《Energy Nexus》：Integrating food production and energy generation on agricultural land: A multi-objective optimisation analysis for Switzerland
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摘要：农业用地上的可再生电力生产提供了一条可能的路径，可在高效利用土地的同时加速能源转型。随着能源系统与食物系统日益相互依存，在同一土地上整合二者既对维护粮食安全构成挑战，也提供了高效利用资源的机会。本研究开发了一个空间显式多目标优化框架（spatially
摘要：农业用地上的可再生电力生产提供了一条可能的路径，可在高效利用土地的同时加速能源转型。随着能源系统与食物系统日益相互依存，在同一土地上整合二者既对维护粮食安全构成挑战，也提供了高效利用资源的机会。本研究开发了一个空间显式多目标优化框架（spatially explicit multi-objective optimisation framework），用于评估太阳能和风能整合进入瑞士农田的潜力，并将瑞士当前的食物系统与可再生能源部署方案（在同一土地上相互排斥或组合）耦合起来。基于详细的农业统计数据和公顷尺度的作物、太阳能和风能空间生产力估算，该框架寻求在土地利用、农业实践、食物供应组成和社会考量等约束下最大化食物生产和能源发电的土地利用策略，并评估其对气候和生物多样性的影响。研究人员考虑了两种对比性饮食情景：动物丰富型现状和植物丰富型替代方案，反映了生产和消费的潜在转变。该分析量化了粮食安全与能源发电之间的协同效应和权衡，结果表明组合土地利用配置可以在食物产出小幅减少的情况下实现大部分电力潜力。植物丰富型饮食可能通过更高的土地利用效率同时提升食物生产和能源发电。然而，某些地块仅允许生长草地，尤其是在山区，因此基于动物的食品也成为解决方案的一部分。敏感性分析凸显了土地利用灵活性、作物遮荫耐受性和土地用途约束对系统绩效的影响。
**瑞士农业用地上的食物-能源共生：多目标优化分析的解读**
**一、研究背景与问题提出**
在全球气候变化和生物多样性丧失日益严峻的背景下，如何协调粮食安全与能源转型成为可持续发展目标（SDGs）实施中的核心挑战。食物和能源作为人类基本需求，其生产与供应是驱动地球系统越界的主要因素。可再生能源，尤其是太阳能和风能，在农业用地上的部署被认为是加速能源转型并提高土地资源利用效率的重要途径。然而，随着食物系统和能源系统的相互依存度不断加深，在同一土地上整合两类生产活动既可能威胁粮食安全，也为高效利用土地资源创造了机遇。
瑞士为这一议题提供了极具典型性的研究案例。瑞士国土面积约三分之一为农业用地，但受阿尔卑斯山和汝拉山地貌制约，农业生产条件空间差异显著。当前瑞士的食物净自给率约为45%（植物性食物约40%，动物性食物约80%），能源自给率约为25%，电力自给率约为60%。总体而言，瑞士农业用地中近三分之二的耕地用于生产动物饲料，而大量天然草地仅适合放牧或生产牧草，无法直接用于作物栽培。与此同时，瑞士具有可观的可再生能源技术潜力，但由于政策限制，地面安装的光伏系统十分有限。因此，亟需一个系统层面的优化框架来评估在农业用地上同时生产食物和电力的协同效应与权衡关系，从而为国土空间规划和能源转型战略提供科学依据。
**二、研究工作与主要结论**
研究人员构建了一个空间显式多目标优化框架，将瑞士当前食物系统与可再生能源部署方案耦合，模型实现了公顷级格网上的空间显式评估。该框架将农业用地划分为多个空间节点，并为每个节点配置了36种生产技术，涵盖单独作物生产、单独电力生产（如地面光伏、风力发电）以及作物与电力联合生产（如农业光伏、风能+作物）等。模型以最大化食物代谢能产出和电力产出为目标，并受到土地利用变化限制、作物轮作要求、食物供应组成和社会接受度等约束。研究设置了动物丰富型和植物丰富型两种饮食情景，并分别考察了排他性土地利用（仅食物或仅能源）与组合性土地利用（同一土地上同时进行食物和能源生产）四类核心情景。
研究采用带epsilon-constraint的多目标优化方法求解Pareto前沿，并结合生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）量化了各情景对气候和生物多样性的影响。此外，利用土地当量比（Land Equivalent Ratio, LER）评估了联合土地利用的效率。在数据方面，研究基于瑞士联邦农业统计局 [Agristat] 提供的2013–2022年十年历史统计数据，结合瑞士联邦地形学局、气象局等机构提供的空间数据，采用了包含464个节点的代表性样本进行优化计算。
**三、主要研究结果**
**空间竞争格局分析**：瑞士中央高原和主要河谷的农业用地在保证粮食生产的条件下，多数地块对食物生产更为有利；阿尔卑斯山区的部分谷地、汝拉山区则更有利于电力生产。如果政策允许在目前受保护的作物轮作区部署可再生能源，则“食物-能源竞争地块”的范围会显著扩大。
**可再生电力技术潜力**：在保守的排除区域设定下，瑞士农业用地上的风力发电潜力约为16–24 TWh/年，太阳能发电潜力约为84–277 TWh/年（是否计入作物轮作保护区差异较大）。这一潜力远超瑞士当前的太阳能和风能发电量，甚至超过全国总电力消费需求。其中，农业光伏（agrivoltaics）系统对电力潜力的贡献尤为突出。
**Pareto优化结果**：在所有组合情景中，可实现超过70%的电力潜力，同时食物产出损失低于5%。与动物丰富型情景相比，植物丰富型情景的粮食产出更高（表4中平均为28 GJ·ha
-1，动物丰富型为16 GJ·ha
-1），且电力产出也更高。即使在最大化电力产出的情况下，食物生产仍能维持。此外，即使在高电力水平下，采用农业光伏和风力发电组合系统的地块较纯地面光伏具有更优的食物-能源联合产出。
**气候与生物多样性影响**：气候影响主要来自发电技术和动物性食品生产过程，且随电力产出提高而增加。生物多样性影响主要由土地利用变化决定。值得关注的是，高电力情景（案例E）中草地转化为光伏用地后，生物多样性影响反而低于将草地开垦为耕地的情景，这表明在已转化地上部署可再生能源不一定会加剧生物多样性损失。
**敏感性分析**：作物产量年际波动对食物供应链影响显著；作物对遮荫的耐受性影响较小；土地用途转换灵活性对系统表现有显著影响；允许在受保护的作物轮作区开展能源生产并不会加剧食物损失，反而在高电力水平下有助于维持食物产出。
**四、讨论与结论**
研究结果表明，瑞士农业用地具备满足国家能源需求的可再生电力技术潜力，且通过组合土地利用可以在很大程度上实现“食物-能源双赢”。这一结论的重要启示是，系统级的土地利用策略优于孤立的单地块决策：尽管在单块农田上安装光伏通常会降低作物产量，但通过土地重新配置和向植物丰富型食物系统的转型，可以抵消这种损失，甚至在部分情况下提高总食物产出。
然而，研究也指出，提高国内自给程度可能增加国内温室气体排放，但通过替代进口化石能源和高碳足迹农产品，有望降低全球净排放。未来能源系统规划需平衡国内生产与进口、粮食安全与能源安全、社会接受度与景观影响等多维目标。政策制定者应重视农民的经济保障和社会公平转型问题，建立适当的补偿机制与激励措施。该优化框架也可进一步扩展，纳入多年度动态优化、需求导向型饮食情景（如EAT-Lancet饮食）、生物质能碳捕集与封存（BECCS）等选项，并考虑成本分析、经济利益分配和公众参与机制，从而为瑞士乃至其他国家的可持续土地利用提供更加全面的决策支持。
