新能源電場典型植被生物量及碳密度估算

摘要：為掌握新能源電場植被碳密度分配特征及其影響因素，揭示風電場運行對局地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的驅(qū)動機制，以民勤紅砂崗新能源風電場典型植物為研究對象，對風電場5個不同監(jiān)測區(qū)域（上風向、中心、下風向、邊緣及外部對照）開展植被調(diào)查及采樣。并基于各樣品生物量實測數(shù)據(jù)及碳含量測定數(shù)據(jù)，估算了風電場運行對區(qū)域典型植物群落生物量積累及碳密度的影響，研究結(jié)果有望為干旱區(qū)新能源風電場科學(xué)運行提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；大型風電場；生物量；碳密度

Estimation of typical vegetation biomass and carbon density in new energy fields

Wu Hao1，Li Guangyu2，*，F(xiàn)an Lin3，Xu Jinbai3，Zhang Xiaojuan1，Han Shenghui1，Jin Chengdong4，Song Dacheng1

（1 Gansu Desert Control Research Institute， Lanzhou 730070， China ;

2 Gansu Forestry and Grassland Bureau， Lanzhou 730030， China ;

3 Datang Gansu Power Generation Co.， LTD， Lanzhou 730050， China ;

4 Gansu Lianhuashan Nature Reserve Administration， Kangle， 731599， China）

Abstract： To comprehend the characteristics of carbon density distribution in vegetation at new energy fields and the factors influencing it， and to elucidate the mechanisms by which wind farm operations drive the carbon cycle processes in local ecosystems， this study focuses on typical plants at the Minqin Hongshagang New Energy Wind Farm. Vegetation surveys and sampling were conducted across five distinct monitoring areas （upwind， center， downwind， edge， and external control） of the wind farm. Based on empirical biomass data and carbon content measurements from the samples， the impact of wind farm operations on the biomass accumulation and carbon density of regional typical plant communities was estimated. The findings are expected to provide a scientific basis for the operation of new energy wind farms in arid regions.

Key Words： Arid region；Large wind farms；Biomass；Carbon density

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最直觀的表現(xiàn)，植物能夠通過光合作用降低大氣CO2濃度，緩解全球變暖、調(diào)節(jié)全球氣候變化、促進碳循環(huán)[1]。在當前生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻以及氣候變化威脅逐步加重的雙重背景下，分析植被碳密度的變化特征及影響因素已成為學(xué)術(shù)界研究熱點，對增加區(qū)域碳儲量，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。植物有機碳含量反映了植物的光合碳同化能力，是研究區(qū)域植物碳密度的關(guān)鍵因素之一[3]。估算植物碳密度將有利于人們更好的掌握植被改變對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響[4]。生物量是直接反映植株長勢和評價生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標，是生態(tài)系統(tǒng)運行的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，及時、準確地估算林木生物量，是生物質(zhì)資源量及碳儲量估算、生物質(zhì)能源政策制定和氣候變化研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[5]。灌木植被因其根系發(fā)達，生物產(chǎn)量高，生態(tài)適應(yīng)范圍寬，廣泛分布于貧瘠、干旱、半干旱等惡劣生境和生態(tài)脆弱地區(qū)，在工程擾動區(qū)、山地、荒漠等地區(qū)的景觀重建、生態(tài)保護及修復(fù)，維持生物多樣性平衡和維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著不可忽視的作用[6-7]。準確估測灌木生物量并建立合適的預(yù)測模型，對于陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳匯功能和固碳潛力的評價具有極為重要的意義。

風能作為重要的清潔能源已在全球范圍得到了廣泛利用，風力發(fā)電作為可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，已有越來越多的風電場建成投入運行，并取得了顯著效果[8]。雖然在傳統(tǒng)意義上，風力發(fā)電被認為是零碳排的清潔能源，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，但是其對局地小氣候的影響效應(yīng)不容忽視[9]。尤其隨著當今風電裝機容量的快速發(fā)展以及空間規(guī)模的迅速擴張引發(fā)了人們對其負面影響的擔憂[10]。部分研究結(jié)果顯示，風電場在建造和運營過程中會對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生強烈的影響，會改變植物群落的物種組成，顯著降低植物群落的多樣性及生產(chǎn)力。但也有研究發(fā)現(xiàn)風電場上渦輪機的轉(zhuǎn)動能夠改變近地面大氣層穩(wěn)定性，加強垂直混合，從而對其覆蓋區(qū)域產(chǎn)生明顯的增溫與局地氣候效應(yīng)，有利于區(qū)域植物的生長[11]?？傮w而言，目前關(guān)于干旱區(qū)大型新能源風電場對植物碳密度的影響機制和響應(yīng)研究還不夠深入、清晰，在現(xiàn)如今可再生能源快速增長的勢頭下，大型風電場的發(fā)展勢必會占據(jù)更大的國土空間面積，必需在提高對其生態(tài)系統(tǒng)影響認識的基礎(chǔ)上，強化現(xiàn)有管理體系，以規(guī)避或減緩其對自然生態(tài)的不利影響[12]。

民勤作為我國典型的干旱荒漠化區(qū)域，是河西走廊生態(tài)安全的有效屏障，發(fā)揮著重要的生態(tài)屏障功能，但是因其生態(tài)環(huán)境脆弱，易受極端氣候干擾，長期以來面臨著嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。近年來數(shù)量眾多的新能源風力發(fā)電場在民勤紅砂崗荒漠戈壁上陸續(xù)建成并投入使用，其局地氣候效應(yīng)勢必會打破荒漠生態(tài)系統(tǒng)原本脆弱的穩(wěn)定性，影響到河西走廊防沙帶生態(tài)功能的發(fā)揮?；诖?，本文通過野外原位取樣與室內(nèi)化驗分析相結(jié)合方法，從空間尺度上對比分析了民勤干旱區(qū)新能源風電場運行對電場上風向、中心、下風向、邊緣及外部對照區(qū)域典型植物群落生物量積累及碳密度的影響，研究結(jié)果有望為新能源風電場科學(xué)運行提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 植被調(diào)查

選擇民勤縣紅砂崗鎮(zhèn)新能源風電項目工程區(qū)內(nèi)海拔高度相近、地形平坦、受人為影響干預(yù)較小的地段作為研究區(qū)域，分別涉及風電場上風向區(qū)域、風電場中心區(qū)域、風電場下風向區(qū)域、風電場邊緣區(qū)域和風電場外部對照區(qū)域，各試驗樣地面積均為1 hm2，且不同試驗樣地間距離均大于5 km以避免空間自相關(guān)。于2023年9月開展植被調(diào)查，對研究區(qū)45塊植被調(diào)查樣方內(nèi)的植被群落物種組成、生活型、累積生物量等植物群落結(jié)構(gòu)數(shù)量指標以及建群種和伴生種冠幅、高度、多度、密度、蓋度、當年生長量等單株和種群數(shù)量指標進行統(tǒng)計，系統(tǒng)評估風電場不同區(qū)域內(nèi)荒漠植被生長差異。

1.2 樣品采集

本試驗野外樣品采集與植被調(diào)查同步進行，采用標準株法對研究區(qū)植物生物量進行測定，首先對每塊試驗樣地內(nèi)的主要植物種進行統(tǒng)計篩選，再視實際情況將不同植物種分別按照大、中、小三個梯度選取標準株3～9株，在齊地面刈割植物地上部分的同時，將地下根系全部挖出，之后去除全部雜質(zhì)后將標準株新鮮樣品保存于紙質(zhì)檔案袋中立即送往實驗室檢測。

1.3 測定指標

于實驗室內(nèi)將植物樣品放入烘箱設(shè)定80℃烘干至恒重，用電子天平稱重（精確到0.0001 g）記錄。之后將植物、土壤樣品送至甘肅省荒漠化與風沙災(zāi)害防治重點實驗室采用元素分析儀（Elementar，德國）進行樣品碳含量測定。利用以下公式分別計算研究區(qū)植物碳密度（PC）：

PC = PB×PCi

式中：PB為植物生物量，PCi為植物含碳率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理

利用Excel 2016（Microsoft，美國）整理數(shù)據(jù)，使用SPSS Statistics 26.0（IBM，美國）軟件進行方差分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差數(shù)法（LSD）進行差異顯著性檢驗，并對植物生物量、土壤有機碳含量垂直分異進行相關(guān)性分析，然后通過R 3.6.0（R-Development Core Team，美國）軟件中g(shù)gplot 2、Vegan、Fossil包等量化環(huán)境因子對植物、土壤碳含量的影響，通過蒙特卡羅置換檢驗（Monte Carlo permutation test）評估各因子貢獻是否顯著，使用Origin 2017（OriginLab，美國）軟件制圖。本試驗所有統(tǒng)計分析顯著水平均設(shè)定為Plt;0.05，圖表數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生物量變化特征

不同監(jiān)測區(qū)域植物生物量特征如圖1所示，研究區(qū)植物生物量最高的是風電場外部對照區(qū)域，單位面積生物量達到了554.93 g/m2。相較于外部對照區(qū)域，風電場內(nèi)部各區(qū)域單位面積植物生物量平均值僅為233.96 g/m2，降幅約為57.80%。風電場內(nèi)部不同區(qū)域間差異程度同樣明顯，具體表現(xiàn)為下風向區(qū)域最高（456.29 g/m2）、中心區(qū)域次之（321.83 g/m2）、上風向區(qū)域最低（147.46 g/m2）。此外，研究區(qū)所有試驗樣地中以風電場邊緣區(qū)域植物生物量表現(xiàn)最為特殊。經(jīng)統(tǒng)計，風電場邊緣區(qū)域植物單位面積生物量僅為10.24 g/m2，遠低于其他所有監(jiān)測區(qū)域，風電場外部對照和中心區(qū)域分別是其54.19倍、31.43倍。這可能由以下兩方面原因所導(dǎo)致：①邊緣區(qū)域植被死亡率較高；②邊緣區(qū)域植被長勢較差，地下根系發(fā)育程度較低。

2.2 優(yōu)勢植物不同器官含碳率差異

對研究區(qū)優(yōu)勢植物種不同器官的含碳率進行測定，結(jié)果如表2所示。區(qū)域優(yōu)勢植物種主要有紅砂、珍珠豬毛菜、白刺、鹽爪爪、合頭草等，含碳率均表現(xiàn)為地下部分大于地上部分。5種優(yōu)勢植物中，地上部分含碳率最高的為鹽爪爪，達到了31.08%，地上部分含碳率最低的為珍珠豬毛菜，僅為26.55%。地下部分含碳率最高的仍為鹽爪爪，達到了36.56%，最低的為合頭草，僅為27.73%；不同植物種含碳率總體處于27.32%—33.82%，且總體呈現(xiàn)出鹽爪爪＞白刺＞紅砂＞珍珠豬毛菜＞合頭草的差異特征。

2.3 植物碳密度變化特征

結(jié)合不同監(jiān)測區(qū)域植物生物量特征及研究區(qū)優(yōu)勢植物不同器官的碳含量實測數(shù)據(jù)，推算不同監(jiān)測區(qū)域植物碳密度（圖2）。結(jié)果表明，不同監(jiān)測區(qū)域間均差異顯著（P＜0.05），且總體跟區(qū)域植物生物量變化特征保持一致。由于研究區(qū)植物總體長勢不佳，生物量累積程度低，致使區(qū)域植物碳密度同樣表現(xiàn)不理想。各樣地植物碳密度變化由大到小依次為：風電場外部對照（1.63 t/hm2）＞下風向（1.34 t/hm2）＞中心（0.95 t/hm2）＞上風向（0.43 t/hm2）＞邊緣區(qū)域（0.03 t/hm2）。

3 討論

新能源風電場項目往往會在較大的區(qū)域范圍內(nèi)改變原有景觀單元，從而導(dǎo)致區(qū)域原生植物群落為適應(yīng)環(huán)境變化而在空間分布上產(chǎn)生差異[12]。研究區(qū)由于氣候干燥，土壤貧瘠，保水性差，致使植物群落結(jié)構(gòu)也較為簡單，以灌木植物居多，草本植物極少。珍珠豬毛菜、紅砂等作為區(qū)域植物群落中的主要建群種及優(yōu)勢種，因其較強的抗逆性、生態(tài)可塑性和集沙能力使之具備數(shù)量效應(yīng)和極強的競爭力，并且相比草本植物而言，其致密的地上植被層和地下根系層也限制了草本植物的拓殖[13]。不同于原生生境，風電場大型風機的布設(shè)使得場區(qū)不同位置植物群落所獲得的光、熱、水等資源差異明顯，進而導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[14]。前人研究證實，風電場運行對其擾動、非擾動區(qū)域植物的影響機制是不同的，風電場的運行會加快擾動區(qū)域植被的退化，不利于植被的生長，并且這種逆向效應(yīng)會隨著遠離風電場距離的增加而衰減[15]。本研究中，不同監(jiān)測區(qū)域的植物長勢總體外部對照區(qū)域最優(yōu)，其次是核心區(qū)域，邊緣區(qū)域較差。風電場建設(shè)初期往往需要較大規(guī)模清除植被覆蓋、土地平整等，并且在其實際運行過程中也會受前期土壤壓實效應(yīng)的影響，導(dǎo)致植物恢復(fù)難度增加。

植物的固碳作用會受到地形、光照等眾多因素的影響，而植物碳密度往往與生物量密切相關(guān)。對于干旱區(qū)而言，土壤水分是植被生長的主要限制因子，也是其碳匯效益的主要調(diào)節(jié)因子，改善區(qū)域土壤水分條件，可能更有利于植物碳密度的增加。以往研究普遍認為，水分是導(dǎo)致干旱地區(qū)植物生物量空間分異的重要因素[16]。本試驗中，風電場植物碳密度在水平空間上存在強差異性，總體隨外部對照、下風向、中心、上風向、邊緣區(qū)域呈遞減規(guī)律。研究區(qū)地勢總體呈北高南低的態(tài)勢，相對邊緣區(qū)域樣地而言，外部對照區(qū)各試驗樣地總體位于風電場的南側(cè)，而該區(qū)域又因為地勢相對較低，雨季能夠集聚季節(jié)性的流水，導(dǎo)致此區(qū)域植物碳密度較高。此外，風蝕也是影響植被碳匯的另一重要因素，風電場多建于地形寬闊平坦的強風區(qū)域，而干旱區(qū)風電場干燥松散的土壤特性更為風蝕創(chuàng)造了有利條件。邱曉娜等[11]對紅砂崗風電場近地層風速進行了測定，結(jié)果顯示區(qū)域據(jù)地表3 m范圍風速表現(xiàn)為上風向gt;電場中g(shù)t;下風向區(qū)域。風機運行吸收了風力動能，導(dǎo)致風電場中心和下風向區(qū)域風速相比上風向區(qū)域明顯減弱，依次為上風向區(qū)域的87.30%和63.20%，風穿過風電場后風速減少了36.80%?？梢?，近地層風速的降低減弱了風電場中心、下風向區(qū)域的風蝕過程，從而加劇了風電場不同監(jiān)測區(qū)域植物碳密度差異。值得注意的是受風力作用的影響，研究區(qū)地表植物凋落物積累量很少，造成了部分碳損失。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)植物生物量差異明顯，總體處于10.24 g/m2～554.93 g/m2區(qū)間，且呈現(xiàn)地上生物量＞地下生物量的差異特征；

（2）研究區(qū)植物碳密度差異明顯，不同監(jiān)測區(qū)域植物碳密度由大到小依次為：風電場外部對照（1.63 t/hm2）＞下風向（1.34 t/hm2）＞中心（0.95 t/hm2）＞上風向（0.43 t/hm2）＞邊緣區(qū)域（0.03 t/hm2）。

參考文獻

[1] Piao Shilong; Fang Jingyun; Ciais Philippe et al. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China. Nature， 2009， 458（23）：1009-1013.

[1]PIAO Shilong，F(xiàn)ANG Jingyun，Ciais Philippe，et al.The carbon balance of terrestrial ecosystems in china.[J].Nature，2009，458（7241）：1009-13.

[2] 黃艷， 劉曉曼， 袁靜芳， 等. 2000—2020年華北干旱半干旱區(qū)碳儲量變化特征及影響因素. 環(huán)境科學(xué)研究， 2024， 37（04）： 849-861.

[2]黃艷，劉曉曼，袁靜芳，等.2000—2020年華北干旱半干旱區(qū)碳儲量變化特征及影響因素[J].環(huán)境科學(xué)研究，2024，37（4）：849-861.

[3] 高偉. 退化草地生態(tài)系統(tǒng)碳—氮變化規(guī)律及氮添加的生態(tài)效應(yīng)研究. 內(nèi)蒙古大學(xué)， 2010.

[3]高偉.退化草地生態(tài)系統(tǒng)碳—氮變化規(guī)律及氮添加的生態(tài)效應(yīng)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2010.

[4] 張磊， 呂光輝， 蔣臘梅， 等. 干旱區(qū)荒漠植物初級生產(chǎn)力及碳儲量與功能性狀之間的關(guān)系. 新疆大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2020， 37（01）： 63-74.

[4]張磊，呂光輝，蔣臘梅，等.干旱區(qū)荒漠植物初級生產(chǎn)力及碳儲量與功能性狀之間的關(guān)系[J].新疆大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（中英文），2020，37（1）：63-74.

[5] 楊昊天， 李新榮， 王增如， 等. 騰格里沙漠東南緣4種灌木的生物量預(yù)測模型[J]. 中國沙漠， 2013， 33（06）： 1699-1704.

[5]楊昊天，李新榮，王增如，等.騰格里沙漠東南緣4種灌木的生物量預(yù)測模型[J].中國沙漠，2013，33（6）：1699-1704.

[6] 姚雪玲， 李龍， 王鋒， 等. 放牧方式對渾善達克沙地榆樹疏林退化的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報， 2020， 40（05）： 1663-1671.系統(tǒng)沒有查到文獻，可能是系統(tǒng)沒有收錄該文獻，也可能是文獻信息不足或有誤等。您可以修改后再查或到知網(wǎng)檢索。

[7] 葉靜蕓， 吳波， 賈曉紅， 等. 極干旱區(qū)稀疏荒漠植被地上生物量遙感估算[J]. 干旱區(qū)地理， 2022， 45（02）： 478-487.

[7]葉靜蕓，吳波，賈曉紅，等.極干旱區(qū)稀疏荒漠植被地上生物量遙感估算[J].干旱區(qū)地理，2022，45（2）：478-487.

[8] Pekkan O I， Senyel Kurkcuoglu M A， Cabuk S N， et al. Assessing the effects of wind farms on soil organic carbon. Environmental Science and Pollution Research， 2021， 28（14）： 18216-18233.系統(tǒng)沒有查到文獻，可能是系統(tǒng)沒有收錄該文獻，也可能是文獻信息不足或有誤等。您可以修改后再查或到知網(wǎng)檢索。

[9] 劉朋濤. 內(nèi)蒙古風電場景觀格局演變及生態(tài)效應(yīng). 內(nèi)蒙古大學(xué)， 2021.系統(tǒng)沒有查到文獻，可能是系統(tǒng)沒有收錄該文獻，也可能是文獻信息不足或有誤等。您可以修改后再查或到知網(wǎng)檢索。

[10] Abbasi S A， Abbasi N. The likely adverse environmental impacts of renewable energy sources. Applied Energy， 2000， 65（1）： 121-144.

[10]ABBASI SA，ABBASI N.The likely adverse environmental impacts of renewable energy sources[J].Applied Energy，2000，65（1）：121-144.

[11] 邱曉娜， 魏懷東， 郭樹江， 等. 干旱荒漠區(qū)風電場對植被的影響. 甘肅林業(yè)科技， 2022， 47（03）： 10-15.

[11]邱曉娜，魏懷東，郭樹江，等.干旱荒漠區(qū)風電場對植被的影響[J].甘肅林業(yè)科技，2022，47（3）：10-15.

[12] 彭昀月， 羅永梅， 徐澤楠， 等. 集中式大型光伏及風電電場生態(tài)影響： 進展與展望. 生物多樣性， 2024， 32（02）： 102-117.

[12]彭昀月，羅永梅，徐澤楠，等.集中式大型光伏及風電電場生態(tài)影響：進展與展望[J].生物多樣性，2024，32（2）：102-117.

[13] 單立山， 李毅， 董秋蓮， 等. 紅砂根系構(gòu)型對干旱的生態(tài)適應(yīng). 中國沙漠， 2012， 32（05）： 1283-1290.系統(tǒng)沒有查到文獻，可能是系統(tǒng)沒有收錄該文獻，也可能是文獻信息不足或有誤等。您可以修改后再查或到知網(wǎng)檢索。

[14] Wang P C， Yu H， Xiao H L， Wan J， Ma Q， Tao G L， Wang Q， Jiang W W， Ma L. Effects of habitat factors on the plant diversity on naturally-restored wind farm slopes. PeerJ， 11： 14912.

[14]WANG Pengcheng，YU hai，XIAO Henglin，et al.Effects of habitat factors on the plant diversity on naturally-restored wind farm slopes.[J].PeerJ，2023，11：14912-14912.

[15] 李國慶， 張春華， 張麗， 等. 風電場對草地植被生長影響分析-以內(nèi)蒙古灰騰梁風電場為例. 地理科學(xué)， 2016， 36（06）： 959-964.系統(tǒng)沒有查到文獻，可能是系統(tǒng)沒有收錄該文獻，也可能是文獻信息不足或有誤等。您可以修改后再查或到知網(wǎng)檢索。

[16] 馮麗， 張景光， 張志山， 等. 騰格里沙漠人工固沙植被中油蒿的生長及生物量分配動態(tài). 植物生態(tài)學(xué)報， 2009， 33（06）： 1132-1139.

[16]馮麗，張景光，張志山，等.騰格里沙漠人工固沙植被中油蒿的生長及生物量分配動態(tài)[J].植物生態(tài)學(xué)報，2009，33（6）：1132-1139.