近日，北京师范大学环境学院副教授孟凡鑫团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表了题为“Future rooftop photovoltaics will weaken carbon mitigation but offer promising water and land benefits”的研究论文。屋顶光伏是全球低碳能源转型的核心路径，其长期价值远不止于提供清洁电力和减少碳排放。研究团队针对中国349座城市开展系统量化评估后发现：2050年我国城市屋顶光伏装机规模将实现大幅增长，尽管光伏碳减排效果会逐步减弱，但在节水、节地方面的协同效益将持续凸显。该研究指出，未来我国城市屋顶光伏部署应突破单一的减碳导向，加快构建能源、碳、水、土地多要素协同优化的屋顶光伏布局体系。
屋顶光伏利用现有建筑屋顶就地发电，靠近用电终端，是城市能源转型的重要途径。现有研究普遍强调屋顶光伏的碳减排价值，但对其多维资源环境效应仍缺乏系统认知。一方面，多数研究聚焦于光伏系统运行阶段的减排贡献，尚未充分覆盖原材料生产、装备制造、运输安装、运维管理及退役回收等全生命周期环节，容易高估光伏的碳减排效益。另一方面，相关评估多以单一减碳目标为导向，忽视水资源消耗、土地占用等关键资源环境要素，难以全面刻画屋顶光伏规模化部署所产生的复合资源环境影响。尤为重要的是，随着电力系统持续向清洁低碳方向转型，屋顶光伏替代电网电力所带来的碳减排效益将逐步减弱，亟需从碳、水、土地协同视角出发，重新科学审视光伏部署价值。
基于此，本研究融合机器学习、生命周期评价与未来情景模拟方法，构建了面向城市尺度的屋顶光伏开发潜力与碳-水-土地协同效应评估框架。以全国349个城市为研究样本，识别了2020年市域范围内适宜开发屋顶光伏的潜力空间；基于全生命周期视角，系统核算了光伏碳减排、水节约、土地节约效益及经济成本；在此基础上，考虑各省电力结构优化与光伏产业技术进步，在共享社会经济路径（SSPs）与典型浓度路径（RCPs）组合情景下，模拟预测2025–2050年我国城市屋顶光伏规模化部署的潜力，并揭示其碳、水、土地多维度协同效应的动态演变趋势。
图1 城市屋顶光伏潜力评估及其未来碳-水-土地效应评估框架
研究发现，到2050年，我国屋顶光伏可开发潜力面积较2020年将增长9.2%–34.8%，装机容量可达7.19–9.05太瓦，其中东部沿海城市的扩张趋势尤为显著。在中等社会经济与气候发展情景（SSP245）下，全国屋顶光伏的碳减排效益将在2035–2040年达到峰值；截至2050年，累计碳减排量可达2.04–2.18吉吨二氧化碳当量。与之形成对比的是，屋顶光伏的节水、节地效益将持续提升，到2050年节水规模可达165–174亿立方米，约为黄河多年平均天然径流量的29.2%；节地面积可达28.1–29.7万平方公里，相当于18个北京市的行政面积。
图2 SSP-RCP情景下2025–2050年中国城市屋顶光伏潜力演变与空间分布
图3 SSP-RCP情景下2025–2050年中国城市屋顶光伏碳减排、水节约、土地节约效益
该研究指出，伴随我国电力系统的持续低碳化转型，屋顶光伏的价值维度不断拓展，其功能已从单一的碳减排，延伸为兼具碳减排、水资源节约与土地节约的多维综合效益。可见，未来各城市推进屋顶光伏发展时，不应仅以装机规模、碳减排量作为核心评价指标，还需综合考量其在缓解区域水资源压力、优化土地资源利用、提升城市能源供应韧性等方面的多元价值。与此同时，相关能源政策也需实现导向转变，从侧重装机规模的扩张式发展，逐步转向注重综合效益的提升式发展，并结合不同城市的电力结构特征、资源禀赋约束与经济发展基础，制定差异化的屋顶光伏部署策略。
文章第一作者为北京师范大学博士生袁秋玲，通讯作者为副教授孟凡鑫。论文合作者还包括北京师范大学教授张力小和郝岩、巴西Fundação Getulio Vargas大学教授Jose A. Puppim de Oliveira、广东工业大学教授胡元超和院士杨志峰。本研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目（No. 52388101）、青年科学基金项目（B类）（No. 72522012）、青年科学基金项目（A类）（No. 52225902）以及面上项目（No. 72474031）资助。
