農地上點狀追日型太陽能板對土壤生物多樣的影響

全球對於再生能源技術的需求正在快速增長，其中太陽能是最有前景的選項之一。為了應對能源需求和減少溫室氣體排放，太陽能的應用日益受到重視。在有限的可用土地資源下，將農業與太陽能發電結合的農業光電（agrivoltaics）系統成為一個有吸引力的解決方案。這種系統不僅能產生電力，還可能為農業提供額外的服務，例如保護作物免受氣候變遷和惡劣天氣的影響，以及增加農場的收入和能源自主性。

過去的研究大多集中在地面安裝的太陽能板對未開墾草地的影響，而對於農業光電結構，特別是具有雙軸轉動的追蹤型太陽能板（dual axis trackers）的研究則相對有限。農業活動本身會嚴重影響土壤生物多樣性，例如使用農藥或耕作方式都可能直接或間接影響土壤生物。因此，了解農業光電系統在這種背景下的影響至關重要，即瞭解點位追蹤型太陽能在遮蔭和地面錨定(ground anchoring)對農地土壤生物多樣性的直接和間接影響。

圖1. (A) 技術性追蹤器規格和 (B) 對混凝土基座附近植披難以種植的影響

研究假設，追蹤型太陽能附近由於遮蔭導致的微氣候變化、植被的自然發展以及安裝過程中的土壤擾動，會改變土壤環境，進而影響土壤生物群落的活動。這個研究比較了乾草草地（hay meadows）和冬麥田（winter wheat fields）中，追蹤型太陽能和農業管理對環境條件的影響，並量化了這些因素對土壤生物多樣性的相對重要性。

實驗地點在法國西部（布列塔尼和盧瓦爾河地區）的11個地點進行，其中5個為乾草草地，6個為冬麥田。這些地點的追蹤型太陽能已安裝2至7年不等。研究採用 Groupe OKwind® 的追蹤型太陽能，該追蹤型太陽能由高7公尺的桅杆頂部支撐的117平方公尺的太陽能板組成，面板可雙軸轉動以追蹤太陽。追蹤型太陽能的底座占地面積為 6.25 平方公尺，周圍無法耕作，因此雜草得以生長。

    在每個地點，研究人員在距離桅杆底座的不同距離和方向採樣：

l距離 1 公尺處，朝北和朝南（始終陰影覆蓋，麥田中為未耕作但有雜草的區域）

l距離 8 公尺處，朝北（部分時間陰影覆蓋）

l距離 8 公尺處，朝南（從不陰影覆蓋）

l距離 35 公尺處，作為對照點，不受追蹤器影響。

    研究人員將收集以下數據：

l土壤生物多樣性： 包括蚯蚓數量（epigeic, red anecic, black anecic, 和 endogeic 四個生態群體），節肢動物活動密度（跳蟲、鼠婦、千足蟲），以及土壤微生物活性（使用茶包指數 TBI 測量分解速率和穩定性）。

l環境變數： 包括土壤物理性質（顆粒大小、壓實度、濕度），土壤化學性質（有機碳含量、氮含量、pH值），植被高度、物種豐富度，以及遮蔭強度。

l農業管理： 透過標準化的農民調查記錄耕作方式，如氮肥施用量、農藥用量、耕作強度（針對小麥田）以及割草次數、割草間隔時間和肥料類型（針對草地）。

研究採用 偏最小平方路徑模型（PLS-PM） 分析方法，以量化農業管理和追蹤型太陽能對土壤生物多樣性的影響。

圖2. PLS-PM 模型結果顯示 LVs 追蹤器的總效應（間接與直接）以及 LV 農場管理對乾草草地與冬小麥田的總效應，影響各類生物（蚯蚓、節肢動物、微生物）的 LVs。括號內的數值代表顯示變數與其潛在變數之間的相關程度。虛線箭頭表示外生 LVs 與生物 LVs 之間的相關性（路徑效應）不顯著。箭頭的大小代表顯著性水平。藍色箭頭表示正相關，而橘色與紅色箭頭表示負相關。

結果顯示分述如下：

環境和生物變數的影響：

l不論土地類型，植物物種豐富度和遮蔭強度在距離追蹤型太陽能 1 公尺處較高。

l土壤的pH值、氮、碳和有機質含量在距離追蹤型太陽能 35 公尺處較高（在冬麥田中，pH值除外，8公尺以南也是如此）。

l在冬麥田中，雜草覆蓋率在 1 公尺處較高，而植物高度則較低。土壤石灰石含量在 35 公尺處最高。

l在乾草草地中，土壤碳氮比在距離追蹤型太陽能 1 公尺和 8 公尺（朝北）處較低，而土壤石灰石含量在 1 公尺處較高。

l蚯蚓數量和千足蟲活動密度在不同採樣地點間沒有顯著差異。

l在兩種土地類型中，鼠婦的活動密度在距離追蹤型太陽能 1 公尺處較高。

l在冬麥田中，跳蟲活動密度在 1 公尺處較低，而分解速率（k）和穩定性（S）在 35 公尺處較低。

l在乾草草地中，跳蟲活動密度和分解速率（k）在 35 公尺和 8 公尺（朝北）處較高。

微氣候的影響：

l在距離追蹤型太陽能 1 公尺和 8 公尺（朝北）處，相對濕度增量較高。

l土壤和空氣溫度在距離追蹤型太陽能 1 公尺和 8 公尺（朝北）處較低。

環境變數之間的關係：

lPCA 分析顯示，在冬麥田中，高耕作強度和高物種豐富度與高土壤壓實度和高粉砂含量呈現對立關係。

l在乾草草地中，高割草頻率和高土壤濕度與高土壤壓實度和高砂礫含量呈現對立關係。

PLS-PM 分析：

lPLS-PM 模型顯示，農業管理實務是影響土壤生物多樣性的主要因素，追蹤型太陽能的影響相對有限。

l在冬麥田中，農業管理主要影響蚯蚓的數量，追蹤型太陽能底座區域次之。節肢動物的活動密度主要受到農業管理的影響。分解速率則主要受到遮蔭強度的影響。

l在乾草草地中，農業管理對蚯蚓數量有負面影響，遮蔭強度和追蹤型太陽能底座區域次之。節肢動物的活動密度主要受到追蹤型太陽能底座區域的影響。分解速率則主要受到農業管理和遮蔭強度的影響。

從結果中可以發現一些重點：

l追蹤型太陽能的影響是距離相關的： 追蹤型太陽能附近的環境條件變化較大，主要是遮蔭影響，但與其他研究相比，本研究中追蹤型太陽能的影響較小。這可能是因為本研究的追蹤型太陽能是高架結構，而非地面安裝的太陽能板。

l追蹤型太陽能周圍的植被： 在追蹤型太陽能底座附近的植被物種豐富度較高，可能由於農業管理的限制而讓雜草得以發展。

l農業管理是關鍵： 農業管理實務對於土壤生物多樣性的影響遠大於太陽能追蹤器。在進行農業光電研究時，應重視農業管理對土壤生物的影響。

l需要更多研究： 未來研究應涵蓋更多不同類型的作物和草地，以及更廣泛的土壤類型和生物氣候區域，以更全面地了解追蹤型太陽能的影響。

l最佳化設計： 應考量太陽能裝置的類型，如固定式或移動式，以及它們對土壤的遮蔽程度和影響方式，從而設計出對土壤生態影響最小的光電系統。

l追蹤型太陽能周圍的植被管理： 可以考慮在追蹤型太陽能周圍種植開花植物，以提高節肢動物的生物多樣性。

結論

研究表明，定點追蹤型太陽能對土壤環境和生物多樣性的影響相對較小，與農業管理實務相比，其影響微乎其微。定點追蹤型太陽能的影響主要體現在遮蔭和土壤性質的改變，且這種影響集中在追蹤型太陽能附近。農業管理方式仍是影響土壤生物多樣性的主要因素。儘管追蹤型太陽能對環境的影響有限，但因為本次研究的追蹤型太陽能板的高度距離地面以上約7公尺高，因此地面陰影移動速度快，下面的農地區域只有暫時的陰影，仍需更多研究來評估不同類型的光電結構對土壤的影響。定點的追蹤型太陽能能有效地將作物/乾草和能源生產結合在同一塊土地上，同時最大限度地減少對當地環境和土壤生物多樣性的影響。

參考資料

Valentine, L., Guillaume, D., Paul-Emile, N. C., & Ronan, M. (2025). Impacts of punctual solar trackers on soil biodiversity in agricultural lands. Geoderma, 453, 117147.