研究表明太阳能阵列如何在干旱期辅助草地生态系统

该研究结果本周发表于《环境研究快报》。该论文概述了光伏（PV）阵列部署于草地生态系统中的潜在效益与挑战。这些发现在考虑干旱的西部地区的干旱问题及未来气候变化的可能性时尤为重要。

虽然太阳能发电系统是可再生能源的关键来源，但它们减少了可供植物生长的阳光量，这可能以削弱野生动物支持能力、减少碳储存量以及降低牲畜放牧所需饲草产量的方式影响这些复杂生态系统。这项基于美国科罗拉多州朗蒙特市一处农业光伏发电设施四年数据的研究，首次通过实地测试探索太阳能与草地共存如何改变这些动态。

科罗拉多州的半干旱草地每个季节通常需要比降水量更多的水分。

研究团队发现，在该环境中，太阳能系统下方及周围的植物受益于部分遮阴以及面板上收集的额外水分——这有助于它们在严酷的夏季为生存而战。他们发现，在干旱年份，面板东侧的草地产量在某些情况下比邻近的开放区域高出90%。在多雨和正常年份，这种积极的牧草产量响应减弱，但面板东侧的产量仍高于对照区域。

康奈尔大学博士后研究员马修·斯特奇奥与科罗拉多州立大学杰出教授艾伦·纳普共同撰写了该论文。斯特奇奥此前是纳普在生物系团队的成员，目前仍是科罗拉多州立大学的附属研究员。

斯特奇奥表示，研究结果证明了在草地上实现土地太阳能利用协同效应的潜力，该协同效应既能支持所需的可再生能源发电，又能维持生态系统稳定性。

“已有数项研究报告了光伏阵列对植物和水关系的改善作用，”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，即使该太阳能阵列的设计旨在最大化能源发电——而非促进下方种植草类的有利环境条件——它在干旱年份仍然提供了一个更有利的环境。”

斯特奇奥表示，如果面板设计改为根据不同条件最大化其效益，这些增益可能会增加。这可能包括改变其位置以在气温升高时提供遮阴，或在生长季关键时期调整配置以允许更多光线进入。

“通过对阵列设计、配置和管理进行微小调整，我们甚至可能实现尚未开发的效益，特别是那些与水资源利用相关的效益，”他说。

该论文是两人正在进行的农业光伏研究的一部分：这是一种双重利用方法，太阳能发电基础设施的设计和布置旨在同时支持牲畜放牧或授粉媒介栖息地。这些农业选项不需要灌溉或机械设备。然而，由于它们严重依赖雨水支持植物生长，因此需要此类研究来理解添加面板如何整体改变环境。

纳普及其实验室数十年来一直在科罗拉多州立大学研究草地，主要关注它们如何应对长期水分胁迫和干旱。他表示，论文研究聚焦于多年生C3类、“冷季”草，这类草偏爱更湿润的条件。下一步将是研究科罗拉多平原上更常见的C4类草。这些植物在温暖且阳光充足的条件下生长茂盛。

“那些草地比我们在本研究中使用的草地水分限制更严重。因此，我们预计太阳能阵列缓解水分胁迫的能力可能会更大，”纳普说。

斯特奇奥补充说，太阳能电池板甚至可能通过促进多样化植物群落，为恢复草地生态系统提供机会。他表示，在生态系统中有策略地部署太阳能设施，使其从中受益，显然是双赢之举。

“我们假设，干旱和半干旱地区的草地恢复不仅可能受益于太阳能阵列中的有利条件，也可能受益于电池板创造的环境异质性，”他说。“我们期待很快能在科罗拉多州纳恩市新建的矮草生态光伏研究设施中测试这一设想的功能基础。”