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中国沙漠, 2026, 46(2): 104-112 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00144

农业光伏体系耦合滴灌措施对沙漠土壤环境的影响

卫仕奇,1, 刘银珠1, 余启杰1, 苏洁琼2, 胡亚虎,1

1.兰州大学 资源环境学院/西北土壤和地下水污染防控修复技术研究中心，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙坡头沙漠研究试验站，甘肃 兰州 730000

Effects of agrivoltaic systems coupled with drip irrigation on desert soil environment

Wei Shiqi,1, Liu Yinzhu1, Yu Qijie1, Su Jieqiong2, Hu Yahu,1

1.College of Earth and Environmental Sciences / Technoloy Research Center for Pollution Control and Remediation of Northwest Soil and Groundwater，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China

2.Shapotou Desert Research and Experiment Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

通讯作者: 胡亚虎（E-mail： huyh@lzu.edu.cn）

收稿日期: 2025-04-15   修回日期: 2025-05-29  

基金资助: 甘肃省自然科学基金项目.  24JRRA427
甘肃省自然科学基金项目.  25JRRA501
甘肃省2024年度省级生态文明建设重点研发专项.  24YFFA072

Received: 2025-04-15   Revised: 2025-05-29  

作者简介 About authors

卫仕奇（2000—），男，山西运城人，硕士研究生，主要从事区域水土污染防治与生态恢复方面的研究E-mail：weishq2024@lzu.edu.cn , E-mail：weishq2024@lzu.edu.cn

摘要

为探究农业光伏体系对沙漠土壤环境的影响，以库布齐沙漠运行5年的追踪式高支架光伏阵列+红枣体系为研究对象，对比分析滴灌区、无滴灌区及无光伏对照区土壤属性的变化。结果表明：滴灌可补偿无滴灌条件下红枣种植导致的土壤水分亏缺，使其含量恢复至对照水平。光伏区土壤呈现显著的电导率升高（滴灌区+11.8%）及碳酸钙、总磷（滴灌区除外）、有效磷、有效钾含量下降趋势，但滴灌与无滴灌处理间所有化学指标差异不显著。此外，光伏区土壤酶活性显著高于对照区，其中β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性滴灌区显著高于无滴灌区。Mantel检验揭示土壤酶活变化受电导率、有效钾、有效磷等因素的协同调控，Pearson分析进一步证实电导率与有机碳、碳酸钙呈负相关，而有效磷、钾与土壤水分呈正相关。由此可见，滴灌通过促进土壤矿质养分的化学与生物转化过程，在沙漠农业光伏体系中形成有利于作物生长的生物活性微域。

关键词： 干旱区 ; 太阳能 ; 滴灌 ; 碳 ; 养分

Abstract

To investigate the impacts of agrivoltaic systems on desert soil environment， this study analyzed soil attribute variations in a 5-year operational tracking high-stilt photovoltaic array + jujube system in the Kubuqi Desert， comparing drip-irrigated， non-irrigated， and non-photovoltaic control areas. The results showed that drip irrigation alleviated soil moisture deficits caused by jujube cultivation under non-irrigated conditions， restoring soil moisture to levels comparable to those of the control. Soils in photovoltaic areas exhibited significant increases in electrical conductivity （+11.8% in the drip-irrigated zone） and declines in calcium carbonate， total phosphorus （except the drip-irrigated zone）， available phosphorus， and available potassium. However， no significant differences in chemical indicators were observed between the drip-irrigated and non-irrigated treatments. Additionally， soil enzyme activities in photovoltaic areas were significantly higher than those in the control， with β-glucosidase and leucine aminopeptidase activities notably elevated in the drip-irrigated zone compared to the non-irrigated zone. Mantel tests revealed that changes in soil enzyme activity were co-regulated by electrical conductivity， available potassium， and available phosphorus. Pearson analysis further confirmed negative correlations between electrical conductivity and organic carbon/calcium carbonate， whereas positive correlations existed between available phosphorus/potassium and soil moisture. Therefore， drip irrigation facilitates crop growth in desert agrivoltaic systems by enhancing the chemical and biological transformation of mineral nutrients， thereby establishing bioactive microzones.

Keywords： arid regions ; solar energy ; drip irrigation ; carbon ; nutrient

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本文引用格式

卫仕奇, 刘银珠, 余启杰, 苏洁琼, 胡亚虎. 农业光伏体系耦合滴灌措施对沙漠土壤环境的影响. 中国沙漠[J], 2026, 46(2): 104-112 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00144

Wei Shiqi, Liu Yinzhu, Yu Qijie, Su Jieqiong, Hu Yahu. Effects of agrivoltaic systems coupled with drip irrigation on desert soil environment. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(2): 104-112 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00144

0 引言

全球经济飞速发展与环境可持续发展之间的矛盾正促使能源领域发生着深刻变革。尽管当前煤炭、石油和天然气等传统能源在全球能源结构中仍占据主导地位［1］，但太阳能、风能等新能源占比在日益增长［2-3］。截至2023年底，全球可再生能源装机容量达3 864 GW，较2014年净增2 166 GW，年均增长率为9.7%［4］。尤其值得关注的是，2023年可再生能源装机容量在全球总装机容量中占比已达43%，当年新增可再生能源装机容量为473 GW，占全球新增发电量的86%［4］。其中，太阳能光伏装机呈现显著增长态势，2023年全球累计装机容量达1 418 GW，较2022年同比增长32.4%［4-5］。从区域分布看，中国、印度、美国和德国等主要市场光伏装机表现突出，2023年新增装机同比增幅分别为55.2%、15.3%、17.8%和21.2%［4］。

沙漠地区拥有丰富的光照与大量未利用土地资源，这为大规模光伏电站建设提供了得天独厚的条件［6-7］。然而，沙漠光伏电站建设和运营会显著改变局地风沙运动规律，带来连锁生态环境效应。从风沙动力学角度看，光伏设施通过改变近地表流场结构，显著干扰区域风沙移动过程，从而打破原有侵蚀-堆积平衡状态，引起光伏板下地表的强烈掏蚀和板间堆积［8-9］。由此引发的板下土壤差异性侵蚀将导致光伏支架立柱不均匀沉降，其反过来会影响光伏组件的发电效率，并会导致光伏板损坏［10］。调查发现，光伏板下土壤在强烈的侵蚀作用下可形成深度15~30 cm的掏蚀坑，相应的板间堆积体高度40~60 cm［11］，这种微地形改变效应在固定式低支架光伏阵列体系中尤为明显［12］。在光伏电站长期运营过程中，持续风蚀作用还会导致板下土壤有机质大量流失，使得本就脆弱的沙漠生态系统稳定性进一步降低［8］。

近年来，光伏阵列-工程沙障-固沙植物三位一体协同发展与治理体系逐渐受到大家重视［8］。该体系通过集成植被重建、土壤改良以及风沙防治等技术，构建了多尺度生态修复体系，从而实现了光伏发电与生态治理并重的荒漠生态系统可持续利用路径［13］。有研究表明，在光伏阵列板间区域布设1.5 m×1.5 m草方格沙障并种植梭梭（Haloxylon ammodendron）、沙蒿（Artemisia desertorum）等旱生植物可增加地表粗糙度，有效降低近地面0.5 m高度处的风速［14］。在光伏板下，通过客土法铺设15~20 cm厚度土壤后，光伏板遮荫诱发板下温度降低与水分蒸发减少所形成的微生境条件将有利于作物生长［6］。因此，板上发电、板间固沙、板下种植的立体化发展路径［15］通过能量-水分-土壤耦合调控机制［16］，可形成光伏+治沙+农业耦合发展模式，这为荒漠生态系统区域服务功能增值找到了较佳发展路径［11］。

滴灌是缓解旱境地区水资源短缺与防治土壤退化的有效策略［17］。该策略通过精准施水提高土壤水分有效性，进而改善土壤养分供应能力并促进土壤结构正常发育［18］。因此，光伏+滴灌模式在理论上有利于提升旱境土壤质量。尽管滴灌措施下土壤环境特性响应已开展了大量研究，然而在沙漠生境中，农业光伏体系耦合滴灌措施如何影响土壤环境特性，目前研究较为匮乏。因此，本研究以库布齐沙漠建站运行5年的光伏电站为研究对象，对比研究滴灌和无滴灌光伏区之间及其与无光伏对照区在土壤物理、化学、生物学属性上的差异，并考察不同土壤属性间内在联系。本研究旨在探明滴灌措施影响沙质土壤环境的方向和路径，进而为光伏体系下沙漠生态系统可持续利用提供可行的发展策略。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗昭君镇库布齐沙漠光伏电站（图1）。该电站于2018年5月29日开工建设，同年12月10日全面并网。该区域属于温带大陆性气候，年平均气温为7.3 ℃，年降水量119.6~403.2 mm，年蒸发量为2 162 mm。降水主要在7—9月，约占全年降水量的80%。该地区风、光资源丰富，年日照时数为3 100 h，年太阳总辐射量597.9 kJ∙cm-2，风速为3.2~3.9 m∙s-1，最大风速可达22 m∙s-1［19-20］。

图1

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图1   研究区概况

Fig.1   Overview of the study area


研究区光伏电站的光伏组件采用追踪式高支架体系，光伏阵列间距为9 m，支架高度大于4 m。光伏板间种植矮化经济林树种红枣（Ziziphus jujuba），共种植约88 hm2，株行距为2 m×3 m。红枣种植区一分为二，一半为雨养型，一半采用滴灌方式进行灌溉，滴灌管线平行于光伏支架，孔口距离红枣树干10~15 cm。滴灌水源为煤矿疏干水，水质满足《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》［21］的三级水质标准。灌溉从4月持续至10月，20 d灌溉一次，每次持续一星期，滴灌用水量为13.6 m3∙d-1∙hm-2。在光伏区附近，选择经历同样土地平整的无光伏地块作为对照区。

1.2　土壤采样与分析

2023年8月18—24日，在研究区采集0~10 cm的土壤样品。在对照区、滴灌区和无滴灌区，分别随机选取5个80 m×30 m的地块，间隔50 m进行取样。在每个地块内，选择W形5个顶点收集土壤样本，每个顶点处采用三角形采样法，将3个顶点处收集的土壤样品混合后形成一个混合样，5个顶点的混合样混合后形成一个复合土壤样品，每个地块各有5个复合样品。采集的土壤样品分为两部分，一份当场称重，带回实验室于烘箱中105 ℃烘至恒重；一份风干后过2 mm筛备用。

土壤理化指标的测定，参照鲍士旦［22］的方法进行。土壤容重（BD）采用体积为100 cm3的环刀测量，土壤含水量（SMC）根据烘干后土壤质量与鲜土质量的差值计算。土壤pH和电导率（EC）分别使用pH计和EC计测定。土壤有机碳含量（SOC）采用K2Cr2O7氧化法测定，碳酸钙（CaCO3）含量采用酸碱滴定法测定。土壤碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定，有效磷含量（AP）采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量（AK）采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。土壤总磷量（TP）采用酸溶-钼锑抗比色法测定。土壤中与C、N、P循环相关的β-葡萄糖苷酶（GLU）、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）以及碱性磷酸酶（ALP）的活性采用苏州梦犀生物医药科技有限公司的试剂盒进行测定。

1.3　数据分析

所有实验数据均基于土壤干重计算，实验结果以算术平均值±标准误（n=5）的形式表示。数据采用SPSS 27.0软件进行统计，针对对照区、无滴灌区以及滴灌区土壤物理、化学、生物学属性的组间差异，采用独立样本t检验进行区分。土壤酶活性与理化性质两个矩阵间的关系用Mantel检验分析，土壤理化指标间及其与土壤酶活性的关系用Pearson相关性分析实现，上述结果可视化采用linkET R语言包实现［23］。土壤物理、化学以及生物学属性图采用Origin 2024软件绘制完成。

2 结果与分析

2.1　土壤物理性质

与对照区相比，光伏无滴灌区SMC显著下降了36.4%，但滴灌区SMC并无显著变化（图2A）。在光伏区内部，滴灌区SMC比无滴灌区显著高47.6%。不同于SMC，不同处理间BD均无显著差异（图2B）。

图2

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图2   土壤物理性质

注：SMC为土壤含水量；BD为土壤容重。*为P < 0.05；ns为P > 0.05

Fig.2   Soil physical properties


2.2　土壤化学性质

在光伏区，所有化学属性在滴灌区与无滴灌区之间均无显著差异（图3）。与对照区相比，无论灌溉与否，光伏区的土壤pH、SOC、AN均无显著变化，但CaCO3、TP（滴灌区除外）、AP、AK均显著降低。此外，无滴灌区EC与对照区相比差异不显著，但滴灌区EC比对照区显著高11.8%。

图3

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图3   土壤化学性质

注： pH为土壤pH；EC为土壤电导率；SOC为土壤有机碳含量；CaCO3为碳酸钙含量；TP为土壤总磷量；AP为有效磷含量；AN为碱解氮含量；AK为速效钾含量。*为P<0.05；**为P<0.01；***为P<0.001；ns为P>0.05

Fig.3   Soil chemical properties


2.3　土壤酶活性

土壤酶活性的变化如图4所示，与对照区相比，光伏区无论是否滴灌，GLU、NAG、LAP以及ALP活性均显著高于对照区。在光伏区内部，NAG和ALP活性在无滴灌区和滴灌区之间差异不显著，但GLU和LAP的活性滴灌区均显著高于无滴灌区。

图4

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图4   土壤酶活性

注：GLU为β-葡萄糖苷酶；NAG为N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶；LAP为亮氨酸基肽酶；ALP为碱性磷酸酶。*为P<0.05；***为P<0.001；ns为P>0.05

Fig.4   Soil enzyme activity


2.4　土壤属性间的关系

土壤C循环相关的GLU的活性和N循环相关的土壤酶活性（NAG + LAP）均受到了EC和AK的显著影响（图5）。然而，土壤P相关的ALP的活性显著受TP和AP的调控，同时还受到SMC、CaCO3以及AK的共同调控。土壤酶活性与土壤理化指标之间的具体关系如图5B所示，其中EC和AN对土壤酶活性起正向的调节作用，而AK和SMC则是负向的调节作用。另外，图5A中Pearson相关性分析表明，TP、AP以及AK均与SMC显著正相关。同时，TP、AP以及CaCO3三者之间互相显著正相关。此外，SOC和CaCO3均与EC显著负相关。

图5

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图5   土壤属性之间的相互关系

注：SMC为土壤含水量；BD为土壤容重；pH为土壤pH;EC为土壤电导率;SOC为土壤有机碳含量;CaCO3为碳酸钙含量;TP为土壤总磷量;AP为有效磷含量;AN为土壤碱解氮含量;AK为速效钾含量；GLU为β-葡萄糖苷酶；NAG为N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶；LAP为亮氨酸基肽酶；ALP为碱性磷酸酶

Fig.5   Relationships among soil properties


3 讨论

3.1　土壤物理特性的环境适应性

土壤物理特性是区分不同生境土壤环境特性的重要特征，其在一定时空范围内对环境变化具有良好的适应性［24-25］。在本研究中，光伏阵列架设、作物种植以及水分管理是影响土壤属性的重要因素。然而，在滴灌措施下，无论是SMC还是BD，其与无光伏对照区的差异均不显著（图2），这表明在短期内（5年），荒漠土壤物理特性对滴灌农业光伏体系带来的环境变化适应性较强［26］。

具体来看，无滴灌区的SMC显著低于对照区（图2），这说明单纯的农业光伏体系会造成沙漠土壤水分耗损［27］。在无滴灌措施时，尽管光伏板遮阴会导致土壤蒸发量减小［13，28-29］，但其并不能从根本上弥补植物种植增加的土壤水分需求。显然，红枣灌木虽然耐旱，但其对土壤水分仍有较高需求［30］。研究表明，植物蒸腾作用对土壤水分的耗损远大于土壤蒸发［31］，因而滴灌措施下外源水分输入在一定程度上补偿了红枣的水分需求，这使得滴灌区的SMC尽管低于对照区，但其差异并不显著。

BD是反映土壤结构与组成的综合性指标，其对短期环境变化的响应并不敏感［32］。理论上，植物生长过程中会因根系的机械作用和分泌物的输入减少土壤压实，提高土壤孔隙度，进而降低BD［33］。然而，在光伏区无论滴灌与否，植物种植均未显著改变BD。原因可能与研究区沙质土壤质地和红枣灌木根系分布有关［34-35］。滴灌作为一种有效的水管理措施，被认为会通过调节土壤水分的输入与分布来改善土壤疏松度［36］。然而，在沙生生境中，植物-水分的交互作用显然是远远大过了水分对土壤结构的影响。

3.2　养分循环驱动的土壤化学属性的变化

在本研究中，所有地块的土壤EC值（<70 μS·cm-1）均远低于土壤盐渍化阈值，因而其可以作为表征土壤矿质养分释放动态的综合性指标［37］。与对照区相比，无滴灌区的土壤EC值无显著变化，但滴灌区则显著升高。根据Pearson相关性分析结果，研究区土壤的CaCO3和SOC含量与EC值呈显著负相关关系。这说明，外源水分输入后增强了土壤中矿质养分化学风化与生物矿化释放过程［38］。

然而，滴灌区与无滴灌区间土壤EC值并无显著差异。与之相对应的是，所有其他土壤化学指标在滴灌区与无滴灌区间差异也均不显著。这种矛盾背后的原因可能与外源水分输入下土壤中矿质养分的循环过程（植物吸收、土壤淋失）被加强有关［39］。具体来看，TP、AP和AK的水平与SMC呈显著正相关关系，且TP和AP均与CaCO3显著正相关（图5）。同时，光伏区土壤并无显著的酸化效应，这可能与CaCO3溶解产生的酸缓冲作用有关［40］。因此，考虑到滴灌和无滴灌区间SMC的显著差异，光伏区土壤中P和K的释放可能主要与红枣种植过程中根系分泌物参与的化学风化作用有关［41］，而在滴灌措施下其循环过程被进一步增强。

通常，作物种植能够不同程度地提升SOC水平［42］。与传统的认知相反，本研究中光伏区的SOC水平与对照区相比并无显著差异。相对应的，尽管光伏区土壤AN也并未发生显著变化，但其变化具有高度异质性，特别是在滴灌区，其值与土壤pH显著负相关。这反映出，在光伏区，特别是在滴灌措施下，土壤中N素存在明显的生物转化过程，其中有机N矿化过程会诱发SOC亏损［43］。另外，与对照区相比，无灌溉区土壤TP显著降低，但滴灌区却无显著差异。由于TP与AP显著正相关，因而滴灌区表土TP变化可能与植物对土壤中P素吸收返还作用增加有关［44］。在本研究区，土壤中TP水平极低，因而有机P生物矿化作用也是重要的P素活化过程之一，这也会诱发SOC亏损［45］。显然，沙漠农业光伏体系下，特别是辅助滴灌措施后，土壤中养分释放与循环过程会被增强，进而会带动土壤中有机C（SOC）和无机C（CaCO3）水平的变化。

3.3　土壤生物学属性的环境敏感性

土壤酶活性对环境胁迫敏感，反映土壤健康状况，是评估土地利用变化的有效工具［46］。在本研究中，无论是滴灌区还是无滴灌区，与土壤C、N、P循环相关的GLU、NAG、LAP以及ALP的活性相较于对照区均显著提升。这表明，在光伏体系下，红枣种植过程中土壤-植物的长期交互作用对土壤酶有显著的刺激作用，这可能与光伏板遮阴和植物凋落物输入对生境的改善有关［33，41］。

在光伏区，滴灌区的土壤GLU和LAP的活性均显著高于无滴灌区，且均与土壤EC呈显著正相关关系。土壤有机C和无机C与EC显著相关（图5），且滴灌区的土壤AN变化呈现高度异质性（图3G），这反映出增加土壤水分输入后，沙漠土壤中N素生物转化过程会被加强［47-48］，亦即滴灌区红枣在生长过程中对N素的需求增加。

不同于N素，与P素转化相关的ALP的活性受到了SMC、CaCO3、AP以及AK的共同调控。由于光伏区的土壤AP水平均显著低于对照区，因而这反映出在低P素有效性驱动下，土壤有机P素生物矿化过程会被加强［49］。然而，滴灌区和无滴灌区间土壤AP水平并无显著差异。考虑到ALP的活性同时受到SMC的影响，这表明高土壤水分条件下红枣对P磷素需求也会增加，且土壤中P素释放主要是含Ca磷酸盐矿物化学风化作用所致。

4 结论

在沙漠农业光伏体系中，作物种植会造成表土SMC的显著亏缺，但当配套滴灌措施后，其水平可恢复至不种作物的对照水平。在光伏区，无论是否配套滴灌措施，作物的种植在5年内均不会显著改变土壤BD，且所有土壤化学属性在滴灌区与无滴灌区间差异不显著，但滴灌区土壤EC显著高于对照区。另外，滴灌区与无滴灌区土壤酶活性均显著高于对照区，且与碳和氮转化相关的土壤酶活性在滴灌区显著高于无滴灌区。Mantel检验和Pearson相关性分析结果综合表明，滴灌措施下外源水分的输入会增强沙漠土壤中矿质养分的化学风化与生物转化释放过程，强化土壤养分供给的作物-土壤-水分耦合调控作用。本研究的结果可以为光伏+农业体系在沙漠环境中可持续发展提供重要的实践依据。

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