植被恢复模式对光伏阵列间土壤养分的影响

2020-10-19李文龙刘美英张有新赵晶

山西农业大学学报（自然科学版） 2020年5期

李文龙，刘美英，张有新，赵晶

（内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古呼和浩特010018）

光伏发电是一种清洁、可持续的发电途径，有很好的节能减排效益［1］。正因如此，近年来我国光伏产业迅速发展，光伏电厂数量及规模不断扩大，带来巨大的经济和能源效益。然而，随着时间的推移，一些环境问题也开始逐渐显现。在西北风沙区，光伏电站建设会扰动地表、破坏植被，使其原有的生态功能消失殆尽［2］，所以对其进行植被恢复意义重大。土壤养分是植被生长的重要影响因子，而在植被恢复过程中，不同植被类型又影响着土壤养分的积累、分布与循环［3］，同时能够促进土壤发育，改善土壤特性，提高土壤肥力，但不同植被类型对土壤改良效果不同［4～6］。王涛等［7］研究表明光伏电站建设对土壤理化性质、物种多样性及生物量有一定影响，但机理尚不明确，有待研究，崔永琴等［8］进一步说明我国光伏电站的植被恢复研究还存在一定缺陷，且仍处在起步阶段，而王祯仪等［9］研究发现，光伏电站施工短期内会对站内植物群落产生不利影响，但未进行更深入的研究。综上所述，目前，对于光伏电站植被恢复的研究较少且尚不完善，尤其对光伏阵列间各植被恢复模式下不同位置土壤养分变化的研究更是处于空白。因此，本研究通过对光伏阵列间三种植被类型以及各植被不同位置上土壤养分的变化规律进行探究，旨在寻找光伏阵列间最佳植被恢复模式，并为类似光伏电站植被恢复提供指导依据，以保证在建设、运营光伏电站的同时，最大限度地减轻对周边环境的破坏。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区呼和浩特市土默特左旗（40o26′～40o54′N，110o48′～111o48′E，海拔1000 ～1100 m）沙尔沁乡209 国道东侧的山路能源集团大有光能源30 MW 光伏农林牧示范基地，总占地面积117.87 hm2。该地地处内蒙古高原，属温带大陆性季风气候，年均降水量为282.4 mm，且80%左右集中在6～9 月份，年平均蒸发量为1851.7 mm，年平均气温6.3 ℃，年日照总时数2 952.1 h（约123 d），无霜期为187 d，最大冻土深1.56 m，年平均风速2.04 m·s-1。试验区土壤为淡色草甸土，是当地主要的农业用地土壤之一，但土壤肥力较差。试验区原为荒地，长有杂草，在建设光伏电站时，站内土壤经过人工平整。为了最大程度提高光照资源的利用率，以提高发电效率，电站内工作人员会随季节调整光伏面板的倾斜角度，并定期用水清洗光伏面板。

1.2 试验设计及样品采集

本试验在光伏电站内板间空地上种植了不同植被，为2 因素4 水平试验，2 个因素分别为植被恢复模式和光伏板间位置，其中植被恢复模式有3种，分别为人工种植的樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica Litv.）样地、苜蓿（Medicago Sativa L.）样地和自然生长的天然草地，同时以光伏区外围未经过人为扰动的自然荒地作为对照；光伏板间位置有4 种，分别为后檐1 号、植被生长正常区域2号、防火带区域3 号、前檐4 号（图1）。樟子松、苜蓿种植前土地经过除杂，樟子松为植苗种植，行间距为50 cm，苜蓿为播种种植，行间距为15 cm，均已生长5 年，天然草地为自然生长的杂草地。光伏阵列行间距为10 m，每年秋季为了防火会对板间前檐的植被进行齐地刈割，宽为2.5 m，光伏阵列间由于防火刈割、光伏板清洗、前檐冲刷、后檐遮阴等影响，使得阵列间不同位置土壤性质发生变化，故于2018 年6 月在每个样地中，以光伏阵列后檐下方样点为1 号样点，相邻光伏阵列前檐下方样点为4 号样点，自南向北每隔2.5 m 设1 个取土点，同时在对照区取样。每个取样点用土钻分别取0 ～20 cm、20 ～40 cm 两个土层深度的土壤样品，3 次重复，多点采集土样按照四分法缩减为一个样品，带回实验室待测。

图1 实验地取样示意图Fig.1 Schematic diagram of exPerimental samPling Position

1.3 试验方法

土壤全氮（TN）运用半微量开氏法测定；全磷（TP）运用NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定；全钾（TK）运用NaOH 熔融-火焰光度法测定；有机质（SOM）运用重铬酸钾容量法-外加热法测定［10］。

1.4 数据统计与方法

表聚系数计算公式：

式中：Ci表示0 ～20 cm 土层某营养元素占整个土壤剖面该营养元素总含量的比值（表聚系数）；Ni表示第i 层土壤营养元素含量（%）；Di表示第i 层土层厚度（cm），表层取土厚度为0 ～20 cm 时m=1，n=2（采样层次），Ci> 0.5 时表明养分具有表聚特征［11，12］。

运用Microsoft Excel 2016 进行数据整理及图表绘制，用IBM SPSS Statistics 25 统计分析软件对各土层不同植被类型、不同位置土壤养分含量进行单因素方差分析（one-way ANOVA）、综合所有植被恢复模式采用一般线性模型（GeneralLine⁃arModel，GLM）对不同土层和位置进行双因素方差分析，并对不同位置土壤养分含量进行趋势检验（Polynomial contrast）。

2 结果与分析

2.1 光伏阵列间不同植被恢复模式下各层土壤养分变化规律

与对照样地相比，樟子松样地底层土壤TN 含量显著降低了15%（P < 0.05），而苜蓿和天然草地各层土壤TN 含量均显著升高（P < 0.05），其中苜蓿样地增加了25% ～62.5%，恢复效果最好；樟子松和苜蓿样地表层土壤TP 含量显著下降（P < 0.05），分别降低了11.90%和23.81%，底层无显著差异，天然草地整个土层土壤TP 含量显著增加（P < 0.05），分别为19.05%、16.67%；各样地表层土壤TK 及SOM 含量均显著提高（P <0.05），分别增加了8% ～29.58% 和23.37% ～54.01%，而底层只有天然草地显著提升（P <0.05），分别为15.21%和30.97%，其它均未达到显著性差异。上述结果说明天然草地的综合恢复效果最好，而短期内种植苜蓿对土壤氮素含量的提升效果更佳。根据不同土层土壤养分含量的变化可知（表1），苜蓿样地表层土壤TN 含量较底层显著提高了38.67%（P < 0.05）；天然草地土壤TP 含量在不同土层间差异显著（P < 0.05），表层较底层增加19.05%；三类样地表层土壤TK 及SOM 含量显著高于底层（P < 0.05）；各样地其它养分含量在土层间差异不显著。表聚系数结果表明，三类样地土壤TN、TK 及SOM 的表聚系数均大于0.5，存在表聚特征，而土壤TP 仅在天然草地上存在表聚特征，其它两类样地表聚系数均低于0.5，无表聚特征。

表1 不同植被恢复模式土壤养分含量/g·kg−1Table 1 Content of soil nutrient of different tyPes of vegetation restoration

2.2 光伏阵列间不同植被恢复模式下不同位置土壤养分变化规律

光伏阵列间，樟子松样地表层前檐位置土壤TN 含量显著低于其它样点（P < 0.05），1 ～3 号位置间无差异（表2），从后檐至前檐土壤TN 含量线性降低，同时也呈二次趋势，底层土壤不同位置间差异不明显；土壤TP、TK 含量在各层不同位置间均无显著差异；表层除前檐位置土壤SOM 含量显著高于后檐外（P < 0.05），其它位置间无显著差异，底层土壤SOM 含量大小依次为4号>2号>3号>1号，但位置间无显著差异。

表2 樟子松样地各土层不同位置土壤养分含量/g·kg−1Table 2 Content of soil nutrient of different Position in Pinus sylvestris var.mongolica soil field

分析苜蓿样地各层土壤不同位置间的养分含量变化可知（表3），苜蓿样地表层前檐位置土壤TN 含量显著低于2 号位置（P < 0.05），且含量最低，其它位置间差异不显著，样点间TN 含量呈二次趋势，在2 号位置土壤TN 含量达到最大，底层各位置间土壤TN 含量无显著差异；整个土层不同位置间土壤TP、TK 含量都未达到显著差异；虽然各层土壤不同位置SOM 含量无显著差异，但前檐位置SOM 含量高于后檐，可以看出光伏面板对其也有一定影响。

天然草地表层前檐位置土壤TN 含量最低，显著低于2、3 号样点（P < 0.05），总体呈二次趋势，中间位置含量最高，底层样点间土壤TN 含量没有显著差异，见表4；整个土层不同位置间土壤TP 含量均无显著差异；表层前檐TK 含量显著高于后檐（P < 0.05），但与中间2、3 号样点间没有差异，后檐至前檐总体呈线性增加趋势，底层不同位置间未达到显著差异；天然草地表层土壤SOM 含量由后檐至前檐呈线性升高，前檐和后檐土壤SOM 含量差异明显（P < 0.05），其它位置间未达到显著性差异，底层土壤不同位置SOM 含量无显著变化。

2.3 光伏阵列间土层和位置交互作用对土壤养分的影响

综合所有植被恢复模式对不同土层和位置土壤养分含量进行双因素方差分析可知（P <0.05），表层2 号位置土壤TN 含量显著高于底层后檐位置（P < 0.05）；表层前檐位置土壤TK 含量显著高于底层后檐及3 号位置（P < 0.05）；表层前檐处土壤SOM 含量显著高于各层后檐位置（P <0.05）；其它均未达到显著性差异（见表3）。综合分析土层对土壤养分含量的影响可知，TN、TK 以及SOM 受土层影响显著（P < 0.05），但土壤TP不受土层影响，且不同位置及土层和位置的交互作用对土壤养分含量的影响均不显著。在整个土壤剖面上，除前檐及后檐土壤SOM 受到位置的显著影响外（P < 0.05），其它土壤养分含量均不受位置影响。

表3 苜蓿样地各土层不同位置土壤养分含量/g·kg−1Table 3 Content of soil nutrient of different Position in alfalfa soil field

表4 天然草地各土层不同位置土壤养分含量/g·kg−1Table 4 Content of soil nutrient of different Position in natural grass soil field

表5 不同土层和位置土壤养分含量/g·kg−1Table 5 Content of soil nutrient of different Position and different soil layer

3 讨论

樟子松幼苗移植时需要一定深度，因而根系分布较深，其生长过程中要从附近土壤吸收大量氮素以满足自身生长发育［13］，导致土壤中TN 含量降低，而苜蓿为多年生豆科牧草，尽管前期生长需要从土壤中吸收较多氮素，但与它根系共生的根瘤菌通过固氮作用可大大提高土壤中的氮素含量［14］，正是由于它强大的固氮能力，使其具有很好的植被恢复效果。天然草地生长年限较长，植物种类相对丰富，地上地下生物量大，腐烂的残根落叶增加了各层土壤的养分含量，尤其是土壤中碳氮的含量；同时，天然草地丰富的植被类型促使能够与其互作的微生物群落增多，这些微生物也会促进土壤养分的提升，例如促进土壤母质中矿质元素的释放以及一些微生物本身死亡而增加了土壤碳氮等含量，这与吴则焰等研究结果一致［6，15］。有研究表明，一些未完全分解的母质在成土过程中释放以及有机质的矿化向土壤中补充了一定的磷素和钾素［16］，但磷素是植物器官形成的必需元素，樟子松和苜蓿前期生长必定会从土壤中吸收较多磷素，而苜蓿作为喜磷作物吸收更多［14，17］，土壤磷素供小于求，导致表层土壤中TP 含量降低。土壤中有机质主要来源于植被产生的枯枝落叶以及腐烂根系分解，但樟子松和苜蓿生长年限较短，植物残体多聚集在土壤表层，对更深层次土壤有机质的提升作用较小［18］，而天然草地由于多年的累积，植株残体较多，因而有机质含量更高。有学者发现，土壤中的元素普遍具有表聚性［11］。本试验中各样地土壤TN、TK 和SOM 以及天然草地土壤TP 均具有不同程度的表聚现象，与巩杰等研究结果基本一致［19］，这主要是因为枯枝落叶集中在土壤表层［4］，它们分解释放促使表层土壤中各类养分含量增加，而樟子松和苜蓿样地土壤TP 表聚不明显，同姜勇等［11］研究结果一致，这是由于樟子松和苜蓿正处于生长旺盛期，需要吸收的磷素远远高于天然草地［13，14］，影响了土壤磷素的表聚，也可能是恢复年限较短，植被富集作用不明显所致，有待进一步研究。此外，随着植被恢复年限的增加，土壤养分不仅在表层累积，也会被淋溶到更深土层，而磷素移动性较差，容易在表层固定［12］，这会影响植被后期生长发育，建议根据需求采取合理的方式进行补充。

光伏阵列间不同植被类型土壤TN 含量均为表层前檐较其它位置下降，这是因为降雨或清洗光伏板面时，光伏面板前檐对水形成明显的集流作用，且氮素在土壤中的移动性较好，所以表层土壤中氮素随水分大量淋失到底层甚至更深土层［12］，而其它位置不受光伏面板集流的影响，氮素淋失较少。上述结果说明不同植被恢复模式均受光伏面板前檐集流作用的影响，同时也反映出其保持土壤氮素不被淋失的作用较小。各样地不同位置土壤TP 和TK 含量没有明显差异，说明磷素和钾素不受光伏面板的影响，原因是土壤磷素和钾素主要源自母质分解且过程缓慢，即使受到光伏阵列的影响也不会立刻表现出来，需要恢复更长年限，再进行更深入的研究。各植被类型土壤有机质含量受位置影响十分明显，这是因为植被凋零物如枯枝落叶和死亡根系降解释放有机质时，受水分和光照的强烈影响［7，20］，而光伏阵列前檐通过集水提高了土壤的水分含量且不会遮挡阳光，水热条件良好，土壤微生物活性增加［4，6］，有利于植物残体分解，土壤有机质含量大幅提升［21］。相比之下，后檐光伏面板不仅会遮挡阳光［2］，还会阻碍降水［7］，水热条件较差，不利于土壤中有机质的分解释放。光伏阵列中间位置不受光伏面板影响，有机质含量普遍很高。

众多学者对不同地域进行了植被恢复工作，结果均表明不同植被恢复类型对土壤的改善作用存在差异。赵同谦等［22］研究说明不同植被对矿山废弃地土壤养分含量的提升作用明显，草地对矿山废弃地土壤TN、TP、TK 及SOM 的改善作用均好于常绿针叶林，综合来看，草地对矿山废弃地土壤理化性质改良效果最好，其次为常绿针叶林；王健胜等［23］对低山丘陵区不同植被恢复模式下土壤养分特征进行了研究，结果显示：不同植被修复模式下土壤养分含量变化大小顺序为全磷>全氮>有机质>全钾，与天然草地相比，不同植被修复模式在改善特定土壤养分方面均表现出了较好的效果，其中杨树+苜蓿模式和苜蓿模式土壤养分综合提升效果最好。本研究与上述地区有所不同，光伏电站内樟子松对土壤SOM 及TK 含量有一定提升，但降低了土壤TN、TP 含量；苜蓿虽然降低了土壤TP 含量，但大幅提升了土壤TN 及TK 和SOM 含量，具有很好的植被恢复效果；天然草地对土壤养分提升效果显著且均衡，恢复效果最好。上述结果说明植被对不同区域土壤养分恢复起到了一定作用，同时表现出一定差异，这与研究区的用途、地形、土壤以及植被种类等不同有较大关系，而本研究中土壤恢复过程受到光伏阵列的影响，较其它地区有明显的特殊性，研究意义重大。