內(nèi)蒙古典型草原區(qū)光伏電板降水再分配與土壤水分蒸散分異規(guī)律

翟 波 黨曉宏,2* 陳 曦 劉湘杰 楊世榮

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400； 3.呼和浩特職業(yè)學院，呼和浩特 010070)

隨著人類社會的不斷發(fā)展，化石能源消耗始終伴隨著環(huán)境污染，傳統(tǒng)化石能源的使用需要進行進一步調(diào)整[1]。太陽能作為一種清潔的可再生能源，具備普遍性、無限性、清潔性和經(jīng)濟性的特點，光伏發(fā)電技術結構簡單、使用方便，價格低廉，太陽能發(fā)電技術在我國西北地區(qū)具有較好的發(fā)展前景[2-6]。光伏電站在投產(chǎn)使用后由于光伏電板的特殊結構勢必會對當?shù)赝寥浪值姆植己驼舭l(fā)過程產(chǎn)生影響，這也是目前草原地區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中需要探明的科學問題。而降水格局的改變以及土壤水分的異質(zhì)性一直受到世界各地生態(tài)學研究人員的廣泛關注，土壤水分的時間變化和空間分異性可以與水文過程和生態(tài)格局之間產(chǎn)生關聯(lián)性[7-8]。同時光伏電站建成后對局地微氣候的影響逐漸成為熱點。Nemet[9]通過研究太陽能電池板的光照反射強度對地面氣候的影響發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模的布設太陽能電池板不僅不會產(chǎn)生城市熱島效應，而是在一定程度上可以實現(xiàn)“城市降溫的效果。進入21世紀之后，許多國家開展了關于光伏電站對自然多樣性、水資源利用、城市熱島效應和氣候變暖影響的相關研究，Theocharis[10]認為光伏電站發(fā)電對周圍環(huán)境影響較小。國內(nèi)至今對于光伏電站內(nèi)氣候環(huán)境的影響多集中于對整體區(qū)域的探討[11]，對光伏電站大尺度的土壤水分變化進行了定量描述，但是對于單個電板下土壤水分的變化沒有進行詳細的測定，光伏電站內(nèi)土壤水分的變化規(guī)律相比電站區(qū)內(nèi)外的土壤水分變化特征更為復雜，土壤水分的變化過程由于電板的影響呈現(xiàn)更為特殊的擾動規(guī)律。草原光伏電站區(qū)域內(nèi)的植被恢復主要受土壤水分條件的制約。

基于此，本研究擬采用野外觀測的方法，對單次降水事件下光伏電板下各位置的降水量進行測定，明確光伏電板對降水的分配作用，并對光伏電板下的土壤水分特征、土壤蒸發(fā)量及溫濕度指標進行逐日測定，最終通過相關分析及回歸分析，揭示光伏電板下降水與土壤水分變化的耦合關系，以期為草原地區(qū)光伏電站的水源涵養(yǎng)與生態(tài)修復工作提供基礎依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古呼和浩特市土默特左旗境內(nèi)209國道東側的山路能源集團大有光能源30 MWP光伏農(nóng)林牧示范基地。地理位置為40°26′ N、110°48′ E。該光伏電站于2008年開始建設，建設周期為4 a，于2012年投產(chǎn)使用。為使電站土地地勢平緩無過大起伏，電站建設過程中開展了局地整地工作，在架設電板過程中對整個場區(qū)地表土進行了翻挖。電場投產(chǎn)前在外圍布設了網(wǎng)圍欄，場區(qū)內(nèi)無放牧行為。

列間電板延南北走向總長700 m，光伏電板規(guī)格為752 cm×318 cm，光伏電板與地面呈30°夾角，其中電板前檐距地面138 cm，電板后檐距地面297 cm。電站內(nèi)以天然牧草為主，主要包括：羊草(LeymuschinensisTzvel.)、冰草(Agropyroncristatum(L.) Gaertn.)、堿蒿(ArtemisiaanethifoliaWeber)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，全年光照充足，全年的日照時間長達2 782.8 h。年均降水量較少，為282.4 mm，蒸發(fā)較為劇烈。該地區(qū)雨熱同季，其積溫的有效率較高。無霜期為187 d，其災害性天氣經(jīng)常發(fā)生于春旱到春寒期間。

1.2 試驗設計

2017年9月17日在基地南區(qū)光伏陣列隨機選取獨立電板作為研究區(qū)域，在電板下根據(jù)遮蔭情況以及降水發(fā)生變化情況將光伏電板下方分為6個區(qū)域，分別為：距電板前檐正下方50 cm處(A)、電板前檐正下方(B)、電板板面下方2個螺栓處(C、E)，正下方板間空隙處(D)以及電板后檐處(F)(圖1)。將電站內(nèi)同樣進行耕翻處理但未架設電板的區(qū)域作為對照(CK)。在每個位置等間距設定3個重復測點，在每個測點布設雨量筒。對9月17日的單次降水事件中電板下各位置的降水量進行收集測定。并在各測點分別埋設1個微型蒸發(fā)儀(micro-Lysimeter，ML)，依據(jù)李王成等[12]的研究成果，本試驗所使用ML為PVC材質(zhì)，分為內(nèi)外兩環(huán)，內(nèi)環(huán)直徑為8 cm，外環(huán)直徑10 cm，高15 cm，內(nèi)環(huán)底部有紗布封底，以便于土壤進行正常水熱交換。在單次降水結束后分別在每天8：00和20：00分別將ML內(nèi)環(huán)取出，對其進行稱重，每日稱重的差值即為當日土壤蒸發(fā)量。連續(xù)稱取至恒重或再次發(fā)生降水事件時結束稱重。在此期間利用HOBO小型氣象站對每個位置的大氣溫度、大氣濕度以及0～30 cm土層(每10 cm為1層)的土壤體積含水率進行連續(xù)觀測。并計算各層土壤蓄水量，蓄水量計算公式為：

Wi=10θvhi

(1)

式中：Wi為第i層土壤蓄水量，mm；θv為第i層土壤體積含水量，%；hi為第i層土壤厚度，此處為10 cm。

①樣線；②光伏電板；③光伏支架 ① Sample line; ② Photovoltaic panel; ③ Photovoltaic bracket A，距離光伏電板前檐50 cm處；B，光伏電板前檐正下方；C、E，光伏電板螺栓連接處正下方；D，光伏電板拼接縫隙處正下方；F，光伏電板后檐正下方。下圖同。 A, 50 cm from the ground under the front eaves of photovoltaic panels; B, under the front eaves of photovoltaic panels; C and E, photovoltaic panel bolt connections directly below; D, photovoltaic panel stitching gap directly below; F, under the rear eaves of photovoltaic panels. The same below.圖1 光伏電板俯視圖(a)與測定位置布局示意圖(b)Fig.1 Top view of photovoltaic panels (a) measurement location layout diagram (b)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)處理分析。采用Duncan多重比較檢驗對單個指標差異的顯著性進行分析。利用相關性分析和線性回歸模型分析降水事件對各層土壤水分和土壤蒸發(fā)量的影響。

2 結果與分析

2.1 光伏電板對單次降水的再分配作用

觀測期間野外氣象數(shù)據(jù)見表1。9月17日單次降水事件所收集的降水量見圖2，光伏電板下各區(qū)域降水量大小依次為B>D>CK>A>F>C=E，其中位于電板前檐下方匯水處地面所得到的降水量顯著大于其他位置的降水量(P<0.05)，其次為電板正下方的D位置，由于光伏電板的截流作用，C位置和E位置無降水。A位置和CK處所獲得的降水無顯著性差異(P>0.05)，電板后檐正下方的F位置受到電板的干擾降水量較CK處有顯著降低(P<0.05)。光伏電板前檐下方由于電板的匯水作用較未架設電板處增加了111.33 mm。D位置收集的降水量占B位置的62.79%。

表1 觀測期間野外氣象數(shù)據(jù)Table 1 Field weather data during the observation period

不同小寫字母表示不同位置條件間差異顯著(P<0.05)。 Different letters in the histogram represent significant differences between different location conditions (P<0.05).圖2 光伏電板下不同位置單次降水量Fig.2 Single precipitation at different locations under photovoltaic panels

2.2 降水后電板下各位置土壤水分動態(tài)變化

降水結束后5 天內(nèi)光伏電板下不同位置各層土壤體積含水率變化規(guī)律見圖3。0～10 cm土層土壤體積含水率整體表現(xiàn)為D>B>CK>A>F>C>E，其中CK處0～10 cm土層體積含水率分別占B位置和D位置0～10 cm土層體積含水率的47.61%和38.08%。該土層的體積含水率隨時間的推移呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，光伏電板下的B、C、D、E 4 個位置的0～10 cm土層體積含水率在5 天內(nèi)分別下降了9.93%、77.71%、8.65%和80.6%；A、F、CK 3 個位置分別下降了61.64%、65.81%和61.94%。C、E 2 個位置的0～10 cm土層體積含水率在降雨結束后的第2 天分別下降75.14%和78.43%，由于光伏電板下沒有收集到降水，表層土壤體積含水率較低，導致其入滲速率加快。未架設電板的A位置和CK處的表層土壤體積含水率下降速率相比電板下的B、D兩位置有明顯提升。10～20 cm土層的土壤體積含水率整體表現(xiàn)為B>D>C>E>CK>A>F，CK處10～20 cm土層體積含水率分別占B位置和D位置10～20 cm土層體積含水率的25.05%和30.27%。其中光伏電板下B和D位置的10～20 cm土層由于先期得到充足的降水補給，導致其入滲速率較快，很快達到入滲飽和狀態(tài)，其體積含水率隨時間推移呈現(xiàn)下降趨勢，其余位置在該土層體積含水率整體呈現(xiàn)上升趨勢，但變化量較小，整體趨于平穩(wěn)狀態(tài)。20～30 cm土層體積含水率整體表現(xiàn)為B>C>E>D>A>CK>F，CK處20～30 cm 土層體積含水率分別占B位置和D位置20～30 cm土層體積含水率的40.63%和97.54%。該層土壤逐日的體積含水率無明顯變化規(guī)律。綜上所述，光伏電板下10～20 cm和20～30 cm土層土壤體積含水率整體高于光伏電板外該層的土壤體積含水率。降水后5 日內(nèi)表層土壤體積含水率的變化較10～20 cm和20～30 cm土層含水率變化更為明顯。

(a)、(b)、(c)分別表示0～10、10～20和20～30 cm土層；下標1，2，…，5分別表示日期09-18—09-22。 (a), (b) and (c) respectively show 0-10, 10-20 and 20-30 cm of soil layers; The subscripts 1, 2, …， 5 respectively represent the dates from September 18 to September 22.圖3 光伏電板下土壤含水率分布規(guī)律Fig.3 Distribution of soil water content under photovoltaic panels

2.3 光伏電板下土壤蒸發(fā)量變化規(guī)律

降水結束后光伏電板下土壤蒸發(fā)量的變化規(guī)律見圖4，降水結束4 天后微型蒸發(fā)儀的土壤質(zhì)量不再發(fā)生改變。電板前檐的A位置與B位置總體累計土壤蒸發(fā)量較高，其中B位置的累計土壤蒸發(fā)量達到了5.73 mm。電板下方只有D位置的土壤蒸發(fā)量較高，光伏電板下的C、E和F位置的土壤4 天累積蒸發(fā)量僅為3.52、2.76和2.91 mm，但均低于CK處的累積土壤蒸發(fā)量。光伏電板有效減少了表層土壤水分蒸發(fā)量。

圖4 光伏電板下不同位置累計土壤蒸發(fā)量Fig.4 Cumulative soil evaporation at different locations under photovoltaic panels

光伏電板下大氣溫濕度的變化特征見表2。不同空間位置處大氣溫度整體表現(xiàn)為CK>A>F>E>B>C>D，未架設電板的CK處大氣溫度較A～F位置的大氣溫度分別高出2.19、3.38、4.92、5.17、3.24和2.98 ℃，電板前檐的A點較電板正下方的C點和D點具有顯著性差異(P<0.05)，其他位置均無顯著性差異(P>0.05)。光伏電板下大氣濕度整體表現(xiàn)為B>A>D>CK>E>C>F，其中電板前檐正下方的B點大氣濕度最高為77.58%，A點次之，二者之間無顯著性差異(P>0.05)，電板下其他位置和CK大氣濕度均顯著低于A、B兩點(P<0.05)。電板下的低溫高濕環(huán)境也促使土壤蒸發(fā)量低于電板外的土壤蒸發(fā)量。

表2 光伏電板下大氣溫濕度變化規(guī)律 Table 2 Variation of atmospheric temperature, humidity under photovoltaic panels

2.4 光伏電板下土壤蓄水量與降水量的關系

光伏電板下不同土層蓄水量與降水量的關系見圖5。0～10 cm土層的土壤蓄水量與光伏電板調(diào)控下的降水量具有較好的擬合關系，R2=0.716 6；10～20 cm土層蓄水量與光伏電板調(diào)控下作用下降水量的擬合度最高，R2=0.829 2；20～30 cm土層的蓄水量與降水量的擬合程度較低，R2=0.334 5。由表3可知， 0～10 cm土層蓄水量隨著時間的推移與降水量的相關系數(shù)由0.79增大到0.90，該層土壤蓄水量與降水量的相關性逐漸增強。表層土壤在降水結束后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過垂直入滲一段時間后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。10～20 cm土層蓄水量與降水量的逐日關系呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其相關系數(shù)由0.91上升至0.94，隨后下降至0.87，但總體對降水的響應程度較表層土壤含水率明顯升高。20～30 cm土層蓄水量逐日變化不明顯。光伏電板下不同位置的表層土壤蓄水量對降水具有積極的反饋，光伏電板下土壤蓄水量的分配很大程度上受到降水再分配的調(diào)控，同時板下土壤水分對于降水的反饋具有一定滯后性。

圖5 光伏電板下不同土層蓄水量與降水量的關系Fig.5 Relationship between water storage and precipitation in different soil layers under photovoltaic panels

2.5 光伏電板下土壤蒸發(fā)量與降水量及土壤含水率的關系

降水后光伏電板下4 天的累積土壤蒸發(fā)量與降水量的關系見圖6。光伏電板下累計土壤蒸發(fā)量與降水量擬合程度較高，R2為0.771 6。降雨結束后光伏電板下各層土壤初始體積含水率與逐日土壤蒸發(fā)量的相關關系見表4：降水后4日內(nèi)土壤蒸發(fā)量與0～10 cm土層初始體積含水率的相關系數(shù)由0.393上升至0.721；降水后4 日內(nèi)土壤蒸發(fā)量與10～20 cm 土層初始體積含水率的相關系數(shù)由0.355上升至0.787；降水后4日內(nèi)土壤蒸發(fā)量與20～30 cm土層初始體積含水率的相關系數(shù)由0.356上升至0.501，0～10 cm和10～20 cm土層的體積含水率與土壤蒸發(fā)量的相關性>20～30 cm土層體積含水率與土壤蒸發(fā)量的相關性。

3 討 論

在干旱和半干旱草原地區(qū)，水分是生態(tài)系統(tǒng)十分重要的影響因子，而降水是草原地區(qū)水分獲取的主要途徑[13]。土壤水是一種重要的水資源，是(地表水、地下水、大氣水、土壤水)相互轉(zhuǎn)化的紐帶，同時也是影響天然草原群落植物生長和生物量變化的重要因素[14]，而草地生態(tài)系統(tǒng)在退化和恢復演替過程中對土壤水分產(chǎn)生了較大影響[15]。土壤蒸散量促進了熱量交換與水量交換過程之間的聯(lián)系，蒸發(fā)過程需要水分同時也需要熱量[16]，而土壤水分含量、群落的蒸散量都可以作為衡量草地群落退化程度的參考指標[17]。相關研究表明，在輕度放牧干擾情況下，由于典型草原土壤水分得到改善而開始向草甸草原轉(zhuǎn)變，而在重度干擾情況下，草原土壤水分下降，從而出現(xiàn)荒漠化特征[18]。

殷代英等[11]分別對光伏電場內(nèi)外大氣溫濕度進行了測定。結果表明，光伏電場外的大氣溫度高于光伏電場內(nèi)的大氣溫度，但差異較小。光伏電場內(nèi)的大氣相對濕度較對照點的相對濕度有明顯升高。本研究發(fā)現(xiàn)，光伏電板下方的大氣溫度較未架設電板的區(qū)域顯著降低，光伏電板下的大氣濕度較未架設電板的對照處有顯著提升，光伏電板的遮陰作用對于光伏電場內(nèi)近地面的大氣溫濕度起到了有效的調(diào)控作用。

圖6 光伏電板下降水量與累積土壤蒸發(fā)量的關系Fig.6 Relationship between the amount of falling water of photovoltaic panels and soil evapotranspiration perunit volume

降水是全球氣候變化的重要內(nèi)容，降水格局的改變會直接影響生態(tài)系統(tǒng)的功能和結構[19-20]。光伏電板對均勻的降水進行了二次分配，使板下的土壤得到的降水量不一致，并且由于光伏電板的傾斜狀態(tài)使電板上的降水順勢向電板前檐匯集。電板中間有單晶硅電池板組合間的縫隙，導致降水在匯集過程中，對電板正下方形成更多的降水補給。同時，由于光伏電板這種特殊結構的存在，持續(xù)遮陰作用也導致電板下土壤水分產(chǎn)生了差異性，并且電板下不同位置受到干擾，產(chǎn)生了較為復雜的變化。研究中發(fā)現(xiàn)，在單獨降水事件結束后，電板下不同位置及對照處的各層土壤水分都在發(fā)生變化，但變化程度不同，表層水分變化最劇烈，對降水的反饋較為明顯，并隨時間的推移相關性逐漸增強，土壤水分的非飽和運移是一個較為緩慢的過程[21-23]，表層土壤水分的下滲對于10～20 cm土層的水分有了一定補給，而該土層對降水的響應更加強烈，由于部分位置被電板遮擋降水量較小，因此20～30 cm土層受降水影響較小，劉苑秋等[24]研究發(fā)現(xiàn)，林地土壤水分含量與降水時間序列之間存在一定的滯后性，20 cm 以上土層受當時降水量的影響，而20 cm以下土壤水分受當月和上個月的降水量共同影響。Heisler-White等[25]研究發(fā)現(xiàn)>2 mm的單日降水量可對表層土壤產(chǎn)生影響，因此可以將2 mm降水量作為該生態(tài)系統(tǒng)的有效降水量。蒸散發(fā)是地面整體向大氣輸送的水汽通量，陸地生態(tài)系統(tǒng)年降水量的66%是通過蒸發(fā)過程返回大氣的[26-27]，本研究發(fā)現(xiàn)，光伏電板下方的土壤蒸發(fā)量顯著低于未被遮擋的區(qū)域。袁方等[28]研究指出光伏陣列板下方近地面出風口的風速會顯著增加。因此，光伏電板前檐下方的A位置和B位置較CK區(qū)蒸發(fā)效果增強可能是由于電板前檐與地面形成的風力加強區(qū)，風速的增加以及太陽輻射導致該區(qū)域蒸發(fā)強度較大。降水是土壤水分補給的來源，而土壤蒸發(fā)是水分散失的重要途徑，二者對于光伏電站的土壤水分平衡有著重要作用[29]。因此，隨著時間的推移，土壤蒸發(fā)量與降水量的相關關系也在逐漸增強。本研究發(fā)現(xiàn)土壤逐日蒸發(fā)量與土壤初始含水率之間的相關性較強，并且隨時間推移這種關系呈增強的趨勢。這是由于土壤蒸發(fā)受限于土壤含水率，在土壤水分較低時對蒸發(fā)量的影響會更為突出，而具體土壤含水量與蒸發(fā)量的關系式也因土壤結構和質(zhì)地的差異而略有不同[30]。

表4 降水結束后各土層初始體積含水率與逐日土壤蒸發(fā)量的相關關系Table 4 Correlation between initial volumetric water content of each soil layer and daily soil evaporation after precipitation

4 結 論

光伏電板對于自然降水起到了截流和匯聚作用，電板正下方被遮擋的位置未收集到降水，而電板中間的空隙及電板前檐由于匯水作用使其下方位置均收集到降水，其中電板前檐下方較未架設電板處增加了111.33 mm。

降水結束后，0～10 cm土層土壤體積含水率整體表現(xiàn)為有匯水作用的位置大于其他位置，對照區(qū)域的該層土壤含水率分別占B位置和D位置的47.61%和38.08%。10～20和20～30 cm土層整體表現(xiàn)為電板下的位置土壤體積含水率大于電板外的土壤體積含水率。在降水結束5 日內(nèi)表層土壤含水率變化較其他土層較為明顯，光伏電板前檐到電板后檐4 個位置的0～10 cm土壤體積含水率分別下降了9.93、77.71、8.65、和80.6%。光伏電板有效減少了電板下土壤水分的蒸發(fā)，光伏電板下的C、E和F位置的土壤累積蒸發(fā)量僅為3.52、2.76和2.91 mm。光伏電板下空氣溫度較低，濕度較大，因此也使得板下蒸發(fā)量減少。

光伏電板下0～10和10～20 cm土層蓄水量與降水量具有較好的擬合關系，R2分別為0.716 6和0.829 2；且0～10和10～20 cm土層蓄水量與降水量的相關性呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢。光伏電板下土壤累計蒸發(fā)量與降水量擬合程度較高，R2為0.771 6。土壤逐日蒸發(fā)量與初始土壤體積含水率具有較強的相關關系，并且均呈現(xiàn)隨時間推移相關性逐漸增強的趨勢，其中0～10和10～20 cm土層的初始體積含水率與土壤蒸發(fā)量的相關性高于20～30 cm土層體積含水率與土壤蒸發(fā)量的相關性。