光伏電板下沙打旺葉片性狀及其養(yǎng)分差異研究

通旭芳， 汪季， 蒙仲舉， 魏亞娟

(內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院,呼和浩特 010018)

當今，生態(tài)環(huán)境已逐步成為生產(chǎn)生活的焦點，恢復與發(fā)展生態(tài)環(huán)境成為當下一項重要工作[1-3]。我國西北地區(qū)沙漠面積廣大，植被稀少，風沙活動頻繁發(fā)生，嚴重影響了人們的正常生活，也帶來了一定的經(jīng)濟損失。同時，該區(qū)域海拔高，氣候干燥少雨，也是我國太陽能的富集區(qū)[4]，為了解決上述問題與矛盾，針對庫布齊沙漠北緣獨貴塔拉鎮(zhèn)段，億利資源集團在沙漠內大面積布設光伏電板，并在電板周邊種植不同植物，真正實現(xiàn)了板上發(fā)電與板下種植的協(xié)調發(fā)展，形成了“發(fā)電+種植+扶貧”的特色光能產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)了修復沙漠、節(jié)能減排及扶貧開發(fā)的多重效益。

研究表明，光伏電板的布設直接或間接影響著局部氣流、降水、太陽輻射、空氣溫濕度等因子[5]，對當?shù)乇揪痛嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生了擾動影響[6]，進而影響植物生境[7]。Ingestad等[8]指出，局部環(huán)境的變化會迫使植物對養(yǎng)分的吸收、分配及利用做出新的選擇，產(chǎn)生不同的環(huán)境適應策略，基本表現(xiàn)為外在生長形態(tài)與內在生理代謝及體內養(yǎng)分含量方面。生長形態(tài)上表現(xiàn)為株高、葉面積、比葉面積及葉片厚度等的變化[9-12]，養(yǎng)分方面表現(xiàn)為各礦物元素的變化，植物的生長往往會受到N和P的限制，成為植物生長發(fā)育的主要限制因素[13]。研究認為，N、P是植物在生長發(fā)育過程中至關重要的營養(yǎng)元素，對于合成核酸與蛋白質等方面發(fā)揮著關鍵作用[14-16]。養(yǎng)分供應的限制與否是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展穩(wěn)定與否的前提條件，而植物的N:P作為判斷養(yǎng)分供應狀況的指標有著不可忽視的作用[17-18]。綜上所述，光伏電板的遮蔭效應通過改變植株生長的微氣候環(huán)境，可以間接影響植物的生長發(fā)育。

沙打旺(Astragalusadsurgens)是豆科(Leguminosae)黃芪屬(Astragalus membranaceus)多年生草本植物，主根粗壯，長度可達1.5～4.0 m，具有耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐蔭的優(yōu)點，沙打旺主莖不明顯，叢生性突出，因而可以起到良好的防風固沙的作用，是很好的防風固沙先鋒植物[19]。同時沙打旺的固氮能力較強，是優(yōu)良的綠肥作物。且有報道顯示，沙打旺的莖葉中含有較豐富的營養(yǎng)物質[20]，將其調制成青干草或青貯飼料，可以發(fā)揮其飼用價值。因此，本研究以沙打旺為研究對象，對其株高、葉片長度、葉片厚度及單葉面積進行測定，并推算其比葉面積，這些指標可以外在表征沙打旺對光伏電板干擾的適應性；同時對其莖葉的氮、磷及粗蛋白含量進行了相關實驗。本研究有利于明確分析光伏電板干擾下各位置沙打旺存在何種差異，進而合理利用光伏電板空間，在最適當?shù)奈恢眠M行種植，充分發(fā)揮發(fā)電與種植的最大化效益。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于庫布齊沙漠北緣鄂爾多斯市杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)內，地理位置107°10′E～111°45′E、37°20′N～39°50′N[21]，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量227 mm，年均蒸發(fā)量2 400 mm[22]，土壤為風沙土，平均蓋度不足5%。試驗樣地位于工業(yè)園區(qū)內億利生態(tài)三期光伏電站(100 MW)，該電站2016年投入使用，試驗選取的固定光伏電板呈東西走向，板面朝南，一行由12塊電板組成，一塊電板有34塊電池，板面尺寸為400 cm×800 cm，傾斜角度為36°，板后沿邊緣與地面的垂直距離為300 cm，板前沿邊緣與地面的垂直距離為50 cm，南北方向相鄰電板的板間距離為900 cm，東西方向相鄰電板的行道距離為110 cm。

1.2 試驗與設計

為了合理利用電板周邊空間位置以及實現(xiàn)更好的防風固沙效能，于2016年在板間、板前沿、板后沿、板下種植沙打旺，種植方式為穴播?？紤]到下墊面的影響以及成活率，對電板周邊進行了鋪平設置并下覆基質統(tǒng)一紅壤土處理，以保證下墊面一致。在風沙期過后雨季之前，將提前購置的同一批種子置于洞穴內，間隔1 m，覆1～2 cm土層，以無電板遮擋區(qū)作為對照。如圖1所示，分別在板前沿(A)、板后沿(B)、板下(C)(下文光伏電板不同位置以A、B、C代替，對照CK為無光伏電板遮擋區(qū))呈東西方向布設3條50 m長的樣線，分別為樣線1、2、3，在每條樣線上以10 m為間隔打3個50 cm×50 cm的樣方。2019年沙打旺生長季(5—9月)，在測量完株高及葉片性狀之后，采取無泥土的新鮮的沙打旺莖葉若干，置于烘箱中105 ℃殺青20 min后，將烘箱溫度調至85 ℃烘干備用，外業(yè)試驗分別于5月初(10—12日)、6、7、8、9月底(每月24—28日)進行，內業(yè)試驗分別于采樣后的7 d內完成，最后選取沙打旺生長旺盛期(6—8月)的相關數(shù)據(jù)進行分析。

圖1 樣線布設及取樣示意圖Fig.1 Layout and sampling diagram of the sample line

根據(jù)對實驗樣地光伏電板各位置遮蔭時間的觀察發(fā)現(xiàn)，6月板前沿(A)、板后沿(B)、板下(C)的遮蔭時間分別為2 h 35 min、9 h 10 min、10 h 20 min；7月分別為2 h、9 h 30 min、10 h 40 min；8月分別為20 min、10 h 25 min、10 h 40 min。因此，光伏電板不同位置的遮蔭時間呈板下>板后沿>板前沿>對照(0 min)，即C>B>A>CK。

1.3 測定指標及方法

①株高采用卷尺測量(精度為cm)。

②葉長、葉片厚度采用游標卡尺(精度為mm)進行測量；單葉面積是將測量完葉長、葉片厚度的葉片置于一張固定的已知面積的黑色硬紙片上(參照物)，在固定的高度進行拍照，用photoshop軟件處理。單葉面積計算公式如下。

式中，Sleaf為葉片實際面積；Nleaf為葉片像素點；Nreference為參照物像素點；Sreference為參照物面積。

上述三方面內容只是對歷史農業(yè)地理現(xiàn)象進行復原，屬于歷史農業(yè)地理研究工作的初級階段，之所以對歷史農業(yè)地理進行深入研究，主要是為了深入考察農業(yè)發(fā)展變化現(xiàn)象及其變化產(chǎn)生的原因，總結農業(yè)發(fā)展規(guī)律，對相關生產(chǎn)經(jīng)驗進行科學總結，為現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展提供科學指導，從而更好地服務人類，提高人們生活水平，真正體現(xiàn)以人為本。[8]

比葉面積計算公式如下。

③生物量鮮重采用收獲法，在樣方內齊地刈割并用千分之一天平稱取鮮重(精度為0.001 g)。

④莖葉N、P含量采用H2SO4-H2O2消煮法，通過凱氏定氮法測定N含量，釩鉬黃比色法測定P含量。粗蛋白(crude protein，CP)含量計算公式[23]如下。

粗蛋白含量=6.25×N含量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013處理數(shù)據(jù)并繪圖，采用SPSS 17.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 光伏電板干擾條件下沙打旺株高變化

表1顯示，6—8月沙打旺株高均表現(xiàn)為遮蔭位置大于對照，且遮蔭時間最長的板下C的株高出現(xiàn)最大值，即C>A>B>CK。具體表現(xiàn)為6月C、A、B分別較對照增加了30.70%、19.04%及9.73%，對照CK顯著低于板下C與板前沿A；7月C、A、B分別比對照CK增加了87.50%、57.38%及27.88%，CK顯著低于C與A；8月C、A、B分別比對照CK增加了99.97%、71.73%及42.39%，各位置差異顯著。綜上，在生長旺盛期光伏電板遮蔭效應有利于沙打旺的縱向發(fā)展，且在時間尺度上，各位置沙打旺的株高呈8月>7月>6月，這與遮蔭后光環(huán)境的比例分配變化有關，沙打旺需要通過增加株高來提高光能利用率，從而適應光伏電板的遮蔭。

表1 沙打旺株高變化 Table 1 Changes of plant height of A. adsurgens (cm)

2.2 光伏電板干擾條件下沙打旺葉片性狀變化

表2 沙打旺葉片性狀變化Table 2 Changes of leaf traits in A. adsurgens

表2中數(shù)據(jù)顯示，沙打旺6—8月的葉片厚度均為CK>A>B>C，6月最大值CK分別比其他3個位置增加19.05%、31.58%及78.57%，CK顯著高于電板周邊位置；7月最大值CK分別比其他3個位置增加10.00%、37.50%及57.14%，CK顯著高于電板周邊位置；8月CK比最小值C增加了133.33%，CK與B和C差異顯著。這表明，遮蔭后沙打旺葉片出現(xiàn)變薄的現(xiàn)象。

單葉面積6月呈CK>B>A>C，最大值比最小值增加了82.28%，CK與A和C差異顯著；7月呈C>B>CK>A，最大值比最小值增加了60.67%，C與B分別比CK增加了37.50%、31.73%，CK與B和C差異顯著；8月呈C>B>A>CK，最大值比最小值增加了105.88%，A與B分別比CK增加了19.12%、32.35%，CK與C差異顯著。這說明，遮蔭后沙打旺葉面積會增大，目的在于吸收更多的光能。

比葉面積6月與7月均呈C>B>CK>A。6月C與B分別比CK增加了35.71%、24.61%，但各位置無差異；7月C與B分別比CK增加了22.53%、21.37%，CK與各位置差異較顯著；8月呈C>B>A>CK，各位置依次分別比CK增加了53.67%、66.45%、115.63%，CK及C分別與各位置差異顯著。

綜上所述，沙打旺在6—8月的生長旺盛期期間，板前沿A、板后沿B及板下C葉片逐漸變長變薄變大。其中，板下C變化最為明顯，這是由于光伏電板的遮蔭后，沙打旺通過以上方式來捕獲更多光量子，以減小光強減弱造成的影響，彌補因遮蔭時間縮短造成光合作用下降的不足，而對照的葉片逐漸變短變厚變小，是為了實現(xiàn)提高儲水能力的目的，并通過減小葉面積來縮小水分的蒸騰量，這是沙打旺為適應環(huán)境做出的生長調節(jié)機制，這些變化與小氣候的變化密切相關。因而，電板周邊的沙打旺生長發(fā)育的狀態(tài)較好。

2.3 光伏電板干擾條件下沙打旺莖葉養(yǎng)分含量變化

2.3.1光伏電板干擾條件下沙打旺莖葉N含量、CP含量變化 由圖2可知，6月各位置沙打旺莖葉的N含量呈B>C>A>CK，最大值與最小值分別為3.89%、1.42%，3個位置依次分別比CK增加了1.52%、2.46%、2.13%，CK沙打旺的N含量顯著低于其他3處；7月N含量呈C>B>A>CK，最大值為4.21%，比CK增加了3.24%，A與B較CK增加了1.49%、3.05%，CK沙打旺N含量顯著低于各位置；8月沙打旺N含量呈B>A>C>CK，最大值B比CK增加了1.09%，A與C分別比CK增加了0.97%、0.47%，各位置之間無差異。光伏電板的遮蔭使得沙打旺對藍紫光的吸收程度加強，從而促使原來的碳代謝轉換為氮代謝，所以會出現(xiàn)N含量增加的現(xiàn)象。6月CP最大值為B，達到24.31%，最小值CK僅8.91%，3個位置依次分別比CK增加了9.48%、15.40%、13.30%；7月CP最大值C達到26.29%，最小值CK僅6.07%，C比CK增加了20.22%；8月CP各位置含量分別為30.86%、31.60%、27.75%、24.79%，分別比CK增加了6.07%、6.81%、2.96%。綜上所述，6—8月沙打旺的N含量與CP含量在光伏電板遮蔭位置，即板前沿、板后沿及板下均高于對照，也就是說光伏電板周邊的沙打旺有更好的氮吸收能力。

注：不同小寫字母表示同一時間不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different small letters under the different treatments at the same time indicate significant difference at P<0.05 level.圖2 不同時間下沙打旺莖葉氮含量和粗蛋白含量Fig.2 N and CP content in stems and leaves of A. adsurgens at different time

2.3.2光伏電板干擾條件下沙打旺莖葉P含量變化 表3顯示，6月沙打旺的P含量B處最大，比最小值C增加了0.04%，比CK增加了0.02%，CK與各位置存在比較顯著的差異；7月呈C>B>CK>A，C處成為了P含量最大的位置，比CK增加了0.08%，比最小值A增加了0.09%，B比CK增加了0.03%，CK顯著低于C；8月C含量最高，比CK增加了0.06%，CK與各位置差異較顯著。光伏電板對周邊沙打旺P含量的積累與釋放并無太大影響，但是電板的遮蔭效應總體利于沙打旺P含量的積累。

表3 沙打旺莖葉P含量 Table 3 P content in stems and leaves of A. adsurgens

2.3.3光伏電板干擾條件下沙打旺莖葉N:P的變化 如表4所示，6月沙打旺的N:P比值呈C>A>B>CK，C比最小值CK增加了2.27%，A與B比CK增加了1.58%、1.23%，CK顯著低于其他位置；7月呈B>A>C>CK，各位置分別比CK增加了1.83%、1.87%、0.90%，且各位置之間無差異；8月呈B>A>CK>C，A與B分別比CK增加了0.36%、0.40%，C比CK減少了0.16%，CK與各位置差異較顯著。無論幾月，各位置沙打旺N:P>14，說明沙打旺生長并不受N的限制，可見光伏電板的布設對N的積累并無消極影響。A、B及C的N:P>16，說明沙打旺生長受到了P的限制，而6月與7月CK的N:P介于14與16之間，沙打旺生長受到N與P的共同限制。所以，在光伏電板周邊種植沙打旺可以避免N對其生長發(fā)育的限制作用，使沙打旺有較好的N吸收能力。

表4 沙打旺莖葉N:P變化 Table 4 Changes of stem and leaf N:P of A. adsurgens

2.4 光伏電板干擾條件下沙打旺地上生物量變化

由圖3可以直觀地看出，在50 cm×50 cm的樣方內，光伏電板各位置沙打旺的地上生物量的含量呈A>C>B>CK，最大值可以達到116.00 g·cm-2，最小值為27.51 g·cm-2，CK分別比A、C、B減少了76.28%、46.67%及58.38%，A、C與CK顯著，B與CK較顯著。光伏電板的遮蔭效應使得沙打旺優(yōu)先促進莖稈與葉片的增長，所以生物量鮮重較對照有所增加。

注：不同小寫字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different small letters indicate significant difference at P<0.05 level.圖3 沙打旺地上生物鮮重Fig.3 Fresh weight of aboveground biomass of A. adsurgens

3 討論

對實驗樣地觀察發(fā)現(xiàn)，日照時數(shù)呈板下<板后沿<板前沿<對照，說明電板周邊3個位置的太陽日照時間均小于對照，因此形成了不同的微氣候環(huán)境。光伏電板的遮擋，直接減少了太陽對地面的直射時間與面積，降低了太陽輻射量。殷代英等[24]通過光伏電站對共和盆地荒漠區(qū)微氣候的影響研究發(fā)現(xiàn)，試驗期間8月與9月的無光伏電板遮擋的對照點太陽總輻射分別為641.93、505.45 MJ·m-2，而電站內分別為569.45、470.97 MJ·m-2，對比之下分別降低了11.3%與6.8%。此外，光伏電板的布設降低了周邊的空氣溫度與土壤溫度。劉建等[25]對“農地種電”型光伏電站的研究證明了光伏電板有降低周邊空氣溫度的作用，使得光伏組件下部氣溫<光伏陣列間氣溫<露地氣溫，三者之間最大差值為2.4 ℃；殷代英等[24]研究發(fā)現(xiàn)，電站內的氣溫低于對照且電站內的土壤溫度較對照處的溫度低，10、20、40 cm處平均土壤溫度分別降低了17.20%、16.75%、16.09%；高曉清等[26]通過研究光伏電站對格爾木荒漠地區(qū)土壤溫度的影響，證明了站內溫度明顯低于對照，說明光伏電板可以起到隔熱作用；趙鵬宇[5]對烏蘭布和沙漠邊緣的光伏電站所做的研究表明，曠野(35.89 ℃)>電站南部(34.76 ℃)>北部區(qū)域(34.72 ℃)>電站中心(32.69 ℃)，也證明了該結論。因此，電板遮蔭可使太陽輻射、氣溫和地溫降低，空氣和土壤濕度增加，而這些變化影響了沙打旺的生長發(fā)育。

3.1 光伏電板不同位置條件對沙打旺株高的影響

本研究結果表明，種植在光伏電板周邊的沙打旺株高明顯高于對照，且6—8月均在板下達到最大值，且沙打旺株高均在逐月增加，板前沿增加了109.01%，板后沿增加了87.99%，板下增加了121.65%，然而對照卻只增加了44.87%?？梢?，電板周邊種植沙打旺的株高情況比對照具有優(yōu)勢，這是由于光伏電板的遮蔭效應使得沙打旺的物質分配做出改變，莖分配比例增加[27]，所以會先保證地上部分的生長，從而促進了沙打旺的縱向發(fā)展，以利于其用株高優(yōu)勢來捕獲更多的光量子。許多研究均發(fā)現(xiàn)，適當遮蔭會促使植物通過增加株高來主動適應遮蔭環(huán)境[28-31]，且沙打旺屬于耐蔭植物，相對比較適合在遮蔭條件下生長。

3.2 光伏電板不同位置條件對沙打旺葉片性狀的影響

葉片具有很強的可塑性，不同的生長環(huán)境會產(chǎn)生明顯差異。張建新等[32]研究指出，植物葉片厚度變薄、比葉面積>175 cm2·g-1是判斷植物是否為耐陰植物的部分標準?？梢?，沙打旺對異質光環(huán)境有較強的適應能力，出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是在光伏電板遮蔭后，光環(huán)境中的藍紫光比例增加，紅光比例減小[33]，而葉片變大是沙打旺增加捕光面積的方式，利于充分吸收光能，從而達到維持其正常生活的目的。本研究發(fā)現(xiàn)板前沿、板后沿及板下葉片逐漸變長變薄變大，其中板下變化最為明顯，而對照的葉片逐漸變短變厚變小，比葉面積的變化可以證明這一點，板下沙打旺的比葉面積由188.45 cm2·g-1增加至220.24 cm2·g-1，而對照處由138.86 cm2·g-1縮減至102.14 cm2·g-1，這些變化與小氣候的變化密切相關。諸多研究都證明了小氣候的變化會迫使植物出現(xiàn)葉片變薄變大的現(xiàn)象[34-37]。

3.3 光伏電板不同位置條件對沙打旺莖葉養(yǎng)分的影響

N、P是植物生長發(fā)育的必要營養(yǎng)元素[9]，粗蛋白是衡量植物品質的重要指標之一[38]。有學者研究發(fā)現(xiàn)，不同的光照條件(如光照強度、光照時間)會對植物養(yǎng)分的產(chǎn)生與積累有影響[39]。本研究發(fā)現(xiàn)，沙打旺的N含量與其粗蛋白含量的變化呈正相關，光伏電板周邊位置沙打旺的N含量與粗蛋白含量均大于對照，而P含量則在光照時間最短的板下有明顯增加，一方面是因為藍紫光的增加會使得沙打旺的碳代謝轉化為氮代謝，加強了氮代謝能力[40]，另一方面是由于遮蔭后光合產(chǎn)物減少，從而消除了光合產(chǎn)物增多對N的稀釋作用，因此N的積累起到了積極作用[41]，且N含量增加會引起P含量相對應的增加，這與內穩(wěn)態(tài)機制有關[18]。潘福霞等[42]研究發(fā)現(xiàn)，遮蔭使得紫云英的N含量增加，適度遮蔭會促進其P含量的累積；馬志良等[43]研究認為，遮蔭對P有促進積累的作用，對N影響不顯著；頡洪濤等[44]研究證明，耐蔭植物在弱光環(huán)境下會將更多的養(yǎng)分和能量傳輸?shù)降厣喜糠?，所以利于養(yǎng)分的積累。本研究的結論與這些結論基本一致。

N：P是用來判斷植物生長受限狀況的指標[9]。Koerselman等[14]認為當N:P<14時，植物生長發(fā)育會受到N的限制；當N:P>16時，受P的影響；在14～16之間會受二者的共同限制。本研究發(fā)現(xiàn)各位置沙打旺的生長受到P的限制較為嚴重。覃鳳飛等[45]研究發(fā)現(xiàn)，夏季遮蔭會減小高溫天氣對紫花苜蓿的傷害程度，從而減少葉片凋落量，增加紫花苜蓿的地上生物量；頡洪濤等[44]認為光強減弱會對植物的生長率產(chǎn)生影響，從而影響生物量的積累，山杜英、朱砂根、紅茴香的生物量會隨著光強的減弱呈先增加后減少的趨勢，但紅茴香生物量在極低光環(huán)境下會出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。本研究中板前沿、板后沿及板下沙打旺的地上生物量鮮重均大于對照，說明電板遮蔭利于耐蔭植物的生物量積累。

綜上所述，本研究表明，在光伏電板周邊種植沙打旺的優(yōu)勢大于對照，不僅可以促進外在形態(tài)上的生長發(fā)育，還可以對其體內養(yǎng)分含量及地上生物量的積累有一定的促進作用，使其發(fā)揮更好的飼用價值，且通過生長形態(tài)可以判斷沙打旺屬于耐陰植物，光伏電板的遮蔭效應恰好為其提供了良好的生長環(huán)境。