光伏电板下沙打旺叶片性状及其养分差异研究

通旭芳， 汪季， 蒙仲举， 魏亚娟

(内蒙古农业大学沙漠治理学院,呼和浩特 010018)

当今，生态环境已逐步成为生产生活的焦点，恢复与发展生态环境成为当下一项重要工作[1-3]。我国西北地区沙漠面积广大，植被稀少，风沙活动频繁发生，严重影响了人们的正常生活，也带来了一定的经济损失。同时，该区域海拔高，气候干燥少雨，也是我国太阳能的富集区[4]，为了解决上述问题与矛盾，针对库布齐沙漠北缘独贵塔拉镇段，亿利资源集团在沙漠内大面积布设光伏电板，并在电板周边种植不同植物，真正实现了板上发电与板下种植的协调发展，形成了“发电+种植+扶贫”的特色光能产业，实现了修复沙漠、节能减排及扶贫开发的多重效益。

研究表明，光伏电板的布设直接或间接影响着局部气流、降水、太阳辐射、空气温湿度等因子[5]，对当地本就脆弱的生态环境产生了扰动影响[6]，进而影响植物生境[7]。Ingestad等[8]指出，局部环境的变化会迫使植物对养分的吸收、分配及利用做出新的选择，产生不同的环境适应策略，基本表现为外在生长形态与内在生理代谢及体内养分含量方面。生长形态上表现为株高、叶面积、比叶面积及叶片厚度等的变化[9-12]，养分方面表现为各矿物元素的变化，植物的生长往往会受到N和P的限制，成为植物生长发育的主要限制因素[13]。研究认为，N、P是植物在生长发育过程中至关重要的营养元素，对于合成核酸与蛋白质等方面发挥着关键作用[14-16]。养分供应的限制与否是生态系统发展稳定与否的前提条件，而植物的N:P作为判断养分供应状况的指标有着不可忽视的作用[17-18]。综上所述，光伏电板的遮荫效应通过改变植株生长的微气候环境，可以间接影响植物的生长发育。

沙打旺(Astragalusadsurgens)是豆科(Leguminosae)黄芪属(Astragalus membranaceus)多年生草本植物，主根粗壮，长度可达1.5～4.0 m，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、耐荫的优点，沙打旺主茎不明显，丛生性突出，因而可以起到良好的防风固沙的作用，是很好的防风固沙先锋植物[19]。同时沙打旺的固氮能力较强，是优良的绿肥作物。且有报道显示，沙打旺的茎叶中含有较丰富的营养物质[20]，将其调制成青干草或青贮饲料，可以发挥其饲用价值。因此，本研究以沙打旺为研究对象，对其株高、叶片长度、叶片厚度及单叶面积进行测定，并推算其比叶面积，这些指标可以外在表征沙打旺对光伏电板干扰的适应性；同时对其茎叶的氮、磷及粗蛋白含量进行了相关实验。本研究有利于明确分析光伏电板干扰下各位置沙打旺存在何种差异，进而合理利用光伏电板空间，在最适当的位置进行种植，充分发挥发电与种植的最大化效益。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于库布齐沙漠北缘鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇工业园区内，地理位置107°10′E～111°45′E、37°20′N～39°50′N[21]，属温带大陆性季风气候，年均降水量227 mm，年均蒸发量2 400 mm[22]，土壤为风沙土，平均盖度不足5%。试验样地位于工业园区内亿利生态三期光伏电站(100 MW)，该电站2016年投入使用，试验选取的固定光伏电板呈东西走向，板面朝南，一行由12块电板组成，一块电板有34块电池，板面尺寸为400 cm×800 cm，倾斜角度为36°，板后沿边缘与地面的垂直距离为300 cm，板前沿边缘与地面的垂直距离为50 cm，南北方向相邻电板的板间距离为900 cm，东西方向相邻电板的行道距离为110 cm。

1.2 试验与设计

为了合理利用电板周边空间位置以及实现更好的防风固沙效能，于2016年在板间、板前沿、板后沿、板下种植沙打旺，种植方式为穴播。考虑到下垫面的影响以及成活率，对电板周边进行了铺平设置并下覆基质统一红壤土处理，以保证下垫面一致。在风沙期过后雨季之前，将提前购置的同一批种子置于洞穴内，间隔1 m，覆1～2 cm土层，以无电板遮挡区作为对照。如图1所示，分别在板前沿(A)、板后沿(B)、板下(C)(下文光伏电板不同位置以A、B、C代替，对照CK为无光伏电板遮挡区)呈东西方向布设3条50 m长的样线，分别为样线1、2、3，在每条样线上以10 m为间隔打3个50 cm×50 cm的样方。2019年沙打旺生长季(5—9月)，在测量完株高及叶片性状之后，采取无泥土的新鲜的沙打旺茎叶若干，置于烘箱中105 ℃杀青20 min后，将烘箱温度调至85 ℃烘干备用，外业试验分别于5月初(10—12日)、6、7、8、9月底(每月24—28日)进行，内业试验分别于采样后的7 d内完成，最后选取沙打旺生长旺盛期(6—8月)的相关数据进行分析。

图1 样线布设及取样示意图Fig.1 Layout and sampling diagram of the sample line

根据对实验样地光伏电板各位置遮荫时间的观察发现，6月板前沿(A)、板后沿(B)、板下(C)的遮荫时间分别为2 h 35 min、9 h 10 min、10 h 20 min；7月分别为2 h、9 h 30 min、10 h 40 min；8月分别为20 min、10 h 25 min、10 h 40 min。因此，光伏电板不同位置的遮荫时间呈板下>板后沿>板前沿>对照(0 min)，即C>B>A>CK。

1.3 测定指标及方法

①株高采用卷尺测量(精度为cm)。

②叶长、叶片厚度采用游标卡尺(精度为mm)进行测量；单叶面积是将测量完叶长、叶片厚度的叶片置于一张固定的已知面积的黑色硬纸片上(参照物)，在固定的高度进行拍照，用photoshop软件处理。单叶面积计算公式如下。

式中，Sleaf为叶片实际面积；Nleaf为叶片像素点；Nreference为参照物像素点；Sreference为参照物面积。

上述三方面内容只是对历史农业地理现象进行复原，属于历史农业地理研究工作的初级阶段，之所以对历史农业地理进行深入研究，主要是为了深入考察农业发展变化现象及其变化产生的原因，总结农业发展规律，对相关生产经验进行科学总结，为现代农业发展提供科学指导，从而更好地服务人类，提高人们生活水平，真正体现以人为本。[8]

比叶面积计算公式如下。

③生物量鲜重采用收获法，在样方内齐地刈割并用千分之一天平称取鲜重(精度为0.001 g)。

④茎叶N、P含量采用H2SO4-H2O2消煮法，通过凯氏定氮法测定N含量，钒钼黄比色法测定P含量。粗蛋白(crude protein，CP)含量计算公式[23]如下。

粗蛋白含量=6.25×N含量

1.4 数据处理

采用Excel 2013处理数据并绘图，采用SPSS 17.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 光伏电板干扰条件下沙打旺株高变化

表1显示，6—8月沙打旺株高均表现为遮荫位置大于对照，且遮荫时间最长的板下C的株高出现最大值，即C>A>B>CK。具体表现为6月C、A、B分别较对照增加了30.70%、19.04%及9.73%，对照CK显著低于板下C与板前沿A；7月C、A、B分别比对照CK增加了87.50%、57.38%及27.88%，CK显著低于C与A；8月C、A、B分别比对照CK增加了99.97%、71.73%及42.39%，各位置差异显著。综上，在生长旺盛期光伏电板遮荫效应有利于沙打旺的纵向发展，且在时间尺度上，各位置沙打旺的株高呈8月>7月>6月，这与遮荫后光环境的比例分配变化有关，沙打旺需要通过增加株高来提高光能利用率，从而适应光伏电板的遮荫。

表1 沙打旺株高变化 Table 1 Changes of plant height of A. adsurgens (cm)

2.2 光伏电板干扰条件下沙打旺叶片性状变化

表2 沙打旺叶片性状变化Table 2 Changes of leaf traits in A. adsurgens

表2中数据显示，沙打旺6—8月的叶片厚度均为CK>A>B>C，6月最大值CK分别比其他3个位置增加19.05%、31.58%及78.57%，CK显著高于电板周边位置；7月最大值CK分别比其他3个位置增加10.00%、37.50%及57.14%，CK显著高于电板周边位置；8月CK比最小值C增加了133.33%，CK与B和C差异显著。这表明，遮荫后沙打旺叶片出现变薄的现象。

单叶面积6月呈CK>B>A>C，最大值比最小值增加了82.28%，CK与A和C差异显著；7月呈C>B>CK>A，最大值比最小值增加了60.67%，C与B分别比CK增加了37.50%、31.73%，CK与B和C差异显著；8月呈C>B>A>CK，最大值比最小值增加了105.88%，A与B分别比CK增加了19.12%、32.35%，CK与C差异显著。这说明，遮荫后沙打旺叶面积会增大，目的在于吸收更多的光能。

比叶面积6月与7月均呈C>B>CK>A。6月C与B分别比CK增加了35.71%、24.61%，但各位置无差异；7月C与B分别比CK增加了22.53%、21.37%，CK与各位置差异较显著；8月呈C>B>A>CK，各位置依次分别比CK增加了53.67%、66.45%、115.63%，CK及C分别与各位置差异显著。

综上所述，沙打旺在6—8月的生长旺盛期期间，板前沿A、板后沿B及板下C叶片逐渐变长变薄变大。其中，板下C变化最为明显，这是由于光伏电板的遮荫后，沙打旺通过以上方式来捕获更多光量子，以减小光强减弱造成的影响，弥补因遮荫时间缩短造成光合作用下降的不足，而对照的叶片逐渐变短变厚变小，是为了实现提高储水能力的目的，并通过减小叶面积来缩小水分的蒸腾量，这是沙打旺为适应环境做出的生长调节机制，这些变化与小气候的变化密切相关。因而，电板周边的沙打旺生长发育的状态较好。

2.3 光伏电板干扰条件下沙打旺茎叶养分含量变化

2.3.1光伏电板干扰条件下沙打旺茎叶N含量、CP含量变化 由图2可知，6月各位置沙打旺茎叶的N含量呈B>C>A>CK，最大值与最小值分别为3.89%、1.42%，3个位置依次分别比CK增加了1.52%、2.46%、2.13%，CK沙打旺的N含量显著低于其他3处；7月N含量呈C>B>A>CK，最大值为4.21%，比CK增加了3.24%，A与B较CK增加了1.49%、3.05%，CK沙打旺N含量显著低于各位置；8月沙打旺N含量呈B>A>C>CK，最大值B比CK增加了1.09%，A与C分别比CK增加了0.97%、0.47%，各位置之间无差异。光伏电板的遮荫使得沙打旺对蓝紫光的吸收程度加强，从而促使原来的碳代谢转换为氮代谢，所以会出现N含量增加的现象。6月CP最大值为B，达到24.31%，最小值CK仅8.91%，3个位置依次分别比CK增加了9.48%、15.40%、13.30%；7月CP最大值C达到26.29%，最小值CK仅6.07%，C比CK增加了20.22%；8月CP各位置含量分别为30.86%、31.60%、27.75%、24.79%，分别比CK增加了6.07%、6.81%、2.96%。综上所述，6—8月沙打旺的N含量与CP含量在光伏电板遮荫位置，即板前沿、板后沿及板下均高于对照，也就是说光伏电板周边的沙打旺有更好的氮吸收能力。

注：不同小写字母表示同一时间不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different small letters under the different treatments at the same time indicate significant difference at P<0.05 level.图2 不同时间下沙打旺茎叶氮含量和粗蛋白含量Fig.2 N and CP content in stems and leaves of A. adsurgens at different time

2.3.2光伏电板干扰条件下沙打旺茎叶P含量变化 表3显示，6月沙打旺的P含量B处最大，比最小值C增加了0.04%，比CK增加了0.02%，CK与各位置存在比较显著的差异；7月呈C>B>CK>A，C处成为了P含量最大的位置，比CK增加了0.08%，比最小值A增加了0.09%，B比CK增加了0.03%，CK显著低于C；8月C含量最高，比CK增加了0.06%，CK与各位置差异较显著。光伏电板对周边沙打旺P含量的积累与释放并无太大影响，但是电板的遮荫效应总体利于沙打旺P含量的积累。

表3 沙打旺茎叶P含量 Table 3 P content in stems and leaves of A. adsurgens

2.3.3光伏电板干扰条件下沙打旺茎叶N:P的变化 如表4所示，6月沙打旺的N:P比值呈C>A>B>CK，C比最小值CK增加了2.27%，A与B比CK增加了1.58%、1.23%，CK显著低于其他位置；7月呈B>A>C>CK，各位置分别比CK增加了1.83%、1.87%、0.90%，且各位置之间无差异；8月呈B>A>CK>C，A与B分别比CK增加了0.36%、0.40%，C比CK减少了0.16%，CK与各位置差异较显著。无论几月，各位置沙打旺N:P>14，说明沙打旺生长并不受N的限制，可见光伏电板的布设对N的积累并无消极影响。A、B及C的N:P>16，说明沙打旺生长受到了P的限制，而6月与7月CK的N:P介于14与16之间，沙打旺生长受到N与P的共同限制。所以，在光伏电板周边种植沙打旺可以避免N对其生长发育的限制作用，使沙打旺有较好的N吸收能力。

表4 沙打旺茎叶N:P变化 Table 4 Changes of stem and leaf N:P of A. adsurgens

2.4 光伏电板干扰条件下沙打旺地上生物量变化

由图3可以直观地看出，在50 cm×50 cm的样方内，光伏电板各位置沙打旺的地上生物量的含量呈A>C>B>CK，最大值可以达到116.00 g·cm-2，最小值为27.51 g·cm-2，CK分别比A、C、B减少了76.28%、46.67%及58.38%，A、C与CK显著，B与CK较显著。光伏电板的遮荫效应使得沙打旺优先促进茎秆与叶片的增长，所以生物量鲜重较对照有所增加。

注：不同小写字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different small letters indicate significant difference at P<0.05 level.图3 沙打旺地上生物鲜重Fig.3 Fresh weight of aboveground biomass of A. adsurgens

3 讨论

对实验样地观察发现，日照时数呈板下<板后沿<板前沿<对照，说明电板周边3个位置的太阳日照时间均小于对照，因此形成了不同的微气候环境。光伏电板的遮挡，直接减少了太阳对地面的直射时间与面积，降低了太阳辐射量。殷代英等[24]通过光伏电站对共和盆地荒漠区微气候的影响研究发现，试验期间8月与9月的无光伏电板遮挡的对照点太阳总辐射分别为641.93、505.45 MJ·m-2，而电站内分别为569.45、470.97 MJ·m-2，对比之下分别降低了11.3%与6.8%。此外，光伏电板的布设降低了周边的空气温度与土壤温度。刘建等[25]对“农地种电”型光伏电站的研究证明了光伏电板有降低周边空气温度的作用，使得光伏组件下部气温<光伏阵列间气温<露地气温，三者之间最大差值为2.4 ℃；殷代英等[24]研究发现，电站内的气温低于对照且电站内的土壤温度较对照处的温度低，10、20、40 cm处平均土壤温度分别降低了17.20%、16.75%、16.09%；高晓清等[26]通过研究光伏电站对格尔木荒漠地区土壤温度的影响，证明了站内温度明显低于对照，说明光伏电板可以起到隔热作用；赵鹏宇[5]对乌兰布和沙漠边缘的光伏电站所做的研究表明，旷野(35.89 ℃)>电站南部(34.76 ℃)>北部区域(34.72 ℃)>电站中心(32.69 ℃)，也证明了该结论。因此，电板遮荫可使太阳辐射、气温和地温降低，空气和土壤湿度增加，而这些变化影响了沙打旺的生长发育。

3.1 光伏电板不同位置条件对沙打旺株高的影响

本研究结果表明，种植在光伏电板周边的沙打旺株高明显高于对照，且6—8月均在板下达到最大值，且沙打旺株高均在逐月增加，板前沿增加了109.01%，板后沿增加了87.99%，板下增加了121.65%，然而对照却只增加了44.87%。可见，电板周边种植沙打旺的株高情况比对照具有优势，这是由于光伏电板的遮荫效应使得沙打旺的物质分配做出改变，茎分配比例增加[27]，所以会先保证地上部分的生长，从而促进了沙打旺的纵向发展，以利于其用株高优势来捕获更多的光量子。许多研究均发现，适当遮荫会促使植物通过增加株高来主动适应遮荫环境[28-31]，且沙打旺属于耐荫植物，相对比较适合在遮荫条件下生长。

3.2 光伏电板不同位置条件对沙打旺叶片性状的影响

叶片具有很强的可塑性，不同的生长环境会产生明显差异。张建新等[32]研究指出，植物叶片厚度变薄、比叶面积>175 cm2·g-1是判断植物是否为耐阴植物的部分标准。可见，沙打旺对异质光环境有较强的适应能力，出现这些现象的原因是在光伏电板遮荫后，光环境中的蓝紫光比例增加，红光比例减小[33]，而叶片变大是沙打旺增加捕光面积的方式，利于充分吸收光能，从而达到维持其正常生活的目的。本研究发现板前沿、板后沿及板下叶片逐渐变长变薄变大，其中板下变化最为明显，而对照的叶片逐渐变短变厚变小，比叶面积的变化可以证明这一点，板下沙打旺的比叶面积由188.45 cm2·g-1增加至220.24 cm2·g-1，而对照处由138.86 cm2·g-1缩减至102.14 cm2·g-1，这些变化与小气候的变化密切相关。诸多研究都证明了小气候的变化会迫使植物出现叶片变薄变大的现象[34-37]。

3.3 光伏电板不同位置条件对沙打旺茎叶养分的影响

N、P是植物生长发育的必要营养元素[9]，粗蛋白是衡量植物品质的重要指标之一[38]。有学者研究发现，不同的光照条件(如光照强度、光照时间)会对植物养分的产生与积累有影响[39]。本研究发现，沙打旺的N含量与其粗蛋白含量的变化呈正相关，光伏电板周边位置沙打旺的N含量与粗蛋白含量均大于对照，而P含量则在光照时间最短的板下有明显增加，一方面是因为蓝紫光的增加会使得沙打旺的碳代谢转化为氮代谢，加强了氮代谢能力[40]，另一方面是由于遮荫后光合产物减少，从而消除了光合产物增多对N的稀释作用，因此N的积累起到了积极作用[41]，且N含量增加会引起P含量相对应的增加，这与内稳态机制有关[18]。潘福霞等[42]研究发现，遮荫使得紫云英的N含量增加，适度遮荫会促进其P含量的累积；马志良等[43]研究认为，遮荫对P有促进积累的作用，对N影响不显著；颉洪涛等[44]研究证明，耐荫植物在弱光环境下会将更多的养分和能量传输到地上部分，所以利于养分的积累。本研究的结论与这些结论基本一致。

N：P是用来判断植物生长受限状况的指标[9]。Koerselman等[14]认为当N:P<14时，植物生长发育会受到N的限制；当N:P>16时，受P的影响；在14～16之间会受二者的共同限制。本研究发现各位置沙打旺的生长受到P的限制较为严重。覃凤飞等[45]研究发现，夏季遮荫会减小高温天气对紫花苜蓿的伤害程度，从而减少叶片凋落量，增加紫花苜蓿的地上生物量；颉洪涛等[44]认为光强减弱会对植物的生长率产生影响，从而影响生物量的积累，山杜英、朱砂根、红茴香的生物量会随着光强的减弱呈先增加后减少的趋势，但红茴香生物量在极低光环境下会出现增加的现象。本研究中板前沿、板后沿及板下沙打旺的地上生物量鲜重均大于对照，说明电板遮荫利于耐荫植物的生物量积累。

综上所述，本研究表明，在光伏电板周边种植沙打旺的优势大于对照，不仅可以促进外在形态上的生长发育，还可以对其体内养分含量及地上生物量的积累有一定的促进作用，使其发挥更好的饲用价值，且通过生长形态可以判断沙打旺属于耐阴植物，光伏电板的遮荫效应恰好为其提供了良好的生长环境。