📄 earth_science

From Solar Fields to Multifunctional Landscapes: Assessing the Effectiveness of Multifunctional Ground-Mounted PV Systems

本研究通过专家访谈和实地考察评估了奥地利的多功能地面光伏系统，揭示了土地等效比（Land Equivalent Ratio）的局限性，并提出了一种新的多土地利用有效性（Multi Land Use Effectiveness, MLUE）框架，以更好地评估和促进可再生能源发电与生物多样性保护的双重目标。

原作者： Rosa Pajkanović, Raffael Koscher, Gernot Stoeglehner

发布于 2026-08-24

📖 1 分钟阅读☕ 轻松阅读

CC BY 4.0

原作者： Rosa Pajkanović, Raffael Koscher, Gernot Stoeglehner

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

太阳提供了无穷无尽的清洁能源，但捕捉这些能量需要空间。随着各国竞相用太阳能取代化石燃料，大片地面安装的太阳能电池板正遍布景观之中。这种转变带来了一种熟悉的紧张关系：电力需求与保护自然及种植粮食的需求发生了冲突。多年来，争论一直围绕着太阳能电站究竟是破坏了栖息地，还是仅仅占用了原本可以用于其他用途的土地。科学家和规划者长期以来一直试图衡量这些设施的效率，提出了一个简单的问题：我们从特定的一块土地上能获得多少能量？标准的答案是将能量输出按每平方米进行计数，将土地视为发电的单一用途工厂。然而，这种狭隘的观点忽略了一个至关重要的可能性。如果太阳能场不仅仅是产生电力呢？如果它能同时支持野生动物、种植农作物或修复受损的土壤呢？这种被称为“多功能土地利用”的概念表明，一个场地可以服务于多个目标，但衡量其真实价值一直是一个难题。现有的工具往往无法捕捉到那些既是太阳能场又是草甸或牧场的复杂现实。

维也纳农业大学（BOKU University）的研究团队致力于通过观察奥地利境内真实的太阳能装置来解决这一测量问题。他们没有依赖计算机模型或理论情景，而是实地考察了八个已经在进行双重用途运营的特定太阳能电站。这些场地的范围从建在旧垃圾填埋场上的面板，到太阳能阵列下放牧羊群的田野。研究人员采访了这些场地的建设者和管理者，记录了详细的植被情况，并观察了土地的使用方式。他们发现，虽然这些多功能场所在实践中是成功的，但计算其效率的标准方法却具有误导性。当他们应用传统方法——即简单地将总功率输出除以总面积时——多功能场地的效率看起来比标准太阳能电站要低。这是因为为了让阳光照射到下方的草地，面板的间距被拉得更开，或者是因为部分土地被用于种植花卉带而非发电。旧的数学逻辑表明这些场地对土地的利用率较低，但研究人员知道这只是一个不完整的画面。土地正在做更多的工作，只是这种工作不在旧公式的设计计数范围内。

为了解决这个问题，该团队开发了一种被称为“多用途土地有效性”（Multi Land Use Effectiveness）的新思维方式。这种方法不再仅仅计算瓦特数，而是将太阳能电站视为由不同景观特征组成的集合，每个特征都有其自身的价值。想象一下，太阳能场不是一个由金属和玻璃组成的单一区块，而是一个由不同元素构成的拼布毯：有些部分用于发电，有些用于羊群放牧，有些用于野花，有些则用于灌木丛。研究人员根据每个区块相对于其先前状态的改善程度为其分配了价值。例如，如果一个场地以前种植使用大量农药的农作物，而现在转变为拥有野花且不使用化学品的太阳能场，那么这被视为对自然的显著贡献。如果一个场地原有的围栏阻碍了动物迁徙，这被视为一种损失。通过汇总整个场地的这些增益与损失，他们可以计算出一个反映土地总效益的分数，其中既包括能源，也包括自然。

当他们将这种新方法应用于其中一个案例研究时——一个在一个区域内整合了多种不同安装类型的太阳能电站——结果发生了戏剧性的变化。这个特定的站点拥有多种系统，包括标准的地面阵列、结合苹果种植的架空双面系统，以及结合跟踪式光伏系统的轮作作物系统，此外还有专门的生态区。在旧系统中，由于该场地单位公顷产生的电力低于高密度太阳能电站，因此显得效率低下。但在新方法下，该场地显示出了明显的增益。研究人员计算出，这块集成了太阳能面板、放牧和野花的5.2公顷土地，其提供的效益相当于如果将这些功能分开布置时所需的约7公顷土地。换句话说，通过结合多种用途，该场地节省了大约1.4公顷原本可能需要的土地。这一发现表明，最有效的土地利用方式并不总是将最多的面板挤进最小的空间，而是将能源与其他重要功能相结合的方式。

研究还强调了目前仍然存在的实际挑战。研究人员发现，太阳能电场的建设阶段通常是对当地生态系统破坏最大的时期，重型机械会压实土壤，围栏也会阻断动物的移动。即使在设计最好的场地上，出于安全考虑，法律通常也要求设置围栏，这为野生动物制造了障碍。团队指出，虽然一些经营者希望拆除围栏以帮助动物自由移动，但法规往往迫使他们保留围栏。然而，他们也发现，一些简单的调整——例如在围栏下方留出供小型动物通过的缝隙，或者种植灌木丛而非坚实的屏障——可以产生积极影响。研究证实，这些多功能系统不仅是理论上的想法，而且在奥地利已经得到了成功的建设和管理。经营者报告称，整合羊群放牧或野花草甸不仅是可能的，而且通常能改善场地与当地社区及环境的关系。

最终，论文认为我们需要改变评估太阳能项目的方式。目前专注于最大化每平方米功率输出的做法过于局限，无法引导未来的可再生能源发展。如果我们希望在扩展太阳能的同时不破坏自然，我们就必须根据土地所能承担的一切功能来评估其价值，而不仅仅是看它产生的电力。研究人员提出的新方法为规划者和决策者提供了一个实用的工具，让他们能够看到这些场地的完整价值。它表明，可再生能源与生物多样性保护并非天敌。通过使用一个能够将自然效益与能源效益一并计入的框架，我们可以设计出不仅是发电厂，更是支持向清洁未来过渡的“生命景观”的太阳能场。研究结论指出，通过适当的规划和激励措施，这些双用途系统可以将土地竞争转化为协作，创造出对人类和地球都具有生产力的空间。

技术摘要：从光伏电站到多功能景观

问题陈述
地面安装光伏（GMPV）系统的快速扩张对于实现气候中和目标（如欧盟 2050 目标和奥地利 2030 可再生能源指令）至关重要。然而，这种扩张造成了显著的土地利用冲突，特别是在土地稀缺的地区。缺乏管理的规模化 GMPV 设施可能导致生态扰动，包括土壤压实、由于围栏导致的生境破碎化、植被移除以及微气候改变。虽然“土地共享”方法（如农光互补、生物多样性导向型光伏）为协调能源生产与生态保护提供了路径，但现有评估其有效性的方法仍显不足。具体而言，传统的指标如土地等效比（LER）和土地利用效率（LUE）主要关注单位面积内的能源或农业产量。这些指标无法捕捉到集成生态增强、景观服务和生物多样性措施的多功能系统的复杂性。因此，目前缺乏标准化的定量框架来评估多功能 GMPV 系统是否真正提升了土地利用的有效性，而非仅仅是单用途场景。

研究方法
本研究采用混合方法评估了奥地利的多功能 GMPV 系统：

案例研究与实地考察： 选择了八个实施了双重或多种土地利用概念（如农光互补、绵羊放牧、生物多样性带、垃圾填埋场修复）的 GMPV 设施。数据通过结构化在线调查、针对项目开发商和运营商的半结构化访谈以及实地物理检查收集。检查重点包括植被质量、生境结构、围栏渗透性和土壤状况。
文献综述： 通过系统性回顾，确定了现有的土地利用冲突缓解策略、GMPV 的生态影响以及当前的量化方法（特别是 LER 和 LUE）。
方法论开发： 意识到现有指标的局限性，作者开发了一种名为**多土地利用有效性（MLUE）**的新型框架。该方法借鉴并改进了 LER 的概念，将其扩展到包含景观要素和生物多样性措施。
- 参考基准： 该方法建立了基准（例如常规农业或单用途光伏）以衡量变化。
- 量化： 根据科学证据，为特定的景观要素（如花带、树篱、绵羊放牧、围栏类型）分配“附加值”（正向因子）和“扣减值”（负向因子）。
- 计算： 使用公式 $R_x = (1 + S) \times (1 - D)$ 计算每个措施的参考因子（ $R_x$ ）。这些因子根据其面积份额（ $AS_x$ ）进行加权，并汇总以确定 MLUE 因子： $MLUE = 1 + \sum AS_x(R_x - 1)$ 。
- 输出： 将 MLUE 因子转化为等效土地面积（ $L_{eq}$ ），指示多功能系统与单独的单用途系统相比，是节省了土地还是需要额外土地。

关键结果

经验发现： 案例研究表明，多功能 GMPV 系统可以成功地将能源生产与生物多样性增强相结合。常见的措施包括野花带、绵羊放牧（在奥地利背景下优于牛或鸡）以及特定的围栏设计（例如为小型哺乳动物留出的地面间隙）。然而，建设阶段仍是主要的生态影响来源，主要表现为土壤压实和生境破碎化。
现有指标的局限性： 将标准的 LER 和 LUE 应用于案例研究 1（一个包含混合光伏类型和农业用途的站点）时发现，多功能系统往往表现出较低的能量密度（kWp/ha）而非单用途光伏。例如，光伏土地等效比（ $LER_{PV}$ ）计算为 0.20。该比例由多用途光伏密度（192 kWp/ha）除以单用途参考密度（965 kWp/ha）得出，表明如果仅考虑发电量，多用途系统仅实现了单用途专用系统光伏土地利用效率的 20%。作者认为这一指标具有误导性，因为它忽略了增加的生态和农业价值。
MLUE 表现： 当将 MLUE 框架应用于案例研究 1 时，结果为 MLUE 因子约为 1.35。这表明与传统基准（分开的农业和光伏）相比，土地利用有效性提升了 35%。计算显示，该 5.2 公顷的场地在综合效用方面实际上发挥了 7.02 公顷场地的作用，从而实现了约 1.4 公顷的净土地节省（ $L_{eq}$ ）。

核心贡献
本文的主要贡献是开发并引入了**多土地利用有效性（MLUE）**方法。不同于以往优先考虑孤立的能源产量或农业产出的指标，MLUE 提供了一种系统的方法，用于量化单个场地的综合生态、农业和能源贡献。它通过将定性的生物多样性措施（如树篱或放牧）转化为相对于基准的定量附加值和扣减值，使“景观服务”的概念得以操作化。这使得规划者可以直接使用统一的土地利用有效性指数，将多功能系统与单功能替代方案进行比较。

意义与主张
本文主张，MLUE 框架为可持续空间和能源规划提供了一个比现有方法更全面的工具。作者认为，通过综合规划，可再生能源与生物多样性之间的土地利用冲突并非不可调和。本研究的意义在于其视角的转变：从狭隘的“土地利用效率”（最大化每公顷产出）转向“土地利用有效性”（最大化每公顷功能的质量和多样性）。

作者强调，尽管 MLUE 框架展示了作为规划和评估工具的强大潜力，但它仍需要进一步的方法论完善和标准化，特别是在参考因子选择以及附加值/扣减值权重的设定方面。他们总结道，成功的实施取决于支持性的政策框架和经济激励机制，这些机制应奖励土地利用的有效性和多功能性，而不仅仅是能源产出。该研究将 GMPV 定位为不仅是竞争性的土地利用，更是推动协同、多功能景观（支持能源转型与生物多样性保护并进）的潜在驱动力。

类似论文