乌兰布和沙漠光伏电站改变土壤粒径分布与降雨再分配过程

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00166

摘要/Abstract

摘要：

为评估荒漠区光伏电站对土壤粒径与土壤含水量变化的影响，本研究在乌兰布和沙漠4个不同运营年限电站内，按板间/板下与表层（0~20 cm）/深层（20~40 cm）布设320个粒度样点，并在典型站点布设5个几何位置（A~E）与2个深度（30/60 cm）的土壤水分传感器，联合板前汇流观测2024年4—11月的土壤水分动态。结果显示：（1）土壤粒径在场址尺度呈中心细、边缘粗格局，上风向板间出现细粒径中心，板下在面板底隙附近出现粗粒径中心。（2）与建站前对照相比，板间/板下的粒径均值总体呈下降趋势（即土壤粒径细化），细砂（100~250 μm）体积分数上升，且板间表层粒径离散程度随运营年限增长降低。（3）光伏板前檐倾斜且板中存在遮挡，导致降雨在前檐聚集，在板下正中间亏损。土壤含水量在光伏板前檐160 cm和前檐正下方浅表处达3.16%~3.22%，高于板下正中间浅表（约1.13%）。（4）表层土壤对降雨脉冲响应敏感，而深层土壤受缓慢渗透支配的影响。研究结果显示光伏电站对土壤粒径的影响具有年限效应，对水分的影响具有位置依赖，建议在站址边缘增设防护带并优化光伏板几何特征与导流设施，以减少外界对土壤粒径侵蚀程度和缓解光伏板板下正中间亏水，提升板前入渗。

关键词: 乌兰布和沙漠, 光伏治沙, 土壤粒径, 土壤含水量, 降雨再分配

Abstract:

To evaluate the impacts of photovoltaic power stations in desert areas on changes in soil particle size and soil water content， in four PV power stations with different operational durations in the Ulan Buh Desert， a total of 320 soil particle size sampling points were arranged based on the categories of inter-panel/beneath-panel and surface layer （0-20 cm）/deep layer （20-40 cm）. Meanwhile， soil moisture monitor probes were deployed at 5 geometric positions （A-E） and 2 depths （30/60 cm） in a typical station. Combined with the observation of runoff confluence in front of the panels， the soil moisture dynamics were monitored from April to November 2024. The results showed that：（1） At the site scale， the soil particle size presented a pattern of finer particles in the center and coarser particles at the edges. Fine particle size centers appeared in the inter-panel areas of the upwind direction， while coarse particle size centers occurred near the bottom gap of the panels in the areas beneath the panels. （2） Compared with the control before the power stations were built， the mean particle size in both inter-panel and beneath panels areas generally decreased （soil particle size refinement）， and the volume fraction of fine sand （100-250 μm） increased， and the degree of particle size dispersion in the surface layer of inter-panel areas decreases with the increase of operational duration. （3） The panel geometry caused rainfall to accumulate at the front eaves and resulted in water deficiency in the middle of the panels. The soil water content at 160 cm in front of the PV panels and directly below the front eaves in the surface layer reached 3.16%-3.22%， which was higher than that in the middle of the panels in the surface layer （about 1.13%）. （4） The surface soil was sensitive to rainfall pulses， while the deep layer was dominated by slow infiltration. The study suggests that the impacts of PV power stations for photovoltaic sand control on soil particle size exhibit a duration-dependent effect， while their impacts on soil water show a position-dependent characteristic. It is recommended to add protective belts at the edges of the station sites and optimize the panel geometry and flow diversion facilities， so as to reduce the degree of soil particle size erosion caused by external factors， alleviate water deficiency in the middle of the panels， and improve infiltration in front of the panels.

Key words: Ulan Buh Desert, photovoltaic sand control, soil particle size, soil water content, rainfall redistribution

中图分类号:

P941.73

周峻羽, 常佩静, 王海鹰, 辛智鸣, 袁子喧, 朱文涛, 闫玉洁, 程一本. 乌兰布和沙漠光伏电站改变土壤粒径分布与降雨再分配过程[J]. 中国沙漠, 2026, 46(2): 251-262.

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图/表 10

图1 研究区地理位置及电站内采样点位置注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Geographic location of the study area and location of sampling points within the power stations

图2 土壤水分监测仪探头安装位置示意图

Fig.2 Schematic diagram of soil moisture monitor probes installation positions

图3 板间表层土壤粒径均值空间分异注：h1~h10为横向采样点位置，z1~z10为纵向采样点位置，红框标注为光伏电站中心采样点位置；★为细粒径中心

Fig.3 Spatial variation pattern of mean particle size of inter-panel surface soil

图4 板下表层土壤粒径均值空间分异注：h1~h10为横向采样点位置，z1~z10为纵向采样点位置，红框标注为光伏电站中心采样点位置；★为粗粒径中心

Fig.4 Spatial variation pattern of mean particle size of subsurface soil beneath panels

图5 光伏板不同位置土壤粒度均值箱线图注：BS、BD、US和UD分别表示板间表层、板间深层、板下表层和板下深层

Fig.5 Box plots of mean soil particle size at different positions of PV panels

图6 光伏板不同位置土壤粒径相对于对照的减少百分比趋势注：EBS、EBD、EUS、EUD分别表示板间表层、板间深层、板下表层、板下深层土壤侵蚀程度（与对照样对比）

Fig.6 Trend diagram of soil particle size reduction percentage at different positions of PV panels relative to the control sample

表1 土壤粒径侵蚀程度百分比

Table 1 Percentage of erosion degree by soil particle size

电站名称	建立时间	$P ¯ B S$ /μm	$P ¯ B D$ /μm	$P ¯ U S$ /μm	$P ¯ U D$ /μm	$P ¯ C$ /μm	E_BS/%	E_BD/%	E_US/%	E_UD/%
磴口广电投光伏电站	2012年12月	168.81	166.90	166.78	168.97	189.77	-11.05	-12.05	-12.12	-10.96
磴口国电北粮台光伏电站	2015年1月	169.67	167.63	169.66	168.55	178.61	-5.01	-6.15	-5.01	-5.63
磴口国龙鸿蕴光储电站	2023年3月	172.25	171.23	171.31	172.18	175.37	-1.78	-2.36	-2.32	-1.82
磴口蒙能套海光伏电站	2023年12月	172.53	171.33	170.85	174.33	178.07	-3.11	-3.79	-4.06	-2.10

表1 土壤粒径侵蚀程度百分比

Table 1 Percentage of erosion degree by soil particle size

电站名称	建立时间	$P ¯ B S$ /μm	$P ¯ B D$ /μm	$P ¯ U S$ /μm	$P ¯ U D$ /μm	$P ¯ C$ /μm	E_BS/%	E_BD/%	E_US/%	E_UD/%
磴口广电投光伏电站	2012年12月	168.81	166.90	166.78	168.97	189.77	-11.05	-12.05	-12.12	-10.96
磴口国电北粮台光伏电站	2015年1月	169.67	167.63	169.66	168.55	178.61	-5.01	-6.15	-5.01	-5.63
磴口国龙鸿蕴光储电站	2023年3月	172.25	171.23	171.31	172.18	175.37	-1.78	-2.36	-2.32	-1.82
磴口蒙能套海光伏电站	2023年12月	172.53	171.33	170.85	174.33	178.07	-3.11	-3.79	-4.06	-2.10

表2 土壤粒度组成以及侵蚀程度百分比差值

Table 2 Soil particle size composition and percentage differences of erosion degree

电站名称	点位	R_L/%(<2 μm)	R_M/%(2~50 μm)	R_X/%(50~100 μm)	R_F/%(100~250 μm)	R_Z/%(250~500 μm)	R_G/%（500~2 000 μm）	V_M /%	V_X /%	V_F /%	V_Z /%	V_G /%
磴口广电投光伏电站	板间表层	—	0.62±0.12	4.47±0.77	76.12±4.24	14.55±3.52	4.24±2.37
	板间深层	—	0.59±0.13	4.40±0.60	77.05±5.65	14.74±4.04	3.22±2.62	0.03	0.08	-0.93	-0.19	1.02
	对照样	—	0.34	2.26	65.14	24.22	8.04	0.28	2.21	10.98	-9.67	-3.80
	板下表层	—	0.61±0.14	4.37±0.69	77.41±4.97	14.00±4.22	3.61±2.35
	板下深层	—	0.57±0.07	4.37±0.68	75.26±4.22	15.90±3.10	3.90±2.55	0.03	0.00	2.14	-1.9	-0.28
	对照样	—	0.34	2.26	65.14	24.22	8.04	0.27	2.11	12.27	-10.22	-4.43
磴口国电北粮台光伏电站	板间表层	—	0.61±0.14	4.15±0.85	76.68±5.41	14.29±4.14	4.27±3.25
	板间深层	—	0.61±0.12	4.40±1.01	77.48±5.62	14.34±4.35	3.17±3.49	0.00	-0.25	-0.80	-0.05	1.10
	对照样	—	0.35	2.99	75.29	15.37	6.00	0.26	1.16	1.39	-1.08	-1.74
	板下表层	—	0.61±0.10	4.49±0.77	76.10±6.26	14.22±3.64	4.58±4.16
	板下深层	—	0.56±0.08	4.14±0.53	77.27±6.58	14.84±4.01	3.20±3.31	0.06	0.35	-1.17	-0.62	1.38
	对照样	—	0.35	2.99	75.29	15.37	6.00	0.26	1.50	0.81	-1.15	-1.42
磴口国龙鸿蕴光储电站	板间表层	—	0.48±0.07	3.73±0.87	75.37±5.83	15.17±3.33	5.24±4.45
	板间深层	—	0.50±0.11	3.97±0.99	75.96±6.05	15.20±2.99	4.38±4.33	-0.02	-0.24	-0.58	-0.03	0.87
	对照样	—	0.40	2.99	74.56	18.03	4.02	0.08	0.74	0.81	-2.86	1.22
	板下表层	—	0.47±0.07	3.67±0.61	76.40±4.12	15.33±3.73	4.14±2.55
	板下深层	—	0.49±0.09	3.80±0.69	76.51±5.02	14.41±3.00	4.80±3.08	-0.02	-0.13	-0.11	0.92	-0.66
	对照样	—	0.40	2.99	74.56	18.03	4.02	0.07	0.68	1.84	-2.70	0.12
磴口蒙能套海光伏电站	板间表层	—	0.50±0.07	3.73±0.59	76.03±5.17	16.31±3.66	3.43±2.93
	板间深层	—	0.51±0.09	3.70±0.59	75.09±4.50	17.74±3.58	2.96±1.88	-0.01	0.03	0.94	-1.43	0.47
	对照样	—	0.39	3.20	72.34	14.72	9.35	0.11	0.53	3.69	1.59	-5.92
	板下表层	—	0.51±0.08	4.07±0.80	76.08±4.46	15.86±3.27	3.48±2.87
	板下深层	—	0.52±0.09	3.72±0.56	73.71±4.78	17.69±3.21	4.37±2.95	-0.01	0.35	2.38	-1.83	-0.89
	对照样	—	0.39	3.20	72.34	14.72	9.35	0.12	0.87	3.74	1.14	-5.87

表2 土壤粒度组成以及侵蚀程度百分比差值

Table 2 Soil particle size composition and percentage differences of erosion degree

电站名称	点位	R_L/%(<2 μm)	R_M/%(2~50 μm)	R_X/%(50~100 μm)	R_F/%(100~250 μm)	R_Z/%(250~500 μm)	R_G/%（500~2 000 μm）	V_M /%	V_X /%	V_F /%	V_Z /%	V_G /%
磴口广电投光伏电站	板间表层	—	0.62±0.12	4.47±0.77	76.12±4.24	14.55±3.52	4.24±2.37
	板间深层	—	0.59±0.13	4.40±0.60	77.05±5.65	14.74±4.04	3.22±2.62	0.03	0.08	-0.93	-0.19	1.02
	对照样	—	0.34	2.26	65.14	24.22	8.04	0.28	2.21	10.98	-9.67	-3.80
	板下表层	—	0.61±0.14	4.37±0.69	77.41±4.97	14.00±4.22	3.61±2.35
	板下深层	—	0.57±0.07	4.37±0.68	75.26±4.22	15.90±3.10	3.90±2.55	0.03	0.00	2.14	-1.9	-0.28
	对照样	—	0.34	2.26	65.14	24.22	8.04	0.27	2.11	12.27	-10.22	-4.43
磴口国电北粮台光伏电站	板间表层	—	0.61±0.14	4.15±0.85	76.68±5.41	14.29±4.14	4.27±3.25
	板间深层	—	0.61±0.12	4.40±1.01	77.48±5.62	14.34±4.35	3.17±3.49	0.00	-0.25	-0.80	-0.05	1.10
	对照样	—	0.35	2.99	75.29	15.37	6.00	0.26	1.16	1.39	-1.08	-1.74
	板下表层	—	0.61±0.10	4.49±0.77	76.10±6.26	14.22±3.64	4.58±4.16
	板下深层	—	0.56±0.08	4.14±0.53	77.27±6.58	14.84±4.01	3.20±3.31	0.06	0.35	-1.17	-0.62	1.38
	对照样	—	0.35	2.99	75.29	15.37	6.00	0.26	1.50	0.81	-1.15	-1.42
磴口国龙鸿蕴光储电站	板间表层	—	0.48±0.07	3.73±0.87	75.37±5.83	15.17±3.33	5.24±4.45
	板间深层	—	0.50±0.11	3.97±0.99	75.96±6.05	15.20±2.99	4.38±4.33	-0.02	-0.24	-0.58	-0.03	0.87
	对照样	—	0.40	2.99	74.56	18.03	4.02	0.08	0.74	0.81	-2.86	1.22
	板下表层	—	0.47±0.07	3.67±0.61	76.40±4.12	15.33±3.73	4.14±2.55
	板下深层	—	0.49±0.09	3.80±0.69	76.51±5.02	14.41±3.00	4.80±3.08	-0.02	-0.13	-0.11	0.92	-0.66
	对照样	—	0.40	2.99	74.56	18.03	4.02	0.07	0.68	1.84	-2.70	0.12
磴口蒙能套海光伏电站	板间表层	—	0.50±0.07	3.73±0.59	76.03±5.17	16.31±3.66	3.43±2.93
	板间深层	—	0.51±0.09	3.70±0.59	75.09±4.50	17.74±3.58	2.96±1.88	-0.01	0.03	0.94	-1.43	0.47
	对照样	—	0.39	3.20	72.34	14.72	9.35	0.11	0.53	3.69	1.59	-5.92
	板下表层	—	0.51±0.08	4.07±0.80	76.08±4.46	15.86±3.27	3.48±2.87
	板下深层	—	0.52±0.09	3.72±0.56	73.71±4.78	17.69±3.21	4.37±2.95	-0.01	0.35	2.38	-1.83	-0.89
	对照样	—	0.39	3.20	72.34	14.72	9.35	0.12	0.87	3.74	1.14	-5.87

图7 光伏板不同位置土壤含水量箱线图注：A30、B30、C30、D30、E30分别表示距光伏板前檐380 cm和160 cm、前檐正下方、光伏板下正中间、后檐处30 cm深度土壤含水量；A60、B60、C60、D60、E60分别为对应位置60 cm深度土壤含水量

Fig.7 Boxplot of soil water content at different positions of PV panels

图8 各月份光伏板不同位置表层和深层土壤含水量日动态分布图（2024-04-01—11-30）注：A30、B30、C30、D30、E30分别表示距光伏板前檐380 cm和160 cm、前檐正下方、光伏板下正中间、后檐处30 cm深度土壤含水量；A60、B60、C60、D60、E60分别为对应位置60 cm深度土壤含水量

Fig.8 Monthly daily dynamics of soil moisture content in surface and deep layers at different positions of PV panels （2024-04-01—11-30）

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