光伏电站工程对土壤与植被的影响——以甘肃河西走廊荒漠戈壁区为例

周茂荣， 王喜君

(甘肃省水土保持科学研究所，730020, 兰州)

随着经济社会的高速发展，各类生产建设项目建设规模与投资力度日益加大，在建设、生产过程中不可避免地出现挖填、堆弃、碾压活动，占压、扰动并破坏了原地表及植被，从而对建设区域的土壤环境与植被造成一定影响。光伏电站工程建设对区域土壤环境与植被的影响有其特殊性，针对其影响特点、遵循因地制宜、因害设防的原则，如何布设行之有效的防治措施是防治光伏电站建设中新增水土流失的关键；因此，研究光伏电站建设过程中对土壤环境与植被的影响具有重要的现实意义[1]。

甘肃河西走廊荒漠戈壁区，降雨稀少，蒸发量大，植被稀疏，风大沙多，生境严酷，是我国典型的风力侵蚀区，也是西北地区主要的沙尘暴发源地。随着生产建设项目的实施原有地表结皮和植被遭到破坏，引起了新增水土流失，从而使原本脆弱的生态环境更趋恶化；因此，做好开发中的保护工作就必须引起全社会的高度重视，做到在开发中保护和在保护中开发相结合[2]。笔者通过对甘肃河西走廊荒漠戈壁区6个已建光伏电站对生态环境的影响调查、分析，初步了解了光伏电站建设不同时段对生态环境的影响情况，以期为甘肃河西走廊荒漠戈壁区光伏电站建设过程中的生态保护工作提供技术支撑[3]。

1 研究区概况

1)自然背景。河西走廊是中国内地通往新疆的要道，东起乌鞘岭，西至古玉门关，南北介于南山(祁连山和阿尔金山)和北山(马鬃山、合黎山和龙首山)之间，长约900 km，宽数km至近百km，为西北—东南走向的狭长平地。在行政区划上从东向西依次为甘肃省武威市、金昌市、张掖市、酒泉市和嘉峪关市，地理坐标介于E 92°45′～104°15′，N 36°35′～42°45′之间，地形大部分为祁连山北麓冲积-洪积扇构成的山前倾斜平原。在全国土壤侵蚀类型区中属 “三北” 戈壁沙漠及沙地风沙区，其东面有腾格里沙漠、北面有巴丹吉林沙漠、西面有库姆塔格沙漠，沙漠和零星沙地面积约754 km2，戈壁面积约8.55万km2[4]。

该区南侧为祁连山脉，其他3面被沙漠包围[3]。气候属大陆性干旱气候，气候干燥，冷热变化剧烈，风大沙多，降雨稀少，按甘肃省1981—2010年气象资料，各市多年平均降水量为：武威171.1 mm，张掖132.6 mm，酒泉88.4 mm，嘉峪81.5 mm，敦煌39.8 mm；酒泉以东干燥度为4～8，以西为8～24，敦煌市、瓜州县属于极端干旱区[5]。

2)光伏电站工程背景。河西走廊太阳能资源丰富，被誉为“陆地三峡”，目前，凉州区、金昌市、民勤县、肃州区、金塔县、嘉峪关市、敦煌市等地已建成的百万千瓦级光电基地运行良好，截至2016年底，研究区内已有光伏产业园区19个，入驻光伏企业107家， 累计装机容量422.4万kW，仅次于青海的580.4万kW。

本研究从东向西选择了武威、张掖、嘉峪关3市的6个典型光伏电站，采用定位观测、巡查监测和查阅水土保持监测资料相结合的方法进行了土壤环境与植被影响调查，6个光伏电站基本情况见表1。

2 荒漠戈壁区光伏电站工程对土壤环境的影响

2.1 光伏电站工程对土壤养分的影响

光伏电站施工中的道路修筑、光电池板区局部场地平整、光伏板支架基础施工、逆变器室、电缆沟的基础开挖、土方回填、设备安装等，都不可避免地扰动原地貌、破坏地表植被，从而对土壤和植被造成一定的影响[6]。

表1 监测与调查光伏电站情况Tab.1 Information of measured and investigated photovoltaic power stations

2017年6月课题组在武威市凉州区丰乐镇光伏园区中国水电武威50 MW光伏电站、张掖市临泽县扎尔敦滩光电产业园区吉林交通临泽县50 MW光伏电站、嘉峪关市西戈壁光电产业园区华电新能源107 MW光伏电站等6个典型光伏电站场内、外采集了36个土样，由甲级检测单位甘肃宏强工程检测有限公司负责对场内、外土壤养分、水分等进行了化验，土样养分化验结果见表2。

从表2看出，pH、全氮、全磷、全钾、有机质、有效磷光伏板间扰动后自然恢复区域与光伏电站外未扰动区域差异不大，土壤养分变化不明显。水解性氮、速效钾光伏板间扰动后自然恢复区域明显高于光伏电站外未扰动区域。

经过对6个电站土壤水解性氮、土壤速效钾的综合计算、分析，扰动后自然恢复区域(A)与未扰动区域(B)相比：水解性氮在0～10 cm土层A比B高42.91%，在10～30 cm土层A比B高48.81%，在30～50 cm土层A比B高10.05%。土壤速效钾在0～10 cm土层A比B高11.15%，在10～30 cm土层A比B高17.72%， 在30～50 cm土层A比B高33.92%。

2.2 光伏电站工程对土壤含水比例的影响

6个光伏电站的平均土壤含水比例情况如表3所示。

从表3可以看出，光伏电站内光伏板间扰动后自然恢复区域土壤含水率明显高于光伏电站外未扰动区域，不同深度土层含水量变化最大的是10～30 cm层。造成这一结果的原因是光伏面板的集流作用、遮阴作用以及光伏电站内风速相对较小等。

3 荒漠戈壁区光伏电站工程对植被的影响

3.1 光伏电站工程对原有植被的影响

光伏电站建设过程中由于基础开挖、扰动地表，对原有植被造成严重破坏。工程建成后，由于建筑物的占压、光伏面板的遮挡对植被的恢复亦产生或多或少的影响。通过对甘肃河西走廊荒漠戈壁区已建光伏电站植被变化情况的调查研究，得出以下结论：

1)甘肃河西走廊荒漠戈壁区光伏电站建设前原地貌植被覆盖率一般在10%～15%，建设中植被覆盖率下降到2%左右，施工结束工程进入运行期后植被逐渐恢复，工程运行3～5年后植被覆盖率一般能恢复至8%左右。

2)荒漠戈壁区水是限制植物生长的主要因素，因此，提高土壤含水量是恢复植被的有限途径。

3)施工中减少扰动强度可保留部分植物根系，有利于植被恢复，因此，在光伏电站建设中要尽可能采用对地表扰动强度小的螺旋钢管桩基础[7]，光伏面板布设依照地形用支架调整面板高度[8]，尽可能不进行场地平整，从而达到减轻地表扰动强度和减少扰动地表面积的目的。

4)荒漠戈壁区地表土壤中含有较丰富的植物种子，为植被自然恢复创造了条件，因此，种子不是光伏电站植被恢复的主要限制因子。

5)施工扰动面压盖砂石不利用植被恢复。

6)光伏电站植被恢复的主要区域为光伏面板间及光伏面板下，由于光伏面板的集流及遮阴作用，该区域水分条件相对较好，有利用植被的生长。

表2 光伏电站内外土壤养分变化Tab.2 Variations of soil nutrients inside and outside photovoltaic power stations

3.2 光伏电站工程对生态环境的影响

由于甘肃河西走廊气候寒冷、降水稀少、多风沙，因此，植被具有显著的地域特征，在环境演变中河西走廊荒漠戈壁植物种群向着耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙的的方向发展，形成了以多枝柽柳(TamarixramosissimaLcdcb)、红砂 (ReaumuriaLinn.)、白刺(NitrariatangutorumBobr)、沙蒿(Artemisiadesertorum)为代表的原生物种。光伏电站建设对生态环境的影响主要表现在对自然生态系统和区域环境的影响2方面。

1)对自然生态系统的影响。许申来等[9]认为工程建设一般会对区域土壤、植被、物种多样性、生态环境造成一定的影响，工程施工部门、环境保护部门应高度重视工程建设带来的影响，并且要求施工完成后必须进行必要的地貌、土壤和植被恢复[5]。工程施工对自然生态系统的影响主要表现为对植物群落中物种多样性的影响，从生态学的演替理论看，受到干扰和破坏的生态系统其物种多样性下降，干扰停止有可能随演替进程多样性指数上升并恢复到原有水平。工程施工过程是对原有生态系统的一种扰动，受到破坏和干扰严重时物种多样性值降的较低，自然条件严酷时恢复过程慢，自然条件好时恢复过程较快。同一工程，不同的施工工艺对生态环境的影响程度差异很大，如光伏阵列支架基础采用螺旋钢管桩基础，可大大降低光伏阵列支架基础施工时的土石方开挖量，从而有效减小对原有植被的破坏程度，工程建设对生态环境的影响一般反映在植被面积和植物种群多样性的变化方面。

表3 光伏电站内外土壤水分统计表Tab.3 Statistics of soil moisture inside and outside photovoltaic power stations

光伏电站的选址与其对生态的影响极为相关，按照建设地点生物群落和生物多样性的不同分为森林、草地、沙漠、沙漠灌木林和农田。一般而言，生物多样性的不同是与本地的气候条件尤其是降雨量相关[10]。光伏电站建设项目对生态系统及其物种多样性的影响，可分为工程建设期、运行期2个阶段，其中工程建设期的土建施工阶段影响最大。工程建设期土建施工阶段土石方开挖、机械碾压对物种的多样性影响最大，对原地貌的扰动强度决定了对物种多样性的影响程度。

根据甘肃河西走廊光伏电站工程建设特征，工程建设对生态系统及其生物多样性的影响主要表现在：光电池板区(场地局部平整、光伏板支架基础开挖、集电线路沟槽开挖、逆变器基础开挖)、站内道路区(场内混凝土主干道、压砂检修及清洁道路修筑)、集控中心区(场地平整、建筑物基础开挖、场院混凝土硬化)、围栏边界区、施工生产生活区、场外道路管线区(管沟开挖等)的土石方挖填、堆弃以及对地表的碾压，所造成的原有植物破坏和植被生长条件的改变等方面。因植被覆盖率降低、生物量减少，从而造成生态系统的结构和功能下降，进而影响到区域的生态环境和物种的多样性。工程建设对区域生态环境及植被多样性影响见表4。

2)对区域环境的影响。光伏电站建设过程中由于挖填(基础开挖、回填)、堆弃(临时堆土、弃土、弃渣)碾压(机械碾压、建筑材料、设备堆压)，不可避免地对区域环境造成一定的影响。

光伏电站在建设过程中，施工作业面大，将不可避免地扰动原有地貌，对区域内社会和自然环境带来不同程度的影响[11]。建设时施工道路修建、场地平整、材料堆放、基础开挖、电缆沟开挖等施工活动会造成地表扰动，植被破坏，导致新增水土流失[12]。甘肃河西走廊荒漠戈壁区生态脆弱，光伏电站建设扰动了原地貌，破坏了多年形成的地表结皮，势必造成水土流失和扬尘，甚至引发沙尘暴。建设过程中的废弃物和施工生活垃圾、弃土及废润滑油、废柴油等处置不当，都会对环境造成很大影响。

4 结论

1)光伏电站建设过程中对原地表的挖填、堆弃、碾压，不可避免地对原地表土壤造成扰动，研究结果表明：扰动后土壤的PH、全氮、全磷、全钾、有机质、有效磷与扰动前差异不大，但土壤水解性氮、速效钾明显高于未扰动区域。

2)光伏电站在建设过程中对原有植被和地表结皮破坏较大，地表结皮的破坏，加剧水土流失和扬尘，甚至引发沙尘暴。植被的破坏，降低了植被的覆盖率，引起了生态环境的恶化和植物种群多样性的减少。

3)因光伏面板对降雨有集流作用，因此，光伏电站内光伏板间扰动后自然恢复区域土壤水分明显高于光伏电站外未扰动区域。

5 建议

从该研究工作可以得出对未来在该地区发展光伏电站如何更好地保持生态平衡的建议：

1)光伏电站在设备选型时要选择光电转化效率高的光伏组件，同时在地质条件许可的前提下光伏面板支架基础优先选择土石方量最小的螺旋钢管桩基础[13]。

在地形无明显起伏，地面自然坡度小于或等于3°的平原地区，“光伏组件转化效率”提高1%，“光伏方阵场区”的占地面积减少5%～9%。

表4 工程建设对区域生态环境及植被多样性影响Tab.4 Influence of engineering construction on regional ecosystem and plant population diversity

2)从工程的可研设计阶段就要重视环境保护工作，将环境保护工作贯彻于工程建设的全过程，使各参建单位树立减少扰动就是最大保护的思想，做到文明施工[14]。

3)可利用光伏面板的集流作用发展特色林果业。