光伏设施改变脆弱半干旱生态系统中的微生境及土壤-植被反馈机制

作者：秦岭站  更新时间：2025-12-25

西北农林科技大学李强教授团队在Land Degradation & Development期刊上发表文章

研究亮点

1.光伏板的遮挡导致板下的植被生态位分化，生物多样性减少和土壤粗化。

2.光伏板影响下，土壤全钾和有机质是介导植被与土壤相互作用的主要因素。

3.十年后，植被凋落物的积累和根系分泌物促进了光伏板下土壤肥力的恢复。

摘要

全球光伏（PV）能源的快速扩张引发了对其潜在生态影响的持续关注。本研究旨在探究大规模、长期运行的光伏设施对陕北神木市半干旱地区植被与土壤特性的影响。我们在当地三个已运行约10年、单体面积超过100公顷的光伏电站内开展实地调查，采用随机抽样方法，系统比较了四种不同微生境——光伏板下方（Z1、Z4）与光伏板之间（Z2、Z3）的生态差异。研究共采集了45份植被样本与135份土壤样本，用于评估物种多样性、生物量以及土壤理化性质。结果显示，光伏板遮荫导致植被多样性下降31.4%，尤其对喜光植物影响显著，促使光伏板下出现生态位分化；而糙隐子草等耐旱植物则表现出较强适应能力。Z3和Z4区域的植物生物量有所上升，特别是光伏板后方微生境（Z4）；与此同时，遮荫区域（Z2、Z3）表层土壤呈现明显粗化现象。冗余分析表明，土壤全钾与有机质是介导植被-土壤相互作用的关键因子，物种特异性响应驱动了群落结构重组。尽管光伏设施在初期干扰了土壤养分循环，但植被凋落物积累与根系分泌物共同促进了局部土壤肥力的逐步恢复，反映出植物再生长与土壤恢复之间存在延迟但正向的反馈循环。这些发现凸显了光伏板塑造的微生境在生态动态中的重要作用，为协调可再生能源部署与生态修复提供了实证依据，亦为统筹碳中和目标与生态系统恢复力的可持续土地管理策略提供了科学参考。

研究背景

光伏（PV）电力作为一种清洁可持续的能源，已在全球范围内呈现指数级增长，并预计于2050年在可再生能源结构中占据主导地位。尽管光伏发展对缓解温室气体排放具有关键作用，但其大规模部署也引发了人们对其生态影响的担忧，尤其聚焦于对维持生态系统功能至关重要的土壤质量与植被健康。由于光伏行业仍处于发展初期，多数已有研究开展时电站实际运行时间普遍较短（往往不足十年），因而难以充分评估其长期累积的生态效应。同时，光伏遮荫所引发的生态响应通常存在时间滞后效应，而非即时显现。此外，既往研究多基于覆盖面积有限或规模界定不明或较小的光伏电站，这限制了对不同空间尺度下光伏系统生态影响的整体认识。现有实地观测研究尚未就光伏电站的生态影响达成一致结论，表明其具体效应可能高度依赖于当地气候条件、电站覆盖面积、光伏阵列布局等一系列局地化因素。在此背景下，中国光伏产业于陕北地区迅速扩张。该区域水土流失严重、生态脆弱，可能对光伏设施大规模、长时间的覆盖表现出高度敏感性。然而，针对该区域光伏电站长期生态影响的实地研究仍较为缺乏，潜在的生态响应机制尚不明确。因此，亟需开展实地观测，以揭示持续光伏运营引起的微气候变化如何影响该区域的植被动态与土壤过程。

基于上述背景，本研究选取位于陕西北部神木市的三座代表性光伏电站（均已运营约十年，单体规模均超过100公顷），系统评估光伏遮荫对当地植被群落和土壤特性的长期生态效应。具体研究目标包括：（1）探究光伏面板对不同微生境中植被多样性、物种组成与生物量的影响；（2）分析光伏面板下不同区域土壤持水能力与肥力的变化特征；（3）揭示在持续光伏运营导致的环境变化下，长期植被演变与土壤肥力之间的关联机制。

图1 光伏板基本情况（a正面；b背面；c侧面）及采样区位图（d）

图2 采样区域样点布设。板下：Z1，Z4；板间：Z2，Z3

研究结果

图3 采样点多样性指数箱线图。a：Pielou均匀度指数；b：香浓—维纳指数；c：Simpson多样性指数。

图5 采样点土壤粒径分布百分比堆积图。a：0-20cm土层；b：20-40cm土层；c：40-80cm土层。

图6 基于mantel test的多因素与土壤化学性质的交互式网络热图。（OM：有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；NH4+-N：铵态氮；NO3--N：硝态氮；AP：速效磷；AK：速效钾；EC：电导率；DOC：可溶性有机碳；DON：可溶性有机氮；Microbial C and N：微生物量碳和氮；shannon-wiener：香浓-维纳指数；PV panels：光伏板；Biomass：生物量）

图7 光伏电站土壤化学性质与群落多样性指数的冗余分析。（OM：有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；NH4+-N：铵态氮；NO3--N：硝态氮；AP：速效磷；AK：速效钾；EC：电导率；DOC：可溶性有机碳；DON：可溶性有机氮；Pielou：Pielou均匀度指数；Shannon：香浓—维纳指数；Simpson：Simpson多样性指数；shannon-wiener：香浓-维纳指数）

图8 基于PLSPM分析对土壤肥力的影响因素。（PV panels：光伏板；Vegetation diversity：植被多样性；Biomass：生物量；EC：电导率；Soil fertility：土壤肥力；Microbial C and N：微生物量碳和氮）

图9 光伏电站物种与土壤化学性质相关性分析（a）；光伏电站物种分布热图(b)。（OM：有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；NH4+-N：铵态氮；NO3--N：硝态氮；AP：速效磷；AK：速效钾；EC：电导率；DOC：可溶性有机碳；DON：可溶性有机氮；Artemisia annua：黄花蒿；Medicago sativa：紫花苜蓿；Artemisia sieversiana：大籽蒿；Cleistogenes squarrosa：糙隐子草；Melilotus officinalis：草木樨；Artemisia desertorum：沙蒿；Setaria viridis：狗尾草；Aster altaicus：阿尔泰狗娃花；Corispermum declinatum：绳虫实；Ixeris chinensis：中华苦荬菜；Stellaria dichotoma：叉歧繁缕；Juniperus sabina：沙地柏；Allium mongolicum：沙葱；Salsola ruthenica：刺沙蓬；Oxytropis racemosa：砂珍棘豆；Corispermum chinganicum：兴安虫实；Artemisia capillaris：茵陈蒿；Leymus secalinus：赖草）

结论

本研究显示，光伏板通过遮荫效应改变了局地微生境，显著影响植被群落组成与土壤颗粒大小分布。在光伏板下方的遮荫区域（Z2、Z3），土壤颗粒粒径显著增大，排水能力增强，土壤含水量相应降低。同时，这些区域植被多样性下降超过30%，主要源于光照减少对喜光物种的限制。与此相反，糙隐子草等耐旱耐阴物种表现出较强的适应能力，反映出光伏板遮蔽导致的生境驱动型生态位分化。生物量分布模式表明，光伏板后方区域（Z4）植被恢复较为显著，这可能得益于温度调节、局部雨水汇集以及蒸散发减少共同改善的水分条件。各微生境土壤持水能力与化学性质在电站运行十年后未见显著差异，说明光伏基础设施虽在初期干扰土壤养分循环，但约十年后已呈现生态恢复趋势。植物凋落物与根系分泌物积累促进了土壤有机质提升，进而改善土壤结构与养分循环，提示光伏板下植被再生与土壤健康之间存在延迟但正向的反馈循环。以上结果表明，在生态敏感区域推进光伏可持续发展时，应采取因地制宜的保护策略，兼顾植被多样性维持、土壤肥力提升与生境干扰最小化。长期监测与基于生态系统的规划，对于协同实现可再生能源目标与生态恢复力、景观可持续性至关重要。

文章链接

本研究第一单位为西北农林科技大学水土保持与荒漠化整治全国重点实验室，林学院。西北农林科技大学林学院2024级硕士研究生王子恒为论文第一作者，李强教授为论文通讯作者。本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2022YFF1302200）和西北农林科技大学高校科研基金的支持。

https://doi.org/10.1002/ldr.70362