《Environmental and Sustainability Indicators》：Integration of Solar Energy into Indian Agriculture: A Systematic Review of Opportunities and Challenges
印度的农业部门面临着由能源-水-农业关联（energy-water-agriculture nexus）引发的持续挑战，包括地下水枯竭、能源需求上升和环境退化。作为回应，诸如Pradhan Mantri Kisan Urja Suraksha evam Utthaan Mahabhiyan (PM KUSUM)等国家政策应运而生，旨在整合太阳能以确保能源安全并实现农村生计多样化。研究人员系统性地综述了关于太阳能应用在印度农业中的有效性、可持续性成果及实施挑战的证据。研究人员采用系统综述框架与叙事综合方法，对现有关于印度农业中太阳能应用（如农业光伏（agrivoltaics, AV）、太阳能灌溉系统（solar-powered irrigation systems, SPIS）和漂浮式光伏（floating solar photovoltaics, FSPV））的实证和政策导向文献进行了综述。研究结果表明，综合太阳能-农业模式产生了协同效益，包括更高的农场利润、农村就业、微型创业以及CO2减排。然而，这些成果受到结构性障碍和制度性障碍的制约。该综述还发现了文献中的显著空白，包括长期评估有限、过度依赖描述性和技术中心型研究、因果设计薄弱以及赋权行动组（Empowered Action Group）邦的代表性不足。研究结果强调需要采取综合性的政策方法，将技术创新与制度强化、能力建设和可持续资源治理相结合。
1. 背景
太阳能光伏（PV）技术已成为全球范围内增强粮食安全、改善气候韧性以及实现农村生计多样化的关键基础设施工具，其通过解决农业价值链中持续的能源短缺问题来实现上述目标。将可再生能源与农业整合的紧迫性源于全球粮食需求增长、预期人口增长以及全球能源系统脱碳的迫切需求，同时还需应对耕地竞争。向太阳能应用的转变代表了从传统依赖化石燃料的农业方式的重大转变，为电网接入不可靠的地区提供了更清洁、更分散的电力来源。全球应用如农业光伏（AV）和太阳能灌溉系统（SPIS）正变得越来越普遍，因为它们能够节省能源、降低成本、提高可持续性、提供双重效益，并得到政策和技术支持。
1.1 政策优先事项与印度能源-水-农业关联
印度的农业系统根植于历史上扭曲的能源-水-农业关联中。作为全球最大的地下水灌溉用户，印度约有3200万台灌溉泵在运行。五十多年来，其政治经济一直受困于农业灌溉用电补贴或免费政策，这严重扭曲了激励结构。太阳能灌溉系统的范式转变无意中激励了无节制的地下水开采，导致含水层严重枯竭，并显著加剧了温室气体排放。将这一恶性循环转变为可持续循环的策略之一是激励农民将剩余电力出售给电网。印度目前正经历快速的清洁能源转型，其驱动力来自于国际承诺（如国家自主贡献目标（INDCs））以及国家太阳能使命等国家政策。实现这些可再生能源目标的核心是农业部门的转型，该部门代表了农村能源消费中一个巨大且高度补贴的部分。为应对这一挑战，印度政府于2019年启动了Pradhan Mantri Kisan Urja Suraksha evam Utthaan Mahabhiyan (PM KUSUM)计划，此后该计划得到扩展，目标是在2026年前通过大量中央财政支持增加约34,800兆瓦的太阳能装机容量。该计划的核心目标雄心勃勃：确保农民的能源和水安全，通过将农民转变为能源生产者来增加其收入，使农业部门去柴油化，并减少相关的环境污染。尽管存在政策框架和明确目标，但印度太阳能农业技术的采纳仍受到重大实施障碍的制约，这些挑战是系统性的，可分为金融、制度和技术等类别。
1.2 综述问题
尽管关于太阳能农业应用的文献日益增多，但现有证据在单个技术、应用和政策背景方面仍然分散。以往的研究主要集中于特定维度，如太阳能灌溉泵的技术性能与采纳、政府计划的实施，或农业光伏系统的新兴潜力。因此，关于不同太阳能应用如何共同促进农业生产系统转型及更广泛的农业能源转型的综合分析有限。本综述通过提供对太阳能与农业之间不断演变界面的综合评估，涵盖了太阳能灌溉、农业光伏及其他新兴农业应用，填补了这一空白。除了综合技术和应用特定证据外，本综述还考察了相关的经济、环境和资源影响，包括能源成本降低、农业生产力、农民生计、地下水可持续性、土地利用效率和气候韧性。通过整合这些维度，本综述超越了技术特定评估，提供了对太阳能如何影响农业生产、资源利用、生计和环境可持续性的综合理解，同时识别了可持续农业太阳能化所需的证据空白和政策优先事项。
2. 方法
2.1 研究设计
这是一项按照PRISMA（系统综述和荟萃分析优先报告条目）指南进行的系统文献综述，以确保方法的透明度和可重复性。PRISMA检查表见补充表S1。本综述聚焦于利用预定义的纳入和排除标准，从数据库中识别、选择并综合相关研究。与荟萃分析不同，本研究采用叙事综合方法，允许对跨不同研究设计、背景和结果测量指标的发现进行定性整合。在研究筛查开始前，内部制定了综述方案，明确了研究问题、资格标准、检索策略、筛选程序和提取框架。然而，该方案未在PROSPERO等公共可访问存储库中正式注册，因为本综述不涉及临床或健康干预研究。
2.2 检索策略
为识别与研究问题相关的研究，研究人员使用PICO框架为电子数据库制定了检索字符串（见补充表S2和S3）。进行了试检索以优化检索并调整检索字符串以适应数据库。使用Scopus作为主要检索引擎，谷歌学术作为补充来源。谷歌学术检索使用Publish or Perish软件进行，作为补充来源和引文追踪。然而，最终综述中未纳入除Scopus识别之外的其他合格研究。
2.3 数据筛选
本研究遵循PRISMA流程图进行记录筛选。纳入综述过程的文章需满足以下标准：研究明确评估了农业中的太阳能计划/项目，评估了农业部门太阳能利用的应用，并研究了农业太阳能采纳中的问题/挑战。纳入的研究需涉及印度背景，发表于2000年至2025年3月之间。灰色文献、报告和文献综述被排除。各阶段用于筛选研究的完整标准列表见补充表S4。三名评审员独立筛选了标题/摘要和全文。分歧通过讨论解决，必要时咨询第三位评审员。
2.4 数据提取
从选定的26篇研究中，提取了与目标、研究方案或方面、研究设计、研究背景、数据来源、方法/分析工具、结果变量和主要发现相关的数据。在最终提取前使用了经过预测试的数据提取模板。
2.5 偏倚风险评估
对于偏倚风险评估，研究人员遵循了Joanna Briggs Institute (JBI)开发的批判性评估工具。两名评审员使用针对不同研究设计（如实验性、准实验性、横断面、案例研究和定性研究）的检查表独立评估了研究。偏倚风险评估用于指导证据的解释，而非作为排除研究的依据。研究未被赋予定量权重，但在叙事综合过程中，对具有多个不明确评级的研究的发现进行了更谨慎的解释。结论主要基于跨多个研究观察到的证据模式，而非任何单一研究的发现。详细报告见补充表S5。
3. 结果
初始检索共获得611篇研究。根据资格标准对标题、摘要和全文进行筛选后，纳入了26篇研究。这些研究发表于2016年至2024年间，涵盖了多样化的研究设计和背景。大多数研究为案例研究（65.38%），其次是观察性设计（23.07%），以及少量定性研究（7.69%）和实验研究（3.84%）。大部分研究在低关注邦进行（69.23%），另有部分关注赋权行动组（EAG）邦（26.92%）、东北部邦（3.84%）以及少数全印度研究（7.69%）。探讨的关键主题包括太阳能技术的应用，主要为农业光伏（AV，53.84%）、太阳能灌溉系统（SPIS，30.76%）和漂浮式光伏（FSPV，11.53%），同时分析了采纳的结构性、金融、环境、政治和社会障碍。此外，若干研究考察了支持太阳能实施的具体计划和方案（23.07%）。
3.1 太阳能农业应用
3.1.1 农业光伏（AV）
所选研究中有很大比例（54%）报告了AV系统。这些系统将太阳能光伏发电与农业活动结合在同一土地上，为可持续的双重土地利用能源生产提供了有说服力的解决方案。这种双重利用方法通常在经济上更具优势，且能带来财务效益，为农民提供额外收入来源，增强其财务回报。
土地利用效率与经济可行性
多项研究表明，AV可能比传统地面安装式光伏系统具有经济优势。在土地利用和生产力方面，研究指出AV框架可将土地效率提高35%-73%。其功效最有力的证据在于土地当量比（LER），该指标量化了相对于单一用途应用的综合生产力。在各种设置和设计中均报告了高LER值，包括1.73、1.97（结合防虫网的系统）以及1.54（垂直双面光伏组件与水稻作物集成），显示了成功的协同光谱共享。此外，研究还报告AV系统的平准化能源成本（LCOE）比标准地面安装式光伏装置低55%，从而产生更高的净现值（NPV）。除了能源指标，研究还显示AV设置对农业方面产生了积极影响，产生了1.71的强效益成本比。
微气候效益与水资源保护
AV系统通过有利地改变微气候来产生关键协同效益，直接应对农业地区普遍存在的严重水资源压力。研究发现，光伏组件的部分遮阴是一种强大的水资源保护机制，已被证明可增加土壤水分含量14.7%，并在夏季降低气温2.5°C。此外，AV系统对农业产出产生积极影响，导致更高的总体蔬菜产量。
尽管效益广泛，但AV的成功实施取决于精确的农艺学，因为能源生产与特定作物产量之间存在权衡。重度遮阴显著降低了光合有效辐射（PAR）的可利用性，对喜光作物（如秋葵）的产量和生长产生负面影响。类似地，一项研究报告指出，随着太阳能电池板密度和遮阴增加，小麦作物产量下降。
3.1.2 太阳能灌溉系统（SPIS）
现有证据表明，SPIS，包括太阳能灌溉泵（SIPs）和太阳能光伏水泵（SPVWPs），可能比传统柴油或补贴电动水泵具有技术经济优势。在全部研究中，约31%报告了太阳能泵在灌溉中的应用，突出了降低的运营成本和显著的环境优势。
经济与运营效益
多项研究报告了农民在SIPs投资方面的长期效益，特别是在农业用电占很高比例的旁遮普邦等邦。生命周期成本分析表明，使用太阳能光伏-水泵系统（SPV-WPS）可节省高达10倍的能源成本，投资最低收益为250%（无补贴），典型回收期约为六到七年。尽管初始资本支出较高（尤其在没有补贴的情况下），SPVWPs在长期内被证明是最有利可图的选择。尽管有这些发现，但如一项研究所建议，补贴（如PM KUSUM计划提供的补贴）可使投资更具盈利性。此外，报告还指出，当农民每年使用离网太阳能光伏泵超过875小时时，其成本效益优于传统电网泵。
政策与可持续性
SPIS的使用不仅使农民能够通过将剩余电力出售给电网获得额外收入，还减轻了政府为农业部门提供免费电力的财政负担。进一步朝着可持续性目标，SIPs还可以减少地下水灌溉的碳足迹，并通过减少农业电力补贴来改善电力部门的财务稳定性。
3.1.3 漂浮式光伏（FSPV）
所选研究中仅有11%（n=03）报告了漂浮式光伏（FSPV）。集成到水电系统中的FSPV，也称为水电漂浮式太阳能光伏，其价值主要在于对水资源管理和土地利用效率的贡献，使其成为气候适应的关键工具。FSPV的主要优势在于其通过阻止太阳辐射到达水面来减少水体蒸发损失的能力。这带来了显著的水资源节约。一项研究报告称，一个FSPV系统总共节省了6940万立方米的水。通过节省大量水资源，FSPV直接支持了人类消费和农业韧性。
3.2 太阳能农业采纳中的挑战
太阳能技术在农业中的采纳受到社会经济、行为和制度障碍组合的显著阻碍。约38%（n=10）的综述研究讨论了导致太阳能农业采纳率低的各种抑制因素。
3.2.1 结构性与金融挑战
太阳能技术在农业部门的广泛采纳通常受到相互关联的结构性缺陷的阻碍，这些缺陷涵盖金融可及性、维护的制度支持以及监管清晰度。多项研究报告的主要金融障碍是农民需要更高的前期资本投入，这限制了太阳能光伏系统的普遍采纳。研究还报告了关键的制度挑战，如缺乏稳健的SIPs维护和支持系统，导致系统高停机时间。此外，尽管有政府政策和补贴，由于利益相关者缺乏技术和经济知识，以及缺乏关于土地利用和税收的具体监管政策，SPIS的采纳进展缓慢。
3.2.2 环境挑战
太阳能基础设施的扩张，特别是大型太阳能公园，引发了围绕土地利用和水资源竞争的严重环境冲突，揭示了快速可再生能源部署中未管理的外部性。数据显示，印度超过40%的太阳能农场建在农业用地上。这种土地利用竞争在地理上集中于农业重要的邦，在卡纳塔克邦和泰米尔纳德邦最为集中。尽管政府政策鼓励使用非农业荒地或退化土地建设太阳能公园，但开发商通常更喜欢靠近现有电网基础设施、易于进入的肥沃土地，以最小化项目成本并最大化回报。这种偏好加剧了农田被侵占。
太阳能部署与现有水资源压力之间的空间相关性至关重要。研究发现，高太阳能装机容量与浅层地下水深度重合，从而增加了当地水资源压力。此外，太阳能装置的运营需求加剧了水资源短缺问题。太阳能电池板清洁所需的水资源在干旱地区构成重大问题，而这些地区矛盾地往往是太阳能潜力最高的区域（例如拉贾斯坦邦）。
3.2.3 政治障碍
尽管政府政策推广使用非农业荒地或退化土地，但开发商仍偏好靠近电网的易于进入的肥沃土地。大型基础设施项目经常利用政治权力来促进土地征用。例如，帕瓦加达太阳能公园项目涉及将13000英亩的农业和牧业用地转换为太阳能公园，该土地被指定为“受旱灾影响”和“非生产性”长达五十年，以证明转换的合理性。类似地，研究还报告SIPs的推广与政治和公平挑战明确相关。太阳能计划的设计和实施常常忽视边缘化农民的财务和信息能力。
3.2.4 社会与行为动态
农民决策高度基于感知风险。太阳能泵的采纳因农民对系统安全（如盗窃或损坏）和维保可靠性的合理担忧而受限。这些社会障碍强化了对结构性支持的需求，因为缺乏稳健的维护系统直接转化为潜在采纳者中风险规避的增加。此外，太阳能零边际成本虽然是一项经济优势，但根本上改变了农民关于水资源使用的行为，导致地下水资源的过度开采。虽然并网式SPIS常被提出作为解决方案，因为它允许农民通过出售剩余电力获得收入，从而鼓励水资源和能源节约，但这些系统的经济性并不能普遍保证农民会通过上网电价减少地下水抽取。
采纳AV等创新技术的一个公认障碍是利益相关者缺乏技术和经济知识。AV的成功依赖于优化设计和作物选择，这需要专业知识以最大化LER和LCOE效益。这一差距需要对教育项目和农业推广服务进行大量投资，以赋能农民。
3.3 促进太阳能农业利用的举措
政府计划是推动太阳能采纳的关键制度机制，但评估显示其成功程度不一。促进太阳能的任务可追溯到1990年代引入的太阳能水泵计划，随后又有若干举措（见补充表S6）。然而，研究人员对这些计划的评估很少。约23%（n=06）的入选研究报告了国家和邦级计划。近期实施的PM KUSUM计划在SPVWP和AV的背景下被频繁提及。若干邦级举措，如比哈尔邦的Bihar Saur Kranti Sinchai Yojana和卡纳塔克邦的Surya Raitha计划，因其减少地下水灌溉碳足迹的潜力而被报告。然而，这些计划的实施遇到了重大的政治和公平挑战，特别是确保可靠维护和支持系统的制度困难。
4. 讨论
太阳能正日益成为农业生产系统的重要组成部分，而不仅仅是灌溉的替代电力来源。农业活动在多个阶段需要能源，包括灌溉、土地准备、收获、加工、储存和运输。在此背景下，太阳能的部署有助于减少对电网电力和柴油的依赖，降低农业活动运营成本，并提高能源供应的可靠性。本综述的证据表明，农业太阳能化应被理解为向低碳和更分散的农业能源系统更广泛转型的一部分。文献综合表明，在印度农业背景下，AV、SPIS和FSPV等太阳能应用已显示出相当大的技术可行性和潜在经济优势，尤其是在政策和制度安排支持下。AV系统提供了显著的LER和降低的LCOE，而FSPV通过减少蒸发提供了关键的水安全效益。印度AV的量化效益，特别是高LER值和显著的水资源节约数据，与全球研究一致。全球经验表明，长期盈利能力抵消了较高的初始资本支出。类似地，尽管SPIS仍然是太阳能农业的重要应用，但太阳能的潜力远远超出了水泵抽水。太阳能可以支持收获后干燥、冷库、作物加工、畜牧运营和农业价值链上的其他能源密集型活动。因此，农业太阳能化不应仅通过太阳能灌溉泵的视角来看待；相反，它代表了使农业生产和产后活动的多个阶段脱碳的机会。
研究结果表明，太阳能的成功推广和可持续部署不仅受限于技术或财务可行性，而且还主要受限于深刻的制度和治理失灵。印度发现的结构性和制度性挑战并非独有，而是全球大规模基础设施转型中常见的系统性制度缺陷症状。例如，埃塞俄比亚背景下的系统性障碍包括次标准技术扩散、正品备件稀缺、用户对维护重要性认识不足，以及导致技术成本膨胀的低效税收和进口系统，阻碍了推广。类似地，约旦河谷的太阳能灌溉显示出对SIPs相对于柴油替代品的明显财务偏好，具有优越的NPV、内部收益率（IRR）和较低的生命周期成本分析（LCCA）；然而，采纳率仍然很低。这些低采纳率主要是由于缺乏可靠的本地维护和备件，尽管电池板初始价格可负担，但提高了有效生命周期成本。此外，旨在刺激采纳但管理不善的政府补贴往往导致成本上升，使计划在长期内经济上不可持续。
虽然本综述确定了太阳能农业整合的若干潜在效益，但证据强度在结果和技术之间差异很大。关于AV、SPIS和FSPV技术可行性的证据在研究中相对一致。然而，关于经济优越性、生计改善、可持续性结果和政策有效性的证据主要来自案例研究和观察性研究。因此，这些发现应被视为提示性而非结论性的。
总体而言，本综述的证据表明，太阳能正通过多样化的技术途径和应用日益融入农业。太阳能技术可以通过多种途径影响农业生产，包括能源成本降低、灌溉可靠性改善、收获后管理、分散化加工、气候韧性以及如农业光伏等新型土地利用模式。同时，农业太阳能化的效益不能独立于资源约束（特别是地下水枯竭和土地利用竞争）来评估。因此，太阳能对未来可持续农业的贡献将取决于可再生能源政策与农业、水资源、土地利用和农村发展政策的整合。
4.1 关键研究空白
跨太阳能技术的证据不均衡
超过一半的入选研究聚焦于AV，而研究SPIS和FSPV的研究则少得多。因此，支持AV技术、经济和环境效益的证据相对更强且更一致。虽然现有证据表明SPIS和FSPV在提高灌溉效率、降低能源成本和保护水资源方面具有相当大的潜力，但其长期可持续性、可扩展性和政策有效性需要额外的实证研究。
缺乏纵向因果证据
尽管PM KUSUM计划对印度清洁能源目标至关重要，但关于其整体有效性、长期可持续性结果和社会经济影响的当前实证证据仍然稀少。缺乏纵向数据来将计划的干预措施（如补贴或上网电价）与具体的行为变化（如减少地下水抽取）或公平的社会经济结果（如边缘化农民的收入提升）建立因果联系。当前大部分证据基础侧重于短期技术和经济可行性，未能评估指导有效国家政策所必需的持续系统性影响。
技术采纳偏差与描述性研究依赖
现有研究格局表现出强烈的技术采纳偏差，优先考虑验证技术可行性（LER、LCOE、能源节约）的研究，而非严格评估制度有效性、可持续性和公平性的研究（65.38%的合格研究为案例研究，23.07%为观察性研究）。这种对描述性方法论的高度依赖显著限制了得出强因果推断的能力。随机对照试验（RCT）的近乎缺失阻止了必要的严格反事实评估，以评估PM KUSUM等政策干预的确定影响。
地理不平衡
大多数研究（65.38%）偏向低关注邦，而EAG邦的相对代表性不足。鉴于EAG邦占印度人口的48%，并面临独特的发展性和制度性挑战，当前的研究格局限制了理解在实现国家发展目标至关重要的地区中具体障碍的能力。
4.2 加强印度农业太阳能化战略的政策启示
政策制定者可能考虑优先采取综合政策响应，同时管理宏观层面的选址和微观层面的农民激励，整合太阳能、农业和水资源管理目标。
跨部门整合
新能源和可再生能源部（MNRE）计划、水利部（Ministry of Jal Shakti）和农业推广服务（AES）之间的更大整合有助于加强关于推广SIPs和AV的知识和技能。这将有助于培训农民关于系统运行、维护和优化灌溉调度，以调节地下水抽取。
SPIS的水治理授权
太阳能灌溉的农业影响是多维的。通过减少对柴油和电网电力的依赖，太阳能泵可以降低灌溉的边际成本，提高水资源可用性的可靠性，可能使农民能够增加种植强度或种植高价值
