植被恢復對干旱區生態光伏電站土壤團聚體組成及有機碳的影響

趙 晶, 劉美英, 郝孟婕, 王清宇

(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， 呼和浩特 010018)

光伏發電具有分布性廣，可再生性等優點，并且在我國政策的支持下，光伏產業在國內的發展蒸蒸日上[1]。內蒙古地區地域遼闊，氣候干燥，大面積的太陽能資源和較長的日照時間為開發光伏產業創造了得天獨厚的條件。然而大型光伏電站在場地準備過程中，移除天然植被，翻動土地，并添加壓實填料等工作破壞了土壤結構[2]，改變了土壤的物理、化學和生物特性，從而影響水分和養分的動態平衡[3]。所以后期對光伏電站內土壤進行植被恢復工作有很高的生態效益[4]，不僅能有效減輕風蝕，還能提高土壤結構的穩定性。土壤團聚體是土壤結構的基本單元[5]，同時其數量和質量不僅能維持土壤結構的穩定，還能保護土壤有機碳[6]。所以土壤團聚體分布和穩定還與土壤有機碳密不可分[7]，同時團聚體也是土壤有機碳轉化和固存的主要場所[8]。有研究表明富含有機碳大團聚體數量的增加會促進有機碳含量的增加[9]，提高團聚體的穩定性可提高土壤固碳能力。

隨著國家踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，推進生態文明建設，減輕太陽能光伏安裝和運行對生態環境影響的策略逐漸被人們重視。大量的研究表明植被恢復不僅影響土壤團聚體分布特征和穩定性，還會加速土壤顆粒的膠結作用，使不同大小的團聚體重新分布，最終決定土壤養分積累量[10-11]。不同植被類型下土壤團聚體的分布特征和其穩定性一般不同。陳靜等人[12]發現相比于農耕地，核桃林地、黑麥草和天然灌草樣地內水穩定性大團聚體含量會增加。Sun等[13]的研究也證明了建植可以顯著提高土壤大團聚體含量，并且合理的種植方式可以有效增加碳匯[14]。人工造林種草作為一種有效遏制風沙的手段，不僅可以促進生態系統結構和功能的恢復，進而驅動微生物分解枯落物增加養分，還可以改善土壤結構，不同程度的改善了干旱區土壤的理化性質[15-16]。目前國內外對光伏產業領域的研究主要集中在光伏電板的降塵[17]以及提高光伏電板發電效率[18]，而在干旱區生態光伏電站土壤方面研究多集中在風沙危害方向[19]；而關于土壤團聚體穩定性及有機碳多集中在農田生態系統[20-21]且研究區域聚集在黃土高原[22-23]，但關于電站內土壤團聚體分布和有機碳變化特征研究較少。基于此從團聚體穩定性及其有機碳的角度去研究電站人工林草治理措施的成效，對干旱區電站進一步治理以及選取最佳的植被恢復模式意義重大。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于內蒙古呼和浩特市土默特左旗沙爾沁鄉的大有光能源30 MWp光伏農林牧示范基地內，地理位置東經110°47′，北緯40°36′。屬于溫帶大陸性季風氣候，常年氣候干燥，并且年均蒸發量(1 870 mm)遠高于年均降水量(399 mm)。電站在未進行植被恢復工作前大面積分布著風沙土，其特點是養分含量較低(表1)。沙質屬性決定了土壤易遭受風蝕，尤其在地表裸露、干旱多風的春季，風蝕更為強烈。2013年后，電站開展了土地平整工作，并在電板間人工種植了樟子松(PinussylvestrisL.)、苜蓿(MedicagosativaL.)和黃芪(Astragalusmembranaceus)等。光伏板陣列行間距為10 m，每年秋季為防火對每行電板過道的植被進行修剪，并且在前檐下方設置2.5 m的防火隔離帶。

表1 不同植被類型土壤理化性質

1.2 樣品采集與試驗方法

在2019年6月中旬采集了土壤樣本。試驗地以生態治理為主，選取具有代表性的樟子松、苜蓿和黃芪3種植被已經治理6 a的試驗樣地為研究對象，并以電站未進行植被恢復工作的土地為對照。在光伏板間靠近前檐位置進行土樣采集，每個樣地設置3個采樣點，按照“S”型取樣法采集3個重復樣，并將每個樣點的重復樣混合。土壤剖面深度為40 cm。分0—20 cm和20—40 cm兩層取原狀土樣并放入塑料盒內，帶回實驗室，測定土壤團聚體。

水穩性團聚體的測定采用濕篩法[24]。試驗用國產TTF-100型土壤團聚體分析儀，稱取50 g風干土，套篩孔徑從上到下依次為2.0 mm，0.25 mm，0.053 mm，用蒸餾水充分潤濕后(整個套篩處于最上端確保最頂層篩的土樣被水淹沒狀態)，每組樣品以60次/min分析3 min后收集各級篩子上的團聚體并分別轉移到已知重量的鋁盒內，在100℃下烘干，稱量，并計算水穩性團聚體組成。

土壤團聚體有機碳的測定：將濕篩后的各粒徑土壤團聚體土樣烘干過0.25 mm的篩，然后用重鉻酸鉀容量法測定[25]。

選擇平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(D)作為土壤團聚體穩定性的評價指標[26-28]。其計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

兩邊分別取以10為底的對數：

(4)

各粒徑團聚體土壤總有機碳的貢獻率計算公式[29]為：各粒徑團聚體有機碳貢獻率(%)=(各粒徑團聚體有機碳含量×各粒級團聚體含量×100)/耕層土壤總有機碳含量。

1.3 數據處理與分析

文中基礎數據和圖、表利用Excel 2007分析和制作，并用SAS 9.2進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson法進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下土壤水穩性團聚體的分布特征

3種植被類型各粒徑水穩定性團聚體組分見表2。在0—20 cm土層中，不同植被類型下土壤各粒徑團聚體分布特征差異顯著(p<0.05，下同)。對照以0.25～0.053 mm團聚體為主體，而樟子松、黃芪以及苜蓿中>2 mm團聚體組成比例最高，依次為黃芪(59.66%)>樟子松(55.08%)>苜蓿(44.06%)>對照(39.52%)，且四者差異性顯著。土地利用方式從裸地轉化成人工林草地后，樟子松、黃芪和苜蓿地0.25～0.053 mm團聚體含量均在一定程度上有所下降，分別比對照降低了14.16%，20.56%，9.33%，且四者差異性顯著。

在20—40 cm土層內，除對照外的其他3種樣地的0.25～0.053 mm含量均呈下降趨勢，且四者有顯著差異。除樟子松外，對照、黃芪和苜蓿地的2～0.25 mm團聚體有所增加，且不包括對照的3種樣地<0.053 mm的團聚體也在一定程度上增加，四者差異性顯著。而>2 mm粒徑團聚體含量變化表現為樟子松(53.53%)>黃芪(46.36%)>苜蓿(42.80%)>對照(39.40%)，相比于表土層，樟子松地、黃芪地和苜蓿地分別減少了1.55%，13.3%和1.26%。研究區開展相應的植被恢復措施后，土壤團聚體分布特征有顯著變化。在0—40 cm剖面內，人工草地和林地<0.25 mm微團聚體含量減少，與對照相比，3種植被的>0.25 mm大團聚體含量分別提高了43.56%，3.72%和18.13%。

2.2 不同植被類型下土壤水穩性團聚體的穩定性

不同植被類型下水穩性團聚體MWD，GMD以及D值見表3。各樣地的團聚體MWD，GMD以及D值差異性顯著。在0—20 cm土層中，樟子松、黃芪和苜蓿地的MWD和GMD都顯著高于對照。其中樟子松的MWD和GMD值均最高，比對照分別高出1.05 mm和0.16 mm。在20—40 cm土層內，其他3種植被的MWD和GMD值均下降，但都顯著的高于對照。其中樟子松的MWD值最高，其次是黃芪；而黃芪的GMD最高，然后是樟子松。

在0—40 cm土層中樟子松、黃芪和苜蓿樣地與對照相比均顯著降低了D值。在0—20 cm土層中，團聚體D大小順序為對照>苜蓿地>黃芪地>樟子松地，且樟子松和黃芪地差異不顯著。隨著土層的加深，團聚體D大小順序與表土層規律一致，并且四者差異性顯著。表明隨著土地利用方式變成人工草和林地，土壤穩定性得到增強，抗風、抗水蝕能力得到加強，其中樟子松和黃芪地在各土層穩定性均較好。

表2 不同植被類型土壤水穩性團聚體粒徑分布

表3 不同植被類型土壤團聚體穩定性差異

2.3 土壤團聚體有機碳含量

對照各粒徑團聚體中有機碳含量顯著低于樟子松、黃芪和苜蓿樣地(圖1)。0—20 cm土層內，4種樣地不同粒徑團聚體有機碳含量的變化范圍在1.82～11.03 g/kg，其中樟子松和黃芪樣地內各粒徑團聚體有機碳含量均顯著高于苜蓿地和對照。同時0.25～0.053 mm粒徑的有機碳含量明顯高于其他粒徑。>0.25 mm大團聚體中有機碳含量順序為黃芪地>樟子松地>苜蓿地>對照，而<0.25 mm微團聚體有機碳含量規律為樟子松地>黃芪地>苜蓿地>對照。相較于0—20 cm土層，20—40 cm土層內的樟子松、黃芪和苜蓿樣地各粒徑團聚體有機碳含量在逐漸降低，但對照的兩個土層各粒徑有機碳含量變化范圍較小。在20—40 cm土層中，4種樣地不同粒徑團聚體有機碳含量均值在9.39～0.93 g/kg范圍內，且3種種植模式的有機碳主要集中在0.25～0.053 mm粒徑的團聚體中。>0.25 mm大團聚體和<0.25 mm微團聚體中有機碳含量順序與表土層微團聚體的規律一致。

注：同列數據后不同小寫字母表示不同植被間存在顯著性差異(p<0.05),下同。

2.4 土壤團聚體有機碳貢獻率

不同植被類型下水穩性團聚體對有機碳貢獻率不同(圖2)，整體表現為0.25～0.053 mm團聚體對有機碳貢獻率占主導地位，且不同土層0.25～0.053 mm團聚體對有機碳的貢獻率均在30%以上。樟子松樣地在表土層 (0—20 cm)>2 mm團聚體有機碳貢獻率最高，為34.93%，其次是黃芪(32.51%)和苜蓿(30.89%)，對照的有機碳貢獻率最低(22.81%)。隨著土層深度的增加(20—40 cm)，樟子松樣地>2 mm團聚體有機碳貢獻率最高，但隨土層深度增加而逐漸降低。總體上隨著土層深度的增加，<0.25 mm微團聚體的主導作用更為明顯。

圖2 不同植被類型各粒級團聚體中有機碳貢獻率

3 討 論

3.1 人工植被恢復模式對土壤團聚體含量分布的影響

大量的研究證明植被恢復類型可作為土壤團聚體分布特征和穩定性重要影響因子[30-32]。我們的研究也證明了這點，3種植被類型的土壤團聚體含量存在差異。在本研究中，與對照相比，樟子松、黃芪和苜蓿地在0—40 cm土層中的土壤團聚體的主要以粒徑>0.25 mm大團聚體形式存在，0.25～0.053 mm粒徑明顯降低，這與烏達木等[33]的研究結果相似。一方面可能是人工林、草地建植后促進了植被覆蓋度和表層凋落物增加，增加外源有機質輸入的同時，也促進了土壤中天然有機質的增加，有機質的膠結物質促進更多的水穩性微團聚體聚集成大團聚體[34-35]。另一方面土地利用方式主要對形成大團聚體的真菌菌絲、根系等綜合作用造成影響[36]，幫助微團聚體向大團聚體轉化。Oades等[37]發現>0.25 mm大團聚體的含量越高，土壤團聚體越穩定，所以植被恢復提高了大團聚體含量，穩定了土壤結構。同時樟子松在0—40 cm的剖面中，>0.25 mm大團聚體的含量最高。這是因為相比黃芪和苜蓿地，林地地表有較高的植被覆蓋率，能減緩的地表徑流和地下滲流對團聚體結構的沖擊力和破壞作用[38-39]。而對照地顆粒粗化正如其他研究所記錄的那樣[40]，施工期間對表土的擾動、光伏設備的引進和原生植被的移除會加速細顆粒的侵蝕，同時風蝕加速了碳、養分和持水能力的流失[41]。

3.2 人工植被恢復模式對土壤團聚體穩定性的影響

土壤團聚體MWD，GMD以及D值對團聚結構穩定特征進行評價的主要參數，其中MWD和GMD越大，D值越小，說明水穩性團聚體團聚能力越高，穩定性也越強[42]。我們的研究發現，在0—20 cm土層內，樟子松的MWD和GMD值均顯著高于其他3種樣地，隨著土層深度的加深(20—40 cm)，樟子松團聚體MWD和GMD值逐漸下降，但仍然比其他3個樣地高，這與樟松>0.25 mm團聚體含量的變化規律一致，由此表明>0.25 mm團聚體含量變化規律和團聚體MWD和GMD大小保持一致，也就驗證了大團聚體含量對團聚結構穩定性至關重要，這與陳靜等[10]和Qu等[21]的研究結果相似。而在20—40 cm土層，3種植被類型團聚體穩定性下降，可能是由于草地和林地地表聚集大量的枯落物，為微生物分解供應能量，提高微生物對枯落物分解力，產生聚集土壤團聚體的膠結物質，有助于小粒級團聚體轉化為穩定性更高的大團聚體[43]。本研究中，水穩性團聚體的D值大小順序均表現為對照>苜蓿>黃芪>樟子松，由于我們的研究區風沙化較為嚴重在，對照土壤質地較差，有機質含量低，可供土壤團聚體形成的膠結物質較少，所以其D值最低。而人工林、草地建植后，沙化得到了不同程度的改善，提高了土壤有機質含量，特別是樟子松和黃芪的D值最小。樟子松發達的根系以及較多的枯落物被分解將養分回歸于土壤，而黃芪根蘗互相串成一根，常“一株成林”，枝葉繁茂，還生長迅速、是良好的防風固沙植被[15]。二者的大團聚體含量較高，增加了土壤穩定性。

3.3 人工植被恢復模式對土壤團聚體有機碳及其貢獻率的影響

有機質輸入和礦化的動態平衡影響著有機碳的含量[44]。本研究中，0—40 cm土層內3種種植模式下0.25～0.053 mm團聚體有機碳含量最高。可能是由于微團聚體內孔隙較小，有機碳被微生物分解時會消耗大量，會大大降低有機碳的分解速率，使得微團聚體中的有機碳受到的干擾較少，能夠長時間儲存[45]。我們還發現樟子松和黃芪地土壤團聚體中有機碳含量顯著高于對照。相較于其他樣地，對照地植被覆蓋率極低，養分循環尚未完全重建，對照固碳能力遠不如受植被保護的樣地，并且暴雨、強風等災害發生時，大團聚體易被破碎，加快內部有機質礦化速率，破壞了土壤結構的穩定性。在20—40 cm土層中，樟子松、黃芪和苜蓿地各級團聚體有機碳含量顯著降低，這主要是因為土壤有機碳含量呈現明顯的表聚特征，土壤表土層中枯枝落葉和動植物殘體的堆積為形成團聚體中有機質創造得天獨厚的外部條件[46]。同時，在提高團聚體有機碳含量上，樟子松在0—40 cm的剖面內優于其他3個樣地，它對土壤團聚體有機碳貢獻率也是最高的。樟子松表土層凋落物蓋度高和強壯的根系顯著影響有機碳含量，有效增強了碳的固持能力[21]。

4 結 論

與對照相比，樟子松、黃芪和苜蓿地團聚體分布特征以大團聚體(>0.25 mm)為主，<0.25 mm微團聚體減少；3種植被類型團聚體MWD，GMD值顯著高于對照，而D值均顯著低于對照，特別是樟子松的土壤團聚體穩定性最好；同時樟子松有機碳含量及其有機碳貢獻率明顯高于其他3個樣地。

綜合以上，干旱區生態光伏電站內，樟子松樣地的土壤結構較好，土壤有機碳含量較高，能很好的促進土壤固持養分。因此，在該區域加強生態環境保護是很有必要的，并且樟子松可在之后的干旱區光伏電站治理中發揮主要修復作用。