連州風(fēng)電場對(duì)周邊土壤物理性質(zhì)的影響*

謝嘉煒 魏 龍 肖石紅 蔡 堅(jiān) 馬 青 高常軍 吳 琰 易小青

（廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

隨著全球能源的日益短缺，風(fēng)能發(fā)電逐漸成為可再生能源開發(fā)和生態(tài)環(huán)境改善的重要手段[1]。但風(fēng)電場建設(shè)帶來的生態(tài)環(huán)境破壞等問題[2]也開始受到人們的廣泛關(guān)注。過去的研究多集中在風(fēng)電場造成的輻射污染、光影效應(yīng)、噪聲污染[3-4]等方面。近幾年，一些學(xué)者開始研究風(fēng)電場對(duì)土壤及植被的影響。李智蘭等[5]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場建設(shè)影響了周邊擾動(dòng)區(qū)域土壤養(yǎng)分含量，還降低了植被各生長指標(biāo)。王飛宇等[6]提出風(fēng)力發(fā)電對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)造成影響，導(dǎo)致植被破壞、水土流失等問題。劉春青等[7]比較了風(fēng)電場內(nèi)外植被組成和土壤肥力情況，結(jié)果顯示風(fēng)電場內(nèi)植物多樣性明顯降低、土壤肥力明顯下降。土壤是植物營養(yǎng)循環(huán)的重要基質(zhì)，植被生長和水土保持均與土壤物理性質(zhì)密切相關(guān)[8]，研究風(fēng)電場對(duì)周邊土壤物理性質(zhì)的影響對(duì)防止土地退化和保證生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

通常土壤性質(zhì)的變化，往往能對(duì)地區(qū)環(huán)境穩(wěn)定性、生態(tài)脆弱性造成影響[9-11]。華南地區(qū)降雨集中且雨量大，而風(fēng)電場位置一般地勢較高，由于風(fēng)電場帶來的周邊土壤性質(zhì)變化，極易造成水土流失，從而廣受關(guān)注。鑒于此，本文以廣東省連州市風(fēng)電場為研究對(duì)象，研究其風(fēng)電場對(duì)周邊土壤物理性質(zhì)的影響，旨在為風(fēng)電場建設(shè)和生態(tài)環(huán)境改善等方面提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

連 州 市（112°07′～112°47′E，24°37′～25°12′N）位于廣東省清遠(yuǎn)市西北部，東南毗鄰陽山縣，西南連接連南縣，西北與湖南省藍(lán)山、江華兩縣相連，北與湖南省臨武縣交界，東北靠湖南省宜章縣境。全市土地總面積2 663.33 km2，屬于粵北典型的石灰?guī)r地區(qū)，主要以山地為主（占72.2%），地勢自西向東呈現(xiàn)“高—低—高—低—高”的格局。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，一年四季受季風(fēng)影響。10 月至次年3 月盛行東北季風(fēng)，4—9 月盛行夏季風(fēng)，主要是西南風(fēng)，年平均氣溫19.7 ℃，年平均降雨量1 624.9 mm。

連州是廣東省風(fēng)能資源較好的地區(qū)之一，擁有優(yōu)質(zhì)的風(fēng)力資源和地理環(huán)境，具備規(guī)模開發(fā)風(fēng)能的優(yōu)良條件。連州風(fēng)電場目前裝機(jī)總?cè)萘繛?90 mW，共95 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，塔筒高70 m，葉片長30 m。于2012 年完成建設(shè)并投入運(yùn)行，風(fēng)機(jī)分布于連州市星子鎮(zhèn)和大路邊鎮(zhèn)的高山空曠地帶[12]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

本研究選取連州市星子鎮(zhèn)（2012 年建）和大路邊鎮(zhèn)（在建風(fēng)電場）2 種林分類型（以石櫟Lithocarpus glaber為優(yōu)勢種的闊葉林和以苦竹Pleioblastus amarus為優(yōu)勢種的苦竹林）的土壤為研究對(duì)象（表1），于2021 年1 月對(duì)樣地進(jìn)行采樣。各選取3 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，以其為中心，在其輻射半徑內(nèi)（10、100、200 m）分別布設(shè)采樣點(diǎn)，用環(huán)刀采集每個(gè)采樣點(diǎn)0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm 土壤樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)采3 個(gè)重復(fù)樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤容重和孔隙度等物理性質(zhì)。

表1 林型信息Table 1 Forest type information table

2.2 指標(biāo)測定與方法

土壤水分及物理性質(zhì)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤分析方法》（GB—99）測定[13-14]：采用環(huán)刀法（環(huán)刀體積為100 cm3）和浸泡法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等；土壤顆粒組成采用馬爾文2000 激光粒度儀測定，土壤顆粒組成根據(jù)美國制（US-DA）標(biāo)準(zhǔn)[15]劃分。

土壤水分及物理性質(zhì)采用以下公式計(jì)算：

土壤容重（g/cm3）＝環(huán)刀內(nèi)土壤干質(zhì)量（g）/環(huán)刀體積（cm3）

最大持水量（%）＝（浸泡12 h 后環(huán)刀內(nèi)濕土重-環(huán)刀內(nèi)干土重）/環(huán)刀內(nèi)干土重×100%

毛管持水量（%）＝（在干沙上放置2 h 后環(huán)刀內(nèi)濕土重-環(huán)刀內(nèi)干土重）/環(huán)刀內(nèi)干土重×100%

非毛管孔隙度（%）＝（最大持水量－毛管持水量）×土壤容重

毛管孔隙度（%）＝毛管持水量（%）×土壤容重

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用方差分析分析不同建設(shè)時(shí)期、不同植被、不同輻射距離土壤容重、孔隙度、持水性能的變化，圖表制作采用Excel 2010 和SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)電場對(duì)周邊土壤粒級(jí)組成的影響

分析風(fēng)電場對(duì)周邊苦竹林土壤粒級(jí)組成的影響可知（圖1）：對(duì)比在建場地，2012 年建設(shè)場地周邊苦竹林土壤粉粒含量變化相對(duì)較小，距離10、100、200 m 時(shí)，變化量分別僅為16.9%、2.7%、3.5%， 而砂粒含量分別變化69.0%、66.7%、55.3%， 黏 粒 含 量 分 別 變 化114.1%、81.1%、61.4%，主要的變化趨勢為更多的砂粒向黏粒遷移，且與風(fēng)電場地不同距離之間差異不大。

圖1 風(fēng)電場周邊苦竹林土壤粒級(jí)組成Fig.1 The soil particle composition of P. amarus forest around the wind farm

分析風(fēng)電場對(duì)周邊闊葉林土壤粒級(jí)組成的影響可知（圖2）：對(duì)比在建場地，2012 年建設(shè)場地周邊闊葉林土壤砂粒、粉粒、黏粒含量變化差異不大，距離10、100、200 m 時(shí)，砂粒變化分別為93.5%、52.7%、45.6%，而粉粒含量分別變化31.1%、9.2%、0.8%，黏粒含量分別變化3.1%、13.9%、49.8%，主要的變化趨勢大致為黏粒向砂粒遷移。相對(duì)來說，距離風(fēng)電場地越近，變化越劇烈。

圖2 風(fēng)電場周邊闊葉林土壤粒級(jí)組成Fig.2 The soil particle composition broad-leaved forests around the wind farm

3.2 風(fēng)電場對(duì)周邊土壤容重、持水量的影響

分析風(fēng)電場對(duì)周邊苦竹林土壤容重、持水量的影響可知（圖3）：對(duì)比在建場地，2012 年建設(shè)場地周邊苦竹林土壤容重較大不同，與風(fēng)電場地距離為10、100 m 時(shí)，土壤容重均顯著升高（P＜0.05）。對(duì)比兩者毛管持水量，在距離為10、100 m 時(shí)，2012 年建設(shè)場地值顯著低于在建場地（P＜0.05）。非毛管持水量則為10、100 m 時(shí)為2012 年建設(shè)場地值顯著低于在建場地（P＜0.05）。在距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，苦竹林土壤容重、持水量的變化均不明顯。

分析風(fēng)電場對(duì)周邊闊葉林土壤容重、持水量的影響可知（圖4）：對(duì)比在建場地，2012 年建設(shè)場地周邊闊葉林土壤容重不同，與風(fēng)電場地不同距離時(shí)，土壤容重均顯著升高（P＜0.05）。對(duì)比兩者毛管持水量，僅在距離為200 m 時(shí)，2012 年建設(shè)場地值顯著低于在建場地（P＜0.05），距離相對(duì)較近時(shí)，毛管持水量相對(duì)變化不大。非毛管持水量則為10、100、200 m 時(shí)均為2012 年建設(shè)場地值顯著低于在建場地（P＜0.05）。

圖4 風(fēng)電場周邊闊葉林土壤容重、持水量Fig.4 The water capacity and volume weight of broad-leaved forests around the wind farm

3.3 風(fēng)電場對(duì)周邊土壤孔隙度的影響

分析風(fēng)電場對(duì)周邊苦竹林土壤孔隙度的影響可知（圖5）：對(duì)比在建場地，2012 年建設(shè)場地周邊苦竹林土壤容重在與風(fēng)電場地距離僅為100 m時(shí)，非毛管孔隙度顯著減?。≒＜0.05）。對(duì)比兩者毛管孔隙度，在距離為10、200 m 時(shí)，2012 年建設(shè)場地值顯著低于在建場地（P＜0.05）。

圖5 風(fēng)電場周邊苦竹林土壤孔隙度Fig.5 The soil porosity of P. amarus forest around the wind farm

分析風(fēng)電場對(duì)周邊苦竹林土壤孔隙度的影響（圖6）可知：對(duì)比在建場地，2012 年建設(shè)場地周邊苦竹林土壤容重在與風(fēng)電場地不同距離時(shí)均為非毛管孔隙度顯著減?。≒＜0.05）。毛管孔隙度中保存的水是提供給植物最有效的水分[16]，對(duì)比兩者毛管孔隙度，在距離為10、100 m 時(shí)，2012 年建設(shè)場地值顯著高于在建場地（P＜0.05），距離為200 m 時(shí)則變化不大。

圖6 風(fēng)電場周邊闊葉林土壤孔隙度Fig.6 The soil porosity broad-leaved forests around the wind farm

3.4 風(fēng)電場周邊不同林分類型、不同距離、不同建設(shè)時(shí)間林地土壤物理性質(zhì)差異

對(duì)風(fēng)電場周邊不同林分類型、不同距離、不同建設(shè)時(shí)間林地土壤多種物理性質(zhì)進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果顯示（圖7、表2），除粉粒含量外的土壤物理性質(zhì)受到林分類型、距離、建設(shè)時(shí)間三者主效應(yīng)及其交互作用的綜合影響。具體為，建設(shè)時(shí)間因素能夠顯著影響除粉粒含量、毛管孔隙度外的其他土壤物理性質(zhì)（P＜0.05），時(shí)間與林分類型的交互作用能夠顯著影響除毛管持水量外的其他土壤物理性質(zhì)（P＜0.05），時(shí)間、林分類型、距離三者交互作用能夠顯著影響除黏粒含量外的其他土壤物理性質(zhì)（P＜0.05）。對(duì)于林分類型、與風(fēng)電場地距離、建設(shè)時(shí)間等多種因素而言，時(shí)間、時(shí)間與林分類型的交互作用為最主要的差異貢獻(xiàn)來源，其中時(shí)間因素對(duì)于黏粒含量、容重、毛管持水量、非毛管持水量、非毛管孔隙度的差異貢獻(xiàn)大于30%，時(shí)間與林分類型的交互作用因素對(duì)于砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、非毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的差異貢獻(xiàn)大于30%，其他因素對(duì)于差異貢獻(xiàn)均小于30%。各項(xiàng)土壤物理性質(zhì)中，組內(nèi)差異貢獻(xiàn)相對(duì)較小，粉粒含量為4.8%，其他均低于1.5%。

圖7 風(fēng)電場周邊不同林分類型、不同距離、不同建設(shè)時(shí)間林地土壤物理性質(zhì)差異來源Fig.7 Sources of differences in soil physical properties of different forest types, distances, and construction times around wind farms

表2 不同因素對(duì)風(fēng)電場周邊土壤物理性質(zhì)影響顯著度Table 2 Significance of the influence of different factors on the physical properties of the soil around the wind farm

4 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果顯示，風(fēng)電場對(duì)周邊土壤粒級(jí)組成、容重、持水量、孔隙度等均產(chǎn)生了不同程度的影響。這是因?yàn)轱L(fēng)電場建設(shè)中機(jī)械踐踏和碾壓直接破壞了土壤的物理結(jié)構(gòu)[17]，運(yùn)營期間各項(xiàng)沉重的風(fēng)電設(shè)備進(jìn)一步壓實(shí)土壤，導(dǎo)致土壤容重增加。另外壓實(shí)效應(yīng)對(duì)土壤造成的一系列擾動(dòng)，也會(huì)降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[18]，導(dǎo)致土壤質(zhì)地、持水量、孔隙度等發(fā)生變化。土壤和植被具有互作效應(yīng)，土壤性質(zhì)的改變可能與風(fēng)電場造成的植物多樣性、植被蓋度的破壞[19]也息息相關(guān)。還有研究指出風(fēng)電設(shè)備在日常維護(hù)中制造的油污會(huì)對(duì)土壤和植被造成污染[20]。在風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營中，應(yīng)充分考慮土體的穩(wěn)定性，減少二次擾動(dòng)，降低對(duì)土壤性質(zhì)的破壞。

風(fēng)電場產(chǎn)生的電磁輻射、光影效應(yīng)、噪音污染等都是對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾，尤其會(huì)對(duì)局部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。本研究發(fā)現(xiàn)，距離風(fēng)電場地越近，闊葉林土壤粒級(jí)組成、容重、變化越劇烈。土壤穩(wěn)定性受植物地下根系分布的影響，風(fēng)電場建設(shè)加大了周邊區(qū)域的生境破碎化程度[21]，可能改變了根系在土壤中原本的數(shù)量和空間分布位置。對(duì)風(fēng)電場周邊遭破壞后地面裸露的土壤應(yīng)及時(shí)進(jìn)行植被恢復(fù)，盡可能減小對(duì)地下部分根系的負(fù)面影響，完整的根系系統(tǒng)能夠有效固著土壤、減少水土流失。

本研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電建設(shè)對(duì)不同林分均有影響，但影響程度不同。說明不同林分對(duì)風(fēng)電場干擾的承受能力有所不同，這與不同林分本身的生物學(xué)特性及林分結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此可將周邊區(qū)域林分類型、林分結(jié)構(gòu)完整性、生態(tài)系統(tǒng)耐受力等考慮進(jìn)風(fēng)電場選址中。應(yīng)特別注意加大環(huán)保投入，避免造成大面積的植被破壞和生態(tài)環(huán)境退化。