植物措施对沙漠光伏电站土壤的改良效应

贾瑞庭， 袁立敏， 蒙仲举

（1.内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古自治区沙地（沙漠）生态系统与生态工程重点实验室，沙地生物资源保护与培育国家林业局重点实验室，呼和浩特 010010； 2.内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 锡林郭勒 027300； 3.内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010010）

在碳中和、碳达峰的“双碳”目标下，大力发展低碳或零碳技术是能源领域技术变革的战略方向，其中光伏发电是我国未来可再生能源利用的主要方式之一[1]。我国西北干旱、半干旱区丰富的沙地资源和太阳辐射是光伏电站项目建设的理想场所[2]，但沙区光伏电站建设会加剧脆弱生态区的水土流失[3]，风沙活动也威胁光伏设施的运营[4]。因此，生态保护措施和植被恢复重建迫在眉睫。

针对沙区光伏电站建设生态破坏和沙害威胁问题，前人开展了风沙物理、风沙地貌等机理研究，主要包括风沙流、输沙通量、地表蚀积形态及风蚀防治工程措施等[5-9]，而关于光伏电站植被恢复重建措施对土壤性质的改良效应关注较少。因此，研究光伏电站内植被恢复重建后的土壤物理化学性质，有助于进一步认识风蚀防治措施对沙漠光伏电站土壤的修复作用。基于此，本研究以库布齐沙漠200 MW光伏电站种植羊草、甘草、油蒿、花棒及沙障的样地为研究对象，研究不同措施下土壤容重、孔隙度、粒度特征和养分差异，旨在阐明光伏电站不同经营措施对土壤的影响，以期为沙区光伏电站生态修复、沙害防治提供治理方案。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古杭锦旗独贵塔拉镇沿黄公路南侧的光伏电站（37°20′—39°50′ N，107°10′—111°45′ E），总占地面积6.67 km2（图1）。该区属于典型温带大陆性季风气候，海拔1 136 m，年平均气温5~8 ℃，年均太阳总辐射量597.9 kJ·cm-2，年均降水量150~400 mm，且季节分布不均匀，主要集中在6 月下旬到9 月上旬，年蒸发量2 100~2 700 mm。风沙活动集中在3—5 月，最大瞬时风速达24 m·s-1，年大风日数25~35 d，在西北盛行风作用下形成新月型沙丘、新月型沙丘链和格状沙丘链，植被覆盖度低，60%的沙地为流动沙地[10]。

图1 研究区位置Fig. 1 Location of the study area

电站由36°最佳倾角的单晶硅电池板阵列组成，电池板板面向南，呈东西走向，相邻2 排光伏阵列间距900 cm，板上沿垂直高度270 cm，板下沿垂直高度35 cm，单组电池板由2 排18 列99 cm×195 cm 基本光伏电板单元组成，整体规格为400 cm×1 800 cm，电站面积为5.37 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计与样品采集 2020年7月于光伏电站内选择典型经营措施羊草、甘草、油蒿、花棒及沙障为试验样地，各样地随机设置3个1 m×1 m草本样方和5 m×5 m 灌木样方，记录植物种类、盖度、高度、冠幅。在各样地地势平缓处设置3个采样区，用环刀、塑封袋采集0—5、5—10、10—20、20—30 cm 土层土壤样品，测定土壤容重、孔隙度指标，同时将塑封袋内土壤样品带回实验室，去杂阴干后用于测定土壤机械组成和土壤养分。未种植植物时，该研究区土壤为流沙，植被稀疏，因此，本研究忽略植被恢复前原有植被对土壤理化性质的影响。

1.2.2 测定方法 土壤粒度组成采用干筛分法测定，分析结果以美国制（US-DA）土壤粒径分级标准[11]划分为黏粉粒（<50 μm）、极细沙[50~100 μm）、细沙[100~250 μm）、中沙[250~500 μm）、粗沙[500~1 000 μm）、极粗沙[1 000~2 000 μm）；容重、孔隙度采用环刀法和烘干法测定；有机质采用高温重铬酸钾氧化容量法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用NaHCO3浸提，紫外分光光度计测定；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度计测定[12]。

1.3 数据分析

利用Excel 2010 和SPSS 25.0 软件对数据进行统计与分析，采用Origin 2021进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同经营措施样地基本特征

不同经营措施样地特征见表1，羊草措施植被盖度为8%，株高为63 cm，结皮厚度为1.46 cm；甘草措施植被盖度为40%，株高为11 cm，结皮厚度为1.32 cm，样地内分布着少量的雾滨黎和沙米；油蒿措施植被盖度为6%，株高为145 cm，冠幅为150 cm×132 cm，样地内分布着少量的沙米；花棒措施植被盖度为75%，株高为131 cm，冠幅为91 cm×80 cm，结皮厚度为1.27 cm，样地内分布有杨柴、柠条、沙打旺等；且植物在生长期无灌溉和施肥。沙障用于电站内风沙危害防治，地表均匀铺设，铺设量为600 kg·km-2，土壤为流沙，无植被。

表1 不同经营措施样地基本特征Table 1 Basic characteristics of areas with different management measures

2.2 不同经营措施土壤粒度特征

由表2 可知，不同经营措施土壤粒度组成以细沙为主，中沙和极细沙含量次之，3 种主要粒级体积百分含量占沙物质粒级组分的90%以上，不同经营措施间各粒级含量差异显著（P<0.05）。<0.25 mm 粒级组分含量在羊草措施最高（97.05%），其次为油蒿（90.22%）、花棒（87.33%）、沙障（86.10%）、甘草（85.55%），可见羊草措施对土壤细化效果优于其他措施，其丰富的团聚体数量对土壤通透性至关重要。

表2 不同经营措施土壤粒度含量Table 2 Soil particle size content of different management measures (%)

2.3 不同经营措施土壤容重特征

土壤容重与土壤的孔隙度和渗透率密切相关，是土壤紧实度的重要指标。不同经营措施土壤容重结果见表3，0—30 cm 土层不同经营措施土壤容重变化范围为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，各措施间差异没有达到显著水平；5—10 cm 土层羊草措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低且显著低于羊草措施；10—20 cm 土层油蒿措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低且显著低于羊草措施；20—30 cm 土层油蒿措施土壤容重最高，沙障措施土壤容重最低，各措施间差异不显著；因此沙障措施土壤较疏松，结构性较好。

表3 不同经营措施土壤容重Table 3 Soil bulk density of different management measures （g·cm-3）

2.4 不同经营措施土壤孔隙度特征

土壤孔隙度是影响土壤蓄水能力、通气性、肥力和植物的生长状况重要物理指标。不同经营措施土壤孔隙度结果见图2，0—30 cm 土层毛管孔隙度为14.53%~31.52%，其中沙障措施毛管孔隙度为30.30%~31.52%，均显著高于其他措施。非毛管孔隙度在各土层差异不同，0—5 cm 土层沙障措施非毛管孔隙度（9.38%）显著高于其他措施；5—10 cm 土层沙障措施非毛管孔隙度（8.17%）显著高于羊草、甘草和油蒿措施；10—20、20—30 cm 土层沙障措施非毛管孔隙度分别为6.95%、6.46%，均显著高于羊草和甘草措施。由此可见，沙障对土壤孔隙度的改善效果优于其他植物措施。

图2 不同经营措施土壤孔隙度Fig. 2 Soil porosity of different management measures

2.5 不同经营措施土壤养分含量

对沙区光伏电站内不同经营措施的土壤有机质和速效养分含量分析结果表明（图3），不同经营措施对土壤养分影响不同，各样地0—30 cm 土层有机质含量整体表现为甘草>羊草>花棒>油蒿>沙障，其中，甘草措施0—5 cm土层有机质含量显著高于其他措施，5—10 cm 土层有机质含量显著高于油蒿、花棒和沙障措施；羊草措施20—30 cm土层有机质含量显著高于其他措施。碱解氮含量整体表现为羊草>花棒>沙障>甘草>油蒿，花棒措施5—10 cm 土层碱解氮含量与甘草、沙障措施差异显著。速效磷含量整体表现为花棒>甘草>沙障>油蒿>羊草，0—5 cm 土层羊草与花棒措施速效磷含量差异显著，5—10、20—30 cm 土层花棒措施速效磷含量显著高于其他措施，10—20 cm土层花棒、沙障措施与其他措施有显著差异。速效钾含量整体表现为羊草>甘草>沙障>花棒>油蒿，0—5 cm 土层花棒措施与油蒿、沙障措施无显著差异，5—10 cm 土层花棒措施与油蒿无显著差异，与其他措施间差异显著。

图3 不同经营措施土壤养分Fig. 3 Soil nutrients of different management measures

植物措施增加了地表凋落物和地下有机物（细根及根系分泌物）输入，促进土壤有机质和养分的形成与提高，进而改善土壤养分状况。0—30 cm 土层土壤养分含量反映了其对植物措施的响应，养分在剖面分布具有明显差异性，植被恢复区0—5 cm 土层土壤养分含量表现出一定表聚性。有机质、碱解氮和速效钾含量随土层深度增大呈降低趋势，油蒿措施0—5 cm 土层有机质含量低于5—10、10—20 cm 土层，其原因是该样地仅分布少量的油蒿灌丛，植被盖度较低，表层土壤为拦截的流沙，且枯枝落叶在表层还没形成腐殖质。速效磷含量不同土层间变化较大，变化趋势不明显。

3 讨论

植被的生长、发育和演替过程直接受到土壤性质的影响，同时植被生长、发育和演替的过程也密切影响着土壤的物理性质[13]，土壤粒度组成是土壤母质、降雨、温度、地形以及植物共同作用的结果[14]。研究区细沙、中沙和极细沙3 种主要粒级体积百分含量占沙物质粒级组分的90%以上，这与杨世荣等[15]研究结果一致，电板、植被地上部分、沙障对大气降尘、风蚀物具有截存效应[16]，但同时对风蚀物的截存效应表现出较大差异，油蒿、花棒措施优势粒级细沙含量高于羊草、甘草措施，其主要原因是油蒿、花棒属于半灌木，冠幅较大，对气流阻挡滞尘作用较强，沙障措施的优势粒级细沙含量高于油蒿、花棒、羊草、甘草措施，沙障作为立地条件较差地区机械防沙固沙措施，避免了气流对地面的直接作用，使得地表粗糙度增大，能很好改善土壤粒度组分。陈闻等[17]指出不同人工固沙植被均降低了土壤容重，改善了沙地土壤结构。研究区不同经营措施土壤容重为1.47~1.67 g·cm-3，0—30 cm 土层间均以沙障措施容重最低，沙障措施毛管孔隙度均显著高于其他措施。植物根系交错相连成网状，改善了土壤结构，降低土壤容重，增强团聚体稳定性，改善土壤持水能力和入渗性能，从而改善土壤综合物理性质[18]。

研究区0—30 cm 土层甘草措施有机质最高、羊草措施碱解氮、速效钾含量最高、花棒措施速效磷含量最高，自然状态下，土壤速效养分和有机质含量由土壤母质和地表枯落物共同决定，植被地上枯枝落叶生成腐殖质增加土壤有机物质及养分含量，促进退化土壤理化性质的恢复。秸秆还田措施可明显增加土壤养分含量，植物根系释放营养物质和其枯落物凋落归还到土壤中，从而提高土壤养分含量[19-20]，这与施明等[21]研究结果一致，枯枝落叶进入土壤，为土壤微生物提供了充足的营养物质，使土壤微生物数量增大，促进了养分的循环和转化。