“光伏+草業”模式促進草原牧區光伏發電與草業發展共贏

摘 要：光伏產業是當前中國發展最為迅猛的新能源產業之一，但大面積土地占用和電力消納是限制地面光伏電站大力發展的瓶頸。近年來，中國的光伏電站建設正向土地價格低廉的草原牧區快速擴展；與此同時，中國的草原面臨退化嚴重、草業生產效率較低，特別是草原牧區電力供給能力薄弱的問題。因此，如何將光伏發電與地方草業發展有機結合，實現草原牧區清潔能源生產和草業發展的雙贏，是光伏產業與草業發展面臨的新問題和新機遇。通過論述中國草原牧區應用“光伏+草業”模式對光伏發電和草業發展的益處，指出了“光伏+草業”模式的發展需要解決的主要問題和未來研究與實踐探索的主要方向。將光伏發電與地方草業結合能充分發揮二者各自的優勢、彌補短板，從而實現雙贏。隨著技術的不斷進步，“光伏+草業”模式的運營機制會不斷完善，該模式下的光伏發電技術、草業生產技術和運營管理機制等問題都能夠得到解決。未來，低碳、環保、高效、高收益的“光伏+草業”模式必將在中國廣大的草原牧區得到大力應用。

關鍵詞：光伏發電；占地矛盾；機械化；草業；草原牧區；放牧；退化草地恢復

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

收稿日期：2023-11-04

基金項目：吉林省科學技術廳自然科學基金項目（20200201137JC）

通信作者：邢福（1963—），男，博士、教授，主要從事光伏陣列對草地生態系統服務與功能影響等方面的研究。xingf522@126.com

0" 引言

能源是維持人類生存和社會經濟發展的基石，但傳統的化石燃料消耗導致諸多環境問題產生。因此，發展可再生能源已成為全球能源發展的主流方向。太陽能作為環境友好的可再生能源，近年來迅速發展且發展潛力巨大。根據國家能源局的統計數據，2022年，光伏發電年新增裝機容量達到87.41 GW，成為新增裝機規模最大、增速最快的電源類型[1]。

從太陽能資源和土地成本方面來看，中國西北地區適合建設光伏電站。根據國家統計局能源統計司的統計數據，2021年內蒙古自治區、新疆維吾爾自治區、西藏自治區、青海省、甘肅省和寧夏回族自治區這6個省（自治區）的光伏發電總量為955.41×108 kWh，占全國光伏發電總量的29.33%[2]。近年來，光伏電站建設選址已逐漸從荒漠區向草原區擴展，例如：在內蒙古自治區和松嫩平原的草原區建設的光伏電站快速增多[3]。

由于光伏發電的技術特點，其能量密度較化石能源的更低，需要安裝大量的光伏組件來接收太陽能，導致“爭地沖突”成為地面光伏電站建設面臨的主要挑戰之一[3]。為解決這一問題，“光伏農業系統（agrivoltaic systems）”這一新概念應運而生[4]，應用該系統能夠使同一塊土地生長更多的農作物。除用于農業照明外，光伏發電還可應用于諸多農業生產環節[5]，并可與農業溫室、種植、養殖等諸多分支行業耦合，以提高土地整體的生產力和經濟收益[6-7]。目前，除“光伏+農業”模式外，“光伏+漁業”“光伏+建筑”“光伏+交通”“光伏+防沙治沙”等創新產業模式也已逐步涌現[8]。

目前，中國草原牧區中已經存在光伏發電與地方草業發展相結合的應用思路，且已有付諸實踐的項目。比如：青海省塔拉灘光伏電站采用“牧光互補”模式，光伏發電結合種草技術恢復草地用于放牧，從而實現了光伏發電、養殖和荒漠草地生態修復的多重效益[9]。

在光伏農場內放牧是一種流行的土地雙重利用模式，主要是因為放牧能夠控制牧草生長，從而可避免光伏組件被牧草遮擋[10]。比如：在松嫩草地南部長嶺縣的串坨子光伏電站，其采取了“牧光互補”設計，在光伏組件下方可以放羊、放鵝；在家畜養殖中也已經出現了光伏羊舍和光伏露天養牛場等應用形式[3]。

此外，光伏水泵灌溉系統是偏遠地區退化草地恢復的一個創新性解決方案，其為提高草地生產力提供了巨大的推動力[11]。目前，光伏水泵灌溉技術已經在內蒙古自治區、新疆維吾爾自治區、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、西藏自治區得到了廣泛的應用與推廣，并取得了良好的經濟效益和社會效益[12]。

目前，中國光伏發電與草業發展相結合的模式尚處于“萌芽”階段，特別是天然草原放牧、割草利用、人工草地建植和飼草（料）生產如何與光伏發電有機結合的應用模式尚罕見報道。本文對“光伏+草業”概念的內涵進行闡述，分析在中國草原牧區應用“光伏+草業”模式對光伏發電發展和草業發展的益處，針對“光伏+草業”模式在電力就地消納、退化草地恢復、放牧與管理和人工草地建植中可能的應用途徑進行探討，以充分發揮光伏發電與地方草業二者各自的優勢、彌補短板，期望為中國“光伏+草業”的深度融合發展、實現雙贏提供科學的參考依據。

1 “光伏+草業”概念的內涵

“光伏+草業”為一種應用模式，即在草地經營的基礎上將光伏發電與草業生產進行耦合，形成“草-畜-光”互補的光伏草業系統，實現草原牧區清潔能源生產與草業生產的雙贏。“光伏+草業”模式的構成要素框架圖如圖1所示。

“光伏+草業”模式中，在草原牧區建立地面光伏電站，其中一部分電力作為當地居民生活用電和草業生產用電就地消納，剩余電力并入電網。光伏電力就地消納，主要用于天然草原和人工草地的經營與管理、草產品和畜產品的加工與儲藏、家畜管理等一系列草業生產環節；通過增加草業生產中光伏電力的應用，加快實現草業生產的機械化和電氣化，提高草業生產的生產效率，并增加經濟收益。以集中式光伏電站為依托，可以設計并實施科學的放牧管理制度，開展特種動植物養殖；或結合圍欄、灌溉、施肥、松土、補播等技術促進退化草地的恢復，大幅提高光伏場區內的牧草產品或動物產品的產量，提高單位面積草地的總體經濟收益（包括光伏電力收益和草業收益），同時提升草地生態系統的生態效益。

2 “光伏+草業”模式對光伏發電發展的益處

2.1" 緩解占地矛盾，降低建設成本

集中式地面光伏電站的開發建設面臨可利用土地資源緊缺的嚴峻挑戰（每吉瓦占地面積平均約為17.5 km2）[13]。近年來，建設在草原的光伏電站占用的土地面積呈逐漸增多的趨勢。2021年，全國各級草原行政主管部門審核審批征占用草原用于光伏發電類項目的面積為3872.83 hm2 [14]。在中國廣闊的草原牧區，除了太陽能資源豐富外，土地價格相對低廉，因此在草原牧區實行“光伏+草業”模式，可以兼顧光伏電站投資方和草原土地使用權所有者的利益，能夠緩解地面光伏電站的占地矛盾并降低其土地使用成本。

2.2" 強化光伏電力就地消納，緩解“棄光限電”現象

在中國草原牧區，離（電）網的散居牧民數量仍占一定比例[15]。這些散居牧民的生活，特別是冬季取暖仍然是依賴以畜糞為主的生物質燃料[16]。由于無電可用或電力供應不足，草原牧區的草業生產活動多采用傳統方式進行，生產效率較低。目前在草業生產的各環節中，仍然以使用燃油動力的農用機械為主，存在成本高及有污染等缺點，而新能源動力農用機械的使用尚屬罕見。因此，在中國廣大的草原牧區推行“光伏+草業”模式，光伏電力就地消納的潛力巨大，必將有效緩解電力消納問題。

2.3" 降低除草成本，消除火災隱患

定期清除光伏組件下方的雜草和灌木是預防火災的必要管理措施，需要投入一定的人力和財力。一般在草地上建設的光伏電站都會建設圍欄，以保護光伏發電設施。草原上光伏電站的圍欄禁牧與草原管理中的圍欄禁牧同樣具有恢復植被的效果[3]。即使是建設在植被稀疏的荒漠上的光伏電站，幾年后其圍欄范圍內的植被也會有明顯恢復，若這些植被不及時清理，不僅會增加火災風險，還會對光伏組件造成遮擋，影響其發電效率。

以吉林省西部草原上某裝機容量為40 MW、占地面積為100 hm2的光伏電站為例，該光伏電站除草1次的總費用約為13萬元；青海省塔拉灘光伏電站采用在光伏組件下方放羊，從而抑制植被生長的方式，大幅減少了除草費用[9]；長嶺縣的串坨子光伏電站采用在光伏組件下方放羊、放鵝的模式，既降低了光伏電站的運維成本，又可為當地牧民帶來一定的經濟收益。

3 “光伏+草業”模式對草業發展的益處

3.1" 加快草業生產中的機械化、電氣化進程

農業機械化是農業現代化的標志，反映了農業綜合生產能力。中國主要糧食作物生產的農業機械化程度已超過85%，但畜牧業機械化水平相較于西方發達國家仍有較大差距。農業機械電氣化被視為未來的發展趨勢[17]，尤其在解決燃油成本高、環境友好、性能和生產效率方面，優勢更為突出，目前法國、英國研制的電動拖拉機已在實際農業生產中投入使用[18]。在中國廣闊的草原牧區光伏發電迅速崛起的背景下，農業機械的電氣化必將加快草業生產的機械化和電氣化進程。預計未來電氣化農業機械將在松耙、播種、灌溉、施肥、刈割、青貯、草籽加工、補飼、舍飼、剪毛、擠奶、家畜防疫和植物病蟲害防治等草業生產環節中發揮越來越大的作用（應用示意見圖1）。

3.2" 促進退化草地恢復

3.2.1" 光伏圍欄

圍欄封育是恢復退化草地的一種常用措施。文獻[19]的研究表明：在退化草地、荒漠或干旱沙地上建設光伏電站后，圍欄禁牧有利于植被、土壤和生物多樣性的恢復。2010—2020年間，在青海省塔拉灘戈壁上建設的光伏電站，其圍欄內的植被的凈第一性生產力處于上升趨勢[20]。在松嫩平原鹽堿化草地上，光伏電站對植被和土壤的碳、氮含量均有明顯的恢復作用[3]。對于建設在澳大利亞亞熱帶草地上的光伏電站而言，固定傾斜式光伏陣列下草地的生物量比全光照下草地的生物量提高了15.82%[21]。此外，光伏電站投資方承擔光伏圍欄的建設和維護成本，減輕了中央和地方政府的經濟負擔[22]，使圍欄封育措施得以落實并能夠長期保持。總之，光伏圍欄客觀上發揮了保護光伏發電設施和恢復退化草地的雙重目的。

3.2.2" 光伏灌溉

中國的草原牧區多分布在干旱、半干旱地帶，其中水分是草原的限制性因子，會直接影響草原植被的凈第一性生產力。在這種情況下，灌溉被視為提高天然草場和人工草地產草量的有效手段。然而，受水源、地形、汲水動力來源和投入成本的限制，對天然草原實施大規模灌溉通常面臨巨大困難。目前，方便野外布設的光伏水泵灌溉系統已經成熟并開始應用，并在草原牧區逐步推廣[12]。

3.3" 有利于家畜的放牧與管理

在光伏場區內放牧是“光伏+”產業模式拓展背景下出現的一種新的放牧方式。在空曠的草原上，夏季強烈的光照和高溫會影響家畜采食，加劇其體能消耗；而光伏場區內的環境則迥然不同。光伏陣列可為家畜提供遮陽條件，光伏組件下較為涼爽、濕潤，這種舒適的采食和憩息環境有利于家畜采食和健康成長[6]；在冬季、春季，光伏陣列還具有阻擋風沙的作用[9]。

劃區輪牧是一種科學合理的放牧制度，實施劃區輪牧的基礎設施條件就是建立輪牧小區圍欄。根據現場勘察，借助光伏支架（立柱）搭建輪牧小區的隔離圍欄十分方便；在劃區輪牧制度設計的技術層面，結合光伏陣列布局來規劃輪牧小區也并不復雜[22]。因此，將劃區輪牧制度從常規草地場景“嫁接”到光伏陣列場景來實施總體上是可行的。

3.4" 推動人工草地建植

根據第3次全國國土調查數據，中國人工草地面積僅占草地總面積的0.22%[23]，2021年中國草產品的進口總量為204.52萬t，同比增加19%[14]。這些數據突顯出中國人工草地規模小、草產品不能自給的問題。

大力發展人工草地是解決草原超載放牧和嚴重退化的可行途徑。據估算，截至2019年底，中國人工草地的種植面積已達5.18×104 hm2 [23]。若開發水源進行灌溉，可用于人工草地建植的土地面積將會更大。文獻[24]的研究表明：灌溉可使草場的產草量增產5～20倍，甚至更高。而在人工草地的開墾、耕種、牧草收割與加工、雜草和病蟲害防治等技術環節，充足、便捷的光伏電力供應及由光伏電力支撐的草業生產的機械化和電氣化，必將極大地加快草原牧區人工草地建植的步伐。

4" 展望

依據“光伏+草業”模式構成要素的框架，未來可能需要在以下3個方向上重點開展研究與實踐探索。

1）光伏發電與放牧相融合。研究光伏發電環境對家畜采食行為及其生產能力的影響；研究光伏發電與放牧交互影響下植被的凈第一性生產力的時空動態與格局；構建光伏發電環境下的劃區輪牧制度，打造光伏放牧系統與養殖產業園區。

2）光伏發電與人工草地建植相融合。研究牧草對光伏發電環境的適應性并篩選適宜的草種；研究光伏人工草地的建植、灌溉、施肥等配套技術的集成與示范；設計人工草地作業友好型光伏陣列結構與布局；建立高效、優質、低碳的光伏人工草地產業園區。

3）光伏發電與退化草地恢復相融合。研究不同光伏陣列結構對草地植被的恢復效果；建立放牧場、割草場的分布式光伏水泵灌溉制度；以由光伏電力支撐的草業生產的機械化和電氣化為基礎，研究退化草地的綜合恢復技術。

5" 結論

在光伏發電迅猛發展并向其他產業拓展、融合的背景下，本文分析了在中國草原牧區應用“光伏+草業”模式對光伏發電發展和草業發展的益處，將光伏發電與地方草業結合能充分發揮二者各自的優勢、彌補短板，從而實現雙贏。在二者融合發展的過程中，尚有光伏發電技術、草業生產技術和運營管理機制等問題需要逐步探索和解決。但隨著技術的不斷進步，“光伏+草業”模式的運營機制會不斷完善，上述問題一定能夠得到解決。未來，低碳、環保、高效、高收益的“光伏+草業”模式必將在中國廣大的草原牧區得到大力應用，實現清潔能源生產和草業生產雙贏的目標。

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\"PV + PRATACULTURE\" MODEL PROMOTES A WIN-WIN

SITUATION BETWEEN PV POWER GENERATION AND PRATACULTURE DEVELOPMENT IN

GRASSLAND PASTORAL AREAS

Zhang Bin1，2，Wang Sitong1，2，Wang Shiwen1，2，3，Xing Fu1，2

（1. Key Laboratory of Vegetation Ecology，Ministry of Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；

2. Jilin Songnen Grassland Ecosystem National Observation and Research Station，Changchun 130024，China；

3. Liaoyuan Academy of Agricultural Sciences，Jilin Province，Liaoyuan 136200，China）

Abstract：The PV industry is one of the most rapidly developing new energy industries in China，but large-scale land occupation and power consumption are bottlenecks that limit the vigorous development of ground PV power stations. In recent years，the construction of PV power stations in China has rapidly expanded towards grassland pastoral areas with low land prices. At the same time，China's grasslands are facing severe degradation and low efficiency in prataculture production，especially the weak power supply capacity in grassland pastoral areas. Therefore，how to organically combine PV power generation with local prataculture development，and achieve a win-win situation for clean energy production and prataculture development in grassland pastoral areas，is a new problem and opportunity faced by the PV industry and prataculture development. This paper discusses the benefits of applying the \"PV + prataculture\" model in grassland pastoral areas of China for PV power generation and prataculture development. It points out the main problems that need to be solved in the development of the \"PV + prataculture\" model and the main directions for future research and practical exploration. Combining PV power generation with local prataculture can fully leverage their respective advantages，make up for their shortcomings，and achieve a win-win situation. With the continuous advancement of technology，the operation mechanism of the \"PV + prataculture\" model will continue to improve，and problems such as PV power generation technology，prataculture production technology，and operation management mechanism under this model can be solved. In the future，the low-carbon，environmentally friendly，efficient，and high-yield \"PV + prataculture\" model will be vigorously applied in China's vast grassland pastoral areas.

Keywords：PV power generation；land occupation contradiction；mechanization；prataculture；grassland pastoral area；graze；restoration of degraded grasslands