光伏區異質環境下土壤理化特性及化學計量特征分析

摘要：為探究光伏區異質環境對新疆伊犁哈薩克自治州荒漠草地土壤理化特性影響，根據光伏板空間布局將取樣位置劃分為光伏板間、光伏板前檐、光伏板下方、光伏板后檐以及光伏板外（對照組）5種處理，并對其不同土層的土壤理化特性及土壤化學計量特征進行分析研究。結果表明：光伏板處理區土壤含水量顯著增加，其中10～30 cm土層土壤含水量平均增加62.35%；總體上，pH值、電導率和全氮無顯著性差異，其中光伏板處理區的0～30 cm土層土壤pH值范圍在8.51～8.75，電導率范圍在364.40～538.07 μS·cm-1，全氮范圍在1.58～2.03 g·kg-1；除20～30 cm土層前檐N∶P顯著低于對照，其余各土層C∶N，C∶P和N∶P無顯著性差異；光伏板處理區部分取樣位置土壤化學計量特征高于對照；相關性分析表明C∶N和SOC，C∶P和SOC，C∶P和C∶N，N∶P和TN，N∶P和C∶P存在極顯著正相關性（Plt;0.01）。綜上，光伏區異質環境能夠改善該地區荒漠草地土壤理化特性，為今后草地植被的恢復和后續草種補播提供了有利參考依據。

關鍵詞：光伏區；土壤理化特性；化學計量特征

中圖分類號：S812.2 " " " "文獻標識碼：A " " " "文章編號：1007-0435（2025）01-0181-08

Physicochemical Properties and Stoichiometric Characterisation of Soils in Heterogeneous Environment in Photovoltaic Area

DU Xiao-dong1， LI Wei1， QI Xiang-yang2， SUN Zhi-yu2， SHI Guo-qing3， YANG Jing3， WANG Xin-yao3， SUI Xiao-qing3*

（1.CHN Energy Xinjiang Jilintai Hydropower Development Co.， Ltd.， Yili， Xinjiang 835000， China； 2.Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang 830000， China； 3.College of Grassland Science， Xinjiang Agricultural University/ Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology/Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Western Arid Region， Ministry of Education， Urumqi， Xinjiang 830052， China）

Abstract：To investigate the effects of the heterogeneous environment within photovoltaic （PV） area on physicochemical characteristics of desert grassland soils in the Ili Kazakh Autonomous Prefecture， Xinjiang， sampling sites were divided into five treatments based on the spatial arrangement of PV panels： between PV panels， in front of PV panels， under PV panels， behind PV panels， and outside of PV panels （control group）. The physicochemical characteristics of soil across different soil horizons （0-10 cm， 10-20 cm， and 20-30 cm） and soil stoichiometric characteristics were analyzed. The results indicated that soil water content significantly increased in the PV panel treatment area， with an average increase of 62.35% in the 10-30 cm soil layer. Overall， there were no significant differences in soil pH， electrical conductivity， and total nitrogen content among treatments. Soil pH value in the 0-30 cm layer under the PV panels ranged from 8.51 to 8.75， electrical conductivity ranged from 364.40 to 538.07 μS·cm-1， and total nitrogen content ranged from 1.58 to 2.03 g·kg-1. No significant differences were observed in the ratios of C∶N， C∶P， and N：P across soil layers， except that of in the 20-30 cm layer where the N∶P ratio under the PV panels was significantly lower than that of the control. Soil stoichiometric characteristics at some sampling points in the PV panel treatment area were superior to those of the control group. Correlation analysis revealed there were highly significant positive correlations between C∶N and SOC， C∶P and SOC， C∶P and C∶N， N：P and TN， and N∶P and C∶P （Plt;0.01）. In conclusion， the heterogeneous environment of the PV area can enhance the physicochemical characteristics of desert grassland soils， providing a favorable reference base for the restoration of grassland vegetation and the subsequent replanting of grass species in the future.

Key words：Photovoltaic area；Soil physicochemical properties；Soil stoichiometric characteristics

當前我國正積極推進綠色低碳發展，以實現碳達峰、碳中和目標，在該背景下光伏發電作為清潔能源的重要組成部分，能夠替代傳統的化石能源，減少溫室氣體的排放，對于實現這些目標具有關鍵作用［1-2］。新疆維吾爾自治區（以下簡稱“新疆”）地域遼闊，擁有豐富的太陽能光照資源，得天獨厚的地理條件和資源條件，具備建設大型光伏項目的先天優勢［3-4］。在“雙碳”目標的戰略背景下，新疆致力于將其光伏產業打造成首屈一指的戰略性新興產業，在新疆各地州積極推進光伏電站建設［5］。

光伏發電系統的建設和運行對局部生態系統微氣候能夠產生一定影響，這也引起了廣泛的關注。研究發現光伏電站對局地小氣候要素如空氣溫濕度、風場結構、降雨模式和土壤溫度及水分狀態產生直接影響；此外，光伏板的不同位置對周圍環境的影響也存在差異，如光伏板下方土壤水分含量較高，水分利用效率提升，并且在降雨時，降水沿光伏板邊緣集中下滲，導致土壤水分分布的空間異質性；光伏電站內光伏組件遮陰使光照強度在板間、前檐、后檐及板下位置呈現明顯的梯度遞減趨勢。這些研究表明，光伏發電系統的建設和運行不僅對能源生產會產生影響，而且對周圍土壤、植被覆蓋、物種多樣性和整體生態環境構成也會產生影響。因此，需要深入研究光伏電站不同位置的土壤水分和理化性質，以全面評估其對環境的影響，并制定相應的管理和保護策略［6-10］。

光伏電站通常建設在戈壁灘、沙漠、山地和草原等人煙稀少的地方，但這些區域普遍存在生態系統脆弱、對外界環境變化的響應敏感等特點［11］，因此有學者考慮到，光伏電站建設可能對生態環境帶來潛在負面影響。例如，光伏電站的建設、營運和服務期滿后均存在對土壤生態環境產生顯著影響，包括水土流失、植被破壞、土壤結構破壞、光合作用影響、動物活動空間壓縮、地表侵蝕和植被退化等，這需要做到經濟建設與環境保護及修復協調發展［12-13］。也有研究人員發現光伏電站建成一段時間后對于周圍植被和土壤無不良影響。例如，王濤等［14］通過對陜西省靖邊縣光伏電站內光伏板內外區域的土壤理化性質和植被中發現，光伏電站建設不會對土壤、植被造成大的影響，并且在一定程度上有利于土壤理化性質的改良和物種多樣性、生物量增加。李少華等［15］研究光伏電廠對高寒荒漠草原區植被與土壤的影響中發現，與自然生長樣地相比，光伏建設區有效改善了土壤養分平衡，植被也有一定程度的增加，這有利于植被恢復和土壤改良。這些研究結果表明，光伏電站對生態環境的影響是復雜且多面的。因此，為了在光伏電站的施工和營運過程中維護生態環境平衡，必須采取因地制宜的管理措施，確保光伏電站的正常運行與周邊生態環境的可持續性。

基于此，本研究以新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣光伏電站為研究對象，根據光伏板空間布局進行取樣，即分別在光伏板間、光伏板前檐、光伏板下、光伏板后檐以及光伏板外（對照）進行土壤取樣，進行了土壤理化指標的測定，通過對不同取樣位置的土壤理化指標進行分析研究，旨在說明建成一定年限的光伏電站對土壤理化性質產生的影響。本研究將有助于評估新疆光伏區異質環境對當地生態環境影響，以期為植被恢復和生態系統修復提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州尼勒克縣光伏基地（82°04′16″E，43°55′40″N），于2019年投產使用。該基地為山前丘陵地貌，坡度小于20°，光伏面板朝向正南，傾斜角40°。該地區屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫為5.8℃，年均降水量為378.9 mm，海拔1150～1380 m，光能資源豐富。本研究調查的區域為牧區，牧民定期進行放牧管理，該區域屬于荒漠草地（溫性荒漠草原類、溫性荒漠類草地），光伏電站建設前主要植被有伊犁絹蒿（Seriphidium transiliense）、灰毛木地膚（Kochia prostrata var. Canescens）、駝絨藜（Krascheninnikovia ceratoides）、角果藜（Ceratocarpus arenarius）等，電站建成后植被灌溉方式為自然降雨。

1.2 試驗設計

本試驗于2023年10月進行土壤樣品采集，共設置5個水平處理，分別為光伏板間（Interval between photovoltaic panels， IP）、光伏板前檐（Front eave of photovoltaic panel，FP）、光伏板下方（Underneath photovoltaic panel， UP）、光伏板后檐（Back eave of photovoltaic panel， BP）以及對照組光伏板外（CK）（注：對照組取樣點距離光伏板處理區水平方向10～20 m處），每個處理有3組取樣地，共計15塊取樣地（圖1）。

1.3 土壤采集及理化指標測定

使用土鉆進行五點混合取樣，取樣深度為0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm三層。樣品采集后部分樣品進行土壤水分含量測定，剩余樣品拿回室內過2 mm篩，去除可見根系、秸稈殘渣和石礫后進行風干，并將風干后的土樣過1 mm和0.25 mm土篩，按“土壤農化分析”標準進行指標測定［16］；土壤水分含量（Soil water content， SWC）采用烘干法測定；采用pH計（FE22）和電導儀（FE38）在土水比為1∶5的比例測定pH值、電導率（Electrical conductivity，EC）；土壤全氮（Total nitrogen， TN）采用凱式定氮儀測定；土壤全磷（Total phosphorus， TP）采用鉬銻比色法測定，土壤有機碳（Soil organic carbon， SOC）采用重鉻酸鉀滴定法測定。

1.4 數據分析

本試驗采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0軟件進行數據處理和統計分析，Origin 2021軟件進行繪圖。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗同一土層深度不同光伏板位置、同一取樣位置不同土層深度對土壤的SWC，SOC，EC，TN，TP含量和pH值的影響；采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）評價土層深度和取樣位置對土壤的SWC，SOC，EC，TN，TP含量和pH值的影響，LSD多重比較法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 光伏板對土壤含水量的影響

不同土層和不同取樣位置SWC含量的結果如圖2所示。在同一土層深度中，FP的SWC含量與其余取樣位置相比具有顯著性差異（Plt;0.05），其中與CK相比在0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土層中SWC含量分別增加了47.75%，110.47%和226.74%；在同一取樣位置中，CK和IP在不同土層深度間具有顯著性差異（Plt;0.05），其中CK，IP和BP的SWC含量隨著土層深度的增加而降低，UP的SWC含量隨著土層的增加而增加。

2.2 光伏板對土壤pH值的影響

不同土層和不同取樣位置土壤pH值的變化情況如圖3所示。隨著土層深度的增加，IP和FP土壤pH值先升高后降低趨勢，UP土壤pH值呈升高趨勢，BP土壤pH值呈降低趨勢。在10～20 cm土層深度中，IP與CK相比具有顯著性差異（Plt;0.05）；在0～10 cm和20～30 cm土層深度中，不同取樣位置間的pH值與CK相比差異不顯著。

2.3 光伏板對土壤電導率的影響

圖4為不同土層和不同取樣位置土壤EC值的變化規律。隨著土層深度的增加，IP的土壤EC值先升高后降低趨勢，FP和BP的土壤EC值先降低后升高趨勢，UP的土壤EC值呈升高趨勢。0～10 cm和10～20 cm土層的不同取樣位置土壤EC值與CK相比無顯著性差異，20～30 cm土層中UP的土壤EC值（556.33 μS·cm-1）與CK相比具有顯著性差異（Plt;0.05）。

2.4 光伏板對土壤全氮的影響

不同土層和不同取樣位置土壤TN含量的變化規律如圖5所示。隨著土層深度的增加，CK的土壤TN含量呈升高趨勢，IP的土壤TN含量呈降低趨勢，FP和BP的土壤TN含量先升高后降低趨勢，UP的土壤TN含量先降低后升高趨勢。在0～10 cm土層IP的土壤TN含量最高（2.02 g·kg-1），在10～20 cm土層BP的土壤TN含量最高（1.90 g·kg-1），在20～30 cm土層CK的土壤TN含量最高。

2.5 光伏板對土壤全磷的影響

不同土層和不同取樣位置土壤TP含量的變化規律如圖6所示。隨著土層深度的增加，CK、IP和FP的土壤TP含量先降低后升高趨勢，UP和BP的土壤TP含量先升高后降低趨勢。在0～10 cm土層CK的土壤TP含量最高，在10～20 cm土層BP的土壤TP值最高（0.94 g·kg-1），在20～30 cm土層FP的土壤TP值達到最高（0.98 g·kg-1）。

2.6 光伏板對土壤有機碳的影響

圖7為不同土層和不同取樣位置土壤SOC含量的變化規律。隨著土層深度的增加，CK和FP的土壤SOC含量先升高后降低趨勢，UP的土壤SOC含量先降低后升高趨勢，IP和BP的土壤SOC含量呈降低趨勢。在0～10 cm土層IP的土壤SOC含量最高（13.75 g·kg-1），在20～30 cm土層CK的土壤SOC含量最高（12.80 g·kg-1）。

2.7 光伏板對土壤化學計量比的影響

光伏板對土壤C，N，P化學計量比在不同取樣位置和不同土層具有不同的影響（表1）。同一土層深度中，N∶P值在20～30 cm土層的不同取樣位置間具有顯著性差異（Plt;0.05）；在同一取樣位置中，FP的C∶P值在不同土層深度具有顯著性差異（Plt;0.05）。隨著土層深度的增加，CK和RP的C∶N呈降低趨勢，RP的C∶P呈降低趨勢，FP的N∶P呈降低趨勢。土壤C∶N在CK的0～10 cm土層中最高（8.64），在RP的20～30 cm土層中最低（5.32）；土壤C∶P在UP的0～10 cm土層中最高（21.83），在RP的20～30 cm土層中最低（11.68）；土壤N∶P在IP的10～20 cm土層中最高（3.05），在FP的20～30 cm土層中最低（1.73）。

2.8 土層深度和取樣位置對土壤理化因子交互作用

由表2可知，在不同土層中，SWC和SOC具有顯著差異（Plt;0.05）；在不同取樣位置中，SWC和pH值具有極顯著差異（Plt;0.01），EC和SOC具有顯著差異（Plt;0.05）；在不同土層和不同取樣位置交互下，SOC具有極顯著差異（Plt;0.01），SWC具有顯著差異（Plt;0.05）。

2.9 土壤理化性質與化學計量比的相關性分析

由圖8可知，C∶N和TN存在極顯著負相關性（Plt;0.01），C∶P和TP存在極顯著負相關性（Plt;0.01），N∶P和TP，N∶P和C∶N存在極顯著負相關性（Plt;0.01）。C∶N和SOC存在極顯著正相關性（Plt;0.01），C∶P和SOC，C∶P和C∶N存在極顯著正相關性（Plt;0.01），N∶P和TN，N∶P和C∶P存在極顯著正相關性（Plt;0.01）；N∶P和pH存在顯著正相關性（Plt;0.05）。

3 討論

3.1 光伏區異質環境對土壤理化特性的影響

光伏板的建設過程會對土壤產生擾動，這些擾動可能會改變土壤的結構和層次，同時光伏板存在遮陰集雨效果，也在影響著土壤理化特性的含量和分布［7］。光伏板區域能夠影響局部的光照、水分、溫度，因此也形成光伏板微環境氣候，導致光伏板區域的土壤、植被等因素的復雜多變，這也讓光伏板在使用期間對周圍植被的生長產生了影響，有研究結果表明光伏板的存在也有助于提升植被多樣性，陣列內植物的生物量高于陣列外，枯落物的分解重新進入土壤，使得土壤理化值增加，土壤酶活性發生改變［17-19］。

土壤水分是土壤系統元素運移及循環的載體，直接影響土壤理化特性和植物的生長，土壤含水量受降水［20］、土層深度［21］等多種因素影響，光伏板能夠影響土壤的水分蒸發和降水分布［22］。本研究結果表明光伏板處理區與對照組的土壤SWC，EC，TN，TP，SOC含量和pH值具有差異，光伏板建設一定程度上改善了土壤理化特性。具體來看，本研究中土壤含水量的變化較大（4.75%～16.74%），這主要受光伏板取樣位置和土層深度影響；在不同土層中，光伏板前檐的土壤含水量相比對照增加了47.75%，110.47%和226.74%，這是由于光伏板傾斜性，使得雨水能夠較多地聚集于此，并且光伏板的存在會使得水分蒸發速率減緩，使得該處的土壤含水量處于較高水平；隨著土層深度的增加，光伏板下和后檐的土壤含水量逐漸高于對照和板間，其中在10～30 cm土層中，板下和后檐土壤含水量之和相較于對照和板間土壤含水量之和高出23.92%，出現該現象的原因是由于光伏板具有遮陰效果，土壤水分蒸發較慢，隨著土層深度增加使得更多水分得以保存，而對照和板間的土壤則由于暴露在陽光下而土壤水分蒸發量較高，這與前人研究類似［19］。

本研究中各取樣位置的土壤pH值在8.48～8.75之間，土壤電導率在364.40～556.33 μS·cm-1之間，光伏板處理區的土壤pH值整體高于對照，出現該情況包括光伏區異質環境影響了土壤蒸發量、土壤溫度、土壤呼吸作用、土壤中化學反應速度、土壤酶活性變化、土壤通氣性和水分分布改變、植被物種和密度變化、地下根系的分布、土壤有機質的積累以及放牧等［7， 18-19， 23-25］。本研究中光伏板對土壤的TN，TP與對照相比無顯著性差異，部分取樣位置的土壤的TN和TP具有增加趨勢；光伏板處理區對土壤的SOC有顯著影響，0～10 cm土層中光伏板前檐土壤的SOC比對照降低39.96%，10～20 cm土層中光伏板間和光伏板下土壤的SOC比對照分別降低27.77%和47.54%，20～30 cm土層中光伏板后檐土壤的SOC比對照降低47.00%。上述研究結果與前人研究類似，光伏板的建設能夠有效改善土壤理化性質，土壤總肥力明顯提升［8， 17， 19， 23］。本試驗結果表明，建成5年的光伏電站在一定程度影響了該區域荒漠草地的土壤理化特性，并且因不同土層和取樣位置的差異而影響有所不同。

3.2 光伏區異質環境對土壤化學計量特征的影響

土壤C，N，P化學計量比反映土壤釋放氮、磷元素能力的重要指標，其含量反映了土壤養分狀況，直接影響植物群落［26-27］。本研究中，同一土層深度除N∶P值20～30 cm土層具有顯著性差異（Plt;0.05），其余土壤C，N，P化學計量比均無顯著性差異；不同土層和不同取樣位置C∶N和N∶P均無顯著性差異，C∶P具有顯著性差異（Plt;0.05）；隨著土層深度的增加，對照和后檐的C∶N呈降低趨勢，后檐的C∶P呈降低趨勢，前檐的N∶P呈降低趨勢；土壤C∶N在5.32～8.64，土壤C∶P在11.68～21.83，土壤N∶P在1.73～3.05，表明光伏板對土壤化學計量比和有機質分解的影響顯著，光伏板的存在可能加速了土壤有機質的分解和礦化過程，導致土壤SOC累計程度較低，從而影響了土壤理化性質和養分循環［28］。相關性分析表明C∶N和TN存在顯著負相關；C∶P和TP呈顯著負相關；N∶P與TP和C∶N呈顯著負相關；此外，C∶N和SOC呈顯著正相關；C∶P與SOC和C∶N呈顯著正相關；N∶P與TN和C∶P呈顯著正相關。土壤化學計量比由多種作用機制驅動，這些相關性分析結果更好地揭示了在光伏區異質環境中土壤化學計量比與土壤養分之間的相互關系，包括放牧、降雨、植被種類和生物量等因子都對C∶N∶P有不同程度的影響［29-30］。

本研究為建成5年的光伏電站，結果表明建成一定年限的光伏電站對荒漠草地土壤含水量的影響顯著，這將導致植被特征、土壤理化特性及化學計量特征發生顯著變化。土壤水分增加促進了更多植物種類生長，增加植被物種多樣性，植被結構復雜化，生態位分化和物種間相互作用增強；同時，植被覆蓋度和生產力將提高，促進植被的生長和發育，進而改善土壤理化指標和植被健康狀況。值得注意的是，一些對水分需求較高的植物或者一些外來入侵植物可能因為光伏區的異質環境而獲得優勢，包括禾本科、豆科和雜類草等植物陸續成為優勢種，而原本適應干旱條件的植物可能會逐漸減少，可能會導致植被群落結構的改變，這些變化可能對荒漠草地的生態系統產生影響；若在溫性草原或溫性草甸草原等其他草地類型中建設光伏電站，可能因光伏板下的遮陰效應、土壤類型、植被覆蓋、季節變化和氣候條件等因素的出現，會對土壤水分蒸發和土壤含水量的影響表現出波動性、持續性和穩定性等特定的規律［19， 31-34］。

綜上所述，今后在設計和運營光伏電站時，需要采取相應的管理措施，如合理補播生態草種、合理放牧等，以維持植被群落的穩定性，本研究對于更好的理解和評估光伏電站對土壤生態系統的影響具有重要現實意義。

4 結論

受光伏區異質環境的影響，土壤理化性質因土層深度和取樣位置的差異而有所不同，光伏板的建設增加了土壤含水量，對土壤pH值、電導率、全氮、全磷、有機碳有不同程度的改善作用。光伏電站的建設直接影響了土壤理化性質，有效改善了荒漠草地的土壤水分狀況，為植被的恢復提供有利條件。今后應當對不同草地類型下光伏電站的生物群落（包括土壤中的微生物、植物和動物）及其非生物環境（如氣候、土壤、水體等）進行長期監測，有助于進一步了解光伏電站建設對生態環境的影響。

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（責任編輯 "付宸）