植被恢复对干旱区生态光伏电站土壤团聚体组成及有机碳的影响

2022-08-25刘美英郝孟婕王清宇

水土保持研究 2022年5期

赵晶, 刘美英, 郝孟婕, 王清宇

(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，呼和浩特 010018)

光伏发电具有分布性广，可再生性等优点，并且在我国政策的支持下，光伏产业在国内的发展蒸蒸日上[1]。内蒙古地区地域辽阔，气候干燥，大面积的太阳能资源和较长的日照时间为开发光伏产业创造了得天独厚的条件。然而大型光伏电站在场地准备过程中，移除天然植被，翻动土地，并添加压实填料等工作破坏了土壤结构[2]，改变了土壤的物理、化学和生物特性，从而影响水分和养分的动态平衡[3]。所以后期对光伏电站内土壤进行植被恢复工作有很高的生态效益[4]，不仅能有效减轻风蚀，还能提高土壤结构的稳定性。土壤团聚体是土壤结构的基本单元[5]，同时其数量和质量不仅能维持土壤结构的稳定，还能保护土壤有机碳[6]。所以土壤团聚体分布和稳定还与土壤有机碳密不可分[7]，同时团聚体也是土壤有机碳转化和固存的主要场所[8]。有研究表明富含有机碳大团聚体数量的增加会促进有机碳含量的增加[9]，提高团聚体的稳定性可提高土壤固碳能力。

随着国家践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，推进生态文明建设，减轻太阳能光伏安装和运行对生态环境影响的策略逐渐被人们重视。大量的研究表明植被恢复不仅影响土壤团聚体分布特征和稳定性，还会加速土壤颗粒的胶结作用，使不同大小的团聚体重新分布，最终决定土壤养分积累量[10-11]。不同植被类型下土壤团聚体的分布特征和其稳定性一般不同。陈静等人[12]发现相比于农耕地，核桃林地、黑麦草和天然灌草样地内水稳定性大团聚体含量会增加。Sun等[13]的研究也证明了建植可以显著提高土壤大团聚体含量，并且合理的种植方式可以有效增加碳汇[14]。人工造林种草作为一种有效遏制风沙的手段，不仅可以促进生态系统结构和功能的恢复，进而驱动微生物分解枯落物增加养分，还可以改善土壤结构，不同程度的改善了干旱区土壤的理化性质[15-16]。目前国内外对光伏产业领域的研究主要集中在光伏电板的降尘[17]以及提高光伏电板发电效率[18]，而在干旱区生态光伏电站土壤方面研究多集中在风沙危害方向[19]；而关于土壤团聚体稳定性及有机碳多集中在农田生态系统[20-21]且研究区域聚集在黄土高原[22-23]，但关于电站内土壤团聚体分布和有机碳变化特征研究较少。基于此从团聚体稳定性及其有机碳的角度去研究电站人工林草治理措施的成效，对干旱区电站进一步治理以及选取最佳的植被恢复模式意义重大。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古呼和浩特市土默特左旗沙尔沁乡的大有光能源30 MWp光伏农林牧示范基地内，地理位置东经110°47′，北纬40°36′。属于温带大陆性季风气候，常年气候干燥，并且年均蒸发量(1 870 mm)远高于年均降水量(399 mm)。电站在未进行植被恢复工作前大面积分布着风沙土，其特点是养分含量较低(表1)。沙质属性决定了土壤易遭受风蚀，尤其在地表裸露、干旱多风的春季，风蚀更为强烈。2013年后，电站开展了土地平整工作，并在电板间人工种植了樟子松(PinussylvestrisL.)、苜蓿(MedicagosativaL.)和黄芪(Astragalusmembranaceus)等。光伏板阵列行间距为10 m，每年秋季为防火对每行电板过道的植被进行修剪，并且在前檐下方设置2.5 m的防火隔离带。

表1 不同植被类型土壤理化性质

1.2 样品采集与试验方法

在2019年6月中旬采集了土壤样本。试验地以生态治理为主，选取具有代表性的樟子松、苜蓿和黄芪3种植被已经治理6 a的试验样地为研究对象，并以电站未进行植被恢复工作的土地为对照。在光伏板间靠近前檐位置进行土样采集，每个样地设置3个采样点，按照“S”型取样法采集3个重复样，并将每个样点的重复样混合。土壤剖面深度为40 cm。分0—20 cm和20—40 cm两层取原状土样并放入塑料盒内，带回实验室，测定土壤团聚体。

水稳性团聚体的测定采用湿筛法[24]。试验用国产TTF-100型土壤团聚体分析仪，称取50 g风干土，套筛孔径从上到下依次为2.0 mm，0.25 mm，0.053 mm，用蒸馏水充分润湿后(整个套筛处于最上端确保最顶层筛的土样被水淹没状态)，每组样品以60次/min分析3 min后收集各级筛子上的团聚体并分别转移到已知重量的铝盒内，在100℃下烘干，称量，并计算水稳性团聚体组成。

土壤团聚体有机碳的测定：将湿筛后的各粒径土壤团聚体土样烘干过0.25 mm的筛，然后用重铬酸钾容量法测定[25]。

选择平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)作为土壤团聚体稳定性的评价指标[26-28]。其计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

两边分别取以10为底的对数：

(4)

各粒径团聚体土壤总有机碳的贡献率计算公式[29]为：各粒径团聚体有机碳贡献率(%)=(各粒径团聚体有机碳含量×各粒级团聚体含量×100)/耕层土壤总有机碳含量。

1.3 数据处理与分析

文中基础数据和图、表利用Excel 2007分析和制作，并用SAS 9.2进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson法进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤水稳性团聚体的分布特征

3种植被类型各粒径水稳定性团聚体组分见表2。在0—20 cm土层中，不同植被类型下土壤各粒径团聚体分布特征差异显著(p<0.05，下同)。对照以0.25～0.053 mm团聚体为主体，而樟子松、黄芪以及苜蓿中>2 mm团聚体组成比例最高，依次为黄芪(59.66%)>樟子松(55.08%)>苜蓿(44.06%)>对照(39.52%)，且四者差异性显著。土地利用方式从裸地转化成人工林草地后，樟子松、黄芪和苜蓿地0.25～0.053 mm团聚体含量均在一定程度上有所下降，分别比对照降低了14.16%，20.56%，9.33%，且四者差异性显著。

在20—40 cm土层内，除对照外的其他3种样地的0.25～0.053 mm含量均呈下降趋势，且四者有显著差异。除樟子松外，对照、黄芪和苜蓿地的2～0.25 mm团聚体有所增加，且不包括对照的3种样地<0.053 mm的团聚体也在一定程度上增加，四者差异性显著。而>2 mm粒径团聚体含量变化表现为樟子松(53.53%)>黄芪(46.36%)>苜蓿(42.80%)>对照(39.40%)，相比于表土层，樟子松地、黄芪地和苜蓿地分别减少了1.55%，13.3%和1.26%。研究区开展相应的植被恢复措施后，土壤团聚体分布特征有显著变化。在0—40 cm剖面内，人工草地和林地<0.25 mm微团聚体含量减少，与对照相比，3种植被的>0.25 mm大团聚体含量分别提高了43.56%，3.72%和18.13%。

2.2 不同植被类型下土壤水稳性团聚体的稳定性

不同植被类型下水稳性团聚体MWD，GMD以及D值见表3。各样地的团聚体MWD，GMD以及D值差异性显著。在0—20 cm土层中，樟子松、黄芪和苜蓿地的MWD和GMD都显著高于对照。其中樟子松的MWD和GMD值均最高，比对照分别高出1.05 mm和0.16 mm。在20—40 cm土层内，其他3种植被的MWD和GMD值均下降，但都显著的高于对照。其中樟子松的MWD值最高，其次是黄芪；而黄芪的GMD最高，然后是樟子松。

在0—40 cm土层中樟子松、黄芪和苜蓿样地与对照相比均显著降低了D值。在0—20 cm土层中，团聚体D大小顺序为对照>苜蓿地>黄芪地>樟子松地，且樟子松和黄芪地差异不显著。随着土层的加深，团聚体D大小顺序与表土层规律一致，并且四者差异性显著。表明随着土地利用方式变成人工草和林地，土壤稳定性得到增强，抗风、抗水蚀能力得到加强，其中樟子松和黄芪地在各土层稳定性均较好。

表2 不同植被类型土壤水稳性团聚体粒径分布

表3 不同植被类型土壤团聚体稳定性差异

2.3 土壤团聚体有机碳含量

对照各粒径团聚体中有机碳含量显著低于樟子松、黄芪和苜蓿样地(图1)。0—20 cm土层内，4种样地不同粒径团聚体有机碳含量的变化范围在1.82～11.03 g/kg，其中樟子松和黄芪样地内各粒径团聚体有机碳含量均显著高于苜蓿地和对照。同时0.25～0.053 mm粒径的有机碳含量明显高于其他粒径。>0.25 mm大团聚体中有机碳含量顺序为黄芪地>樟子松地>苜蓿地>对照，而<0.25 mm微团聚体有机碳含量规律为樟子松地>黄芪地>苜蓿地>对照。相较于0—20 cm土层，20—40 cm土层内的樟子松、黄芪和苜蓿样地各粒径团聚体有机碳含量在逐渐降低，但对照的两个土层各粒径有机碳含量变化范围较小。在20—40 cm土层中，4种样地不同粒径团聚体有机碳含量均值在9.39～0.93 g/kg范围内，且3种种植模式的有机碳主要集中在0.25～0.053 mm粒径的团聚体中。>0.25 mm大团聚体和<0.25 mm微团聚体中有机碳含量顺序与表土层微团聚体的规律一致。

注：同列数据后不同小写字母表示不同植被间存在显著性差异(p<0.05),下同。

2.4 土壤团聚体有机碳贡献率

不同植被类型下水稳性团聚体对有机碳贡献率不同(图2)，整体表现为0.25～0.053 mm团聚体对有机碳贡献率占主导地位，且不同土层0.25～0.053 mm团聚体对有机碳的贡献率均在30%以上。樟子松样地在表土层 (0—20 cm)>2 mm团聚体有机碳贡献率最高，为34.93%，其次是黄芪(32.51%)和苜蓿(30.89%)，对照的有机碳贡献率最低(22.81%)。随着土层深度的增加(20—40 cm)，樟子松样地>2 mm团聚体有机碳贡献率最高，但随土层深度增加而逐渐降低。总体上随着土层深度的增加，<0.25 mm微团聚体的主导作用更为明显。

图2 不同植被类型各粒级团聚体中有机碳贡献率

3 讨论

3.1 人工植被恢复模式对土壤团聚体含量分布的影响

大量的研究证明植被恢复类型可作为土壤团聚体分布特征和稳定性重要影响因子[30-32]。我们的研究也证明了这点，3种植被类型的土壤团聚体含量存在差异。在本研究中，与对照相比，樟子松、黄芪和苜蓿地在0—40 cm土层中的土壤团聚体的主要以粒径>0.25 mm大团聚体形式存在，0.25～0.053 mm粒径明显降低，这与乌达木等[33]的研究结果相似。一方面可能是人工林、草地建植后促进了植被覆盖度和表层凋落物增加，增加外源有机质输入的同时，也促进了土壤中天然有机质的增加，有机质的胶结物质促进更多的水稳性微团聚体聚集成大团聚体[34-35]。另一方面土地利用方式主要对形成大团聚体的真菌菌丝、根系等综合作用造成影响[36]，帮助微团聚体向大团聚体转化。Oades等[37]发现>0.25 mm大团聚体的含量越高，土壤团聚体越稳定，所以植被恢复提高了大团聚体含量，稳定了土壤结构。同时樟子松在0—40 cm的剖面中，>0.25 mm大团聚体的含量最高。这是因为相比黄芪和苜蓿地，林地地表有较高的植被覆盖率，能减缓的地表径流和地下渗流对团聚体结构的冲击力和破坏作用[38-39]。而对照地颗粒粗化正如其他研究所记录的那样[40]，施工期间对表土的扰动、光伏设备的引进和原生植被的移除会加速细颗粒的侵蚀，同时风蚀加速了碳、养分和持水能力的流失[41]。

3.2 人工植被恢复模式对土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体MWD，GMD以及D值对团聚结构稳定特征进行评价的主要参数，其中MWD和GMD越大，D值越小，说明水稳性团聚体团聚能力越高，稳定性也越强[42]。我们的研究发现，在0—20 cm土层内，樟子松的MWD和GMD值均显著高于其他3种样地，随着土层深度的加深(20—40 cm)，樟子松团聚体MWD和GMD值逐渐下降，但仍然比其他3个样地高，这与樟松>0.25 mm团聚体含量的变化规律一致，由此表明>0.25 mm团聚体含量变化规律和团聚体MWD和GMD大小保持一致，也就验证了大团聚体含量对团聚结构稳定性至关重要，这与陈静等[10]和Qu等[21]的研究结果相似。而在20—40 cm土层，3种植被类型团聚体稳定性下降，可能是由于草地和林地地表聚集大量的枯落物，为微生物分解供应能量，提高微生物对枯落物分解力，产生聚集土壤团聚体的胶结物质，有助于小粒级团聚体转化为稳定性更高的大团聚体[43]。本研究中，水稳性团聚体的D值大小顺序均表现为对照>苜蓿>黄芪>樟子松，由于我们的研究区风沙化较为严重在，对照土壤质地较差，有机质含量低，可供土壤团聚体形成的胶结物质较少，所以其D值最低。而人工林、草地建植后，沙化得到了不同程度的改善，提高了土壤有机质含量，特别是樟子松和黄芪的D值最小。樟子松发达的根系以及较多的枯落物被分解将养分回归于土壤，而黄芪根蘖互相串成一根，常“一株成林”，枝叶繁茂，还生长迅速、是良好的防风固沙植被[15]。二者的大团聚体含量较高，增加了土壤稳定性。

3.3 人工植被恢复模式对土壤团聚体有机碳及其贡献率的影响

有机质输入和矿化的动态平衡影响着有机碳的含量[44]。本研究中，0—40 cm土层内3种种植模式下0.25～0.053 mm团聚体有机碳含量最高。可能是由于微团聚体内孔隙较小，有机碳被微生物分解时会消耗大量，会大大降低有机碳的分解速率，使得微团聚体中的有机碳受到的干扰较少，能够长时间储存[45]。我们还发现樟子松和黄芪地土壤团聚体中有机碳含量显著高于对照。相较于其他样地，对照地植被覆盖率极低，养分循环尚未完全重建，对照固碳能力远不如受植被保护的样地，并且暴雨、强风等灾害发生时，大团聚体易被破碎，加快内部有机质矿化速率，破坏了土壤结构的稳定性。在20—40 cm土层中，樟子松、黄芪和苜蓿地各级团聚体有机碳含量显著降低，这主要是因为土壤有机碳含量呈现明显的表聚特征，土壤表土层中枯枝落叶和动植物残体的堆积为形成团聚体中有机质创造得天独厚的外部条件[46]。同时，在提高团聚体有机碳含量上，樟子松在0—40 cm的剖面内优于其他3个样地，它对土壤团聚体有机碳贡献率也是最高的。樟子松表土层凋落物盖度高和强壮的根系显著影响有机碳含量，有效增强了碳的固持能力[21]。