Center for Interdisciplinary Research
on Ecology and Sustainability
CIRES
生態及永續科學
跨領域研究中心
蓋光電場對微氣候的影響?碳、水、能量收支影響
地面型光電場的設置須移除部分植被，將對光電設置區及周邊的生態環境造成影響。本研究用來了解光電場造成邊緣效應，對周圍植物的多樣性、生長、存活、物候變化及固碳能力等造成的影響。
光電場蓋好後，當地氣候條件有變化嗎?
我們在花蓮縣鳳林鄉光電場以及光復鄉大農大富平地森林設置通量塔。在大農大富平地森林有自2017年設置符合FluxNet標準的通量塔，而光電場則在2023年1月開始正式運作，以渦流相關法（Eddy covariance method）來監測光電場的碳通量、水通量、能量通量等變化。並將大農大富測得的數據，與光電場此嶄新地景比較其差異。
CH₄濃度
CH₄紅外線氣體分析儀
u、v、w風速、音波風速
三維超音波風速計
CO2/H₂O紅外線氣體分析儀
CO2、H₂O濃度
二維風速風向計
水平風速、風向
Wi-Fi通訊設備
4G傳輸設備
溫濕度計
雨量計
渦流相關法控制器
CH₄紅外線氣體分析儀清潔水箱
長波輻射計
短波輻射計
淨輻射儀
光量子計
資料紀錄器
系統電力控制
系統備援電池
透過環境監測，我們能夠獲得有關生態系統健康狀態的信息，通量的異常變化可能是生態系統受到壓力或發生變化的徵兆。例如，碳通量的改變可能顯示植物對氣候變遷的應對能力，而水通量的變化可能與極端天氣事件有關。在資源管理方面，了解通量的變化有助於更有效地管理生態系統的資源。在農業中，瞭解水通量可協助合理使用水資源，避免水源過度利用的問題。同時，監測通量的變化有助於生態系統的保護，確保生物多樣性，並預防生態系統的崩潰。總體而言，這有助於我們更好地保護環境、有效地管理資源，以及應對氣候變化所帶來的挑戰。讓我們來看看光電場中各項通量的變化吧。
碳收支
生態系統吸收和釋放二氧化碳的平衡量。碳是生命體的基本組成部分，植物吸收二氧化碳，有助於調節大氣中的碳含量，對於氣候穩定具重要影響。並隨著植物的生長和死亡而進行碳的傳遞或重新釋放到環境中。
總光合作用量
生態系呼吸量
碳匯量=-(總光合作用量-生態系呼吸量)
正值為排碳
負值為吸碳
光電場30分鐘二氧化碳通量的晝夜變化
由於光電場建置初期會將案場內的植被移除，也會在整地過程中大幅翻動土壤，造成光電場營運初期缺乏可行光合作用的植被，也缺乏供土壤微生物利用的土壤有機物。因此在1月至2月間的夜間生態系呼吸量極低，白天的二氧化碳吸收量也非常小。隨著場區內的草本植物生長，白天的二氧化碳吸收量逐月增加，夜間生態系呼吸量卻未有明顯提高。不過有趣的是6月至7月，夜間的生態系呼吸量有了顯著的提高。雖然夏季溫度提高會使生化反應加速，但主要原因應該是因為場區的割草工作導致。割草提供了大量的土壤枯落物，使著微生物數量和活性提高，因此讓夏季的生態系呼吸量明顯增加。
比較光電場與大農大富平地森林20年生的闊葉樹可以發現，兩者的每日碳吸存量有顯著的差異。由於植被稀疏，光電場的每日碳吸存量相當低。
將資料觀測期間的每日碳吸存量累加可以發現光電場營運初期7個月的碳吸存量每公頃0.8公噸，遠低於平地森林6個月的4.9公噸。
*因1-2月通量塔施工導致資料缺失
光電場與平地森林每日碳通量比較圖
*因1-2月通量塔施工導致資料缺失
光電場與平地森林每日碳通量累積圖
水收支
指的是水在生態系統中移動和轉移的過程。水是生命的基本要素之一，影響著植物的生長、動物的棲息地、水體生態系統的健康等。瞭解和監測水收支有助於維持生態系統的平衡，確保水資源的可持續利用。
降雨
降雨=蒸發散量+滲流水量+系統暫存量
蒸發散量
滲流水量
光電場的每日累積降雨(P)、土壤30分鐘平均體積水含量(SWC)、蒸發散量(ET)、以及累積雨量(Cum.Water surplus)
每日累積降雨
土壤30分鐘平均體積水含量
蒸發散量
累積雨量
降雨和蒸發散是水文收支中的主要監測項目。光電場在7個月的監測期間總雨量為1084.5mm，但分布極為不均，主要都集中於7月25日至27日的颱風強降雨。上圖也呈現了相當典型的土壤水含量變動格局。土壤水含量隨著降雨變化，長期不降雨的3月前半部，土壤水含量降至28%，但降雨後可以快速上升至35%左右。由於光電場的植被還在擾動後的初級演替階段，蒸發散主要受控於大氣條件，在監測期間總蒸發散量為352.6mm。2023年1月到7月的水文收支中，蒸發散使用了33%的降雨，其餘的738mm則以地下水或逕流的方式離開。
與大農大富平地森林相比，平地森林有較高的蒸發散量(2月至7月累積459.9mm)，也就是光電場有較高的剩餘水量能補注地下水。
透過儀器，我們甚至能了解太陽的能量，是以何種形式離開系統，有多少能量被轉換成電能。
能量收支
生態系統中能量的流動和轉換。太陽光進入生態系統，能量會被植物利用，並透過食物鏈和食物網能量會轉移至動物身上。在光電場中則有部分被用來發電。
淨輻射
淨輻射=可感熱+潛熱+地表熱
+能量儲存量(發電)
可感熱
潛熱
地表熱
ΔS
ΔS
生態系統與大氣之間的溫度差所造成的熱傳導稱為可感熱通量(H)、水分蒸發成水蒸氣並攜帶進入大氣的能量通量稱為潛熱通量(LE)、地表與土壤因溫度差造成的熱傳導則稱為地表熱通量(G)、沒辦法已上述方式被檢測到的能量變化則以ΔS表示，像是植被光合作用轉換成化學能，或是光電場的電能輸出，都會歸類在這一類。我們能透過通量塔收集到這些資訊，並透過能量閉合分析在光電場中發現光電場的ΔS約占淨輻射的40%，而平地森林則為35%。
我們假設前述分析中ΔS的主要去向是用於光電板的發電。而左圖呈現的代表光電板的潛在最大發電效率，如何隨著淨輻射的提高而逐漸提高。在淨輻射趨近於最大的750Wm⁻²時，ΔS約在250Wm⁻²上下。根據光電場使用的光電板型號，1.76m²的面積具最大輸出功率350W，相當於350/1.76=199Wm⁻²。也就是說，藉由能量閉合分析所計算的ΔS的確大部分用於發電。
四種能量都展示了清楚的晝夜變化，夏季有比冬季更高的能量。光電場與平地森林相距僅20km，淨輻射並無顯著差異，但與光電場相比，平地森林的能量是透過潛熱的方式消散。
與平地森林不同的是，光點場的能量多數以可感熱的方式消散，由於可感熱通量會直接加熱光電板上方的空氣，因此可感熱通量的差異就是造成光電場氣溫高於平地森林的主要原因。
平地森林的主要能量通量晝夜變化
淨輻射
可感熱
潛熱
地表熱
光電場的主要能量通量晝夜變化
淨輻射
可感熱
潛熱
地表熱
為避免較低光度的資料影響數據，我們使用中午前後的10:00-14:00資料進行比較發現，兩個地方的淨輻射通量並沒有明顯差異，但能量消散的3種方式確有顯著差異。光電場的可感熱普遍高於平地森林，且差異隨著季節進入夏季而逐漸提高。潛熱通量則是平地森林高於光電場，差異亦隨著季節更動而變化。
我們也想進一步知道，光電板的發電效率是否會隨著光電板溫度上升而降低。透過右圖我們可以發現最大發電效率除了隨淨輻射提高也跟著升高以外，也受到氣溫的影響。在固定的淨輻射條件下，氣溫達到30°C時，發電效率呈現下降的趨勢。而這邊指的並不是光電板本身的溫度，而是以氣溫來進行。
