河西走廊风电场建设对土壤养分的影响研究

罗进选，柴媛媛

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

过去20年来，为了减少二氧化碳排放量和发展可再生能源，全世界许多国家致力于投资开发风电技术[1]。根据中国国家能源局的统计结果，2015年全国风电装机容量为32.97 GW，大约是全世界总量的一半。2014年中国国际经济交流中心发布《中国能源生产与消费革命》报告指出，大规模发展风电已成为我国新能源战略现实而有效的选择，未来应重点加强河西走廊风电产业带、南方低风速风电场、海上风电场三大风力发电场布局[2]。

甘肃是我国风能资源丰富的省区，大部分风能集中在河西走廊，尤以河西走廊西段的酒泉市最为丰富。为充分利用河西走廊地区丰富的风能资源，甘肃省政府提出了“建设河西风电走廊，再造西部陆上三峡”的战略目标。但是，风电场建设过程中的开挖回填、场地平整等不可避免地会造成地表裸露、植被破坏、土壤侵蚀，影响当地的生态环境[3-4]。河西走廊大部分地区为荒漠、戈壁，植被覆盖度低，地表多为戈壁砾石及细砂覆盖，生态环境十分脆弱，人为扰动后地表植被和土壤结皮很容易遭受破坏，一旦破坏很难恢复并将加剧区域水土流失及荒漠化[5]。风电场建设对生态环境造成的影响是国内外研究的热点，目前国内外学者主要侧重于视觉干扰、噪音污染、野生动物、气候变化、植被破坏、空气质量等[6-7]方面的研究，以及针对风电场建设造成的水土流失采取防治措施的研究[8-9]，而有关风电场建设不同施工扰动区域对土壤养分造成的影响的研究仍很少见。本研究选取河西走廊3个典型的风电场为研究对象，对风电场各扰动分区进行土样采集和分析研究，探讨风电场建设不同扰动区域对土壤养分的影响，旨在为后期土壤肥力和植被恢复提供理论依据。

1 研究区概况

河西走廊地区系指今甘肃的酒泉、嘉峪关、张掖、金昌、武威市全境，以及兰州市、白银市、临夏回族自治州在黄河以西的地区，是甘肃省西北部的狭长堆积平原，长约1 000 km，宽5～200 km，总面积为27万km2。该地区属大陆性干旱气候区，冬冷夏热，降水稀少，蒸发量大，光照时间长，年降水量自东向西递减，多在50～150 mm之间，年蒸发量1 500～2 500 mm，全年日照时数2 550～3 500 h，无霜期150～180 d，年均温5.8～9.3 ℃,昼夜温差平均15 ℃左右。该区地势较为平坦，平均海拔1 500 m，西部分布着棕色荒漠土，中部为灰棕荒漠土，东部为灰漠土、淡棕钙土和灰钙土。东部荒漠植被具有明显的草原化特征，形成较独特的草原化荒漠类型，西部广布砾质戈壁和干燥剥蚀石质残丘，生态环境十分严酷。

2 研究方法

2.1 样地选择

2016年7月，在研究区内通过实地踏勘，选择河西走廊西部的瓜州西大河、玉门昌马和东部的民勤红砂岗3个风电场作为研究对象。根据风电场的建设特点和不同用地类型，将风电场划分成塔基建设区、施工道路区、办公生活区、架空线路区4个扰动分区。试验风电场基本情况见表1。

表1 试验风电场基本情况

2.2 样品采集与样品测定

在风电场各扰动分区和其对照区分别布设采样点，并在每个扰动分区及对照区均按“S”形取9个土样，每个风电场取72个土样，3个风电场共取216个土样。取土样时，先挖土壤剖面，然后利用取土铲自上而下采集0～50 cm表层土，将所有土样分别装入塑料袋带回实验室，自然风干并磨碎、过筛后测定各项土壤养分指标，检测项目包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量和酸碱度(pH值)。有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定，全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定，土壤pH值采用电极电位法(2.5∶1水土比浸提液)测定。

2.3 数据处理

利用Excel 2007和SPSS 21.0对数据进行统计分析和处理，比较风电场各扰动分区土壤养分指标与对照区的差异，用单因素方差分析法(One-Way ANOVA)、最小显著差异法(LSD多重比较法)、非参数检验方法(Kruskal-Wallis H检验法)等方法比较风电场各扰动分区土壤养分指标的差异并进行显著性检验。采用OriginPro 2017作图。

3 结果与分析

表2为风电场各扰动分区与对照区土壤养分指标差异显著性分析情况。由于风电场占地面积大，因此各扰动分区的土壤养分背景值存在一定的空间异质性。分析表2中对照区土壤养分含量可知，相对于对照区土壤养分均值，各扰动分区的对照区土壤养分尽管有一定程度的波动，但总体变幅不大，除昌马风电场全钾含量变幅较大(-34.28%～14.48%)外，其余变幅均在20%以下，说明各扰动分区的土壤养分背景值具有较均匀的特性。

表2 风电场各扰动分区与对照区土壤养分指标差异显著性比较

注：表中数值为平均值±标准差(n=9)，标“*”号表示数据组与对照值相比差异显著(P<0.05)。

3.1 土壤pH值

由表2可知，风电场施工道路区、架空线路区、办公生活区、塔基建设区土壤pH值分别为9.27～9.41、8.67～9.28、7.94～9.28、8.38～8.55；与对照区相比，风电场各扰动分区土壤pH值总体上呈增大趋势，其中西大河风电场塔基建设区、架空线路区、施工道路区，昌马风电场架空线路区、施工道路区、办公生活区，红砂岗风电场塔基建设区、架空线路区、施工道路区pH值均显著增大。由图1可知，西大河风电场各扰动分区之间土壤pH值均存在显著性差异；昌马风电场除施工道路区与办公生活区之间pH值无显著性差异外，其余各分区之间均存在显著性差异；红砂岗风电场除架空线路区与施工道路区之间pH值无显著性差异外，其余各分区之间均存在显著性差异。这说明风电场建设对不同施工区的扰动强度不同，造成对各扰动区土壤pH值的影响程度不同。比较各扰动分区土壤pH值相对于对照区的增大幅度，风电场的建设对各扰动分区pH值的影响大小为：施工道路区>架空线路区>塔基建设区>办公生活区。

图1 风电场各扰动分区土壤pH值差异显著性分析

注：图中不同小写字母表示不同数据组之间有显著性差异(P<0.05)，下同。

3.2 土壤有机质

由表2可知，风电场办公生活区、施工道路区、塔基建设区、架空线路区土壤有机质含量分别为1.75～2.13、1.73～2.44、2.23～2.33、1.79～2.31 g/kg；与对照区相比，风电场各扰动分区土壤有机质含量总体上呈减少趋势，减少幅度分别为6.47%～23.91%、7.58%～26.57%、5.11%～6.41%、0.39%～4.42%。其中，西大河风电场塔基建设区、施工道路区、办公生活区，昌马风电场塔基建设区、架空线路区、施工道路区、办公生活区，红砂岗风电场塔基建设区、施工道路区、办公生活区有机质含量显著减少。由图2可知，西大河风电场除塔基建设区与架空线路区之间有机质含量无显著性差异外，其余各分区之间均存在显著性差异；昌马风电场塔基建设区、架空线路区、施工道路区之间土壤有机质含量无显著性差异，但三者与办公生活区之间有显著性差异；红砂岗风电场除架空线路区与施工道路区之间土壤有机质含量无显著性差异外，其余各分区之间均存在显著性差异(其中架空线路区与其他扰动区的对照区的有机质含量背景值之间本身存在显著性差异)。比较各扰动分区土壤有机质含量相对于对照区的减小幅度，风电场的建设对各扰动分区有机质含量的影响大小为：施工道路区>办公生活区>塔基建设区>架空线路区。

图2 风电场各扰动分区土壤有机质含量差异显著性分析

3.3 土壤全氮

由表2可知，风电场办公生活区、施工道路区、塔基建设区、架空线路区土壤全氮含量分别为0.09～0.11、0.06～0.11、0.09～0.10、0.07～0.11 g/kg；与对照区相比，风电场各扰动分区土壤全氮含量均有所减少，减少幅度分别为15.38%～18.18%、10.00%～45.45%、9.09%～18.18%、15.38%～30.00%，减少总体不显著，仅西大河风电场施工道路区显著减少，减少幅度为45.45%。由图3可知，西大河风电场塔基建设区、架空线路区、办公生活区之间土壤全氮含量无显著性差异，但三者与施工道路区之间均存在显著性差异；昌马风电场各扰动分区之间土壤全氮含量均无显著性差异；红砂岗风电场除架空线路区与办公生活区之间土壤全氮含量有显著性差异外，其余各分区之间均无显著性差异。比较各扰动分区土壤全氮含量相对于对照区的减小幅度，风电场的建设对各扰动分区全氮含量的影响大小为：架空线路区>施工道路区>塔基建设区>办公生活区。

图3 风电场各扰动分区全氮含量差异显著性分析

3.4 土壤全磷

由表2可知，风电场施工道路区、架空线路区、办公生活区、塔基建设区土壤全磷含量分别为0.10～0.26、0.09～0.27、0.08～0.25、0.08～0.27 g/kg；与对照区相比，除西大河风电场架空线路区、昌马风电场塔基建设区和架空线路区土壤全磷含量有所增大，且增大不显著外，风电场各扰动分区土壤全磷含量均有所减少，减少幅度分别为7.08%～16.67%、18.18%、4.76%～20.00%、15.38%～20.00%，差异不显著。由图4可知，西大河风电场塔基建设区、施工道路区、办公生活区之间土壤全磷含量无显著性差异，但三者与架空线路区均存在显著性差异；昌马风电场各施工扰动区之间土壤全磷含量均无显著性差异；红砂岗风电场除施工道路区与办公生活区之间土壤全磷含量有显著性差异外，其余各分区之间均无显著性差异。比较各扰动分区土壤全磷含量相对于对照区的减小幅度，西大河和昌马风电场建设对各扰动分区全磷含量的影响大小为塔基建设区>施工道路区>架空线路区>办公生活区，红砂岗风电场建设对各扰动分区全磷含量的影响大小为塔基建设区>办公生活区>架空线路区>施工道路区。

图4 风电场各扰动分区全磷含量差异显著性分析

3.5 土壤全钾

由表2可知，风电场办公生活区、施工道路区、塔基建设区、架空线路区土壤全钾含量分别为19.72～11.86、16.55～7.29、18.37～11.83、17.23～11.89 g/kg；与对照区相比，除西大河风电场办公生活区、架空线路区显著增大外，各扰动区全钾含量总体上呈减少趋势，其中西大河风电场施工道路区，昌马风电场塔基建设区、架空线路区、办公生活区，红砂岗风电场施工道路区、办公生活区显著减少。由图5可知，西大河风电场除塔基建设区与施工道路区之间土壤全钾含量无显著性差异外，其余各分区之间均存在显著性差异；昌马风电场塔基建设区、架空线路区、办公生活区之间土壤全钾含量无显著性差异，但三者与施工道路区均有显著性差异(塔基建设区、架空线路区、办公生活区的对照区全钾背景值与施工道路对照区本身存在显著性差异)；红砂岗风电场除架空线路区与施工道路区之间土壤全钾含量无显著性差异外，其余各分区之间均存在显著性差异(其中架空线路对照区全钾背景值与其他三个对照区本身存在显著性差异)。比较各扰动分区土壤全钾含量相对于对照区的减小幅度，风电场的建设对各扰动分区全钾含量的影响大小为：办公生活区>塔基建设区>施工道路区>架空线路区。

图5 风电场各扰动分区全钾含量差异显著性分析

4 讨 论

土壤养分是土壤肥力的重要物质基础，其丰缺程度及存在形态直接决定着土壤的肥力状况，影响着植被的生长繁衍。土壤中与土壤肥力和植物生长最为密切的养分指标有机质、全氮、全磷、全钾和土壤pH值等，成为土壤养分研究的主要研究对象。风电场建设过程中大型机械对土壤的碾压、开挖与回填等都会对土壤产生严重的影响。许多研究[10-12]表明，工程施工破坏了土壤结构，改变了土壤质地，增加了土壤容重和紧实度，导致土壤pH值增加，养分(如有机质、全氮、全磷等)减少，从而直接影响到工程完建后的土壤肥力和植被的恢复。

土壤pH值通过影响土壤微生物的活动、土壤有机质的分解、矿质营养的有效状态、植物的生长发育等影响土壤的肥力状态。各种微生物都有其最适宜和可以适应的pH值范围，pH值过低(<5.5)或过高(>8.5)对一般的微生物都不大适宜，大多数植物在pH值>9.0或<2.5的情况下是难以生长的。西大河、昌马、红砂岗风电场未扰动区域土壤平均pH值分别为7.88、8.41、8.21，扰动区域土壤pH值范围分别为7.94～9.27、8.41～9.41、8.23～9.31，土壤变为强碱性。风电场建设后土壤pH值增大，可能与施工时未按要求进行分层施工，将矿物含量高的底层土与矿物含量相对较低的表层土混合，导致岩石矿物风化产生大量矿质元素有关。土壤pH值呈强碱性不利于植物生长，只有耐碱性强的少数物种才能生存繁衍，因此应对土壤进行改良，采用增施有机肥、施用化学改良剂等措施中和其碱性，调节土壤pH值使其在植被生长的适宜范围内。

有机质既是植物所需各种营养物质的来源，又具有改善土壤物理和化学性质的功能。土壤有机质的累积和分解受土壤温度、水分、质地、pH值和生产管理方式等因素的影响。风电场的建设造成各扰动分区土壤有机质含量减小，这可能是施工过程中表层、底层土混合产生的稀释效应，或未按要求进行表层土的剥离、收集和后期覆土，减少了土壤中有机质的来源，同时pH值的升高加速了有机质的分解，加上地表裸露土壤经风蚀作用有机质含量下降所致。

全氮含量是土壤中各种形态氮素含量之和。土壤中的氮素主要以有机态存在，土壤全氮含量与土壤有机质含量之间存在高度正相关关系[12]。风电场的建设造成各扰动分区的土壤全氮含量减小，但减小差异整体不显著。土壤中的氮素主要来源于生物固氮、大气降水及雷电现象和灌溉水输入。工程施工过程中的压实效应增加了土壤的密实度，降低了土壤的通气透水性，减弱了微生物活动，从而使土壤中氮含量减少；施工建设导致土壤有机质含量减小，有机质矿化能力下降，致使全氮的释放能力随之下降[13]；另外，氮素在土壤中的易移动性使其容易遭受风化淋溶损失。

磷在土壤中的移动性小，其含量与土壤母质类型、成土条件、气候条件和人类生产活动有关。由前述分析可知，风电场建设后，与对照区相比，除西大河风电场架空线路区、昌马风电场塔基建设区和架空线路区土壤全磷含量有所增大外，其他扰动分区土壤全磷含量均有所减小，但增大或减小均不显著。土壤中全磷40%～60%来源于有机质的分解[13]，全磷含量与有机质含量成正相关，扰动区域有机质含量的显著减小，导致全磷含量随之减小。个别扰动分区土壤全磷含量的增大可能与施工导致富含磷的底层土与表层土混合有关。全磷在土壤中的存在形式较稳定及其不易移动性造成了它的增大或减小不显著。

钾是植物生长所需要的主要营养元素，土壤全钾含量反映了土壤钾素的潜在供应能力。钾含量的多少与成土母质、风化成土条件、土壤质地、耕作和施肥措施等因素有关。由前述分析可知，风电场建设对各扰动分区土壤全钾含量造成的影响，除西大河风电场办公生活区、架空线路区显著增大外，其他扰动分区均减小或者显著减小。全钾含量的显著增大可能与施工过程中遗留的废弃物分解及钾含量较高的底层土与表层土的混合有关[13]；全钾含量的减小可能是工程施工扰动后土壤原有层次被打乱，造成钾流失量较多。

5 结论与建议

①风电场的建设造成土壤pH值显著增大(P<0.05)，有机质、全钾含量显著减小(P<0.05)，全氮、全磷含量减小但不显著(P<0.05)。②对土壤pH值来说，风电场的建设对施工道路区影响最大，架空线路区次之，塔基建设区和办公生活区影响较小。③对土壤有机质来说，风电场的建设对施工道路区、办公生活区影响最大，塔基建设区次之，架空线路区较小。④对土壤全氮来说，风电场的建设对架空线路区和施工道路区影响较大，对塔基建设区和办公生活区影响较小。⑤对土壤全磷来说，西大河、昌马风电场建设对塔基建设区和施工道路区影响较大，对架空线路区和办公生活区影响较小；红砂岗风电场建设对塔基建设区影响较大，办公生活区、架空线路区次之，施工道路区影响较小。⑥对土壤全钾来说，风电场的建设对办公生活区影响较大，对塔基建设区、施工道路区、架空线路区影响较小。

为减轻工程施工对土壤养分产生的不利影响，提出以下建议：工程施工过程中应严格遵守“分层开挖、分层堆放、分层回填”的施工要求，避免表层土与底层土混合造成土壤养分的稀释效应；工程施工前应对表层土进行剥离、收集，工程完建后应及时进行覆土，避免有机质的无效流失，以利于后期植被的恢复；工程建设后土壤呈强碱性，有机质、全氮、全磷、全钾含量减少，应对土壤基质进行改良，增施有机肥，中和土壤碱性，增施氮肥、磷肥、钾肥，使土壤养分供给长效和稳定，以利于植被恢复。