内蒙古典型草原区光伏电板降水再分配与土壤水分蒸散分异规律

翟 波 党晓宏,2* 陈 曦 刘湘杰 杨世荣

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，呼和浩特 010018； 2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400； 3.呼和浩特职业学院，呼和浩特 010070)

随着人类社会的不断发展，化石能源消耗始终伴随着环境污染，传统化石能源的使用需要进行进一步调整[1]。太阳能作为一种清洁的可再生能源，具备普遍性、无限性、清洁性和经济性的特点，光伏发电技术结构简单、使用方便，价格低廉，太阳能发电技术在我国西北地区具有较好的发展前景[2-6]。光伏电站在投产使用后由于光伏电板的特殊结构势必会对当地土壤水分的分布和蒸发过程产生影响，这也是目前草原地区光伏产业发展过程中需要探明的科学问题。而降水格局的改变以及土壤水分的异质性一直受到世界各地生态学研究人员的广泛关注，土壤水分的时间变化和空间分异性可以与水文过程和生态格局之间产生关联性[7-8]。同时光伏电站建成后对局地微气候的影响逐渐成为热点。Nemet[9]通过研究太阳能电池板的光照反射强度对地面气候的影响发现，大规模的布设太阳能电池板不仅不会产生城市热岛效应，而是在一定程度上可以实现“城市降温的效果。进入21世纪之后，许多国家开展了关于光伏电站对自然多样性、水资源利用、城市热岛效应和气候变暖影响的相关研究，Theocharis[10]认为光伏电站发电对周围环境影响较小。国内至今对于光伏电站内气候环境的影响多集中于对整体区域的探讨[11]，对光伏电站大尺度的土壤水分变化进行了定量描述，但是对于单个电板下土壤水分的变化没有进行详细的测定，光伏电站内土壤水分的变化规律相比电站区内外的土壤水分变化特征更为复杂，土壤水分的变化过程由于电板的影响呈现更为特殊的扰动规律。草原光伏电站区域内的植被恢复主要受土壤水分条件的制约。

基于此，本研究拟采用野外观测的方法，对单次降水事件下光伏电板下各位置的降水量进行测定，明确光伏电板对降水的分配作用，并对光伏电板下的土壤水分特征、土壤蒸发量及温湿度指标进行逐日测定，最终通过相关分析及回归分析，揭示光伏电板下降水与土壤水分变化的耦合关系，以期为草原地区光伏电站的水源涵养与生态修复工作提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古呼和浩特市土默特左旗境内209国道东侧的山路能源集团大有光能源30 MWP光伏农林牧示范基地。地理位置为40°26′ N、110°48′ E。该光伏电站于2008年开始建设，建设周期为4 a，于2012年投产使用。为使电站土地地势平缓无过大起伏，电站建设过程中开展了局地整地工作，在架设电板过程中对整个场区地表土进行了翻挖。电场投产前在外围布设了网围栏，场区内无放牧行为。

列间电板延南北走向总长700 m，光伏电板规格为752 cm×318 cm，光伏电板与地面呈30°夹角，其中电板前檐距地面138 cm，电板后檐距地面297 cm。电站内以天然牧草为主，主要包括：羊草(LeymuschinensisTzvel.)、冰草(Agropyroncristatum(L.) Gaertn.)、碱蒿(ArtemisiaanethifoliaWeber)。研究区属于温带大陆性季风气候，全年光照充足，全年的日照时间长达2 782.8 h。年均降水量较少，为282.4 mm，蒸发较为剧烈。该地区雨热同季，其积温的有效率较高。无霜期为187 d，其灾害性天气经常发生于春旱到春寒期间。

1.2 试验设计

2017年9月17日在基地南区光伏阵列随机选取独立电板作为研究区域，在电板下根据遮荫情况以及降水发生变化情况将光伏电板下方分为6个区域，分别为：距电板前檐正下方50 cm处(A)、电板前檐正下方(B)、电板板面下方2个螺栓处(C、E)，正下方板间空隙处(D)以及电板后檐处(F)(图1)。将电站内同样进行耕翻处理但未架设电板的区域作为对照(CK)。在每个位置等间距设定3个重复测点，在每个测点布设雨量筒。对9月17日的单次降水事件中电板下各位置的降水量进行收集测定。并在各测点分别埋设1个微型蒸发仪(micro-Lysimeter，ML)，依据李王成等[12]的研究成果，本试验所使用ML为PVC材质，分为内外两环，内环直径为8 cm，外环直径10 cm，高15 cm，内环底部有纱布封底，以便于土壤进行正常水热交换。在单次降水结束后分别在每天8：00和20：00分别将ML内环取出，对其进行称重，每日称重的差值即为当日土壤蒸发量。连续称取至恒重或再次发生降水事件时结束称重。在此期间利用HOBO小型气象站对每个位置的大气温度、大气湿度以及0～30 cm土层(每10 cm为1层)的土壤体积含水率进行连续观测。并计算各层土壤蓄水量，蓄水量计算公式为：

Wi=10θvhi

(1)

式中：Wi为第i层土壤蓄水量，mm；θv为第i层土壤体积含水量，%；hi为第i层土壤厚度，此处为10 cm。

①样线；②光伏电板；③光伏支架 ① Sample line; ② Photovoltaic panel; ③ Photovoltaic bracket A，距离光伏电板前檐50 cm处；B，光伏电板前檐正下方；C、E，光伏电板螺栓连接处正下方；D，光伏电板拼接缝隙处正下方；F，光伏电板后檐正下方。下图同。 A, 50 cm from the ground under the front eaves of photovoltaic panels; B, under the front eaves of photovoltaic panels; C and E, photovoltaic panel bolt connections directly below; D, photovoltaic panel stitching gap directly below; F, under the rear eaves of photovoltaic panels. The same below.图1 光伏电板俯视图(a)与测定位置布局示意图(b)Fig.1 Top view of photovoltaic panels (a) measurement location layout diagram (b)

1.3 数据统计及分析

采用SPSS 17.0进行数据处理分析。采用Duncan多重比较检验对单个指标差异的显著性进行分析。利用相关性分析和线性回归模型分析降水事件对各层土壤水分和土壤蒸发量的影响。

2 结果与分析

2.1 光伏电板对单次降水的再分配作用

观测期间野外气象数据见表1。9月17日单次降水事件所收集的降水量见图2，光伏电板下各区域降水量大小依次为B>D>CK>A>F>C=E，其中位于电板前檐下方汇水处地面所得到的降水量显著大于其他位置的降水量(P<0.05)，其次为电板正下方的D位置，由于光伏电板的截流作用，C位置和E位置无降水。A位置和CK处所获得的降水无显著性差异(P>0.05)，电板后檐正下方的F位置受到电板的干扰降水量较CK处有显著降低(P<0.05)。光伏电板前檐下方由于电板的汇水作用较未架设电板处增加了111.33 mm。D位置收集的降水量占B位置的62.79%。

表1 观测期间野外气象数据Table 1 Field weather data during the observation period

不同小写字母表示不同位置条件间差异显著(P<0.05)。 Different letters in the histogram represent significant differences between different location conditions (P<0.05).图2 光伏电板下不同位置单次降水量Fig.2 Single precipitation at different locations under photovoltaic panels

2.2 降水后电板下各位置土壤水分动态变化

降水结束后5 天内光伏电板下不同位置各层土壤体积含水率变化规律见图3。0～10 cm土层土壤体积含水率整体表现为D>B>CK>A>F>C>E，其中CK处0～10 cm土层体积含水率分别占B位置和D位置0～10 cm土层体积含水率的47.61%和38.08%。该土层的体积含水率随时间的推移呈现逐渐减少的趋势，光伏电板下的B、C、D、E 4 个位置的0～10 cm土层体积含水率在5 天内分别下降了9.93%、77.71%、8.65%和80.6%；A、F、CK 3 个位置分别下降了61.64%、65.81%和61.94%。C、E 2 个位置的0～10 cm土层体积含水率在降雨结束后的第2 天分别下降75.14%和78.43%，由于光伏电板下没有收集到降水，表层土壤体积含水率较低，导致其入渗速率加快。未架设电板的A位置和CK处的表层土壤体积含水率下降速率相比电板下的B、D两位置有明显提升。10～20 cm土层的土壤体积含水率整体表现为B>D>C>E>CK>A>F，CK处10～20 cm土层体积含水率分别占B位置和D位置10～20 cm土层体积含水率的25.05%和30.27%。其中光伏电板下B和D位置的10～20 cm土层由于先期得到充足的降水补给，导致其入渗速率较快，很快达到入渗饱和状态，其体积含水率随时间推移呈现下降趋势，其余位置在该土层体积含水率整体呈现上升趋势，但变化量较小，整体趋于平稳状态。20～30 cm土层体积含水率整体表现为B>C>E>D>A>CK>F，CK处20～30 cm 土层体积含水率分别占B位置和D位置20～30 cm土层体积含水率的40.63%和97.54%。该层土壤逐日的体积含水率无明显变化规律。综上所述，光伏电板下10～20 cm和20～30 cm土层土壤体积含水率整体高于光伏电板外该层的土壤体积含水率。降水后5 日内表层土壤体积含水率的变化较10～20 cm和20～30 cm土层含水率变化更为明显。

(a)、(b)、(c)分别表示0～10、10～20和20～30 cm土层；下标1，2，…，5分别表示日期09-18—09-22。 (a), (b) and (c) respectively show 0-10, 10-20 and 20-30 cm of soil layers; The subscripts 1, 2, …， 5 respectively represent the dates from September 18 to September 22.图3 光伏电板下土壤含水率分布规律Fig.3 Distribution of soil water content under photovoltaic panels

2.3 光伏电板下土壤蒸发量变化规律

降水结束后光伏电板下土壤蒸发量的变化规律见图4，降水结束4 天后微型蒸发仪的土壤质量不再发生改变。电板前檐的A位置与B位置总体累计土壤蒸发量较高，其中B位置的累计土壤蒸发量达到了5.73 mm。电板下方只有D位置的土壤蒸发量较高，光伏电板下的C、E和F位置的土壤4 天累积蒸发量仅为3.52、2.76和2.91 mm，但均低于CK处的累积土壤蒸发量。光伏电板有效减少了表层土壤水分蒸发量。

图4 光伏电板下不同位置累计土壤蒸发量Fig.4 Cumulative soil evaporation at different locations under photovoltaic panels

光伏电板下大气温湿度的变化特征见表2。不同空间位置处大气温度整体表现为CK>A>F>E>B>C>D，未架设电板的CK处大气温度较A～F位置的大气温度分别高出2.19、3.38、4.92、5.17、3.24和2.98 ℃，电板前檐的A点较电板正下方的C点和D点具有显著性差异(P<0.05)，其他位置均无显著性差异(P>0.05)。光伏电板下大气湿度整体表现为B>A>D>CK>E>C>F，其中电板前檐正下方的B点大气湿度最高为77.58%，A点次之，二者之间无显著性差异(P>0.05)，电板下其他位置和CK大气湿度均显著低于A、B两点(P<0.05)。电板下的低温高湿环境也促使土壤蒸发量低于电板外的土壤蒸发量。

表2 光伏电板下大气温湿度变化规律 Table 2 Variation of atmospheric temperature, humidity under photovoltaic panels

2.4 光伏电板下土壤蓄水量与降水量的关系

光伏电板下不同土层蓄水量与降水量的关系见图5。0～10 cm土层的土壤蓄水量与光伏电板调控下的降水量具有较好的拟合关系，R2=0.716 6；10～20 cm土层蓄水量与光伏电板调控下作用下降水量的拟合度最高，R2=0.829 2；20～30 cm土层的蓄水量与降水量的拟合程度较低，R2=0.334 5。由表3可知， 0～10 cm土层蓄水量随着时间的推移与降水量的相关系数由0.79增大到0.90，该层土壤蓄水量与降水量的相关性逐渐增强。表层土壤在降水结束后处于不稳定状态，经过垂直入渗一段时间后逐渐达到稳定状态。10～20 cm土层蓄水量与降水量的逐日关系呈现先增大后减小的趋势，其相关系数由0.91上升至0.94，随后下降至0.87，但总体对降水的响应程度较表层土壤含水率明显升高。20～30 cm土层蓄水量逐日变化不明显。光伏电板下不同位置的表层土壤蓄水量对降水具有积极的反馈，光伏电板下土壤蓄水量的分配很大程度上受到降水再分配的调控，同时板下土壤水分对于降水的反馈具有一定滞后性。

图5 光伏电板下不同土层蓄水量与降水量的关系Fig.5 Relationship between water storage and precipitation in different soil layers under photovoltaic panels

2.5 光伏电板下土壤蒸发量与降水量及土壤含水率的关系

降水后光伏电板下4 天的累积土壤蒸发量与降水量的关系见图6。光伏电板下累计土壤蒸发量与降水量拟合程度较高，R2为0.771 6。降雨结束后光伏电板下各层土壤初始体积含水率与逐日土壤蒸发量的相关关系见表4：降水后4日内土壤蒸发量与0～10 cm土层初始体积含水率的相关系数由0.393上升至0.721；降水后4 日内土壤蒸发量与10～20 cm 土层初始体积含水率的相关系数由0.355上升至0.787；降水后4日内土壤蒸发量与20～30 cm土层初始体积含水率的相关系数由0.356上升至0.501，0～10 cm和10～20 cm土层的体积含水率与土壤蒸发量的相关性>20～30 cm土层体积含水率与土壤蒸发量的相关性。

3 讨 论

在干旱和半干旱草原地区，水分是生态系统十分重要的影响因子，而降水是草原地区水分获取的主要途径[13]。土壤水是一种重要的水资源，是(地表水、地下水、大气水、土壤水)相互转化的纽带，同时也是影响天然草原群落植物生长和生物量变化的重要因素[14]，而草地生态系统在退化和恢复演替过程中对土壤水分产生了较大影响[15]。土壤蒸散量促进了热量交换与水量交换过程之间的联系，蒸发过程需要水分同时也需要热量[16]，而土壤水分含量、群落的蒸散量都可以作为衡量草地群落退化程度的参考指标[17]。相关研究表明，在轻度放牧干扰情况下，由于典型草原土壤水分得到改善而开始向草甸草原转变，而在重度干扰情况下，草原土壤水分下降，从而出现荒漠化特征[18]。

殷代英等[11]分别对光伏电场内外大气温湿度进行了测定。结果表明，光伏电场外的大气温度高于光伏电场内的大气温度，但差异较小。光伏电场内的大气相对湿度较对照点的相对湿度有明显升高。本研究发现，光伏电板下方的大气温度较未架设电板的区域显著降低，光伏电板下的大气湿度较未架设电板的对照处有显著提升，光伏电板的遮阴作用对于光伏电场内近地面的大气温湿度起到了有效的调控作用。

图6 光伏电板下降水量与累积土壤蒸发量的关系Fig.6 Relationship between the amount of falling water of photovoltaic panels and soil evapotranspiration perunit volume

降水是全球气候变化的重要内容，降水格局的改变会直接影响生态系统的功能和结构[19-20]。光伏电板对均匀的降水进行了二次分配，使板下的土壤得到的降水量不一致，并且由于光伏电板的倾斜状态使电板上的降水顺势向电板前檐汇集。电板中间有单晶硅电池板组合间的缝隙，导致降水在汇集过程中，对电板正下方形成更多的降水补给。同时，由于光伏电板这种特殊结构的存在，持续遮阴作用也导致电板下土壤水分产生了差异性，并且电板下不同位置受到干扰，产生了较为复杂的变化。研究中发现，在单独降水事件结束后，电板下不同位置及对照处的各层土壤水分都在发生变化，但变化程度不同，表层水分变化最剧烈，对降水的反馈较为明显，并随时间的推移相关性逐渐增强，土壤水分的非饱和运移是一个较为缓慢的过程[21-23]，表层土壤水分的下渗对于10～20 cm土层的水分有了一定补给，而该土层对降水的响应更加强烈，由于部分位置被电板遮挡降水量较小，因此20～30 cm土层受降水影响较小，刘苑秋等[24]研究发现，林地土壤水分含量与降水时间序列之间存在一定的滞后性，20 cm 以上土层受当时降水量的影响，而20 cm以下土壤水分受当月和上个月的降水量共同影响。Heisler-White等[25]研究发现>2 mm的单日降水量可对表层土壤产生影响，因此可以将2 mm降水量作为该生态系统的有效降水量。蒸散发是地面整体向大气输送的水汽通量，陆地生态系统年降水量的66%是通过蒸发过程返回大气的[26-27]，本研究发现，光伏电板下方的土壤蒸发量显著低于未被遮挡的区域。袁方等[28]研究指出光伏阵列板下方近地面出风口的风速会显著增加。因此，光伏电板前檐下方的A位置和B位置较CK区蒸发效果增强可能是由于电板前檐与地面形成的风力加强区，风速的增加以及太阳辐射导致该区域蒸发强度较大。降水是土壤水分补给的来源，而土壤蒸发是水分散失的重要途径，二者对于光伏电站的土壤水分平衡有着重要作用[29]。因此，随着时间的推移，土壤蒸发量与降水量的相关关系也在逐渐增强。本研究发现土壤逐日蒸发量与土壤初始含水率之间的相关性较强，并且随时间推移这种关系呈增强的趋势。这是由于土壤蒸发受限于土壤含水率，在土壤水分较低时对蒸发量的影响会更为突出，而具体土壤含水量与蒸发量的关系式也因土壤结构和质地的差异而略有不同[30]。

表4 降水结束后各土层初始体积含水率与逐日土壤蒸发量的相关关系Table 4 Correlation between initial volumetric water content of each soil layer and daily soil evaporation after precipitation

4 结 论

光伏电板对于自然降水起到了截流和汇聚作用，电板正下方被遮挡的位置未收集到降水，而电板中间的空隙及电板前檐由于汇水作用使其下方位置均收集到降水，其中电板前檐下方较未架设电板处增加了111.33 mm。

降水结束后，0～10 cm土层土壤体积含水率整体表现为有汇水作用的位置大于其他位置，对照区域的该层土壤含水率分别占B位置和D位置的47.61%和38.08%。10～20和20～30 cm土层整体表现为电板下的位置土壤体积含水率大于电板外的土壤体积含水率。在降水结束5 日内表层土壤含水率变化较其他土层较为明显，光伏电板前檐到电板后檐4 个位置的0～10 cm土壤体积含水率分别下降了9.93、77.71、8.65、和80.6%。光伏电板有效减少了电板下土壤水分的蒸发，光伏电板下的C、E和F位置的土壤累积蒸发量仅为3.52、2.76和2.91 mm。光伏电板下空气温度较低，湿度较大，因此也使得板下蒸发量减少。

光伏电板下0～10和10～20 cm土层蓄水量与降水量具有较好的拟合关系，R2分别为0.716 6和0.829 2；且0～10和10～20 cm土层蓄水量与降水量的相关性呈现逐渐增强的趋势。光伏电板下土壤累计蒸发量与降水量拟合程度较高，R2为0.771 6。土壤逐日蒸发量与初始土壤体积含水率具有较强的相关关系，并且均呈现随时间推移相关性逐渐增强的趋势，其中0～10和10～20 cm土层的初始体积含水率与土壤蒸发量的相关性高于20～30 cm土层体积含水率与土壤蒸发量的相关性。