研究表明太阳能阵列如何在干旱期间维持草地恢复力

研究结果于本周发表在《环境研究快报》（Environmental Research Letters）上。该论文概述了光伏（PV）阵列位于草地生态系统时的潜在效益与挑战。考虑到干旱的西部地区面临的干旱以及未来气候变化的可能性，这些发现尤其具有现实意义。

虽然太阳能系统是可再生能源的关键来源，但它们减少了植物生长可利用的阳光量，这可能通过这些复杂生态系统支持野生动物的能力、储存碳的能力以及为牲畜放牧生产饲草的能力产生影响。这项研究基于科罗拉多州朗蒙特一个农业光伏太阳能设施四年的数据，是首个实地测试太阳能与草地共址如何改变这些动态的努力。

科罗拉多州的半干旱草原在每个季节通常需要比降水所能提供的更多的水分。

研究团队发现，在该环境中，位于太阳能系统下方及周围的植物受益于局部遮荫以及太阳能电池板上收集的额外水分——这有助于它们在严酷的夏季生存。他们发现，在干旱年份，面板东侧的草生长在某些情况下比邻近的开放区域高产出达90%。在多雨和正常年份，这种积极的草产量响应有所减弱，但面板东侧的草产量仍然高于对照区域。

康奈尔大学博士后研究员马修·斯特基奥（Matthew Sturchio）是论文的作者之一，另一位作者是科罗拉多州立大学（CSU）杰出教授艾伦·纳普（Alan Knapp）。斯特基奥此前是纳普教授在生物学系团队的成员，目前仍是CSU的附属研究员。

斯特基奥表示，研究结果证明了在有草地的土地上协同利用太阳能的潜力，既能支持所需的可再生能源发电，又能维持生态系统的稳定性。

“已有几项研究报告了太阳能阵列改善了植物和水分关系，”他说，“然而，这是首次分析表明这种模式如何随着干旱程度的增加（如我们在科罗拉多州所见）而变得更加显著。”

“这里最重要的启示是，即使这个太阳能阵列的设计初衷是最大化能源发电——而不是促进下面生长的草获得有益的环境条件——它在干旱年份仍然提供了一个更有利的环境。”

斯特基奥表示，如果根据条件设计面板以最大化其效益，这些收益可能会增加。这可能包括改变面板的位置以在气温升高时提供遮荫，或在生长季节的关键时期配置面板以允许更多光线进入。

“通过对阵列设计、配置和管理进行小的改动，我们甚至可能实现尚未发掘的效益，特别是与水资源利用相关的效益，”他说。

该论文是两人正在进行的光伏农业（agrivoltaics）研究的一部分：这是一种双重利用的方法，太阳能发电基础设施的设计和布置同时支持牲畜放牧或传粉昆虫栖息地。这些农业选项不需要灌溉或机械。然而，由于它们严重依赖雨水来支持植物生长，因此需要像这样的研究来理解添加面板如何整体改变环境。

纳普和他的实验室几十年来一直在科罗拉多州立大学（CSU）研究草原，主要关注它们如何应对长期水分胁迫和干旱。他说，论文中的研究重点是多年生C3型、“冷季型”草，它们更喜欢更湿润的条件。下一步将是研究在科罗拉多平原更常见的C4型草。这些植物在温暖且阳光充足的环境中生长茂盛。

“那些草原比我们在本研究中使用的草原更加受水分限制。因此，我们预计太阳能阵列缓解水分胁迫的能力可能更大，”纳普说。

斯特基奥补充说，太阳能面板甚至可能通过促进多样化的植物群落来提供恢复草原生态系统的机会。他说，在能从战略性布局中受益的生态系统中建设太阳能设施显然是一个双赢的局面。

“我们假设，干旱和半干旱地区的草原恢复不仅可能受益于太阳能阵列创造的有利条件，还可能受益于面板产生的环境异质性，”他说，“我们很兴奋能在不久后在科罗拉多州纳恩新建的短草生态光伏研究设施（Shortgrass Ecovoltaic Research Facility）检验这一想法的功能基础。”