不同植被恢復模式下光伏電站土壤有機碳儲量分布特征

趙 晶，郝孟婕，王清宇，劉美英

（內蒙古農業大學 草原與資源環境學院 內蒙古自治區土壤質量與養分資源重點實驗室，內蒙古 呼和浩特010018）

土壤是陸地生態系統中的有機碳庫，0～100 cm土層土壤的碳儲量就占陸地植被碳庫的2/3[1]。土壤有機碳既是碳源，也可作碳匯，其含量和動態變化影響著全球碳循環[2]。中國2/3的國土光照充沛，太陽能資源豐富；太陽能發電不產生任何排放和噪音，所以光伏產業被人們認為是清潔、安全和可靠的能源。然而在大型太陽能電站建造的起始階段，移除原始植被、翻動土層、加入壓實填料等施工行為均會損害土壤結構[3]，進而改變土壤的養分和水分動態循環及生化特征[4]，最終可能降低電站內土壤碳形成的速度[5]。所以，土壤有機碳也被看作衡量光伏電站土壤修復程度的主要指標之一。研究植被恢復中光伏電站土壤有機碳儲量的變化過程對探究土壤質地及其恢復效果有重大意義。長期以來，植被恢復因其與全球氣候變化、碳氮循環、土壤質量改善和促進區域經濟發展相關而被廣泛關注[6?7]。目前，有關植被修復影響有機碳含量的研究頗為豐富。研究表明：植被恢復可顯著提高有機碳含量[8]，且到達一定恢復年限后有機碳含量會和恢復年限成正比[9?10]。還有研究指出：植被恢復類型極易影響土壤碳、氮和磷的儲量變化[11]，但關于光伏電站植被恢復對土壤有機碳儲量的影響研究較少。因此，研究光伏電站內植被恢復后能否產生與未受干擾的參考樣地相似的土壤有機碳，分析土壤主要理化性質與土壤有機碳的相關性，進一步探究光伏電站內土壤質地和土壤肥力狀況，為光伏電站內土壤修復措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于內蒙古自治區呼和浩特市土默特左旗沙爾沁鄉的大有光能源光伏農林牧示范基地(40°36′N，110°47′E)。該區域屬于溫帶大陸性季風氣候，常年日照充足，氣候干燥。年均蒸發量為1870.0 mm，年均降水量為399.0 mm。無霜期為187.0 d，災害性天氣常發生于春旱到春寒期間。該光伏電站于2012年投產使用。因開發為農林牧示范基地，該光伏電站在2013年開展了整地工作，并在電板間人工種植了樟子松 Pinus sylvestris var. mongolica、苜蓿 Medicago sativa和黃芪 Astragalus membranaceus var.mongholicus等。光伏板陣列行間距為10 m，每年秋季為防火會修剪電板間的植被，并且在前檐下方設置2.5 m的防火隔離帶。

1.2 試驗設計

2019年6月中旬，在太陽能光伏電板間采集土壤樣本，并進行實地調查(圖1)。試驗地中隨機設置人工種植樟子松、黃芪和苜蓿的固定樣地3塊(30 m×10 m)以及未被擾動的天然草地 (對照)，樣地間距大于30 m，并確保樣地地形、植被及土壤等立地條件基本一致。以“S”型取樣法在每個樣地內隨機多點采樣，人工挖土壤剖面，分別在0～20、20～40 cm深度取環刀土及混合土樣(將每個樣地取樣點土樣同層混合后采用“四分法”縮減)，用于測定土壤容重及室內化學分析，每個樣地重復取3個平行樣。將樣品帶回實驗室，自然風干后剔除植物根系及礫石等雜物并過篩，同時測定粒徑＞2 mm的石礫含量。由于幾乎所有的土壤粒徑均小于2 mm，所以本研究中石礫含量不計入碳儲量分析部分。

圖1 試驗樣地布置示意圖Figure 1 Layout of test sample site and schematic diagram of sampling point experimental plots

1.3 分析方法

土壤含水量采用直接烘干法測定；土壤容重用環刀法測定；pH采用電極法測定(水土質量比2.5∶1.0)；電導率采用電導率儀測定(水土質量比2.5∶1.0)；土壤有機碳(SOC)質量分數采用重鉻酸鉀外加熱法測定[12]。

1.4 數據處理與分析

土壤有機碳儲量計算公式如下[13]：RSOC=0.1ρSOCnBDnDn。其中：RSOC為第n層土壤有機碳儲量(t·hm?2)；ρSOCn為第n層土壤有機碳質量分數 (g·kg?1)；BDn為第n層土壤容重 (g·cm?3)；Dn為第n層土壤厚度(cm)，0.1是單位轉換系數。

不同修復模式土壤養分變異性被分作3級：變異系數(VC)≤0.1為弱變異；0.1＜VC≤1.0為中等變異；VC＞1.0為強度變異[14]。

用Excel 2007處理數據，制作圖表。用SAS 9.2進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和雙因素方差分析(two-way ANOVAs)，用Pearson法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下土壤有機碳分布特征

0～20 cm土層內有機碳質量分數從大到小表現為天然植被樣地、樟子松地、黃芪地、苜蓿地，且四者差異顯著(P＜0.05，表1)。同時，只有苜蓿樣地土壤有機碳變異系數為中等變異(0.16)，其他3種植被類型均屬于弱變異。隨著土層深度的加深(20～40 cm)，各植被類型土壤有機碳質量分數均呈下降趨勢，即表層土壤有機碳質量分數顯著高于底土層。20～40 cm土壤中有機碳質量分數分布規律與0～20 cm土層一致，且4種植被類型間存在顯著差異(P＜0.05)，其中樟子松和天然植被樣地土壤有機碳變異系數為弱變異，黃芪和苜蓿樣地為中等變異。

表1 不同植被類型下不同土層土壤有機碳Table 1 Soil organic carbon contents in different soil layers under different vegetation types

2.2 不同植被類型下土壤有機碳儲量的分布特征

在0～20 cm土層中，4種植被類型的土壤有機碳儲量均有顯著差異(P＜0.05，圖2)。土壤有機碳儲量從大到小順序為天然植被地 (30.62 t·hm?2)、樟子松地 (23.77 t·hm?2)、黃芪地 (15.11 t·hm?2)、苜蓿地(12.15 t·hm?2)。20～40 cm土層4種植被類型的碳儲量與表土層的規律一致。天然植被樣地有機碳儲量(21.81 t·hm?2)顯著高于其他3種樣地(P＜0.05)，其中黃芪樣地和苜蓿樣地碳儲量差異不顯著。同時，在0～40 cm土層內，有機碳儲量表現出隨土壤深度加深而下降的趨勢，表土層顯著高于底土層(P＜0.05)。

圖2 不同植被類型土壤有機碳儲量Figure 2 Soil organic carbon storage under different vegetation types

2.3 土壤有機碳儲量與土壤理化性質的相關性

分析植被類型和土壤深度的交互作用發現(表2)：植被類型和土壤深度對土壤容重、土壤有機碳質量分數以及土壤碳儲量有極顯著的影響(P＜0.01)，植被類型對pH有極顯著影響(P＜0.01)。兩者之間的交互作用顯著影響土壤有機碳質量分數(P＜0.05)。

表2 植被類型、土壤深度、土壤理化性質和有機碳儲量的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVAs on the effects of vegetation types and soil depeth on soil phsico-chemical properties and organic carbon storage

不同植被類型土壤有機碳質量分數和儲量與土壤理化性質的相關性見表3。可以看出：土壤有機碳質量分數與土壤pH呈極顯著負相關(P＜0.01)，與容重呈顯著負相關(P＜0.05)，與含水量和電導率均呈顯著正相關(P＜0.05)。有機碳儲量與pH也呈極顯著負相關(P＜0.01)，還與電導率呈顯著正相關(P＜0.05)。

表3 土壤有機碳質量分數、有機碳儲量與土壤主要理化性質的相關性Table 3 Correlation between organic carbon storage and major soil physical and chemical properties

3 討論

3.1 植被恢復模式對土壤有機碳質量分數的影響

本研究發現：樟子松、苜蓿和黃芪等3種人工植被土壤有機碳質量分數顯著低于天然植被樣地。這是由于天然植被樣地并未受到建造電站時土方工程的影響，而光伏陣列建造過程中對表土以及原有植被進行了移除，破壞了土壤結構，會影響土壤有機碳質量分數。這與CHOI等[15]和LARNEY等[16]等的研究結果一致。說明研究區經過多年的植被恢復工作，養分循環尚未完全恢復到和原生土壤一致的水平。這3種人工植被樣地在0～20和20～40 cm土層中有機碳質量分數從大到小均表現為樟子松地、黃芪地、苜蓿地。這可能是由于不同的植被類型會產生不同的凋落物，并且植物根系生物量及分布情況存在較大差異，均會造成土壤中有機碳質量分數的差異[17]。同時，植被類型與土壤pH呈極顯著相關。張青青等[18]的研究中提到：不同植被類型土壤pH有所不同。本研究還發現：土壤有機碳質量分數與土壤容重、土壤含水量和土壤電導率呈顯著相關。大量的研究也表明：土壤容重、土壤含水量和土壤電導率通過影響土壤通氣性、植被根系生長、枯枝落葉的分解速率以及土壤營養元素吸收和轉化，來影響有機碳的分解速率[19?21]。

垂直方向上，3種植被類型有機碳質量分數均隨著土層的加深而顯著降低，說明表層土壤有機碳質量分數富集現象較為明顯。這與王玉婷等[22]和李若南等[23]的研究結論一致。一方面可能是人工建植促進了植被覆蓋度和表層凋落物增多，增加外源有機質輸入的同時，也促進了土壤中微生物的分解轉化作用，幫助土壤積累有機碳[24]。另一方面，根系多盤踞在淺土層，分泌的碳水化合物、有機酸類等物質[17]以及植物死根會促進土壤固持有機碳。深層土壤中有機碳主要源于雨水淋溶和利用擁有較長根系的灌木或喬木等來固定碳[25]，這也是20～40 cm土層內樟子松樣地有機碳質量分數顯著高于黃芪和苜蓿樣地的原因。本研究中，植被類型和土壤深度及其交互作用均對土壤有機碳質量分數有極顯著的影響，表明植被類型和土壤深度是決定土壤有機碳分布的關鍵因素。

3.2 植被恢復模式對土壤有機碳儲量的影響

本研究發現：天然植被的土壤有機碳儲量最高。3種植被恢復模式下的土壤固碳能力遠沒有達到和原生土壤一致的水平，但是樟子松樣地的土壤碳儲量最高，說明喬木的碳匯能力遠高于草地。韓魯艷等[26]的研究也證明：喬木能產生遠高于草地的凋落物歸還量，提高土壤固碳能力。草地根系相對較淺，其生物量和凋落物歸還量較少[27]。同時，樟子松作為一種常綠喬木，可以起到長期有效的遮陰作用，降低林下溫度，減緩有機碳的礦化速率[28]。有研究顯示：常綠樹種較為發達的細根系統可以幫助其將更多光合產物固定到根部，達到有效固持土壤有機碳的效果[29]。

有機碳儲量隨土壤深度的加深而顯著降低，這與多數研究結果一致[30?31]。另外，土壤通氣狀況也會影響深層土壤中有機碳分解能力[32]，深層土壤空隙水分含量較低，通氣狀況適中，有機碳更易被分解[33]，不利于深層土壤儲存有機碳。整體上，植被類型和土壤深度均對有機碳儲量有極顯著的影響。GAO等[34]的研究表明：植被主要利用自身歸還凋落物、根系分泌物以及土壤微生物分解能力來影響土壤碳含量和儲量。許多研究[35?38]也證明了土壤深度是影響土壤碳含量和儲量的主要因素之一。土壤有機碳質量分數和儲量與土壤pH呈極顯著負相關。原因是土壤中pH呈弱堿性時，會降低土壤微生物的活性[39]，從而降低有機質的分解速率，不利于土壤有機碳的儲存。

本研究分析表明：該電站內，即使樟子松樣地是3種植被恢復類型中有機碳質量分數和儲量最高的，但仍然遠低于原生土壤的天然植被樣地，所以植被恢復作為一項持續任務，需要看更長久的結果。后期要加大對該區域的研究力度，提高光伏電站生態修復科技支撐水平，促進該區域生態可持續發展。

4 結論

研究區內的樟子松、黃芪和苜蓿樣地有機碳質量分數和儲量經過8 a的恢復，仍然低于天然植被樣地。但在這3種植被類型中，樟子松樣地的有機碳質量分數和儲量要顯著高于黃芪和苜蓿樣地。有機碳質量分數和儲量均隨土層深度的加深而顯著降低。植被類型和土壤深度及其交互作用顯著影響土壤有機碳質量分數。此外，土壤pH和電導率也是影響土壤有機碳質量分數和儲量的重要指標。