摘要
在内蒙古荒漠建设光伏电站利用光能资源同时也能创造经济价值，但光伏电站建设后对土壤肥力的影响尚不明确。以干旱区光伏电站为研究对象，设置人工种植的樟子松、黄芪和苜蓿 3 种植被恢复模式，以电站建设后自然生长的天然植被恢复模式为对照处理，基于光伏板间植被生长区采集土样，研究土壤团聚体组成、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量及其化学计量特征对多年植被恢复的响应效果，为干旱区光伏电站提升土壤肥力和制定有效的植被恢复措施提供数据支撑。研究结果显示，不同植被恢复模式团聚体主要以 0.053 ～ 0.25 mm 粒径比例最大，>2 mm 团聚体比例次之，电站土壤还处于微团聚体向大团聚体转变的过程； <0.053 mm 团聚体中 SOC、TN、TP 含量最高，与天然植被相比，种植黄芪、苜蓿可以使土壤团聚体 SOC、TN、 TP 含量得到提升；不同恢复模式土壤团聚体的 SOC、TN 和 TP 含量均表现为 0 ～ 20 cm 土层大于 20 ～ 40 cm 土层。苜蓿样地 >2 mm 大团聚体的碳氮比为 12.48，达到我国平均水平（10 ～ 12），种植苜蓿在有机质积累方面表现出更优越的条件，对土壤有机碳的恢复具有促进作用。种植黄芪提升了土壤大团聚体中磷的有效性，恢复效果更好。研究区氮磷比较低，整体氮水平较低，氮是光伏电站土壤的主要肥力限制因子。
Abstract
The construction of photovoltaic power stations in the deserts of Inner Mongolia can utilize solar energy resources and create economic value. However，the impact of photovoltaic power station construction on soil fertility remains unclear. Taking the photovoltaic power stations in arid areas as the research object，three vegetation restoration models of artificially planted Pinus sylvestris var. mongolica，Astragalus membranaceus，and Medicago sativa were set up，and the natural vegetation restoration model after the construction of the power station was used as the control treatment. Soil samples were collected from the vegetation growth areas between photovoltaic panels to study the response of soil aggregate composition， soil organic carbon（SOC），total nitrogen（TN），total phosphorus（TP）content and their stoichiometric characteristics to multi-year vegetation restoration，providing data support for improving soil fertility and formulating effective vegetation restoration measures in arid areas of photovoltaic power stations. The research results showed that the main size of soil aggregates in different vegetation restoration models was 0.053-0.25 mm，followed by >2 mm aggregates，and the soil of the power station was still in the process of transforming from micro-aggregates to macro-aggregates. The content of SOC，TN， and TP in <0.053 mm aggregates was the highest. Compared with natural vegetation，planting Astragalus membranaceus and Medicago sativa increased the content of SOC，TN and TP in soil aggregates. The content of SOC，TN and TP in soil aggregates of different restoration models was greater in the 0-20 cm soil layer than in the 20-40 cm soil layer. The C/N ratio of >2 mm aggregates in the Medicago sativa plot was 12.48，reaching the average level of China（10-12）. Planting Medicago sativa showed more favorable conditions for organic matter accumulation and promoted the recovery of soil organic carbon. Planting Astragalus membranaceus improved the availability of phosphorus in soil macro-aggregates and had a better restoration effect. The N/P ratio in the study area was low，and the overall nitrogen level was low. Nitrogen was the main fertility-limiting factor of photovoltaic power station soil.
在当今化石燃料短缺的时代，节能减排变得尤为重要，但高速发展的经济无法因能源短缺而放缓，这使得风、光能等清洁能源的需求逐渐增长。太阳能具有绿色且可再生等优点，是代替石油、煤炭等清洁能源优选之一。中国太阳能资源丰富，在内蒙古荒漠地区设置太阳能光伏电站，利用光能资源的同时也能创造经济效益[1]。然而，此举也有弊端，在电站建设过程中会破坏土壤植被，使生态功能受损，土壤颗粒粗化，土壤养分发生变化[2]，电站运行期的人为扰动土壤同样会改变土壤理化性质、土壤微生物群落结构与功能[3]，最终影响光伏电站内土壤系统的物质循环[4]。
土壤团聚体作为构成土壤结构的基本单位，能够储存和转化养分，也会影响土壤结构稳定性，同时对维持土壤肥力和生态功能至关重要[5]。土壤有机碳（SOC）、氮（N）和磷（P）在养分循环和生态系统结构及功能的维持中起着重要作用[6]， C、N 和 P 参与植物、土壤与大气的循环，且与植物初级生产、呼吸和有机物分解紧密相关[7]，因此，研究单一的元素无法揭示生态系统结构和养分循环的变化。土壤 C、N 和 P 含量及其化学计量比是反映土壤肥力和质量的重要参数，土壤化学计量不平衡可能进一步影响生态系统的结构和功能。有研究表明，SOC 的积累受到凋落物碳氮比（C/N）和气候的限制[8]，Tao 等[9]研究发现，碳磷比（C/P） 是土壤磷有效性的有效指标，所以化学计量比为研究生态系统中 C、N 和 P 的分布、循环、营养限制和平衡提供了一种综合方法[10]。土壤团聚体养分分布及化学计量特征作为反映土壤肥力的关键指标，决定着土壤的诸多性质，如土壤大团聚体的稳定性被有机碳含量直接影响，大团聚体中的有机碳含量很高且比微团聚体含有更多不稳定有机物质[11-12]，不同大小的团聚体具有不同的维持和供应土壤有机碳和养分的能力[13]。
植被恢复作为脆弱生态区退化土壤修复的主要手段，是影响有机碳积累的重要因素[14]，随着植被恢复的推进，植被根系生物量和凋落物的不断积累、分解增加了 SOC 的含量[15]。目前对植被恢复的研究较多，但对于光伏电站的研究大多以电站运行改善生态环境为主[16-17]，光伏电站对土壤养分的影响和植被恢复联系在一起探究的较少。因此，从元素比例的角度出发来研究区域生态系统能量平衡，以及生态过程中化学元素的平衡关系，探究土壤 C、N、P 的化学计量比受土壤、植被和人类活动的影响，从而揭示光伏电站植被恢复区 SOC、全氮（TN）和全磷（TP）含量及其化学计量比的变化规律，对于提升土壤肥力水平和制定有效的植被恢复措施具有重要意义[18-19]。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本研究在大有光能源农林牧示范基地（110° 47′E，40°36′N）进行，基地位于内蒙古自治区土默特左旗沙尔沁乡，属于温带大陆性季风气候，常年气候干燥，土壤质地为砂土，年均蒸发量（1766.1 mm）远高于年均降水量（432.79 mm），其中 6—9 月降水量约占 70%。电站于 2012 年投运，并于 2013 年 1 月接入国家电网，距今已运行 12 年，电站建设过程中土壤扰动严重，植被受到破坏，于 2013 年春季，在光伏电板间人工种植樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、黄芪（Astragalus membra-naceus var. mongholicus）和紫花苜蓿（Medicago sativa）3 种植被，以尽快恢复土壤肥力，其中樟子松样地为植苗种植，苜蓿和黄芪样地为播种种植，光伏电板阵列的行距为 10 m，设置 2.5 m 的防火隔离带，光伏板前檐每年秋季都要进行植被清除和隔离带的翻耕。研究区内土壤 TN 含量为 0.32～0.69 g/ kg，SOC 含量为 6.45～8.98 g/kg，TP 含量为 1.33～2.02 g/kg，4 种植被恢复处理间土壤养分差异不显著。
1.2 试验设计与样品采集
试验设 4 个处理，分别为天然植被恢复区、樟子松、苜蓿和黄芪恢复区，3 次重复。4 种植被恢复区均具有相同的地理特征，天然植被恢复区是电站建成后扰动土壤上自然生长的植被，樟子松、苜蓿和黄芪恢复区均是人工种植的植被。于 2023 年 6 月中旬在光伏板间植被生长区采集土样，分0～20 和 20～40 cm 两个土层采样，按照 S 形 5点采集原状土壤，带回实验室去除石砾、动植物残体及其他杂质，置于阴凉通风处自然风干。
图1不同植被样地试验设计示意图
1.3 样品测定方法与数据分析
用干筛法[11] 测定土壤各粒级团聚体，用电动振筛机进行筛分，得到 4 个粒径，分别是 >2、 0.25～2、0.053～0.25 和 <0.053 mm，收集称重并计算不同粒径土壤团聚体的占比。SOC 用重铬酸钾氧化—外加热法测定，TN 使用凯氏定氮法测定；TP 采用 NaOH 熔融—钼锑抗比色法测定。数据处理用 SPSS 27.0 进行单因素方差分析，用 Origin 2021 进行图表制作。
2 结果与分析
2.1 不同植被恢复区土壤团聚体分布特征
以天然植被恢复区为对照，人工植被显著改变了土壤团聚体结构（表1）。在 0～20 cm 土层中，苜蓿和黄芪处理分别使大团聚体（>2 mm）含量提升至 17.02% 和 15.36%，相较于天然植被的 9.68% 显著增大（P<0.05）；而在 20～40 cm 深层土层中，黄芪处理的大团聚体含量高达 35.13%，远高于天然植被的 11.72%（P<0.05），豆科植物对深层土壤结构的改良效果尤为突出。苜蓿和黄芪植被区域的土壤微团聚体（0.053～0.25 mm）含量较天然植被分别下降了 4.5%～11.44%（表层）和 14.88%～16.26%（深层），进一步验证了大团聚体形成与微团聚体转化之间的负相关关系。
3 种植被类型表现出明显的梯度差异特征，从改良强度来看，排序为黄芪 >苜蓿 >樟子松，例如深层大团聚体增量依次为黄芪 23.41% >苜蓿 17.79% >樟子松 4.24%；苜蓿在表层、黄芪在深层实现了最大降幅，在 0.053～0.25 mm 粒径团聚体中较天然植被分别减少 11.44% 和 16.26%；樟子松作为乔木型植被，对微团聚体无显著调节作用，其大团聚体含量虽略高于天然植被，但未达到显著水平（P>0.05）。
表1不同植被类型土壤机械稳定性团聚体组成
注：不同大写字母表示同一土层不同植被类型相同粒级间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一土层相同植被不同粒级间差异显著 （P<0.05）
2.2 不同植被恢复区土壤团聚体碳、氮、磷含量变化
研究发现（图2），3 种人工植被类型以天然植被恢复区为对照，对土壤肥力表现出显著的调控差异，0～20 cm 表层土壤中 SOC、TN 和 TP 含量均显著高于 20～40 cm 深层土壤。不同粒径团聚体中，碳、氮养分呈现双峰富集特征，SOC 与 TN 含量峰值分别集中于 0.25～2 mm（大粒级）和 <0.053 mm （细粒级）团聚体。
图2土壤团聚体有机碳、全氮、全磷含量的变化
注：不同大写字母表示同一土层相同植被类型不同粒级间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一土层不同植被相同粒级间差异显著 （P<0.05）。下同。
3 种植被类型的养分调控效应存在以下差异：以天然植被作为对照，黄芪处理显著提升了 0～20 cm 土层中 <0.053 mm 团聚体的 SOC（提升 45.16%） 和 TN（提升 128.6%），并且显著高于天然植被 （P<0.05）。黄芪与苜蓿处理促进了 0.053～0.25 mm 团聚体 TP 的累积（分别提升 284.76% 和 117.90%），而樟子松处理则增强了 <0.053 mm 微团聚体 TP 的富集（提升 64.31%）。在深层土壤中，樟子松处理显著提高了 0.25～2 mm 团聚体中的 TN 含量（提升 143.60%，P<0.05），表明其对深层土壤养分分布具有独特的调控作用。综合来看，黄芪处理在土壤碳、氮、磷素提升方面表现最为突出，相较之下，樟子松和苜蓿则分别在深层土壤和中等粒径团聚体中展现出特定优势。
2.3 不同植被恢复区土壤团聚体碳、氮、磷化学计量特征
研究发现（图3），以天然植被恢复区为对照，整体上 3 种人工植被各粒径团聚体的氮磷比（N/ P）和 C/P 在表层（0～20 cm）均显著高于深层 （20～40 cm），且黄芪与苜蓿处理 N/P 随粒径减小呈现“S 形”波动趋势，而天然植被则保持相对稳定状态。在表层 >2 mm 团聚体中，黄芪处理的 C/ N（9.60）较苜蓿（12.80）降低 25%，但在深层该粒径下，黄芪 C/N 反超苜蓿；黄芪处理显著提升了表层 <0.053 mm 微团聚体的 N/P（3.52）和 C/P（29.52），分别较天然植被提高 161% 和 72.5%（P<0.05）；樟子松处理在深层土壤中表现出独特优势，其 0.25～2 mm 团聚体 N/P（2.65）和 0.053～0.25 mm 团聚体 C/P（14.94）分别较天然植被提升 124.6% 和 36.1% （P<0.05）。综合各处理的化学计量均值分析表明，天然植被维持较高的 C/N 和 C/P，而苜蓿处理整体呈现较低的 C/N 和 C/P。相比之下，黄芪处理在 N/P（1.41）方面具有优势，樟子松则在 C/ P（13.94）方面表现突出。这表明豆科植物（黄芪、苜蓿）更倾向于促进氮、磷元素周转，而针叶乔木樟子松则强化了土壤碳、磷素固定的能力。
图3土壤团聚体碳氮比、碳磷比、氮磷比的变化
3 讨论
3.1 不同植被恢复模式对土壤团聚体组成的影响
以天然植被恢复区为对照，3 种植被类型对土壤团聚体结构调控呈现梯度差异，豆科植物表现出显著的土壤粒径稳定性效应：在 0～20 cm 土层，苜蓿和黄芪分别将大团聚体（>2 mm）含量提升至 17.02% 和 15.36%，较天然植被的 9.68% 提高 1.59～1.76 倍；在 20～40 cm 深层土壤中，黄芪处理大团聚体占比达 35.13%，较天然植被的 11.72% 提升 3.0 倍。这归因于豆科植物发达的根毛系统和真菌共生网络，豆科植物的分泌物通过螯合作用促进团粒结构的形成[20-21]。3 种植被类型的作用差异体现在：黄芪对深层土壤大团聚体形成贡献最大，增量为 23.41%，显著高于苜蓿（17.79%） 和樟子松（4.24%）；苜蓿使表层土壤微团聚体 （0.053～0.25 mm）减少 11.44%，而黄芪处理深层土壤的微团聚体降幅达 16.26%；樟子松作为乔木，相比于天然植被虽有提升[22]，但对大团聚体形成无显著促进。因为研究区内砂质土壤特性，所以表现出 0.053～0.25 mm 土壤团聚体占比最高的特点，该粒径中土壤矿物颗粒与有机质之间存在强烈的吸附和结合作用。有研究表明，与微团聚体相比，粉砂粒和砂粒在大团聚体中所起的作用更为重要[23]，它们是大团聚体的主要组成部分。这一现象和电站运营过程中的扰动共同制约电站内土壤团聚体的变化。大团聚体内的颗粒有机物有助于微团聚体的形成，伴随颗粒有机物的分解及其他干扰过程，大团聚体破碎后会将微团聚体释放出来[24]。目前电站的植被恢复年限较短，大团聚体的占比较低，小团聚体的占比较高，需继续推进植被恢复，使大团聚体比例持续上升。
3.2 不同植被恢复模式对土壤团聚体碳、氮、磷含量的影响
经过植被恢复，电站土壤团聚体 SOC、TN 的含量随着粒级由大到小呈现出先增后减再增的趋势，<0.053 mm 粒径的微团聚体 SOC、TN 含量显著高于其他粒径（P<0.05），这归因于其拥有较高的比表面积，促进黏粒与有机质复合体的形成。而土壤团聚体 TP 没有呈现出规律，主要是由于 P 元素是沉积性矿物，在土壤中迁移率较低，因此 P 的分布较为均一[25]。不同植被恢复模式土层之间 SOC、 TN、TP 均有差异，总的规律为上层土含量均大于下层土，这与 Mao 等[26]、Zhang 等[27]的研究结果一致。植被恢复过程中凋落物、动植物残体主要积累在表层土壤中，可为微生物提供充足的能量，这将促进表层土壤中的生物活性，SOC 等养分含量主要取决于微生物驱动的分解速率。与天然植被相比，>2 mm 粒级的 3 种植被处理土壤团聚体 SOC、 TN 含量差异不显著，说明 3 种植被处理对于大团聚体养分含量的增加效果还未处于增长期，这可能与植被恢复时间较短，以及电站使用期各种维护措施有关。种植豆科植物显著促进土壤磷素富集，黄芪与苜蓿使 0.053～0.25 mm 粒级 TP 含量分别增加 284.76% 和 117.90%；微团聚体增效仅体现在黄芪处理，其 <0.053 mm 粒级 SOC、TN 含量较天然植被分别提升 45.16%、128.6%，这证实小粒径团聚体具有高容量和低占比养分储存的特性。
3.3 不同植被恢复模式对土壤团聚体化学计量特征的影响
本研究中，0～20 cm 土层，苜蓿处理 >2 mm 团聚体的 C/N 显著高于樟子松、黄芪处理 （P<0.05），并且苜蓿处理 >2 mm 团聚体 C/N 显著高于 <0.053 mm 团聚体（P <0.05），说明苜蓿处理使大团聚体与微团聚体之间的 C/N 差异更明显。其中 <0.053 mm 团聚体的 C/N 更小是因为研究区属于干旱区，土壤砂质且干旱少雨，限制了土壤有机质的产生和矿化，最终导致了较低的有机质积累[28]，所以微团聚体的矿化速率更低。不同植被恢复处理间土壤团聚体 C/N 相对稳定，这是因为土壤全氮与土壤有机碳主要取决于有机质的积累和分解[29-30]。苜蓿植被区 >2 mm 大团聚体的 C/N 为 12.48，达到了我国平均水平（10～12）[31]，表明苜蓿处理在积累有机质方面具有更优越的条件，苜蓿处理对土壤有机碳的恢复具有更好的效果。土壤 C/P 用于衡量 P 矿化的能力，在调节植物生长中起关键作用，不同植被恢复模式的 C/P 随着土壤深度的增加而减少，这是由于磷是一个相对稳定元素[32]。N 和 P 是生态系统中植物生长所必需的最常见的限制元素，N/P 可以用作营养限制的有效指标[33]。本研究中，土壤 C/P 的范围为 4.15～29.31，平均值为 12.94，低于我国平均水平（136）和全球平均水平（186），这与 Tian 等[34]的研究相似。这一现象表明，植被恢复区干旱缺水，土壤养分十分贫瘠。在 0～20 cm 土层黄芪处理 >2 mm 团聚体 C/P 显著低于 <0.053 mm 微团聚体，说明黄芪植被恢复模式提升了土壤中大团聚体中磷的有效性，恢复效果更好，这与潘俊等[35]的研究相似。相对较低的土壤 C/P 表明微生物生长的资源和能量可用性增加，可提升土壤中磷的有效性，反之，相对较高的土壤 C/P 会使微生物固磷的能力增加，并且与植物竞争土壤中的磷，不利于植被生长[36]。土壤的 N/P 越高表示磷元素限制土壤养分，反之则为氮元素限制[37-38]。本研究中土壤的 N/P 平均值为 1.36，黄芪在 0～20 cm 土层 <0.053 mm 微团聚体 N/P 显著高于其他 3 种处理，这主要是由于黄芪表层凋落物转化后表层土壤 N 含量显著增加，而 P 含量变化不显著。研究区 N/P 较低，N/P<14 为 N 限制，N/P>16 为 P 限制，14～16 为共同限制，主要是由于 N 水平较低，导致光伏电站土壤受到氮素限制。
4 结论
研究区光伏电站植被恢复区的土壤团聚体分布以 0.053～0.25 mm 粒径为主，>2 mm 粒径团聚体比例次之，土壤团聚体处于微团聚体向大团聚体转变的过程，黄芪和苜蓿处理有利于大团聚体比例提升，即提升土壤稳定性。各粒径土壤团聚体 C、N、P 在不同植被处理中均表现为 0～20 cm 土层大于 20～40 cm 土层，<0.053 mm 微团聚体中 SOC、TN、TP 含量最高。黄芪处理显著提升了土壤团聚体 SOC、TN 和 TP 含量，提升了土壤大团聚体中磷的有效性，恢复效果更好。苜蓿模式下，土壤 >2 mm 大团聚体 C/N（12.48）已达到我国典型水平（10～12），表明苜蓿具备更优的有机质累积能力，可显著提升土壤有机碳恢复潜力。研究区 N/P 较低，N/P <14 表明氮素是光伏电站土壤肥力的主要限制因子。综上所述，光伏电站种植植被进而提升土壤肥力是一个缓慢的过程，后期出现土壤氮素缺乏的情况可以适当补充氮素，逐步提升植被的稳定性，使土壤肥力恢复速率加快并且趋于稳定。
本研究结果表明，种植黄芪和紫花苜蓿均能显著提升土壤大团聚体（>2 mm）含量及碳、氮、磷养分水平，但二者在生态经济效益与时间成本上呈现差异。苜蓿种植模式具有短期收益优势，其生物量积累速率快，可实现年内高频次刈割，但需配合高频次的管理投入。相比之下，黄芪因其深根系特性与长周期生长需求，虽初期需要更高的资源与管理成本，但单位面积产出的药用成分经济价值高于苜蓿。