光伏电站对盐碱地土壤细菌群落结构及功能的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00019

摘要/Abstract

摘要：

本研究以甘肃省民勤县红砂岗200 MW光伏发电基地为研究对象，系统探究了光伏电站建设对盐碱地这一特殊生境土壤理化性质、微生物群落结构及功能的影响。通过测定光伏电站内部太阳能发电板板间（IP）、板檐（FP）、板下（UP）及外部未经人为干扰的对照区域（CK）表层土壤（0~20 cm）的理化性质，并基于16S rDNA对其进行高通量测序与功能预测分析，揭示了光伏电站建设对盐碱地土壤环境和微生物结构的调控作用。结果表明：（1）光伏电站建设显著改善了盐碱地土壤水分与养分状况，其中UP位置改善效果最好，土壤含水率、有机碳、全氮、全钾含量分别为CK的2.32、2.71、2.81、3.09倍，提升明显；（2）光伏电站内部土壤微生物多样性显著高于场外对照区，UP的物种丰富度与Shannon指数较CK分别增加26.28%和15.56%；（3）建设光伏电站使盐碱地土壤细菌群落结构发生明显变化，与CK相比，IP、FP和UP的芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和浮霉菌门（Planctomycetota）的相对丰度均显著提升，在属水平上，FP位置的嗜盐单胞菌属（Halomonas）和UP位置的特鲁珀氏菌属（Truepera）相对丰度较CK增幅显著，分别为CK的28.87倍和138.74倍；（4）Mantel分析表明，土壤pH、电导率、含水量和全氮是驱动盐碱地土壤微生物群落变化的关键环境因子；（5）功能预测结果显示，盐碱地土壤细菌功能以新陈代谢为主，其中碳水化合物代谢、氨基酸代谢等途径在电站内部较CK显著增强。本研究为光伏发电背景下盐碱地土壤微生物生态响应提供理论依据，对干旱区生态恢复与土壤可持续利用具有一定参考价值。

关键词: 盐碱地, 光伏发电, 土壤细菌, 群落结构, 功能预测

Abstract:

This study systematically investigates the impact of photovoltaic （PV） power station construction on the soil physicochemical properties， microbial community structure， and function in the special habitat of saline-alkali land， taking the 200 MW PV power generation base in Hongshagang， Minqin County， Gansu Province China， as the research object. By measuring the physicochemical properties of surface soil （0-20 cm） from different locations within the PV station-namely between panels （IP）， at the front edge of panels （FP）， and under panels （UP）-and comparing them with an external control area undisturbed by human activity （CK）， and by conducting high-throughput sequencing and functional prediction analysis based on 16S rDNA， this research reveals the regulatory effects of PV station construction on the soil environment and microbial structure in saline-alkali land. The results indicate that：（1） PV station construction significantly improved soil moisture and nutrient conditions in the saline-alkali land， with the UP position showing the most pronounced improvement， where soil water content， organic carbon， total nitrogen， and total potassium contents were 2.32， 2.71， 2.81， and 3.09 times that of CK， respectively；（2） Soil microbial diversity within the PV station was significantly higher than in the external control area， with the OTU richness and Shannon index in UP increasing by 26.28% and 15.56% compared to CK；（3） PV station construction induced significant changes in the bacterial community structure of the saline-alkali soil. Compared with CK， the relative abundances of the phyla Gemmatimonadetes， Bacteroidetes， and Planctomycetes in IP， FP， and UP were significantly increased. At the genus level， the relative abundances of Halomonas in FP and Truepera in UP increased significantly， being 28.83 times and 152 times that of CK， respectively；（4） Mantel analysis showed that soil pH， electrical conductivity， water content， and total nitrogen were the key environmental factors driving changes in the soil microbial community；（5） Functional prediction results indicated that the primary function of soil bacteria in the saline-alkali land was metabolism， with pathways such as carbohydrate metabolism and amino acid metabolism being significantly enhanced within the PV station compared to CK. This study provides a theoretical basis for understanding the ecological response of soil microorganisms in saline-alkali lands under the context of photovoltaic power generation and offers valuable insights for ecological restoration and sustainable soil use in arid regions.

Key words: saline-alkali land, photovoltaic power generation, soil bacteria, community structure, functional prediction

中图分类号:

S287

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图/表 7

表1 0~20 cm土层土壤理化性质

Table 1 Soil physicochemical properties in the 0-20 cm soil layer

土壤理化指标	采样位置
土壤理化指标	IP	FP	UP	CK
土壤容重/(g·cm⁻³)	1.045±0.007^a	0.768±0.013^c	1.037±0.021^a	0.954±0.003^b
土壤含水率/%	7.38±0.05^b	8.64±0.22^a	5.85±0.05^c	2.52±0.01^d
pH	9.03±0.07^c	9.24±0.04^a	9.17±0.01^ab	9.09±0.01^bc
电导率/(μS·cm^⁻1)	11 436.67±144.49^b	35 516.67±6658.59^a	7 576.67±385.16^b	10 170.00±4198.22^b
土壤有机碳/(g·kg^⁻1)	2.42±0.10^c	3.33±0.12^b	5.06±0.04^a	1.87±0.14^d
土壤全氮/(g·kg⁻¹)	0.76±0.03^b	0.53±0.02^c	0.87±0.05^a	0.31±0.01^d
土壤全磷/(g·kg^⁻1)	0.084±0.001^a	0.085±0.002^a	0.087±0.003^a	0.086±0.002^a
土壤全钾/(g·kg⁻¹)	15.10±0.04^b	13.78±0.22^c	37.51±0.11^a	12.14±0.14^d

表2 0~20 cm土层深度土壤细菌Alpha多样性

Table 2 Alpha diversity of soil bacteria at 0-20 cm soil depth

采样位置	覆盖率/%	丰富度指数		多样性指数
采样位置	覆盖率/%	OTU数目	chao1指数	Shannon指数	Simpson指数
IP	99.81%	1 191	1 191.9±95.7^b	6.81±0.07^b	0.025±0.004^b
FP	99.79%	1 051	1 051.9±88.6^c	5.99±0.04^d	0.040±0.006^a
UP	99.85%	1 379	1 379.6±97.4^a	7.50±0.09^a	0.017±0.003^c
CK	99.86%	1 092	1 092.7±86.3^c	6.49±0.06^c	0.041±0.007^a

图1 土壤细菌门水平相对丰度及差异注：IP:光伏板间；FP:光伏板檐；UP:光伏板下；CK:对照区域；放线菌门:Actinobacteriota；变形菌门:Proteobacteria；芽单胞菌门:Gemmatimonadota；拟杆菌门:Bacteroidota；绿弯菌门:Chloroflexi；厚壁菌门:Firmicutes；疣微菌门:Verrucomicrobiota；浮霉菌门:Planctomycetota；髌骨细菌门:Patescibacteria。不同小写字母表示不同采样位置间差异性显著（P<0.05）。

Fig. 1 Relative abundance and variance analysis of soil bacterial phylum levels

图2 土壤细菌属水平相对丰度及差异注：IP：光伏板间；FP：光伏板檐；UP：光伏板下；CK：对照区域。芽孢杆菌属：Bacillus；嗜盐单胞菌属：Halomonas；鞘氨醇单胞菌属：Sphingomonas；红色杆菌属：Rubrobacter；特鲁珀氏菌属：Truepera；肠球菌属：Enterococcus；糖霉菌属：Glycomyces；类芽孢杆菌属：Paenibacillus；盐孢菌属：Haliangium；卡塔琳单胞菌属：Catalinimonas；交替赤杆菌属：Altererythrobacter；类诺卡氏菌属：Nocardioides；链霉菌属：Streptomyces。不同小写字母表示不同采样位置间差异显著（P<0.05）

Fig. 2 Relative abundance and variance analysis of soil bacterial genus levels

图3 土壤细菌优势菌（门水平）与环境因子间的相关性（Mantel检验）注：Mantel检验用于评估微生物群落组成（基于Bray-Curtis距离）与环境因子矩阵（基于欧氏距离）之间的相关性。不同采样点土壤细菌群落组成与土壤环境因子的相关强度（Mantel's r）由其连接曲线的粗细表示。显著性水平（Mantel's P）以双尾检验进行评估：P<0.01表示极显著相关，0.01<P≤0.05表示显著相关，P>0.05表示无显著相关。BD：土壤容重；SWC：土壤含水率；pH：土壤酸碱性；EC：土壤电导率；SOC：土壤有机碳；TN：土壤全氮；TP：土壤全磷；TK：土壤全钾。放线菌门：Actinobacteriota；变形菌门：Proteobacteria；芽单胞菌门：Gemmatimonadota；拟杆菌门：Bacteroidota；绿弯菌门：Chloroflexi

Fig. 3 Correlations between dominant soil bacteria （phylum level） and environmental factors （Mantel test）

图4 土壤细菌优势菌（属水平）与环境因子间的相关性（Mantel检验）注：芽孢杆菌属：Bacillus；嗜盐单胞菌属：Halomonas；鞘氨醇单胞菌属：Sphingomonas；红色杆菌属：Rubrobacter；特鲁珀氏菌属：Truepera；肠球菌属：Enterococcus；糖霉菌属：Glycomyces。显著性水平（Mantel's P）以双尾检验进行评估：P<0.01表示极显著相关，0.01<P≤0.05表示显著相关，P>0.05表示无显著相关

Fig. 4 Correlation between dominant soil bacteria （genus level） and environmental factors （Mantel test）

表3 0~20 cm土层土壤细菌功能通路相对丰度

Table 3 Bacterial functional pathways in the 0-20 cm soil layer

功能		采样点相对丰度/%
一级功能	二级功能	IP	FP	UP	CK
新陈代谢	碳水化合物代谢	13.29±0.19^c	13.27±0.18^c	13.47±0.21^b	13.57±0.23^a
	氨基酸代谢	13.04±0.16^b	13.30±0.18^a	13.29±0.19^a	13.32±0.21^a
	辅因子和维生素代谢	12.36±0.17^b	12.52±0.19^a	12.18±0.16^c	11.87±0.14^d
	萜类化合物和聚酮化合物代谢	10.23±0.14^a	10.10±0.11^b	10.15±0.11^b	9.54±0.10^c
	其他氨基酸代谢	7.76±0.13^b	7.59±0.11^c	7.80±0.14^b	8.07±0.17^a
	脂质代谢	6.70±0.11^b	6.72±0.12^b	7.07±0.14^a	7.06±0.13^a
	外源生物降解与代谢	5.27±0.11^c	5.85±0.13^b	5.71±0.14^b	6.28±0.16^a
	能量代谢	5.14±0.13^a	5.01±0.11^b	5.15±0.13^a	4.99±0.10^b
	其他次级代谢产物的生物合成	2.75±0.08^a	2.50±0.05^c	2.76±0.09^a	2.64±0.06^b
	聚糖生物合成与代谢	2.66±0.09^a	2.55±0.08^b	2.56±0.08^b	2.26±0.06^c
	核苷酸代谢	1.66±0.07^a	1.65±0.07^a	1.65±0.07^a	1.60±0.06^b
遗传信息处理	复制与修复	5.31±0.08^a	5.31±0.08^a	5.25±0.07^a	5.06±0.05^b
	翻译	2.91±0.09^a	2.91±0.09^a	2.82±0.08^a	2.66±0.06^b
	折叠、分选与降解	3.34±0.11^a	3.29±0.09^b	3.33±0.11^a	3.28±0.09^b
细胞过程	细胞运动	2.32±0.09^a	2.18±0.08^b	1.60±0.05^c	2.31±0.09^a
细胞过程	细胞生长与死亡	1.38±0.08^a	1.30±0.07^a	1.35±0.08^a	1.23±0.05^b
环境信息处理	膜转运	1.49±0.04^c	1.51±0.05^b	1.44±0.04^c	1.68±0.07^a

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