由于全球人口的增长和工业能源的使用，可再生能源的发展已成为当今时代的主要社会挑战之一，光伏发电正是缓解气候变化和满足能源需求的一个具有广阔前景的解决方案。然而，光伏能源的生产需要大面积的土地来放置光伏板，在农业用地等开放地区安装光伏系统是成本最低的选择^[1]。研究表明，美国纽约州已有40% 的光伏设施在农业用地上开发^{[2, 3]}，从而引发能源生产与粮食种植之间的“争地”矛盾^[4]。在此背景下，光伏发电和粮食生产的结合——农业光伏系统^[1]，成为一种可持续性发展的土地利用新模式。

虽然以往研究大多关注光伏对环境的负面影响^{[3, 5, 6]}，如今已有越来越多的注意力集中到可再生能源与粮食生产合用的机会。农业光伏系统是指将土壤种植作物与安装在地面几米以上的光伏板相结合的系统^[7]。近年来，农业光伏系统的装机规模在世界各地稳步扩大。据统计，截至2020年1月，全球农业光伏装机容量约为2.8 GWp^[8]。中国是全球农光互补市场规模最大的国家之一，2019年底累计并网发电的农光互补项目约占光伏装机总容量的7%^[4]。2021年10月，国家发展和改革委等九部门印发《“十四五”可再生能源发展规划》 ^[9]，强调要积极推进“光伏+”综合利用行动，鼓励农光互补、渔光互补等光伏发电复合开发。农业光伏系统作为碳达峰行动方案的重要组成部分，将助力农业与能源协同战略和“双碳”目标的实现^[10]。

农业光伏系统既能够通过作物和能源生产提供供给产品，又具有气候调节、空气净化和防止土壤侵蚀等技术—生态协同效应^[11]，是协调社会经济发展与自然环境保护的优良模式。近年来，农业光伏系统的相关研究主要集中在土地利用效率评价^{[7, 12, 13]}、农业生产力评估^{[1, 8]}和微气候变化分析^{[7, 14-16]}等方面。关于农业光伏电站的社会经济效益也有部分讨论^{[8, 17]}。例如，Roy等^[13]研究发现电力与农产品的结合降低了电站总投资的回收期。Malu等^[18]对印度光伏葡萄农场的技术经济分析表明，与传统种植相比，农业光伏系统可以在保持葡萄产量的同时成倍增加年收入。Li等^[19]探讨了我国五种农业大棚的经济和社会绩效，同样取得了积极的评价结果。然而，极少有研究系统评估农业光伏电站的综合效益，尤其是对其生态系统服务功能的定量评价。Liu等^[20]采用当量因子法评估了宁夏宝丰电站的生态系统服务价值，但这一方法对于农业光伏电站等较小空间尺度的评价仍显粗糙^[21]。因此，迫切需要结合监测统计和实地调研数据，采用功能核算的方法对农业光伏电站的综合效益做出科学合理的评估。

生态系统生产总值（Gross Ecosystem Product，GEP）是指在一定区域一定时间内，生态系统为人类提供最终产品与服务的经济价值总和^[22]。生态系统生产总值的核算可以反映一个特定地区的生态效益，已成为合理高效配置环境资源的重要综合指标。然而，目前对生态系统服务（生态产品）的研究多集中在森林、草地、湿地等自然生态系统，对于人类活动胁迫下的社会—经济—自然复合生态系统的研究尚不多见^[23]，更是鲜有对农业光伏系统的针对性研究。生态系统生产总值核算为在区域尺度评估农业光伏电站的生态效益提供了定量基础，为探寻可再生能源生产与生态产品价值实现的平衡点和实现彼此增益提供了科学支撑。

基于以上研究需求，本研究尝试在生态系统生产总值核算的框架下，构建农业光伏电站的综合效益评估体系。浙江省是我国农光互补项目发展的优化发展区^[24]。长期以来，浙江省将光伏发电与农业种植、畜禽养殖、休闲旅游等多种生态模式相结合，在保证能源生产的同时实现了农业的经济可行性。因此，本文以浙江省乐清市某150兆瓦农光互补光伏发电项目为例来实证评估体系的可行性和有效性，具体研究内容包括：①分析电站2018—2021年社会经济效益和生态效益的构成及变化；②比较不同土地利用类型的生态系统服务差异；③探讨不同生态系统服务之间的权衡与协同关系。研究可为农业光伏电站优化配置以增加非发电收益提供借鉴意义，为促进可再生能源与生态产品价值协同奠定理论基础。

经济价值的估算采用市场价值法，以农产品（主要指水稻）的市场价格为基础估算农业收入，以光伏并网能源总量和上网电价估算发电效益：

(1)

(2)

(3)

式中：V_e为总经济价值（元/a）；V_m为农产品生产的价值（元/a）；V_ee为光伏能源生产的价值（元/a）；A为稻田面积（hm²）；P为单位面积农产品年均产量[kg/（hm²· a）]；C为农产品平均价格（元/kg）；OE为并网能源的总量（kW· h/a）；NP为光伏上网电价（元/kW· h）。

基于联合国千年生态系统评估^[25]、Costanza等^[26]和欧阳志云等^{[27, 28]}的研究，生态系统生产总值可分为供给产品、调节服务和文化服务三大类。其中，供给产品和文化服务的价值已经在市场交易中得到实现^[22]。因此，根据生态效益内涵和生态系统生产总值核算思路，本文对农业光伏电站的生态效益评估重点研究其调节服务，采用功能价值评估法，选取了水源涵养、洪水调蓄、土壤保持、固碳、释氧和空气净化六项功能指标进行核算并转化为货币单位（表 1）。

表 1

表 1 生态系统服务功能价值评估表[29-31]

表 1 生态系统服务功能价值评估表[29-31]

本文选取浙江乐清市某150兆瓦农光互补光伏发电项目实施区作为示范区。乐清市地处浙东南沿海属中亚热带季风气候，多年平均气温约17.7 ℃，年均太阳辐射量1287.7kW· h/m²，平均日照1789.9h，雨量充沛，水土肥沃，温和的气候条件有利于多种农作物生长。项目占地3880亩^①，装机容量为150 MWp，于2015年中开始建设，采取分段并网发电方式，2016年11月正式并网发电，年均发电量约1.8亿kW· h。

① 亩：中国市制土地面积单位，1亩≈ 666.7m²。

该农光互补电站在不改变用地性质的同时，实现了板上清洁发电和板下高效种植，是农业与光伏发电相结合的一种多方共赢模式。项目采用固定式正南20°倾角安装为主，平单轴转动跟踪式安装为辅。为考虑农业种植需求，设计提升支架的离地高度，实现最低不低于1.5m、最高超过3m的棚下种植空间。项目原本的土地利用类型为滩涂盐碱地，建设前是淤泥和成片的杂草，不适合农作物生长，2016年建成光伏设施后，交叉种植海水稻等优良耐盐碱作物对土壤进行改良，2018年实现了第一次水稻局部丰收（图 1）。

图 1

图 1 无人机拍摄的电站鸟瞰影像

鉴于该农光互补电站从2018年开始种植水稻并实现了第一次局部丰收，本文选择2018—2021年作为研究阶段对电站进行综合评价。本文使用的数据包括统计数据、遥感卫星数据和实地采样数据。每年的发电量、农产品产量和稻田田间管理信息等统计数据由电站提供。基于实地调研和区划设计图，采用目视解译的方法，利用谷歌地球卫星影像对研究区进行识别、判定和分析，划分为光伏水稻、光伏杂草和原生盐碱地三种土地利用类型。降水与蒸散发数据以及坡长坡度因子等遥感卫星数据来自中国空间技术研究院。实地采样在2021年8—9月植物生长旺盛时期进行，共设置18个样方。每个土壤样方随机设置3个采样点，使用土钻采集表层土样（0 ~ 20 cm）均匀混合。每个植物样方为1m× 1m，现场拍照测定植被覆盖度，并将样方内所有植物的地上部分进行收割。植物样品测定生物量（g/m²）和全碳含量（%），土壤样品测定土壤容重（t/m³）、有机碳含量（%）和机械组成，用于计算土壤可蚀性因子。本文涉及的其余核算参数和核算方法参照《生态系统生产总值（GEP）核算技术规范陆域生态系统》 ^[29]和相关文献。

该农光互补电站的土地具有发电和农业生产的双重收入（表 2）。电站具有非常高的电力效益，2021年生产的能源可以提供8020.07万元的价值。除此之外，在光伏板下种植水稻提供了额外的农业收入，板下每亩农作物产量呈稳步增长势态，显著提高了电站土地的产出效率。综合而言，1hm²土地每年可创造23.47万~ 26.22万元左右的经济效益。

表 1

表 2 2018—2021年该农光互补电站的经济效益

表 2 2018—2021年该农光互补电站的经济效益

水稻种植的四年间，电站的发电效益上下波动，但农业收益一直在稳步增长（图 2）。2018—2021年，水稻的亩产从200kg提升到420kg，农业收益增加值约为285.57万元，说明光伏+ 农业的组合系统可以在较短时间内提供可观的回报。虽然电站的经济效益95% 以上由发电收入构成，但农业收益的逐步增长也使其成为电站综合效益的重要组成部分。2020年开始，电站的农业收益已稳定在总经济收益的5% 左右，并且这一比例可能在今后持续增长。

图 2

图 2 2018—2021年该农光互补电站的经济效益

该农光互补电站还给周边村庄带来了上百个就业岗位，农业电站里的就业人群以五六十岁的中老年人为主，属于就业困难群体，而在农场则有了相对稳定的工作。他们每年的工作时间是5个月，日薪可达220 ~ 260元，显著提高了生活水平。此外，项目在“光伏板下、盐碱地中”两大限定条件下盛产水稻，将滩涂围垦的盐碱地改造成为高效农业种植基地，为当地开展盐碱性农光互补基地试验提供了借鉴意义，初步形成了良好的社会效益。

除了可直接获得的经济价值，电站也为周边环境提供了诸多无形的生态系统服务价值（表 3）。2021年电站可提供的生态效益约为2732.59万元，相当于当年农业和电力总收益的三分之一。各项生态系统服务功能价值从高到低依次为洪水调蓄、释氧、水源涵养、固碳、空气净化和土壤保持。总体而言，2018— 2021年，电站的生态效益呈小幅度上升趋势，总价值量增加了435.31万元，单位面积价值量从7.16万元/ hm²提升至8.52万元/hm²。其中，洪水调蓄功能的价值量增长最高，占总增长量的84.76%（368.97万元），说明光伏+ 水稻种植模式的洪水调蓄功能非常突出。其次是释氧和固碳功能，增加值分别为66.98万元和1.82万元。水源涵养功能的价值量降低了2.10万元，而土壤保持和空气净化功能无明显变化。

表 1

表 3 2018—2021年该农光互补电站的生态系统服务功能量和价值量

表 3 2018—2021年该农光互补电站的生态系统服务功能量和价值量

随着水稻种植面积的扩大，电站可提供的水源涵养功能逐年降低，空气净化功能波动下降，固碳和释氧功能逐年上升。电站的土壤保持功能基本稳定，说明水稻种植并没有显著改变降水导致的土壤侵蚀作用。洪水调蓄功能在2020年出现了显著的增长，说明经过两年水稻试种和田间管理，电站的洪水调蓄功能已提升到稳定的水平（图 3）。

图 3

图 3 2018—2021年该农光互补电站的生态系统服务功能动态变化 注：*** 表示P＜0.001，显示的相邻两个年份的均值比较的差异显著性，误差条显示的是标准差

空间分布上，各项生态系统服务存在一定的空间异质性（图 4）。其中，土壤保持功能在不同土地利用类型内部也显示了较为明显的差异性，光伏水稻区的单位面积功能量最高（4.03 kg/m²）。固碳和释氧的空间特征总体一致，具体表现为盐碱地（10.76 kg/m²）最高，其次分别是水稻区（7.13 kg/m²）和杂草区（3.07 kg/m²），主要与植被生物量有关。水源涵养和洪水调蓄功能均呈现由东南向西北逐渐递增特征，靠近海岸的区域功能量整体偏低。四年间，由于土地利用类型的转变和稻田田间管理措施的改进，水稻区的单位面积洪水调蓄功能量增长了1.5倍，单位面积固碳释氧功能量增长了1.88倍。

图 4

图 4 2018年和2021年该农光互补电站各项调节服务单位面积功能量

将每种生态系统服务功能进行最大—最小归一化，可发现不同土地利用类型提供生态系统服务的丰度不同（图 5）。与原生盐碱地相比，光伏杂草区提供的固碳释氧功能较低，而空气净化和土壤保持功能较高。2021年，光伏水稻区的洪水调蓄和土壤保持功能在三种土地类型中均为最高，其中土壤保持功能的丰度分别为盐碱地和杂草区的1.95倍和1.60倍。水稻区的固碳和释氧功能丰度略低于原生盐碱地，但接近杂草区的2.5倍。其次，2018—2021年，在盐碱地和杂草区生态系统服务丰度整体稳定的情况下，光伏水稻区的生态系统服务丰度得到了明显的增长。

图 5

图 5 不同土地利用类型的生态系统服务相对丰度

相关性分析结果显示，电站的水源涵养和洪水调蓄功能、固碳和释氧功能、土壤保持和空气净化功能均存在较强的正相关性，相关系数分别为0.92、1.00和0.83（图 6）。此外，土壤保持功能和水源涵养、固碳及释氧功能之间的负相关性显著，相关系数分别为-0.84、-0.82和-0.82。总体来看，水源涵养、洪水调蓄、固碳和释氧四类生态系统服务相互协同，而与土壤保持和空气净化功能存在权衡关系。

图 6

图 6 各项生态系统服务功能的相关性分析 注：*** 表示P＜0.001，显示的相关显著性。WC为水源涵养功能，FRS为洪水调蓄功能，CS为固碳功能，OR为释氧功能，SR为土壤保持功能，AP为空气净化功能

本研究建立了农业光伏电站的综合效益评估体系，并以浙江乐清市某农光互补电站为例进行实证分析，对类似农光互补电站的空间规划和农业管理具有指导作用。2021年，该农光互补电站的电力和农业收益分别为8020.07万元和396.99万元，农业收入占发电收入的4.72%，低于杨海宾等^[36]对宝鼎采煤沉陷区农光互补项目的评估结果（16.79%），考虑到该农光互补电站种植品种为水稻，收购价格和农业收入稳定但是经济价值相对较低，如果调整种植品种或开展板下养殖，农业收益仍有较大增长空间。电站的单位面积生态效益为7.16万~ 8.52万元/ hm²，马文鼎等^[37]对吉林一盐碱地改良项目的研究表明，改良农田的单位面积生态服务功能价值约为4万元/hm²，与本研究结果较为一致。

本研究同样发现了一些与以往研究不同的结果。王晶滢等^[38]对不同类型的盐碱地开发利用过程进行了生态系统服务价值变化研究，发现盐碱地开发为水田后在水资源供给和土壤保持等方面出现了显著的生态负效应。而本研究发现，在盐碱地到农业光伏系统的开发过程中，研究区的主要生态系统服务都出现了稳定的增长，说明光伏农业可以成为一种良好的盐碱地改良模式。此外，李理等^[39]对淇河流域的研究表明，固碳和水源供给、水源供给和土壤保持之间表现为权衡关系，而固碳与土壤保持呈协同态势，与本研究结果并不完全一致，说明生态系统服务之间的权衡与协同关系随着生态系统类型和研究尺度而变化，未来需要加强不同生态系统和不同尺度差异的研究。

可再生能源发展所带来的风险和机会，很大程度上取决于人类如何有效地利用土地。光伏能源对农业系统中土壤、生物、微气候等要素的协同改善或负面权衡，往往会产生不同的管理效果。尤其是在经济发达且人口密集的地区，农业光伏系统很可能成为未来可再生能源生产系统的重要组成部分。尽管农业光伏系统在世界各地的应用越来越广泛，但很少有相关的科学研究来系统评估其生态效益。其次，对于农业光伏电站这类特殊的社会—经济—自然耦合系统，由于研究尺度小、生态功能复杂而又有很强的人为干扰等原因，生态产品价值往往难以得到准确计量。本研究通过对小范围的农业光伏电站生态系统服务功能价值的核算，一方面可为类似农业光伏系统可持续利用和生态环境建设提供科学思路，促进农光互补技术的改进和应用；另一方面有利于更好地服务人类—自然耦合系统和能源过渡目标的相关决策。

总体而言，对该项目或类似的农光互补电站，首先，可以通过种植/ 养殖结构的优化和调整，提高农业收入，并实现整体生态系统服务的提升；其次，可结合当地特色，从单一的水稻种植转变为立体农业，譬如进一步研究农光互补鱼稻共生、鸭稻共生、水旱轮作等生态种养模式与配套技术^[40-42]；再次，可着力推进农业规模化、产业化发展，形成具有影响力的光伏农产品品牌；最后，农光互补电站需要开发其科技文化和旅游资源潜力，促进文化服务的价值实现。此外，本研究以单一的光伏+ 水稻农光互补模式为研究对象，未来可以进一步研究其他“光伏+”模式的综合效益，进一步完善核算方法，比较不同模式的优缺点和适宜范围。同时，本研究所有核算结果均基于2021年的实地调研数据，未来可以开展长期监测和实地调研，分析生态产品及其空间权衡与协同的时空动态和背后的驱动机制。

农业光伏系统作为一类特殊的人与自然耦合系统，既实现了能源与农业双向增益，又促进了经济与环境协调发展。对农业光伏电站的综合效益进行定量评估，有助于推进光伏产业探索发展新路径，为我国生态建设和粮食安全做出积极的贡献。该150兆瓦农光互补光伏发电项目是未来农光互补发展的一种有效模式，2018—2021年，电站每年的经济效益在7534.11万~ 8417.06万元，发电收益上下波动，农业收益稳步增长，显著提高了电站的土地产出效率。电站每年还可为周边环境提供2257.53万~ 2732.59万元的生态效益，约为农业和电力总收益的1/3。4年间，电站的洪水调蓄功能价值量增长最高，固碳释氧功能增长幅度最大，说明光伏+ 水稻农光互补模式在洪水调蓄和固碳释氧方面发挥了较大作用。该农光互补电站是光伏产业助力乡村振兴、探索共同富裕新路径的缩影，具有较大的推广应用前景。未来，各级政府和光伏企业应该高度重视农业光伏电站的生态系统服务功能，对农光互补项目开展过程中的综合效益进行客观合理的评估，从而实现经济效益和生态效益双赢，促进新型光伏产业可持续发展。