光伏電站建設(shè)對土壤和植被的影響

王 濤, 王得祥, 郭廷棟, 張崗崗，趙世雄, 牛懷誠, 盧舜瑜, 林 虎

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.靖邊縣新能源產(chǎn)業(yè)園區(qū)籌建處, 陜西 靖邊 718500)

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光伏電站建設(shè)對土壤和植被的影響

王 濤1, 王得祥1, 郭廷棟1, 張崗崗1，趙世雄2, 牛懷誠2, 盧舜瑜2, 林 虎2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.靖邊縣新能源產(chǎn)業(yè)園區(qū)籌建處, 陜西 靖邊 718500)

為了探究光伏電站建設(shè)對植被、土壤的影響，通過樣地調(diào)查和試驗分析對靖邊縣光伏電站內(nèi)光伏板未遮陰(NS)、遮陰(S)及電站周邊區(qū)域(SA)的土壤理化性質(zhì)、植被種類、α物種多樣性和地上生物量進行了分析比較。結(jié)果表明：相對于SA，光伏電站內(nèi)(NS，S)土壤含水量、有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、植物種類、物種Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、地上生物量鮮重和干重均增加，土壤pH和電導(dǎo)率降低，S區(qū)域容重增加，NS降低；電站內(nèi)相對于S區(qū)域，NS的土壤含水量、pH、電導(dǎo)率、養(yǎng)分、α物種多樣性和地上生物量均增加，容重降低。綜合來看，在干旱半干旱區(qū)域，光伏電站建設(shè)對土壤、植被生態(tài)系統(tǒng)的促進作用優(yōu)于所帶來的負面影響。

環(huán)境評價; 土壤理化性質(zhì); 物種多樣性; 生物量; 光伏電站

近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國際市場拉動和國內(nèi)政策支持的雙重作用下，實現(xiàn)了加速發(fā)展[1]。根據(jù)歐洲光伏行業(yè)協(xié)會(EPIA)公布的2013年全球光伏產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中我國新增光伏裝機容量11.3 GW，累計裝機容量達18.1 GW，占全球總裝機容量的13.2%。地面大型并網(wǎng)式光伏電站建設(shè)需要進行土地平整、土石方開挖、電纜布設(shè)等一系列工程，土層擾動和光伏板遮陰都可能對土壤、植被造成一定的影響。許申來等[2]認為工程建設(shè)一般會對區(qū)域土壤、植被、物種多樣性、生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，工程施工部門、環(huán)境保護部門高度重視工程建設(shè)帶來的影響，并且要求施工完成后必須進行必要的地貌、土壤和植被恢復(fù)。目前光伏電站的環(huán)境評價主要集中在工程建設(shè)期和運營期產(chǎn)生的廢棄物、噪音和大氣污染，以及工程建設(shè)對物種多樣性、區(qū)域水土流失等方面的定性描述，對于土壤理化性質(zhì)、物種多樣性和生物量的定量研究較少。土壤是人類和大部分生物賴以生存的自然資源，也是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，植被生長與土壤系統(tǒng)密切相關(guān)[3]。植被對于水土保持、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候起著重要的作用。本研究區(qū)位于干旱半干旱區(qū)毛烏素沙漠南緣，植被稀少，土壤侵蝕嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。近年來大規(guī)模的光伏電站建設(shè)促進了地方社會經(jīng)濟的發(fā)展，但由于電站建設(shè)對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響不清晰，對植被、土壤的影響程度不確定，對物種多樣性和區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響不明確等一系列問題制約了電站發(fā)展。因此很有必要開展光伏電站建設(shè)對植被、土壤的影響研究。本研究能豐富光伏電站環(huán)境影響評價的內(nèi)容，同時對于政府、業(yè)務(wù)主管部門制定政策和能源建設(shè)企業(yè)提供決策，對周邊區(qū)域光伏電站建設(shè)土地類型選擇、土地變更、土地補償?shù)葐栴}都具有一定的參考價值。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市靖邊縣楊橋畔鎮(zhèn)九里灘村太陽能光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)(東經(jīng)108°55′8″—108°56′4″，北緯37°36′50″—37°37′4″，海拔1 305～1 319 m)。氣候?qū)儆诎敫珊祪?nèi)陸性季風(fēng)氣候，四季變化明顯，氣溫日較差大。年平均氣溫7.8℃，極端最高溫度36.4℃，極端最低溫度-28.5℃，1月平均氣溫-8.5℃，7月平均氣溫22.2℃；年平均降水量395.4 mm，四季分布不均，夏秋較多，春冬較少；≥10℃的植物生長有效積溫為2 800℃，平均無霜期130 d。多年平均日照時數(shù)2 753.7 h，采用氣候?qū)W方法推算的多年平均太陽輻射量為5143.01 MJ/m2，太陽能資源比較豐富。研究區(qū)植被稀少、低矮，主要以耐鹽堿植被為主。植被類型有干草原、沙生植被和低溫草甸，代表植物有芨芨草(Achnatherumsplendens)、狗尾草(Setariaviridis)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、苦苣菜(Sonchusbrachyotus)、黃蒿(Artemisiaannua)、沙蒿(Artemisiaarenaria)等。土壤類型主要為綿沙土。

陜西太陽能光伏發(fā)電有限公司裝機容量20 MW，占地面積約4.67 hm2，工程施工期2010年8—12月，包括土地平整、地基開挖、支架安裝、電纜布設(shè)、廠房建設(shè)等工程。電站光伏板采用單晶硅(1580 mm×808 mm×35 mm)和多晶硅(1680 mm×992 mm×35 mm)，按照2行16列排布為一個方陣，每169個方陣為1 MW，方陣傾斜角35°，間距5 m。光伏板底端距地面約0.5 m。

2　研究方法

2.1樣地設(shè)置與調(diào)查

根據(jù)工程的實際特點，于2014年秋季選擇電站內(nèi)光伏板未遮陰(NS)、遮陰(S)和電站周邊區(qū)域(SA)3種未受干擾、地形平坦、其他自然條件基本一致的區(qū)域作為研究對象，每個區(qū)域設(shè)置典型樣地1個，每個樣地選取5塊1 m×1 m的樣方進行植物種類、蓋度、密度和地上生物量調(diào)查；同時在每個樣地中選取5個具有代表性的樣點挖取土壤剖面，每個剖面按0—20，20—40，40—60 cm分層采集土樣，每個樣地各樣點同層土壤混合均勻后采用四分法取樣，帶回實驗室內(nèi)風(fēng)干以備土壤分析。

2.2數(shù)據(jù)測定

草本生物量調(diào)查采用收獲法，采樣后立即在百分之一天平上測定生物量鮮重，后放置于80℃恒溫烘箱烘干24 h至恒重，測定生物量干重。土壤樣品處理及分析方法采用常規(guī)分析方法[4-5]。容重采用環(huán)刀法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—濃硫酸油浴法；pH采用2.5∶1的水土比—酸度計法測定；電導(dǎo)率采用水土比5∶1的提取液—電導(dǎo)率儀法測定；速效磷采用碳酸氫鈉、鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定。

2.3數(shù)據(jù)分析

植物群落的α多樣性能夠反映群落中物種豐富度和個體在各物種中分布的均勻程度[6]，本研究采用應(yīng)用較多的物種Patrick豐富度指數(shù)(R)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)，Pielou均勻度指數(shù)(E)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)進行分析。數(shù)據(jù)的顯著性檢驗采用SPSS 17.0。

草本重要值=(相對頻度+相對密度+相對蓋度)/3

(1)

R=S

(2)

(3)

E=H/lnS

(4)

(5)

式中：S——每個樣方的物種總數(shù)；Pi——第i個物種的重要值占樣方物種重要值之和的比率；N——樣方中全部種的個體數(shù)[7]。

3　結(jié)果與分析

3.1光伏電站建設(shè)對土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，3個區(qū)域同層土壤含水量的高低順序均是NS>S>SA，SA最低，在0—20 cm土層SA與NS，S間差異顯著(p<0.05)，其他土層無顯著差異(p>0.05)；S區(qū)域含水量居中，NS最高，兩者在0—60 cm各層均沒有顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS，S和SA的含水量均隨土層的加深而增加，其中表層(0—20 cm)NS和S區(qū)域土壤含水量相對于SA分別增加了34%和30%，20—40 cm層分別增加了12%和11%，40—60 cm層分別增加了8%和4%。結(jié)果表明光伏電站建設(shè)可能增加土壤含水量。

3種區(qū)域土壤容重在0—20 cm層的高低順序是S>SA>NS，20—40 cm和40—60 cm層順序是S>NS>SA，并且在0—60 cm各層間差異均不顯著(p>0.05)。就不同土層來說，3種區(qū)域的容重均隨土層的加深而降低，在0—60 cm層S區(qū)域的土壤容重均大于NS和SA。表明光伏板的遮蓋作用可能增加了土壤容重。

3種區(qū)域土壤pH在0—60 cm的高低順序均為SA>NS>S，但各層均未達到顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS和SA的pH隨土層的加深而降低，S的pH隨土層的加深反而升高，但都小于NS和SA。表明光伏板的遮蓋作用可能降低了土壤pH。

在0—20 cm層NS，S和SA的土壤電導(dǎo)率順序是SA>NS>S，S，NS與SA間達到顯著差異(p<0.05)；20—40 cm和40—60 cm土層電導(dǎo)率順序是NS>SA>S，其中20—40 cm NS和S，SA達到了顯著差異(p<0.05)，40—60 cm差異不顯著(p>0.05)。就不同土層來說，NS，S在0—60 cm土層變化不明顯，SA隨土層深度增加而降低，但S區(qū)域電導(dǎo)率均低于NS和SA。表明光伏板的遮擋作用可能降低了土壤鹽分含量。

在0—20 cm層土壤有機質(zhì)含量為NS>S>SA。相對于SA，NS和S區(qū)域土壤有機質(zhì)分別增加了0.1 g/kg和0.05 g/kg，但差異不顯著(p>0.05)。20—40 cm層土壤有機質(zhì)為NS>SA>S，40—60 cm層為SA>NS>S，20—40 cm和40—60 cm層土壤有機質(zhì)含量均未達到顯著差異(p>0.05)。就不同土層來說，3種區(qū)域土壤有機質(zhì)含量均隨土層深度增加而降低。

0—20 cm和20—40 cm土層速效磷含量是NS>S>SA，40—60 cm速效磷含量是S>NS>SA。在0—60 cm各層3種區(qū)域速效磷含量均未達到顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS和SA區(qū)域土壤速效磷含量隨土層深度的增加而降低，S區(qū)域土壤速效磷含量呈現(xiàn)波動性變化。

0—20 cm和20—40 cm 土層速效鉀含量是NS>S>SA，40—60 cm速效鉀含量是S>NS>SA。在0—60 cm各層3個區(qū)域速效鉀含量均未達到顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS，S和SA的速效鉀含量均隨土層深度增加而降低。

表1　光伏電站建設(shè)對土壤理化性質(zhì)的影響

注：多重比較用于不同類型樣地同層之間的比較，同行中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)；下表同。

3.2光伏電站建設(shè)對植被的影響

3.2.1光伏電站建設(shè)對植物科屬種數(shù)的影響在所調(diào)查的15個樣方中記錄有草本、灌木和喬木幼苗的科、屬和物種總數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表2。其中NS區(qū)域共統(tǒng)計7科13屬17種，S區(qū)域5科11屬16種，SA區(qū)域4科6屬7種。表3列出來了3個區(qū)域各種的重要值，其中NS區(qū)域優(yōu)勢種有芨芨草、長葉堿毛茛(Halerpestesruthenica)等；S區(qū)域優(yōu)勢種有芨芨草、披堿草(Elymusdahuricus)等；SA區(qū)域優(yōu)勢種有芨芨草、蒲公英(Taraxacummongolicum)、虎尾草(Chlorisvirgata)等。由此可見芨芨草為3個區(qū)域的共有優(yōu)勢種，其在SA中占的優(yōu)勢度最高，在NS中占的優(yōu)勢度最低。

表2　光伏電站建設(shè)對植物科屬種數(shù)的影響

表3　光伏電站建設(shè)對植物物種組成及其重要值的影響

3.2.2光伏電站建設(shè)對植物α多樣性的影響對4種能較好反映群落多樣性水平的指數(shù)進行分析(表4)，可知物種Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)均為NS>S>SA。相對于SA，NS和S區(qū)域的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分別增加了68%和60%；Pielou均勻度指數(shù)分別增加了15%和12%，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)分別增加了37%和32%。

表4　光伏電站建設(shè)對物種多樣性的影響

3.2.3光伏電站建設(shè)對植被生物量的影響由圖1可知，生物量鮮重和干重的變化趨勢一致，均為NS>S>SA。NS，S和SA的生物量鮮重達到了極顯著差異(p<0.01)，NS，S和SA的生物量干重達到了顯著差異(p<0.05)。相對于SA，NS區(qū)域生物量鮮重增加了195.96 g/m2，S增加了156.77 g/m2，分別增加了161%和128%；NS的生物量干重增加了99.64 g/m2，S增加了87.05 g/m2，分別增加了144%和127%。

注：圖中柱形上方不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示處理間差異極顯著(p<0.01)。

圖1光伏電站建設(shè)對植物地上生物量的影響

4　結(jié)論和討論

光伏電站建設(shè)后，相對于SA，NS和S區(qū)域土壤含水量、有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量增加，pH和電導(dǎo)率降低，其中S區(qū)域土壤容重增加，NS降低。在電站內(nèi)，相對于S區(qū)域，NS的土壤含水量、pH、電導(dǎo)率、0—40 cm速效磷和速效鉀含量均增加；容重和40—60 cm速效磷和速效鉀降低。由于NS，S區(qū)域植被高度和蓋度均大于SA，植被的遮陰作用能有效降低地表水分蒸發(fā)，提高土壤保水、蓄水能力。同時光伏板的遮擋作用降低了電站內(nèi)風(fēng)速，提高了空氣濕度，也在一定程度上阻礙了水分蒸發(fā)，對電站內(nèi)來說，由于S區(qū)域光伏板的遮陰地面得不到雨水補給，因此含水量低于NS。根據(jù)“鹽隨水來，鹽隨水走”的原理，土壤蒸發(fā)量減少有利于降低土壤表層鹽分積累[8]，加之植物根系從土壤中吸水，變土壤蒸發(fā)為植物蒸騰，形成了鹽分隨水分向地表聚集的又一屏障[9]，因此NS，S區(qū)域土壤pH和電導(dǎo)率均低于SA，對電站內(nèi)來說，S區(qū)域光伏板的遮擋作用進一步降低了土壤水分蒸發(fā)，使得pH和電導(dǎo)率低于NS區(qū)域。由于電站內(nèi)植被生物量大，植被枯落物和死亡根系經(jīng)微生物分解釋放到土壤中的有機質(zhì)含量高于SA。光伏板的遮陰能有效降低土壤pH和電導(dǎo)率，但地面終年得不到雨水補給，導(dǎo)致土壤水分的入滲量和蒸發(fā)量都比較小，水分上下流通不暢，不利于水分通道的形成，可能導(dǎo)致土壤容重增加。賈樹海等[10]認為土壤容重對草地退化具有敏感性，可以作為草地退化的數(shù)量指標(biāo)，光伏板長時間遮陰可能會造成光伏板下草地退化，致使土壤變得緊實，土壤通氣性、滲透性和蓄水能力均受到不良影響，但目前這種影響還沒有達到顯著性水平。

光伏電站建設(shè)后，植物種類、Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、生物量鮮重和干重均表現(xiàn)為NS>S>SA。王長庭等[11]認為土壤性狀改變(土壤養(yǎng)分、土壤容重、土壤含水量等)能引起植被組成、物種多樣性變化;Gentry[12]認為隨著土壤肥沃程度的增加，群落的物種多樣性也逐漸增加；楊樹等[13]認為土壤性狀的改良與物種多樣性的增加可能存在相互促進作用。電站內(nèi)土壤理化性質(zhì)的改善可能使得耐鹽植物的競爭優(yōu)勢受到抑制，為其他物種的入侵和種群擴張創(chuàng)造了條件，同時光伏板遮陰作用為更多耐蔭性植物生長提供了可能，從而增加了物種豐富度、均勻度和優(yōu)勢度。王長庭等[11]認為土壤中養(yǎng)分含量的高低直接影響著群落生產(chǎn)力，土壤養(yǎng)分越豐富，群落生產(chǎn)力越高。電站內(nèi)土壤養(yǎng)分增加為植被生長提供了保障，因此植被地上生物量顯著高于電站周邊區(qū)域。

土壤是植物生長的基質(zhì)，其理化特性決定著植物群落類型的分布，同時植物群落又反作用于土壤，改善其生境條件，使群落得以發(fā)展，植被與土壤的良性循環(huán)有助于生態(tài)環(huán)境的持續(xù)健康發(fā)展。光伏電站建設(shè)不會對土壤、植被造成大的影響，并且在一定程度上有利于土壤理化性質(zhì)的改良和物種多樣性、生物量增加，但光伏電站建設(shè)對土壤理化性質(zhì)和物種多樣性、生物量之間的關(guān)系和影響機理有待進一步研究。

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The Impact of Photovoltaic Power Construction on Soil and Vegetation

WANG Tao1, WANG Dexiang1, GUO Tingdong1, ZHANG Ganggang1,ZHAO Shixiong2, NIU Huaicheng2, LU Shunyu2, LIN Hu2

(1.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.NewEnergyIndustrialParkPreparatoryOfficeofJingbianCounty,Jingbian,Shaanxi718500,China)

Based on experiment conducted in the sites unprocessed(NS), shaded by solar panels(S) and the surrounding(SA) in photovoltaic power in Jingbian County, soil physicochemical properties, plant species,αspecies diversity and aboveground biomass were analyzed and compared through investigation of sample plot and experimental analysis to explore the impact of photovoltaic power construction on vegetation and soil. The results shows that the soil moisture contents, organic matter, available phosphorus and potassium, plant species, α species diversity and fresh and dry weight of aboveground biomass in the area of photovoltaic power plant construction increased and soil pH and electrical conductivity were lower compared with those in the area of SA. Soil bulk density in S increased, soil bulk densities were lower in NS and SA. The soil moisture, pH, nutrient, α species diversity and aboveground biomass increased, and soil bulk density was lower in NS compared with these in S of photovoltaic power plant construction. According to the above results, in arid and semi-arid regions, the positive impact of photovoltaic power construction on soil and vegetation ecosystem outweighs the negative impact.

environmental assessment; soil physicochemical properties; species diversity; biomass; photovoltaic power

2015-02-12

2015-04-13

王濤(1989—),男,陜西周至人,碩士研究生,研究方向為森林生態(tài)學(xué)。E-mail:2013wangtao@sina.com

王得祥(1966—),男,青海樂都人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事森林生態(tài)和森林可持續(xù)經(jīng)營研究。E-mail:wangdx66@126.com

S153;Q948

A

1005-3409(2016)03-0090-05