崔永琴, 馮 起, 孫家歡, 肖建華

(中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000)

西北地區(qū)光伏電站植被恢復模式研究綜述

崔永琴, 馮 起, 孫家歡, 肖建華

(中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000)

[目的] 分析當前西北地區(qū)光伏電站現(xiàn)有的植被恢復模式，提出一種光伏電站內(nèi)增加植被覆蓋的生態(tài)恢復節(jié)水型新模式，為西北地區(qū)光伏電站的綜合利用提供科學理論基礎。[方法] 廣泛查閱近幾年國內(nèi)外的文獻，對西北地區(qū)光伏電站植被恢復的有利條件、現(xiàn)有的西北地區(qū)光伏電站植被恢復模式的特點等進行總結、分析，并對今后研究方向進行探討。[結果] 當前西北地區(qū)光伏電站植被恢復研究還處在起步階段，并未充分考慮水資源的合理高效利用和光伏電站的獨特性。[結論] 要重點探索“西北地區(qū)光伏電站內(nèi)水—光—熱的再分配規(guī)律”這一生態(tài)和光伏電站領域相交叉的重要科學問題，加強光伏電站植被恢復的多學科融合，并對光伏電站生態(tài)系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，制定嚴格的光伏電站環(huán)境影響評價標準等。

西北地區(qū); 光伏電站; 植被恢復模式; 綜述

文獻參數(shù)： 崔永琴, 馮起, 孫家歡, 等.西北地區(qū)光伏電站植被恢復模式研究綜述[J].水土保持通報，2017,37(3)：200-203.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.033； Cui Yongqin, Feng Qi, Sun Jiahuan, et al. A review of revegetation patterns of photovoltaic plant in Northwest China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：200-203.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.033

化石燃料在過去幾百年為世界經(jīng)濟的發(fā)展提供了動力，而且很有可能在未來幾十年仍然是最主要的能源提供者，但其有不可再生性、燃燒后產(chǎn)生溫室氣體導致全球變暖和環(huán)境污染問題。隨著人類對能源需求量的不斷增長，迫使人們開始尋找可再生的、低碳的和環(huán)境友好型的新能源。太陽能光伏發(fā)電即為其中最有希望的替代能源之一[1]，并在近些年取得了飛速的發(fā)展[2-3]。隨著近幾年光伏電池板的成本下降[4]和國家許多優(yōu)惠政策的相繼出臺[5]，中國光伏電站安裝量實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展(圖1)，年均增速都在220%以上，其中又以西北地區(qū)的發(fā)展最快[6]。截至到2016年底，西北五省〔甘肅、青海、新疆(含建設兵團)、寧夏、內(nèi)蒙古〕光伏發(fā)電累計安裝量達到了33 930 MW，占全國的44%[6]。按每1 MW平均成本800萬計算，累計投資額超過了2 700億元；按每1 MW占地2.33 hm2計算，其占地面積約為79 057 hm2。

中國西北地區(qū)的光伏電站都分布在綠洲周圍未利用的戈壁、沙漠荒地。而西北地區(qū)屬典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[7]，建設光伏電站時，必然會破壞地表土壤和稀疏植被，增大地表的風蝕，造成局地風沙危害，進而磨蝕電站設備和增加太陽能板積塵，并影響生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定[8]；但電站建成后，成排的、東西走向的光伏陣列可以增加電站地表的粗糙度，減弱地表層風速，尤其是南北方向；而且一旦電站建成，地表幾乎沒有人為干擾，有利于地表結皮和植被的恢復。因此，光伏電站無疑會成為中國荒漠化治理和開發(fā)利用豐富光能資源的一種新技術、新模式[9]。本文擬對目前西北地區(qū)光伏電站采用的植被恢復模式進行總結、分析，以期為相關決策的制定提供必要的理論科學依據(jù)，對西北地區(qū)提高土地資源利用率，恢復綠色植被改善生態(tài)環(huán)境，促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出一定貢獻。

圖1 2000-2016年中國及世界光伏發(fā)電累計安裝量

1 西北地區(qū)光伏電站植被恢復的有利條件

西北地區(qū)干旱少雨，是中國沙質(zhì)荒漠化最嚴重的地區(qū)，生態(tài)狀況極其脆弱。光伏電站的建設將對蓄水保土、調(diào)節(jié)氣候、促進區(qū)域植被恢復產(chǎn)生積極的影響。其作用主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 光伏電站的建成在一定程度上可調(diào)節(jié)區(qū)域的小氣候。對酒泉市東洞灘光伏電站的研究發(fā)現(xiàn)，電站建成運行后，由于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，地表接收的太陽輻射大大降低，年地表溫度累計降低18.03 ℃，日平均降低0.049 ℃，氣溫日較差與年較差減小，進而可使土壤水分的蒸發(fā)速率減少，相對空氣濕度一定程度上有微量增加[10]。局部小氣候的改善將有利于植被的生存，從而對提高西北地區(qū)光伏電站植被的恢復和植被覆蓋率的提高有積極影響。

(2) 光伏電池板能夠起到較好的阻風、固沙作用。大面積的光伏電池板覆蓋在地表，增加了地表的粗糙度，使得地表風速降低，輸沙率也隨之降低，從而達到阻風、固沙的效果。例如酒泉市東洞灘百萬千瓦光伏示范基地建設之前地表為荒漠戈壁，地表粗糙度等級為1級，粗糙度長度為0.03；示范基地建成后，大面積的光伏電池板覆蓋在地表，改變了地表的粗糙度，使得示范基地的地表粗糙度等級達到甚至超過了2.0，相應的其粗糙度長度也隨之增加[10]。示范基地地表粗糙度的增加減弱了到達地面的風的能量，地表風速降低，從而起到阻風的作用。而隨著近地表風速的降低，其輸沙率也會降低，從而起到固沙的作用[10]。

(3) 西北地區(qū)定期清洗光伏電池板表面降塵的措施為植被生長提供了除自然降雨之外的水分。由于降落到光伏電池板表面的灰塵可降低光伏電池板表面玻璃的透光率，削弱光伏電池板接收的太陽輻射的強度，從而顯著減少光伏電站的發(fā)電量，尤其在干旱半干旱地區(qū)，一個月的損失可以達到33.5%，6個月的損失可以達到65.8%[11]，因此在西北地區(qū)光伏電池板的清洗是必須進行的。據(jù)調(diào)查，西北地區(qū)的光伏電站每年清洗電池板5～12次。大量的清洗水無疑可以為植被生長提供除自然降雨之外的水分，從而對促進電站區(qū)土壤水分條件的改善和植被的恢復產(chǎn)生良好的影響。

2 現(xiàn)有的西北地區(qū)光伏電站植被恢復模式

2.1 自然恢復

光伏電站建成后，電站內(nèi)環(huán)境逐步得到改善，再加上地表幾乎沒有人為干擾，有利于地表結皮和植被的自然恢復。因此，自然恢復是保護光伏電站環(huán)境一種較好的植被恢復模式。這也是目前西北地區(qū)大多數(shù)光伏電站采取的一種植被恢復模式。但是，該模式存在自然恢復周期相對較長、適用地區(qū)有限(僅適用于降雨量相對較多的地區(qū))等問題。

2.2 人工種植

在風沙流活動較弱的干旱半干旱地區(qū)，可以采用人工種植模式加速光伏電站內(nèi)的植被修復進程。光伏電站建成后，在升壓站、綜合樓四周、進站道路兩側和其他既不影響輸電又能栽種的地方應種植一些鄉(xiāng)土灌木或草本植物；在光伏電池板的下部種植低矮型耐旱的防風固沙的草本植物，并定期進行灌溉。青海省海南州共和塔拉灘的太陽能生態(tài)發(fā)電園區(qū)就是一個典型的例子。塔拉灘屬于干旱荒漠化的草原，是黃河上游風沙危害最嚴重的地區(qū)之一，屬高原大陸性氣候，干旱少雨，日照充足，晝夜溫差大，年平均氣溫4.1 ℃，年均降水量250～450 mm。由于降水量稀少、風沙危害嚴重等自然因素和超載放牧、濫挖濫樵等人為活動，這里的植被破壞嚴重。光伏電站建成后，在電站周圍以及升壓站、辦公區(qū)等地都栽上了青海云杉(Piceacrassifolia)、丁香(Syzygiumaromaticum)、黃垂榆(Ulmuspumila)等樹種，在子陣區(qū)空閑地都補種了鄉(xiāng)土草種。在陣區(qū)之間開挖的電纜溝和逆變器室周圍等地也種上了鄉(xiāng)土草種，并且引進了適宜在塔拉灘生長的優(yōu)良草種。目前，塔拉灘的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)得到顯著改善[12]。這種人工種植模式既能夠修復電站生態(tài)，又能起到防風固沙的作用，有利于環(huán)境和小氣候的改善。這不僅推動了土地資源的高效利用，而且能在一定程度上降低風沙對光伏電站造成的危害。

2.3 布設草方格+人工種植

在常年有風沙流活動的干旱半干旱地區(qū)，由于沙粒具有很強的流動性，光伏電站則很容易出現(xiàn)嚴重的風蝕，因此，可以采用布設草方格與人工種植相結合的模式進行光伏電站植被恢復。寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市地處寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古3省交界處，西北兩面被騰格里大沙漠包圍，土質(zhì)松軟、易流失。在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)光伏電站內(nèi)，借鑒中衛(wèi)沙坡頭已經(jīng)成熟的麥草方格與固沙植物相結合的模式，即將麥草一束束呈方格狀鋪在沙地上，用鐵鍬軋進沙中，留麥草的1/3或1/2自然豎立在四邊，然后再將方格中心的沙子撥向四周麥草根部，使麥草牢牢地豎立在沙地上；另外，為進一步加固地表，延長電站使用壽命，還在“草方格”的基礎上，種植花棒(Hedysarumscoparium)、檸條(Caraganakorshinskii)、油蒿(Artemisiaordosica)等適應性極強的鄉(xiāng)土植物種，并利用滴灌技術，將水資源送到植物根部。

草方格的運用增加了地表的粗糙度，降低了地表的風速，減弱了流沙的活動，更加有利于植物種子的固定和萌發(fā)生長，并能夠?qū)⒖諝庵械乃肿雍徒邓潭ㄔ谏硨颖砻?，一定程度上為淺根性植物的生長提供了短暫的水分供應。此外，中衛(wèi)光伏電站在生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、進場道路區(qū)、輸電線路區(qū)種植各類耐旱植物，定期進行植被澆灌。這些措施的充分運用，使得沙丘表面形成了有機結皮，并逐步構建成一個穩(wěn)固的綠色防護體系，對促進電站區(qū)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)產(chǎn)生了顯著影響[13]。

3 討論與結論

目前，西北地區(qū)光伏電站的植被恢復研究還處在起步階段，并存在一定缺陷。水資源短缺是限制西北干旱地區(qū)經(jīng)濟、社會、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要因子[14]。但是，西北地區(qū)光伏電站采用的植被恢復模式并未充分考慮水資源的合理高效利用。對寧夏中衛(wèi)的光伏電站的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的光伏電站植被恢復模式是首先進行草方格的布設，然后在電站內(nèi)大量播撒植物種子并多次澆灌，浪費了大量的人力、物力和寶貴的水資源。然另一方面，由于降水和清洗水沿光伏電池板在光伏陣列的下沿正下方匯集，使得這一區(qū)域得到的水分總量遠高于其他區(qū)域，又因這一區(qū)域常年受到陽光直射，進而雜草生長旺盛，并遮擋陣列下部的部分電池板，增大了光伏電池板和陣列的失配損失，減少了光伏電站的發(fā)電量。這意味著現(xiàn)在的降水和清洗水不僅沒有在植被恢復過程中被有效利用，反而對光伏電池板前沿正下方的自然植被的生長產(chǎn)生了促進作用，導致光伏電站的發(fā)電量減少。同時，西北地區(qū)光伏電站的植被恢復模也沒有充分考慮到光伏電站的獨特性。光伏電站內(nèi)光伏電池板的不透水性、不透光性以及安裝方式的特殊性導致了光伏電站水(降水和清洗水)—光(輻射)—熱(地溫)的重新分配[15-16]。所以，如何消耗最少的水資源并快速地恢復被破壞的光伏電站的地表植被，減弱土壤風蝕的強度，是西北光伏電站建設初期迫切需要解決的問題。因此，綜上所述，對西北地區(qū)光伏電站植被恢復研究提出以下幾點建議：

(1) 重點探索西北地區(qū)光伏電站內(nèi)的水(降水和清洗水)—光(輻射)—熱(地溫)的再分配規(guī)律，并根據(jù)這些規(guī)律對光伏電站進行小氣候分區(qū)，分別制定適宜每個氣候小區(qū)生長的植物種的初步選擇標準，從而為西北地區(qū)光伏電站內(nèi)充分利用有限的水資源增加地表植被覆蓋、快速改善光伏電站環(huán)境條件以提高光伏電池板光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命、以及為節(jié)水型光伏農(nóng)業(yè)、光伏牧業(yè)的發(fā)展提供科學理論基礎。

(2) 注重3種植被恢復模式的因地制宜，合理配置和有機結合。在西北地區(qū)大型光伏電站的植被恢復過程中，一方面是花費大量的人力和財力進行人工種植，而另一方面則是自然生長的雜草旺盛，影響光伏電池板發(fā)電量。因此，在光伏電站植被恢復過程中，可以考慮自然恢復模式和人工種植模式的合理布局和有機結合。

(3) 加強太陽能光伏電站植被恢復的多學科融合。融合太陽能技術、材料科學與技術、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、氣象、植物學、機械制造等多種學科知識，積極促進西北地區(qū)光伏電站的植被恢復。

(4) 加強環(huán)境監(jiān)理，強化生態(tài)環(huán)境管理意識，由環(huán)保專業(yè)人員制定生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測方案，監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)功能、結構方面的變化，并根據(jù)監(jiān)測情況及時建議建設單位按照相關方案設計要求采取相應的防控措施，最大限度地減少風沙危害。

(5) 加強光伏電站環(huán)境影響評價的標準體系建設。光伏發(fā)電迅速發(fā)展，但光伏發(fā)電項目環(huán)境影響評價還沒有統(tǒng)一規(guī)范。制定光伏電站環(huán)境影響評價的標準可為中國光伏電站設計、建設、運行管理及環(huán)境保護提供依據(jù)，同時對完善國內(nèi)光伏發(fā)電環(huán)境影響評價具有一定的意義和作用。

(6) 光伏電站經(jīng)生態(tài)恢復投入運行后，在保證安全正常發(fā)電的前提下，可作為所在區(qū)域一個很好的高科技生態(tài)環(huán)保主題的旅游景點資源，將有助于當?shù)芈糜螛I(yè)的進一步發(fā)展。

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A Review of Revegetation Patterns of Photovoltaic Plant in Northwest China

CUI Yongqin, FENG Qi, SUN Jiahuan, XIAO Jianhua

(InstituteofEco-environmentandResources,ChineseAcademySciences,Lanzhou,Gansu730000,China)

[Objective] We attempt to review the progress of vegetation restoration patterns in photovoltaic(PV) plant， in order to present a new water-saving model to restore the damaged ground vegetation rapidly in large desert PV plant, and to provide scientific theoretical basis for the comprehensive utilization of PV power station in Northwest China. [Methods] Recent relevant literatures about vegetation restoration patterns in PV plant were extensively reviewed and analyzed, the characteristics of present revegetation patterns in PV plant were reviewed and forecasted, and flaws in the existing studies and several key points in future studies were listed. [Results] Presently the study on vegetation restoration pattern in PV plant was still in its initial stage, without fully consideration of the reasonable and efficient utilization for water resource and the uniqueness of PV plant. [Conclusion] Studies should be focused on the redistribution of water-light-heat resources in the PV plant in Northwest China. And several issues as multi-disciplinary integration, real-time monitoring of ecosystem in desert PV plant, and formulation of evaluation criteria with regard to environment assessment impacted by PV plant, should also be enhanced.

Northwest China; photovoltaic(PV) plant; vegetation restoration patterns; review

2016-09-13

2016-10-24

中國博士后科學基金面上項目“西北沙漠光伏電站植被恢復新模式的研究”(2015M572622); 黃河水電水利公司光伏產(chǎn)業(yè)帶動生態(tài)建設試驗示范項目(90Y490B21)

崔永琴(1986—),女(漢族),山西省長治市人,博士后,主要從事光伏電站植被恢復研究。E-mail:echofeng2001@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0200-04

Q948.1