干热河谷区光伏电站建设的生态效应与植被恢复探讨

刘文祥，万 丹，甘国权，卢 阳，周火明

(长江水利委员会 长江科学院 重庆分院，重庆 400026)

随着化石能源过度消耗，其带来的环境污染和生态破坏等问题日益突出，人们迫切需要新能源来代替化石燃料等传统能源。太阳能具有安全可靠、清洁低碳且不受地域限制等优点，因此成为最具潜力的清洁能源之一[1]。光伏发电不仅是我国实现“碳达峰、碳中和”的重要措施，也是农村实现精准扶贫、精准脱贫的重大政策创新。

近年来，我国西南地区不断加大光伏发电开发建设力度，光伏电站装机容量逐年提升[2]。西南地区太阳能资源丰富，开发潜力巨大，特别是在高温干燥的云南干热河谷区，年均总辐射量显著高于全国年平均水平[3]。然而，光伏发电带来清洁能源的同时，也会造成植被破坏和水土流失等问题。

为探究光伏电站建设对生态环境的影响，国内学者开展了光伏发电项目环境影响评价工作，提出了不同的植被恢复措施。然而，这些研究主要集中在西北地区，关于云南干热河谷地区的生态恢复研究则鲜有报道。由于特殊的气候特征和脆弱的生态环境，干热河谷区光伏电站建设对生态环境的影响可能与其他区域存在一定差异，因此有必要开展干热河谷区光伏发电项目的生态效应和植被恢复研究。

1 干热河谷区特征

1.1 气候特征

我国的干热河谷主要分布在云南、四川、贵州、西藏等西南地区，总面积超过3.2万km2[4]，位于怒江(海拔<1 200 m)、元江(海拔1 000～1 400 m)、澜沧江(海拔<1 000 m)和金沙江(海拔800～1 200 m)等流域的河谷地带[5]。其中云南干热河谷区降水量相对较少，年降水量580～1 200 mm，5—10月的降水量占全年的80%～92%，年水面蒸发量2 600～3 700 mm，年均温20.7～24.1 ℃，≥10 ℃年积温7 800～8 800 ℃。

金沙江干热河谷年均总辐射量约6 200 MJ/m2，高于云南全省年均总辐射量(5 151 MJ/m2)，也高于华南地区(5 087 MJ/m2)和河西走廊地区(5 271 MJ/m2)。云南干热河谷区年均净辐射量约3 600 MJ/m2，显著高于全国年均净辐射量(约2 300 MJ/m2)。

1.2 植被特征

干热河谷地区植物群落结构单一，植被随干湿季节交替变化，受旱季时间长影响，植被旱生形态突出[6]。因特有的群落特征和植物区系，云南干热河谷区植被为“河谷型萨王纳植被”。该区域以大面积禾草为主，如扭黄茅、孔颖草等，稀疏分布乔木和灌木(见表1)。除天然和人工种植的乔灌草外，区内农田种植有小麦、水稻、豆类等农作物。

表1 云南干热河谷区自然植被类型

1.3 土壤类型与侵蚀特征

由于成土母质和气候条件复杂，云南干热河谷地区形成了不同的土壤类型，主要包括红壤、棕壤、燥红土、水稻土、紫色土等[7]。云南干热河谷地区不同土壤机械组成和养分含量显示，该区域除红壤外，其他土壤砂粒和黏粒含量较高，但所有土壤养分含量均较低(见表2)，土壤抗蚀性差。

表2 云南干热河谷区不同土壤机械组成和养分含量

干热河谷区是我国典型的生态脆弱带和特殊环境生态系统类型区[8]，其中金沙江中下游的干热河谷地段是全国水土流失最严重的地区之一。该地区水土流失特点为：①范围大。由于地貌类型多样、海拔悬殊，旱季土壤水分偏低，雨季降水集中，因此土壤结构差，侵蚀面积广。以元谋县为例，水土流失面积超过全县国土总面积一半。②强度高。土壤侵蚀数据显示，元谋县年均溯源侵蚀速度约50 cm[8]，土壤侵蚀模数大于1.6万t/(km2·a)，其中中度、重度侵蚀面积超过该区侵蚀面积的35%。

2 光伏电站建设对生态环境的影响

2.1 改变局部小气候

光伏电站站内外气温和净辐射通量存在差异[9]。格尔木荒漠区光伏电站站内与站外2 m 和10 m高度气温监测结果(见图1)显示：2 m高度月气温差值(站内气温-站外气温)最小值(0 ℃)出现在10月份，最大值(1.1 ℃)出现在5月份，且冬季站内气温低于站外气温；而10 m高度气温全年各月站内均低于站外，气温差值变化范围为-1.0～-3.2 ℃，其中秋冬季差值较大。站内2 m高度气温在5—10月高于站外，这是由于夏季太阳辐射强，白天转换为电能的太阳辐射占比小，站内外2 m高度气温差异小，而晚上光伏阵列(一般高度3～4 m)在2 m高度起到了绝热保温作用，站内气温下降较少；10 m高度气温各月站内均低于站外，这是因为白天太阳能板将部分太阳辐射转化为电能，导致气温降低，而光伏电板高度远低于10 m，晚上无法起到绝热保温作用，站内外气温基本无差异所致。光伏电站内外净辐射通量年内月变化也呈现先增加后减小的趋势(见图2)，站内净辐射通量大于站外，站内年平均净辐射通量与站外的比值为1.32，表明光伏电站是一个能量汇[10]。

图1 光伏电站站内与站外不同高度月气温差值变化

图2 光伏电站站内与站外净辐射通量月变化

光伏阵列对空气湿度影响较小，研究显示，光伏电站内外的空气湿度无显著差异[11]。但是光伏阵列能够改变近地表气流方向，使风速和空气湍流随之变化，在挡风阻沙的同时影响空气湿度，也在一定程度上影响温室气体在近地表的分布。

干热河谷区气候特征与西北荒漠区类似，具有湿度小、蒸发大、日照充足等特点，此外夏季气温偏高、降雨集中，在该区域进行光伏开发，一定程度上会增加光伏阵列下的空气温度和湿度，然而其对空气湿度和气流的具体影响尚不清楚，未来需要开展进一步观测研究。

2.2 影响土壤理化性质

光伏电站建设和运营影响周边土壤理化性质(见表3)[12]。光伏电站建设期的施工活动会改变原有土壤结构和地貌，导致地表裸露，极易引发水土流失，破坏地表生态环境。光伏电站建成后，光伏阵列减少了太阳对地表的辐射，加之其绝热保温作用，光伏电站内土壤温度日变化小于站外，进而导致土壤有机碳分解和呼吸速率表现不同[13]。光伏阵列改变了土壤含水量分布特征，不同位置土壤含水量的变化与土壤离光伏阵列覆盖区的距离有关。在光伏阵列覆盖区，站内遮阴区与未遮阴区土壤含水量无显著差异，而两者与站外土壤含水量差异显著。站内土壤含水量明显升高，距离光伏阵列覆盖区越远，土壤含水量受到的影响就越小。光伏阵列的太阳能电池板对大气降水和太阳辐射的遮挡作用，造成土壤水分通道堵塞，导致土壤容重增加[14]。光伏电站建设在一定程度上影响了不同位置土壤的化学性质，光伏电站内遮阴区和未遮阴区的土壤速效磷和速效钾含量显著高于站外区[12]，而站内遮阴区的pH值和电导率小于未遮阴区和站外位置。这是由于光伏阵列降低了土壤水分蒸发，减少了土壤表层盐分积累。光伏电站内部土壤含水量高于站外，促进了站内植物生长，站内植物生物量高于站外，而枯落物分解后归还土壤，土壤养分也会随之增加。

表3 光伏电站不同位置土壤理化性质

干热河谷区土壤类型以燥红土为主，土层薄，结构差，抗蚀抗冲能力弱，极易遭受侵蚀。目前关于该地区建设光伏电站后土壤性质变化规律的研究鲜有报道。光伏电站建设可能会导致土壤总孔隙度和毛管孔隙度减小，土壤容纳雨量和入渗能力下降，地表径流量增加。此外，光伏发电项目一般占地面积较大，而干热河谷区夏秋季节降水较多，易造成大面积水土流失。在开展干热河谷地区光伏开发环境影响评价工作时，需要更加关注光伏电站建设前后土壤理化性质的变化和对土壤侵蚀的影响。

2.3 影响植被生长和生物多样性

光伏电站建设改变了局部气候、土壤等生境条件，间接影响周边植被生长，如高度、盖度、生物量等表现出差异(图3)。光伏电站建设期，施工活动破坏植物生长环境，一定程度上抑制了植物生长发育。光伏电站运营期间，光伏阵列影响周边植物生长，表现为光伏阵列间的植被高度和生物量显著高于阵列下方[15]。在光伏阵列前后方，由于光伏阵列对太阳辐射的遮挡，土壤水分蒸发减少，因而提高了近地表草类植物成活率，其生物量略呈增加的趋势[16]。

图3 光伏阵列对植被的影响示意

光伏电站建设切割了原有景观，导致环境破碎程度加大，自然景观和生物多样性降低[17]。在光伏电站建设期，施工中对地表植被的清理和扰动，使植物种类和数量减少，区域生物多样性降低；在光伏电站运营期，光伏电板正下方的物种丰富度指数、多样性指数及均匀度指数等均显著低于电板的前后檐以及自然植被群落[18]。此外，光伏电站内植物群落内部的种间竞争和互利共生等作用，导致种群结构发生变化，一定程度上影响了生物多样性[9]。

特殊复杂的地理和气候环境造就了干热河谷区植被的典型性和稀有性，导致区内植物群落结构单一，主要以大面积禾草草丛分布为主，稀散分布乔木和灌丛。同时干湿交替的气候和频繁的人类活动，加剧了干热河谷植被的脆弱性。干热河谷区光伏电站建设对本土植被生长发育的影响机理尚不明确，生物多样性的时空变化特征未知，有待进一步研究。

3 光伏电站植被恢复模式探讨

3.1 现有的光伏电站植被恢复模式

光伏电站区采取植被恢复措施，可以改善土壤结构，提高土壤养分含量，有效减少水土流失。不同植被恢复模式适用条件不同，其生态环境效应也表现出差异(见表4)。自然恢复模式植被恢复周期长，适用于光伏电站运营期扰动小且降雨较多的地区。人工种植模式可以加速光伏电站内的植被修复进程，适合在生境脆弱的地区[19]。例如，在光伏电站办公区种植青海云杉等乔木和在光伏阵列中间种植乡土草种，不仅可以高效利用土地资源，而且具有水土保持作用[20-21]。对于风沙活动剧烈的干旱半干旱区，通过布设方格种植草类进行光伏电站植被恢复，能够减弱站区的风沙活动，同时保持土壤含水量，为草类生长创造条件。

表4 光伏电站区不同植被恢复模式的生态效应

不同植被对环境的适应性存在差异，光伏电站植被恢复时应优先选择本土植被。在西北草原地区，天然草地恢复模式的长期效果最好，而种植苜蓿(MedicagoSativaL.)可以在短期内提高土壤全氮和有机碳的含量[21-22]。在西北草原和其他地区，草本和灌木复合配置，如狗尾草[Setariaviridis(L.)Beauv.]、花棒(Corethrodendronscoparium)、柠条(Caraganakorshinskii)、油蒿(Artemisiaordosica)等复合配置，可以增加土壤孔隙度，增强土壤入渗能力，提高土壤养分含量，改善电站区生态环境。在内蒙古光伏电站周边区域，人工种植沙丘植被樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)能够提高土壤固碳作用，且固碳作用随着恢复年限增加而增加[23]。研究发现，在宾川县西村光伏电站进行植被恢复时，种植灌木马桑(Coriarianepalensis)、攀缘性藤本金银花(Lonicerajaponica)、草本黑麦草(LoliumperenneL.)等乡土植被可以减少水土流失[24]。

3.2 干热河谷区光伏电站植被恢复难点

目前国内关于光伏电站植被恢复模式的研究主要集中在西北荒漠和草原地区，采用的植被恢复模式并未充分考虑水资源的合理高效利用，也未有效利用降水和光伏电板清洗水。云南干热河谷区太阳辐射量丰富，适合开展光伏发电项目，但是由于干热河谷区气候特殊和生态脆弱等特点，光伏发电项目建设可能对生态环境影响较大，因此在光伏电站建设中植被恢复面临诸多挑战，具体如下：

(1)水热不均衡，植被生境脆弱。干热河谷区蒸发量大，降水少且高度集中，干湿季明显。除耐受干旱环境胁迫的优势植物种外，其他植被抗逆性差，成活率低。

(2)极易发生土壤侵蚀，伴随土壤养分流失。干热河谷地区土壤发育于不同岩性母质，土层稀薄，土壤入渗率低，加之两侧山高坡陡，易发生土壤侵蚀，且在地表径流作用下土壤养分易流失；同时土壤养分含量少，缺少植被生长发育的营养元素，制约植被的生长。

(3)光伏发电项目建设会改变局部小气候，传统植被恢复模式有待验证。光伏电站建设可能会改变局部小气候，导致土壤温度和湿度发生变化，光照辐射也产生差异，而干热河谷区乡土草类能否适应局部小气候未知，因此采用乡土植被恢复原有生境，其适应性和恢复效果也有待验证。

4 干热河谷区光伏开发的植被恢复建议

与其他地区光伏电站区类似，快速地恢复被破坏的地表植被、减弱土壤侵蚀也是干热河谷区光伏电站建设迫切需要解决的问题。基于干热河谷区的气候和土壤植被等特征，因地制宜实施植被措施，才能最大限度降低建设活动对区域生态环境的影响。为此，笔者针对干热河谷光伏电站植被恢复提出以下参考建议：

(1)植被恢复与微地形改造相结合。在较大坡度(>20°)荒地上进行光伏开发，可以采用带状穴植生物篱墙，并种植香根草、新诺顿豆等覆盖性能好、固氮保土能力强的抗旱性草种。在光伏电站周边荒坡地可采用竹节沟和鱼鳞坑进行微地形改造，种植适应性强的乔木，其生长速度快，能够起到保持水土的作用。

(2)种植乡土优势草类。干热河谷土壤贫瘠，炎热干旱天气突出，在光伏电站区宜选种优势乡土草类，以有效地减轻水土流失，提高降雨利用率。

(3)采取集水保水措施与多年生草本配置。干热河谷区旱季降水少，蒸发量大，在植被恢复过程中首先要考虑雨水和电板清洁用水的收集，为植物生长提供补给。在电站区种植多年生草本，通过保水剂、覆草、覆膜等不同组合措施，保持土壤水分，提高水分利用率，可促进草本植物生长，从而提高植被恢复效果。