中国2020年提出“双碳”目标，这就要求我国能源结构发生深刻转变，尽快完成能源转型变革^[1]。太阳能具有无污染性、安全无风险性、可持续性和分布范围广等特点，成为发展前景较高的新能源之一^[2]。光伏发电不仅是我国实现“碳达峰、碳中和”的重要措施，也是加快形成清洁能源利用新格局的必然举措^[3]。目前，随着低碳节能和减排降碳等环保理念的提出，在荒漠生态系统和草原生态系统中建立了大量的光伏电站^[4]。我国西北荒漠区作为全国太阳能资源储量最丰富区域之一，具有海拔高、水汽少、云层薄、年日照时间长和年辐射总量大等特点^[5]。随着《“十四五”现代能源体系规划》的提出，加快西北荒漠区光伏电站的建设已成为今后新能源发展的趋势^[6]。光伏电站的建立改变了其所处区域地表形态，在其建设和运行中对局地降水、土壤、气候和生物多样性造成不同程度的影响；使得西北荒漠区固碳潜力、水土保持、防风固沙和生物多样性等生态功能发生变化^[7]。

研究西北荒漠区光伏电站的建立与降水、土壤、气候和生物之间的关系，了解荒漠区布设光伏电板对周围环境的影响，是西北荒漠区实现保护生态与节能减排双赢的重要保障。笔者收集并整理大量相关文献，从“水、土、气、生”4方面综述西北荒漠区光伏电站建设期和运行期对其生态环境的影响。旨在为西北荒漠地区建设光伏电站的发展、选址和生态修复提供参考意见。

关于西北地区光伏电站项目对局地降水影响研究较少。光伏电板的布设导致地表反照率降低，引起气流汇聚，使降雨量增加50%左右^[8−9]。光伏电站的建立不会直接对局地降水产生影响，而是通过改变地表反照率间接影响蒸发量和降雨量^[10]。通过模拟发现西北地区建立光伏电站能使局地总降水量增长10% ~ 40%^[8]。翟波等^[11]通过研究光伏电板降水再分配与土壤水分蒸散分异规律，发现光伏电板前沿下方较未架设电板处降水量增加大约110 mm，产生这种现象的原因是光伏电板具有汇水作用。

光伏电站建设对局地土壤的影响包括：施工前的场地平整和建设中的挖填土方会对原生地表土壤造成严重损坏；以及运营中光伏电板对电站内风沙流产生一定程度的影响，造成土壤沉降过程发生改变，进而导致光伏电站内表层土壤发生变化^[11]。

光伏电站建设过程中施工作业产生的碾压、挖方和复填等方式都会造成土壤板结、肥力下降和水土流失，进而影响土壤理化性质^[12−14]。研究表明，电站内土层深度为20 和30 cm时土壤含水量较流动沙丘分别增加1.20%和0.73%^[15]。陈曦^[16]对光伏部件不同位置的土壤机械组成进行研究，发现光伏板前沿土壤粒度表现出由西到东先粗粒化再细粒化的现象，光伏板正下方和光伏板后沿土壤较前沿细沙含量明显增多。电站内遮荫区域较未遮荫区域土壤含水量、土壤pH值、土壤电导率、土壤速效磷钾含量均减少，而土壤密度呈现增长趋势^[17]。通过研究高寒荒漠草原区的光伏电站发现站内土壤含水量、有机质和全氮含量较未建设光伏电站区均显著增加^[18]。通过研究河西走廊戈壁滩光伏电站对局地土壤和植被的影响发现，与光伏电站外围相比，光伏阵列内土壤速效磷含量显著升高，但是土壤全效氮、磷、钾含量变化并不显著^[19]。

风蚀是导致土壤沙漠化的主要原因之一，风会把地表细粒物质带走，使粗粒物质增加，导致土壤养分含量减少，土壤质量下降，土壤抗蚀性减弱，进而破坏当地土壤生态系统的稳定性^[20]。我国光伏电站主要建设在西北地区的沙漠、戈壁和荒漠等区域。这些地区生态环境十分脆弱，植被稀少、土壤水肥条件较差、植物生产能力极低^[21]。光伏电站建设时的场平、光伏电板支柱下埋和地下埋线等工作都会对该区土壤结构造成一定程度的破坏，原本土地上稀少的植被被碾压，地表裸露程度加大，为土壤风蚀提供了有利条件^[22]。光伏电站进入运营期后，开展的一系列生态恢复措施能够削弱土壤风蚀，原因是光伏阵列的布设会增加地表粗糙度，减弱近地层风速，进而降低光伏电站内的地表输沙量^[23−24]。光伏板的架设对风速具有一定的削弱作用，能够有效降低近地表风速，增加土壤抗蚀性。

光伏产业的发展是构建新能源体系的重要步骤。厘清光伏系统中碳循环机理对于促进新能源快速转型具有重要意义^[25]。光伏电站建设地的气候情况、土壤情况和植被类型，很大程度上决定了植被−土壤界面上产生的碳通量情况^[26]。Lambert ^[27]发现3月份光伏板下土壤碳排放量低于光伏板行道间，这可能是3月份气温较低、光照不强烈，不能激活土壤中的微生物，使其对植物呼吸产生影响，未能进一步影响土壤碳排放。

土壤温度对地表能量平衡起到至关重要的作用，土壤温度能够客观的表征土壤热状况，对气候变化具有重要意义^[28]。光伏电站对土壤温度的影响因季节变化而存在差异。光伏电板对板下土壤具有冬天升温，春、夏降温的效果^[9]。日间光伏电站内表层土壤温度小于光伏电站外，表明光伏电板具有遮阴保湿作用 ^[29]。土壤湿度与土壤温度具有密切的联系，降水和蒸发通过土壤含水量的形式反映土壤湿度^[30]。由于光伏电板的遮挡作用，生长季光伏电板下土壤含水量比光伏电板间土壤含水量高。有降雨时，降雨沿光伏电板前沿边缘集中下渗，引起土壤湿度分布的异质性，导致光伏电板下方土壤水分高于光伏电板之间的行道区域，这种现象在干旱区尤为明显^[31]。在固定轴光伏电板下方表层土壤（0～10 cm）土壤含水量每年平均增加14%左右^[9]。Tanner 等^[32]同样发现莫哈韦沙漠的光伏板下土壤湿度显著增加。

土壤微生物在参与土壤生态和环境功能以及免疫功能中起重要作用，是维持土壤健康的重要因素^[33]。土壤微生物群落多样性主要由降水量和土壤温湿度决定^[34−35]。丁成翔等^[36]发现光伏电站建立6 a后光伏电站外土壤原核微生物的系统发育多样性、物种丰富度和Shannon-Wiener指数显著高于光伏电站内，土壤原核微生物门水平丰度与土壤水分含量呈负相关关系。工程建设降低0～60 cm土壤细菌、真菌和放线菌的数量^[37]。王诗雯^[38]发现光伏板阵列改变草地土壤细菌和真菌群落的组成与结构，显著提高了土壤细菌和真菌的α-多样性。

目前对于光伏电站如何影响局地气候的研究主要运用现场观测法^[32]。光伏发电的原理是将太阳能转化成电能，影响太阳辐射到达地面的过程。太阳能光伏板的布设会对局地下垫面产生影响，在一定程度上影响当地气候。

光伏电站的建立不仅影响太阳辐射的吸收和释放过程，而且对地表辐射平衡也产生一定的影响，光伏电板的布设改变了地表反照率和太阳辐射的分配方式^[39−40]。光伏电板布设角度和方向对太阳辐射起到拦截作用^[41]。不同位置的太阳辐射在不同季节和年份之间差别很大，所以光伏电板安装倾角一般会根据所处位置的太阳辐射拦截最大化原则确定^[42]。跟踪式光伏电板和固定式光伏电板可以使地表可获得太阳辐射量分别减少50%和80%左右^[43]。在莫哈韦沙漠，光伏电板可以减少85%左右的光和有效辐射^[32]。杨丽薇等^[44]通过观测格尔木光伏电站地表辐射发现，夜晚光伏电站对地表具有保温作用，白天则相反。在西北地区大规模建立太阳能发电站会导致局地地面净短波辐射增加，热通量升高^[45]。

光伏电站的布设改变了地区原有的辐射平衡，光伏电板的架设对地表起到一定遮阴作用，同时对近地表形成扰流作用，进而影响大气温湿度，昼夜间光伏电站局地大气温湿度也具有差异性^[46]。高晓清等^[47]研究发现距离地面2 m时，光伏电站具有“增温降湿”作用；而距离地面10 m时，具有“降温增湿”作用。Chang等^[48]的研究同样发现白天光伏电板上的温度高于周围环境，可能会产生“热岛效应”，而晚上光伏电板温度低于周围环境。赵鹏宇等^[49]发现在沙漠区光伏电站存在“热岛效应”，夏季晴天光伏电站具有增高温度和降低湿度的作用，距离地面1.0 和2.5 m处光伏电站均具有“增温降湿”的效果。

光伏电板防风固沙作用体现在2方面：一是光伏电板自身对于风沙流阻碍作用；二是光伏板截留的雨水和清洗水集中下渗促进植物生长，起到固沙作用^[50]。对磴口县光伏电站进行研究，发现光伏电板前沿和后沿处风速较光伏电站外明显下降^[51]。光伏阵列与风向垂直时，光伏阵列内风速与输沙量降低程度最大，夹角为85°～90°、高度为200 cm时光伏电站阵列内平均风速降低64.25%^[52]。光伏电板的尺寸、安装角度、距离地面的高度以及排列组合方式都会影响地形地貌和下垫面植被状况，进而影响光伏电站周围的流场分布。对毛乌素沙地的光伏电站进行观测发现，光伏电站内 20 和200 cm 高度处风速分别降低 44.06%和 63.68%^[53]。郭彩贇等^[54]发现，在库布齐沙漠光伏电站光伏电板的作用下，周围的气流场产生分异区，即板下集流加速区、板前板后遇阻减速区、板面抬升区和板间恢复区；光伏电板对 20 cm 高度处风速影响最大，主要降低光伏设施附近的风速，向两侧板间区域过渡时风速逐渐恢复。袁方等^[53]在毛乌素沙地的光伏电站观测发现光伏电板增加了近地面出风口处风速，降低了远地面进风口处风速。光伏电板在边缘区对接近垂直电板方向气流的作用机理是设置导风板通过“汇流加速”作用，来增加近地面出风口风速^[55]。目前关于光伏电站对风沙输移规律研究较少，陈曦等^[56]发现，光伏板前、后沿处为风蚀状态，光伏电板行道间为堆积状态，这可能和光伏板的布设影响风沙流结构有关。光伏板对风沙流的导向作用，导致光伏板下方形成气流加速区，出现掏蚀现象。不同研究者在不同观测时期的环境地形地貌、风况、光伏电板安装规格、安装角度、高度、间距等条件下，得到光伏阵列地表风沙输移规律的影响规律不具有一致性。

光伏电站在建设施工期开挖和碾压会对原生地表植被的生长产生影响，一般而言，光伏电站的施工期短，所以光伏电站建设时，虽然个别物种数量减少，但不会导致物种在该区域内直接消失^[57]。目前对于光伏电站对植物多样性的影响研究主要集中在植物多样性和植物生物量两方面。Armstrong 等^[57]研究英国草地光伏电板下、板间行道和光伏电站外的对照区域的植物生物量和植物多样性，发现光伏电板下植物生物量和植物多样性相对其他两个区域较低。王涛^[17]发现光伏电站内植物种类、丰富度、均匀度和优势度以及生物量较光伏电站外均有所增加，而光伏电站内光伏板间的行道处植物种类、丰富度、均匀度、优势度和生物量均高于光伏电板下。翟波等^[58]研究发现光伏板正下方物种丰富度、均匀度、优势度较光伏板前沿和后沿都显著减少，而植被生物量为光伏板下方高于光伏板前沿和后沿。

目前光伏电站建立对动物多样性的影响鲜少研究。光伏电站在建设过程中由于临时道路的修建、人为活动的干扰以及原材料堆放会影响动物的栖息地，施工过程中的噪声也会对动物产生影响，有些动物会选择迁徙^[59]。Suuronen等^[60]发现，蜘蛛目（Araneae）、鞘翅目（Coleoptera）、双翅目（Diptera）和膜翅目（Hymenoptera）等动物将固定式光伏电板作为它们生活的避难所，光伏电板下蜘蛛（Arachnoida）数量最多。美国的一篇报道指出，Ivanpah太阳能光伏发电会对当地的沙蜥（Phrynocephalus versicolor）产生威胁^[61]。由此看来，光伏电站的建立能对本地动植物的生活条件造成一定影响，也可能为某些特定动植物创造新的栖息地。

对于光伏电站的研究，国外大多运用模型模拟和大尺度进行研究，我国目前主要基于对野外观测资料的分析，通过对太阳辐射、大气温湿度、土壤温湿度和土壤理化性质等指标的比较，分析光伏电站对局域生态环境的影响。光伏电站运营期能够导致地表反照率降低增加降水量；增加土壤含水量、有机质含量和全氮含量；提高土壤细菌和真菌的α-多样性。光伏电站建设期的挖填方，短时间内会对局地原生植物造成破坏，加剧西北荒漠区的风沙活动。在西北荒漠区建设光伏电站选址时要尽量选择原生植被较少，沙丘起伏程度较小，坡度最好不要超过3°，风沙活动相对较小，且对光伏板布设及日常运行和维护不构成威胁的区域。

不同立地类型和气候环境都会导致光伏电站对其所处环境的土壤、植被、小气候以及生物多样性等方面产生不同程度的影响。深入研究西北生态脆弱区光伏电站及其环境的互馈机制有利于维持我国西北地区生态平衡，促进生态环境友好可持续发展。近年我国光伏电站发展势头迅猛，对其如何影响生态环境的研究比较多，而怎样能使光伏电站可持续利用也是未来几年或者几十年，我们将面临的一个现实问题。因此，未来在西北荒漠区光伏电站选址过程中一定要考虑工程建设对生态环境的破坏程度以及对周围人文环境的消极影响，并提前做好生态恢复规划。另外关于光伏电站对西北荒漠区降水、动物迁徙、植物群落组成、昆虫和土壤微生物的影响研究相对较少，还需要进一步加强。