沙漠大型光伏电站对固沙植物表型及生物量分配的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00103

摘要/Abstract

摘要：

表型可塑性是植物适应环境变化的重要机制，此机制在沙漠大型光伏电站的表现尚不清楚。本研究通过调查腾格里沙漠东南缘大型光伏电站光伏板下和板间固沙植物形态、生物量及其分配揭示固沙植物对光伏电站的适应机制。结果表明：生态修复实施后，光伏阵列显著改变了固沙植物个体表型，与板间相比，板下植物株高、根长、地径、地上生物量和地下生物量均显著降低，且在板间（下）空间上也存在不同程度差异。光伏板间更有利于固沙植物生长。光伏板下雨线附近的根冠比显著低于光伏板间，这是固沙植物适应光伏电站水光资源再分配的重要机制，符合最优分配假说。光伏阵列显著改变了植物群落特征的空间分布，与光伏板间相比，板下物种丰富度、多样性、植被覆盖度和密度均显著降低。光伏阵列改变了植物群落特征与生物量及其分配特征的关系，固沙植被生物量及其分配也受植物群落特征如物种丰富度和植物密度的调控。光伏阵列通过改变光照和微气候等环境条件，显著影响了固沙植物的生长和分布模式。

关键词: 沙漠大型光伏基地, 生态修复, 根冠比, 最优分配假说, 植物形态

Abstract:

Phenotypic plasticity is a crucial mechanism for plants to adapt to environmental changes. However， its spatial adaptation to large-scale desert photovoltaic power stations remains poorly understood. This study investigated the sand-fixing plants at different positions under and between the photovoltaic panels of large-scale photovoltaic power stations in the southeastern edge of Tengger Desert. It revealed the adaptation mechanisms of sand-fixing plants to photovoltaic power stations from the perspectives of morphology， biomass， and distribution. After implementing ecological restoration， the photovoltaic array significantly altered the individual phenotypes of sand-fixing plants. Plant height， root length， ground diameter， above-ground and below-groundbiomass were significantly reduced under panel compared with inter-panel spaces. There were also varying degrees of differences in inter-panel （lower） spaces. Photovoltaic panels are more conducive to the growth of sand-fixing plants. The root-shoot ratio （R/S） near the rain line of photovoltaic panels is significantly lower than that between them； this serves as an important mechanism for sand fixation plants to adapt to water and light resource redistribution within photovoltaic power stations while conforming to optimal allocation hypothesis. Photovoltaic arrays significantly changed the spatial distribution characteristics of plant communities； species richness， diversity， vegetation coverage， and density were all significantly reduced under PV panels compared with those between them. Photovoltaic arrays also influenced relationships between plant community characteristics and biomass as well as R/S； species richness and plant density regulated both biomass and distribution patterns in sand-fixing vegetation. By modifying environmental conditions such as light and microclimate， photovoltaic arrays exert a significant influence on the growth and R/S of sand-fixing plants. These research findings can serve as a crucial theoretical foundation for promoting sustainable development in large-scale desert photovoltaic power stations and facilitating scientific ecological restoration.

Key words: large-scale desert photovoltaic base, ecological restoration, root-shoot ratio, optimal allocation hypothesis, plant morphology

中图分类号:

Q948

杨奕颖, 苏思霖, 曹恩志, 李红有, 迟洪明, 蔺凯, 吴旭东, 何文强, 杨昊天. 沙漠大型光伏电站对固沙植物表型及生物量分配的影响[J]. 中国沙漠, 2025, 45(1): 162-172.

Yiying Yang, Silin Su, Enzhi Cao, Hongyou Li, Hongming Chi, Kai Lin, Xudong Wu, Wenqiang He, Haotian Yang. Impacts of large-scale desert photovoltaic power stations on the phenotype and biomass distribution characteristics of sand-fixing plants[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(1): 162-172.

图/表 7

图1 研究区及样地分布

Fig.1 Study area and sample plot distribution

图2 样线和样方在空间上的分布

Fig.2 Spatial distribution of sample lines and quadrats

图3 固沙植物形态在空间上的变化特征注：*** P<0.01，不同字母表示不同样方间差异显著（P<0.05）

Fig.3 Spatial variation characteristics of sand-fixing plant morphology

图4 固沙植物群落在空间上的变化特征注：*** P<0.01，不同字母表示不同样方间差异显著（P<0.05）

Fig.4 Spatial variation characteristics of sand-fixing plant communities

图5 固沙植物生物量空间分布特征注：*** P<0.01，不同字母表示不同样方间差异显著（P<0.05）

Fig.5 Spatial distribution characteristics of sand-fixing plant biomass

图6 固沙植物根冠比在空间上的分布特征注：ns表示板下和板间差异不显著（P>0.05）；不同小写字母表示样方间差异显著（P<0.05）

Fig.6 Spatial distribution characteristics of root-shoot ratio of sand-fixing plants

图7 植被形态和群落特征与生物量的相关性分析注：*** P<0.001，** P<0.01，* P<0.05

Fig.7 Correlation analysis of vegetation morphology and community characteristics with biomass

参考文献 71

1	Li X， Li Y， Xie T，et al.Recovery of soil carbon and nitrogen stocks following afforestation with xerophytic shrubs in the Tengger Desert，North China［J］.Catena，2022，214：106277.
2	Xiang Y， Liu Y， Yue X，et al.Factors controlling soil organic carbon and total nitrogen stocks following afforestation with Robinia pseudoacacia on cropland across China［J］.Forest Ecology and Management，2021，494：119274.
3	Yu S， Yang J L， Norghauer J M，et al.Soil carbon and nitrogen stocks and their influencing factors in different-aged stands of sand-fixing Caragana korshinskii in the Mu Us Desert of Northwest China［J］.Forests，2024，15（6）：1018.
4	Li Y F， Wang B Y， Wang Z，et al.The response of rhizosphere microbial C and N-cycling gene abundance of sand-fixing Shrub to stand age following desert restoration［J］.Microorganisms，2024，12（9）：1752.
5	牛雪婧，聂靖，赵雪利，等.河北木蓝的叶表型可塑性研究［J］.植物科学学报，2020，38（1）：97-104.
6	Sun J， Ma B， Lu X.Grazing enhances soil nutrient effects：trade-offs between aboveground and belowground biomass in alpine grasslands of the Tibetan Plateau［J］.Land Degradation & Development，2018，29（2）：337-348.
7	Kou D， Yang G， Li F，et al.Progressive nitrogen limitation across the Tibetan alpine permafrost region［J］.Nature Communications，2020，11（1）：3331.
8	李佳成，陈炜昊，侯钢，等.旅游干扰对芦芽山亚高山草甸植物生物量分配的影响［J］.草地学报，2023，31（11）：3492-3502.
9	李永康，刘金龙，许冬梅，等.宁夏荒漠草原蒙古冰草资源分配特征［J］.草地学报，2023，31（4）：1125-1133.
10	王敏，苏永中，杨荣，等.黑河中游荒漠草地地上和地下生物量的分配格局［J］.植物生态学报，2013，37（3）：209-219.
11	武帅楷，郝杰，刁华杰，等.晋北农牧交错带草地生物量对短期放牧强度的响应［J］.草地学报，2023，31（8）：2446-2454.
12	庞晓瑜.增温对岷江冷杉及亚高山草甸生长和营养分配的影响［D］.北京：中国林业科学院，2017.
13	王晓光，乌云娜，霍光伟，等.放牧对呼伦贝尔典型草原植物生物量分配及土壤养分含量的影响［J］.中国沙漠，2018，38（6）：1230-1236.
14	王晓辉，石兆勇，张梦歌，等.不同菌根类型植物生物量分配对干旱的响应［J］.湖南农业大学学报（自然科学版），2023，49（4）：412-420.
15	王晓悦，许艺馨，李春环，等.长期降水量变化下荒漠草原植物生物量、多样性的变化及其影响因素［J］.植物生态学报，2023，47（4）：479-490.
16	王一静，王长庭，刘丹，等.降水变化对高寒草甸两种植物不同器官生物量和养分分配的影响［J］.应用与环境生物学报，2024，30（1）：65-74.
17	杨春勐，谢勇，初晓辉，等.不同干扰方式对滇西北亚高山草甸生物量和碳储量的影响［J］.中国草地学报，2018，40（3）：62-67.
18	Tang W， Xu S， Zhou X，et al.Meeting China's electricity demand with renewable energy over Tibetan Plateau［J］.Science Bulletin，2023，68（1）：39-42.
19	Jha N， Prashar D， Rashid M，et al.Energy‐efficient hybrid power system model based on solar and wind energy for integrated grids［J］.Mathematical Problems in Engineering，2022，2022（1）：4877422.
20	Suuronen A， Muñoz-Escobar C， Lensu A，et al.The influence of solar power plants on microclimatic conditions and the biotic community in Chilean desert environments［J］.Environmental Management，2017，60（4）：630-642.
21	Li C， Liu J， Bao J，et al.Effect of light heterogeneity caused by photovoltaic panels on the plant-soil-microbial system in solar park［J］.Land，2023，12（2）：367.
22	Devitt D A， Apodaca L， Bird B，et al.Assessing the impact of a utility scale solar photovoltaic facility on a down gradient Mojave Desert ecosystem［J］.Land，2022，11（8）：1315.
23	Ghasemi-Mobtaker H， Mostashari-Rad F， Saber Z，et al.Application of photovoltaic system to modify energy use，environmental damages and cumulative exergy demand of two irrigation systems-a case study：barley production of Iran［J］.Renew Energy，2020，160：1316-1334.
24	Karban C C， Lovich J E， Grodsky S M，et al.Predicting the effects of solar energy development on plants and wildlife in the Desert Southwest，United States［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2024，205：114823.
25	Broadbent A M， Krayenhoff E S， Georgescu M，et al.The observed effects of utility-scale photovoltaics on near-surface air temperature and energy balance［J］.Journal of Applied Meteorology and Climatology，2019，58（5）：989-1006.
26	Hernandez R R， Easter S， Murphy-Mariscal M L，et al.Environmental impacts of utility-scale solar energy［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，29：766-779.
27	田政卿，张勇，刘向，等.光伏电站建设对陆地生态环境的影响：研究进展与展望［J］.环境科学，2024，45（1）：239-247.
28	Lambert Q， Bischoff A， Enea M，et al.Photovoltaic power stations：an opportunity to promote European semi-natural grasslands［J］.Frontiers in Environmental Science，2023，11：1137845.
29	Shang W， Zhang Z P， Fu G Q，et al.Spatial heterogeneity of vegetation communities and soil properties in a desert solar photovoltaic power station of the Hexi Corridor，northwestern China［J］.Polish Journal of Environmental Studies，2023，32（3）：2795-2807.
30	Luo Z， Luo J， Wu S，et al.Soil bacterial community in a photovoltaic system adopted different survival strategies to cope with small-scale light stress under different vegetation restoration modes［J］.Frontiers in Microbiology，2024，15：1365234.
31	Yang F， Huang M， Li C，et al.Vegetation restoration increases the diversity of bacterial communities in deep soils［J］.Applied Soil Ecology，2022，180：104631.
32	Lafitte A， Sordello R， Ouédraogo D Y，et al.Existing evidence on the effects of photovoltaic panels on biodiversity：a systematic map with critical appraisal of study validity［J］.Environmental Evidence，2023，12（1）：25.
33	Chang Z F， Liu S Z， Zhu S J，et al.Ecological functions of PV power plants in the desert and gobi［J］.Journal of Resources and Ecology，2016，7（2）：130-136.
34	Xia Z， Li Y， Zhang W，et al.Solar photovoltaic program helps turn deserts green in China：evidence from satellite monitoring［J］.Journal of Environmental Management，2022，324：116338.
35	Yue S， Guo M， Zou P，et al.Effects of photovoltaic panels on soil temperature and moisture in desert areas［J］.Environment Science and Pollution Research，2021，28：17506-17518.
36	Lambert Q， Gros R， Bischoff A.Ecological restoration of solar park plant communities and the effect of solar panels［J］.Ecological Engineering，2022，182：106722.
37	Vervloesem J， Marcheggiani E， Choudhury M A M，et al.Effects of photovoltaic solar farms on microclimate and vegetation diversity［J］.Sustainability，2022，14（12）：7493.
38	Zhang B， Zhang R， Li Y，et al.Deploying photovoltaic arrays in degraded grasslands is a promising win-win strategy for promoting grassland restoration and resolving land use conflicts［J］.Journal of Environmental Management，2024，349：119495.
39	张呈春，张维福，董智今，等.碳中和背景下光伏阵列对沙漠地区微气候的影响［J］.甘肃农业大学学报，2023，doi：62.1055.S.20230920.1715.010 .
40	彭生江，薛远天，孙亚璐，等.腾格里沙漠风光热基地对区域生态环境的效应分析［J］.高原气象，2023，42（6）：1615-1624.
41	叶鹏程，陈慧，张光富，等.江苏东台野生草本植物多样性及其与环境因子的关系［J］.生态科学，2022，41（3）：133-141.
42	高珂晓，李飞飞，柳晓燕，等.广西九万山国家级自然保护区外来入侵和本地草本植物多样性垂直分布格局［J］.生物多样性，2019，27（10）：1047-1055.
43	Yu H， Hutson A D.A robust Spearman correlation coefficient permutation test［J］.Communications in Statistics-Theory and Methods，2024，53（6）：2141-2153.
44	Weraduwage S M， Jin C， Anozie F C，et al.The relationship between leaf area growth and biomass accumulation in Arabidopsis thaliana ［J］.Frontiers in Plant Science，2015，6：167.
45	Barron-Gafford G A， Pavao-Zuckerman M A， Minor R L，et al.Agrivoltaics provide mutual benefits across the food-energy-water nexus in drylands［J］.Nature Sustainability，2019，2（9）：848-855.
46	Moscatelli M C， Marabottini R， Massaccesi L，et al.Soil properties changes after seven years of ground mounted photovoltaic panels in Central Italy coastal area［J］.Geoderma Reg，2022，29：e00500.
47	Wu C， Liu H， Yu Y，et al.Ecohydrological effects of photovoltaic solar farms on soil microclimates and moisture regimes in arid Northwest China：a modeling study［J］.Science of The Total Environment，2022，802：149946.
48	Guoqing L， Hernandez R R， Blackburn G A，et al.Ground-mounted photovoltaic solar parks promote land surface cool islands in arid ecosystems［J］.Renewable and Sustainable Energy Transition，2021，1：100008.
49	Virguez E， Wang X， Patio-Echeverri D.Utility-scale photovoltaics and storage：decarbonizing and reducing greenhouse gases abatement costs［J］.Applied Energy，2021，282（A）：116120.
50	Uldrijan D， Černý M， Winkler J.Solar park：opportunity or threat for vegetation and ecosystem［J］.Journal of Ecological Engineering，2022，23（11）：1-10.
51	Tanner K E， Moore-O'Leary K A， Parker I M，et al.Simulated solar panels create altered microhabitats in desert landforms［J］.Ecosphere，2020，11（4）：21.
52	杨昊天，李新荣，刘立超，等.荒漠草地4种灌木生物量分配特征［J］.中国沙漠，2013，33（5）：1340-1348.
53	Suzuki T， Sakamoto M， Kubo H，et al.Effects of solar radiation on leaf development and yield of tuberous roots in multilayered sweet potato cultivation［J］.Plants，2023，12（2）：287.
54	Thompson E P， Bombelli E L， Shubham S，et al.Tinted semi-transparent solar panels allow concurrent production of crops and electricity on the same cropland［J］.Advanced Energy Materials，2020，10（35）：2001189.
55	Potenza E， Croci M， Colauzzi M，et al.Agrivoltaic system and modelling simulation：a case study of soybean （Glycine max L.） in Italy［J］.Horticulturae，2022，8（12）：1160.
56	Barron-Gafford G A， Minor R L， Allen N A，et al.The photovoltaic heat island effect：larger solar power plants increase local temperatures［J］.Scientific Reports，2016，6（1）：35070.
57	Tang W， Guo H， Baskin C C，et al.Effect of light intensity on morphology，photosynthesis and carbon metabolism of alfalfa （Medicago sativa） seedlings［J］.Plants，2022，11（13）：1688.
58	Rahman M N， Hangs R， Schoenau J.Influence of soil temperature and moisture on micronutrient supply，plant uptake，and biomass yield of wheat，pea，and canola［J］.Journal of Plant Nutrition，2020，43（6）：823-833.
59	马文红，方精云.中国北方典型草地物种丰富度与生产力的关系［J］.生物多样性，2006，14（1）：21-28.
60	彭潔莹，谢缘铭，刘文帧，等.小陇山锐齿栎林木本植物物种丰富度与生产力关系研究［J］.北京林业大学学报，2021，43（11）：11-19.
61	吴初平，韩文娟，江波，等.浙江定海次生林内物种丰富度与生物量和生产力关系的环境依赖性［J］.生物多样性，2018，26（6）：545.
62	Tilman D， Wedin D， Knops J.Productivity and sustainability influenced by biodiversity in grassland ecosystems［J］.Nature，1996，379（6567）：718-720.
63	Silvertown J， Dodd M E， McConway K，et al.Rainfall，biomass variation，and community composition in the park grass experiment［J］.Ecology，1994，75（8）：2430-2437.
64	Grime J P.Competitive exclusion in herbaceous vegetation［J］.Nature，1973，242：344-347.
65	范秀华，张宝权，范春雨.长白山典型天然林不同演替阶段物种多样性和结构多样性对生产力影响［J］.北京林业大学学报，2021，43（12）：1-8.
66	赵丽娅，高丹丹，熊炳桥，等.科尔沁沙地恢复演替进程中群落物种多样性与地上生物量的关系［J］.生态学报，2017，37（12）：4108-4117.
67	Piao S， Fang J， Ciais P，et al.The carbon balance of terrestrial ecosystems in China［J］.Nature，2009，458：1009-1013.
68	Piao S， Yin G， Tan J，et al.Detection and attribution of vegetation greening trend in China over the last 30 years［J］.Global Change Biology，2015，21：1601-1609.
69	原媛，母艳梅，邓钰洁，等.植被覆盖度和物候变化对典型黑沙蒿灌丛生态系统总初级生产力的影响［J］.植物生态学报，2022，46：162-175.
70	黎磊，周道玮，盛连喜.密度制约决定的植物生物量分配格局［J］.生态学杂志，2011，30（8）：1579-1589.
71	冯银平，沈海花，罗永开，等.种植密度对苜蓿生长及生物量的影响［J］.植物生态学报，2020，44：248-256.

[1]	李玉强, 王旭洋, 郑成卓, 连杰, 刘新平, 龚相文, 段育龙, 牟晓明, 王立龙. 科尔沁沙地防沙治沙实践与生态可持续修复浅议[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 302-314.
[2]	潘昌祥, 欧阳茜如, 廖梦榆, 范裕, 郭群, 张志山, 吴戈男, 赵洋‍, 刘立超, 潘颜霞, 李新荣, 屈建军, 穆松林, 李胜功. 西北干旱区沙漠化土地生态修复技术及沙产业的适用范围[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 155-165.
[3]	汉光昭, 曹广超, 曹生奎, 冶文倩. 高寒地区生态修复草地和林地土壤颗粒有机碳分解特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 36-43.
[4]	毛伟, 赵杨赫, 何博浩, 贾碧莹, 李卫东. 海草生态系统退化机制及修复对策综述[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 87-95.
[5]	孟欢欢, 张媛媛, 周晓兵, 尹本丰, 周多奇, 陶冶. 古尔班通古特沙漠草本植物生物量分配特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 96-107.
[6]	肖建华, 司建华, 刘淳, 李学军, 席海洋, 鱼腾飞, 张成琦, 赵春彦, 朱猛, 贾冰. 沙漠能源生态圈概念、内涵及发展模式[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 11-20.
[7]	何莹莹, 于明含, 丁国栋, 高广磊, 刘伟, 周子渊. 油蒿（*Artemisia ordosica*）幼苗生长及生物量分配对降雨量和降雨间隔的响应[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 183-191.
[8]	周晓兵, 张丙昌, 张元明. 生物土壤结皮固沙理论与实践[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 164-173.
[9]	岳艳鹏, 孙迎涛, 庞营军, 成龙, 周虹, 贾晓红, 赵雨兴, 赵河聚, 吴波. 毛乌素沙地沙丘活化过程中油蒿(Artemisia ordosica)根系特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 177-184.
[10]	王晓光, 乌云娜, 霍光伟, 宋彦涛, 张凤杰. 放牧对呼伦贝尔典型草原植物生物量分配及土壤养分含量的影响[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1230-1236.
[11]	李明达, 张红萍. 水分胁迫及复水对豌豆干物质积累、根冠比及产量的影响[J]. 中国沙漠, 2016, 36(4): 1034-1040.
[12]	董海涛, 孙宏义. 土壤中风沙土含量对甜叶菊(Stevia rebaudiana)生长的影响[J]. 中国沙漠, 2016, 36(3): 688-694.
[13]	张晓蕾;;曾凡江;*;刘波;;刘镇;;安桂香;;张慧. 塔干沙漠南缘骆驼刺幼苗根系生长和分布对不同灌溉量的响应[J]. 中国沙漠, 2011, 31(6): 1459-1466.
[14]	李新荣;张志山;王新平;刘立超;黄磊. 干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展[J]. 中国沙漠, 2009, 29(5): 845-852.