绘制英国太阳能发电场的地图以进行生物多样性评估：这是一个基于卫星图像的最新、开放访问的空间数据集

《Ecological Solutions and Evidence》：Mapping UK solar farms for biodiversity assessments: An up-to-date, open-access spatial dataset derived from satellite imagery

　　摘要

太阳能光伏能源在英国正在迅速发展。一个最新、开放获取的空间数据集对于评估生态和环境影响以及指导这种清洁能源基础设施的可持续实施至关重要。为此，我们使用了可再生能源规划数据库（REPD）以及卫星和航空影像来识别并绘制英国各地的太阳能农场。太阳能农场是通过标准化方法手动数字化的，这使得我们的数据集可以应用于多个研究领域、评估和政策决策中。该数据集共包含1300个太阳能农场，是英国最新的空间评估结果。这些太阳能农场所占用的总土地面积为17,635公顷，总装机容量超过10,762兆瓦。从2011年到2024年，每兆瓦装机容量所需的平均土地面积几乎减少了一半，目前每兆瓦装机容量需要1.2公顷土地。大多数太阳能农场建在可耕地上（64.1%）和改良的草地上（30.1%）。英国太阳能农场的主要农业土地分类为3级（质量良好到中等）；然而，当前的土地分类空间分辨率无法区分3a级和3b级，而后者是衡量土地质量的关键指标。在北爱尔兰和威尔士，太阳能农场主要建在草地上，而在英格兰东部则更多地建在可耕地上。超过70%的太阳能农场周围有树篱，树篱的平均长度为118米（范围2-2874米）。这个数据集是一个一致且开放获取的资源，将有助于研究英国快速发展的太阳能产业对生态及其他方面的影响。

1 引言

生物多样性正日益受到相互关联的人类相关因素的威胁，如栖息地丧失、过度开发、污染、入侵物种和气候变化（Alvarado-Quesada等，2023年）。从化石燃料转向可再生能源被广泛认为是保护生物多样性免受气候变化不利影响的解决方案，例如减少温室气体排放、空气和水污染以及全球变暖（Jager等，2021年；Johnsson等，2019年；Wuebbles & Jain，2001年）。截至2025年，全球34.5%的电力来自可再生能源，这一比例自千禧年以来已经从大约18.4%增长（国际能源署，2023年）。可再生能源的激增主要得益于风能和光伏能，预计水电在未来的几年中将减少其份额（国际能源署，2023年）。据估计，到2050年，光伏能在全球能源市场中所占的比例将超过一半（Nijsse等，2023年）。英国的光伏能装机容量也从2010年1月的约29.9兆瓦增长到2020年12月的13,907兆瓦（表1）。然而，光伏能的增长引发了人们对潜在生态影响的担忧（如土地利用变化、土地破碎化、动物行为变化等），这被称为“绿色困境”（Dulluri & Rat，2019年；Jager等，2021年）。因此，有必要研究增加光伏能使用是否会对生态产生负面影响，这些影响可能会抵消其气候效益或加剧生物多样性的丧失。迄今为止进行的研究有限，主要集中在太阳能农场对植被、鸟类、哺乳动物和昆虫的影响，以及它们对生物多样性的支持潜力（Armstrong等，2016年；Barré等，2023年；Blaydes等，2021年；Copping等，2025年；Golawski等，2024年；Szabadi等，2023年；Tinsley等，2023年）。太阳能农场还有潜力通过英格兰新引入的生物多样性净增（BNG）法规来提供生物多样性贡献（Rampling等，2024年；Remazeilles等，2022年）。BNG是一项强制性政策，要求所有新开发项目都要通过保留、改善和创建栖息地来实现生物多样性增益（Rampling等，2024年）。尽管英国的太阳能农场数量迅速增加，但仍然缺乏一个最新、开放获取且准确的地理空间数据库来全面评估其对生物多样性的影响。Stowell等人（2020年）发布了一个空间数据集，量化了英国所有类型的光伏设施的分布情况，包括家用、屋顶安装和地面安装的系统（即太阳能农场，n=898个）。然而，这个数据集已经过时，因为目前有400个额外 的设施正在运营或建设中，而最初并未包括在他们的数据库中（DESNZ，2024b）。Blaydes等人（2025年）最近基于可再生能源规划数据库（REPD）和卫星影像发布了一个包含1088个太阳能农场的数据集。尽管这个数据集是一个有价值且非常需要的资源，但它不是开放获取的，并且遗漏了大量设施。此外，在数字化每个设施时，Blaydes等人（2025年）使用田间边界来界定设施位置，但在没有田间边界的情况下使用了太阳能电池板的边缘，这导致围绕设施的多边形定义存在模糊性，并可能引起面积计算的不一致性（Blaydes等，2025年；Fujita等，2023年；Ong等，2013年）。在这里，我们发布了英国地面安装太阳能农场最新的、公开可获取的空间数据库。鉴于关于太阳能农场生态影响的越来越多的研究，这个数据集为评估多个地点和国家范围内的生态相互作用提供了宝贵的机会。该数据库在之前的数据基础上进行了改进，提供了手工绘制并验证的多边形，这些多边形包括了电池板区域，并附带了增强的属性信息（包括土地覆盖类型），并与REPD数据库（DESNZ，2024b）连接，并遵循FAIR数据原则（Wilkinson等，2016年）。

2 材料与方法

该数据集的主要参考来源是季度更新的REPD（截至2025年1月的版本；DESNZ，2024b）。我们在Google Earth上使用卫星影像手动数字化太阳能农场，首先根据REPD数据库提供的邮政编码找到设施位置。我们仅绘制了电池板覆盖区域的多边形，而不是整个田地。在可能的情况下，我们使用了Stowell等人（2020年）的数据；然而，有523个设施（共898个）需要重新绘制或编辑以符合我们的研究协议（图1）。这些523个设施的多边形超出了电池板区域，其中大多数超出了太阳能农场田地的边界。在Google Earth或OpenStreetMaps上无法识别设施位置的情况下，我们使用了ArcGIS Online—World Imagery来定位设施位置。

3 使用说明

该数据库以两种空间格式提供：ESRI shapefile和OGC geopackage（OGC，2023）。这些格式可以在多种空间软件中查看，例如ArcGIS、QGIS、R等。属性表（表2a）包含额外的列，如土地覆盖类型、农业质量（等级1—良好到等级5—较差）和树篱数据， également以单独的csv文件形式提供（表2b）。

4 一般模式

该数据集包含1300个太阳能农场（表3），其中1265个设施的属性来自REPD数据库。REPD中没有的设施（n=35个）可能是由于2021年才修订的容量阈值、项目阶段未更新或数据错误/遗漏造成的。所有1300个设施的总土地面积为17,635公顷（中位数9.6公顷，范围0.01–98.4公顷；表3），而REPD数据库中1265个设施的总装机容量为10,762兆瓦（中位数5兆瓦，范围0.15–75兆瓦）。按国家和地区划分的太阳能农场数量、容量和土地面积如下：


按地区划分的英国太阳能农场数量、容量和土地面积：


英格兰


东米德兰兹


159


1482


2461


东部


175


2014


3378


伦敦


3


53


45


东北部


16


86


121


西北部


47


202


397


东南部


201


1817


2769


西南部


408


2845


4929


西米德兰兹


76


624


923


约克郡和亨伯


37


327


536


英格兰总计


1122


9450


15,559


北爱尔兰


19


204


262


苏格兰


36


151


214


威尔士


123


958


1600


总计


1300


10,763


17,635


按地区来看，该国西南部是光伏能源生产的主要贡献者，其次是东南部和东部地区（表3；图4）。从2017年起，太阳能农场的建设和容量趋于平稳，但自2023年以来，设施数量和装机容量再次增加（图2）。自2019年以来，用于发电的土地面积从2011年的每兆瓦2.3公顷减少到2024年的每兆瓦不到1.2公顷（图2）。


（a）2011年至2024年太阳能农场的数量。（b）每兆瓦平均土地面积（带标准误差条）。在英国，太阳能农场主要建在可耕地上，占总使用面积的64.1%。改良草地占30.1%，其他类型的草地（石灰质、酸性和中性草地）占3.1%。从地区上看，北爱尔兰和威尔士的太阳能农场更多建在改良草地上，而英格兰东部则更倾向于使用可耕地（图3）。两个主要趋势是：具有更多改良草地的地区更倾向于在其上建设太阳能农场，但这与改良草地的可用性不成比例。即使在改良草地较多的地方，通常也更倾向于使用可耕地，北爱尔兰除外（图4）。这些农场主要建在3级土地上；然而，由于缺乏关于3a级和3b级土地的数据，无法计算出“最佳且最具多功能性”（BMV）土地的面积。(c) 按地区划分的太阳能电站周围5米缓冲区内树篱的平均长度及标准误差条（北爱尔兰地区的树篱数据不可用）。图4可在图片查看器中打开（PowerPoint格式）。

图中展示了英国各地太阳能电站的分布情况，点色代表各站点的主导土地覆盖类型。底图显示了每个地区太阳能电站所占用的总面积。插图显示了英国各地区改良草地与耕地之间的比例，以及用于建设太阳能电站的改良草地与耕地之间的比例（两个轴均采用对数10刻度）。位于1:1线上方的数据点表示相对于可利用资源而言使用了更多耕地的地区。国家和地区数据来源于英国国家统计局（Office for National Statistics），依据开放政府许可协议v.3.0发布；包含OS数据 ? 皇家版权及数据库权利 [2025]。据计算，64%的太阳能电站建在3级农业用地上，其次是2级（17%）和4级（15%）土地；使用最少的土地为5级土地。与其它地区相比，英格兰东部地区使用2级农业用地的比例较高，尽管3级土地仍然是使用最多的土地类型。不过，存在的局限性包括空间数据集中缺乏3a级和3b级土地的细分分类，以及英格兰地区的空间分辨率较低。因此，很难准确估算3级土地中3a级和3b级土地所占的比例。研究表明，树篱边界对某些物种和整体生物多样性具有积极作用（Montang等，2016；Tinsley等，2023）。在英格兰、威尔士和苏格兰，超过70%的站点（共1281个）在5米缓冲区内有树篱，树篱的平均长度为118米，长度范围从2米（REPD ID: 2104）到2874米（REPD ID: 2281）不等。

**作者贡献：**
Christian Devenish提出了研究构想并设计了方法论，与Eleanor Grace Harrison和Ivin Wilfred共同完成；Ivin Wilfred负责数据收集与分析；Christian Devenish、Eleanor Grace Harrison、Mark Ashby和Ivin Wilfred共同撰写了手稿。所有作者都对初稿进行了认真修改，并最终批准了论文的发表。为了实现开放获取，作者将此论文的所有版本均采用知识共享署名（CC-BY）许可协议进行发布。

**致谢：**
感谢可再生能源规划数据库（REPD）公开提供了能源站点的位置及其他相关细节；同时感谢英国生态与水文中心（UK Centre for Ecology and Hydrology）提供的土地覆盖和树篱数据集。此外，我们也感谢Natural England发布了农业土地分类数据集，这对本研究非常重要。

**资金信息：**
本研究未获得任何外部资金支持。

**利益冲突声明：**
Mark Ashby为Moorland Association和Game & Wildlife Conservation Trust提供独立的生态咨询和证据汇总服务。

**数据可用性声明：**
本文最终形成的数据集可在OSF平台获取：https://doi.org/10.17605/OSF.IO/CF7GR。研究使用了REPD数据库的数据以及Stowell等人（2020年）的研究数据，这些数据分别可通过以下链接获取：https://www.gov.uk/government/publications/renewable-energy-planning-database-monthly-extract#full-publication-update-history 和 https://zenodo.org/records/4059881。