植物措施對(duì)沙漠光伏電站土壤的改良效應(yīng)

賈瑞庭， 袁立敏， 蒙仲舉

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地（沙漠）生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沙地生物資源保護(hù)與培育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010010； 2.內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 027300； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010010）

在碳中和、碳達(dá)峰的“雙碳”目標(biāo)下，大力發(fā)展低碳或零碳技術(shù)是能源領(lǐng)域技術(shù)變革的戰(zhàn)略方向，其中光伏發(fā)電是我國(guó)未來(lái)可再生能源利用的主要方式之一[1]。我國(guó)西北干旱、半干旱區(qū)豐富的沙地資源和太陽(yáng)輻射是光伏電站項(xiàng)目建設(shè)的理想場(chǎng)所[2]，但沙區(qū)光伏電站建設(shè)會(huì)加劇脆弱生態(tài)區(qū)的水土流失[3]，風(fēng)沙活動(dòng)也威脅光伏設(shè)施的運(yùn)營(yíng)[4]。因此，生態(tài)保護(hù)措施和植被恢復(fù)重建迫在眉睫。

針對(duì)沙區(qū)光伏電站建設(shè)生態(tài)破壞和沙害威脅問(wèn)題，前人開(kāi)展了風(fēng)沙物理、風(fēng)沙地貌等機(jī)理研究，主要包括風(fēng)沙流、輸沙通量、地表蝕積形態(tài)及風(fēng)蝕防治工程措施等[5-9]，而關(guān)于光伏電站植被恢復(fù)重建措施對(duì)土壤性質(zhì)的改良效應(yīng)關(guān)注較少。因此，研究光伏電站內(nèi)植被恢復(fù)重建后的土壤物理化學(xué)性質(zhì)，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)風(fēng)蝕防治措施對(duì)沙漠光伏電站土壤的修復(fù)作用?；诖?，本研究以庫(kù)布齊沙漠200 MW光伏電站種植羊草、甘草、油蒿、花棒及沙障的樣地為研究對(duì)象，研究不同措施下土壤容重、孔隙度、粒度特征和養(yǎng)分差異，旨在闡明光伏電站不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)土壤的影響，以期為沙區(qū)光伏電站生態(tài)修復(fù)、沙害防治提供治理方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)沿黃公路南側(cè)的光伏電站（37°20′—39°50′ N，107°10′—111°45′ E），總占地面積6.67 km2（圖1）。該區(qū)屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔1 136 m，年平均氣溫5~8 ℃，年均太陽(yáng)總輻射量597.9 kJ·cm-2，年均降水量150~400 mm，且季節(jié)分布不均勻，主要集中在6 月下旬到9 月上旬，年蒸發(fā)量2 100~2 700 mm。風(fēng)沙活動(dòng)集中在3—5 月，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)24 m·s-1，年大風(fēng)日數(shù)25~35 d，在西北盛行風(fēng)作用下形成新月型沙丘、新月型沙丘鏈和格狀沙丘鏈，植被覆蓋度低，60%的沙地為流動(dòng)沙地[10]。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of the study area

電站由36°最佳傾角的單晶硅電池板陣列組成，電池板板面向南，呈東西走向，相鄰2 排光伏陣列間距900 cm，板上沿垂直高度270 cm，板下沿垂直高度35 cm，單組電池板由2 排18 列99 cm×195 cm 基本光伏電板單元組成，整體規(guī)格為400 cm×1 800 cm，電站面積為5.37 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集 2020年7月于光伏電站內(nèi)選擇典型經(jīng)營(yíng)措施羊草、甘草、油蒿、花棒及沙障為試驗(yàn)樣地，各樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m草本樣方和5 m×5 m 灌木樣方，記錄植物種類、蓋度、高度、冠幅。在各樣地地勢(shì)平緩處設(shè)置3個(gè)采樣區(qū)，用環(huán)刀、塑封袋采集0—5、5—10、10—20、20—30 cm 土層土壤樣品，測(cè)定土壤容重、孔隙度指標(biāo)，同時(shí)將塑封袋內(nèi)土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，去雜陰干后用于測(cè)定土壤機(jī)械組成和土壤養(yǎng)分。未種植植物時(shí)，該研究區(qū)土壤為流沙，植被稀疏，因此，本研究忽略植被恢復(fù)前原有植被對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。

1.2.2 測(cè)定方法 土壤粒度組成采用干篩分法測(cè)定，分析結(jié)果以美國(guó)制（US-DA）土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]劃分為黏粉粒（<50 μm）、極細(xì)沙[50~100 μm）、細(xì)沙[100~250 μm）、中沙[250~500 μm）、粗沙[500~1 000 μm）、極粗沙[1 000~2 000 μm）；容重、孔隙度采用環(huán)刀法和烘干法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用高溫重鉻酸鉀氧化容量法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷采用NaHCO3浸提，紫外分光光度計(jì)測(cè)定；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定[12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 和SPSS 25.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，采用Origin 2021進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同經(jīng)營(yíng)措施樣地基本特征

不同經(jīng)營(yíng)措施樣地特征見(jiàn)表1，羊草措施植被蓋度為8%，株高為63 cm，結(jié)皮厚度為1.46 cm；甘草措施植被蓋度為40%，株高為11 cm，結(jié)皮厚度為1.32 cm，樣地內(nèi)分布著少量的霧濱黎和沙米；油蒿措施植被蓋度為6%，株高為145 cm，冠幅為150 cm×132 cm，樣地內(nèi)分布著少量的沙米；花棒措施植被蓋度為75%，株高為131 cm，冠幅為91 cm×80 cm，結(jié)皮厚度為1.27 cm，樣地內(nèi)分布有楊柴、檸條、沙打旺等；且植物在生長(zhǎng)期無(wú)灌溉和施肥。沙障用于電站內(nèi)風(fēng)沙危害防治，地表均勻鋪設(shè)，鋪設(shè)量為600 kg·km-2，土壤為流沙，無(wú)植被。

表1 不同經(jīng)營(yíng)措施樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of areas with different management measures

2.2 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤粒度特征

由表2 可知，不同經(jīng)營(yíng)措施土壤粒度組成以細(xì)沙為主，中沙和極細(xì)沙含量次之，3 種主要粒級(jí)體積百分含量占沙物質(zhì)粒級(jí)組分的90%以上，不同經(jīng)營(yíng)措施間各粒級(jí)含量差異顯著（P<0.05）。<0.25 mm 粒級(jí)組分含量在羊草措施最高（97.05%），其次為油蒿（90.22%）、花棒（87.33%）、沙障（86.10%）、甘草（85.55%），可見(jiàn)羊草措施對(duì)土壤細(xì)化效果優(yōu)于其他措施，其豐富的團(tuán)聚體數(shù)量對(duì)土壤通透性至關(guān)重要。

表2 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤粒度含量Table 2 Soil particle size content of different management measures (%)

2.3 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤容重特征

土壤容重與土壤的孔隙度和滲透率密切相關(guān)，是土壤緊實(shí)度的重要指標(biāo)。不同經(jīng)營(yíng)措施土壤容重結(jié)果見(jiàn)表3，0—30 cm 土層不同經(jīng)營(yíng)措施土壤容重變化范圍為1.47~1.67 g·cm-3，0—5 cm羊草、花棒措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低，各措施間差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平；5—10 cm 土層羊草措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低且顯著低于羊草措施；10—20 cm 土層油蒿措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低且顯著低于羊草措施；20—30 cm 土層油蒿措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低，各措施間差異不顯著；因此沙障措施土壤較疏松，結(jié)構(gòu)性較好。

表3 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤容重Table 3 Soil bulk density of different management measures （g·cm-3）

2.4 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤孔隙度特征

土壤孔隙度是影響土壤蓄水能力、通氣性、肥力和植物的生長(zhǎng)狀況重要物理指標(biāo)。不同經(jīng)營(yíng)措施土壤孔隙度結(jié)果見(jiàn)圖2，0—30 cm 土層毛管孔隙度為14.53%~31.52%，其中沙障措施毛管孔隙度為30.30%~31.52%，均顯著高于其他措施。非毛管孔隙度在各土層差異不同，0—5 cm 土層沙障措施非毛管孔隙度（9.38%）顯著高于其他措施；5—10 cm 土層沙障措施非毛管孔隙度（8.17%）顯著高于羊草、甘草和油蒿措施；10—20、20—30 cm 土層沙障措施非毛管孔隙度分別為6.95%、6.46%，均顯著高于羊草和甘草措施。由此可見(jiàn)，沙障對(duì)土壤孔隙度的改善效果優(yōu)于其他植物措施。

圖2 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤孔隙度Fig. 2 Soil porosity of different management measures

2.5 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤養(yǎng)分含量

對(duì)沙區(qū)光伏電站內(nèi)不同經(jīng)營(yíng)措施的土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量分析結(jié)果表明（圖3），不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)土壤養(yǎng)分影響不同，各樣地0—30 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量整體表現(xiàn)為甘草>羊草>花棒>油蒿>沙障，其中，甘草措施0—5 cm土層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他措施，5—10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于油蒿、花棒和沙障措施；羊草措施20—30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他措施。堿解氮含量整體表現(xiàn)為羊草>花棒>沙障>甘草>油蒿，花棒措施5—10 cm 土層堿解氮含量與甘草、沙障措施差異顯著。速效磷含量整體表現(xiàn)為花棒>甘草>沙障>油蒿>羊草，0—5 cm 土層羊草與花棒措施速效磷含量差異顯著，5—10、20—30 cm 土層花棒措施速效磷含量顯著高于其他措施，10—20 cm土層花棒、沙障措施與其他措施有顯著差異。速效鉀含量整體表現(xiàn)為羊草>甘草>沙障>花棒>油蒿，0—5 cm 土層花棒措施與油蒿、沙障措施無(wú)顯著差異，5—10 cm 土層花棒措施與油蒿無(wú)顯著差異，與其他措施間差異顯著。

圖3 不同經(jīng)營(yíng)措施土壤養(yǎng)分Fig. 3 Soil nutrients of different management measures

植物措施增加了地表凋落物和地下有機(jī)物（細(xì)根及根系分泌物）輸入，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的形成與提高，進(jìn)而改善土壤養(yǎng)分狀況。0—30 cm 土層土壤養(yǎng)分含量反映了其對(duì)植物措施的響應(yīng)，養(yǎng)分在剖面分布具有明顯差異性，植被恢復(fù)區(qū)0—5 cm 土層土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出一定表聚性。有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量隨土層深度增大呈降低趨勢(shì)，油蒿措施0—5 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量低于5—10、10—20 cm 土層，其原因是該樣地僅分布少量的油蒿灌叢，植被蓋度較低，表層土壤為攔截的流沙，且枯枝落葉在表層還沒(méi)形成腐殖質(zhì)。速效磷含量不同土層間變化較大，變化趨勢(shì)不明顯。

3 討論

植被的生長(zhǎng)、發(fā)育和演替過(guò)程直接受到土壤性質(zhì)的影響，同時(shí)植被生長(zhǎng)、發(fā)育和演替的過(guò)程也密切影響著土壤的物理性質(zhì)[13]，土壤粒度組成是土壤母質(zhì)、降雨、溫度、地形以及植物共同作用的結(jié)果[14]。研究區(qū)細(xì)沙、中沙和極細(xì)沙3 種主要粒級(jí)體積百分含量占沙物質(zhì)粒級(jí)組分的90%以上，這與楊世榮等[15]研究結(jié)果一致，電板、植被地上部分、沙障對(duì)大氣降塵、風(fēng)蝕物具有截存效應(yīng)[16]，但同時(shí)對(duì)風(fēng)蝕物的截存效應(yīng)表現(xiàn)出較大差異，油蒿、花棒措施優(yōu)勢(shì)粒級(jí)細(xì)沙含量高于羊草、甘草措施，其主要原因是油蒿、花棒屬于半灌木，冠幅較大，對(duì)氣流阻擋滯塵作用較強(qiáng)，沙障措施的優(yōu)勢(shì)粒級(jí)細(xì)沙含量高于油蒿、花棒、羊草、甘草措施，沙障作為立地條件較差地區(qū)機(jī)械防沙固沙措施，避免了氣流對(duì)地面的直接作用，使得地表粗糙度增大，能很好改善土壤粒度組分。陳聞等[17]指出不同人工固沙植被均降低了土壤容重，改善了沙地土壤結(jié)構(gòu)。研究區(qū)不同經(jīng)營(yíng)措施土壤容重為1.47~1.67 g·cm-3，0—30 cm 土層間均以沙障措施容重最低，沙障措施毛管孔隙度均顯著高于其他措施。植物根系交錯(cuò)相連成網(wǎng)狀，改善了土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤持水能力和入滲性能，從而改善土壤綜合物理性質(zhì)[18]。

研究區(qū)0—30 cm 土層甘草措施有機(jī)質(zhì)最高、羊草措施堿解氮、速效鉀含量最高、花棒措施速效磷含量最高，自然狀態(tài)下，土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量由土壤母質(zhì)和地表枯落物共同決定，植被地上枯枝落葉生成腐殖質(zhì)增加土壤有機(jī)物質(zhì)及養(yǎng)分含量，促進(jìn)退化土壤理化性質(zhì)的恢復(fù)。秸稈還田措施可明顯增加土壤養(yǎng)分含量，植物根系釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其枯落物凋落歸還到土壤中，從而提高土壤養(yǎng)分含量[19-20]，這與施明等[21]研究結(jié)果一致，枯枝落葉進(jìn)入土壤，為土壤微生物提供了充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使土壤微生物數(shù)量增大，促進(jìn)了養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化。