河西走廊風電場建設對土壤養分的影響研究

羅進選，柴媛媛

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

過去20年來，為了減少二氧化碳排放量和發展可再生能源，全世界許多國家致力于投資開發風電技術[1]。根據中國國家能源局的統計結果，2015年全國風電裝機容量為32.97 GW，大約是全世界總量的一半。2014年中國國際經濟交流中心發布《中國能源生產與消費革命》報告指出，大規模發展風電已成為我國新能源戰略現實而有效的選擇，未來應重點加強河西走廊風電產業帶、南方低風速風電場、海上風電場三大風力發電場布局[2]。

甘肅是我國風能資源豐富的省區，大部分風能集中在河西走廊，尤以河西走廊西段的酒泉市最為豐富。為充分利用河西走廊地區豐富的風能資源，甘肅省政府提出了“建設河西風電走廊，再造西部陸上三峽”的戰略目標。但是，風電場建設過程中的開挖回填、場地平整等不可避免地會造成地表裸露、植被破壞、土壤侵蝕，影響當地的生態環境[3-4]。河西走廊大部分地區為荒漠、戈壁，植被覆蓋度低，地表多為戈壁礫石及細砂覆蓋，生態環境十分脆弱，人為擾動后地表植被和土壤結皮很容易遭受破壞，一旦破壞很難恢復并將加劇區域水土流失及荒漠化[5]。風電場建設對生態環境造成的影響是國內外研究的熱點，目前國內外學者主要側重于視覺干擾、噪音污染、野生動物、氣候變化、植被破壞、空氣質量等[6-7]方面的研究，以及針對風電場建設造成的水土流失采取防治措施的研究[8-9]，而有關風電場建設不同施工擾動區域對土壤養分造成的影響的研究仍很少見。本研究選取河西走廊3個典型的風電場為研究對象，對風電場各擾動分區進行土樣采集和分析研究，探討風電場建設不同擾動區域對土壤養分的影響，旨在為后期土壤肥力和植被恢復提供理論依據。

1 研究區概況

河西走廊地區系指今甘肅的酒泉、嘉峪關、張掖、金昌、武威市全境，以及蘭州市、白銀市、臨夏回族自治州在黃河以西的地區，是甘肅省西北部的狹長堆積平原，長約1 000 km，寬5～200 km，總面積為27萬km2。該地區屬大陸性干旱氣候區，冬冷夏熱，降水稀少，蒸發量大，光照時間長，年降水量自東向西遞減，多在50～150 mm之間，年蒸發量1 500～2 500 mm，全年日照時數2 550～3 500 h，無霜期150～180 d，年均溫5.8～9.3 ℃,晝夜溫差平均15 ℃左右。該區地勢較為平坦，平均海拔1 500 m，西部分布著棕色荒漠土，中部為灰棕荒漠土，東部為灰漠土、淡棕鈣土和灰鈣土。東部荒漠植被具有明顯的草原化特征，形成較獨特的草原化荒漠類型，西部廣布礫質戈壁和干燥剝蝕石質殘丘，生態環境十分嚴酷。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

2016年7月，在研究區內通過實地踏勘，選擇河西走廊西部的瓜州西大河、玉門昌馬和東部的民勤紅砂崗3個風電場作為研究對象。根據風電場的建設特點和不同用地類型，將風電場劃分成塔基建設區、施工道路區、辦公生活區、架空線路區4個擾動分區。試驗風電場基本情況見表1。

表1 試驗風電場基本情況

2.2 樣品采集與樣品測定

在風電場各擾動分區和其對照區分別布設采樣點，并在每個擾動分區及對照區均按“S”形取9個土樣，每個風電場取72個土樣，3個風電場共取216個土樣。取土樣時，先挖土壤剖面，然后利用取土鏟自上而下采集0～50 cm表層土，將所有土樣分別裝入塑料袋帶回實驗室，自然風干并磨碎、過篩后測定各項土壤養分指標，檢測項目包括土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量和酸堿度(pH值)。有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定，土壤pH值采用電極電位法(2.5∶1水土比浸提液)測定。

2.3 數據處理

利用Excel 2007和SPSS 21.0對數據進行統計分析和處理，比較風電場各擾動分區土壤養分指標與對照區的差異，用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)、最小顯著差異法(LSD多重比較法)、非參數檢驗方法(Kruskal-Wallis H檢驗法)等方法比較風電場各擾動分區土壤養分指標的差異并進行顯著性檢驗。采用OriginPro 2017作圖。

3 結果與分析

表2為風電場各擾動分區與對照區土壤養分指標差異顯著性分析情況。由于風電場占地面積大，因此各擾動分區的土壤養分背景值存在一定的空間異質性。分析表2中對照區土壤養分含量可知，相對于對照區土壤養分均值，各擾動分區的對照區土壤養分盡管有一定程度的波動，但總體變幅不大，除昌馬風電場全鉀含量變幅較大(-34.28%～14.48%)外，其余變幅均在20%以下，說明各擾動分區的土壤養分背景值具有較均勻的特性。

表2 風電場各擾動分區與對照區土壤養分指標差異顯著性比較

注：表中數值為平均值±標準差(n=9)，標“*”號表示數據組與對照值相比差異顯著(P<0.05)。

3.1 土壤pH值

由表2可知，風電場施工道路區、架空線路區、辦公生活區、塔基建設區土壤pH值分別為9.27～9.41、8.67～9.28、7.94～9.28、8.38～8.55；與對照區相比，風電場各擾動分區土壤pH值總體上呈增大趨勢，其中西大河風電場塔基建設區、架空線路區、施工道路區，昌馬風電場架空線路區、施工道路區、辦公生活區，紅砂崗風電場塔基建設區、架空線路區、施工道路區pH值均顯著增大。由圖1可知，西大河風電場各擾動分區之間土壤pH值均存在顯著性差異；昌馬風電場除施工道路區與辦公生活區之間pH值無顯著性差異外，其余各分區之間均存在顯著性差異；紅砂崗風電場除架空線路區與施工道路區之間pH值無顯著性差異外，其余各分區之間均存在顯著性差異。這說明風電場建設對不同施工區的擾動強度不同，造成對各擾動區土壤pH值的影響程度不同。比較各擾動分區土壤pH值相對于對照區的增大幅度，風電場的建設對各擾動分區pH值的影響大小為：施工道路區>架空線路區>塔基建設區>辦公生活區。

圖1 風電場各擾動分區土壤pH值差異顯著性分析

注：圖中不同小寫字母表示不同數據組之間有顯著性差異(P<0.05)，下同。

3.2 土壤有機質

由表2可知，風電場辦公生活區、施工道路區、塔基建設區、架空線路區土壤有機質含量分別為1.75～2.13、1.73～2.44、2.23～2.33、1.79～2.31 g/kg；與對照區相比，風電場各擾動分區土壤有機質含量總體上呈減少趨勢，減少幅度分別為6.47%～23.91%、7.58%～26.57%、5.11%～6.41%、0.39%～4.42%。其中，西大河風電場塔基建設區、施工道路區、辦公生活區，昌馬風電場塔基建設區、架空線路區、施工道路區、辦公生活區，紅砂崗風電場塔基建設區、施工道路區、辦公生活區有機質含量顯著減少。由圖2可知，西大河風電場除塔基建設區與架空線路區之間有機質含量無顯著性差異外，其余各分區之間均存在顯著性差異；昌馬風電場塔基建設區、架空線路區、施工道路區之間土壤有機質含量無顯著性差異，但三者與辦公生活區之間有顯著性差異；紅砂崗風電場除架空線路區與施工道路區之間土壤有機質含量無顯著性差異外，其余各分區之間均存在顯著性差異(其中架空線路區與其他擾動區的對照區的有機質含量背景值之間本身存在顯著性差異)。比較各擾動分區土壤有機質含量相對于對照區的減小幅度，風電場的建設對各擾動分區有機質含量的影響大小為：施工道路區>辦公生活區>塔基建設區>架空線路區。

圖2 風電場各擾動分區土壤有機質含量差異顯著性分析

3.3 土壤全氮

由表2可知，風電場辦公生活區、施工道路區、塔基建設區、架空線路區土壤全氮含量分別為0.09～0.11、0.06～0.11、0.09～0.10、0.07～0.11 g/kg；與對照區相比，風電場各擾動分區土壤全氮含量均有所減少，減少幅度分別為15.38%～18.18%、10.00%～45.45%、9.09%～18.18%、15.38%～30.00%，減少總體不顯著，僅西大河風電場施工道路區顯著減少，減少幅度為45.45%。由圖3可知，西大河風電場塔基建設區、架空線路區、辦公生活區之間土壤全氮含量無顯著性差異，但三者與施工道路區之間均存在顯著性差異；昌馬風電場各擾動分區之間土壤全氮含量均無顯著性差異；紅砂崗風電場除架空線路區與辦公生活區之間土壤全氮含量有顯著性差異外，其余各分區之間均無顯著性差異。比較各擾動分區土壤全氮含量相對于對照區的減小幅度，風電場的建設對各擾動分區全氮含量的影響大小為：架空線路區>施工道路區>塔基建設區>辦公生活區。

圖3 風電場各擾動分區全氮含量差異顯著性分析

3.4 土壤全磷

由表2可知，風電場施工道路區、架空線路區、辦公生活區、塔基建設區土壤全磷含量分別為0.10～0.26、0.09～0.27、0.08～0.25、0.08～0.27 g/kg；與對照區相比，除西大河風電場架空線路區、昌馬風電場塔基建設區和架空線路區土壤全磷含量有所增大，且增大不顯著外，風電場各擾動分區土壤全磷含量均有所減少，減少幅度分別為7.08%～16.67%、18.18%、4.76%～20.00%、15.38%～20.00%，差異不顯著。由圖4可知，西大河風電場塔基建設區、施工道路區、辦公生活區之間土壤全磷含量無顯著性差異，但三者與架空線路區均存在顯著性差異；昌馬風電場各施工擾動區之間土壤全磷含量均無顯著性差異；紅砂崗風電場除施工道路區與辦公生活區之間土壤全磷含量有顯著性差異外，其余各分區之間均無顯著性差異。比較各擾動分區土壤全磷含量相對于對照區的減小幅度，西大河和昌馬風電場建設對各擾動分區全磷含量的影響大小為塔基建設區>施工道路區>架空線路區>辦公生活區，紅砂崗風電場建設對各擾動分區全磷含量的影響大小為塔基建設區>辦公生活區>架空線路區>施工道路區。

圖4 風電場各擾動分區全磷含量差異顯著性分析

3.5 土壤全鉀

由表2可知，風電場辦公生活區、施工道路區、塔基建設區、架空線路區土壤全鉀含量分別為19.72～11.86、16.55～7.29、18.37～11.83、17.23～11.89 g/kg；與對照區相比，除西大河風電場辦公生活區、架空線路區顯著增大外，各擾動區全鉀含量總體上呈減少趨勢，其中西大河風電場施工道路區，昌馬風電場塔基建設區、架空線路區、辦公生活區，紅砂崗風電場施工道路區、辦公生活區顯著減少。由圖5可知，西大河風電場除塔基建設區與施工道路區之間土壤全鉀含量無顯著性差異外，其余各分區之間均存在顯著性差異；昌馬風電場塔基建設區、架空線路區、辦公生活區之間土壤全鉀含量無顯著性差異，但三者與施工道路區均有顯著性差異(塔基建設區、架空線路區、辦公生活區的對照區全鉀背景值與施工道路對照區本身存在顯著性差異)；紅砂崗風電場除架空線路區與施工道路區之間土壤全鉀含量無顯著性差異外，其余各分區之間均存在顯著性差異(其中架空線路對照區全鉀背景值與其他三個對照區本身存在顯著性差異)。比較各擾動分區土壤全鉀含量相對于對照區的減小幅度，風電場的建設對各擾動分區全鉀含量的影響大小為：辦公生活區>塔基建設區>施工道路區>架空線路區。

圖5 風電場各擾動分區全鉀含量差異顯著性分析

4 討 論

土壤養分是土壤肥力的重要物質基礎，其豐缺程度及存在形態直接決定著土壤的肥力狀況，影響著植被的生長繁衍。土壤中與土壤肥力和植物生長最為密切的養分指標有機質、全氮、全磷、全鉀和土壤pH值等，成為土壤養分研究的主要研究對象。風電場建設過程中大型機械對土壤的碾壓、開挖與回填等都會對土壤產生嚴重的影響。許多研究[10-12]表明，工程施工破壞了土壤結構，改變了土壤質地，增加了土壤容重和緊實度，導致土壤pH值增加，養分(如有機質、全氮、全磷等)減少，從而直接影響到工程完建后的土壤肥力和植被的恢復。

土壤pH值通過影響土壤微生物的活動、土壤有機質的分解、礦質營養的有效狀態、植物的生長發育等影響土壤的肥力狀態。各種微生物都有其最適宜和可以適應的pH值范圍，pH值過低(<5.5)或過高(>8.5)對一般的微生物都不大適宜，大多數植物在pH值>9.0或<2.5的情況下是難以生長的。西大河、昌馬、紅砂崗風電場未擾動區域土壤平均pH值分別為7.88、8.41、8.21，擾動區域土壤pH值范圍分別為7.94～9.27、8.41～9.41、8.23～9.31，土壤變為強堿性。風電場建設后土壤pH值增大，可能與施工時未按要求進行分層施工，將礦物含量高的底層土與礦物含量相對較低的表層土混合，導致巖石礦物風化產生大量礦質元素有關。土壤pH值呈強堿性不利于植物生長，只有耐堿性強的少數物種才能生存繁衍，因此應對土壤進行改良，采用增施有機肥、施用化學改良劑等措施中和其堿性，調節土壤pH值使其在植被生長的適宜范圍內。

有機質既是植物所需各種營養物質的來源，又具有改善土壤物理和化學性質的功能。土壤有機質的累積和分解受土壤溫度、水分、質地、pH值和生產管理方式等因素的影響。風電場的建設造成各擾動分區土壤有機質含量減小，這可能是施工過程中表層、底層土混合產生的稀釋效應，或未按要求進行表層土的剝離、收集和后期覆土，減少了土壤中有機質的來源，同時pH值的升高加速了有機質的分解，加上地表裸露土壤經風蝕作用有機質含量下降所致。

全氮含量是土壤中各種形態氮素含量之和。土壤中的氮素主要以有機態存在，土壤全氮含量與土壤有機質含量之間存在高度正相關關系[12]。風電場的建設造成各擾動分區的土壤全氮含量減小，但減小差異整體不顯著。土壤中的氮素主要來源于生物固氮、大氣降水及雷電現象和灌溉水輸入。工程施工過程中的壓實效應增加了土壤的密實度，降低了土壤的通氣透水性，減弱了微生物活動，從而使土壤中氮含量減少；施工建設導致土壤有機質含量減小，有機質礦化能力下降，致使全氮的釋放能力隨之下降[13]；另外，氮素在土壤中的易移動性使其容易遭受風化淋溶損失。

磷在土壤中的移動性小，其含量與土壤母質類型、成土條件、氣候條件和人類生產活動有關。由前述分析可知，風電場建設后，與對照區相比，除西大河風電場架空線路區、昌馬風電場塔基建設區和架空線路區土壤全磷含量有所增大外，其他擾動分區土壤全磷含量均有所減小，但增大或減小均不顯著。土壤中全磷40%～60%來源于有機質的分解[13]，全磷含量與有機質含量成正相關，擾動區域有機質含量的顯著減小，導致全磷含量隨之減小。個別擾動分區土壤全磷含量的增大可能與施工導致富含磷的底層土與表層土混合有關。全磷在土壤中的存在形式較穩定及其不易移動性造成了它的增大或減小不顯著。

鉀是植物生長所需要的主要營養元素，土壤全鉀含量反映了土壤鉀素的潛在供應能力。鉀含量的多少與成土母質、風化成土條件、土壤質地、耕作和施肥措施等因素有關。由前述分析可知，風電場建設對各擾動分區土壤全鉀含量造成的影響，除西大河風電場辦公生活區、架空線路區顯著增大外，其他擾動分區均減小或者顯著減小。全鉀含量的顯著增大可能與施工過程中遺留的廢棄物分解及鉀含量較高的底層土與表層土的混合有關[13]；全鉀含量的減小可能是工程施工擾動后土壤原有層次被打亂，造成鉀流失量較多。

5 結論與建議

①風電場的建設造成土壤pH值顯著增大(P<0.05)，有機質、全鉀含量顯著減小(P<0.05)，全氮、全磷含量減小但不顯著(P<0.05)。②對土壤pH值來說，風電場的建設對施工道路區影響最大，架空線路區次之，塔基建設區和辦公生活區影響較小。③對土壤有機質來說，風電場的建設對施工道路區、辦公生活區影響最大，塔基建設區次之，架空線路區較小。④對土壤全氮來說，風電場的建設對架空線路區和施工道路區影響較大，對塔基建設區和辦公生活區影響較小。⑤對土壤全磷來說，西大河、昌馬風電場建設對塔基建設區和施工道路區影響較大，對架空線路區和辦公生活區影響較小；紅砂崗風電場建設對塔基建設區影響較大，辦公生活區、架空線路區次之，施工道路區影響較小。⑥對土壤全鉀來說，風電場的建設對辦公生活區影響較大，對塔基建設區、施工道路區、架空線路區影響較小。

為減輕工程施工對土壤養分產生的不利影響，提出以下建議：工程施工過程中應嚴格遵守“分層開挖、分層堆放、分層回填”的施工要求，避免表層土與底層土混合造成土壤養分的稀釋效應；工程施工前應對表層土進行剝離、收集，工程完建后應及時進行覆土，避免有機質的無效流失，以利于后期植被的恢復；工程建設后土壤呈強堿性，有機質、全氮、全磷、全鉀含量減少，應對土壤基質進行改良，增施有機肥，中和土壤堿性，增施氮肥、磷肥、鉀肥，使土壤養分供給長效和穩定，以利于植被恢復。