 2022）。为评估这种新的“被动生态光伏”模式的潜力，必须阐明镶嵌景观中太阳能电站内建立的生物群落的结构和多样性。然而，以往的大多数调查都集中在开阔景观（Armstrong et al., 2016；Uldrijan et al., 2021；Vaverková et al., 2022；Lambert et al., 2023）。因此，森林——镶嵌景观的关键组成部分——对太阳能电站生物区系的影响仍知之甚少（Lambert et al., 2022）。 因此，本研究阐明了日本一个被森林包围的太阳能电站内半自然建立植被的特征。研究人员在四种环境类型中进行了植被调查：面板下方、面板之间、开阔草地和林缘。研究人员记录了每种植被类型的物种和覆盖度，并进行了统计比较以评估植物群落结构的差异。

论文解读文章

一、研究背景与问题

全球向可再生能源的转型是减缓气候变化的关键举措，太阳能光伏（PV）被确认为电力部门实现净零排放的必要措施，2024年新增可再生能源装机容量中光伏占77%。然而，太阳能光伏的功率密度显著低于传统火力发电，意味着需要大量土地来满足能源需求。光伏设施建设可通过土地平整和地表覆盖物理性改变栖息地，并改变土壤性质和微气候，对生态系统造成影响。在季风亚洲国家，中小型太阳能电站倾向于建在次生林和半自然草地中，这些区域是当地生物多样性的重要栖息地，由此引发了土地利用冲突。

为解决这一冲突，研究者提出了“生态光伏”（Ecovoltaics）概念，其原则是“将生态系统服务与能源生产共同优先考虑”。然而，现有生态光伏实践主要集中于欧洲和美国的主动干预模式，如本地物种播种和定期割草管理，以建立高多样性草地作为传粉昆虫栖息地。这些区域常面临种子传播限制和入侵杂草竞争，缺乏主动播种难以恢复多样性草地。相比之下，季风亚洲以森林、水田、旱地共存的镶嵌景观为特征，中小型太阳能电站常作为景观镶嵌体的组成部分，来自周边环境的种子传播和传粉昆虫迁入可能促进多样化草地生态系统的自然恢复。因此，在季风亚洲，太阳能开发引发的新型生态系统可能无需主动播种即可转向反映当地生态系统的“混合生态系统”。然而，以往研究多聚焦开阔景观，森林对太阳能电站生物区系的影响仍不明确。本研究旨在阐明镶嵌景观中太阳能电站内半自然建立植被的结构与多样性，评估“被动生态光伏”模式的潜力。

二、研究内容与主要结论

研究在日本岐阜县郡上市的一个太阳能电站开展。该电站位于飞驒山脉，海拔约420至690米，被落叶阔叶林和日本柳杉人工林环绕，属温带湿润气候，年均降水量达2675.7毫米。电站于2019年7月投入运营，占地169公顷，装机容量55兆瓦，前身为高尔夫球场。2018年运营前仅在裸露土壤区域播种了商业种子混合物，运营后未使用除草剂或额外播种，仅通过每年两次人工割草管理植被。研究区域被划分为三个区域，设置了涵盖五种环境类型（林缘、面板下方靠林侧、面板下方靠草侧、面板之间、开阔草地）的样方，共调查60个1×1米样方，于2024年夏季和秋季进行两次植被调查。

研究共记录211种植物，隶属54科。禾本科（Poaceae）物种最丰富（30种），其次为菊科（Asteraceae，18种）、豆科（Fabaceae，11种）、鳞毛蕨科（Dryopteridaceae，11种）、蔷薇科（Rosaceae，11种）和蹄盖蕨科（Athyriaceae，9种）。各环境类型的优势种和特征种存在差异：开阔草地以芒（Miscanthus sinensis）为优势种；其他环境类型中柔枝莠竹（Microstegium vimineum）均保持高覆盖度。指示物种分析（ISA）识别出各环境类型的特征种，如开阔草地的芒、Lespedeza pilosa、Kummerowia stipulacea，面板下方靠林侧的Arachniodes standishii、Potentilla hebiichigo等蕨类和林下植物，林缘的Paederia foetida等。所有环境类型中，外来物种覆盖度均低于本地物种，面板下方尤为明显。

三、关键技术方法

研究采用的主要方法包括：在电站内三个相对可进入区域设置四条样带，涵盖五种环境类型（林缘、面板下方靠林侧、面板下方靠草侧、面板之间、开阔草地），共布设60个1×1米样方进行植被调查；使用Kruskal–Wallis检验比较环境类型间物种丰富度和Shannon–Wiener多样性指数的差异；采用指示物种分析（ISA）识别各环境类型的特征种；使用置换多元方差分析（PERMANOVA）检验环境类型间群落结构差异，基于Bray–Curtis相异度计算群落距离；通过非度量多维尺度分析（NMDS）可视化物种组成变化。

四、研究结果

3.1 植被组成与群落结构：共记录211种植物。禾本科物种最丰富，其次为菊科、豆科等。开阔草地中芒覆盖度高，其他环境类型中柔枝莠竹持续保持高覆盖度。各环境类型的特征种通过ISA识别。所有环境类型中外来物种覆盖度均低于本地物种，面板下方尤为突出。

3.2 植物多样性与物种组成：各环境类型间物种丰富度和Shannon–Wiener多样性指数无显著差异。PERMANOVA结果显示环境类型对物种组成差异的解释优于季节变化。开阔草地的群落组成与其他所有环境类型显著不同，与面板下方和面板之间的差异最为显著。林缘与面板之间、面板下方的群落组成无显著差异。NMDS排序显示开阔草地与面板下方区域的物种组成差异最大，林缘组成居于中间位置。

五、讨论与结论

讨论部分：研究结果表明，在镶嵌景观中的太阳能电站内，无需主动干预即可建立与草地和林缘多样性相当的植物群落。面板下方的物理环境（光照和降水截留）类似于林缘环境，通过环境过滤作用减少了喜光草地物种的建立，同时促进了林地植物的定殖。设施规模和形状对种子传播至关重要：研究场地虽大但分区狭窄复杂，距林缘最大距离约200米，处于多数种子传播模式的有效范围内。研究提出“被动生态光伏”成功的两个条件：周边环境具有充足的适应性种子供应能力，以及设施规模和形状允许种子传播至中心区域。这些条件与季风亚洲土地利用特征相符。研究也指出应警惕“漂绿”风险，在支持珍稀物种或喜光植物占主导的草地中，开发造成的生物多样性损失可能超过生态光伏的保护效益。

结论部分：本研究证明，位于森林景观中的太阳能电站内，无需人工播种即可在面板下方建立多样化植物群落，这得益于周边森林的种子传播。研究人员将这种方法称为“被动生态光伏”。这一概念提供了一种低成本策略，可在适当的选址、有利的设施配置和最少的管理措施（如每年两次割草）条件下，协同生物多样性保护与可再生能源发电。因此，被动生态光伏作为季风亚洲（一个以复杂地形和镶嵌景观为特征的区域）的可持续土地利用模式具有重要潜力。然而，必须警惕“漂绿”行为，需通过进一步研究其他类群和多样化的景观背景来界定其适用领域，并应关注与社会制度的协调和经济可行性，以制定全面的生物多样性保护策略。