光伏诱发的异质性驱动典型草原植物-土壤反馈分化与微生境分化

《Journal of Cleaner Production》：Photovoltaic-induced heterogeneity drives plant–soil feedback divergence and microhabitat differentiation in a typical steppe

　　

摘要

光伏（PV）电站的快速扩张正在深刻地改变草原生态系统，然而植物群落响应与地下生态过程之间的关联机制仍不清楚。本研究调查了位于内蒙古一个典型草原光伏电站中的三种微生境：板下、板间和对照微生境。结果表明，光伏引起的微生境异质性重塑了植物来源的土壤输入和微生物活性，从而产生了不同的地上和地下反馈，强化了这种异质性。板下群落表现出低多样性但高地上生物量，由少数物种（如Carex lanceolata）所主导，而板间样地保持了较高的植物多样性与中等生物量。这些差异影响了地下生态过程。在板下，凋落物积累较多但根际碳输入减少，伴随较低的土壤有机碳和总氮、较高的NO₃^?-N、较高的微生物生物量碳氮比以及RB41的富集，表现出更加保守的微生物策略。相反，板间样地的特征为较高的过氧化物酶活性和NH₄⁺-N，以及Humicola和Hygrocybe的富集，并表现出更大的有机质转化和养分矿化的潜在能力。综合而言，这些发现表明，光伏引起的异质性在单个电站内部的生产力、生物多样性维持和地下养分过程之间创造了功能性权衡。因此，不应将植被生物量或覆盖度的增加单纯解释为生态改善的证据，因为它们可能与生物多样性丧失和土壤碳-氮循环的改变同时发生。光伏发展应在能源生产与生物多样性保护及生态系统长期功能之间寻求平衡。

引言

在全球向低碳能源转型的背景下，为应对气候变化和保障能源安全，光伏（PV）发电已成为可持续能源体系的基石之一（Krasner et al., 2025）。草原是全世界最重要的陆地生态系统之一，它们维持着生物多样性，并提供关键的生态功能，包括碳储存、养分循环和初级生产（Bourget et al., 2023; Liu et al., 2023）。然而，大规模的光伏基础设施部署往往与这些景观交错，因为草原通常提供平坦的地形和较高的太阳辐照度，有利于光伏开发（Sturchio et al., 2024）。尽管光伏发电显著减少了地区能源系统的碳足迹，但伴随的土地利用转化是一种持续的环境干预形式，有可能改变草原生态系统的结构、功能和稳定性（Chen et al., 2025）。因此，理解草原生态系统如何对光伏引起的环境变化做出响应，对于协调可再生能源开发与生态保护至关重要。

光伏阵列通过重新分配连续草原内部的太阳辐射、降水和水分热量条件，创造了显著的细尺度环境异质性（Sturchio et al., 2022; Knapp and Sturchio, 2024）。重要的是，这些效应在空间上是异质的：板下区域经历持续较低的光合有效辐射（PAR）和改变的水分输入，而板间区域保持更大的光可利用性，并可能接收到来自面板径流重新分配的水分（Yavari Bajehbaj et al., 2024）。因此，这两种光伏微生境可能对植物群落施加不同的选择压力（Uldrijan et al., 2021）。强烈的环境过滤可能减少物种共存，并将群落生物量集中在少数高度耐受或具有竞争力的物种上（Kraft et al., 2015; Lisner et al., 2023）。相反，相对温和的环境条件可能支持更多物种的共存，通过互补效应或选择效应增强生物量生产（Loreau and Hector, 2001; Cheng et al., 2026）。以往的研究记录了光伏安装后植被多样性和生产力的变化，但光伏发展的生态后果仍然常常在整体站点水平上进行评估（Wan et al., 2025）。这种方法可能会掩盖面板下方和面板之间潜在的对立性响应。因此，一个重要的未解决问题是，这些相邻的微生境是否发展出不同的植物多样性、物种优势和生物量生产的组合。

植物群落的分化随后可能通过植物来源输入的变化向地下传递（Angst et al., 2025）。植物群落通过多种途径将碳和养分归还土壤，包括凋落物产生和根际来源的化合物，如根系分泌物，这些途径相对重要性的变化会改变土壤生物所经历的养分环境（Feng et al., 2024）。群落生物量和凋落物产生决定了进入碎屑途径的地上物质数量，而优势物种的功能响应则可以进一步揭示群落重组如何转化为植物养分获取和地下碳分配的变化（Williams et al., 2022）。在生物量生产日益集中于优势物种的群落中，其光合性能、养分化学计量和根系分泌的变化因此可以提供群落水平分化过程中物种水平过程的重要指示（Zhou et al., 2024; Li et al., 2026; Yang et al., 2025）。因此，光伏面板下方和之间对比的群落可能产生不同的凋落物输入和根际来源的活性碳组合，即使在同一光伏电站内也是如此。植物来源输入的数量、质量和途径的这种分化提供了一种潜在机制，通过这种机制地上群落响应可以传递到土壤碳和氮过程中。

植物来源输入的这些差异可能进一步在光伏微生境之间产生对比的地下养分环境（Krasner et al., 2025）。土壤微生物和胞外酶介导植物来源有机质的转化，并调节养分的释放和重新分配（Burns et al., 2013）。因此，植物来源资源的数量、组成和可利用性的变化可能伴随土壤碳和氮库、无机氮形态、胞外酶活性、微生物群落组成和微生物功能潜力的差异（Whalen et al., 2024; Rumeau et al., 2025）。尽管以往的研究表明光伏安装可以改变植被和土壤微生物群落，但是否面板下方和之间发展出的对比植物群落通过差异化的植物输入途径与不同的地下过程相关联，目前仍不清楚（Siggers et al., 2025）。更重要的是，这些在植物输入、土壤养分转化和微生物过程中的耦合变化如何有助于维持相邻光伏微生境之间对比的群落格局，目前理解仍不充分。解决这些地上-地下关联对于理解光伏基础设施创造的细尺度环境异质性如何在草原生态系统中发展为功能分化至关重要。

为了研究光伏面板创造的微生境异质性如何影响典型草原生态系统中植物群落、地下生态过程及其相互作用，本研究比较了三类微生境——太阳能面板下方、面板之间以及远离面板的对照区域——的植物群落特征和土壤性质。检验了两个假设：(i) 光伏面板施加的环境异质性将改变光伏电站的植物多样性和地上生物量（AGB）格局，表现为面板下方低多样性、高生物量生产由少数优势物种主导，而面板之间多样性更高，更接近自然条件。(ii) 植物群落格局的这种分化将通过改变植物来源有机质输入，驱动土壤养分转化和微生物群落的协调变化，从而通过植物-土壤反馈影响AGB积累和植物多样性的维持。

章节摘要

材料与方法

本节首先描述了基于光伏电站空间特征的实验设计。然后通过现场监测、植被调查和样品分析测定了微环境、植物群落特征、植物功能属性和土壤理化性质。随后，量化了植物的光合性能和根系来源的碳输入，并对土壤酶活性和微生物群落进行了表征

结果

本节首先展示了三种光伏微生境之间的微环境差异以及植物群落多样性和组成的相应变化。然后考察了植物生产力、凋落物积累、功能特性和根系来源的碳输入，以表征植物来源输入的差异。随后，分析了土壤养分状况、酶活性和微生物群落的组成及潜在功能，以揭示

讨论

本节首先讨论了光伏引起的环境异质性如何驱动微生境之间植物群落组成和多样性的分化。然后考察了群落分化如何改变植物来源碳输入到土壤的数量和途径，随后评估了相关的土壤养分动态和微生物群落变化。随后，整合地上和地下响应，讨论植物-土壤

结论

光伏引起的微生境异质性在典型草原中产生了不同的地上和地下生态响应。在面板下方，更强的环境过滤与低多样性、高AGB、由C. lanceolata主导的群落相关联，伴随更多的凋落物积累、减少的根系来源活性碳输入、较低的SOC和TN、较高的NO₃^?-N，以及更保守的微生物资源利用策略。相比之下，板间微生境保持了

CRediT作者贡献声明

谢琴（Qin Xie）：撰写——原稿，可视化，方法论，调查研究，形式分析。宫继瑞（Jirui Gong）：撰写——审阅与编辑，指导，资源，项目管理，经费获取，概念化。张尚鹏（Shangpeng Zhang）：软件，方法论，调查研究。王瑞晶（Ruijing Wang）：软件，调查研究，数据整理。于耀红（Yaohong Yu）：软件，方法论，调查研究。庄齐鲁（Qilu Zhuang）：软件，调查研究。张宗鹏（Zongpeng Zhang）：调查研究，数据整理。练金硕（Jinshuo Lian）：调查研究，数据

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到了内蒙古自治区科技重大专项（内蒙古旅游资源开发对生态环境的影响及其对策研究）和国家重点研发计划（项目编号：2022YFF1303404）的支持。感谢地表过程与灾害预防国家重点实验室国家分析测试中心实验室分析测试中心成员在采样期间的协助

谢琴（Qin Xie）|宫继瑞（Jirui Gong）|张尚鹏（Shangpeng Zhang）|王瑞晶（Ruijing Wang）|于耀红（Yaohong Yu）|庄齐鲁（Qilu Zhuang）|张宗鹏（Zongpeng Zhang）|练金硕（Jinshuo Lian）