双向“锅盖效应”诱发戈壁荒漠长草机制分析

姚仰平，孙国超，王乃东，段志刚

(1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191；2.中国人民解放军海军研究院，北京 102202)

1 研究背景

我国约有74%的沙漠和84%的戈壁分布在西北地区[1]，广阔的荒漠面积是建设大规模太阳能电站的重要基地[2]。茫茫戈壁荒滩、寸草不生，随着光伏发电的兴起，“借光”聚能的光伏电站场区内长出了野草。而草的生长需要水分，光伏电站内野草生长所需的水分是如何来的呢？

在戈壁荒漠地区，光伏组件的施工活动会导致地表土层密实度增加，导致浅层土壤的硬化固结，减少了土壤的水分蒸发。此外，光伏板的遮蔽效应也会引起土壤温度和水分的变化[3]。目前国内光伏板区的研究主要对浅层土壤、空气温湿度变化进行观测[4-5]，国外研究将光伏与农业发展结合，发现通过合理设计和优化光伏板布局可以提高土壤含水率、改善局部微气候，从而提高作物产量[6-7]。大量研究表明光伏板的遮蔽减少了地表水分蒸发，使浅层含水率增加。这些结论与“锅盖效应”的机理十分相近[8-9]。此外，野草对光伏电站周边生态有一定的影响，通过建站前后植被变化的比较，表明光伏电站建设为改善戈壁荒漠的植被状态带来了益处[10-12]。

已有研究主要现场观测分析了光伏板下土壤、空气温湿度的变化。但尚未定性探讨光伏板下野草生长的机制机理及定量解释其所需水分的来源，因此，本文以青海共和县塔拉滩光伏电站工程为例，通过数据和理论对比分析了光伏板下双向“锅盖效应”的发生机理，解释了光伏板下野草生长水分来源的问题，为戈壁地区治沙提供了参考。

2 光伏电站的场区长草现象

2.1 塔拉滩光伏电站的区域和工程概况青海共和盆地位于祁连、昆仑与秦岭三大山系之间，总面积约1.38万km2，黄河在其腹部呈半圆形流程约400 km，其流域面积占黄河发源区总面积的10.5%。研究区塔拉滩位于共和盆地的中东部，地理位置为东经100°26′—100°38′，北纬36°00′—36°12′，海拔2700～3028 m，如图1所示。该地区属于高原大陆性气候，干旱少雨，太阳能资源丰富，年平均日照时数2907.8 h，年平均气温4.1 ℃[13]。塔拉滩的土壤类型以栗钙土为主，土壤孔隙率50%～70%占到85.72%，具有通气性良好的特点[14]。

图1 青海省共和县研究区地理位置示意

青海省共和县塔拉滩光伏电站项目于2012年开工，如图2所示，据统计，电站规划占地总面积609.6 km2，总装机量为15730 MW，年均发电量达到100亿kWh，年节约标准煤311万t，减排二氧化碳780万t。为了便于研究，选取A光伏区和B非光伏区作为分析对象。

图2 塔拉滩光伏电站布置示意

2.2 塔拉滩光伏电站场区长草现象塔拉滩土壤沙化极其严重，周边几乎寸草不生。光伏电站建成后的一段时间，人们发现光伏板下开始长出了野草，如图3所示，这些野草生长茂盛后会遮蔽到光伏板，导致太阳能光伏板发电效率下降，秋冬季还可能引起火灾，所以光伏电站场区长草机制分析值得人们的关注和研究。

图3 塔拉滩光伏电站建设前后对比

由于光伏的架设遮挡了阳光对地表的直射，加上人的活动、鸟类的排泄物，并且季风携带的种子在这种潮湿的环境下极易存活，以上因素皆可能为野草的生长创造适宜的条件，如图4所示。在此，野草生长并能够存活的关键是地下存在适量的水分，本文将对光伏板下浅层土壤水分补给的机制机理进行分析研究。

图4 光伏板下长草现象

3 双向“锅盖效应”的发生机理

3.1 双向“锅盖效应”概念从日常生活中容易发现锅盖下会有水珠，是因为蒸汽遇到冷的盖子发生了凝结的物理现象；通常炎热季节墙根的背阴面很容易长出绿色的苔藓，这是空气中的水汽遇冷凝结，导致地面潮湿，所以苔藓易在此环境中存活，如图5(a)所示，此类生活案例还有很多。通常在机场跑道、高铁无砟轨道、高速公路道面等密闭覆盖层下也有类似积水的工程问题。对于岩土工程中不透水的覆盖层下会出现水分的累积，专家将岩土工程中观测到的这种现象称为“锅盖效应”[9]。“锅盖效应”是指非饱和土中由于上覆结构密闭，导致水分不能排出而引起的浅层土体含水率增加的现象[15]。

图5 生活中和光伏板下的“锅盖效应”类比

根据已有研究进行综合分析，如图5(b)(c)所示，可以将光伏板下浅层土壤水分来源类比生活中的“锅盖效应”，这是生活中两种“锅盖效应”的有效结合。由于光伏板安装和地基处理时机械碾压导致浅层土体更加密实，孔隙率减小，地表形成一层类似“锅盖”的地表覆盖层，其上方光伏板是架空的，不同的是板下的野草很容易存活，因此，由分析可知光伏板是导致“锅盖效应”的间接诱因之一，其内在增水机理是关键。

区别于传统的机场道面或者道路覆盖面层，如图5(c)所示，光伏板下的“锅盖”是介于完全覆盖和无覆盖之间的状态。根据塔拉滩光伏电站工程地质勘察报告可知，距离场区最近的地表水为厂区以东的龙羊峡水库，场区内地下水埋深大于30 m，因此地下水的补给来源主要为河水渠道渗漏补给及地下水的潜流。光伏板主要布置在塔拉滩，因该地区光照充足，干旱少雨，昼夜温差大，冬季时间较长，整体上冬季气温日温差高于夏季，显然，温差是驱动深层土壤和外部大气水汽迁移的重要因素。

目前已有研究的“锅盖效应”生成水，是外界低温导致土壤深层气态水迁移并在表层冷凝或凝华补水的产物[9，16]。气态水迁移和增水量比较难以定量预测[17]，容易被忽略。本研究按照水汽迁移方向不同，提出了新的双向“锅盖效应”现象。此时的水汽迁移不局限于深层土体一个方向，溯源光伏板下野草生长本质是双向“锅盖效应”产生的水在发挥作用。

研究区域地下水位埋藏极深、呈干寒性气候且昼夜温差大，所以预测有两个方向水汽为野草提供水分，一个方向是深层土体内部的水分，另一个方向是土体外部大气中的水汽。由于该研究区域内覆盖了大面积光伏板，且地表层硬化明显，对比非光伏区情况，“锅盖效应”比较明显，通过观测发现光伏电站场区内野草变得茂盛，因此，根据以上观测和分析，我们便可以总结其中的机理。

3.2 双向“锅盖效应”的形成机理土壤内部水分变化是水-汽-热多场耦合的作用，过程比较复杂，而本研究主要考虑气态水迁移，土体孔隙中的蒸汽量高度依赖于温度。且由于水的饱和蒸汽压力，蒸发发生在温度高的部分，冷凝发生在温度低的部分[18-19]。分析温度的变化是揭开双向“锅盖效应”的关键，如图6所示。

图6 双向“锅盖效应”的形成机理

由于西北地区冬、春季节昼夜和季节温差大，加上光伏板的遮阳、阻风作用，使得浅层土体温度T0低于深层土壤温度T2，即T0

浅层土壤含水率的变化与土体内外温度变化、有无光伏板遮挡及覆盖层密实度有关，因此，由以上定性分析的综合因素形成了西北荒漠戈壁滩特有的双向“锅盖效应”。

以上从定性的角度分析了光伏板的存在和施工活动诱发双向“锅盖效应”机理，从概念逻辑上揭开了野草生长所需的水分来源问题，但具体变化规律影响，还需要从土壤与空气温度变化、浅层土壤含水率变化进行定量分析，来支撑事实和逻辑上的合理性。

4 塔拉滩光伏板下土壤含水率变化规律的分析

4.1 大气温度和浅层土壤温度的年变化分析土壤内部或者土壤外部大气温差是导致双向“锅盖效应”产生水的重要条件，所以探究浅层土壤及大气温度变化规律对揭开长草机制很重要。

根据试验数据分析[20]，本文选取A光伏区、B非光伏区作为分析对象，分析2019年2个区域3个测点0.1、0.2和0.4 m土壤全年日平均温度和光伏区大气平均温度。研究表明光伏板下浅层土壤的温度随大气温度的波动而变化，表层土壤温度变化幅度大于深部的地温。如图7所示，现场试验数据表明，空气温度变化幅度较大，全年空气日变化出现更多峰值点，说明空气昼夜和季节温差变化大，此阶段可能显现双向温度梯度，即夏季白天空气温度高，浅层土壤温度低，具备反向“锅盖效应”发生的条件。进入冬季空气平均温度明显低于光伏区，在11月至12月空气平均温度比浅层土壤温度低约8 ℃，浅层土壤的温度波动远大于深层土壤，此时深层土壤至表层存在温度梯度，梯度方向朝下，此为正向“锅盖效应”驱动力。

图7 不同区域日平均温度变化

光伏区与非光伏区温度变化趋势相对空气来说较为一致，峰值点相对空气也少，但在4月至10月，光伏区较非光伏区平均温度低约3 ℃，这说明了光伏板的遮挡在炎热季节可显著降低浅层土壤温度，为反向“锅盖效应”启动创造条件。

根据罗汀等[21]现场试验，冬季大气温度对土壤温度的影响随着土壤深度的增加而逐渐减弱，对表面影响最大，深层土壤的温度变化相较于浅层土壤有一定的滞后。冬季是浅层土壤储水的主要时期，为春夏野草生长提供保障，西北一天温度变化剧烈，导致“锅盖效应”容易发生。以上表明双向“锅盖效应”发生还可能随季节变化和昼夜温差变化呈现不同步变化的规律。

4.2 双向“锅盖效应”对浅层土壤含水率的影响双向“锅盖效应”产生了可供长草的水分，关键是探究不同区域浅层土壤水分变化规律，定量分析双向“锅盖效应”产生的水量对戈壁荒漠长草的影响。

4.2.1 不同区域浅层土壤含水率变化的分析 根据文献[22]可知青海省栗钙土的表层含水率不超过14%，而当地植被生长需要的含水率约为15%～17%，设定平均含水率16%为野草存活临界线。

通过分析图8，可以得出该时期不同区域不同深度的含水率情况，具体数据详见表1。如图8(a)，对比非光伏区土壤0.4 m以上全年含水率大部分在16%以下。对于非光伏区，尽管0.4 m处平均含水率略大于15%，但在野草存活临界线(含水率16%)范围是不稳定的，虽然7月下旬、9月下旬某天含水率略高于16%，但由于供水时间短，野草也难以存活。因为表层没有封闭覆盖层和光伏遮挡，导致蒸发大，所以在4月至12月初3个测点由浅至深，含水率逐渐增大，这是非光伏区明显的特征。

表1 光伏区与非光伏区浅层土壤含水率对比

图8 不同区域浅层土壤的含水率变化

由图8(b)分析可得到，光伏区含水率在3月下旬开始骤然上升，约在4月初迅速提升至波峰，并且超过野草存活临界线(含水率16%)，此时段为融化期。如图8(b)所示，在4月10日左右0.1、0.2和0.4 m分别提升了约20%、11%和15%，其后稳定在一定范围内波动，呈现阶段性的升降，直到11月底，含水率逐渐开始下降。12月初至次年4月初，即Ⅰ阶段为正向“锅盖效应”。12月初至月底，冻结基本完成，含水率不再下降，此时段为冻结期。4月至12月期间的炎热夏季和初秋，Ⅱ阶段以反向“锅盖效应”为主，这期间水分变化在小范围内波动，满足日常需水，而正向锅盖效应相应则提供年循环的水分需求。对比图8(a)，光伏区被冻结冰的融化速度滞后于非光伏区，经分析是由于光伏板阻挡阳光的直射，降低了土壤升温的速度。

经分析发现，图8(b)出现了冻融循环过程且含水率大于非光伏区，其内在机理是经历整个冬季和初春的极低气温影响，较大的温差驱动深层土壤水汽向浅层迁移，同时土水中的基质吸力作用也会使水分在浅层累积，并在低温边界附近冻结，水以固态冰的形式存在土壤中。开春后，浅层土壤温度随着空气温度的升高而增大，冰开始渐渐融化，因此土壤含水率骤然升高，这便形成了季节性冻融循环模式。此过程本质上是正向“锅盖效应”在发挥作用。

根据青海共和塔拉滩牧草的生长周期及综合气候角度来看，6月至10月初是野草生长的季节[23]。共和盆地野草以柠条锦鸡儿、沙柳等为主，野草根系分布范围主要在土壤0.4 m以上为主，在6月至10月初根系吸水区主要集中在10～25 cm[24-25]。因此，我们对数据分析主要集中于土壤深度40 cm以内。如图8(b)所示，取6月至10月初数据分析得，光伏区的含水率一直在稳定高位区间20%～35%内振荡，各个测点含水率在平均含水率附近振幅约2%～3%，这一时期含水率完全满足野草生长需求。

由图8(b)可知，6月至10月初光伏区含水率变化，最低含水率也大于17%。经分析水分是来自两个方向的共同作用，定性分析中提到冬季至初春地表覆盖层的阻水作用使得深层迁移来的大部分水汽以冰的形式在覆盖层下累积，另外加上外部大气水汽迁移至浅层，最终导致0.1 m浅层土壤含水率最高，达到33.15%。在野草生长季，3个测点的含水率均在野草存活临界线以上，所以双向“锅盖效应”产生的水量必然满足野草生长的需要。

4.2.2 光伏区浅层土壤与空气温度含水率单日变化分析 为了更清楚探究反向“锅盖效应”的作用，通过分析2019年7月4日光伏区空气温度和埋深0.1、0.2及0.4 m 3个测点的土壤温度、含水率单日变化，可得数据如图9—10所示。

图9 浅层土壤和空气温度的单日变化

a阶段即22∶00至次日10∶00，由于土壤3个测点内温差很小，所以正向“锅盖效应”可以忽略。

b阶段即10∶00至22∶00，其中12∶00至16∶00之间，3个测点的温度波动几乎接近，但空气与土壤温度差异都为正，温度梯度正向为上，然而水汽向下迁移，所以b阶段为反向“锅盖效应”。通过一组数据可以定量分析，图10中取一天不同时段3个测点得出表2数据。12∶00，3个监测点的温差分别为5.1、4.3和5 ℃，17∶00，3个监测点的温差分别为7.4、8.4和8.4 ℃，此方向温差驱动局部小气候形成的大气水汽向浅层地表迁移[6]。最终光伏区浅层土壤含水率小范围内波动且满足野草生长需求，表明了浅层土壤含水率增加部分，正是水汽迁移的结果。对比浅层土壤与空气温度变化频率，可以探究反向“锅盖效应”与空气温度变化密切相关。从图9中分析得到，空气温度在早晨6∶30达到最低2.86 ℃，而0.1 m处土壤温度约在8∶00达到最低11.1 ℃，土壤温度到达最小值滞后约2 h。17∶30，空气温度升到最高点约21.47 ℃，而0.1 m处约在20∶30随着升到最高14.7 ℃，土壤温度达到最大值需滞后约3 h。表明土壤温度变化一定时段内滞后于空气温度变化。

表2 光伏区浅层土壤温度和空气温度单日变化

图10 浅层土壤含水率的单日变化

温度变化最终反映到浅层土壤含水率变化，如图10可知，在10∶00至22∶00，3个测点含水率在小范围内波动明显，箭头方向表示水分升降。分析表明浅层0.1 m含水率变化幅度较大和时间上延续长的特点。0.1 m处一天的土壤含水率随着时间变化，从10∶00至14∶00，含水率由32.2%逐渐下降至最低31.3%，这是因为白天辐射、蒸发作用强，所以土壤含水率降低了约0.9%，而随后含水率升高至33%，提升1.7%，因为外部大气水汽在温差驱动下迁移至浅土层并产生冷凝水，这是反向“锅盖效应”的作用。17∶00至22∶00，由于光照减弱直至消失，蒸发作用也相应减弱，此时间段土壤含水率整体提升了约0.7%，反向“锅盖效应”继续发挥作用。22∶00至次日10∶00，水分波动基本持平，反向锅盖效应不明显。

综合图9—10可知，由于空气与土壤反向温差的波动，引起土壤含水变化，在16∶00时温差最大，但含水率却在约18∶00出现极值，滞后了约2 h。此过程中含水率随温差的变化出现了一定的滞后性，因为温差的变化并不能立即生成冷凝水，需要在一段时间内迁移至低温区冷凝并产生水分。

4.2.3 光伏区小气候中降水、相对湿度及风速对浅层土壤水分的影响 降雨受地理位置、大气环流和天气系统等条件的影响，是水循环的基本环节，塔拉滩不会因光伏电站建设而导致区域降雨发生改变。相较于非光伏区域地面没有长草的情况，而光伏区同样的降雨条件下却出现了长草，文中主要强调两区域的差异性，并从“锅盖效应”角度分析了光伏区野草生长的水分来源。由于光伏板遮挡阳光直射，减少了浅层土壤水分蒸发，同时当地较大的昼夜温差导致光伏区相对湿度的增加，形成了局部小气候环境，为反向“锅盖效应”提供了外部水汽来源，比如在炎热夏季，相对于没有农作物的空地，农田的玉米地或者高粱地地面上方空气湿度会增加。实际上，光伏板形成的光伏群可以明显的减缓风速，从而减少地表和空气中水分的蒸发[4]。以上因素中，相对湿度和风速在光伏区表现出与非光伏区明显的差异，具体反应在浅层土壤水分变化上有一定的影响，同时也是野草正常生长需要考虑的条件。

通过以上定量分析双向“锅盖效应”温湿度变化规律，双向“锅盖效应”产生的冷凝水一般在0至0.4 m深度之间的土层中累积，光伏区3个测点含水率由高到低依次0.1、0.4和0.2 m。冬季和初春表现为正向“锅盖效应”为主，夏季以反向“锅盖效应”为主，因此，土壤含水率满足野草存活临界线的要求，野草是可以正常存活的。光伏板下的双向“锅盖效应”产生的水量虽少，但每日和每年都在循环，类似于农业上的高效滴灌技术。所以，特别是干旱荒漠地区，双向“锅盖效应”会造成光伏板下浅层土壤含水率大幅提高，其对野草存活影响是不容忽视的。

5 荒漠治沙展望

双向“锅盖效应”可以间接改善局地生态环境，但如果不控制植被生长态势，光伏电站将面临一年中2～3季度的火灾威胁、超过10%的发电量损失以及隔三差五的“热斑效应”等问题。共和县塔拉滩光伏电站采取了“牧光互补”模式，通过引入“光伏羊”来吃草。这形成的体系不仅能控制野草的生长、消除光伏电站隐患，还能防风固沙。同时，牧民也可以获得牲畜饲料，实现了“一草多用”的功能，如图11。

图11 双向“锅盖效应”生态产业链

分析表明本质上是双向“锅盖效应”有效调节了浅层地表的含水率，将荒凉的沙漠和戈壁变成富有生机的绿洲。由于光伏电站建成后该区域的植被覆盖率显著提高，居民区遭受风沙侵袭的情况也改善很多。说明了双向“锅盖效应”对于改善脆弱的生态环境非常有利[26]。

如图11所示，考虑将光伏群结合双向“锅盖效应”用于防治沙尘暴、减少风沙侵袭，同时野草根系还能够保持水土，启发我们将双向“锅盖效应”理论运用于沙尘暴严重的地区，栽种绿植，为治沙提供新的思路。

6 结论

通过对双向“锅盖效应”诱发戈壁荒漠长草机制分析得出以下结论：

(1)分析了塔拉滩光伏电站场区内野草得以存活的关键是地下存有适量的水分，同时与光伏区形成的湿润小气候环境有关。

(2)根据塔拉滩光伏电站场区内的长草现象，提出了双向“锅盖效应”概念，并以全新的角度揭示了双向“锅盖效应”的内在机理。

(3)分析表明光伏板在夏季可明显降低土壤表面温度。双向“锅盖效应”导致了浅层土壤0～0.4 m含水率相较非光伏区明显有所提高。在6月至10月初野草生长季，光伏区反向“锅盖效应”产生的水分在小范围内波动，而冬季至初春正向“锅盖效应”的冻融循环水分提升范围为11%～20%，两个方向水分叠加大于临界含水率16%，因此浅层土壤含水率满足野草存活。

(4)双向“锅盖效应”结合“牧光互补”的治理野草模式，对我国西北荒漠治理展望提供了启示，将形成效益与环保兼顾发展的新思路。