李智蘭

(山西省水利水電勘測設計研究院, 太原030024)

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風電場建設對周邊擾動區(qū)域土壤養(yǎng)分和植被的影響

李智蘭

(山西省水利水電勘測設計研究院, 太原030024)

研究了風電場的建設對周邊擾動區(qū)域土壤養(yǎng)分和植被的影響。結果表明：風電場的建設增加了擾動區(qū)域土壤容重、pH和總孔隙度，降低了土壤電導率、含水量和全鹽，同時也降低了植被生長各指標和土壤養(yǎng)分(除了土壤全磷)等；在擾動區(qū)域(0～3 km)，植被生長各指標和土壤養(yǎng)分均隨遠離風電場距離的增加而增加，距離風電場4 km時，植被生長各指標和土壤養(yǎng)分基本與未擾動區(qū)域達到一致，初步表明了風電場對于植被和土壤養(yǎng)分的影響范圍均在方圓3 km以內；風電場擾動區(qū)域土壤微生物量的變化幅度和變異系數(shù)最大，說明風電場對土壤微生物量的空間變異影響較大；風電場擾動區(qū)域和非擾動區(qū)域土壤養(yǎng)分均隨土層深度的增加而逐漸降低趨勢，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，而土壤深層(40—60 cm)未擾動區(qū)和擾動區(qū)土壤養(yǎng)分基本一致，表明了風電場的建設并沒有改變土壤養(yǎng)分的垂直分布特征，也并未影響深層土壤養(yǎng)分含量；風電場未擾動區(qū)域植被與土壤因子相關性基本與擾動區(qū)域相一致，表明風電場對周邊區(qū)域植被和土壤均有影響，而此影響具有同等的重要性，也即同等程度下影響了植被和土壤因子，同時也體現(xiàn)了植被和土壤因子的互作效應。

風電場; 擾動區(qū)域; 植被; 土壤養(yǎng)分

常規(guī)能源對生態(tài)環(huán)境的嚴重污染及能源危機使得我們極力開發(fā)和探索新型能源[1-3]。風能是一種清潔的可再生能源，在全球得到了廣泛的應用和發(fā)展，已有越來越多的大型風電場建立并投入運行[4-6]。當前世界各國把風能發(fā)電作為開發(fā)可再生能源和改善生態(tài)環(huán)境的重要手段，它在中國的未來能源結構中也將占有主導地位[1-3,7-8]。大力發(fā)展風能發(fā)電不僅可以避免對礦物燃料的過度依賴，也是對不可再生能源的保護[7-8]。伴隨著未來風能發(fā)電的主導地位，其對生態(tài)環(huán)境的影響也引起了科學界足夠的重視和關注，目前大量研究集中在風電場對環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)(如動植物生存環(huán)境)、水土保持、景觀格局及氣候變化等方面，許多學者提出和解決了大量值得關注的問題[8-13]。而風電場的建設必然擾動地表、破壞植被、造成水土流失和影響生態(tài)環(huán)境，對擾動區(qū)域土壤和植被帶來一系列影響[8,10-11,14-15]。鑒于此，本文以山西大同天鎮(zhèn)縣華能天鎮(zhèn)武家山風電場為研究對象，從植被和土壤養(yǎng)分特征等方面研究風電場對周邊擾動區(qū)域植被和土壤養(yǎng)分特征影響，在指導風電場的建設、植被和土壤肥力恢復、改善生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的理論基礎和實踐意義。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

華能天鎮(zhèn)武家山風電場(49.5 MW)位于山西大同天鎮(zhèn)縣、河北張家口陽原縣交界部位，地勢平坦廣闊，主要為荒漠、戈壁和草原，具有由半濕潤向半干旱地區(qū)過渡的特征，土壤大多為黃綿土，土壤質地主要為壤質、沙壤質。風電場坐標北緯40°12.4′—40°16.5′，東經114°12.2′—114°20.8′，海拔1 700～1 983 m；該區(qū)域風能資源豐富，冬季和春季多盛行西北風和西風，風向穩(wěn)定性較好，瞬時風速大于13 m/s的天數(shù)約為70～80 d，有效風速小時數(shù)較多，破壞性風速較少，風品質較好，離地表10 m高度處年平均風速4.8～5.8 m/s，年平均風功率密度172.3～215.7 W/m2，離地表7 m高度處年有效風速小時數(shù)約為6 000 h，主風能方向集中，各局度的風能主要集中于203°—286°(SW-WNW)之間，占總風能的70%以上。

1.2研究方法

1.2.1樣地設置及植物采集以華能天鎮(zhèn)武家山風電場為中心，在其擾動區(qū)域(分別距離風電場0，1，2，3 km)和未擾動區(qū)域(分別距離風電場4，5，6，7 km)的四個不同方向(東南西北)布設采樣點。2013年9月中旬，在生物量最大時全面開展植被生物量和土壤調查研究，每個采樣點設置5個1 m×1 m樣方，調查樣方中物種高度、蓋度和多度。物種地上生物量用收割法獲取，剪齊地面植被并挖取地下根系(1 m×1 m，挖取深度為60 cm)帶回實驗室，105℃下殺青15 min后65℃下48 h烘至恒重，獲取每個樣方地上和地下生物量。

本研究選用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)，其計算公式為[16]：

Patrick 豐富度指數(shù)：

Pa=S

(1)

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)：

H=-∑PilnPi

(2)

Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)(D)：

D=1-∑(Pi)2

(3)

Pielou 均勻度指數(shù)(JP)：

JP=H/lnS

(4)

式中:S——樣方內物種數(shù)目；Pi——樣方內種的相對重要值,相對重要值(Pi)=(相對覆蓋度+相對高度+相對多度)/3

1.2.2土壤采集及樣品的測定2013年9月中旬，取植物樣的同時，采集土壤樣品，每個采樣點將土層分為0—20，20—40，40—60 cm，按對角交叉取樣法五點取樣，所取土樣分為3份，一份裝自封袋中，測定土壤含水量(烘干法，%)；一份自然風干(20 d)去除碎片和部分根后過2 mm篩，測定土壤養(yǎng)分及理化性質；一份放入4℃冰箱中測定土壤微生物量，并在取樣點附近挖取剖面測定土壤容重(環(huán)刀法，g/cm3)。

土壤理化性質及養(yǎng)分含量的測定：pH采用電極電位法測定(1∶2.5土水比)；電導率采用P4多功能測定儀測定；土壤有機碳含量(g/kg)測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤電導率(5∶1水土比浸提液；EC，μS/cm)采用P4多功能測定儀測定；土壤全氮(g/kg)用凱氏定氮法；土壤全磷(g/kg)用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；有效磷(mg/kg)采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；堿解氮(mg/kg)采用NaOH-H3BO3法測定[17]。

土壤微生物量的測定：氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定土壤微生物量碳、氮和磷(mg/kg)[18]。

1.3數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003和SPSS 18.0對數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，顯著性分析采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)，Pearson相關性系數(shù)檢驗擾動區(qū)域和未擾動區(qū)域植被與土壤因子的相關性，作圖采用Origin 7.5。

2　結果與分析

2.1風電場的建設對植被的影響

由表1可知，風電場的建設對植被有較大的影響，在風電場擾動區(qū)域(0～4 km)，隨著距離的增加，植被覆蓋度、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)地上、地下生物量和枯落物含量均明顯增加，其中距離風電場0 km處的植被各指標均顯著低于距離風電場≥1 km處的植被各指標，當距離風電場超過1 km時，植被各指標增加幅度較大，距離風電場4 km時，植被各指標基本與未擾動區(qū)域達到一致；在風電場擾動區(qū)域(4～7 km)，植被覆蓋度、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)地上、地下生物量和枯落物含量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，局部有所波動。

表1　風電場的建設對植被的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2風電場的建設對土壤理化性質的影響

由表2可知，風電場的建設對0—60 cm 土層平均土壤理化性質有較大的影響，隨著距離的增加，土壤電導率、含水量和全鹽含量均明顯增加，而土壤容重、pH和總孔隙度則明顯降低。在風電場擾動區(qū)域(0～4 km)，距離風電場0 km處的土壤電導率、含水量和全鹽含量均顯著低于距離風電場≥1 km處的植被各指標，當距離風電場超過1 km時，土壤各指標變化幅度較大，距離風電場4 km時，土壤各指標基本與未擾動區(qū)域達到一致；在風電場擾動區(qū)域(4～7 km)，土壤電導率、含水量和全鹽含量、容重、pH和總孔隙度基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，局部有所波動。

表2　風電場的建設對0-60 cm土層平均土壤理化性質的影響

2.3風電場的建設對土壤養(yǎng)分的影響

由表3可知，風電場的建設對0—60 cm 土層平均土壤養(yǎng)分有較大的影響，在風電場擾動區(qū)域(0～4 km)，隨著距離的增加，土壤有機碳、全氮、有效磷、堿解氮、微生物量碳、氮和磷均明顯增加，除全磷外，距離風電場0 km處的土壤養(yǎng)分均顯著低于距離風電場≥1 km處的土壤養(yǎng)分，當距離風電場超過1 km時，土壤養(yǎng)分增加幅度較大，距離風電場4 km時，土壤養(yǎng)分基本與未擾動區(qū)域達到一致；在風電場擾動區(qū)域(4～7 km)，土壤有機碳、全氮、有效磷、堿解氮、微生物量碳、氮和磷基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，局部有所波動。

2.4風電場的建設對土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

風電場的建設對周邊區(qū)域土壤有機碳、全氮、全磷、土壤微生物量碳、氮、磷垂直分布特征均有明顯的影響，由圖1可知，擾動區(qū)域和未擾動區(qū)域土壤養(yǎng)分均隨土層深度的增加而逐漸降低趨勢，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，20—40 cm土層以下，土壤養(yǎng)分急劇降低，40—60 cm土層，未擾動區(qū)和擾動區(qū)土壤養(yǎng)分基本一致；同層土壤各養(yǎng)分相比，基本出現(xiàn)未擾動區(qū)>擾動區(qū)，局部有所波動。

2.5風電場干擾區(qū)域和未干擾區(qū)域植被與土壤因子相關分析

由表4可知，風電場擾動區(qū)域植被覆蓋度與土壤微生物量碳呈顯著正相關(p<0.05)；豐富度指數(shù)與有機碳、全氮、堿解氮、微生物量碳和氮呈顯著正相關(p<0.05)；均勻度指數(shù)指數(shù)與有效磷和微生物量碳呈顯著正相關(p<0.05)；多樣性指數(shù)與有機碳、全氮和微生物量碳呈極顯著正相關(p<0.01)，與全磷和有效磷呈顯著正相關(p<0.05)；優(yōu)勢度指數(shù)與有效磷和微生物量碳呈顯著正相關(p<0.05)；地上生物量與有機碳和全氮呈極顯著正相關(p<0.01)，與有效磷和微生物量碳呈顯著正相關(p<0.05)；地下生物量與有機碳、全氮、有效磷、堿解氮、微生物量碳和氮呈極顯著正相關(p<0.01)，與微生物量磷呈顯著正相關(p<0.05)；枯落物量與有機碳呈極顯著正相關(p<0.01)，與全氮和微生物量碳呈顯著正相關(p<0.05)。由表5可知，風電場未擾動區(qū)域植被與土壤因子相關性基本與擾動區(qū)域相一致。

表3　風電場的建設對0-60 cm土層平均土壤養(yǎng)分的影響

圖1　風電場的建設對土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

表4　風電場干擾區(qū)域植被與土壤因子(0-60 cm)相關分析

**相關性在0.01水平上顯著(雙尾)，*相關性在0.05水平上顯著(雙尾)，下同。

表5　風電場未干擾區(qū)域植被與土壤因子(0-60 cm)相關分析

3　討論與結論

表1的結果顯示了風電場降低了周邊區(qū)域植被覆蓋度、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)地上、地下生物量和枯落物含量，在擾動區(qū)域(0～3 km)，植被各指標和土壤養(yǎng)分均隨遠離風電場距離的增加而增加，距離風電場4 km時，植被各指標和土壤養(yǎng)分基本與未擾動區(qū)域達到一致，未擾動區(qū)域(4～7 km)植被各指標和土壤養(yǎng)分基本一致，初步表明了風電場對于植被和土壤養(yǎng)分的影響范圍均在方圓3 km以內。

由表2可知，風電場增加了周邊區(qū)域土壤容重、pH和總孔隙度，降低了土壤電導率、含水量和全鹽，主要是由于風電場降低了周邊區(qū)域植被覆蓋度、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)地上、地下生物量和枯落物含量，而植被地下根系屬性的降低導致了其根區(qū)土壤容重、pH和總孔隙度增加，土壤電導率、含水量和全鹽降低，此外，這還與植被地下根系在土壤中的空間位置及分布有關[14-15]。風電場建設過程中土壤的壓實效應致使土壤容重和土壤強度增加、持水率下降，加之地表裸露致使地表溫度升高、蒸發(fā)量增大，引起了可溶性鹽類在土壤表層或土壤中逐漸積累[14-15,19-20]，因而加重土壤堿化程度，pH值也相應的增加，pH值的增加影響土壤其他養(yǎng)分有效性下降、微生物活動和植物的生長等，與前人的研究結果相一致[14,19-20]。

土壤養(yǎng)分不僅能反映土壤“營養(yǎng)庫”中養(yǎng)分的貯量水平，而且在一定程度上能影響有效養(yǎng)分的供應能力[21-22]。本研究中風電場擾動區(qū)域和非擾動區(qū)域土壤養(yǎng)分含量之間的差異明顯(表3)，表明了風電場降低了土壤養(yǎng)分，但其影響程度因養(yǎng)分的有效性及土層的深度而異。從土壤養(yǎng)分的垂直分布特征來看(圖1)，風電場擾動區(qū)域和非擾動區(qū)域土壤養(yǎng)分均隨土層深度的增加而逐漸降低趨勢，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，而土壤深層(40—60 cm)未擾動區(qū)和擾動區(qū)土壤養(yǎng)分基本一致，同層土壤各養(yǎng)分相比，基本出現(xiàn)未擾動區(qū)>擾動區(qū)，表明了風電場的建設降低了土壤養(yǎng)分含量(除了全磷)，但并沒有改變土壤養(yǎng)分的垂直分布特征，也并未影響深層(40—60 cm)土壤養(yǎng)分含量。這可能是由于風電場建設過程中表層、底層土混合產生的稀釋效應[14-15,19-20]；同時，風電場改變土壤理化性質和當?shù)刂脖唬瑥亩铀儆袡C質分解，降低了土壤有機質含量，有機質礦化能力隨之下降，結果導致土壤有效養(yǎng)分和微生物量下降，并且養(yǎng)分在土壤垂直方向的歸還具有明顯的下降趨勢，從而表現(xiàn)出明顯的“表聚性”。而本研究中風電場的建設并沒有引起全磷含量的下降(表2)，主要是由于磷素是一種沉積性元素，由母質類型和成土條件決定，在土壤中的存在形式較穩(wěn)定、不易流失[23-24]，因此，風電場的建設沒有影響土壤全磷含量及其分布特征。綜合來看，土壤微生物量的變化幅度最大，對風電場的擾動表現(xiàn)最為敏感，經計算可得，土壤微生物量變異系數(shù)高于其他養(yǎng)分變異系數(shù)，說明風電場對土壤微生物量的空間變異影響較大。

風電場未擾動區(qū)域植被與土壤因子相關性基本與擾動區(qū)域相一致(表4，5)，表明風電場對周邊區(qū)域植被和土壤均有顯著影響，而此影響具有同等的重要性，也即同等程度下影響了植被和土壤因子，同時也體現(xiàn)了植被和土壤因子的互作效應。

本研究表明了風電場對植被和土壤均有一定影響，主要是破壞了其周邊區(qū)域地表形態(tài)、植被和土層結構，導致地表裸露，損害土壤肥力等，距風電場3 km以外的植被和土壤受影響較小，因此，建議風電場建設邊界距3 km以上，以減少對植被及土壤的間接影響。風電場是人類對大自然的干預，對局部生態(tài)環(huán)境和自然景觀產生不利影響，它的建設必須嚴格保護生態(tài)環(huán)境，盡可能減少負面影響。結合本研究的結果，應改良當?shù)赝寥赖乃釅A度，由于風電場導致土壤pH值升高，所以對土壤進行適當?shù)母牧?；其次，結合擾動區(qū)域植被進行人工干預或自然恢復，撒播適宜當?shù)赝寥篮蜌夂蛏L的草種，有效固著土壤、減少水土流失，施用有機肥和秸稈，較大程度提高土壤有機質含量及酶活性等。

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Effect of Wind Power Site Construction on Soil Nutrients and Vegetation of the Surrounding Disturbed Region

LI Zhilan

(Shanxi Water Conservancy Exploration & Design Institute, Taiyuan 030024, China)

The effect of wind power site construction on vegetation and soil nutrients of the surrounding disturbed region were examined. The results showed that the wind power site construction increased soil bulk density, pH and total porosity, reduced the soil electrical conductivity, moisture content and total salt in the surrounding disturbed region, at the same time, it reduced the growth of the vegetation index and soil nutrients (in addition to the soil total phosphorus) and so on. In disturbed region (0～3 km), the index of plant growth and soil nutrients increased with the increase of the distance from the wind power site, When distance is 4 km away from the wind power site, the index of plant growth and soil nutrient in disturbed region were consistent with non-disturbed region, which turned out that the effect of wind power site on vegetation and soil nutrient was within the scope of 3 km, in addition, the range ability and coefficient of variation of soil microbial biomass were the largest which meant the influence on the spatial variation of soil microbial biomass was more significant than other soil nutrients. In disturbed and non-disturbed region, the soil nutrients decreased progressively with soil depth and showed the enrichment in surface soil layer which meant that surface accumulation was obvious, while at the layer of 40—60 cm, the soil nutrients in disturbed and non-disturbed region had no significant differences, which indicated that wind power site construction had no influence on the vertical distribution characteristics of soil nutrients and the soil nutrient content of deeper layers. Pearson correlation analysis showed that wind power site construction had the same effect on vegetation and soil nutrient of the surrounding disturbed region, which meant that wind power site influenced the plant and soil nutrient at the same degree and reflected the complex interaction effect of vegetation and soil nutrients.

wind power site; disturbed region; vegetation; soil nutrient

2014-08-27

2014-09-15

國家自然科學青年基金項目“典型煤礦區(qū)煤矸石自燃源多環(huán)芳烴的形成機制與釋放模式”(41103052)

李智蘭(1970—),女,山西文水人,碩士,高級工程師,研究方向為水土保持及環(huán)境影響評價。E-mail:zhilanlee@163.com

S157.1； X171.1

A

1005-3409(2015)04-0061-06