湿润亚热带农业光伏放牧系统微区太阳能光伏格局的微气候、植被与土壤响应

《Earth's Future》：Microclimate, Vegetation, and Soil Response to Micro-Zonal Solar Photovoltaic Patterning in a Humid Sub-Tropical Agrivoltaic Grazing System

　　

农业光伏放牧系统，即将太阳能光伏（PV）发电与牲畜放牧相结合，是美国及世界许多地区最常见的多用途太阳能利用形式。然而，对于在这些新型生态系统中将PV与放牧结合所产生的生态影响，目前认识仍存在显著空白。为弥补这一空白，研究人员呈现了一项位于美国东南部的、表征PV基础设施与土地管理（绵羊放牧和刈割）交互作用的研究前2年数据。研究人员观察到，在该湿润亚热带气候区特有的微区之间，太阳辐射和降水呈现空间与时间格局；并发现PV组件在所有微区中均维持了高于无PV情形下的土壤水分，且在较干旱时期差异更显著。尽管微气候条件存在显著格局，研究人员未发现任一微区之间或阵列内管理处理之间的地上初级生产力存在显著差异。建设3年后，研究人员未检测到各微区之间土壤碳储量存在显著差异。

研究背景与问题：全球能源系统脱碳推动太阳能光伏（PV）快速部署，但PV土地足迹较大，可能与农业用地产生竞争。农业光伏放牧系统（agrivoltaic grazing system，将PV发电与牲畜放牧结合）被视为提高土地利用效率并可能改善食物—能源—水关系的重要方式，尤其在美国，放牧型农业光伏项目占已编目项目土地面积的近四分之三。然而，该类系统中PV与放牧叠加的分层生态影响缺乏田间数据，尤其是PV组件形成的微区（micro-zone，由组件几何与跟踪方式形成的空间单元）如何改变微气候、植被与土壤，仍不清楚。研究人员因此在美国东南部湿润亚热带公用事业规模农业光伏放牧系统中开展研究，旨在表征微气候格局，评估植物与土壤响应，并比较刈割PV、绵羊放牧农业光伏（AV）及传统放牧牧场（no-PV comparative site，无光伏比较样地）的生态动态。研究假设PV组件及阵列几何导致的微气候变化将引起生物量生产力的微区差异，并进一步转化为土壤碳储量的微区差异。该研究规模较大、每处理约12 ha，且为美国东南部湿润亚热带首个同类研究，对理解不同气候区农业光伏生态效应具有重要意义。

关键技术方法（不超过250字）：研究地点为美国佐治亚州Early County的Bancroft Station（102.5 MW_ac单轴跟踪公用事业规模PV阵列）及约11 km外White Oak Pastures无光伏比较牧场，时间为2023年4月至2025年4月。阵列内设AV（绵羊放牧+PV）与PV（刈割）处理各约12 ha，各9个5.5×14 m样地，沿垂直组件行样线划分U、B、E、W四微区；3个样地/处理布设TEROS 11土壤水分温度传感器（10–30 cm三深度，共81个），PV单样地布设ATMOS 41气象站，微气候每3–10 s采样并以15 min输出；植被于每次管理前后用0.25 m²样方收获并烘干灰化；土壤于2023年4月采0–10、10–30 cm，2024年4月采30–50 cm，共n=192，测总碳氮与根生物量；用R线性混合效应模型及emmeans事后比较。

研究结果：3.1 微气候：通过连续微气候监测与混合效应模型，研究人员发现PV组件显著改变太阳辐射和降水的数量与时序。所有微区太阳辐射低于全日照，E上午受光、下午遮阴，W相反，B最高达夏季全日照的67%，U最低为17%–22%；冬季各微区累积太阳能量更接近，2023–2024冬季滴水边缘（drip-edge）高于B。降水被组件截留并再分配，E和W有效降水高于B；U仅接收142 mm，比B少近90%；E Stow年有效降水1736 mm，比B的1131 mm约高50%。土壤温度方面，生长季U和滴水边缘显著低于B和no-PV至30 cm，U最低；B无冷却效应，第二年略高于no-PV但不显著；冬季阵列内略高但不显著。土壤水分方面，E在多数季节和深度显著高于其他微区；阵列内各微区均高于no-PV，但不总显著；深层差异更大，干旱期差异最明显，当no-PV 10 cm土壤水分＜20%时，no-PV比E低31%–34%、比U低20%–27%；湿润时分别低13%–15%和6%–8%。3.2 植被：通过生长季地上净初级生产力（ANPP）求和及管理前后样方采样，AV中B两年ANPP最高，滴水边缘略低，U最低；PV年际格局不一致。微区对ANPP无显著影响（p=0.224），PV较AV略低但不显著（p=0.152），2024年ANPP显著高于2023年（p=0.048），自然变异约占70%。枯落物在U最高，2023年AV和PV中U显著高于B，2024年仅AV显著；2023年PV在B和E显著低于AV，2024年无处理差异；U枯落物/生物量比＞1且最高，B最低，滴水边缘约1，PV比例较高但不显著。3.3 土壤：通过2023年基线土壤采样与混合模型，土壤以砂质黏壤土为主，样地间纹理有变异；各深度土壤碳储量在微区间无显著差异；阵列内B根碳较高但不显著。4 早期处理水平差异：通过按微区面积加权（E=7%、B=64%、W=7%、U=22%）聚合，AV的ANPP在2023年和2024年分别为313.5和365.6 g/m²，PV分别为285.5和267.0 g/m²；2024年夏 standing biomass在AV为180.0 g/m²、PV为184 g/m²、no-PV为170.8 g/m²，但因no-PV物种组成和管理差异未纳入统计比较。

讨论总结：5.1 微气候格局：PV组件动态改变太阳辐射和降水等驱动因子的数量与时序；E土壤水分最高，但U直接降水极少仍保持较高土壤水分，提示微区间存在显著侧向水流；水分受限期阵列内外差异更大，湿润期仍持续存在；区域气候影响降水再分配，其他干旱区研究常偏W，而本湿润亚热带系统偏E。5.2 植被对微区响应：与假设相反，ANPP无显著微区差异；U生物量通常较低但不显著，与其他研究一致；AV中B两年最高；U枯落物绝对量和相对量高，讨论指出分解较慢、土壤温度较低及CO₂通量降低可能相关。5.3 土壤对微区响应：2023年基线无微区土壤碳差异，建设仅约3年可能过短；相关研究有限且结果混合，重采样前不宜下结论；B根碳较高但不显著，或提示潜在变化方向；微气候改变与建设遗留影响难以区分。5.4 土地管理影响：处理水平AV与PV生产力无显著差异；2024年夏阵列内standing biomass与no-PV相近，但受no-PV局限影响；已有报道阵列内生物量较无模块对照降低6%–48%，气候降水可能影响，但采样设计、对照选择和地点差异使比较困难；AV与PV点采样无差异；刈割处理枯落物/生物量比较高，可能与绵羊践踏卧息、刈割碎化加速分解及刈割频率较低有关；部分研究报告土壤碳下降，但本研究中微区间及与no-PV间无差异，no-PV相似土地管理历史提示阵列建设未显著影响土壤碳。

研究结论翻译：农业光伏放牧系统依赖PV与放牧的整合，具有改善PV开发生态影响并减少农业 displacement 的显著潜力。因此，理解这些系统的结果需要表征PV组件对关键生态系统参数的影响，并理解这些影响如何与放牧牲畜的存在相互作用。本研究强调了PV组件引入的微气候异质性，强调微气候改变似乎随气候区而变化，最显著的是PV对水分动态的影响。然而，与假设相反，微气候格局并未转化为一致或显著的生物量或土壤碳格局。未来需要在长期农业光伏系统中开展研究以确认这些结果，尤其是土壤属性。比较阵列内土地管理差异的早期结果显示，刈割与放牧之间在微区到微区的ANPP上无显著差异。按处理水平平均后，AV处理在2023年和2024年的ANPP均较高，并在试验开始一年后与no-PV比较样地相似。本研究是填补农业光伏放牧系统田间研究空白的重要一步，并强调需要在广泛气候区和管理系统中收集此类数据。