河西走廊風電場建設(shè)對土壤養(yǎng)分的影響研究

羅進選，柴媛媛

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

過去20年來，為了減少二氧化碳排放量和發(fā)展可再生能源，全世界許多國家致力于投資開發(fā)風電技術(shù)[1]。根據(jù)中國國家能源局的統(tǒng)計結(jié)果，2015年全國風電裝機容量為32.97 GW，大約是全世界總量的一半。2014年中國國際經(jīng)濟交流中心發(fā)布《中國能源生產(chǎn)與消費革命》報告指出，大規(guī)模發(fā)展風電已成為我國新能源戰(zhàn)略現(xiàn)實而有效的選擇，未來應重點加強河西走廊風電產(chǎn)業(yè)帶、南方低風速風電場、海上風電場三大風力發(fā)電場布局[2]。

甘肅是我國風能資源豐富的省區(qū)，大部分風能集中在河西走廊，尤以河西走廊西段的酒泉市最為豐富。為充分利用河西走廊地區(qū)豐富的風能資源，甘肅省政府提出了“建設(shè)河西風電走廊，再造西部陸上三峽”的戰(zhàn)略目標。但是，風電場建設(shè)過程中的開挖回填、場地平整等不可避免地會造成地表裸露、植被破壞、土壤侵蝕，影響當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[3-4]。河西走廊大部分地區(qū)為荒漠、戈壁，植被覆蓋度低，地表多為戈壁礫石及細砂覆蓋，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，人為擾動后地表植被和土壤結(jié)皮很容易遭受破壞，一旦破壞很難恢復并將加劇區(qū)域水土流失及荒漠化[5]。風電場建設(shè)對生態(tài)環(huán)境造成的影響是國內(nèi)外研究的熱點，目前國內(nèi)外學者主要側(cè)重于視覺干擾、噪音污染、野生動物、氣候變化、植被破壞、空氣質(zhì)量等[6-7]方面的研究，以及針對風電場建設(shè)造成的水土流失采取防治措施的研究[8-9]，而有關(guān)風電場建設(shè)不同施工擾動區(qū)域?qū)ν寥鲤B(yǎng)分造成的影響的研究仍很少見。本研究選取河西走廊3個典型的風電場為研究對象，對風電場各擾動分區(qū)進行土樣采集和分析研究，探討風電場建設(shè)不同擾動區(qū)域?qū)ν寥鲤B(yǎng)分的影響，旨在為后期土壤肥力和植被恢復提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河西走廊地區(qū)系指今甘肅的酒泉、嘉峪關(guān)、張掖、金昌、武威市全境，以及蘭州市、白銀市、臨夏回族自治州在黃河以西的地區(qū)，是甘肅省西北部的狹長堆積平原，長約1 000 km，寬5～200 km，總面積為27萬km2。該地區(qū)屬大陸性干旱氣候區(qū)，冬冷夏熱，降水稀少，蒸發(fā)量大，光照時間長，年降水量自東向西遞減，多在50～150 mm之間，年蒸發(fā)量1 500～2 500 mm，全年日照時數(shù)2 550～3 500 h，無霜期150～180 d，年均溫5.8～9.3 ℃,晝夜溫差平均15 ℃左右。該區(qū)地勢較為平坦，平均海拔1 500 m，西部分布著棕色荒漠土，中部為灰棕荒漠土，東部為灰漠土、淡棕鈣土和灰鈣土。東部荒漠植被具有明顯的草原化特征，形成較獨特的草原化荒漠類型，西部廣布礫質(zhì)戈壁和干燥剝蝕石質(zhì)殘丘，生態(tài)環(huán)境十分嚴酷。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

2016年7月，在研究區(qū)內(nèi)通過實地踏勘，選擇河西走廊西部的瓜州西大河、玉門昌馬和東部的民勤紅砂崗3個風電場作為研究對象。根據(jù)風電場的建設(shè)特點和不同用地類型，將風電場劃分成塔基建設(shè)區(qū)、施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)、架空線路區(qū)4個擾動分區(qū)。試驗風電場基本情況見表1。

表1 試驗風電場基本情況

2.2 樣品采集與樣品測定

在風電場各擾動分區(qū)和其對照區(qū)分別布設(shè)采樣點，并在每個擾動分區(qū)及對照區(qū)均按“S”形取9個土樣，每個風電場取72個土樣，3個風電場共取216個土樣。取土樣時，先挖土壤剖面，然后利用取土鏟自上而下采集0～50 cm表層土，將所有土樣分別裝入塑料袋帶回實驗室，自然風干并磨碎、過篩后測定各項土壤養(yǎng)分指標，檢測項目包括土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量和酸堿度(pH值)。有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定，土壤pH值采用電極電位法(2.5∶1水土比浸提液)測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007和SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和處理，比較風電場各擾動分區(qū)土壤養(yǎng)分指標與對照區(qū)的差異，用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)、最小顯著差異法(LSD多重比較法)、非參數(shù)檢驗方法(Kruskal-Wallis H檢驗法)等方法比較風電場各擾動分區(qū)土壤養(yǎng)分指標的差異并進行顯著性檢驗。采用OriginPro 2017作圖。

3 結(jié)果與分析

表2為風電場各擾動分區(qū)與對照區(qū)土壤養(yǎng)分指標差異顯著性分析情況。由于風電場占地面積大，因此各擾動分區(qū)的土壤養(yǎng)分背景值存在一定的空間異質(zhì)性。分析表2中對照區(qū)土壤養(yǎng)分含量可知，相對于對照區(qū)土壤養(yǎng)分均值，各擾動分區(qū)的對照區(qū)土壤養(yǎng)分盡管有一定程度的波動，但總體變幅不大，除昌馬風電場全鉀含量變幅較大(-34.28%～14.48%)外，其余變幅均在20%以下，說明各擾動分區(qū)的土壤養(yǎng)分背景值具有較均勻的特性。

表2 風電場各擾動分區(qū)與對照區(qū)土壤養(yǎng)分指標差異顯著性比較

注：表中數(shù)值為平均值±標準差(n=9)，標“*”號表示數(shù)據(jù)組與對照值相比差異顯著(P<0.05)。

3.1 土壤pH值

由表2可知，風電場施工道路區(qū)、架空線路區(qū)、辦公生活區(qū)、塔基建設(shè)區(qū)土壤pH值分別為9.27～9.41、8.67～9.28、7.94～9.28、8.38～8.55；與對照區(qū)相比，風電場各擾動分區(qū)土壤pH值總體上呈增大趨勢，其中西大河風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、施工道路區(qū)，昌馬風電場架空線路區(qū)、施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)，紅砂崗風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、施工道路區(qū)pH值均顯著增大。由圖1可知，西大河風電場各擾動分區(qū)之間土壤pH值均存在顯著性差異；昌馬風電場除施工道路區(qū)與辦公生活區(qū)之間pH值無顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均存在顯著性差異；紅砂崗風電場除架空線路區(qū)與施工道路區(qū)之間pH值無顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均存在顯著性差異。這說明風電場建設(shè)對不同施工區(qū)的擾動強度不同，造成對各擾動區(qū)土壤pH值的影響程度不同。比較各擾動分區(qū)土壤pH值相對于對照區(qū)的增大幅度，風電場的建設(shè)對各擾動分區(qū)pH值的影響大小為：施工道路區(qū)>架空線路區(qū)>塔基建設(shè)區(qū)>辦公生活區(qū)。

圖1 風電場各擾動分區(qū)土壤pH值差異顯著性分析

注：圖中不同小寫字母表示不同數(shù)據(jù)組之間有顯著性差異(P<0.05)，下同。

3.2 土壤有機質(zhì)

由表2可知，風電場辦公生活區(qū)、施工道路區(qū)、塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)土壤有機質(zhì)含量分別為1.75～2.13、1.73～2.44、2.23～2.33、1.79～2.31 g/kg；與對照區(qū)相比，風電場各擾動分區(qū)土壤有機質(zhì)含量總體上呈減少趨勢，減少幅度分別為6.47%～23.91%、7.58%～26.57%、5.11%～6.41%、0.39%～4.42%。其中，西大河風電場塔基建設(shè)區(qū)、施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)，昌馬風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)，紅砂崗風電場塔基建設(shè)區(qū)、施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)有機質(zhì)含量顯著減少。由圖2可知，西大河風電場除塔基建設(shè)區(qū)與架空線路區(qū)之間有機質(zhì)含量無顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均存在顯著性差異；昌馬風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、施工道路區(qū)之間土壤有機質(zhì)含量無顯著性差異，但三者與辦公生活區(qū)之間有顯著性差異；紅砂崗風電場除架空線路區(qū)與施工道路區(qū)之間土壤有機質(zhì)含量無顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均存在顯著性差異(其中架空線路區(qū)與其他擾動區(qū)的對照區(qū)的有機質(zhì)含量背景值之間本身存在顯著性差異)。比較各擾動分區(qū)土壤有機質(zhì)含量相對于對照區(qū)的減小幅度，風電場的建設(shè)對各擾動分區(qū)有機質(zhì)含量的影響大小為：施工道路區(qū)>辦公生活區(qū)>塔基建設(shè)區(qū)>架空線路區(qū)。

圖2 風電場各擾動分區(qū)土壤有機質(zhì)含量差異顯著性分析

3.3 土壤全氮

由表2可知，風電場辦公生活區(qū)、施工道路區(qū)、塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)土壤全氮含量分別為0.09～0.11、0.06～0.11、0.09～0.10、0.07～0.11 g/kg；與對照區(qū)相比，風電場各擾動分區(qū)土壤全氮含量均有所減少，減少幅度分別為15.38%～18.18%、10.00%～45.45%、9.09%～18.18%、15.38%～30.00%，減少總體不顯著，僅西大河風電場施工道路區(qū)顯著減少，減少幅度為45.45%。由圖3可知，西大河風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、辦公生活區(qū)之間土壤全氮含量無顯著性差異，但三者與施工道路區(qū)之間均存在顯著性差異；昌馬風電場各擾動分區(qū)之間土壤全氮含量均無顯著性差異；紅砂崗風電場除架空線路區(qū)與辦公生活區(qū)之間土壤全氮含量有顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均無顯著性差異。比較各擾動分區(qū)土壤全氮含量相對于對照區(qū)的減小幅度，風電場的建設(shè)對各擾動分區(qū)全氮含量的影響大小為：架空線路區(qū)>施工道路區(qū)>塔基建設(shè)區(qū)>辦公生活區(qū)。

圖3 風電場各擾動分區(qū)全氮含量差異顯著性分析

3.4 土壤全磷

由表2可知，風電場施工道路區(qū)、架空線路區(qū)、辦公生活區(qū)、塔基建設(shè)區(qū)土壤全磷含量分別為0.10～0.26、0.09～0.27、0.08～0.25、0.08～0.27 g/kg；與對照區(qū)相比，除西大河風電場架空線路區(qū)、昌馬風電場塔基建設(shè)區(qū)和架空線路區(qū)土壤全磷含量有所增大，且增大不顯著外，風電場各擾動分區(qū)土壤全磷含量均有所減少，減少幅度分別為7.08%～16.67%、18.18%、4.76%～20.00%、15.38%～20.00%，差異不顯著。由圖4可知，西大河風電場塔基建設(shè)區(qū)、施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)之間土壤全磷含量無顯著性差異，但三者與架空線路區(qū)均存在顯著性差異；昌馬風電場各施工擾動區(qū)之間土壤全磷含量均無顯著性差異；紅砂崗風電場除施工道路區(qū)與辦公生活區(qū)之間土壤全磷含量有顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均無顯著性差異。比較各擾動分區(qū)土壤全磷含量相對于對照區(qū)的減小幅度，西大河和昌馬風電場建設(shè)對各擾動分區(qū)全磷含量的影響大小為塔基建設(shè)區(qū)>施工道路區(qū)>架空線路區(qū)>辦公生活區(qū)，紅砂崗風電場建設(shè)對各擾動分區(qū)全磷含量的影響大小為塔基建設(shè)區(qū)>辦公生活區(qū)>架空線路區(qū)>施工道路區(qū)。

圖4 風電場各擾動分區(qū)全磷含量差異顯著性分析

3.5 土壤全鉀

由表2可知，風電場辦公生活區(qū)、施工道路區(qū)、塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)土壤全鉀含量分別為19.72～11.86、16.55～7.29、18.37～11.83、17.23～11.89 g/kg；與對照區(qū)相比，除西大河風電場辦公生活區(qū)、架空線路區(qū)顯著增大外，各擾動區(qū)全鉀含量總體上呈減少趨勢，其中西大河風電場施工道路區(qū)，昌馬風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、辦公生活區(qū)，紅砂崗風電場施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)顯著減少。由圖5可知，西大河風電場除塔基建設(shè)區(qū)與施工道路區(qū)之間土壤全鉀含量無顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均存在顯著性差異；昌馬風電場塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、辦公生活區(qū)之間土壤全鉀含量無顯著性差異，但三者與施工道路區(qū)均有顯著性差異(塔基建設(shè)區(qū)、架空線路區(qū)、辦公生活區(qū)的對照區(qū)全鉀背景值與施工道路對照區(qū)本身存在顯著性差異)；紅砂崗風電場除架空線路區(qū)與施工道路區(qū)之間土壤全鉀含量無顯著性差異外，其余各分區(qū)之間均存在顯著性差異(其中架空線路對照區(qū)全鉀背景值與其他三個對照區(qū)本身存在顯著性差異)。比較各擾動分區(qū)土壤全鉀含量相對于對照區(qū)的減小幅度，風電場的建設(shè)對各擾動分區(qū)全鉀含量的影響大小為：辦公生活區(qū)>塔基建設(shè)區(qū)>施工道路區(qū)>架空線路區(qū)。

圖5 風電場各擾動分區(qū)全鉀含量差異顯著性分析

4 討 論

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐缺程度及存在形態(tài)直接決定著土壤的肥力狀況，影響著植被的生長繁衍。土壤中與土壤肥力和植物生長最為密切的養(yǎng)分指標有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和土壤pH值等，成為土壤養(yǎng)分研究的主要研究對象。風電場建設(shè)過程中大型機械對土壤的碾壓、開挖與回填等都會對土壤產(chǎn)生嚴重的影響。許多研究[10-12]表明，工程施工破壞了土壤結(jié)構(gòu)，改變了土壤質(zhì)地，增加了土壤容重和緊實度，導致土壤pH值增加，養(yǎng)分(如有機質(zhì)、全氮、全磷等)減少，從而直接影響到工程完建后的土壤肥力和植被的恢復。

土壤pH值通過影響土壤微生物的活動、土壤有機質(zhì)的分解、礦質(zhì)營養(yǎng)的有效狀態(tài)、植物的生長發(fā)育等影響土壤的肥力狀態(tài)。各種微生物都有其最適宜和可以適應的pH值范圍，pH值過低(<5.5)或過高(>8.5)對一般的微生物都不大適宜，大多數(shù)植物在pH值>9.0或<2.5的情況下是難以生長的。西大河、昌馬、紅砂崗風電場未擾動區(qū)域土壤平均pH值分別為7.88、8.41、8.21，擾動區(qū)域土壤pH值范圍分別為7.94～9.27、8.41～9.41、8.23～9.31，土壤變?yōu)閺妷A性。風電場建設(shè)后土壤pH值增大，可能與施工時未按要求進行分層施工，將礦物含量高的底層土與礦物含量相對較低的表層土混合，導致巖石礦物風化產(chǎn)生大量礦質(zhì)元素有關(guān)。土壤pH值呈強堿性不利于植物生長，只有耐堿性強的少數(shù)物種才能生存繁衍，因此應對土壤進行改良，采用增施有機肥、施用化學改良劑等措施中和其堿性，調(diào)節(jié)土壤pH值使其在植被生長的適宜范圍內(nèi)。

有機質(zhì)既是植物所需各種營養(yǎng)物質(zhì)的來源，又具有改善土壤物理和化學性質(zhì)的功能。土壤有機質(zhì)的累積和分解受土壤溫度、水分、質(zhì)地、pH值和生產(chǎn)管理方式等因素的影響。風電場的建設(shè)造成各擾動分區(qū)土壤有機質(zhì)含量減小，這可能是施工過程中表層、底層土混合產(chǎn)生的稀釋效應，或未按要求進行表層土的剝離、收集和后期覆土，減少了土壤中有機質(zhì)的來源，同時pH值的升高加速了有機質(zhì)的分解，加上地表裸露土壤經(jīng)風蝕作用有機質(zhì)含量下降所致。

全氮含量是土壤中各種形態(tài)氮素含量之和。土壤中的氮素主要以有機態(tài)存在，土壤全氮含量與土壤有機質(zhì)含量之間存在高度正相關(guān)關(guān)系[12]。風電場的建設(shè)造成各擾動分區(qū)的土壤全氮含量減小，但減小差異整體不顯著。土壤中的氮素主要來源于生物固氮、大氣降水及雷電現(xiàn)象和灌溉水輸入。工程施工過程中的壓實效應增加了土壤的密實度，降低了土壤的通氣透水性，減弱了微生物活動，從而使土壤中氮含量減少；施工建設(shè)導致土壤有機質(zhì)含量減小，有機質(zhì)礦化能力下降，致使全氮的釋放能力隨之下降[13]；另外，氮素在土壤中的易移動性使其容易遭受風化淋溶損失。

磷在土壤中的移動性小，其含量與土壤母質(zhì)類型、成土條件、氣候條件和人類生產(chǎn)活動有關(guān)。由前述分析可知，風電場建設(shè)后，與對照區(qū)相比，除西大河風電場架空線路區(qū)、昌馬風電場塔基建設(shè)區(qū)和架空線路區(qū)土壤全磷含量有所增大外，其他擾動分區(qū)土壤全磷含量均有所減小，但增大或減小均不顯著。土壤中全磷40%～60%來源于有機質(zhì)的分解[13]，全磷含量與有機質(zhì)含量成正相關(guān)，擾動區(qū)域有機質(zhì)含量的顯著減小，導致全磷含量隨之減小。個別擾動分區(qū)土壤全磷含量的增大可能與施工導致富含磷的底層土與表層土混合有關(guān)。全磷在土壤中的存在形式較穩(wěn)定及其不易移動性造成了它的增大或減小不顯著。

鉀是植物生長所需要的主要營養(yǎng)元素，土壤全鉀含量反映了土壤鉀素的潛在供應能力。鉀含量的多少與成土母質(zhì)、風化成土條件、土壤質(zhì)地、耕作和施肥措施等因素有關(guān)。由前述分析可知，風電場建設(shè)對各擾動分區(qū)土壤全鉀含量造成的影響，除西大河風電場辦公生活區(qū)、架空線路區(qū)顯著增大外，其他擾動分區(qū)均減小或者顯著減小。全鉀含量的顯著增大可能與施工過程中遺留的廢棄物分解及鉀含量較高的底層土與表層土的混合有關(guān)[13]；全鉀含量的減小可能是工程施工擾動后土壤原有層次被打亂，造成鉀流失量較多。

5 結(jié)論與建議

①風電場的建設(shè)造成土壤pH值顯著增大(P<0.05)，有機質(zhì)、全鉀含量顯著減小(P<0.05)，全氮、全磷含量減小但不顯著(P<0.05)。②對土壤pH值來說，風電場的建設(shè)對施工道路區(qū)影響最大，架空線路區(qū)次之，塔基建設(shè)區(qū)和辦公生活區(qū)影響較小。③對土壤有機質(zhì)來說，風電場的建設(shè)對施工道路區(qū)、辦公生活區(qū)影響最大，塔基建設(shè)區(qū)次之，架空線路區(qū)較小。④對土壤全氮來說，風電場的建設(shè)對架空線路區(qū)和施工道路區(qū)影響較大，對塔基建設(shè)區(qū)和辦公生活區(qū)影響較小。⑤對土壤全磷來說，西大河、昌馬風電場建設(shè)對塔基建設(shè)區(qū)和施工道路區(qū)影響較大，對架空線路區(qū)和辦公生活區(qū)影響較??；紅砂崗風電場建設(shè)對塔基建設(shè)區(qū)影響較大，辦公生活區(qū)、架空線路區(qū)次之，施工道路區(qū)影響較小。⑥對土壤全鉀來說，風電場的建設(shè)對辦公生活區(qū)影響較大，對塔基建設(shè)區(qū)、施工道路區(qū)、架空線路區(qū)影響較小。

為減輕工程施工對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生的不利影響，提出以下建議：工程施工過程中應嚴格遵守“分層開挖、分層堆放、分層回填”的施工要求，避免表層土與底層土混合造成土壤養(yǎng)分的稀釋效應；工程施工前應對表層土進行剝離、收集，工程完建后應及時進行覆土，避免有機質(zhì)的無效流失，以利于后期植被的恢復；工程建設(shè)后土壤呈強堿性，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量減少，應對土壤基質(zhì)進行改良，增施有機肥，中和土壤堿性，增施氮肥、磷肥、鉀肥，使土壤養(yǎng)分供給長效和穩(wěn)定，以利于植被恢復。