庫布齊沙漠生態光伏電站不同覆蓋類型下土壤粒度特征

2020-04-27 06:07:24楊世榮蒙仲舉黨曉宏黨夢嬌劉湘杰

水土保持研究 2020年1期

楊世榮, 蒙仲舉, 黨曉宏, 黨夢嬌, 劉湘杰, 石濤

(內蒙古農業大學沙漠治理學院, 呼和浩特 010018)

近年來能源危機和環境問題的出現制約著我國的可持續發展，尋找可再生的綠色能源來代替傳統的化石能源是發展的重中之重，太陽能資源具有廣泛的分布性、清潔性、可再生性等優點，被視為最佳的替代者之一。再加上在光伏產業政策的推動下，太陽能光伏產業的發展在我國朝氣蓬勃。西北地區氣候干燥，有著得天獨厚的太陽能資源和未開發的大面積裸地，為建設光伏電站提供了優越的條件[1]。然而，在生態光伏電站施工建設過程中所引發和產生的土壤侵蝕[2]問題也不容小覷。植被結構單一，侵蝕風頻繁而強烈，加之建設過程中機械化程度高等因素，會擾動地表[3]，使本身脆弱的土壤結構受損嚴重，光伏電板的架設打破了地表的風動力平衡，使其周圍的流場格局發生突變[4]，土壤顆粒發生粗化[5-6]，造成土壤物質損失，破壞其本身力學特征和強度[7]，為風沙危害提供了大量的沙源。進而引起光伏電板周圍的地表顆粒發生堆積和掏蝕，導致光伏電板基柱外露，阻礙了光伏電站的正常運營。

風力是地表顆粒發生位移的主要動力，也是塑造風沙地貌的主要來源。近地表的風沙活動基本是通過風速廓線和風沙流運動共同表現的，產生風蝕危害的第一因素。在光伏電站中，光伏電板的存在改變了原有風速流場，使光伏電板及陣列的不同位置風蝕狀況發生改變，進而造成光伏電站不同位置地表顆粒發生堆積或者掏蝕現象。土壤粒徑組成作為土壤物理性質的基本屬性之一[8]，它可以很好地反映沙源物質的組成特征[9]。其不同的級配方式決定著不同下墊面的支持強度[10]，其粒度參數受運移媒介[11]、運移手段、原始環境及氣候因子等因素決定，可以解釋風沙侵蝕及沉積過程的演變機制[12]。平均粒徑(d0)、標準偏差(δ)、偏度(sk)與峰態(ks)等粒度參數用來描述風蝕地區的土壤特性，但這些參數只能描述土壤的單一特征。由于土壤粒徑、顆粒體積等都具有自相似性，因此，可通過分形理論來評價，進而來研究土壤復雜的組成與結構特征，讓人們從二維以及多維的角度去了解認識土壤不規則的空間特征，因此，引用分形理論來定量揭示土壤復雜空間結構[13]、土壤質地的均勻性以及空間變異程度[14]?，F階段，在光伏產業領域，對于其研究主要集中在光伏電板的清潔[15-16]、降塵[17]以及光伏陣列和建筑的組合方式[18-19]、提高光伏電板發電效率[20]及選址[21]方面的研究，而在沙漠地區生態光伏電站風沙危害方向，相關研究只有植被與沙障結合[22]和人工培育生物結皮[23]的防治措施，但在光伏設施的干擾下土壤粒度特征研究較少，基于此，通過研究光伏設施下3種不同立地類型的土壤粗化程度及變化趨勢，以期為當地土壤治理及光伏電站安全運營提供數據支撐。

1 研究區概況

庫布齊沙漠生態光伏電站位于內蒙古鄂爾多斯市北部杭錦旗獨貴塔拉鎮工業園區(37°20′—39°50′N，107°10′—111°45′E)，占地面積6.67 km2，氣候類型屬于溫帶大陸性季風季候，屬于半干旱區，氣候干燥，晝夜溫差大，年均蒸發量2 400 mm，年均氣溫5.7℃，年平均風速3.5 m/s，年均降水量258.3 mm，風沙活動主要集中在3—5月[24]，年大風天數為25～35 d，年均降水量約2 278.8～3 274.4 mm。該區的年均太陽總輻射量597.9 KJ/cm2。項目2016年6月16日并網發電，治沙面積13 333.32 km2。

2 試驗設計及方法

億利生態光伏電站由最優傾斜角度37°單晶硅材質的光伏電板陣列組成，每行光伏電板有12塊組合電板構成，每一塊組合板有34塊電池板組成，全部面向正南方向架設，相鄰兩塊光伏電板間距為900 cm，板后沿垂直距地面高度230 cm，前沿垂直距地面70 cm。

選擇光伏電3處不同立地條件的光伏電板陣列作為采樣區域，共選取10排光伏電板，面積為120 m×90 m，采樣時間位于2017年6月下旬，選取采樣區較為平整地面，用剪刀將露出地表的植被減去，使用分層取土器[25]平行于地表采集深度0—5 cm的表層土樣，樣地采用五點取樣法，分別以距板后沿1 m處、距板前沿1 m處和兩板正中間，以0.5 m為半徑，在圓心及東南西北4個方向混合采樣，并在同一排光伏電板設置3個重復，并用GPS記錄所取土樣的坐標，將采集的土壤樣品帶回實驗室(圖1)。

土壤粒度預處理和測量在內蒙古農業大學生命科學大樓重點實驗室完成。試驗前需對樣品進行處理，自然風干后首先使用最接近測量上限(3 500 μm)的6目土壤篩去除直徑大于3 350 μm的粗顆粒，后分別稱取10 g土樣加50 ml玻璃燒杯中，再加入45 ml蒸餾水充分浸沒樣品。隨后加1～2滴30%H2O2溶液，靜置24 h以于去除土樣中的有機質，去除上清液。再加5 ml 0.5 mol/L，再加入(NaPO3)6分散土樣，超聲5 min后測定土壤顆粒體積分數曲線。使用英國Malvern公司生產的Mastersizer 3000型激光粒度分析儀測量土壤粒度百分比。

試驗測定完成后采用儀器自帶軟件的用戶分級功能劃分土壤機械組成，土壤粒徑分布分級根據美國制土壤質地分級標準[26]，即黏粒(粒徑d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm≤d<0.05 mm)和砂礫(0.05 mm

圖1 光伏電板樣區土壤采樣點

2.1 分形維數的計算

根據楊培玲等[27]提出的利用土壤顆粒的重量分布來計算土壤顆粒分布的分形維數，其計算公式為：

(1)

式中：di為表示粒級di與di+1間粒徑的平均值；dmax為含量中最大粒級土粒的平均直徑；W(δ

2.2 土壤參數的計算

利用對數轉化法將實際土壤粒徑轉換為有利于計算Φ值[28]，見公式(2)：

根據(2) 公式計算采用克倫拜因(1957)和福克(1955)法計算土壤粒度特征參數[29]，包括平均粒徑(d0)、標準偏差(δ0)、偏度(sk)和峰態值(ks)。見公式(3)-(6)：

d=-log2D

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.3 數據處理

利用Master Sizer 3000型激光粒度分析儀導出各粒度百分含量，采用Excel 2007進行數據處理；運用SPSS 19.0和Origin 9.1進行計算分析和粒度參數圖的制作。

3 結果與分析

3.1 光伏電站不同區域的土壤粒度特征及分形維數

由表1可知，研究區內3種立地類型的光伏區在不同位置的土壤顆粒粒度組成主要為沙粒，其中甘草光伏區的土壤粒度組成中還含有粉粒。主要的土壤顆粒以細沙粒和中沙粒為主，對細沙粒和中沙粒進一步分析；其中在板間區域，細沙粒的含量是秸稈光伏區(78.46%)>裸沙光伏區(74.23%)>甘草光伏區(73.50%)；在基座區域，細沙粒的含量是秸稈光伏區(87.45%)>甘草光伏區(77.18%)>裸沙光伏區(69.41%)；在板下區域，細沙粒的含量是秸稈光伏區(82.21%)>裸沙光伏區(78.46%)>甘草光伏區(76.59%)；而中沙粒的含量整體是裸沙光伏區在板間、基座、板下區域都高，且裸沙光伏區的中砂含量極顯著高于其他兩處樣地，當鋪設秸稈和種植甘草后，其他兩個樣地極細沙粒的含量較裸沙光伏區升高，甘草光伏區的粉粒含量為9%，這是由于光伏電站主要受風力侵蝕的原因，種植甘草后，粉粒的含量明顯高于其他兩種樣地，證明甘草的種植改變了沙物質的搬運和堆積，且向細化的方向改變；而在裸沙地光伏區，中沙粒的含量明顯高于其他兩種樣地，由于光伏電板的存在，攔截了土壤顆粒的運移。

表1 生態光伏電站不同立地類型粒徑分配

3.2 不同立地條件下光伏電站土壤粒度參數

3.2.1 光伏電站不同區域土壤平均粒徑由圖2可知，光伏電站在板間、基座、板下的平均粒徑均是甘草光伏區>秸稈光伏區>裸沙丘光伏區，其值分別為2.29φ，2.21φ，2.27φ，其中甘草光伏區的土壤顆粒分布較裸沙、秸稈光伏區集中，在裸沙光伏區，基座周圍的平均粒徑相比板間、板下位置最小，其值為1.31φ，這是由于沙區光伏電站風蝕所導致；當鋪設機秸稈和種植甘草后，對板間的土壤顆粒起到很好的改良作用，由表1可知，3種立地類型的光伏區的主要土壤顆粒依然是沙粒，但在光伏電板不同位置鋪設秸稈后，對平均粒徑有明顯的增加，秸稈的鋪設，降低了地表沙粒的啟動風速，并且有效的攔截了細粒物質的位移，減緩了基座周圍的掏蝕程度。種植甘草后，土壤的細粒物質得以保存和恢復而使土壤結構細化，對土壤粒度組成的改良具有較為積極的促進作用。

圖2 光伏電板不同立地類型的土壤平均粒徑

3.2.2 光伏電板不同區域標準偏差由圖3可知，在裸沙光伏區、秸稈光伏區和甘草光伏區，土壤顆粒的分布都比較集中，按照?？说姆诌x等級標準，其分選性土壤的標準偏差<0.35，土壤的顆粒組成集中，在甘草光伏區，板間的土壤出現了粉沙，土壤的標準偏差比裸沙光伏區和秸稈光伏區大。按照福克的分選等級標準，裸沙丘光伏區和秸稈光伏區土壤顆粒分選性極好，甘草光伏區的土壤顆粒分選性好。由此可見，在裸沙光伏電板和秸稈光伏區不同位置土壤顆粒集中，正是由于光伏電板的阻攔，造成土壤顆粒的分布不均勻；種植甘草可以提高土壤顆粒的細化程度，提高土壤的抗風蝕能力。

3.2.3 光伏電站不同區域土壤偏度通過圖4可知，裸沙光伏區沉積物偏度范圍在-0.23～0.15，均值為-0.190，屬于負偏，秸稈光伏區的偏度在-0.29～0.13，均值為-0.207，屬于負偏，甘草光伏區的偏度在-0.08～0.02，均值為-0.067，屬于接近對稱，可以看出，裸沙光伏區和秸稈光伏區的顆粒整體偏粗，其中裸沙光伏區表現為基座的顆粒最粗，而秸稈光伏區的板下顆粒最粗，而甘草光伏區在各位置的偏度相比其他兩種都有減小，其中板間區域變化最為明顯，正是由于板間大量種植甘草，使得土壤細粒物質的增多導致的。

圖3 光伏電板不同立地類型的土壤標準偏差

圖4 光伏電板不同立地類型的土壤偏度

3.2.4 光伏電板不同區域峰態值峰態是土壤顆粒粒度分布在平均粒度兩側集中程度的參數，表示頻率曲線尾部展開度與中部展開度的比率，可對土壤顆粒頻率分布曲線峰形的寬窄陡緩程度進行定量的衡量，峰態尖窄程度越強，表明樣品粒度分布越集中，也說明至少有一部分顆粒物是未經環境改造而直接進入環境的。通過圖5可知，按照福克等級標準，裸沙光伏區的顆粒峰度值為0.86～1.24φ，均值為1.12φ，頻率分布曲線的寬窄程度屬于尖窄，在秸稈光伏區的顆粒峰度值0.81～0.94φ，均值為0.87φ，頻率分布曲線的寬窄程度為寬平，甘草光伏區的顆粒峰度值為0.71～0.85φ，均值為0.79φ，頻率分布曲線的寬窄程度為寬平，在裸沙區光伏區，基座的尖窄程度最高，明顯高于板間、板下位置，在基座位置有明顯的粒徑級別。

3.2.5 光伏電板不同利用類型的土壤分形維數研究不同立地條件下光伏區分形維數見圖6，裸沙光伏區、秸稈光伏區和甘草光伏區的分形維數依次增大，這是由于分形維數與黏粒、粉粒呈正相關關系，與沙粒呈負相關關系，正是種植甘草后，土壤的細顆粒成分逐漸增加，分形維數相比裸沙光伏區和秸稈光伏區在各處位置都有了明顯增加，其中在裸沙光伏區基座位置分形維數為2.031，這是由于光伏設施長期受到風蝕造成的，其位置所含沙粒顆粒最多。而在秸稈光伏區，分形維數整體的變化趨勢與裸沙光伏區相同，但由于秸稈的攔截效果，土壤顆粒不會容易被風蝕。

圖5 光伏電板不同立地類型的土壤峰態值

圖6 光伏電板不同立地類型的土壤分形維數

4 討論與結論

4.1 討論

3種立地類型土地光伏區樣地海拔相同，地處庫布齊沙漠的研究區內年平均大風日數較多，沙源物質豐富，長期的風沙活動造成光伏電板不同位置的蝕積狀況不同，其中裸沙光伏區、秸稈光伏區在板下位置發生掏蝕，而在其板下、板間區域形成堆積，這是由于光伏電板改變了近地表的風速流場，這與李少華等[30]的研究相一致。而種植甘草使得地面的粗糙度增大，使細粒物質得以保存。

平均粒徑和偏度的變化是說明土壤粗細集中變化的過程。標準偏差和峰態值的變化是表征土壤粗細粒物質分散程度變化的過程。分形維數作為土壤質量的變化情況的重要指標之一，秸稈的鋪設會在一定作用上阻止沙粒的運動，提高抗風蝕能力，但不能改善土壤的結構，風速在光伏電板傾斜角度的加持下，加速通過光伏電板下的挾沙氣流會掩埋秸稈，造成對堆積區的二次增高，董治寶等[31]研究得出當混合沙與平均粒徑的關系，混合沙的起動風速隨平均粒徑增大而增加，在0.14～0.22 mm增加趨勢明顯;當平均粒徑大于0.22 mm時趨于平緩。通過該研究發現，在秸稈光伏區和裸沙光伏區中0.21～0.24 m范圍內最為突出，說明研究區顆粒易受風沙活動影響。通過圖7可以看出，3種不同利用類型中裸沙、秸稈光伏區為單峰型曲線，甘草光伏區在4～8φ還有一個峰，顆粒的總體分選性好，在基座位置，鋪設秸稈和種植甘草后，峰值增大且提前出現，顆粒的累積分布曲線推后達到最高點，在板下位置，整體的差別變化不大，在板間位置，裸沙光伏區的累積分布曲線提前到達最高點且峰值增大；秸稈、甘草光伏區推后到達且峰值降低。這是由于地表沉積物主要受到光伏電板傾斜角的影響，對挾沙氣流具有阻擋、加速的效果，郭彩贇等人研究發現，光伏電板與挾沙氣流在板下形成渦流，使氣流達到飽和狀態，中沙不斷掉落，形成堆積，在基座周圍，受到電板傾斜角度的加速，氣流達到不飽和狀態[32]，不斷掏蝕基座，形成蝕積區。裸沙、各個位置土壤顆粒被風蝕，秸稈光伏區由于人為的在光伏電板不同位置鋪設秸稈，對挾沙氣流有一定的攔截作用，但庫布齊沙漠主要的風沙活動在春季，再加上光伏電板對風速的加速效果，導致秸稈被大量的掩埋，造成光伏電板堆積區的二次增高，導致秸稈光伏區的土壤顆粒變粗，顆粒分布曲線的峰值向前移，而在基座位置，大量的秸稈被填埋在掏蝕區，降低挾沙氣流中的細粒物質二次躍移[33]，其土壤顆粒中細砂粒的含量增多。在甘草光伏區內，挾沙氣流受到植被的攔截效果，降低啟動風速，增大土壤粗糙度，降低了氣流的挾沙能力，對表層土壤的細顆粒起到一定的保存效果。

4.2 結論

(1) 庫布齊沙漠光伏電站3種不同立地類型的粒度組成以細沙、中沙為主，裸沙光伏區土壤顆粒體積百分比分別為74.03%和23.24%，秸稈光伏區土壤顆粒體積百分比分別為82.76%和14.41%，其中甘草光伏區還含有少量的粉粒，其體積百分含量為2.93%。由于光伏電站長期受風蝕的影響，研究區的裸沙和秸稈光伏區土壤顆粒整體顆粒偏粗，分選性好，偏度為負偏及峰態尖窄，分形維數在1.842～2.554。甘草光伏區土壤顆粒中分選性較好，偏度為接近對稱，峰度寬平，分形維數在2.471～2.715。

(2) 土壤沉積物在光伏電板各位置區別很大，其中在裸沙光伏區，其基座位置的中沙體積百分含量最高，為28.63%，光伏電板傾斜角度加速挾沙氣流的通過，導致基座周圍掏蝕；在秸稈光伏區，基座區域的的細沙含量最高，為87.45%，秸稈受到加速挾沙氣流的作用，對基座蝕積區進行填埋，顆粒相比裸沙區細化，甘草的種植使得土壤顆粒變細，偏度向對稱發展。