青海沙漠地区固定轴和跟踪倾斜单轴光伏面板中土壤物理化学性质的空间变异性特征

《Frontiers in Environmental Science》：Spatial variability characteristics of soil physicochemical properties in fixed-axis and tracking tilted single-axis photovoltaic panels in qinghai desert areas

光伏板对荒漠土壤特性的空间分布影响研究——以青海刚察光伏电站为例。通过对比固定轴与追踪单轴光伏板下土壤密度、有机碳、氮磷含量等14项指标，发现追踪系统土壤密度显著增加（p<0.001），有机碳、全氮等分别下降35.07%、38.25%；固定系统土壤含水量显著提高（p<0.001），但pH值下降3.07%。两种系统在土壤质量指数（SQI）和多功能性指数（MFI）上无显著差异（p>0.05），表明动态追踪系统在保持土壤结构稳定方面优于固定系统，但需结合微气候调控优化生态效益。

　　在应对全球能源需求和减少碳排放的背景下，可再生能源的应用成为重要的战略选择，其中光伏发电（Photovoltaic, PV）技术在可再生能源领域占据主导地位。随着全球对可再生能源的重视，预计到2030年，全球可再生能源装机容量将超过5,500吉瓦（GW），相比2017年至2023年的增长几乎翻了三倍。中国作为全球可再生能源发展的主要推动者之一，其光伏发电装机容量已达到约890吉瓦，成为全球最大的光伏市场之一。为了满足这一需求，中国西北部的沙漠和戈壁地区成为大规模地面光伏电站建设的主要区域。然而，尽管光伏电站的建设被视为“双赢”策略，即减少碳排放并防止沙漠化，其对土壤的潜在影响也引发了广泛关注。

光伏电站的建设过程通常包括土地平整、土壤剥离等环节，这些操作可能破坏原有的土壤结构，使其更容易受到风蚀和水蚀的影响。同时，施工过程中移除表层土壤会显著降低土壤中的碳、氮和磷等关键营养元素，影响土壤的稳定性。在运营阶段，光伏板的物理存在改变了局部的微气候条件，如温度、湿度和光照强度，进而对土壤的理化性质产生深远影响。例如，光伏板遮挡阳光会减少潜在蒸发量，从而增加土壤水分的可用性，有助于缓解干旱环境下的水分流失问题。此外，光伏板的边缘可能会集中雨水，导致土壤水分分布的异质性增加，并在板下形成更持久的水分储存区。这些变化不仅影响土壤的物理特性，还可能改变土壤微生物群落的组成和活性，对土壤生态系统产生复杂的影响。

在众多研究中，不同类型的光伏系统对土壤性质的影响存在差异。例如，有研究表明，固定轴（FIX）光伏板和跟踪倾斜单轴（TTS）光伏板对土壤有机质（SOC）和可利用磷（AP）的影响较小，但在某些区域，如板下和板间，硝态氮（NO??-N）、总氮（TN）和总碳（TC）含量略有上升，而可利用钾（AK）含量显著增加。其他研究则指出，光伏板区域的土壤水分含量（SWC）、有机质、AK和AP含量均高于非光伏对照区，而土壤容重（BD）则在遮阴区增加而在非遮阴区减少。在某些地区，如美国东北部，光伏板区域的土壤有机质和pH值均有所提高。然而，也有研究发现，光伏板区域的土壤营养、水分和温度均显著降低，尤其是在某些特定位置。这些结果表明，光伏板对土壤性质的影响并非单一，而是受到当地气候、土壤类型、光伏系统运行方式等多重因素的共同作用。

在本研究中，我们以青海省戈壁地区大型光伏电站——龙羊峡光伏电站为研究对象，分别分析固定轴（FIX）和跟踪倾斜单轴（TTS）光伏板对土壤理化性质的影响，并探讨光伏板是否导致了土壤空间异质性的变化。研究选取了光伏板区域的四个关键位置：南侧边缘、北侧边缘、板下以及板间，同时将未受光伏影响的区域作为对照（CK）。通过对比不同区域的土壤性质，我们发现，除了板间区域外，TTS光伏板的其他区域土壤容重（BD）显著增加（p < 0.001），而土壤有机碳（SOC）、总碳（TC）、总氮（TN）和可利用氮（AN）含量则显著降低（分别减少35.07%、29.62%、38.25%和32.86%）。总磷（TP）含量仅在北侧边缘和板间区域显著减少（p < 0.01）。相比之下，FIX光伏板的板下区域土壤水分含量（SWC）显著增加（增加74.74%，p < 0.001），而pH值则有所降低。总体来看，与TTS光伏板相比，FIX光伏板在除北侧边缘外的多个指标上表现出更高的土壤质量（SQI）和多功能性指数（MFI），而在容重、总钾（TK）和SOC:TN比值方面则显著低于TTS光伏板。然而，无论是FIX还是TTS光伏板，其区域内的土壤质量指数和多功能性指数均未表现出显著差异（p > 0.05），这表明尽管光伏板改变了局部土壤性质，但整体上对土壤质量的影响并不显著。

研究结果揭示了光伏板对土壤性质的复杂影响。首先，光伏板的遮阴效应显著降低了土壤的蒸发速率，增强了土壤的水分保持能力，从而提高了土壤水分含量。然而，这种遮阴作用也可能导致降水分布不均，进而影响土壤容重。在某些情况下，如干旱地区，水分的增加反而会降低土壤容重，因为水分有助于松散土壤颗粒之间的结合，增加孔隙度。这种变化对植物生长和土壤生物过程具有积极影响。其次，土壤pH值的变化可能与遮阴导致的土壤温度降低有关，温度降低会减缓土壤中有机质的分解和养分矿化过程，从而释放出更多的酸性物质，导致pH值下降。此外，土壤中氮、磷、钾等营养元素的含量受到光伏板遮阴和降水分布的影响，呈现出显著的空间异质性。

在探讨光伏板对土壤多功能性的影响时，我们发现，尽管土壤质量指数（SQI）和多功能性指数（MFI）在光伏板区域与对照区之间没有显著差异，但这两个指标在不同位置之间存在明显差异。例如，FIX光伏板的南侧边缘和板下区域的SQI显著高于对照区，而TTS光伏板的南侧边缘和板下区域的MFI则显著高于对照区。这些结果表明，光伏板对土壤多功能性的改善主要集中在某些特定位置，而非整体区域。此外，研究还发现，SQI与MFI之间存在显著的正相关关系（R2 > 0.89），这说明土壤质量的提升与多功能性的增强是相互关联的。

综上所述，本研究通过对比不同光伏系统对土壤理化性质的影响，揭示了光伏板在不同位置对土壤的复杂作用。研究结果不仅为光伏电站在沙漠草原地区的土壤修复提供了理论支持，还为未来光伏技术与农业的结合提供了参考依据。随着全球对可再生能源需求的不断增长，如何在保障能源供应的同时，减少对生态环境的负面影响，成为亟待解决的问题。因此，未来的研究应进一步探讨不同光伏系统对土壤性质的长期影响，并结合农业实践，寻找既能提高能源效率又能改善土壤质量的解决方案。