光伏電站工程對土壤與植被的影響
——以甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)為例

周茂榮， 王喜君

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，730020, 蘭州)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，各類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模與投資力度日益加大，在建設(shè)、生產(chǎn)過程中不可避免地出現(xiàn)挖填、堆棄、碾壓活動，占壓、擾動并破壞了原地表及植被，從而對建設(shè)區(qū)域的土壤環(huán)境與植被造成一定影響。光伏電站工程建設(shè)對區(qū)域土壤環(huán)境與植被的影響有其特殊性，針對其影響特點(diǎn)、遵循因地制宜、因害設(shè)防的原則，如何布設(shè)行之有效的防治措施是防治光伏電站建設(shè)中新增水土流失的關(guān)鍵；因此，研究光伏電站建設(shè)過程中對土壤環(huán)境與植被的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)量大，植被稀疏，風(fēng)大沙多，生境嚴(yán)酷，是我國典型的風(fēng)力侵蝕區(qū)，也是西北地區(qū)主要的沙塵暴發(fā)源地。隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施原有地表結(jié)皮和植被遭到破壞，引起了新增水土流失，從而使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更趨惡化；因此，做好開發(fā)中的保護(hù)工作就必須引起全社會的高度重視，做到在開發(fā)中保護(hù)和在保護(hù)中開發(fā)相結(jié)合[2]。筆者通過對甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)6個(gè)已建光伏電站對生態(tài)環(huán)境的影響調(diào)查、分析，初步了解了光伏電站建設(shè)不同時(shí)段對生態(tài)環(huán)境的影響情況，以期為甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)光伏電站建設(shè)過程中的生態(tài)保護(hù)工作提供技術(shù)支撐[3]。

1 研究區(qū)概況

1)自然背景。河西走廊是中國內(nèi)地通往新疆的要道，東起烏鞘嶺，西至古玉門關(guān)，南北介于南山(祁連山和阿爾金山)和北山(馬鬃山、合黎山和龍首山)之間，長約900 km，寬數(shù)km至近百km，為西北—東南走向的狹長平地。在行政區(qū)劃上從東向西依次為甘肅省武威市、金昌市、張掖市、酒泉市和嘉峪關(guān)市，地理坐標(biāo)介于E 92°45′～104°15′，N 36°35′～42°45′之間，地形大部分為祁連山北麓沖積-洪積扇構(gòu)成的山前傾斜平原。在全國土壤侵蝕類型區(qū)中屬 “三北” 戈壁沙漠及沙地風(fēng)沙區(qū)，其東面有騰格里沙漠、北面有巴丹吉林沙漠、西面有庫姆塔格沙漠，沙漠和零星沙地面積約754 km2，戈壁面積約8.55萬km2[4]。

該區(qū)南側(cè)為祁連山脈，其他3面被沙漠包圍[3]。氣候?qū)俅箨懶愿珊禋夂?，氣候干燥，冷熱變化劇烈，風(fēng)大沙多，降雨稀少，按甘肅省1981—2010年氣象資料，各市多年平均降水量為：武威171.1 mm，張掖132.6 mm，酒泉88.4 mm，嘉峪81.5 mm，敦煌39.8 mm；酒泉以東干燥度為4～8，以西為8～24，敦煌市、瓜州縣屬于極端干旱區(qū)[5]。

2)光伏電站工程背景。河西走廊太陽能資源豐富，被譽(yù)為“陸地三峽”，目前，涼州區(qū)、金昌市、民勤縣、肅州區(qū)、金塔縣、嘉峪關(guān)市、敦煌市等地已建成的百萬千瓦級光電基地運(yùn)行良好，截至2016年底，研究區(qū)內(nèi)已有光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)19個(gè)，入駐光伏企業(yè)107家， 累計(jì)裝機(jī)容量422.4萬kW，僅次于青海的580.4萬kW。

本研究從東向西選擇了武威、張掖、嘉峪關(guān)3市的6個(gè)典型光伏電站，采用定位觀測、巡查監(jiān)測和查閱水土保持監(jiān)測資料相結(jié)合的方法進(jìn)行了土壤環(huán)境與植被影響調(diào)查，6個(gè)光伏電站基本情況見表1。

2 荒漠戈壁區(qū)光伏電站工程對土壤環(huán)境的影響

2.1 光伏電站工程對土壤養(yǎng)分的影響

光伏電站施工中的道路修筑、光電池板區(qū)局部場地平整、光伏板支架基礎(chǔ)施工、逆變器室、電纜溝的基礎(chǔ)開挖、土方回填、設(shè)備安裝等，都不可避免地?cái)_動原地貌、破壞地表植被，從而對土壤和植被造成一定的影響[6]。

表1 監(jiān)測與調(diào)查光伏電站情況Tab.1 Information of measured and investigated photovoltaic power stations

2017年6月課題組在武威市涼州區(qū)豐樂鎮(zhèn)光伏園區(qū)中國水電武威50 MW光伏電站、張掖市臨澤縣扎爾敦灘光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)吉林交通臨澤縣50 MW光伏電站、嘉峪關(guān)市西戈壁光電產(chǎn)業(yè)園區(qū)華電新能源107 MW光伏電站等6個(gè)典型光伏電站場內(nèi)、外采集了36個(gè)土樣，由甲級檢測單位甘肅宏強(qiáng)工程檢測有限公司負(fù)責(zé)對場內(nèi)、外土壤養(yǎng)分、水分等進(jìn)行了化驗(yàn)，土樣養(yǎng)分化驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2看出，pH、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷光伏板間擾動后自然恢復(fù)區(qū)域與光伏電站外未擾動區(qū)域差異不大，土壤養(yǎng)分變化不明顯。水解性氮、速效鉀光伏板間擾動后自然恢復(fù)區(qū)域明顯高于光伏電站外未擾動區(qū)域。

經(jīng)過對6個(gè)電站土壤水解性氮、土壤速效鉀的綜合計(jì)算、分析，擾動后自然恢復(fù)區(qū)域(A)與未擾動區(qū)域(B)相比：水解性氮在0～10 cm土層A比B高42.91%，在10～30 cm土層A比B高48.81%，在30～50 cm土層A比B高10.05%。土壤速效鉀在0～10 cm土層A比B高11.15%，在10～30 cm土層A比B高17.72%， 在30～50 cm土層A比B高33.92%。

2.2 光伏電站工程對土壤含水比例的影響

6個(gè)光伏電站的平均土壤含水比例情況如表3所示。

從表3可以看出，光伏電站內(nèi)光伏板間擾動后自然恢復(fù)區(qū)域土壤含水率明顯高于光伏電站外未擾動區(qū)域，不同深度土層含水量變化最大的是10～30 cm層。造成這一結(jié)果的原因是光伏面板的集流作用、遮陰作用以及光伏電站內(nèi)風(fēng)速相對較小等。

3 荒漠戈壁區(qū)光伏電站工程對植被的影響

3.1 光伏電站工程對原有植被的影響

光伏電站建設(shè)過程中由于基礎(chǔ)開挖、擾動地表，對原有植被造成嚴(yán)重破壞。工程建成后，由于建筑物的占壓、光伏面板的遮擋對植被的恢復(fù)亦產(chǎn)生或多或少的影響。通過對甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)已建光伏電站植被變化情況的調(diào)查研究，得出以下結(jié)論：

1)甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)光伏電站建設(shè)前原地貌植被覆蓋率一般在10%～15%，建設(shè)中植被覆蓋率下降到2%左右，施工結(jié)束工程進(jìn)入運(yùn)行期后植被逐漸恢復(fù)，工程運(yùn)行3～5年后植被覆蓋率一般能恢復(fù)至8%左右。

2)荒漠戈壁區(qū)水是限制植物生長的主要因素，因此，提高土壤含水量是恢復(fù)植被的有限途徑。

3)施工中減少擾動強(qiáng)度可保留部分植物根系，有利于植被恢復(fù)，因此，在光伏電站建設(shè)中要盡可能采用對地表擾動強(qiáng)度小的螺旋鋼管樁基礎(chǔ)[7]，光伏面板布設(shè)依照地形用支架調(diào)整面板高度[8]，盡可能不進(jìn)行場地平整，從而達(dá)到減輕地表擾動強(qiáng)度和減少擾動地表面積的目的。

4)荒漠戈壁區(qū)地表土壤中含有較豐富的植物種子，為植被自然恢復(fù)創(chuàng)造了條件，因此，種子不是光伏電站植被恢復(fù)的主要限制因子。

5)施工擾動面壓蓋砂石不利用植被恢復(fù)。

6)光伏電站植被恢復(fù)的主要區(qū)域?yàn)楣夥姘彘g及光伏面板下，由于光伏面板的集流及遮陰作用，該區(qū)域水分條件相對較好，有利用植被的生長。

表2 光伏電站內(nèi)外土壤養(yǎng)分變化Tab.2 Variations of soil nutrients inside and outside photovoltaic power stations

3.2 光伏電站工程對生態(tài)環(huán)境的影響

由于甘肅河西走廊氣候寒冷、降水稀少、多風(fēng)沙，因此，植被具有顯著的地域特征，在環(huán)境演變中河西走廊荒漠戈壁植物種群向著耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙的的方向發(fā)展，形成了以多枝檉柳(TamarixramosissimaLcdcb)、紅砂 (ReaumuriaLinn.)、白刺(NitrariatangutorumBobr)、沙蒿(Artemisiadesertorum)為代表的原生物種。光伏電站建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對自然生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域環(huán)境的影響2方面。

1)對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響。許申來等[9]認(rèn)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(hù)部門應(yīng)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(jìn)行必要的地貌、土壤和植被恢復(fù)[5]。工程施工對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為對植物群落中物種多樣性的影響，從生態(tài)學(xué)的演替理論看，受到干擾和破壞的生態(tài)系統(tǒng)其物種多樣性下降，干擾停止有可能隨演替進(jìn)程多樣性指數(shù)上升并恢復(fù)到原有水平。工程施工過程是對原有生態(tài)系統(tǒng)的一種擾動，受到破壞和干擾嚴(yán)重時(shí)物種多樣性值降的較低，自然條件嚴(yán)酷時(shí)恢復(fù)過程慢，自然條件好時(shí)恢復(fù)過程較快。同一工程，不同的施工工藝對生態(tài)環(huán)境的影響程度差異很大，如光伏陣列支架基礎(chǔ)采用螺旋鋼管樁基礎(chǔ)，可大大降低光伏陣列支架基礎(chǔ)施工時(shí)的土石方開挖量，從而有效減小對原有植被的破壞程度，工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響一般反映在植被面積和植物種群多樣性的變化方面。

表3 光伏電站內(nèi)外土壤水分統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of soil moisture inside and outside photovoltaic power stations

光伏電站的選址與其對生態(tài)的影響極為相關(guān)，按照建設(shè)地點(diǎn)生物群落和生物多樣性的不同分為森林、草地、沙漠、沙漠灌木林和農(nóng)田。一般而言，生物多樣性的不同是與本地的氣候條件尤其是降雨量相關(guān)[10]。光伏電站建設(shè)項(xiàng)目對生態(tài)系統(tǒng)及其物種多樣性的影響，可分為工程建設(shè)期、運(yùn)行期2個(gè)階段，其中工程建設(shè)期的土建施工階段影響最大。工程建設(shè)期土建施工階段土石方開挖、機(jī)械碾壓對物種的多樣性影響最大，對原地貌的擾動強(qiáng)度決定了對物種多樣性的影響程度。

根據(jù)甘肅河西走廊光伏電站工程建設(shè)特征，工程建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)及其生物多樣性的影響主要表現(xiàn)在：光電池板區(qū)(場地局部平整、光伏板支架基礎(chǔ)開挖、集電線路溝槽開挖、逆變器基礎(chǔ)開挖)、站內(nèi)道路區(qū)(場內(nèi)混凝土主干道、壓砂檢修及清潔道路修筑)、集控中心區(qū)(場地平整、建筑物基礎(chǔ)開挖、場院混凝土硬化)、圍欄邊界區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、場外道路管線區(qū)(管溝開挖等)的土石方挖填、堆棄以及對地表的碾壓，所造成的原有植物破壞和植被生長條件的改變等方面。因植被覆蓋率降低、生物量減少，從而造成生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能下降，進(jìn)而影響到區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和物種的多樣性。工程建設(shè)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境及植被多樣性影響見表4。

2)對區(qū)域環(huán)境的影響。光伏電站建設(shè)過程中由于挖填(基礎(chǔ)開挖、回填)、堆棄(臨時(shí)堆土、棄土、棄渣)碾壓(機(jī)械碾壓、建筑材料、設(shè)備堆壓)，不可避免地對區(qū)域環(huán)境造成一定的影響。

光伏電站在建設(shè)過程中，施工作業(yè)面大，將不可避免地?cái)_動原有地貌，對區(qū)域內(nèi)社會和自然環(huán)境帶來不同程度的影響[11]。建設(shè)時(shí)施工道路修建、場地平整、材料堆放、基礎(chǔ)開挖、電纜溝開挖等施工活動會造成地表擾動，植被破壞，導(dǎo)致新增水土流失[12]。甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)生態(tài)脆弱，光伏電站建設(shè)擾動了原地貌，破壞了多年形成的地表結(jié)皮，勢必造成水土流失和揚(yáng)塵，甚至引發(fā)沙塵暴。建設(shè)過程中的廢棄物和施工生活垃圾、棄土及廢潤滑油、廢柴油等處置不當(dāng)，都會對環(huán)境造成很大影響。

4 結(jié)論

1)光伏電站建設(shè)過程中對原地表的挖填、堆棄、碾壓，不可避免地對原地表土壤造成擾動，研究結(jié)果表明：擾動后土壤的PH、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷與擾動前差異不大，但土壤水解性氮、速效鉀明顯高于未擾動區(qū)域。

2)光伏電站在建設(shè)過程中對原有植被和地表結(jié)皮破壞較大，地表結(jié)皮的破壞，加劇水土流失和揚(yáng)塵，甚至引發(fā)沙塵暴。植被的破壞，降低了植被的覆蓋率，引起了生態(tài)環(huán)境的惡化和植物種群多樣性的減少。

3)因光伏面板對降雨有集流作用，因此，光伏電站內(nèi)光伏板間擾動后自然恢復(fù)區(qū)域土壤水分明顯高于光伏電站外未擾動區(qū)域。

5 建議

從該研究工作可以得出對未來在該地區(qū)發(fā)展光伏電站如何更好地保持生態(tài)平衡的建議：

1)光伏電站在設(shè)備選型時(shí)要選擇光電轉(zhuǎn)化效率高的光伏組件，同時(shí)在地質(zhì)條件許可的前提下光伏面板支架基礎(chǔ)優(yōu)先選擇土石方量最小的螺旋鋼管樁基礎(chǔ)[13]。

在地形無明顯起伏，地面自然坡度小于或等于3°的平原地區(qū)，“光伏組件轉(zhuǎn)化效率”提高1%，“光伏方陣場區(qū)”的占地面積減少5%～9%。

表4 工程建設(shè)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境及植被多樣性影響Tab.4 Influence of engineering construction on regional ecosystem and plant population diversity

2)從工程的可研設(shè)計(jì)階段就要重視環(huán)境保護(hù)工作，將環(huán)境保護(hù)工作貫徹于工程建設(shè)的全過程，使各參建單位樹立減少擾動就是最大保護(hù)的思想，做到文明施工[14]。

3)可利用光伏面板的集流作用發(fā)展特色林果業(yè)。