杰罗姆·杜莫蒂埃 | 拉斐尔·M·阿尔梅达
印第安纳大学印第安纳波利斯分校奥尼尔公共与环境事务学院，印第安纳州印第安纳波利斯市，邮编46202，美国
**摘要**
在美国，大规模太阳能设施在农田上的扩张引发了关于将农业用地用于能源基础设施的公众讨论，包括其对农作物生产和商品价格的潜在影响。这一问题尤为突出，因为即使是在高产农田上，土地收购也仅占光伏安装总成本的一小部分。我们使用了一个部分均衡的县级农业模型来模拟静态反事实情景，探讨用太阳能农场替代耕地可能对美国主要作物的土地分配、作物价格、农业生产及农场收入产生的影响。在我们的基准太阳能扩张情景下，如果40%的未来太阳能开发项目位于耕地上（这一比例与历史模式一致），玉米、大豆和小麦的价格涨幅将低于5.6%，大约是生物燃料生产相关长期估计值的三分之一。即使在最激进的太阳能扩张情景下，即使80%的新太阳能开发项目发生在耕地上，价格涨幅也保持在18.4%以下。这些结果表明，太阳能扩张所需的土地面积相对于美国总耕地面积来说很小。从政策角度来看，我们的分析表明，对美国大规模太阳能开发可能严重影响国家农业生产的担忧在很大程度上是没有根据的。
**引言**
预计未来几十年美国电力需求将大幅增长，这主要是由于供暖和交通的电气化以及数据中心、人工智能和加密货币需求的增加（NERC，2024年）。为了在全球脱碳目标背景下满足这一增长的需求，太阳能光伏（PV）预计将在美国未来的能源结构中发挥重要作用。自2013年以来，美国的光伏装机容量从0.4吉瓦（GW）增加到90.1吉瓦（GW），其中加利福尼亚州和德克萨斯州处于领先地位（见补充信息中的图S1）。美国农业部（USDA）经济研究服务局（ERS）的一份报告发现，2020年45,000兆瓦（MW）的装机容量占地约136,000公顷（Maguire等人，2024年）。美国大规模太阳能光伏数据库报告称，70,000兆瓦的装机容量占地160,553公顷（Fujita等人，2023年）。预测显示，到2050年太阳能产量可能增加10倍，需要380万至610万公顷的土地（DOE，2021年；Larson等人，2021年；EIA，2023年）。美国能源信息署（EIA）还报告称，2024年至2030年间计划新增装机容量106.7吉瓦，这将使2023年的装机容量翻一番以上。这些计算基于2023年的EIA-860表格数据，该表格收集了现有和计划中的发电机信息。伊利诺伊州、印第安纳州和俄亥俄州作为重要的农业州，占提议新增装机容量的11.4%。
太阳能的大规模土地需求引发了人们对在农业用地上建设公用事业规模基础设施的关注，因为农业用地具有开阔、平坦且面积较大的特点（Adeh等人，2019年；Ferreras-Alonso等人，2024年）。这些辩论反映了不同利益相关者的观点分歧，主要集中在能源生产与农业之间的权衡，以及是否应将农田视为私人经济资产还是与食品生产和农村身份相关的公共资源（Moore等人，2022年）。人们常常担心高产（“优质”）农田的转换会减少农作物产量并推高农产品价格，从而影响国内和国际市场（Li等人，2023年；Moore等人，2022年）。然而，价格担忧的合理性尚不清楚。我们利用美国农业的部分均衡县级模型，模拟了在不同太阳能扩张情景下的土地使用、作物价格、生产和农场收入变化。
现有研究表明，大规模太阳能部署会加剧农业用地与生态用途之间的竞争，尤其是在项目位于高产农田时（Ferreras-Alonso等人，2024年；Alves等人，2026年；Capellán-Pérez等人，2017年；Ven等人，2021年）。这些分析侧重于物理上的土地使用权衡，并未明确量化对农业市场的影响。Patankar等人（2023年）指出，在风能和太阳能的脱碳路径中，土地使用冲突几乎是不可避免的，因为具有成本效益的地点有限，且往往与生态价值区域、人口中心或其他竞争性土地用途重叠。因此，实现可再生能源目标需要在冲突可能性较高的地点建设基础设施。与这些研究不同，我们的分析关注的是在美国农业部分均衡框架内太阳能扩张的市场影响，其中价格由国内供需互动决定。因此，我们的结果仅隔离了土地使用变化对美国市场的影响，没有涵盖更广泛的一般均衡反馈或其他地区的可再生能源同步扩张情况。如果各国同时进行太阳能部署，全球土地使用压力和相关市场影响可能会超出我们基于美国数据的分析结果。
Ferreras-Alonso等人（2024年）展示了通过土地使用规划和选址政策可以减少对农业、生物多样性和碳储存的竞争。Ven等人（2021年）也得出了类似结论，他们计算了欧盟、印度、日本和韩国的太阳能相关土地需求和排放变化。作者考虑了适合太阳能建设的土地类型（如耕地、牧场、草地和森林），并得出结论：在电力结构中太阳能占比达到80%的情况下，最多有5%的土地会被光伏设施占用。其他研究评估了大规模太阳能对保护区的影晌及其对生态系统服务的提升作用（Hernandez等人，2015年；Sturchio等人，2025年）。Crago等人（2025年）使用成本效益框架评估了将森林用地转换为公用事业规模太阳能设施的权衡。他们的分析发现，避免碳排放带来的气候效益可以抵消森林转换的环境和局部成本，尽管许多成本（如附近房产价值下降）是由当地承担的。相反，一些研究表明，太阳能开发会提升农田价值并影响土地分配和农业生产决策，但未对作物价格进行均衡效应建模（Hu等人，2025年；Li等人，2026年）。
在美国，用大规模太阳能替代优质农田的担忧具有现实意义，因为在2009年至2020年间，43%的新公用事业规模太阳能项目位于耕地上，21%位于牧场和草原上（Maguire等人，2024年）。尽管存在这些担忧以及太阳能部署所需的大量土地，但有几个因素表明太阳能扩张对食品生产的影响可能有限。例如，根据美国农业部国家农业统计局（NASS）的数据，2014年至2023年间，美国用于田间作物的总面积在1.148亿至1.248亿公顷之间波动，这一年度间1000万公顷的变动就超过了太阳能未来所需土地的1.5倍以上，表明在不会危及食品产量的情况下土地分配具有灵活性。此外，美国主要作物（如大麦、玉米、水稻、高粱、大豆和小麦）的总种植面积从1981-1985年的平均9370万公顷下降到2018-2022年的8510万公顷。与此趋势一致，2022年美国农业部农业普查显示，2017年至2022年间种植面积减少了810万公顷，尽管经通胀调整后的农业产值增长了17%（Bureau，2024年）。美国农业部长期预测显示，2024年至2033年间主要作物种植面积将进一步减少240万公顷（USDA，2024年）。这些模式表明，尽管种植面积减少，但由于作物生产率的提高，总产量仍有所增长。如果需求增长速度不变，长期来看，持续提高的产量可能会因价格下降而促使更多农田退出生产。经济压力也在进一步影响土地使用决策。根据2022年美国农业部农业普查，190万个农场中有57.1%报告净亏损。即使在拥有全国最高生产力农田的艾奥瓦州，也有28.7%的农场报告净亏损。这些财务挑战可能解释了农民对太阳能租赁日益增长的兴趣，根据对400名农业生产者的全国调查，2021年至2024年间这一比例从12%上升到20%（Purdue/C.M.E. Group Ag Economy Barometer，2024年）。同一调查显示，55%的太阳能租赁协议价格超过每公顷2470美元。相比之下，2023年艾奥瓦州非灌溉农田的最高现金租金为每公顷813美元。
尽管上述大量可用土地表明作物价格影响有限，但用大规模太阳能替代优质农田的担忧仍然存在，因为土地收购成本仅占总体建设成本的一小部分（Wiser等人，2020年）。因此，即使优质农田的转换会提高作物价格和土地价值，对安装成本的影响也可能很小，不足以阻碍在农田上进一步部署太阳能。为了解决关于大规模太阳能开发如何影响作物生产和价格的定量证据不足的问题，我们模拟了美国的一系列大规模太阳能部署情景，并研究了其对玉米、大豆和小麦的影响，这三种主要田间作物占全国收获耕地的约三分之二。我们使用县级农业生产模型，根据不同的太阳能发电假设、安装在耕地上的比例以及土地使用限制，估计了土地分配、商品价格、作物产量和农场收入的变化。我们模拟的耕地安装比例从40%（接近Maguire等人报告的历史平均值43%）到80%，中间情景为60%。在早期版本的分析中，模拟100%的耕地安装比例并未带来额外见解，因此这一极不可能的情况被排除在外。
我们的发现对政策和公众认知都有重要意义，提供了实证证据，有助于指导这场主要基于传闻和担忧而非数据的辩论。这场辩论发生在快速变化的政策环境中。最近的政策变化减少了联邦政府的支持，例如《通胀削减法案》（IRA）中针对2026年7月4日后投入使用的太阳能项目的第48E条（清洁电力投资税收抵免）。该激励措施提供了项目成本的30%税收抵免。这一削减主要是由于反对能源补贴和市场干预，认为可再生能源应在没有优先待遇的情况下竞争。除了联邦政府外，各州和县也在对太阳能和风能的发展施加限制，24%的县隐含或明确地设置了限制。其他理由还包括保护农业用地和防止太阳能开发商在本地租赁市场上出价高于农民。虽然这种竞争可能会影响本地土地租金和土地所有者收益的分配，但从经济角度来看，这些效应与食品价格的形成机制不同。具体而言，耕地租赁市场在本地（微观经济）层面运作，而食品价格则在更广泛的区域和国家层面决定。这一区别对政策讨论很重要，因为对土地市场竞争的担忧并不一定意味着对食品可负担性或食品安全的威胁。此外，与太阳能开发相关的政策信号会随时间变化，而本研究分析的土地使用与食品价格之间的关系反映了跨政策时期的市场基本规律。
历史上生物燃料的经验表明，能源政策可以重塑农业用地和商品市场。自2007年《能源独立与安全法案》通过以来，美国越来越多的耕地被用于能源生产，特别是生物燃料的生产。目前，大约三分之一的美国玉米产量被用于生产乙醇（Dumortier, 2024）。由于数据中心和（长期）车辆电气化导致电力需求增加，从液体运输燃料转向电力生产有助于长期能源安全，因为单位土地的能源产量太阳能明显高于玉米乙醇。因此，对于相同的能源产量，太阳能所需的土地要少得多，从而也可以减轻对食品价格的影响（Rajagopal等人，2026）。虽然聚光太阳能（CSP）因其通过热储存提供可调度的发电能力而历来被认为是一种有前景的技术，但最近的部署趋势显示，美国新增的太阳能容量主要由光伏系统（PV）占据。由于CSP的部署仍然很少，且这两种技术在土地使用强度上大致相似，我们的分析重点关注光伏技术，以评估太阳能扩张对未来土地使用的影响（Seel等人，2025）。最后，风能作为另一种主要的可再生能源，在大平原或中西部等地区通常可以与现有的农作物生产兼容，但它带来了不同的土地使用问题，因此不在本文的讨论范围内。
**方法**
分析包括三个部分。首先，我们估算每兆瓦安装光伏容量所需的土地面积。第二部分确定每个县太阳能安装的成本（每兆瓦时MWh）。每兆瓦时的成本基于每兆瓦所需土地面积、太阳能潜力（每兆瓦安装容量产生的MWh）、资本支出、运营和维护（O&M）成本以及土地租金的综合计算。这种方法得出了各县的排名。
**结果**
在结果展示中，我们将没有太阳能的情况与72种假设每兆瓦需要2.6公顷土地的情景进行了比较，并区分了三种太阳能扩张情景（基线、高光伏和低光伏），这些情景涉及不同的耕地占比（40%耕地、60%耕地、80%耕地）、两种县面积限制（10%和25%）以及与电力线的距离（PL1000米、PL2500米、PL5000米和无限制）。关于土地使用和价格影响，我们还讨论了这些因素的具体影响。
**讨论与结论**
本文外生地设置了不同比例的公用事业规模光伏设施在耕地上的布局，以确定其对美国土地分配、农作物生产和商品价格的影响。在假设高光伏扩张且40%的设施位于耕地上的情景下，玉米、大豆和小麦的价格上涨幅度不超过8.3%，这反映了历史上的布局比例。只有在80%的设施位于耕地上的情况下，价格涨幅才会更高，但仍低于18.4%。总体而言，
**作者贡献声明**
Jerome Dumortier：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。
Rafael M. Almeida：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
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