半干旱地区光伏板对盐碱地与非盐碱地土壤钠吸附比（SAR）和有机碳（SOC）的差异化影响

《Food and Energy Security》：Different Effects of Solar Photovoltaic Panels on Soil Sodium Adsorption Ratio and Organic Carbon in Saline-Alkali and Non-Saline-Alkali Land in a Semi-Arid Area

　　

光伏发电正逐步扩展到半干旱地区的盐碱地，光伏板重塑当地微气候和水分平衡，并可能由此改变土壤化学性质。钠吸附比（sodium adsorption ratio，SAR）是衡量盐渍化物理风险的指标，因为它控制着黏粒分散和团聚体稳定性；而土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）支撑着阳离子交换能力和养分供应，并能缓冲盐渍化；然而，二者在盐碱地和非盐碱地中的响应尚不清楚。本研究在半干旱地区的盐碱地和非盐碱地中，分别采集了无遮阴行间区域（N）、板缘径流区（R）和板下区域（S）的土壤样品，以评估土壤钠吸附比、有机碳及其他土壤性质的变化。结果表明，在非盐碱地土壤中，与N相比，R的钠吸附比降低了56.14%，而S的钠吸附比增加了36.31%；S的土壤有机碳显著降低了33.45%。在盐碱地土壤中，与N相比，R和S的钠吸附比分别降低了13.96%和38.83%，而有机碳未受光伏板的显著影响。结构方程模型（structural equation model，SEM）表明，盐碱度主要通过抑制总氮间接降低土壤有机碳含量，而钠吸附比的升高主要由钠离子和电导率驱动，钙离子则起相反作用。总体而言，光伏板建设可促进非盐碱地土壤中钠离子积累，提高钠吸附比，并消耗土壤有机碳，从而加剧土壤碱化的潜在风险；同时，在盐碱地中，光伏板建设可提高钙离子含量并降低钠吸附比，有利于改善土壤结构。因此，在地下水资源高度矿化且地下水位较高的干旱地区，盐碱地比非盐碱地更适合光伏板建设。该研究结果为光伏板开发中的土地类型选择提供了指导。

光伏发电（photovoltaic，PV）在全球快速发展，其大规模建设会扰动生态环境。随着光伏产业扩张，盐碱地逐步成为光伏电站选址的重要土地资源，但盐碱地也是重要的后备耕地资源，因此须明确光伏建设是否加剧土壤退化。在半干旱地区，盐碱地呈斑块状分布，光伏板建设会改变降雨、辐射、风速等环境因子，从而影响盐分迁移，但不同盐碱背景下土壤性质对光伏板建设的响应机制尚不清楚。研究人员在大同盆地开展研究，旨在揭示盐碱地与非盐碱地土壤中光伏板建设对土壤性质的影响，尤其是对钠吸附比（sodium adsorption ratio，SAR）和土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）的作用。

研究人员选取山西大同盆地山阴县荣鑫光伏电站（39.4404°N，112.9002°E），该区属北温带大陆性季风气候，年均降水量429.6 mm，盐碱地具有高碱、高盐、高钠特征。在电站盐碱区和非盐碱区各随机选取5个样地，按与光伏板相对位置设置行间无遮阴区（N）、板缘径流区（R）和板下区（S），采集0–10 cm和10–20 cm分层土壤样品。测定土壤pH、电导率（electrical conductivity，EC）、交换性Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SOC、土壤无机碳（soil inorganic carbon，SIC）、总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）、总钾（total potassium，TK），并按式（1）计算SAR。数据采用SPSS 27进行方差分析和Duncan多重比较（p<0.05），Origin 2024绘图，RStudio 4.4.2进行Spearman相关分析，并构建结构方程模型（structural equation model，SEM）区分直接和间接效应。

研究结果如下：

3.1 光伏板不同位置下土壤盐碱度和钠吸附比的变化

双因素方差分析表明，盐碱度显著影响pH、EC、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SAR等指标，位置与盐碱度的交互作用对pH、Mg²⁺、SAR等有显著影响。在非盐碱地中，与N相比，R的pH和EC分别降低3.76%和65.08%，S的pH和EC分别升高6.44%和34.85%；SAR在R降低56.14%，在S升高36.31%。在盐碱地中，光伏板对pH无显著影响，但SAR在R和S分别降低13.96%和38.83%，且S的交换性Ca²⁺含量较N和R分别提高120.50%和53.80%。

3.2 光伏板不同位置下土壤碳和养分的变化

非盐碱地中，与N相比，S的SOC显著降低33.45%，TN降低29.20%；R的SOC和TN也略有降低。盐碱地中，光伏板对SOC和TN无显著影响，各位置SOC约为1.85 g·kg^-1，TN约为0.16 g·kg^-1。盐碱地中SIC显著高于非盐碱地，但位置间无显著差异。C/N、TP、TK在盐碱地中受光伏板影响不显著。

3.3 土壤理化性质的相关性分析与结构方程模型

Spearman相关分析显示，pH、EC、Na⁺与SAR极显著正相关，Ca²⁺与SAR极显著负相关，SOC、TN、TK与pH、EC、Na⁺和SAR极显著负相关。SEM（χ²=21.94，DF=21，p=0.40；GFI=0.95；CFI=1.00；RMSEA=0.02）解释了SOC和SAR变异的95%和81%。盐碱度是主导上游因子，显著提高Na⁺和pH，降低Ca²⁺和TN；位置对pH和Ca²⁺有弱影响。TN是SOC的唯一显著直接驱动因子；SAR由Na⁺和EC直接正向驱动，由Ca²⁺直接负向驱动。盐碱度对SOC的总效应为-0.80，主要通过抑制TN间接实现；位置的总效应可忽略（-0.08）。

讨论部分指出，光伏板建设通过改变遮阴和降雨再分配重塑土壤微环境。非盐碱地中，板下区域缺少雨水淋洗，蒸发作用使可溶盐向地表累积，且遮阴降低植被生产力和有机碳输入，导致SOC和TN下降、pH升高；板缘径流加强淋溶，盐分降低。盐碱地中，高地下水位和强矿化度持续供盐，有机碳缓冲弱，pH不变；板下区水分增加和微生物活动增强可能促进钙离子富集，从而降低SAR。SEM进一步支持Ca²⁺对SAR的负向作用。

研究结论翻译如下：研究结果表明，光伏板建设对土壤性质的影响在盐碱土和非盐碱土中不同。光伏板安装提高了非盐碱土的pH和SAR，降低了SOC和TN；但降低了盐碱土的SAR，对其他性质无显著影响。SEM显示土壤盐碱背景是SOC和SAR的主要控制因素，盐碱度通过抑制TN间接降低SOC，SAR受Na⁺、EC和Ca²⁺共同调控。总之，在干旱、高矿化度地下水和地下水位高的地区，光伏板建设会加剧非盐碱土的碱化和钠积累，减少有机碳库，不利于土壤功能和地上生产力维持；而在苏打盐碱土上建设光伏板可降低盐碱度、改善土壤功能。因此，光伏板建设必须考虑土地自身环境条件。该研究为通过选择适宜土地实现清洁能源与土地资源可持续利用的双赢提供了见解。