能源是人类赖以生存和发展的物质基础。虽然沙漠地区生态脆弱，经济落后，却是资源（太阳能、风能、光热、土地、矿产等）富集地区。长期以来人类对化石能源的开发利用模式使化石能源迅速消耗，引起环境恶化、全球变暖等，使人类面临严峻的生存考验。减碳和寻找新能源已经成为当今各国共识。太阳能和风能清洁环保、永不衰竭，已成为被开发利用最快的可再生能源，被认为是最具有潜力、未来最有可能代替化石能源的新能源^［1-2］。中国沙漠地区拥有丰富的太阳能和风能资源，同时沙漠地区具备土地成本低、气候干燥等特点，为中国发展太阳能和风能等提供了良好的条件。近些年，对中国沙漠地区太阳能和风能开发利用实现了爆发式的发展。根据国家能源局公布的统计结果，截至2019年底，甘肃、青海、新疆（含新疆生产建设兵团）、宁夏、内蒙古光伏电站累计安装量已达到50.88 GW，占全国累计安装量的25.0%^［3］。截止2019年底，西北五省区风电并网容量达到78.38 GW，占全国风电累计并网容量的37.3%^［4］。

中国西部地区环境特殊、资源丰富，如何在保护环境的前提下发展经济，中国经济学者进行了大量研究。中国政府先后提出了西部大开发、丝绸之路经济带、“绿水青山就是金山银山”、生态文明建设等重大战略。1984年，钱学森提出“多采光，少用水，新技术，高效益”使“不毛之地变为沃土”的沙产业设想，通过利用现代生物科学技术，开发沙区特色资源，发展优势产业，带动防沙治沙^［5］。沙漠治理是一项系统工程^［6］。长期以来传统治沙模式主要依靠的是大量的投入来维持，治沙工程成本高，难以可持续发展。而且传统的投入型治沙模式很难持续，一旦投入停止，很容易引起再次沙漠化现象发生。

沙漠地区具备丰富的资源禀赋，是中国重要的能源基地，国家能源电力等企业在沙漠地区进行了大量的能源开发和电网等基础设施建设。能源电力企业应更好地发挥在沙漠地区资源开发利用、沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等中的作用，还应带动产业链上下游共同发展，实现业务范围延伸、服务对象拓展、商业模式创新。本研究基于国内外沙漠地区能源开发利用以及沙漠治理、生态建设及最新进展，将生态圈概念引入沙漠能源领域，综合考虑沙漠治理、生态修复、脱贫攻坚、乡村振兴、能源建设、经济发展等要素，构建共建、共治、共赢的沙漠能源生态圈，具有重要的学术意义和实践意义。

国内外针对沙漠地区丰富能源资源开发利用很早就已经开始。近些年，随着技术日益成熟和成本降低，光伏发电、光热发电、风力发电等发展迅速。在充分利用沙漠能源的同时，如何价值利益最大化也成为国外研究和发展热点。2009年，德国12家公司组成的沙漠技术工业倡议组织（Desertec Industrial Initiative，DII）发起了“Desertec计划”，该计划在撒哈拉沙漠建造以光热发电为主的太阳能发电基地，通过穿越沙漠和地中海的输电线向欧洲输送电力^［7-10］，该计划还将光热发电和淡水处理厂结合在一起，为贫瘠的沙漠地区提供饮用水。“Desertec计划”还计划建设一个覆盖范围更广的欧洲超级电网，涵盖北海风力发电、斯堪的那维亚半岛水力发电、冰岛地热发电、东欧地区生物能发电以及太阳能发电等，这样就能为欧洲提供足够的清洁能源^［7-10］（图1）。

中国对沙漠能源开发研究最早始于1984年钱学森提出沙产业概念^［4］，此后，政府和学者针对沙漠地区如何更好地开发利用能源与防沙治沙做了大量实践和研究。尤其2009年在宁夏中卫开展首个沙漠光伏项目以来，大量能源电力企业在腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布其沙漠等地区开展光伏治沙项目。光伏治沙模式得到了政府和地方的支持，迅速发展，典型模式包括库布其沙漠光伏治沙模式、腾格里沙漠光伏治沙模式、青海共和沙地光伏治沙模式、乌兰布和沙漠光伏治沙模式等（图2）。①库布其沙漠光伏治沙模式：统筹区域资源，提出“光伏+治沙+农林+旅游”模式，进行沙漠生态治理、可再生能源发电产业、沙漠农林产业、沙漠特色旅游等多产业整合发展，实现地区经济转型升级，在改善沙漠生态环境的同时，带动农牧民脱贫致富；②腾格里沙漠光伏治沙模式：腾格里沙漠光伏产业园区分成4个功能区，包括光伏发电区、光伏农业区、光伏制造产业区和观光旅游区，充分将光伏产业与沙漠治理、节水农业、旅游观光相结合；③共和沙地光伏治沙模式：基于高原脆弱生态，打造生态光伏园区建设，将光伏治沙、光伏牧业、精准脱贫攻坚、大数据产业相结合，利用多种能源优势，打造全球最大水、光、风多能互补综合发电基地；④乌兰布和沙漠光伏治沙模式：磴口县利用沙漠丰富的光热资源和绿色无污染的优势，成功打造了光伏发电、设施农业科技大棚、生态观光旅游为一体的光伏治沙致富模式。

近些年，随着全球能源战略推进和数字化技术的广泛应用，能源电力行业发生了根本性变化，能源电力企业传统发展和经营模式已与之不相适应，呈现出许多新概念新发展模式。2011年，Rifkin^［11］首先提出，以新能源技术和信息技术的深入结合为特征，一种新的能源利用体系即将出现，并将这一新的能源体系命名为能源互联网（Energy Internet）。生态圈与商业的结合，形成商业生态圈概念，指商业活动的各利益相关者通过共同建立一个价值平台^［12］。在商业生态圈研究方面，国内已有学者将生态圈理论引入了各个领域，构建了各个领域的产业生态圈。能源电力企业通过融合自身竞争优势，打造平台连接产业链上下游企业，聚合与协同商业伙伴，逐步构建以用户为核心，以自身为平台的能源生态圈。

综上所述，沙漠地区能源开发利用发展迅速，而相关发展模式和概念主要是从宏观尺度（全球尺度）和能源电力行业发展角度提出的。沙漠地区既是中国重要的能源基地，也是生态环境脆弱区和经济落后地区。如何在保护沙漠生态环境的前提下，又能充分开发利用沙漠丰富资源，同时又带动地区民生和经济发展？这是本研究中沙漠能源生态圈概念提出的背景（初衷），也是与其他概念的区别之处。

基于生态学、管理学、自然地理学、系统科学等相关理论，结合国内外沙漠能源开发及沙漠治理、生态修复等方面最新研究进展^［13-15］，运用能源互联网思维，提出一个全新的概念：沙漠能源生态圈（Desert Energy Ecosphere， DEE）。沙漠能源生态圈概念定义为：以电力为核心，以智能电网为骨干，以接入沙漠可再生能源为主，以互联网、大数据、云计算及其他前沿信息通信技术为纽带，运用能源互联网思维，以沙漠地区为区域，组合沙漠资源开发利用、沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等要素，旨在构建沙漠治理、生态修复、脱贫攻坚、乡村振兴、能源建设、经济发展的生态圈结构模型，形成一个共建互惠共赢、基于沙漠能源的沙漠能源生态圈。从系统科学的角度来说，沙漠能源生态圈是能源互联网在沙漠地区的扩展和延伸，它是在能源互联网、智能电网等先进技术支撑下形成和发展。从技术科学角度来说，沙漠能源生态圈将能源电力行业与沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等技术行业相结合，具有跨界融合特性。从国情角度来说，沙漠能源生态圈将能源电力企业与沙漠治理、生态文明及地区发展相结合，符合中国西部发展落后的实际情况。

沙漠能源生态圈概念根据研究区域尺度、区域范围和能源类别的不同，分为狭义和广义两种。①狭义概念。以沙漠边缘或者局部、独立沙漠及其周边区域为区域尺度，比如巴丹吉林沙漠、库布其沙漠、乌兰布和沙漠及其周边区域等，一般尺度不大于500 km。沙漠地区特指沙漠、沙地、戈壁和沙化土地等典型类型。沙漠能源特指沙漠地区丰富太阳能资源，以光伏发电、光热发电等为主。②广义概念。以荒漠和荒漠化地区为尺度，不以独立沙漠区域划分，而是多个荒漠单元共同组成区域，比如阿拉善地区、泛河西地区、西北地区等，其中，阿拉善地区包括了多个沙漠和戈壁单元，一般尺度都大于500 km。在广义上，沙漠能源生态圈概念中的沙漠地区就是指的荒漠及荒漠化地区。沙漠能源泛指沙漠地区各种能源，以沙漠太阳能资源为主体，包括光伏发电、光热发电、风力发电等可再生能源，也包括沙漠地区及周边区域其他能源，包括水力发电、生物质发电、地热发电、火力发电等。

基于沙漠能源生态圈广义和狭义概念的含义，其对应的概念场景和空间尺度从小到大可以分成6种级别（图3）。①沙漠区域：一般是市级/县级区域，比如甘肃省武威市民勤县及周边区域，这属于腾格里沙漠的西南边缘区域；②沙漠单元：一般是跨市级，比如腾格里沙漠，这由甘肃省武威市、宁夏回族自治区中卫市、内蒙古自治区阿拉善盟3个市（盟）分片管辖；③区域：一般是跨省级，比如阿拉善地区，包括了巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、亚玛雷克沙漠及大量戈壁；④地区：一般是跨省级/跨区域，比如西部地区，包括了多个省份；⑤一带一路：一般跨国家/跨地区，比如中东-北非（MENA）等，涉及到多个国家和地区；⑥世界沙漠：以全球荒漠地区为尺度，分布于七大洲。

本研究提出的沙漠能源生态圈概念，包含沙漠资源开发利用、沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等（图4）。从生态系统理论分析，生态系统从功能单元上讲是由生产者、消费者和分解者组成，三者的协同维持了生态系统的能量流动和物质循环功能的正常工作（表1，图5）。①生产者为沙漠资源，沙漠资源主要包括沙漠地区丰富的太阳能资源、风能资源、光热资源、土地资源、矿产资源等。其中最重要的生产者是沙漠地区丰富的风能和太阳能开发，即目前沙漠地区开发建设的大量光伏/光热电站、风电场，这些能源来自太阳能，是清洁能源也是可再生能源，最终形成电力，通过电网进行输送和配给；②消费者为沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等要素，这些要素是电力的最大消费用户，电力带动达到这些要素的飞速发展；③分解者为群众和沙漠治理、生态修复，沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等要素发展的主体是沙漠地区群众深入参与，在实施过程中，使其达到将生产者分解和吸收，而其中群众得到就业和创收，沙漠得到了治理，生态得到了修复。而分解者又反过来促进沙漠资源的更进一步开发利用，比如当地原来的农牧民成为现在的光伏电站工人及建设者；另一方面，治理后的沙漠可以使光伏/光热电站、风电场免受风沙/尘侵害，促使发电效率提升^［15］。其中沙漠治理、生态修复既是消费者也是分解者。

沙漠能源生态圈模型根据其功能和形态不同形成四层结构（图6），从下往上分别为物理层、能量层、信息层、价值层。

物理层。该层依据能源互联网和物联网先进理念和技术与沙漠资源开发利用、沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等多种要素深度结合，打破各种物理壁垒，实现在物理层面形成万物互联。

能量层。该层依据能源互联网、智能电网等建设将能源电力系统与互联网深度融合，打破各种能量传输壁垒，实现能源的“源-网-荷-储”4个环节有机互联互通和高效运输。

信息层。该层依据互联网、物联网、智慧电源、大数据等先进信息技术，打破原有各种信息壁垒，促进能源资源的数字化和开放协同，形成信息流精准地指导能量流。

价值层。打破商业和市场各种壁垒，打造基于沙漠能源生态圈的可再生能源共享经济，创新商业模式和市场机制，建立一个互惠共赢的沙漠能源生态圈价值体系。

沙漠能源生态圈是将能源互联网先进理念和技术与沙漠资源开发利用、沙漠治理、生态修复、农牧业、旅游业、基建等多种要素深度结合的产物，表现出以下几点特征。

多因素深度融合特征。沙漠能源生态圈以电力为枢纽和平台，是资源、环境、经济、社会、技术、政策、国情等诸多因素跨界深度融合的变革性产物。

开放共赢特征。基于能源互联网先进理论与技术，具有开放、互联、共享、共赢，以用户为中心等特征。

区域性特征。围绕沙漠这一特殊的自然地理区域，其关注点资源、环境、经济等具有沙漠地区特殊性。

中国国情特征。中国沙漠地区既是中国重要能源输出基地，也是生态脆弱区和发展落后地区。如何在充分开发利用沙漠地区能源的同时，带动生态环境治理及区域经济发展，克服中国东西部发展不均衡，符合中国国情。大多数能源电力企业作为国有企业，肩负有三大责任（经济责任、政治责任、社会责任），助力脱贫攻坚、乡村振兴和生态文明建设，是其履行社会责任的重要途径。

面向未来特征。沙漠能源生态圈提供的是绿色、清洁、可再生能源，服务于低碳经济和能源转型，使沙漠环境得到治理，促进社会经济可持续发展。

高效开发利用沙漠地区清洁能源，提供源源不断的绿色电力。沙漠地区资源丰富，包括风能资源、太阳能资源、光热资源、土地资源、矿产资源等，但长期以来受制于技术和行业壁垒，沙漠地区的资源、能源无法高效科学开发利用。截止到2019年底，中国弃风电率最高的是新疆、甘肃、内蒙古三省区，三省区弃风电量合计136亿kW·h，占全国弃风电量的81%^［3］；截止到2019年底，全国弃光电量46亿kW·h，弃光电量主要出现在西北地区，占到全国弃光电量的87%^［4］。沙漠能源生态圈不仅能够充分开发沙漠地区清洁能源，还将高效利用这些能源，实现就地消纳，从而避免了“弃风弃电”等现象。沙漠能源生态圈将以清洁和绿色方式满足全国经济社会发展的能源电力需求，从源头上摆脱对化石能源的依赖，实现国家低碳经济转型和能源变革转型。

带动能源电力产业链及新兴产业发展，打造经济增长新引擎。构建沙漠能源生态圈，将有力带动新能源、新材料、高端装备、电动汽车、新型储能、节能环保、信息通信、大数据、新基建等能源电力行业上下游产业及新兴产业发展，打造经济增长新引擎。

带动光伏农牧业等新型农业及衍生行业发展，实现沙漠地区经济转型。依托沙漠能源生态圈的优势，发展光伏农业、光伏牧业、光伏养殖业、光伏林业等新型农业，同时发展沙漠旅游休闲业、服务业、物流业等衍生行业，促进沙漠地区经济发展和转型。

带动沙漠地区人口脱贫致富，实现地区均衡发展。构建沙漠能源生态圈涉及诸多领域和产业，将充分吸收沙漠地区人力资源参与，解决了人口就业问题，带动沙漠地区人口脱贫致富。将沙漠地区资源优势转化为地区发展优势，缩小东西部贫富差距，从根本上解决经济发展失衡和贫困问题，实现沙漠地区可持续发展。

改善沙漠地区人类健康，提高宜居指数，解决人口流失问题。沙漠能源生态圈的构建使沙漠治理、生态修复，使沙漠地区恶劣的人类居住环境得到改善，从而改善沙漠地区人类健康，提供宜居指数，解决西部人口流失和迁移问题。

打造沙漠清洁能源综合基地，服务国家灾备中心及大数据产业基地等战略。沙漠能源生态圈的构建，能够将沙漠地区丰富的光伏发电、光热发电、风力发电以及周边的水力发电等清洁能源充分结合起，打造成沙漠清洁能源综合基地，服务国家灾备中心及大数据产业基地等战略布局。

减少温室气体和大气污染物排放。化石能源利用是二氧化碳排放的主要来源，约占二氧化碳总排行量的85%，同时化石能源利用也是空气污染物最重要原因。沙漠清洁能源的开发利用将有效替代化石能源，从源头上有效控制温室气体和大气污染物排放。

带动沙漠治理和生态修复，促进生态文明建设。沙漠能源生态圈的构建带动沙漠治理和生态修复，从而减少了沙尘暴源头，抑制了沙尘释放和风沙灾害发生，使沙漠变绿洲成为现实。同时，沙漠太阳能、风能开发建设，有效增加地表粗糙度和覆盖度，减小地表风速，降低土壤水分蒸发量，从而带动沙漠生态环境改善^［18-19］，同时沙漠能源生态圈带动沙漠治理和生态修复工作持续推进，促进生态文明建设。

提高土地资源可利用价值，守护国家耕地红线。沙漠地区开发清洁能源主要在沙漠、沙地、戈壁等土地资源可利用价值低的区域，提升了沙漠地区土地经济价值，节约高价值土地的占用，从而守护国家耕地红线。

基于能源互联网先进技术和理念，以太阳能光伏发电、光热发电为主，形成一个沙漠清洁能源园区，通过电力控制中心控制，形成一个战略能源中心。另一方面，可以将光伏发电、光热发电、风电、储能、氢能等相结合形成一个沙漠清洁能源综合基地，因地制宜地形成风光储一体化、风光储氢一体化、风光水火储一体化等，这样可以保证电力供应的持续不断和稳定，形成能源战略高地（图7）。

基于物联网和智慧电网最先进技术，通过输电网、微网、配电站等能源电力输送配送网络进行能源的高效输送。

沙漠能源生态圈电力输送具体涉及对象包括沙漠治理、生态修复、光伏农业、光伏牧业、光伏养殖业、旅游业、基建等因素。通过进一步发展，服务区域乡村振兴、城市减碳和能源转型等。

另外，能源消费者还包括附近的工业企业、大型建筑、居民家庭、交通、储能等。

沙漠能源生态圈概念的提出受资源、环境、经济、社会、技术、政策、国情等诸多因素驱动，既是能源电力行业发展的趋势，也是沙漠治理和西部大开发、生态文明建设等国家战略对能源电力行业提出的迫切需求，只有超越能源本身或者沙漠本身，打破行业壁垒，实现跨界合作，互惠共赢，才能体现沙漠能源的战略价值和无限潜力。沙漠能源生态圈概念的提出具有鲜明的时代意义和中国特色，具有全新的思维理论、深刻的科学问题和广阔的应用空间，其概念和内涵有待进一步挖掘和概括。基于目前中国及全球能源规划、行业政策及技术发展基础上，提出沙漠能源生态圈的发展愿景，具体表现在以下方面。

能源。高效开发利用沙漠地区丰富的可再生能源，实现沙漠地区能源清洁化和低碳化，以绿色能源完成替代传统化石能源，为中国能源变革转型提供重要保障，早日实现“碳达峰”、“碳中和”目标。

生态。将沙漠能源开发利用与沙漠治理、生态修复紧密结合起来，实现共赢，改变长期来沙漠治理与生态修复投入高、不可持续的局面，实现可持续、可复制的新型沙漠治理与生态修复模式，使沙漠变绿洲成为现实，促进生态文明建设。

经济。将沙漠地区群众完全融入到沙漠能源生态圈中，实现沙漠地区群众致富和创收的目标，并且完成沙漠地区的区域经济转型和产业升级，实现以绿色能源、生态经济、低碳经济为主导的目标。

国情。制定“中国沙漠能源行动计划”，以整个中国西北及青藏高原地区为研究区域，基于沙漠能源生态圈概念，实现可再生能源高效开发利用及与生态文明建设、区域经济发展的统筹计划，为解决中国长期存在的东西部发展不平衡问题，中国能源资源和消费、环境和经济、人口的逆向分布格局，即“胡焕庸线”现象，为实现中国东西部能源、经济、环境协调发展提供支撑。

战略。中国主导的全球互联网建设，以及“一带一路”倡议布局，重点区域中亚、中东-北非（MENA）等地区都是沙漠地区，将沙漠能源生态圈概念及关键技术服务于国家战略，基于沙漠能源生态圈，为实现世界范围内的能量、经济、环境协调发展，提出“世界沙漠能源行动计划”，构建人类命运共同体，贡献中国智慧和力量。

正值中国能源转型和生态文明建设的大背景下，清洁能源的需求和生态文明建设将是未来发展主旋律。本文基于系统学、生态学、管理学等相关理论，结合国内外沙漠能源开发及沙漠治理方面最新研究进展，运用能源互联网思维，提出一个全新的概念“沙漠能源生态圈”，详细阐述了沙漠能源生态圈广义和狭义概念的特征及区别；解析了沙漠能源生态圈要素、功能单元及模型四层结构关系；沙漠能源生态圈内涵特征包括多因素深度融合特征、开放共赢特征、区域性特征、中国国情特征、面向未来特征，并从经济效益、社会效益、生态效益等三方面对其效益进行详细阐述；构建了沙漠能源生态圈发展模式，并从能源、生态、经济、国情、战略五方面阐述了发展愿景。

沙漠能源生态圈概念的提出具有鲜明的时代意义和中国特色，具有全新的思维理论、深刻的科学问题和广阔的应用空间。考虑到沙漠能源生态圈属于新生事物，学科交叉性强，涵盖了电力、能源、信息、管理、沙漠治理、生态、政策等多学科和领域，针对沙漠能源生态圈的概念、内涵和发展模式有待进一步挖掘和概括。本研究为沙漠地区能源开发利用和沙漠治理、生态修复提供新视角，为能源电力企业助力乡村振兴、地区发展和履行社会责任提供新途径，为实现沙漠地区能源、经济、环境协调发展提出新模式。本研究填补了沙漠能源生态圈研究的空白，具有中国特色和国际领先，服务于生态文明建设、全球能源互联网等国家重大战略，具有重要的学术意义和实践意义。