光伏電站工程對土壤與植被的影響
——以甘肅河西走廊荒漠戈壁區為例

周茂榮， 王喜君

(甘肅省水土保持科學研究所，730020, 蘭州)

隨著經濟社會的高速發展，各類生產建設項目建設規模與投資力度日益加大，在建設、生產過程中不可避免地出現挖填、堆棄、碾壓活動，占壓、擾動并破壞了原地表及植被，從而對建設區域的土壤環境與植被造成一定影響。光伏電站工程建設對區域土壤環境與植被的影響有其特殊性，針對其影響特點、遵循因地制宜、因害設防的原則，如何布設行之有效的防治措施是防治光伏電站建設中新增水土流失的關鍵；因此，研究光伏電站建設過程中對土壤環境與植被的影響具有重要的現實意義[1]。

甘肅河西走廊荒漠戈壁區，降雨稀少，蒸發量大，植被稀疏，風大沙多，生境嚴酷，是我國典型的風力侵蝕區，也是西北地區主要的沙塵暴發源地。隨著生產建設項目的實施原有地表結皮和植被遭到破壞，引起了新增水土流失，從而使原本脆弱的生態環境更趨惡化；因此，做好開發中的保護工作就必須引起全社會的高度重視，做到在開發中保護和在保護中開發相結合[2]。筆者通過對甘肅河西走廊荒漠戈壁區6個已建光伏電站對生態環境的影響調查、分析，初步了解了光伏電站建設不同時段對生態環境的影響情況，以期為甘肅河西走廊荒漠戈壁區光伏電站建設過程中的生態保護工作提供技術支撐[3]。

1 研究區概況

1)自然背景。河西走廊是中國內地通往新疆的要道，東起烏鞘嶺，西至古玉門關，南北介于南山(祁連山和阿爾金山)和北山(馬鬃山、合黎山和龍首山)之間，長約900 km，寬數km至近百km，為西北—東南走向的狹長平地。在行政區劃上從東向西依次為甘肅省武威市、金昌市、張掖市、酒泉市和嘉峪關市，地理坐標介于E 92°45′～104°15′，N 36°35′～42°45′之間，地形大部分為祁連山北麓沖積-洪積扇構成的山前傾斜平原。在全國土壤侵蝕類型區中屬 “三北” 戈壁沙漠及沙地風沙區，其東面有騰格里沙漠、北面有巴丹吉林沙漠、西面有庫姆塔格沙漠，沙漠和零星沙地面積約754 km2，戈壁面積約8.55萬km2[4]。

該區南側為祁連山脈，其他3面被沙漠包圍[3]。氣候屬大陸性干旱氣候，氣候干燥，冷熱變化劇烈，風大沙多，降雨稀少，按甘肅省1981—2010年氣象資料，各市多年平均降水量為：武威171.1 mm，張掖132.6 mm，酒泉88.4 mm，嘉峪81.5 mm，敦煌39.8 mm；酒泉以東干燥度為4～8，以西為8～24，敦煌市、瓜州縣屬于極端干旱區[5]。

2)光伏電站工程背景。河西走廊太陽能資源豐富，被譽為“陸地三峽”，目前，涼州區、金昌市、民勤縣、肅州區、金塔縣、嘉峪關市、敦煌市等地已建成的百萬千瓦級光電基地運行良好，截至2016年底，研究區內已有光伏產業園區19個，入駐光伏企業107家， 累計裝機容量422.4萬kW，僅次于青海的580.4萬kW。

本研究從東向西選擇了武威、張掖、嘉峪關3市的6個典型光伏電站，采用定位觀測、巡查監測和查閱水土保持監測資料相結合的方法進行了土壤環境與植被影響調查，6個光伏電站基本情況見表1。

2 荒漠戈壁區光伏電站工程對土壤環境的影響

2.1 光伏電站工程對土壤養分的影響

光伏電站施工中的道路修筑、光電池板區局部場地平整、光伏板支架基礎施工、逆變器室、電纜溝的基礎開挖、土方回填、設備安裝等，都不可避免地擾動原地貌、破壞地表植被，從而對土壤和植被造成一定的影響[6]。

表1 監測與調查光伏電站情況Tab.1 Information of measured and investigated photovoltaic power stations

2017年6月課題組在武威市涼州區豐樂鎮光伏園區中國水電武威50 MW光伏電站、張掖市臨澤縣扎爾敦灘光電產業園區吉林交通臨澤縣50 MW光伏電站、嘉峪關市西戈壁光電產業園區華電新能源107 MW光伏電站等6個典型光伏電站場內、外采集了36個土樣，由甲級檢測單位甘肅宏強工程檢測有限公司負責對場內、外土壤養分、水分等進行了化驗，土樣養分化驗結果見表2。

從表2看出，pH、全氮、全磷、全鉀、有機質、有效磷光伏板間擾動后自然恢復區域與光伏電站外未擾動區域差異不大，土壤養分變化不明顯。水解性氮、速效鉀光伏板間擾動后自然恢復區域明顯高于光伏電站外未擾動區域。

經過對6個電站土壤水解性氮、土壤速效鉀的綜合計算、分析，擾動后自然恢復區域(A)與未擾動區域(B)相比：水解性氮在0～10 cm土層A比B高42.91%，在10～30 cm土層A比B高48.81%，在30～50 cm土層A比B高10.05%。土壤速效鉀在0～10 cm土層A比B高11.15%，在10～30 cm土層A比B高17.72%， 在30～50 cm土層A比B高33.92%。

2.2 光伏電站工程對土壤含水比例的影響

6個光伏電站的平均土壤含水比例情況如表3所示。

從表3可以看出，光伏電站內光伏板間擾動后自然恢復區域土壤含水率明顯高于光伏電站外未擾動區域，不同深度土層含水量變化最大的是10～30 cm層。造成這一結果的原因是光伏面板的集流作用、遮陰作用以及光伏電站內風速相對較小等。

3 荒漠戈壁區光伏電站工程對植被的影響

3.1 光伏電站工程對原有植被的影響

光伏電站建設過程中由于基礎開挖、擾動地表，對原有植被造成嚴重破壞。工程建成后，由于建筑物的占壓、光伏面板的遮擋對植被的恢復亦產生或多或少的影響。通過對甘肅河西走廊荒漠戈壁區已建光伏電站植被變化情況的調查研究，得出以下結論：

1)甘肅河西走廊荒漠戈壁區光伏電站建設前原地貌植被覆蓋率一般在10%～15%，建設中植被覆蓋率下降到2%左右，施工結束工程進入運行期后植被逐漸恢復，工程運行3～5年后植被覆蓋率一般能恢復至8%左右。

2)荒漠戈壁區水是限制植物生長的主要因素，因此，提高土壤含水量是恢復植被的有限途徑。

3)施工中減少擾動強度可保留部分植物根系，有利于植被恢復，因此，在光伏電站建設中要盡可能采用對地表擾動強度小的螺旋鋼管樁基礎[7]，光伏面板布設依照地形用支架調整面板高度[8]，盡可能不進行場地平整，從而達到減輕地表擾動強度和減少擾動地表面積的目的。

4)荒漠戈壁區地表土壤中含有較豐富的植物種子，為植被自然恢復創造了條件，因此，種子不是光伏電站植被恢復的主要限制因子。

5)施工擾動面壓蓋砂石不利用植被恢復。

6)光伏電站植被恢復的主要區域為光伏面板間及光伏面板下，由于光伏面板的集流及遮陰作用，該區域水分條件相對較好，有利用植被的生長。

表2 光伏電站內外土壤養分變化Tab.2 Variations of soil nutrients inside and outside photovoltaic power stations

3.2 光伏電站工程對生態環境的影響

由于甘肅河西走廊氣候寒冷、降水稀少、多風沙，因此，植被具有顯著的地域特征，在環境演變中河西走廊荒漠戈壁植物種群向著耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風沙的的方向發展，形成了以多枝檉柳(TamarixramosissimaLcdcb)、紅砂 (ReaumuriaLinn.)、白刺(NitrariatangutorumBobr)、沙蒿(Artemisiadesertorum)為代表的原生物種。光伏電站建設對生態環境的影響主要表現在對自然生態系統和區域環境的影響2方面。

1)對自然生態系統的影響。許申來等[9]認為工程建設一般會對區域土壤、植被、物種多樣性、生態環境造成一定的影響，工程施工部門、環境保護部門應高度重視工程建設帶來的影響，并且要求施工完成后必須進行必要的地貌、土壤和植被恢復[5]。工程施工對自然生態系統的影響主要表現為對植物群落中物種多樣性的影響，從生態學的演替理論看，受到干擾和破壞的生態系統其物種多樣性下降，干擾停止有可能隨演替進程多樣性指數上升并恢復到原有水平。工程施工過程是對原有生態系統的一種擾動，受到破壞和干擾嚴重時物種多樣性值降的較低，自然條件嚴酷時恢復過程慢，自然條件好時恢復過程較快。同一工程，不同的施工工藝對生態環境的影響程度差異很大，如光伏陣列支架基礎采用螺旋鋼管樁基礎，可大大降低光伏陣列支架基礎施工時的土石方開挖量，從而有效減小對原有植被的破壞程度，工程建設對生態環境的影響一般反映在植被面積和植物種群多樣性的變化方面。

表3 光伏電站內外土壤水分統計表Tab.3 Statistics of soil moisture inside and outside photovoltaic power stations

光伏電站的選址與其對生態的影響極為相關，按照建設地點生物群落和生物多樣性的不同分為森林、草地、沙漠、沙漠灌木林和農田。一般而言，生物多樣性的不同是與本地的氣候條件尤其是降雨量相關[10]。光伏電站建設項目對生態系統及其物種多樣性的影響，可分為工程建設期、運行期2個階段，其中工程建設期的土建施工階段影響最大。工程建設期土建施工階段土石方開挖、機械碾壓對物種的多樣性影響最大，對原地貌的擾動強度決定了對物種多樣性的影響程度。

根據甘肅河西走廊光伏電站工程建設特征，工程建設對生態系統及其生物多樣性的影響主要表現在：光電池板區(場地局部平整、光伏板支架基礎開挖、集電線路溝槽開挖、逆變器基礎開挖)、站內道路區(場內混凝土主干道、壓砂檢修及清潔道路修筑)、集控中心區(場地平整、建筑物基礎開挖、場院混凝土硬化)、圍欄邊界區、施工生產生活區、場外道路管線區(管溝開挖等)的土石方挖填、堆棄以及對地表的碾壓，所造成的原有植物破壞和植被生長條件的改變等方面。因植被覆蓋率降低、生物量減少，從而造成生態系統的結構和功能下降，進而影響到區域的生態環境和物種的多樣性。工程建設對區域生態環境及植被多樣性影響見表4。

2)對區域環境的影響。光伏電站建設過程中由于挖填(基礎開挖、回填)、堆棄(臨時堆土、棄土、棄渣)碾壓(機械碾壓、建筑材料、設備堆壓)，不可避免地對區域環境造成一定的影響。

光伏電站在建設過程中，施工作業面大，將不可避免地擾動原有地貌，對區域內社會和自然環境帶來不同程度的影響[11]。建設時施工道路修建、場地平整、材料堆放、基礎開挖、電纜溝開挖等施工活動會造成地表擾動，植被破壞，導致新增水土流失[12]。甘肅河西走廊荒漠戈壁區生態脆弱，光伏電站建設擾動了原地貌，破壞了多年形成的地表結皮，勢必造成水土流失和揚塵，甚至引發沙塵暴。建設過程中的廢棄物和施工生活垃圾、棄土及廢潤滑油、廢柴油等處置不當，都會對環境造成很大影響。

4 結論

1)光伏電站建設過程中對原地表的挖填、堆棄、碾壓，不可避免地對原地表土壤造成擾動，研究結果表明：擾動后土壤的PH、全氮、全磷、全鉀、有機質、有效磷與擾動前差異不大，但土壤水解性氮、速效鉀明顯高于未擾動區域。

2)光伏電站在建設過程中對原有植被和地表結皮破壞較大，地表結皮的破壞，加劇水土流失和揚塵，甚至引發沙塵暴。植被的破壞，降低了植被的覆蓋率，引起了生態環境的惡化和植物種群多樣性的減少。

3)因光伏面板對降雨有集流作用，因此，光伏電站內光伏板間擾動后自然恢復區域土壤水分明顯高于光伏電站外未擾動區域。

5 建議

從該研究工作可以得出對未來在該地區發展光伏電站如何更好地保持生態平衡的建議：

1)光伏電站在設備選型時要選擇光電轉化效率高的光伏組件，同時在地質條件許可的前提下光伏面板支架基礎優先選擇土石方量最小的螺旋鋼管樁基礎[13]。

在地形無明顯起伏，地面自然坡度小于或等于3°的平原地區，“光伏組件轉化效率”提高1%，“光伏方陣場區”的占地面積減少5%～9%。

表4 工程建設對區域生態環境及植被多樣性影響Tab.4 Influence of engineering construction on regional ecosystem and plant population diversity

2)從工程的可研設計階段就要重視環境保護工作，將環境保護工作貫徹于工程建設的全過程，使各參建單位樹立減少擾動就是最大保護的思想，做到文明施工[14]。

3)可利用光伏面板的集流作用發展特色林果業。