光伏組件遮陰對(duì)喀斯特地區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)的影響

羅久富，梁 松，袁 濤，羅忠新，劉 君，吳賽男，隋 欣

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038；2.國(guó)家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心, 北京 100038；3.國(guó)家電投云南國(guó)際電力投資有限公司, 云南 昆明 650228）

太陽(yáng)能作為可再生和環(huán)境友好型能源，在改變能源消耗結(jié)構(gòu)、替代化石能源的過(guò)程中具有極其重要的作用[1]?！皡f(xié)同推進(jìn)可再生能源發(fā)展和生態(tài)保護(hù)修復(fù)”，探索可再生能源發(fā)展與西南石漠化區(qū)生態(tài)修復(fù)與保護(hù)發(fā)展體系在我國(guó)“十四五”特殊類(lèi)型地區(qū)振興發(fā)展中意義重大。石漠化區(qū)嚴(yán)苛的非生物環(huán)境在植物群落構(gòu)建過(guò)程中發(fā)揮環(huán)境篩的作用[2]，生境差異對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)演變具有明顯的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)[3]。光伏電站建設(shè)后，場(chǎng)區(qū)微生境差異對(duì)植物群落特征的影響機(jī)制成為“新能源 + 生態(tài)修復(fù)”工程的重要生態(tài)評(píng)價(jià)因子[4]。

光伏電站建設(shè)切割原生生境，改變場(chǎng)區(qū)局地氣候、土壤等環(huán)境資源特征[5-7]。光伏組件遮擋可降低25%～95%的太陽(yáng)輻射[8]，而且，遮陰時(shí)長(zhǎng)呈板下 ＞后檐 ＞ 前檐[9]、光照強(qiáng)度呈前檐 ＞ 后檐 ＞ 板下[10]的規(guī)律。光伏組件對(duì)降水的再分配作用導(dǎo)致前檐下方土壤儲(chǔ)水量高于組件下方和對(duì)照區(qū)[11]，陣列間的土壤水分消耗速度明顯高于組件下方[12]，土壤水分可利用性降低。變化后的局地氣候、土壤等環(huán)境資源導(dǎo)致原生植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生適應(yīng)性變化。在英國(guó)威斯特米爾太陽(yáng)能公園(Westmill Solar Park)以及我國(guó)毛烏素沙地南緣、內(nèi)蒙古羊草草原等地區(qū)，光伏組件遮陰導(dǎo)致組件正下方物種多樣性低于陣列間或者前后檐[11,13-14]。此外，由于植物應(yīng)對(duì)生境變化的生態(tài)策略的差異，不同植物功能群或種群響應(yīng)組件遮陰的變化規(guī)律也存在差異。研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能公園組件正下方豆科和雜類(lèi)草功能群優(yōu)勢(shì)度降低[14]，青藏高原地區(qū)苜蓿(Medicago sativa)僅分布在光伏陣列間而香薷(Elsholtzia ciliate)則分布在組件下方[10]，內(nèi)蒙古羊草草原光伏組件中間縫隙的弱透光和匯水作用驅(qū)動(dòng)正下方羊草(Leymus chinensis)的高度、密度、生物量顯著增加[11]。在我國(guó)西南喀斯特區(qū)，太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)是增強(qiáng)巖溶生態(tài)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，但是原本較為脆弱的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能易受光伏電站建設(shè)的影響，植物群落在維持生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著重要作用，因此，揭示喀斯特區(qū)光伏場(chǎng)區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)分異格局成為光伏生態(tài)修復(fù)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

本研究以云南東川光伏場(chǎng)區(qū)植物群落為研究對(duì)象，在前檐、后檐、板下3 類(lèi)典型的組件遮陰區(qū)以及未遮陰的對(duì)照區(qū)開(kāi)展群落學(xué)調(diào)查，探討光伏組件遮陰后植物群落結(jié)構(gòu)空間分異格局，為光伏場(chǎng)區(qū)植被恢復(fù)物種選擇，構(gòu)建高效、穩(wěn)定的植物群落，創(chuàng)新“雙碳”目標(biāo)背景下西南喀斯特區(qū)植被恢復(fù)策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市東川區(qū)“扶貧光伏”示范基地(103°08′31″ E，26°09′56″ N)，海拔約1 280 m，基地所在東川區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量約1 000.5 mm，集中在5 月—10 月，月最大降水量208.3 mm[15]。最大風(fēng)速40 m·s-1，多西南風(fēng)，相對(duì)濕度76%。光伏電站所在區(qū)域年均太陽(yáng)總輻射超過(guò)5 000 MJ·m-2，屬于太陽(yáng)能資源二類(lèi)區(qū)。光伏電站建于2019 年，光伏組件依地勢(shì)而建，前檐高約0.5 m，板下寬4.0 m，相鄰陣列間距3.7 m 以上。場(chǎng)區(qū)無(wú)放牧活動(dòng)干擾，為避免火災(zāi)每年進(jìn)行地上植物刈割。場(chǎng)區(qū)內(nèi)原生植被優(yōu)勢(shì)種為黃茅(Heteropogon contortus)，伴生種為假杜鵑(Barleria cristata)、戟葉酸模(Rumex hastatus)、牛角瓜(Calotropis gigantea)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021 年生長(zhǎng)季選擇平坦地勢(shì)區(qū)域的光伏組件，在光伏組件低檐正下方(前檐，front eaves of the panel, FP)、中間正下方(板下，underside of the panel,UP)、高檐正下方(后檐，rear eaves of the panel, RP)以及無(wú)光伏組件遮陰的開(kāi)闊區(qū)域(對(duì)照，Control,CK)設(shè)置東西走向條帶樣地，每個(gè)樣地內(nèi)布設(shè)5 個(gè)1 m × 1 m 樣方，記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物種及其蓋度、高度、株叢數(shù)，所得單個(gè)樣方內(nèi)所有植物總株叢數(shù)為群落植株密度(plant·m-2)。所有樣地重復(fù)3 次，隨機(jī)分布在光伏場(chǎng)內(nèi)避開(kāi)邊緣的區(qū)域。共調(diào)查12塊樣地，60 個(gè)樣方(圖1A)。

圖1 光伏場(chǎng)區(qū)調(diào)查樣地及樣方布設(shè)示意圖(A)及光合有效輻射(B)Figure 1 Spatial distribution of sample plots and quadrats in the photovoltaic arrays (A) and photosynthetically active radiation (PAR) values (B)

選擇場(chǎng)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦區(qū)域利用FM-G2A 光合有效輻射傳感器監(jiān)測(cè)前檐、板下、后檐、對(duì)照區(qū)域的植被頂層光合有效輻射，監(jiān)測(cè)時(shí)間為8 月21 日—30 日，記錄07:30—19:00 逐30 min 光合有效輻射值[photosynthetically active radiation，PAR，μmol·(m2·s)-1]。10 d 內(nèi)PAR 日變化峰值分別為：對(duì)照1 828.43 μmol·(m2·s)-1，前檐1 037.57 μmol·(m2·s)-1，后檐550.14 μmol·(m2·s)-1，板下71.00 μmol·(m2·s)-1。PAR 日總量均值為，對(duì)照36.71 mol·m-2，前檐18.80 mol·m-2，后檐10.48 mol·m-2，板下1.82 mol·m-2。因此，光伏場(chǎng)區(qū)組件遮陰程度為板下 ＞ 后檐 ＞ 前檐 ＞ 對(duì)照(圖1B)。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析方法

1.3.1 物種重要值

1.3.2 功能群劃分

根據(jù)物種生活型特征，將研究區(qū)植物分為以下5 類(lèi)植物功能群(functional groups, FG)：1)一年生叢生禾草(annuals bunch grasses, ABG)；2)多年生叢生禾 草(perennial bunch grasses; PBG)；3) 一 年 生 雜 類(lèi)草(annuals forbs, AF)；4) 多年生雜類(lèi)草(perennial forbs, PF)；5) 小灌木及半灌木(shrub and subshrub,SS)。

1.3.3 物種多樣性指數(shù)

通過(guò)物種豐富度(richness，R)、Margalef 指數(shù)(M)、Simpson 指數(shù)(D)、Equitability 指數(shù)(E) 分析前檐、板下、后檐、對(duì)照區(qū)域草地植物群落物種alpha多樣性，即：

以Jaccard 相似性指數(shù)(jaccard comparability index，J)分析前檐、板下、后檐、對(duì)照區(qū)域之間植物群落物種beta 多樣性，即：

式中：S為調(diào)查樣方中物種數(shù)；j為兩個(gè)群落中共有物種數(shù)；a和b分別為兩個(gè)群落中物種數(shù)；Pi為第i個(gè)物種的分蓋度占樣方物種蓋度和的比例。

利用Excel 2016 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)分析在SPSS 25.0 中實(shí)現(xiàn)，利用One-Way ANOVA 分析數(shù)據(jù)差異顯著性，利用Origin 2016 制圖。

2 結(jié)果

2.1 植物群落物種組成及植株密度特征

60 個(gè)樣方中共調(diào)查到15 種被子植物，分屬7 科15 屬。以菊科和禾本科為主，分別包含5 種和4 種。隨遮陰程度增加，黃茅重要值顯著降低(P＜0.05) (表1)，后檐和板下白苞猩猩草重要值顯著增加，白苞猩猩草替代黃茅成為板下群落優(yōu)勢(shì)種；賽葵和狗肝菜在后檐和板下群落中出現(xiàn)并成為優(yōu)勢(shì)種；后檐群落中假杜鵑重要值顯著高于其他區(qū)域(P＜0.05)；而假苜蓿僅在對(duì)照和前檐群落中調(diào)查到，羽芒菊和鬼針草僅在前檐調(diào)查到，狗尾草僅在后檐調(diào)查到，艾納香、馬唐、酢漿草和破壞草則僅在板下調(diào)查到。組件遮陰后，植物群落發(fā)生明顯的優(yōu)勢(shì)種替代和物種更替現(xiàn)象。

表1 光伏組件對(duì)植物重要值的影響Table 1 Effects of the photovoltaic panels on the species important values%

光伏組件遮陰改變?nèi)郝渲仓昝芏?圖2)。組件遮陰后，群落植株密度整體上呈先增高后降低趨勢(shì)，對(duì)照和前檐群落植株密度顯著高于后檐和板下(P＜ 0.05)。其中前檐群落中植株密度最大，比對(duì)照區(qū)群落高8.07 plant·m-2(P＞ 0.05)；板下群落植株密度最小，僅68.00 plant·m-2，分別比對(duì)照、前檐、后檐低34.87%、39.54%和6.34%。

圖2 光伏組件對(duì)植物群落植株密度的影響Figure 2 Effects of the photovoltaic panels on the density of plants

2.2 植物群落物種多樣性特征

光伏組件遮陰增加植物群落物種多樣性(圖3)。隨遮陰程度增加，群落物種豐富度、Margalef 指數(shù)顯著增加。前檐、后檐和板下群落物種豐富度分別比對(duì)照區(qū)增加2.07、2.67 和3.27 species·m-2(P＜ 0.05)，板下物種豐富度最高。光伏組件遮陰后，群落均勻度顯著增加，后檐均勻度顯著高于其他區(qū)域(P＜ 0.05)；但遮陰程度增加顯著降低群落優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(P＜ 0.05)，后檐和板下群落優(yōu)勢(shì)度指數(shù)顯著低于對(duì)照和前檐。

圖3 光伏組件對(duì)植物群落alpha 多樣性指數(shù)的影響Figure 3 Effects of the photovoltaic panels on the alpha diversity of species

隨遮陰程度增加，前檐、后檐、板下與對(duì)照植物群落物種相似性指數(shù)降低，分別為0.50、0.38 和0.27(表2)。前檐與后檐、前檐與板下的相似性指數(shù)分別為0.36 和0.29，后檐與板下的相似性指數(shù)為0.42。遮陰程度差異越大群落之間物種相似性指數(shù)越低，共有物種數(shù)減少。

表2 光伏組件對(duì)地植物群落物種相似性的影響Table 2 Effects of the photovoltaic panels on similarity index among different sites

2.3 植物群落功能群特征

如圖4 所示，在對(duì)照區(qū)僅存在多年生叢生禾草、多年生雜類(lèi)草和小灌木3 種功能群。與對(duì)照相比，前檐和板下群落出現(xiàn)一年生叢生禾草和一年生雜類(lèi)草，后檐群落中出現(xiàn)一年生叢生禾草。前檐、后檐和板下群落中多年生叢生禾草重要值比對(duì)照區(qū)降低19.52%、67.34% 和92.73%，前檐、后檐和板下多年生雜類(lèi)草重要值分別為對(duì)照區(qū)的2.11 倍、9.51 倍和18.95 倍，相比對(duì)照區(qū)顯著增加(P＜ 0.05)，小灌木在后檐群落中重要值顯著高于其他區(qū)域。總體上，組件遮陰后植物功能群種類(lèi)增加。

圖4 光伏組件對(duì)植物群落功能群重要值的影響Figure 4 Effects of the photovoltaic panels on the plant functional groups among different sites

3 討論

3.1 光伏組件遮陰對(duì)植物群落種群結(jié)構(gòu)的影響

環(huán)境變化影響著植物群落物種組成及周轉(zhuǎn)，植物群落為適應(yīng)環(huán)境變化在空間分布上具有自適應(yīng)性[16-18]。相比于木本植物群落，草本植物受光照、土壤等局地微生境異質(zhì)性影響更為顯著[19]。本研究區(qū)具有“河谷型薩王納”特征，土壤貧瘠，保水性差，原生植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[20]。黃茅作為原生群落中優(yōu)勢(shì)種，其極強(qiáng)的分蘗能力、較高的株高使之具有數(shù)量效應(yīng)和極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[21]，而且其致密的地上植被層和地下根系層限制了其他植物拓殖[20]，這導(dǎo)致了高度同質(zhì)化禾草群落的形成。不同于原生生境，光伏電站人工—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)區(qū)資源的再分配可增加生境破碎度[22]，組件傾斜布設(shè)使得組件下方不同位置植物群落獲得的光、熱、水等資源差異明顯[8-11]，進(jìn)而導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

研究發(fā)現(xiàn)，光伏組件遮陰后，群落均勻度、物種多樣性顯著增加，植株密度顯著降低，黃茅優(yōu)勢(shì)種地位被替代。隨微生境之間遮陰程度差異增大，物種組成相似性呈遞減格局，這反映了光伏組件遮陰程度會(huì)改變物種周轉(zhuǎn)[23-24]，在一定程度上支持“空間自相關(guān)性”定律[25]。對(duì)內(nèi)蒙古半干旱區(qū)羊草草原的研究[11]發(fā)現(xiàn)，板下羊草高度、蓋度、密度等顯著提升，群落物種多樣性降低。這種差異可能來(lái)源于半干旱區(qū)光伏組件遮陰為羊草提供更好的水熱條件的同時(shí)，減弱了羊草的“午休”現(xiàn)象，增加了羊草有性繁殖投資，并增加了植物產(chǎn)量[26]。但是本研究區(qū)生長(zhǎng)季降水豐富，草本植物較短生活史周期使其在時(shí)間維度上具有較高的機(jī)動(dòng)性[24]，喜熱、喜陽(yáng)的黃茅不適應(yīng)光伏組件持續(xù)遮陰的環(huán)境[27]，機(jī)會(huì)主義生活史策略有利于分枝能力強(qiáng)、種子繁殖率高的白苞猩猩草[28]、耐陰耐瘠薄的狗肝菜等植物占領(lǐng)遮陰生境斑塊。不同物種株高、冠幅以及光資源生態(tài)位等差異導(dǎo)致植物群落立體結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，有利于更多植物種穩(wěn)定共存[16,20]，從而提高光伏板下物種多樣性。

3.2 光伏組件遮陰對(duì)植物群落功能群的影響

植物功能群作為響應(yīng)環(huán)境變化的基本單元，與植物的環(huán)境適應(yīng)性、群落構(gòu)建機(jī)制、群落演替方向等密切相關(guān)[29]。當(dāng)生境條件發(fā)生改變，具有不同覓養(yǎng)行為和可塑性的植物功能群可在異質(zhì)生境下形成與之相適應(yīng)的植物功能群組合[30-31]。分析發(fā)現(xiàn)，從對(duì)照區(qū)、前檐、后檐到板下，組件遮陰程度增加，植物功能群組成在整體上呈現(xiàn)雜類(lèi)草替代禾草的變化趨勢(shì)。板間和前檐的較豐富的光資源條件下，多年生叢生禾草依賴(lài)其較強(qiáng)的形態(tài)可塑性、克隆整合以及覓養(yǎng)行為等占據(jù)接近全部的生態(tài)空間[32-33]，抑制其他功能群植物，成為群落中的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群[34]。而在光伏組件的阻風(fēng)、遮陰、增濕的作用下，多年生叢生禾草從群落中被淘汰。具有較強(qiáng)的耐陰性的雜類(lèi)草得以生長(zhǎng)，在蔭蔽環(huán)境中占領(lǐng)優(yōu)勢(shì)地位。

功能群結(jié)構(gòu)的改變暗示原生群落的生態(tài)功能改變[35]。黃茅作為我國(guó)西南干熱河谷優(yōu)勢(shì)禾草類(lèi)，是光伏板間多年生叢生禾草的關(guān)鍵組分，幼嫩時(shí)為優(yōu)質(zhì)牧草，但是生長(zhǎng)末期的黃茅適口性差，而且該時(shí)期其堅(jiān)硬的莖葉易刺傷牲畜皮膚，對(duì)牲畜構(gòu)成潛在的威脅[36]。光伏組件遮陰后，多年生叢生禾草的優(yōu)勢(shì)地位消失，一年生雜類(lèi)草、多年生雜類(lèi)草占據(jù)群落主要地位，而其組分主要包括白苞猩猩草、假杜鵑、狗肝菜等具有藥用價(jià)值的多年生植物[37-39]。因此，光伏組件的建設(shè)改變了研究區(qū)原生草地的牧草生產(chǎn)功能，增加了草地對(duì)具有突出藥用價(jià)值植物類(lèi)群的產(chǎn)出，但是白苞猩猩草是否對(duì)場(chǎng)區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生威脅應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究闡明了云南喀斯特區(qū)光伏電站建設(shè)后草地植物群落結(jié)構(gòu)空間分異格局，發(fā)現(xiàn)光伏組件遮陰可降低群落植株密度、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，提高多樣性指數(shù)，黃茅的優(yōu)勢(shì)種地位逐漸被白苞猩猩草取代；遮陰程度差異增大，群落物種相似性降低。遮陰后植物功能群種類(lèi)增加，多年生雜類(lèi)草替代多年生叢生禾草成為群落中優(yōu)勢(shì)功能群；群落由黃茅牧草主導(dǎo)的群落演變?yōu)槟敛?、藥用植物共存的群落?？傊?，光伏電站建設(shè)運(yùn)行后，場(chǎng)區(qū)物種多樣性增加，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。