干熱河谷區(qū)光伏電站建設(shè)的生態(tài)效應(yīng)與植被恢復(fù)探討

劉文祥，萬 丹，甘國權(quán)，盧 陽，周火明

(長江水利委員會 長江科學(xué)院 重慶分院，重慶 400026)

隨著化石能源過度消耗，其帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題日益突出，人們迫切需要新能源來代替化石燃料等傳統(tǒng)能源。太陽能具有安全可靠、清潔低碳且不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，因此成為最具潛力的清潔能源之一[1]。光伏發(fā)電不僅是我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要措施，也是農(nóng)村實現(xiàn)精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)脫貧的重大政策創(chuàng)新。

近年來，我國西南地區(qū)不斷加大光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)力度，光伏電站裝機(jī)容量逐年提升[2]。西南地區(qū)太陽能資源豐富，開發(fā)潛力巨大，特別是在高溫干燥的云南干熱河谷區(qū)，年均總輻射量顯著高于全國年平均水平[3]。然而，光伏發(fā)電帶來清潔能源的同時，也會造成植被破壞和水土流失等問題。

為探究光伏電站建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，國內(nèi)學(xué)者開展了光伏發(fā)電項目環(huán)境影響評價工作，提出了不同的植被恢復(fù)措施。然而，這些研究主要集中在西北地區(qū)，關(guān)于云南干熱河谷地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)研究則鮮有報道。由于特殊的氣候特征和脆弱的生態(tài)環(huán)境，干熱河谷區(qū)光伏電站建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響可能與其他區(qū)域存在一定差異，因此有必要開展干熱河谷區(qū)光伏發(fā)電項目的生態(tài)效應(yīng)和植被恢復(fù)研究。

1 干熱河谷區(qū)特征

1.1 氣候特征

我國的干熱河谷主要分布在云南、四川、貴州、西藏等西南地區(qū)，總面積超過3.2萬km2[4]，位于怒江(海拔<1 200 m)、元江(海拔1 000～1 400 m)、瀾滄江(海拔<1 000 m)和金沙江(海拔800～1 200 m)等流域的河谷地帶[5]。其中云南干熱河谷區(qū)降水量相對較少，年降水量580～1 200 mm，5—10月的降水量占全年的80%～92%，年水面蒸發(fā)量2 600～3 700 mm，年均溫20.7～24.1 ℃，≥10 ℃年積溫7 800～8 800 ℃。

金沙江干熱河谷年均總輻射量約6 200 MJ/m2，高于云南全省年均總輻射量(5 151 MJ/m2)，也高于華南地區(qū)(5 087 MJ/m2)和河西走廊地區(qū)(5 271 MJ/m2)。云南干熱河谷區(qū)年均凈輻射量約3 600 MJ/m2，顯著高于全國年均凈輻射量(約2 300 MJ/m2)。

1.2 植被特征

干熱河谷地區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)單一，植被隨干濕季節(jié)交替變化，受旱季時間長影響，植被旱生形態(tài)突出[6]。因特有的群落特征和植物區(qū)系，云南干熱河谷區(qū)植被為“河谷型薩王納植被”。該區(qū)域以大面積禾草為主，如扭黃茅、孔穎草等，稀疏分布喬木和灌木(見表1)。除天然和人工種植的喬灌草外，區(qū)內(nèi)農(nóng)田種植有小麥、水稻、豆類等農(nóng)作物。

表1 云南干熱河谷區(qū)自然植被類型

1.3 土壤類型與侵蝕特征

由于成土母質(zhì)和氣候條件復(fù)雜，云南干熱河谷地區(qū)形成了不同的土壤類型，主要包括紅壤、棕壤、燥紅土、水稻土、紫色土等[7]。云南干熱河谷地區(qū)不同土壤機(jī)械組成和養(yǎng)分含量顯示，該區(qū)域除紅壤外，其他土壤砂粒和黏粒含量較高，但所有土壤養(yǎng)分含量均較低(見表2)，土壤抗蝕性差。

表2 云南干熱河谷區(qū)不同土壤機(jī)械組成和養(yǎng)分含量

干熱河谷區(qū)是我國典型的生態(tài)脆弱帶和特殊環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)[8]，其中金沙江中下游的干熱河谷地段是全國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。該地區(qū)水土流失特點(diǎn)為：①范圍大。由于地貌類型多樣、海拔懸殊，旱季土壤水分偏低，雨季降水集中，因此土壤結(jié)構(gòu)差，侵蝕面積廣。以元謀縣為例，水土流失面積超過全縣國土總面積一半。②強(qiáng)度高。土壤侵蝕數(shù)據(jù)顯示，元謀縣年均溯源侵蝕速度約50 cm[8]，土壤侵蝕模數(shù)大于1.6萬t/(km2·a)，其中中度、重度侵蝕面積超過該區(qū)侵蝕面積的35%。

2 光伏電站建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響

2.1 改變局部小氣候

光伏電站站內(nèi)外氣溫和凈輻射通量存在差異[9]。格爾木荒漠區(qū)光伏電站站內(nèi)與站外2 m 和10 m高度氣溫監(jiān)測結(jié)果(見圖1)顯示：2 m高度月氣溫差值(站內(nèi)氣溫-站外氣溫)最小值(0 ℃)出現(xiàn)在10月份，最大值(1.1 ℃)出現(xiàn)在5月份，且冬季站內(nèi)氣溫低于站外氣溫；而10 m高度氣溫全年各月站內(nèi)均低于站外，氣溫差值變化范圍為-1.0～-3.2 ℃，其中秋冬季差值較大。站內(nèi)2 m高度氣溫在5—10月高于站外，這是由于夏季太陽輻射強(qiáng)，白天轉(zhuǎn)換為電能的太陽輻射占比小，站內(nèi)外2 m高度氣溫差異小，而晚上光伏陣列(一般高度3～4 m)在2 m高度起到了絕熱保溫作用，站內(nèi)氣溫下降較少；10 m高度氣溫各月站內(nèi)均低于站外，這是因為白天太陽能板將部分太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)致氣溫降低，而光伏電板高度遠(yuǎn)低于10 m，晚上無法起到絕熱保溫作用，站內(nèi)外氣溫基本無差異所致。光伏電站內(nèi)外凈輻射通量年內(nèi)月變化也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(見圖2)，站內(nèi)凈輻射通量大于站外，站內(nèi)年平均凈輻射通量與站外的比值為1.32，表明光伏電站是一個能量匯[10]。

圖1 光伏電站站內(nèi)與站外不同高度月氣溫差值變化

圖2 光伏電站站內(nèi)與站外凈輻射通量月變化

光伏陣列對空氣濕度影響較小，研究顯示，光伏電站內(nèi)外的空氣濕度無顯著差異[11]。但是光伏陣列能夠改變近地表氣流方向，使風(fēng)速和空氣湍流隨之變化，在擋風(fēng)阻沙的同時影響空氣濕度，也在一定程度上影響溫室氣體在近地表的分布。

干熱河谷區(qū)氣候特征與西北荒漠區(qū)類似，具有濕度小、蒸發(fā)大、日照充足等特點(diǎn)，此外夏季氣溫偏高、降雨集中，在該區(qū)域進(jìn)行光伏開發(fā)，一定程度上會增加光伏陣列下的空氣溫度和濕度，然而其對空氣濕度和氣流的具體影響尚不清楚，未來需要開展進(jìn)一步觀測研究。

2.2 影響土壤理化性質(zhì)

光伏電站建設(shè)和運(yùn)營影響周邊土壤理化性質(zhì)(見表3)[12]。光伏電站建設(shè)期的施工活動會改變原有土壤結(jié)構(gòu)和地貌，導(dǎo)致地表裸露，極易引發(fā)水土流失，破壞地表生態(tài)環(huán)境。光伏電站建成后，光伏陣列減少了太陽對地表的輻射，加之其絕熱保溫作用，光伏電站內(nèi)土壤溫度日變化小于站外，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳分解和呼吸速率表現(xiàn)不同[13]。光伏陣列改變了土壤含水量分布特征，不同位置土壤含水量的變化與土壤離光伏陣列覆蓋區(qū)的距離有關(guān)。在光伏陣列覆蓋區(qū)，站內(nèi)遮陰區(qū)與未遮陰區(qū)土壤含水量無顯著差異，而兩者與站外土壤含水量差異顯著。站內(nèi)土壤含水量明顯升高，距離光伏陣列覆蓋區(qū)越遠(yuǎn)，土壤含水量受到的影響就越小。光伏陣列的太陽能電池板對大氣降水和太陽輻射的遮擋作用，造成土壤水分通道堵塞，導(dǎo)致土壤容重增加[14]。光伏電站建設(shè)在一定程度上影響了不同位置土壤的化學(xué)性質(zhì)，光伏電站內(nèi)遮陰區(qū)和未遮陰區(qū)的土壤速效磷和速效鉀含量顯著高于站外區(qū)[12]，而站內(nèi)遮陰區(qū)的pH值和電導(dǎo)率小于未遮陰區(qū)和站外位置。這是由于光伏陣列降低了土壤水分蒸發(fā)，減少了土壤表層鹽分積累。光伏電站內(nèi)部土壤含水量高于站外，促進(jìn)了站內(nèi)植物生長，站內(nèi)植物生物量高于站外，而枯落物分解后歸還土壤，土壤養(yǎng)分也會隨之增加。

表3 光伏電站不同位置土壤理化性質(zhì)

干熱河谷區(qū)土壤類型以燥紅土為主，土層薄，結(jié)構(gòu)差，抗蝕抗沖能力弱，極易遭受侵蝕。目前關(guān)于該地區(qū)建設(shè)光伏電站后土壤性質(zhì)變化規(guī)律的研究鮮有報道。光伏電站建設(shè)可能會導(dǎo)致土壤總孔隙度和毛管孔隙度減小，土壤容納雨量和入滲能力下降，地表徑流量增加。此外，光伏發(fā)電項目一般占地面積較大，而干熱河谷區(qū)夏秋季節(jié)降水較多，易造成大面積水土流失。在開展干熱河谷地區(qū)光伏開發(fā)環(huán)境影響評價工作時，需要更加關(guān)注光伏電站建設(shè)前后土壤理化性質(zhì)的變化和對土壤侵蝕的影響。

2.3 影響植被生長和生物多樣性

光伏電站建設(shè)改變了局部氣候、土壤等生境條件，間接影響周邊植被生長，如高度、蓋度、生物量等表現(xiàn)出差異(圖3)。光伏電站建設(shè)期，施工活動破壞植物生長環(huán)境，一定程度上抑制了植物生長發(fā)育。光伏電站運(yùn)營期間，光伏陣列影響周邊植物生長，表現(xiàn)為光伏陣列間的植被高度和生物量顯著高于陣列下方[15]。在光伏陣列前后方，由于光伏陣列對太陽輻射的遮擋，土壤水分蒸發(fā)減少，因而提高了近地表草類植物成活率，其生物量略呈增加的趨勢[16]。

圖3 光伏陣列對植被的影響示意

光伏電站建設(shè)切割了原有景觀，導(dǎo)致環(huán)境破碎程度加大，自然景觀和生物多樣性降低[17]。在光伏電站建設(shè)期，施工中對地表植被的清理和擾動，使植物種類和數(shù)量減少，區(qū)域生物多樣性降低；在光伏電站運(yùn)營期，光伏電板正下方的物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)等均顯著低于電板的前后檐以及自然植被群落[18]。此外，光伏電站內(nèi)植物群落內(nèi)部的種間競爭和互利共生等作用，導(dǎo)致種群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一定程度上影響了生物多樣性[9]。

特殊復(fù)雜的地理和氣候環(huán)境造就了干熱河谷區(qū)植被的典型性和稀有性，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)單一，主要以大面積禾草草叢分布為主，稀散分布喬木和灌叢。同時干濕交替的氣候和頻繁的人類活動，加劇了干熱河谷植被的脆弱性。干熱河谷區(qū)光伏電站建設(shè)對本土植被生長發(fā)育的影響機(jī)理尚不明確，生物多樣性的時空變化特征未知，有待進(jìn)一步研究。

3 光伏電站植被恢復(fù)模式探討

3.1 現(xiàn)有的光伏電站植被恢復(fù)模式

光伏電站區(qū)采取植被恢復(fù)措施，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分含量，有效減少水土流失。不同植被恢復(fù)模式適用條件不同，其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也表現(xiàn)出差異(見表4)。自然恢復(fù)模式植被恢復(fù)周期長，適用于光伏電站運(yùn)營期擾動小且降雨較多的地區(qū)。人工種植模式可以加速光伏電站內(nèi)的植被修復(fù)進(jìn)程，適合在生境脆弱的地區(qū)[19]。例如，在光伏電站辦公區(qū)種植青海云杉等喬木和在光伏陣列中間種植鄉(xiāng)土草種，不僅可以高效利用土地資源，而且具有水土保持作用[20-21]。對于風(fēng)沙活動劇烈的干旱半干旱區(qū)，通過布設(shè)方格種植草類進(jìn)行光伏電站植被恢復(fù)，能夠減弱站區(qū)的風(fēng)沙活動，同時保持土壤含水量，為草類生長創(chuàng)造條件。

表4 光伏電站區(qū)不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)效應(yīng)

不同植被對環(huán)境的適應(yīng)性存在差異，光伏電站植被恢復(fù)時應(yīng)優(yōu)先選擇本土植被。在西北草原地區(qū)，天然草地恢復(fù)模式的長期效果最好，而種植苜蓿(MedicagoSativaL.)可以在短期內(nèi)提高土壤全氮和有機(jī)碳的含量[21-22]。在西北草原和其他地區(qū)，草本和灌木復(fù)合配置，如狗尾草[Setariaviridis(L.)Beauv.]、花棒(Corethrodendronscoparium)、檸條(Caraganakorshinskii)、油蒿(Artemisiaordosica)等復(fù)合配置，可以增加土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤入滲能力，提高土壤養(yǎng)分含量，改善電站區(qū)生態(tài)環(huán)境。在內(nèi)蒙古光伏電站周邊區(qū)域，人工種植沙丘植被樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)能夠提高土壤固碳作用，且固碳作用隨著恢復(fù)年限增加而增加[23]。研究發(fā)現(xiàn)，在賓川縣西村光伏電站進(jìn)行植被恢復(fù)時，種植灌木馬桑(Coriarianepalensis)、攀緣性藤本金銀花(Lonicerajaponica)、草本黑麥草(LoliumperenneL.)等鄉(xiāng)土植被可以減少水土流失[24]。

3.2 干熱河谷區(qū)光伏電站植被恢復(fù)難點(diǎn)

目前國內(nèi)關(guān)于光伏電站植被恢復(fù)模式的研究主要集中在西北荒漠和草原地區(qū)，采用的植被恢復(fù)模式并未充分考慮水資源的合理高效利用，也未有效利用降水和光伏電板清洗水。云南干熱河谷區(qū)太陽輻射量豐富，適合開展光伏發(fā)電項目，但是由于干熱河谷區(qū)氣候特殊和生態(tài)脆弱等特點(diǎn)，光伏發(fā)電項目建設(shè)可能對生態(tài)環(huán)境影響較大，因此在光伏電站建設(shè)中植被恢復(fù)面臨諸多挑戰(zhàn)，具體如下：

(1)水熱不均衡，植被生境脆弱。干熱河谷區(qū)蒸發(fā)量大，降水少且高度集中，干濕季明顯。除耐受干旱環(huán)境脅迫的優(yōu)勢植物種外，其他植被抗逆性差，成活率低。

(2)極易發(fā)生土壤侵蝕，伴隨土壤養(yǎng)分流失。干熱河谷地區(qū)土壤發(fā)育于不同巖性母質(zhì)，土層稀薄，土壤入滲率低，加之兩側(cè)山高坡陡，易發(fā)生土壤侵蝕，且在地表徑流作用下土壤養(yǎng)分易流失；同時土壤養(yǎng)分含量少，缺少植被生長發(fā)育的營養(yǎng)元素，制約植被的生長。

(3)光伏發(fā)電項目建設(shè)會改變局部小氣候，傳統(tǒng)植被恢復(fù)模式有待驗證。光伏電站建設(shè)可能會改變局部小氣候，導(dǎo)致土壤溫度和濕度發(fā)生變化，光照輻射也產(chǎn)生差異，而干熱河谷區(qū)鄉(xiāng)土草類能否適應(yīng)局部小氣候未知，因此采用鄉(xiāng)土植被恢復(fù)原有生境，其適應(yīng)性和恢復(fù)效果也有待驗證。

4 干熱河谷區(qū)光伏開發(fā)的植被恢復(fù)建議

與其他地區(qū)光伏電站區(qū)類似，快速地恢復(fù)被破壞的地表植被、減弱土壤侵蝕也是干熱河谷區(qū)光伏電站建設(shè)迫切需要解決的問題?；诟蔁岷庸葏^(qū)的氣候和土壤植被等特征，因地制宜實施植被措施，才能最大限度降低建設(shè)活動對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響。為此，筆者針對干熱河谷光伏電站植被恢復(fù)提出以下參考建議：

(1)植被恢復(fù)與微地形改造相結(jié)合。在較大坡度(>20°)荒地上進(jìn)行光伏開發(fā)，可以采用帶狀穴植生物籬墻，并種植香根草、新諾頓豆等覆蓋性能好、固氮保土能力強(qiáng)的抗旱性草種。在光伏電站周邊荒坡地可采用竹節(jié)溝和魚鱗坑進(jìn)行微地形改造，種植適應(yīng)性強(qiáng)的喬木，其生長速度快，能夠起到保持水土的作用。

(2)種植鄉(xiāng)土優(yōu)勢草類。干熱河谷土壤貧瘠，炎熱干旱天氣突出，在光伏電站區(qū)宜選種優(yōu)勢鄉(xiāng)土草類，以有效地減輕水土流失，提高降雨利用率。

(3)采取集水保水措施與多年生草本配置。干熱河谷區(qū)旱季降水少，蒸發(fā)量大，在植被恢復(fù)過程中首先要考慮雨水和電板清潔用水的收集，為植物生長提供補(bǔ)給。在電站區(qū)種植多年生草本，通過保水劑、覆草、覆膜等不同組合措施，保持土壤水分，提高水分利用率，可促進(jìn)草本植物生長，從而提高植被恢復(fù)效果。