光伏電站建設對土壤和植被的影響

王 濤, 王得祥, 郭廷棟, 張崗崗，趙世雄, 牛懷誠, 盧舜瑜, 林 虎

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100; 2.靖邊縣新能源產業園區籌建處, 陜西 靖邊 718500)

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光伏電站建設對土壤和植被的影響

王 濤1, 王得祥1, 郭廷棟1, 張崗崗1，趙世雄2, 牛懷誠2, 盧舜瑜2, 林 虎2

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100; 2.靖邊縣新能源產業園區籌建處, 陜西 靖邊 718500)

為了探究光伏電站建設對植被、土壤的影響，通過樣地調查和試驗分析對靖邊縣光伏電站內光伏板未遮陰(NS)、遮陰(S)及電站周邊區域(SA)的土壤理化性質、植被種類、α物種多樣性和地上生物量進行了分析比較。結果表明：相對于SA，光伏電站內(NS，S)土壤含水量、有機質、速效磷、速效鉀、植物種類、物種Patrick豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數、Simpson優勢度指數、地上生物量鮮重和干重均增加，土壤pH和電導率降低，S區域容重增加，NS降低；電站內相對于S區域，NS的土壤含水量、pH、電導率、養分、α物種多樣性和地上生物量均增加，容重降低。綜合來看，在干旱半干旱區域，光伏電站建設對土壤、植被生態系統的促進作用優于所帶來的負面影響。

環境評價; 土壤理化性質; 物種多樣性; 生物量; 光伏電站

近年來，我國光伏產業在國際市場拉動和國內政策支持的雙重作用下，實現了加速發展[1]。根據歐洲光伏行業協會(EPIA)公布的2013年全球光伏產業統計數據，其中我國新增光伏裝機容量11.3 GW，累計裝機容量達18.1 GW，占全球總裝機容量的13.2%。地面大型并網式光伏電站建設需要進行土地平整、土石方開挖、電纜布設等一系列工程，土層擾動和光伏板遮陰都可能對土壤、植被造成一定的影響。許申來等[2]認為工程建設一般會對區域土壤、植被、物種多樣性、生態環境造成一定的影響，工程施工部門、環境保護部門高度重視工程建設帶來的影響，并且要求施工完成后必須進行必要的地貌、土壤和植被恢復。目前光伏電站的環境評價主要集中在工程建設期和運營期產生的廢棄物、噪音和大氣污染，以及工程建設對物種多樣性、區域水土流失等方面的定性描述，對于土壤理化性質、物種多樣性和生物量的定量研究較少。土壤是人類和大部分生物賴以生存的自然資源，也是地球生態環境的重要組成部分，植被生長與土壤系統密切相關[3]。植被對于水土保持、防風固沙、調節氣候起著重要的作用。本研究區位于干旱半干旱區毛烏素沙漠南緣，植被稀少，土壤侵蝕嚴重，生態環境脆弱。近年來大規模的光伏電站建設促進了地方社會經濟的發展，但由于電站建設對當地生態環境影響不清晰，對植被、土壤的影響程度不確定，對物種多樣性和區域生態環境影響不明確等一系列問題制約了電站發展。因此很有必要開展光伏電站建設對植被、土壤的影響研究。本研究能豐富光伏電站環境影響評價的內容，同時對于政府、業務主管部門制定政策和能源建設企業提供決策，對周邊區域光伏電站建設土地類型選擇、土地變更、土地補償等問題都具有一定的參考價值。

1　研究區概況

研究區位于陜西省榆林市靖邊縣楊橋畔鎮九里灘村太陽能光伏產業園區內(東經108°55′8″—108°56′4″，北緯37°36′50″—37°37′4″，海拔1 305～1 319 m)。氣候屬于半干旱內陸性季風氣候，四季變化明顯，氣溫日較差大。年平均氣溫7.8℃，極端最高溫度36.4℃，極端最低溫度-28.5℃，1月平均氣溫-8.5℃，7月平均氣溫22.2℃；年平均降水量395.4 mm，四季分布不均，夏秋較多，春冬較少；≥10℃的植物生長有效積溫為2 800℃，平均無霜期130 d。多年平均日照時數2 753.7 h，采用氣候學方法推算的多年平均太陽輻射量為5143.01 MJ/m2，太陽能資源比較豐富。研究區植被稀少、低矮，主要以耐鹽堿植被為主。植被類型有干草原、沙生植被和低溫草甸，代表植物有芨芨草(Achnatherumsplendens)、狗尾草(Setariaviridis)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、苦苣菜(Sonchusbrachyotus)、黃蒿(Artemisiaannua)、沙蒿(Artemisiaarenaria)等。土壤類型主要為綿沙土。

陜西太陽能光伏發電有限公司裝機容量20 MW，占地面積約4.67 hm2，工程施工期2010年8—12月，包括土地平整、地基開挖、支架安裝、電纜布設、廠房建設等工程。電站光伏板采用單晶硅(1580 mm×808 mm×35 mm)和多晶硅(1680 mm×992 mm×35 mm)，按照2行16列排布為一個方陣，每169個方陣為1 MW，方陣傾斜角35°，間距5 m。光伏板底端距地面約0.5 m。

2　研究方法

2.1樣地設置與調查

根據工程的實際特點，于2014年秋季選擇電站內光伏板未遮陰(NS)、遮陰(S)和電站周邊區域(SA)3種未受干擾、地形平坦、其他自然條件基本一致的區域作為研究對象，每個區域設置典型樣地1個，每個樣地選取5塊1 m×1 m的樣方進行植物種類、蓋度、密度和地上生物量調查；同時在每個樣地中選取5個具有代表性的樣點挖取土壤剖面，每個剖面按0—20，20—40，40—60 cm分層采集土樣，每個樣地各樣點同層土壤混合均勻后采用四分法取樣，帶回實驗室內風干以備土壤分析。

2.2數據測定

草本生物量調查采用收獲法，采樣后立即在百分之一天平上測定生物量鮮重，后放置于80℃恒溫烘箱烘干24 h至恒重，測定生物量干重。土壤樣品處理及分析方法采用常規分析方法[4-5]。容重采用環刀法測定；有機質采用重鉻酸鉀—濃硫酸油浴法；pH采用2.5∶1的水土比—酸度計法測定；電導率采用水土比5∶1的提取液—電導率儀法測定；速效磷采用碳酸氫鈉、鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定。

2.3數據分析

植物群落的α多樣性能夠反映群落中物種豐富度和個體在各物種中分布的均勻程度[6]，本研究采用應用較多的物種Patrick豐富度指數(R)，Shannon-Wiener多樣性指數(H)，Pielou均勻度指數(E)和Simpson優勢度指數(D)進行分析。數據的顯著性檢驗采用SPSS 17.0。

草本重要值=(相對頻度+相對密度+相對蓋度)/3

(1)

R=S

(2)

(3)

E=H/lnS

(4)

(5)

式中：S——每個樣方的物種總數；Pi——第i個物種的重要值占樣方物種重要值之和的比率；N——樣方中全部種的個體數[7]。

3　結果與分析

3.1光伏電站建設對土壤理化性質的影響

由表1可知，3個區域同層土壤含水量的高低順序均是NS>S>SA，SA最低，在0—20 cm土層SA與NS，S間差異顯著(p<0.05)，其他土層無顯著差異(p>0.05)；S區域含水量居中，NS最高，兩者在0—60 cm各層均沒有顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS，S和SA的含水量均隨土層的加深而增加，其中表層(0—20 cm)NS和S區域土壤含水量相對于SA分別增加了34%和30%，20—40 cm層分別增加了12%和11%，40—60 cm層分別增加了8%和4%。結果表明光伏電站建設可能增加土壤含水量。

3種區域土壤容重在0—20 cm層的高低順序是S>SA>NS，20—40 cm和40—60 cm層順序是S>NS>SA，并且在0—60 cm各層間差異均不顯著(p>0.05)。就不同土層來說，3種區域的容重均隨土層的加深而降低，在0—60 cm層S區域的土壤容重均大于NS和SA。表明光伏板的遮蓋作用可能增加了土壤容重。

3種區域土壤pH在0—60 cm的高低順序均為SA>NS>S，但各層均未達到顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS和SA的pH隨土層的加深而降低，S的pH隨土層的加深反而升高，但都小于NS和SA。表明光伏板的遮蓋作用可能降低了土壤pH。

在0—20 cm層NS，S和SA的土壤電導率順序是SA>NS>S，S，NS與SA間達到顯著差異(p<0.05)；20—40 cm和40—60 cm土層電導率順序是NS>SA>S，其中20—40 cm NS和S，SA達到了顯著差異(p<0.05)，40—60 cm差異不顯著(p>0.05)。就不同土層來說，NS，S在0—60 cm土層變化不明顯，SA隨土層深度增加而降低，但S區域電導率均低于NS和SA。表明光伏板的遮擋作用可能降低了土壤鹽分含量。

在0—20 cm層土壤有機質含量為NS>S>SA。相對于SA，NS和S區域土壤有機質分別增加了0.1 g/kg和0.05 g/kg，但差異不顯著(p>0.05)。20—40 cm層土壤有機質為NS>SA>S，40—60 cm層為SA>NS>S，20—40 cm和40—60 cm層土壤有機質含量均未達到顯著差異(p>0.05)。就不同土層來說，3種區域土壤有機質含量均隨土層深度增加而降低。

0—20 cm和20—40 cm土層速效磷含量是NS>S>SA，40—60 cm速效磷含量是S>NS>SA。在0—60 cm各層3種區域速效磷含量均未達到顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS和SA區域土壤速效磷含量隨土層深度的增加而降低，S區域土壤速效磷含量呈現波動性變化。

0—20 cm和20—40 cm 土層速效鉀含量是NS>S>SA，40—60 cm速效鉀含量是S>NS>SA。在0—60 cm各層3個區域速效鉀含量均未達到顯著性差異(p>0.05)。就不同土層來說，NS，S和SA的速效鉀含量均隨土層深度增加而降低。

表1　光伏電站建設對土壤理化性質的影響

注：多重比較用于不同類型樣地同層之間的比較，同行中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)；下表同。

3.2光伏電站建設對植被的影響

3.2.1光伏電站建設對植物科屬種數的影響在所調查的15個樣方中記錄有草本、灌木和喬木幼苗的科、屬和物種總數，統計結果見表2。其中NS區域共統計7科13屬17種，S區域5科11屬16種，SA區域4科6屬7種。表3列出來了3個區域各種的重要值，其中NS區域優勢種有芨芨草、長葉堿毛茛(Halerpestesruthenica)等；S區域優勢種有芨芨草、披堿草(Elymusdahuricus)等；SA區域優勢種有芨芨草、蒲公英(Taraxacummongolicum)、虎尾草(Chlorisvirgata)等。由此可見芨芨草為3個區域的共有優勢種，其在SA中占的優勢度最高，在NS中占的優勢度最低。

表2　光伏電站建設對植物科屬種數的影響

表3　光伏電站建設對植物物種組成及其重要值的影響

3.2.2光伏電站建設對植物α多樣性的影響對4種能較好反映群落多樣性水平的指數進行分析(表4)，可知物種Patrick豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和優勢度指數均為NS>S>SA。相對于SA，NS和S區域的Shannon-Wiener多樣性指數分別增加了68%和60%；Pielou均勻度指數分別增加了15%和12%，Simpson優勢度指數分別增加了37%和32%。

表4　光伏電站建設對物種多樣性的影響

3.2.3光伏電站建設對植被生物量的影響由圖1可知，生物量鮮重和干重的變化趨勢一致，均為NS>S>SA。NS，S和SA的生物量鮮重達到了極顯著差異(p<0.01)，NS，S和SA的生物量干重達到了顯著差異(p<0.05)。相對于SA，NS區域生物量鮮重增加了195.96 g/m2，S增加了156.77 g/m2，分別增加了161%和128%；NS的生物量干重增加了99.64 g/m2，S增加了87.05 g/m2，分別增加了144%和127%。

注：圖中柱形上方不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示處理間差異極顯著(p<0.01)。

圖1光伏電站建設對植物地上生物量的影響

4　結論和討論

光伏電站建設后，相對于SA，NS和S區域土壤含水量、有機質、速效磷和速效鉀含量增加，pH和電導率降低，其中S區域土壤容重增加，NS降低。在電站內，相對于S區域，NS的土壤含水量、pH、電導率、0—40 cm速效磷和速效鉀含量均增加；容重和40—60 cm速效磷和速效鉀降低。由于NS，S區域植被高度和蓋度均大于SA，植被的遮陰作用能有效降低地表水分蒸發，提高土壤保水、蓄水能力。同時光伏板的遮擋作用降低了電站內風速，提高了空氣濕度，也在一定程度上阻礙了水分蒸發，對電站內來說，由于S區域光伏板的遮陰地面得不到雨水補給，因此含水量低于NS。根據“鹽隨水來，鹽隨水走”的原理，土壤蒸發量減少有利于降低土壤表層鹽分積累[8]，加之植物根系從土壤中吸水，變土壤蒸發為植物蒸騰，形成了鹽分隨水分向地表聚集的又一屏障[9]，因此NS，S區域土壤pH和電導率均低于SA，對電站內來說，S區域光伏板的遮擋作用進一步降低了土壤水分蒸發，使得pH和電導率低于NS區域。由于電站內植被生物量大，植被枯落物和死亡根系經微生物分解釋放到土壤中的有機質含量高于SA。光伏板的遮陰能有效降低土壤pH和電導率，但地面終年得不到雨水補給，導致土壤水分的入滲量和蒸發量都比較小，水分上下流通不暢，不利于水分通道的形成，可能導致土壤容重增加。賈樹海等[10]認為土壤容重對草地退化具有敏感性，可以作為草地退化的數量指標，光伏板長時間遮陰可能會造成光伏板下草地退化，致使土壤變得緊實，土壤通氣性、滲透性和蓄水能力均受到不良影響，但目前這種影響還沒有達到顯著性水平。

光伏電站建設后，植物種類、Patrick豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數、Simpson優勢度指數、生物量鮮重和干重均表現為NS>S>SA。王長庭等[11]認為土壤性狀改變(土壤養分、土壤容重、土壤含水量等)能引起植被組成、物種多樣性變化;Gentry[12]認為隨著土壤肥沃程度的增加，群落的物種多樣性也逐漸增加；楊樹等[13]認為土壤性狀的改良與物種多樣性的增加可能存在相互促進作用。電站內土壤理化性質的改善可能使得耐鹽植物的競爭優勢受到抑制，為其他物種的入侵和種群擴張創造了條件，同時光伏板遮陰作用為更多耐蔭性植物生長提供了可能，從而增加了物種豐富度、均勻度和優勢度。王長庭等[11]認為土壤中養分含量的高低直接影響著群落生產力，土壤養分越豐富，群落生產力越高。電站內土壤養分增加為植被生長提供了保障，因此植被地上生物量顯著高于電站周邊區域。

土壤是植物生長的基質，其理化特性決定著植物群落類型的分布，同時植物群落又反作用于土壤，改善其生境條件，使群落得以發展，植被與土壤的良性循環有助于生態環境的持續健康發展。光伏電站建設不會對土壤、植被造成大的影響，并且在一定程度上有利于土壤理化性質的改良和物種多樣性、生物量增加，但光伏電站建設對土壤理化性質和物種多樣性、生物量之間的關系和影響機理有待進一步研究。

[1]張丹.我國光伏產品進出口現狀、制約因素及對策建議[J].中國經貿導刊,2013,30(21):48-50.

[2]許申來,陳利頂,陳忱,等.管道工程建設對沿線地區農業土壤養分的影響:以西氣東輸冀寧聯絡線為例[J].農業環境科學學報,2008,27(2):627-635.

[3]董廣輝,武志杰,陳利軍,等.生態農業對土壤質量變化的響應[J].農業系統科學與綜合研究,2001,17(3):190-192.

[4]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社,2000.

[5]賀瑤琴.土壤學與土壤理化分析[M].烏魯木齊:科技衛生出版社,1995.

[6]王輝,賀康寧,胡興波,等.高寒區不同樹種配置對林下植被物種多樣性的影響[J].水土保持研究,2012,19(3):147-150.

[7]馬克平.生物群落多樣性的測度方法:Ⅰ.α多樣性的測度方法(上)[J].生物多樣性,1994(3):162-168.

[8]王玉輝,何興元,周廣勝.放牧強度對羊草草原的影響[J].草地學報,2002,10(1):45-49.

[9]俞仁培,陳德明.我國鹽漬土資源及其開發利用[J].土壤通報,1999,30(4):158-159.

[10]賈樹海,崔學明,李紹良,等.牧壓梯度上土壤理化性質的變化[C]∥西北高原生物研究所.草原生態系統研究(第5集).北京:科學出版社,1997.

[11]王長庭,龍瑞軍,王根緒,等.高寒草甸群落地表植被特征與土壤理化性狀、土壤微生物之間的相關性研究[J].草業學報,2010,19(6):25-34.

[12]Gentry A H. Endemism in tropical versus temperate plant communities[C]∥Soule M E. Conservation Biology: The Science of Scarcity and Diversity. Massachussetts: Sinauer Associates, Inc.,1986.

[13]楊樹,溫雨金,劉鴻雁.內蒙古中部地區退耕還林還草后植被與土壤性狀的變化[J].水土保持研究,2006,13(4):143-145,149.

The Impact of Photovoltaic Power Construction on Soil and Vegetation

WANG Tao1, WANG Dexiang1, GUO Tingdong1, ZHANG Ganggang1,ZHAO Shixiong2, NIU Huaicheng2, LU Shunyu2, LIN Hu2

(1.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.NewEnergyIndustrialParkPreparatoryOfficeofJingbianCounty,Jingbian,Shaanxi718500,China)

Based on experiment conducted in the sites unprocessed(NS), shaded by solar panels(S) and the surrounding(SA) in photovoltaic power in Jingbian County, soil physicochemical properties, plant species,αspecies diversity and aboveground biomass were analyzed and compared through investigation of sample plot and experimental analysis to explore the impact of photovoltaic power construction on vegetation and soil. The results shows that the soil moisture contents, organic matter, available phosphorus and potassium, plant species, α species diversity and fresh and dry weight of aboveground biomass in the area of photovoltaic power plant construction increased and soil pH and electrical conductivity were lower compared with those in the area of SA. Soil bulk density in S increased, soil bulk densities were lower in NS and SA. The soil moisture, pH, nutrient, α species diversity and aboveground biomass increased, and soil bulk density was lower in NS compared with these in S of photovoltaic power plant construction. According to the above results, in arid and semi-arid regions, the positive impact of photovoltaic power construction on soil and vegetation ecosystem outweighs the negative impact.

environmental assessment; soil physicochemical properties; species diversity; biomass; photovoltaic power

2015-02-12

2015-04-13

王濤(1989—),男,陜西周至人,碩士研究生,研究方向為森林生態學。E-mail:2013wangtao@sina.com

王得祥(1966—),男,青海樂都人,教授,博士生導師,主要從事森林生態和森林可持續經營研究。E-mail:wangdx66@126.com

S153;Q948

A

1005-3409(2016)03-0090-05